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Ingenieros de Princeton crean cemento para construcción, 17 veces más resistente y 19 veces más flexible. Sepa cómo esta tecnología revoluciona la construcción civil
Ingenieros de Princeton, inspirados por el material de las conchas de ostras, crearon un nuevo compuesto de cemento para la construcción que es 17 veces más resistente a grietas y 19 veces más capaz de estirarse y deformarse sin romperse en comparación con el cemento estándar. Estos hallazgos pueden aumentar la resistencia a grietas de una amplia gama de materiales cerámicos frágiles, desde cemento hasta porcelana.
Innovación en la construcción
Si podemos diseñar el concreto para resistir la propagación de grietas, podemos hacerlo más fuerte, seguro y duradero.
Shashank Gupta, estudiante de posgrado en el laboratorio de Reza Moini del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental.
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En un artículo publicado el 10 de junio en la revista Advanced Functional Materials, el equipo de investigación liderado por Moini, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental, informó que la creación de capas alternadas de pasta de cemento tabulada y polímero fino puede aumentar significativamente la resistencia a grietas y la capacidad de deformarse sin romperse completamente (ductilidad).
Inspiración biológica en la construcción
El laboratorio de Moini frecuentemente busca inspiración en la biología para su trabajo en materiales de construcción. En este caso, el equipo desarrolló un compuesto inspirado en un material natural llamado nácar, o madreperla, que se encuentra dentro de ciertas conchas. A nivel microscópico, el nácar consiste en tabletas hexagonales del mineral duro aragonita unidas por un biopolímero blando.
Las tabletas de aragonita contribuyen significativamente a la fuerza del nácar, mientras que el biopolímero añade flexibilidad y resistencia a grietas. El mecanismo de endurecimiento implica que las tabletas de aragonita se deslizan bajo estrés, lo que, junto con otros mecanismos, permite que el nácar disipe energía. Esta acción de deslizamiento, combinada con la deflexión de grietas y la deformación del biopolímero, permite que el nácar soporte un estrés mecánico sustancial manteniendo su integridad estructural, volviéndolo fuerte y resistente.
Desarrollo del compuesto innovador en la construcción
El equipo de Princeton desarrolló compuestos innovadores inspirados en el nácar, utilizando materiales de construcción convencionales como la pasta de cemento Portland combinada con una cantidad limitada de polímero. Alternaron capas de hojas de pasta de cemento con un polímero altamente extensible, polivinilsiloxano. Los investigadores crearon vigas pequeñas de múltiples capas alternando hojas de pasta de cemento con capas finas de polímero. Estas vigas fueron sometidas a una prueba de flexión en tres puntos con una mossa para evaluar la resistencia a grietas (o tenacidad a la fractura).
Experimentación y resultados
En el experimento, los investigadores produjeron tres tipos de vigas. El primer tipo consistía en capas alternadas de hojas de pasta de cemento y polímero fino. Para el segundo tipo, usaron un láser para grabar surcos hexagonales en las hojas de pasta de cemento. Estas hojas canalizadas fueron apiladas con capas finas de polímero entre ellas. El tercer tipo fue similar al segundo, pero los investigadores cortaron completamente el cemento, creando tabletas hexagonales separadas conectadas por la capa de polímero. Estas tabletas de pasta de cemento fueron colocadas sobre la capa de polímero de manera similar a cómo la aragonita se coloca sobre la capa de biopolímero en el nácar. Estos tres tipos se compararon con una referencia sólida de pasta de cemento monolítica.
Los experimentos revelaron que la falla de las vigas de referencia fue frágil, es decir, las vigas se rompieron de forma repentina y completa al alcanzar su punto de falla, sin ductilidad. Las vigas con capas alternadas, tanto canalizadas como no canalizadas, demostraron mayor ductilidad y resistencia a grietas.
Futuras aplicaciones
Los resultados más significativos se observaron en las vigas con tabletas hexagonales completamente separadas, similares al nácar. Estas vigas mostraron 19 veces la ductilidad y 17 veces la tenacidad a la fractura mientras mantenían casi la misma fuerza que la viga de pasta de cemento sólida.Construcción
Nuestra enfoque bioinspirado no es simplemente imitar la microestructura de la naturaleza, sino aprender de los principios subyacentes y utilizarlos para informar la ingeniería de materiales fabricados por el hombre. Uno de los mecanismos clave que hace que una concha de nácar sea resistente es el deslizamiento de las tabletas a nivel nanométrico. Aquí, nos centramos en el mecanismo de deslizamiento de las tabletas diseñando la estructura tabulada incorporada de la pasta de cemento en equilibrio con las propiedades del polímero y la interfaz entre ellas. En otras palabras, intencionalmente diseñamos defectos en los materiales frágiles como una manera de volverlos más fuertes por diseño.Construcción
Reza Moini
Los investigadores notaron que los hallazgos se basan en condiciones de laboratorio y que sería necesario trabajo adicional e investigación para desarrollar las técnicas para su uso en el campo. Están trabajando para determinar si la tenacidad a la fractura y la ductilidad de las estructuras se aplican a otros materiales cerámicos además de la pasta de cemento, como el concreto.Construcción
Solo estamos arañando la superficie; habrá innumerables posibilidades de diseño para explorar y diseñar las propiedades constitutivas de los materiales duros y blandos, las interfaces y los aspectos geométricos que influyen en los efectos fundamentales del tamaño en los materiales de construcción.
Reza Moini
Más información: princeton.edu
Bom dia! Excelente e abençoada descoberta, vamos torcer para que chegue no mercado o mais rápido possível.