На протязі ось вже століття сталева арматура була основним матеріалом для армування бетону, але новий підхід обіцяє зробити звичайний будівельний матеріал міцнішим і екологічно чистим.
Дослідження було проведено в Каліфорнійському університеті в Берклі й засноване на попередніх спробах армувати бетон за допомогою полімерних волокон. Цей матеріал з’явився близько півстоліття тому як багатообіцяюча альтернатива арматурних стрижнів зі сталі, які мають високу міцність, але важкі, дороги і з часом руйнуються.
З іншого боку, полімерні волокна легкі, дешеві у виробництві й стійкі до корозії. Сучасні підходи включають змішування цих волокон з бетоном перед його заливкою, але це може привести до нерівномірного розподілу, а значить деякі частини структури будуть міцнішими, в той час, як інші будуть більш схильні до утворення тріщин.
- Новий тривимірний принтер виготовляє меблі
- На кришці давньоєгипетської гробниці знайдені відбитки пальців, яким 3 тис. років
Інженери, які стоять за новим дослідженням, прагнули усунути цей недолік за допомогою 3D-друкованої октетної полімерної решітки – структури, що відрізняється унікальним поєднанням легкості і міцності. Вибравши її, вони сподівалися запобігти утворенню тріщин. Команда добилася успіху, використовуючи полімери акрилонітрил-бутадієн-стиролу (АБС) для створення решітки, а люз потім заповнювали бетоном, який за характеристиками в чотири рази міцніше звичайного бетону на стиск.
Дослідники експериментували з варіаціями цього рецепта, використовуючи різні версії полімерної решітки, які варіювалися від 19,2% від загального обсягу бетону до 33,7%. Хоча ці зміни і призвели до невеликих відхилення в показниках міцності на стиск і пікових навантажень, загальні механічні властивості бетону залишалися в основному без змін.
«Коли матеріал крихкий, він може витримувати певне пікове навантаження, після чого виходить з ладу», – пояснила співавтор дослідження Клаудіа Остертаг, професор цивільної і екологічної інженерії. «В цьому випадку ми не спостерігали збою. Він ставав все міцніше і міцніше. Дивно, як щось спочатку дуже крихке перетворюється на щось украй пластичне ».
Всі випробувані зразки мали високі значення щільності деформації і, отже, були здатні поглинати багато енергії, в той час, як зразки з тоншою структурою решітки були такими ж міцними, як і зразки з товстішими. Ця частина є ключовою для однієї з всеосяжних цілей дослідницького проєкту: мова йде про використання більших концентрацій альтернативних матеріалів для зменшення вуглецевого сліду виробництва бетону, на який припадає 8% світових викидів CO2.
«Реакція, при якій утворюється цемент, по своїй суті виробляє CO2», – розповів співавтор дослідження Хайден Тейлор. «Але існує й альтернативний шлях до використання полімерів, які є вуглецево-нейтральними або навіть потенційно вуглецево-негативними, завдяки використанню біополімерів, вторинної переробки та відновлюваних джерел енергії».
Тепер команда планує поекспериментувати з різними формами решітки, щоб дізнатися, чи можуть різні геометричні форми використовуватися для різних цілей. «Забігаючи вперед, моє найбільше питання – як вибрати кращу ґратчасту структуру для конкретного додатка», – заявив провідний автор Брайан Салазар. «Нам здається, що для кожного завдання можуть бути знайдені ще більш оптимальні геометричні форми».
Натхнення: www.popmech.ru