سیمان الهام گرفته از استخوان انسان ۵ برابر سخت تر و مقاوم تر از بتن است
محققان دانشگاه پرینستون یک خمیر سیمانی ابداع کرده‌اند که ۵.۶ برابر قوی‌تر از سیمان، ملات و سایر مصالح ساختمانی معمولی مبتنی بر سیمان است.
این خمیر دارای ساختاری لوله‌ای است که از ساختار استخوان قشری انسان الهام گرفته شده است که لایه بیرونی استخوان ران را تشکیل می‌دهد.
به گفته محققان، خمیر سیمانی ساختار لوله مانند می‌تواند مقاومت در برابر انتشار ترک را به میزان قابل توجهی افزایش دهد و توانایی تغییر شکل بدون شکست ناگهانی را بهبود بخشد.
این خمیر سیمانی همچنین پتانسیل جایگزینی با مواد پلاستیکی و الیاف مبتنی بر سیمان را دارد.
نیاز به مصالح ساختمانی سخت‌تر
مواد شکننده مبتنی بر سیمان که برای ساخت ساختمان‌ها استفاده می‌شوند باید دارای استحکام و چقرمگی بالایی باشند. استحکام با توانایی یک سازه برای تحمل بار مرتبط است و چقرمگی نشان می‌دهد که آیا می‌تواند به طور موثر با ترک‌ها و آسیب‌ها مقابله کند یا خیر.
ساختمانی که با مصالحی با استحکام ضعیف ساخته شده است، می‌تواند به طور ناگهانی فرو بریزد و آسیب شدیدی به اموال و جان انسان‌ها وارد کند.
شاشانک گوپتا (Shashank Gupta)، محقق ارشد و کاندیدای دکترا در پرینستون، می‌گوید: یکی از چالش‌های مهندسی مواد ساختمانی شکننده این است که آنها به شکلی ناگهانی و فاجعه‌بار فرو می‌ریزند.
به همین دلیل، توسعه مصالح ساختمانی که مقاومت بالایی در برابر ترک از خود نشان می‌دهند بسیار مهم است. در صورت آسیب، چنین موادی باید به جای اینکه منجر به ریزش ناگهانی شوند، بتوانند به طور ایمن ضربه را در سراسر سازه پخش کنند.
علم پشت خمیر سیمان مقاوم در برابر ترک
محققان به دنبال موادی بودند که به طور طبیعی دارای استحکام و چقرمگی بالایی هستند.
آنها با استخوان قشر انسان روبرو شدند که در برابر شکستگی مقاومت می‌کند و قدرت لازم برای تحمل بار بدن را به استخوان ران می‌دهد.
استخوان قشری شامل اجزای لوله‌ای بیضی شکل است که به نام استئون‌ها شناخته می‌شوند و به‌طور ضعیف در یک ماتریکس آلی جاسازی شده‌اند. این ساختار منحصر به فرد از شکست ناگهانی جلوگیری می‌کند و مقاومت کلی در برابر انتشار ترک را افزایش می‌دهد.
محققان با الهام از ساختار لوله‌ای استخوان قشر مغز، یک خمیر سیمانی با لوله‌های استوانه‌ای و بیضوی ایجاد کردند. این ساختارهای لوله‌ای، خواص مقاومت در برابر ترک را بهبود بخشیدند.
به عنوان مثال، هرگاه در سازه‌ای که با خمیر سیمان ساخته شده است، ترک ایجاد شود، توسط لوله‌ها به دام می‌افتد و گسترش آن به بخش‌های دیگر به تأخیر می‌افتد. فرآیند محدود کردن ترک انرژی را جذب می‌کند.
این همان انرژی است که در غیر این صورت باعث رشد سریع‌تر ترک می‌شود. اتلاف انرژی به سیمان زمان بیشتری برای مقاومت در برابر آسیب می‌دهد و از فروپاشی ناگهانی سازه جلوگیری می‌کند. آنچه که این مکانیسم گام به گام را منحصر به فرد می‌کند این است که هر امتداد ترک کنترل می‌شود و از شکست ناگهانی و فاجعه بار جلوگیری می‌شود. به جای شکستن یکباره، این ماده در برابر آسیب‌های تدریجی مقاومت می‌کند.
به طور کلی سیمان با پلاستیک، الیاف و مواد دیگر تقویت می‌شود تا چقرمگی آن افزایش یابد. با این حال، به جای افزودن چیزی اضافی به سیمان، رویکرد فعلی بر استفاده از ساختارهای لوله‌ای و هندسه تمرکز دارد.
رضا معینی، محقق ارشد و استاد مهندسی عمران و محیط زیست در پرینستون، می‌گوید: انتظار می‌رود که وقتی لوله‌های توخالی با هم ترکیب می‌شوند، این ماده در برابر ترک مقاوم‌تر شود.
او افزود: ما آموختیم که با بهره‌گیری از هندسه، اندازه، شکل و جهت لوله، می‌توانیم تعامل ترک و لوله را برای بهبود یک ویژگی ارتقا دهیم.
این مطالعه در مجله Advanced Materials منتشر شده است.
نظرات