Здания, построенные из пепла, простоят в 2-3 раза больше монолитных
Один и самых популярных и древних строительных материалов вот-вот обретет второе рождение. Если кто не знает, бетону, а речь именно о нем, уже более 4000 лет.
Исследователи и Массачусетского технологического института планируют разработать новую формулу бетона, вдохновленную самой природой.
В издании Construction and Building Materials исследователи сравнили связующий ингредиент бетона — цементную пасту — со структурой и свойствами естественных материалов, таких как кости, раковины и глубоководные губки.
Перечисленные биологические материалы обладают исключительной прочностью и долговечностью, отчасти благодаря точной компоновке структур в разном масштабе, от молекулярного до макро (видимого) уровня.
И снова на помощь придет природа
По итогам наблюдений группа во главе с профессором Оралом Байюкозтурком предложила новый биоинспирированный метод создания цементной пасты.
— Эти материалы скомпонованы удивительным образом, причем простые элементы собраны в сложные и красивые геометрические формы, отметил Байюкозтурк. — Мы хотим понять, какие микромеханизмы обеспечивают превосходные свойства, и можно ли их адаптировать для бетона.
В конечном счете, ученые намерены найти природные материалы, которые могут лечь в основу альтернативы традиционному портландцементу, для производства которого, как известно, требуется затратить очень много энергии.
— Если удастся заменить цемент, полностью или частично, широко доступными природными материалами, то мы достигнем некоторых целей, например, в части стабильности и доступности стройматериала, заявил Байюкозтурк.
Ученые
От молекул до мостов
Современный бетон состоит из смеси щебня и камней в цементной пасте. Прочность и долговечность бетона в какой-то степени зависят от его внутренней структуры и конфигурации пор.
Например, чем больше пор в цементе, тем он более уязвим к разлому. К сожалению, пока не существует доступных методов, которые позволили бы управлять внутренней структурой и свойствами бетона в целом.
— Хотя это все пока только догадки, мы планируем начать управлять цементом в мезомасштабе, сообщил Байюкозтурк.
Мезомасштаб, по словам Байюкозтурка, это связь между микроструктурами и макросвойствами. Как микроскопическая компоновка цемента влияет на долговечность и прочность зданий и мостов? Ответ на этот вопрос поможет инженерам определить особенности в разных масштабах, которые окажет влияние на эффективность цемента в целом.
— С одной стороны у нас есть молекулы, а с другой нам необходимо создать структуру длиной несколько километров, заявил ученый. — Как мы объединим это — пока загадка.
Цемент обратится в пепел
Для понимания связи ученые обратились к биологическим материалам — кости, глубоководным губкам и перламутру, микро- и макросвойства которых широко исследовались.
Ученые искали общие точки соприкосновения между структурой материала и его механическими свойствами. Так, выяснилось, сто похожая на лук структура кварцевых слоев морских губок предотвращает трещины. Минералы в составе перламутра производят мощную связь между слоями, благодаря чему материал становится чрезвычайно прочным.
— Существует широкий диапазон мультимасштабных свойств и техник компьютерного моделирования, которые хорошо подойдут для изучения сложностей биологических и биомиметических материалов, что легко будет транслировать в цементное сообщество, сообщил доцент Эдмир Мазик.
Используя данные, полученные в результате изучения биологических материалов и анализа существующих цементных паст, ученые разработали биоинспирированную методологию создания цемента.
Среди прочего в качестве цементной добавки или замены был изучен вулканический пепел. С помощью ядерной магнитно-резонансной томографии, рентгенной дифракции и электронного микроскопа исследователи намерены изучить вулканический пепел и конфигурацию пор с его добавкой.
Мосты простоят втрое больше
Результаты могут включить в модели, учитывающие долгосрочную эволюцию бетона, чтобы в итоге выяснить, как определенные добавки или ингредиенты повлияют на прочность и долговечность цемента.
— Мы надеемся таким образом прийти к своего рода рецепту более долговечного и жизнеспособного бетона, заключил Байюкозтурк. — Как правило, при проектировании зданий и мостов закладывается определенный срок службы. Мы хотим увеличить этот срок в два или три раза.