Исследователи из Принстона создали новый цементный материал, который в 5,6 раза более устойчив к повреждениям по сравнению с обычными аналогами. Вдохновленные архитектурой костной ткани человека, ученые разработали био-инспирированную структуру, которая позволяет материалу предотвращать появление трещин и избегать внезапных разрушений, характерных для традиционных цементных смесей.
Согласно разработчикам, использование трубчатой архитектуры в цементной пасте значительно повышает ее устойчивость к распространению трещин и деформации. Этот подход помогает избежать внезапного разрушения, с которым сталкиваются обычные хрупкие материалы.
«Одна из главных проблем в проектировании хрупких строительных материалов заключается в их внезапном и катастрофическом разрушении», — пояснил Гупта. Прочность хрупких материалов обеспечивает способность выдерживать нагрузки, а их вязкость — устойчивость к трещинам и распространению повреждений. Предложенная техника решает обе задачи, создавая материал, который одновременно прочен и значительно более вязок.
Ключ к улучшению, по словам Муини, заключается в тщательной разработке внутренней структуры материала. Исследователи сбалансировали напряжения на переднем крае трещины с общим механическим ответом материала. Это позволяет эффективно управлять его поведением при нагрузках.
Вдохновением для ученых послужила кортикальная кость — плотная наружная оболочка бедренной кости человека. Она состоит из эллиптических трубчатых структур, известных как остеоны, которые ослаблены в органической матрице. Такая структура отклоняет трещины и предотвращает их резкое распространение, повышая общую устойчивость к разрушению. Аналогичная концепция была применена в цементной смеси, где цилиндрические и эллиптические трубки взаимодействуют с распространяющимися трещинами, замедляя их рост.
«Может показаться, что добавление полых трубок должно снизить устойчивость материала к трещинам», — отметил Муини. «Но благодаря особой геометрии трубок, их размеру и ориентации, мы можем добиться улучшения одного свойства без ухудшения другого».
Эксперименты показали, что такое взаимодействие трещины с трубками запускает поэтапный механизм усиления материала. Трещина сначала задерживается трубкой, затем её распространение замедляется, что способствует поглощению энергии на каждом этапе.
В отличие от традиционных методов, где в цемент добавляют волокна или пластик для усиления, команда из Принстона добилась успеха за счет оптимизации геометрии материала. Это позволяет значительно повысить его устойчивость к трещинам без использования дополнительных компонентов.
Кроме того, ученые разработали новый метод количественной оценки беспорядка в структуре материалов, что позволяет более точно описывать и проектировать их внутреннюю архитектуру. Это открывает новые возможности для создания строительных материалов с заданными механическими свойствами, которые могут использоваться в гражданской инфраструктуре.
Фото: boursenews
