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Engenheiros de Princeton criam cimento para construção, 17 vezes mais resistente e 19 vezes mais flexível. Saiba como essa tecnologia revoluciona a construção civil
Engenheiros de Princeton, inspirados pelo material das conchas de ostras, criaram um novo composto de cimento para a construção que é 17 vezes mais resistente a rachaduras e 19 vezes mais capaz de se esticar e deformar sem quebrar em comparação com o cimento padrão. Esses achados podem aumentar a resistência a rachaduras de uma ampla gama de materiais cerâmicos frágeis, desde cimento até porcelana.
Inovação na construção
Se podemos projetar o concreto para resistir à propagação de rachaduras, podemos torná-lo mais forte, seguro e durável.
Shashank Gupta, estudante de pós-graduação no laboratório de Reza Moini do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental.
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Em um artigo publicado em 10 de junho na revista Advanced Functional Materials, a equipe de pesquisa liderada por Moini, professor assistente de engenharia civil e ambiental, informou que a criação de camadas alternadas de pasta de cimento tabulada e polímero fino pode aumentar significativamente a resistência a rachaduras e a capacidade de se deformar sem quebrar completamente (ductilidade).
Inspiração biológica na construção
O laboratório de Moini frequentemente busca inspiração na biologia para seu trabalho em materiais de construção. Neste caso, a equipe desenvolveu um composto inspirado em um material natural chamado nácar, ou madrepérola, que se encontra dentro de certas conchas. Em nível microscópico, o nácar consiste em tabletes hexagonais do mineral duro aragonita unidos por um biopolímero macio.
Os tabletes de aragonita contribuem significativamente para a força do nácar, enquanto o biopolímero adiciona flexibilidade e resistência a rachaduras. O mecanismo de endurecimento implica que os tabletes de aragonita deslizam sob estresse, o que, junto com outros mecanismos, permite que o nácar dissipe energia. Esta ação de deslizamento, combinada com a deflexão de rachaduras e a deformação do biopolímero, permite que o nácar suporte um estresse mecânico substancial mantendo sua integridade estrutural, tornando-o forte e resistente.
Desenvolvimento do composto inovador na construção
A equipe de Princeton desenvolveu compostos inovadores inspirados no nácar, utilizando materiais de construção convencionais como a pasta de cimento Portland combinada com uma quantidade limitada de polímero. Alternaram camadas de folhas de pasta de cimento com um polímero altamente esticável, polivinilsiloxano. Os pesquisadores criaram vigas pequenas de múltiplas camadas alternando folhas de pasta de cimento com camadas finas de polímero. Essas vigas foram submetidas a um teste de flexão em três pontos com uma mossa para avaliar a resistência a rachaduras (ou tenacidade à fratura).
Experimentação e resultados
No experimento, os pesquisadores produziram três tipos de vigas. O primeiro tipo consistia em camadas alternadas de folhas de pasta de cimento e polímero fino. Para o segundo tipo, usaram um laser para gravar sulcos hexagonais nas folhas de pasta de cimento. Essas folhas canalizadas foram empilhadas com camadas finas de polímero entre elas. O terceiro tipo foi similar ao segundo, mas os pesquisadores cortaram completamente o cimento, criando tabletes hexagonais separados conectados pela camada de polímero. Esses tabletes de pasta de cimento foram colocados sobre a camada de polímero de maneira semelhante a como a aragonita se coloca sobre a camada de biopolímero no nácar. Esses três tipos foram comparados com uma referência sólida de pasta de cimento monolítica.
Os experimentos revelaram que a falha das vigas de referência foi frágil, ou seja, as vigas se quebraram subitamente e completamente ao alcançar seu ponto de falha, sem ductilidade. As vigas com camadas alternadas, tanto canalizadas quanto não canalizadas, demonstraram maior ductilidade e resistência a rachaduras.
Futuras aplicações
Os resultados mais significativos foram observados nas vigas com tabletes hexagonais completamente separados, similares ao nácar. Essas vigas mostraram 19 vezes a ductilidade e 17 vezes a tenacidade à fratura enquanto mantinham quase a mesma força que a viga de pasta de cimento sólida.Construção
Nossa abordagem bioinspirada não é simplesmente imitar a microestrutura da natureza, mas aprender com os princípios subjacentes e usá-los para informar a engenharia de materiais fabricados pelo homem. Um dos mecanismos-chave que torna uma concha de nácar resistente é o deslizamento dos tabletes em nível nanométrico. Aqui, nos concentramos no mecanismo de deslizamento dos tabletes projetando a estrutura tabulada incorporada da pasta de cimento em equilíbrio com as propriedades do polímero e a interface entre eles. Em outras palavras, intencionalmente projetamos defeitos nos materiais frágeis como uma maneira de torná-los mais fortes por design.Construção
Reza Moini
Os pesquisadores notaram que os achados se baseiam em condições de laboratório e que seria necessário trabalho adicional e pesquisa para desenvolver as técnicas para seu uso no campo. Estão trabalhando para determinar se a tenacidade à fratura e a ductilidade das estruturas se aplicam a outros materiais cerâmicos além da pasta de cimento, como o concreto.Construção
Apenas estamos arranhando a superfície; haverá inúmeras possibilidades de design para explorar e projetar as propriedades constitutivas dos materiais duros e macios, as interfaces e os aspectos geométricos que influenciam nos efeitos fundamentais do tamanho nos materiais de construção.
Reza Moini
Mais informações: princeton.edu
