Інженери розробляють новий цемент, який у 17 разів стійкіший до розтріскування

Інженери Прінстона розробили новий цементний композит, натхненний черепашковим перламутром, значно підвищивши його довговічність і гнучкість. Інженери Прінстонського університету, черпаючи натхнення з матеріалів, знайдених у раковинах устриць і вушок, розробили новий цементний композит. Цей інноваційний матеріал у 17 разів більш стійкий до розтріскування та в 19 разів більш гнучкий і деформований без руйнування порівняно з традиційним цементом. Цей прорив може значно підвищити стійкість до розтріскування різних крихких керамічних матеріалів, починаючи від бетону і закінчуючи порцеляною.

«Якщо ми зможемо сконструювати бетон, який буде протистояти поширенню тріщин, ми зможемо зробити його міцнішим, безпечнішим і довговічнішим», — сказав дослідник Шашенк Гупта, аспірант лабораторії Рези Моїні на факультеті цивільної та екологічної інженерії.

У статті, опублікованій 10 червня в журналі  Advanced Functional Materials , дослідницька група під керівництвом Моіні, доцента кафедри цивільної та екологічної інженерії, повідомила, що створення чергування шарів цементної пасти та тонкого полімеру може значно підвищити стійкість до розтріскування та здатність деформуватися без повного руйнування (пластичність).

Біологічний дизайн і тестування

У роботі над будівельними матеріалами лабораторія Мойні часто шукає натхнення в біології. У цьому випадку команда розробила композит, натхненний природним матеріалом під назвою перламутр, який міститься в певних черепашках. Гупта сказав, що на мікроскопічному рівні перламутр складається з шестикутних таблеток твердого мінералу арагоніту, склеєних м’яким біополімером.

Таблетки арагоніту значно підвищують міцність перламутру, а біополімер додає гнучкості та стійкості до розтріскування. Механізм зміцнення передбачає ковзання таблеток арагоніту під напругою, що разом з іншими механізмами дозволяє перламутру розсіювати енергію. Ця дія ковзання в поєднанні з відхиленням тріщин і деформацією біополімеру дозволяє перламутру витримувати значні механічні навантаження, зберігаючи структурну цілісність, що робить його міцним і пружним.

«Ця синергія між твердими та м’якими компонентами має вирішальне значення для чудових механічних властивостей перламутру», — сказав Гупта.

Команда Прінстона розробила інноваційні композити, натхненні перламутром, використовуючи звичайні будівельні матеріали, такі як паста портландцементу в поєднанні з обмеженою кількістю полімеру. Вони чергували шари листів цементного тіста з полімером, що дуже розтягується, полівінілсилоксаном. Дослідники створили багатошарові невеликі балки, чергуючи листи цементної пасти з тонкими шарами полімеру. Потім ці балки були піддані триточковому випробуванню на вигин у трьох точках, де кожна балка була випробувана на вигин для оцінки стійкості до розтріскування (або міцності на руйнування).

Експериментальні результати та спостереження

В ході експерименту дослідники виготовили три типи пучків. Перший тип складався з чергування шарів листів цементного тіста та тонкого полімеру. Для другого типу вони використовували лазер, щоб вигравірувати шестикутні канавки в листах цементного тіста. Ці рифлені листи потім укладалися з тонкими полімерними шарами між ними. Третій тип був схожий на третій, але дослідники повністю розрізали цемент, створивши окремі шестикутні таблетки, з’єднані полімерним шаром. Ці таблетки цементної пасти лежать на полімерному шарі подібно до того, як арагоніт лежить на біополімерному шарі перламутру. Ці три типи порівнювали з еталонним суцільним (монолітним) аналогом з литої цементної пасти.

Експерименти показали, що руйнування еталонних балок було крихким — це означає, що балки раптово і повністю зламалися після досягнення точки руйнування, без пластичності. Балки з чергуванням шарів, як рифлених, так і не рифлених, продемонстрували підвищену пластичність і стійкість до розтріскування.

Найбільш значні результати спостерігалися в балках з повністю розділеними гексагональними таблетками, схожими на перламутр. Ці балки показали в 19 разів більшу пластичність і в 17 разів більшу в’язкість до руйнування, зберігаючи при цьому майже таку ж міцність, як і суцільна балка з цементного тіста.

«Наш підхід, натхненний біотехнологіями, полягає не в тому, щоб просто імітувати мікроструктуру природи, а в тому, щоб вчитися на основних принципах і використовувати їх для розробки матеріалів, створених людиною. Одним із ключових механізмів, що робить перламутрову оболонку міцною, є ковзання планшета на нанометровому рівні. Тут ми зосереджуємось на механізмі ковзання таблеток, розробляючи вбудовану табличну структуру цементного тіста в балансі з властивостями полімеру та межею розділу між ними». Мойні сказав. «Іншими словами, ми навмисно створюємо дефекти в крихких матеріалах, щоб зробити їх міцнішими».

Дослідники відзначили, що результати ґрунтуються на лабораторних умовах і що для розробки методів використання в польових умовах знадобиться додаткова робота та дослідження. Вони працюють над тим, щоб визначити, чи в’язкість і пластичність конструкції застосовуються до інших керамічних матеріалів, крім цементної пасти, наприклад бетону.

«Ми лише дряпаємо поверхню; буде багато можливостей проєктування для дослідження та проєктування основних властивостей твердих і м’яких матеріалів, інтерфейсів і геометричних аспектів, які впливають на фундаментальні розмірні ефекти в будівельних матеріалах», – сказав Моїні.