Пара инженеров из Принстона разработали новый вид бетона, который обещает в 5 раз большую устойчивость к повреждениям, чем обычный материал, путем проделывания отверстий в его структуре.
Это может означать не только более безопасные здания, но и снижение нашей потребности в производстве бетона для ремонта и восстановления конструкций — и это было бы здорово для окружающей среды. Цемент, который используется для производства бетона, вносит свой вклад в 3% всех выбросов парниковых газов во всем мире, и каждое изменение, которое мы можем сделать в этом показателе, помогает.
Для нового бетона доцент кафедры гражданского и экологического строительства Реза Моини и кандидат наук Шашанк Гупта были вдохновлены архитектурой плотной внешней оболочки человеческих бедренных костей.
Также называемая кортикальной костью, она состоит из эллиптических трубчатых компонентов, известных как остеоны. Их форма и матрица, в которой они расположены, отклоняют трещины вокруг этих остеонов и не дают им развалиться при ударе.
Остеоны в компактной кортикальной кости противостоят трещинам благодаря тому, как они свободно расположены в матрицеCNX OpenStax | Wikimedia Commons
Благодаря продуманной геометрической конструкции полые трубки этого бетона «улавливают» трещины и задерживают их дальнейшее распространение. Это сильно отличается от других подходов к укреплению бетона, которые включают добавление в смесь таких материалов, как волокна и пластик.
«Этот пошаговый механизм делает уникальным то, что каждое расширение трещины контролируется, предотвращая внезапный, катастрофический отказ», — пояснил Гупта. «Вместо того, чтобы сломаться сразу, материал выдерживает прогрессирующее повреждение, что делает его намного прочнее».
Исследователи из Принстона Реза Моини и Шашанк Гупта с их био-вдохновленным бетономСамир А. Хан/Fotobuddy
Создание и разрушение более прочного бетона
Чтобы отлить этот био-вдохновленный бетон, дуэт напечатал на 3D-принтере трубчатую шаблонную форму с использованием поливинилового спирта (ПВА). Затем они изготовили негатив этого шаблона, залив резину в форму. Затем ее растворили, чтобы создать уретановую силиконовую форму, и она использовалась для отливки бетона.
Чтобы проверить его прочность, они провели так называемый трехточечный изгиб и односторонний надрез. По сути, они использовали алмазную пилу толщиной 2 мм и бритву, чтобы сделать надрезы в бетоне. Это повторялось несколько раз, чтобы собрать данные о вязкости материала на излом. Их результаты были опубликованы в журнале Advanced Materials.
Это не первый раз, когда исследователи находят вдохновение для новых материалов в природе. Ранее в этом году команда разработала цементный композит, который показал в 17 раз большую трещиностойкость, чем стандартный цемент. Дуэт взял за основу перламутр, который содержится в устойчивых к трещинам раковинах устриц, и который состоит из шестиугольных таблеток арагонита, соединенных биополимером. Это дало им идею для их сверхпрочного композитного материала.
В этом году бетон и цемент переживают зеленый момент. Еще в мае мы узнали о методе производства цемента с нулевым выбросом углерода и одновременной очисткой железа. А в прошлом месяце мы увидели, как исследователи в Японии объединили CO2 и бетонный щебень из снесенной школы, чтобы создать прочные и пригодные для повторного использования кирпичи для строительства новых зданий.