U članku objavljenom 10. rujna u časopisu Advanced Materials, istraživački tim predvođen Rezom Moinijem, docentom građevinarstva i inženjerstva okoliša, te Shashankom Guptom, doktorandom treće godine na Princetonu, pokazuje da cementna pasta s cjevaste arhitekture može značajno povećati otpornost na širenje pukotina i poboljšati sposobnost deformiranja bez iznenadnog kvara, piše Princeton engineering.

'Jedan od izazova u inženjeringu krhkih građevinskih materijala je to što se oni naglo kvare na katastrofalan način', rekao je Gupta.

Kod krhkih građevinskih materijala koji se koriste u građevinarstvu i civilnoj infrastrukturi čvrstoća osigurava sposobnost podnošenja opterećenja, a žilavost podržava otpornost na pucanje i širenje oštećenja unutar strukture. Predložena tehnika rješava te probleme stvaranjem materijala koji je čvršći od konvencionalnih alternativa.

Moini je objasnio da je ključ poboljšanja u pažljivom dizajnu unutarnje arhitekture, pri čemu je balansirano naprezanje na prednjoj strani pukotine s ukupnim mehaničkim odgovorom materijala.

'Koristimo teorijska načela mehanike loma i statističke mehanike kako bismo dizajnom poboljšali temeljna svojstva materijala', rekao je.

Inspirirani ljudskim kostima

Tim se inspirirao kortikalnom kosti, gustom vanjskom ovojnicom bedrene kosti, koja pruža snagu i otpornost na lom. Kortikalna kost sastoji se od eliptičnih cjevastih komponenti poznatih kao osteoni, slabo ugrađenih u organsku matricu. Ova jedinstvena arhitektura skreće pukotine oko osteona, sprječavajući naglo oštećenje i povećavajući ukupnu otpornost na širenje pukotina, rekao je Gupta.

Takvo rješenje uključuje cilindrične i eliptične cijevi unutar cementne paste, a one djeluju u interakciji s pukotinama koje se šire.

'Obično bi se očekivalo da će materijal postati manje otporan na pucanje kada se ugrade šuplje cijevi', rekao je Moini. 'Međutim naučili smo da iskorištavanjem prednosti geometrije cijevi, njihove veličine, oblika i orijentacije možemo unaprijediti interakciju pukotine i cijevi, poboljšavajući jedno svojstvo bez narušavanja drugog.'

Tim je otkrio da poboljšana interakcija između pukotina i cijevi potiče postupan mehanizam otvrdnjavanja, pri čemu pukotinu prvo zarobljava cijev, a zatim se širenje usporava, što rezultira dodatnim rasipanjem energije pri svakoj interakciji i koraku.

'Ono što ovaj postupni mehanizam čini jedinstvenim jest to da se svako širenje pukotine kontrolira, čime se sprječava iznenadni i katastrofalni kvar', rekao je Gupta. 'Umjesto da se materijal odjednom slomi, on podnosi postupna oštećenja, što ga čini znatno čvršćim.'

Geometrijski dizajn je žilaviji

Za razliku od tradicionalnih metoda koje ojačavaju cementne materijale dodavanjem vlakana ili plastike, pristup tima s Princetona oslanja se na geometrijski dizajn. Manipuliranjem strukturom samog cementa postigli su značajna poboljšanja u njegovoj žilavosti, bez potrebe za dodatnim materijalima.

Osim poboljšanja otpornosti na lom, istraživači su razvili novu metodu za kvantificiranje stupnja poremećaja, važnog parametra za dizajn. Na temelju statističke mehanike, uveli su parametre za mjerenje stupnja nereda u arhitekturi materijala, što im je omogućilo stvaranje numeričkog okvira koji odražava stupanj njene uređenosti.

Istraživači su istaknuli da novi okvir pruža točniji prikaz rasporeda materijala, prelazeći s jednostavnih binarnih klasifikacija periodičnih i neperiodičnih sustava na spektar koji varira od uređenog do slučajnog. Moini je napomenuo da istraživanje pravi razliku između nepravilnosti i poremećaja te statističkog poremećaja, kao što su Voronoijeva teselacija i slični pristupi.

Napredne metode izrade

'Ovaj pristup daje nam moćan alat za opisivanje i dizajn materijala s prilagođenim stupnjem nereda', rekao je Moini. 'Korištenje naprednih metoda izrade, poput aditivne proizvodnje, može dodatno omogućiti dizajn neuređenijih i mehanički povoljnijih struktura te povećanje ovih cjevastih dizajna za komponente civilne infrastrukture na bazi betona.'

Istraživački tim također je nedavno razvio tehnike koje omogućuju veliku preciznost koristeći robotiku i aditivnu proizvodnju. Primjenom tih metoda na nove arhitekture i kombinacije tvrdih i mekih materijala unutar cijevi nadaju se proširiti mogućnosti primjene u građevinskim materijalima.

'Tek smo počeli istraživati mogućnosti', rekao je Gupta. 'Postoji mnogo varijabli koje treba istražiti, poput primjene stupnja poremećaja na veličinu, oblik i orijentaciju cijevi u materijalu. Ova bi načela mogla biti primjenjiva i na druge lomljive materijale kako bi se stvorile strukture otpornije na oštećenja', zaključio je.