Ny forskning utført ved Princeton Universitys avdeling for sivil- og miljøteknikk åpner en lovende vei mot en ny generasjon sementholdige materialersom kan brukes til å skape mer motstandsdyktige, trygge og langvarige bygninger og infrastrukturer. På grunnlag av denne innovasjonen er det ikke en ny sement eller en ny blanding, men den studie av strukturen til perlemor: det indre materialet til skjell, overraskende sterkt til tross for at det er sammensatt av iboende skjøre elementer, akkurat som matrisen som utgjør betong. I denne artikkelen utforsker vi prinsippene og resultatene av denne interessante kombinasjonsforskningen biomimicry og sivilingeniør.
Tanken bak forskningen: betong og skjell
Hva har betong og skjellene vi finner i naturen til felles? En iboende feil: begge består av ekstremt skjørt materiale. Som vi vet, betong, laget av sement, vann og tilslag i en riktig blanding av spesifikk design, den tåler ikke strekkpåkjenningerog må faktisk benytte seg av metall rustning druknet i støpingen for å garantere den strukturelle ytelsen som er nødvendig for å gjøre det til et byggemateriale.
Skjell, innvendig, er laget av perlemor (eller Nacre), materiale som hovedsakelig består av aragonitt, et veldig skjørt mineral. Likevel, i motsetning til betong, som ikke har noen armering, har skjell en makroskopisk oppførsel mye mer motstandsdyktig og seig. Hemmeligheten ligger i deres indre mikrostrukturdet vil si geometrisk sammensetning i stedet for kjemisk sammensetning. Vi kan derfor sammenligne struktur av perlemor til det av en mikroskopisk murvegg: små, ekstremt stive elementer, laget av aragonitt, holdes sammen av et mykt lim, laget av en organisk matrise
Hvis en ekstern spenning påvirker motstanden til denne strukturelle ordningen, vil de stive elementene de glir mellom hverandre på grunn av en betydelig deformasjon av bindingsmatrisen. Hovedkonsekvensen av denne deformasjonstilstanden er at konstruksjonen har innvendig mer dissiperende kapasitet og klarer å redusere lokalisert energiinntak som – ellers – ville føre til at det dannes en sprekkdet vi vanligvis ser i dagens betong. Resultatet er en økning i duktilitet av systemet som vil garantere betongen en bedre ytelse enn det vi er vant til i dag.
Utviklingen av studien: 17 ganger mer motstandsdyktig
For å reprodusere denne geometriske konformasjonen i et sementholdig materiale, brukte forskerne en teknikk lasergravering på tynne ark av sementpasta. Med laseren skapte de en serie av sekskantede mursteinlik det som finnes mikroskopisk i perlemor. Disse arkene, slik gravert, ble deretter overlappet ved å sette inn et veldig tynt lag mellom det ene laget og det andre PVS elastomeret svært deformerbart materiale som spiller rollen som den naturlige organiske matrisen. På denne måten skapte de tre prototyper:
- en «lagdelt» versjon uten graveringer;
- en versjon med inngraverte sekskanter, fortsatt forbundet med hverandre;
- en versjon med fysisk adskilte sekskanter som individuelle elementer.
Alle prøvene var testet i bøying til bruddfor å evaluere responsen under stress. De eksperimentelle resultatene bekrefter den innledende hypotesen: redesign den interne arkitekturen til betongen dens mekaniske oppførsel endres fullstendiguten å måtte røre kjemien. Den mest lovende prøven, den tredje på listen, viste en bruddseigheten økte med mer enn 17 ganger (parameter som måler materialets evne til å hindre spredning av lesjoner). Sprekken er faktisk tvunget til å følge kronglete stier og forbruke mye mer energi for å avansere. Videre er materialet ikke bare mer holdbart, men også mer duktilog derfor mindre utsatt for plutselige brudd.
For et typisk skjørt materiale som betong eller generelt en sementpasta, er det en radikal endring. Mekanisk motstand vises kan sammenlignes med tradisjonelle sementpastaer, til tross for tilsetningen av deformerbare lag og separasjonen i sekskanter.
Viktigheten av forskning ved Princeton University
Betong er det mest brukte byggematerialet i verden, men det er det egen skjørhet er en grense. I flere tiår har vi prøvd å forbedre ytelsen – tenk deg om fiberarmert betong, dvs. oppnådd med tilsetning av fibre og polymerer – men fremgangen er beskjeden, siden en betydelig tap av styrke eller holdbarhet. Arbeidet til forskere ved Princeton University er viktig fordi det legger grunnlaget for redesign av betong: ikke ved å gripe inn på kjemien til sementen, men på geometrisk blanding av deigeninspirert av den indre strukturen til skjell, som – ifølge studien – representerer en naturlig løsning. Applikasjonene er fortsatt i den eksperimentelle fasen og har ikke involvert reell skala prototyper, hvor bruken av materialet blir virkelig virkningsfull. Resultatene fra den foreløpige forskningen virker imidlertid lovende og oppmuntrer oss til å fortsette på denne veien.
