یک طراحی لوله‌ای شکل، شبیه به آنچه در استخوان‌های ران ما انسان ها یافت می‌شود، این قدرت را دارد که سیمان را بدون استفاده از مواد تقویت‌کننده محکم‌تر کند.

محققان دانشگاه پرینستون خمیر سیمانی ابداع کرده اند که 5تا 6 برابر قوی تر از سیمان، ملات و سایر مصالح ساختمانی معمولی مبتنی بر سیمان است.

این خمیر معماری لوله‌ای شکلی دارد و از ساختار قشر استخوان انسان که لایه بیرونی استخوان ران را تشکیل می‌دهد، الهام گرفته شده است.

به گفته محققان، خمیر سیمانی که دارای معماری لوله مانند است، می تواند مقاومت در برابر انتشار ترک را به میزان قابل توجهی افزایش دهد و توانایی تغییر شکل سیمان بدون شکست ناگهانی را بهبود بخشد.

این خمیر سیمانی الهام گرفته شده از محیط زیست، پتانسیل جایگزینی با مواد پلاستیکی و الیافی مبتنی بر سیمان را نیز دارد.

نیاز به مصالح ساختمانی سخت تر

مواد ترد مبتنی بر سیمانی که برای ساخت ساختمان ها استفاده می شوند، باید دارای استحکام و چقرمگی بالایی باشند. استحکام بالا چون با توانایی یک سازه برای تحمل بار مرتبط است و چقرمگی بالا چون تصمیم می گیرد که آیا می تواند به طور موثر با ترک ها و آسیب ها مقابله کند یا خیر.

ساختمانی که با مصالحی با استحکام ضعیف ساخته شده باشد می تواند به طور ناگهانی فرو بریزد و آسیب شدیدی به اموال و جان انسان ها وارد کند.

شاشانک گوپتا، محقق ارشد و کاندیدای دکترا در دانشگاه پرینستون، می گوید: «یکی از چالش‌های مهندسی مصالح ساختمانی شکننده این است که آنها به شکلی ناگهانی و فاجعه‌بار می شکنند.»

به همین دلیل، توسعه مصالح ساختمانی که مقاومت بالایی در برابر ترک از خود نشان می دهند بسیار مهم است. چنین موادی در صورت آسیب، به جای اینکه ریزش ناگهانی داشته باشند، باید بتوانند به طور ایمن ضربه را در سراسر سازه پخش کنند.

دانش پنهان پشت خمیر سیمانِ مقاوم در برابر ترک

برای رمزگشایی از دانش پشت سیمان مقاوم در برابر ترک، محققان به دنبال موادی بودند که به طور طبیعی دارای استحکام و چقرمگی بالایی هستند.

آنها به زودی با قشر استخوان انسان مواجه می شوند که در برابر شکستگی مقاومت می کند و قدرت لازم برای تحمل بار بدن را به استخوان ران می دهد.

قشر استخوان از اجزای لوله‌ایِ بیضوی موسوم به استئون‌ها تشکیل شده است که با فشار کم در یک ماتریس آلی جاسازی شده‌اند. این معماری منحصر به فرد، ترک های اطراف استئون ها را از بین می برد. گوپتا توضیح می دهد که این ویژگی از شکست ناگهانی جلوگیری می کند و مقاومت کلی در برابر انتشار ترک را افزایش می دهد.

محققان با الهام از ساختار لوله‌ای قشر مغز استخوان ، یک خمیر سیمانی با لوله‌های استوانه‌ای و بیضوی ایجاد کردند. این ساختارهای لوله‌ای، شبیه به نحوۀ تقویت استخوان ران توسط استئون ها، خواص مقاومت در برابر ترک سیمان را بهبود بخشیدند.

به عنوان مثال، هرگاه در سازه‌ای که با خمیر سیمان ساخته شده است، ترک ایجاد شود، این ترک توسط لوله‌ها به دام می‌افتد و گسترش آن به بخش‌های دیگر را به تأخیر می‌اندازد. این فرآیند محدود کردن ترک، انرژی را جذب می کند.

این انرژی، همان انرژی است که در غیر این صورت باعث رشد سریع تر ترک می شد. جذب انرژی، به سیمان زمان بیشتری برای مقاومت در برابر آسیب می دهد و از فروپاشی ناگهانی سازه جلوگیری می کند.

چیزی که این مکانیسم گام به گام را منحصر به فرد می کند این است که هر پیشرفت ترکی کنترل می شود و از شکست ناگهانی و فاجعه بار جلوگیری می کند. این ماده به جای شکستن یکباره، در برابر آسیب های تدریجی مقاومت می کند و سیمان را بسیار سخت تر می کند.

تقویت سیمان به کمک هندسه

به طور کلی سیمان با پلاستیک، الیاف و مواد دیگر تقویت می شود تا چقرمگی آن افزایش یابد. با این حال، رویکرد فعلی به جای افزودن چیزی اضافی به سیمان، بر مهار قدرت لوله ها و هندسه آن تمرکز دارد.

رضا معینی، محقق ارشد و استاد مهندسی عمران و محیط زیست در دانشگاه پرینستون، می گوید: «انتظار می‌رود که وقتی لوله‌های توخالی در ساختار سیمان ترکیب می‌شوند، این ماده در برابر ترک مقاوم‌تر شود.»

او افزود: «ما آموختیم که با بهره‌گیری از هندسه، اندازه، شکل و جهت گیری لوله ها، می‌توانیم رابطه میان ترک و لوله را برای بهبود هر ویژگی ارزشمند در ساختار سیمان، بدون قربانی کردن ویژگی دیگر آن، ارتقا دهیم.»

علاوه بر این، معینی و گوپتا چارچوبی برای تعیین میزان بی نظمی در خمیر سیمان ایجاد کرده اند. درجه بی نظمی به میزان نامنظم یا غیرقابل پیش بینی بودن ساختار یا آرایش یک ماده اشاره دارد.

این چارچوب می تواند در تبدیل خمیر سیمان به یک راه حل عملی و مقیاس پذیر برای مواد سنتی مبتنی بر سیمان مفید باشد.

گوپتا می گوید: ما فقط شروع به بررسی احتمالات کرده ایم. این اصول را می توان برای سایر مواد شکننده در مهندسی سازه های مقاوم در برابر آسیب به کار برد.

این مطالعه در مجله Advanced Materials منتشر شده است.

افراد دارای مهارت در این زمینه

در صورتی که در این زمینه تخصص یا مهارتی دارید، پس از ثبت نام در سایت و تکمیل فرم مشخصات شخصی ، پروفایل خود را به لیست زیر اضافه نمایید .