Menselijke dijbenen hebben een nieuw bouwmateriaal op cementbasis geïnspireerd dat vele malen sterker is dan traditioneel beton. Maar het botachtige ontwerp dankt zijn elasticiteit niet aan nieuwe toevoegingen, maar aan de uitgeholde vorm.
In een studie die op 10 september in het tijdschrift werd gepubliceerd Geavanceerde materialenOnderzoekers van de Universiteit van Princeton hebben aangetoond hoe cementpasta die in holle, architectonisch aandoende buizen wordt gegoten, bouwstenen kan creëren die maar liefst 5,6 keer beter bestand zijn tegen scheuren of ‘plotseling falen’ dan standaard beton – een groot probleem in de bouw.
“Een van de uitdagingen bij het ontwikkelen van broze bouwmaterialen is dat ze op een plotselinge, catastrofale manier falen”, zei Shashank Gupta, promovendus en co-auteur van de studie, maandag in een begeleidende verklaring.
Hun oplossing is afgeleid van de dichte buitenste schil van het menselijke dijbeen, bekend als corticaal bot. In deze vitale laag zijn talloze elliptische buisachtige delen, osteonen genaamd, opgehangen in een organische matrix, die vervolgens worden omgeven door relatief zwakke grensvlakken, toevallig ook wel “cementlijnen” genoemd.
Telkens wanneer er spanning op het bot wordt uitgeoefend, zorgen deze cementlijnen voor een ‘microstructureel wenselijk scheurpad’, schrijven de auteurs van het onderzoek, ‘waardoor een afbuiging in het vlak van de scheur rond het osteon wordt veroorzaakt als gevolg van de interactie van de cementlijn en de scheur. “
“Er wordt verwacht dat het materiaal minder scheurbestendig wordt als er holle buizen worden geïnstalleerd”, zei Reza Moini, assistent-professor civiele techniek en milieutechniek en onderzoeksleider, maandag in een aankondiging. “We hebben geleerd dat we, door gebruik te maken van de geometrie, grootte, vorm en oriëntatie van de buis, de interactie tussen scheuren en buizen kunnen bevorderen om de ene eigenschap te verbeteren zonder de andere op te offeren.”
[Related: ‘Zero emission’ electric cement is an ‘absolute miracle.’]
Met behulp van deze eigenschappen hebben ingenieurs betonproductiemodellen aangepast en getest of bio-geïnspireerde, vergelijkbare holle vormen hun sterkte vergrootten. In tegenstelling tot andere betonsoorten hadden de nieuwe materialen echter geen toevoegingen zoals vezels of kunststoffen nodig. In plaats daarvan vertrouwden ze eenvoudigweg op precieze geometrische ontwerpen.
Bij laboratoriumtests ontdekte het team van Moini dat de verbeterde interactie tussen de spanningsscheuren en de holle buis een ‘stapsverhardingsmechanisme’ teweegbracht. Tijdens dit proces wordt de scheur in de buis opgesloten en wordt voorkomen dat deze zich te ver verspreidt. Wanneer scheuren zich voortplanten, wordt bij elke stap energie gedissipeerd om de omvang van de schade te verminderen.
“Wat dit geleidelijke mechanisme uniek maakt, is dat elke scheurvoortplanting wordt gecontroleerd, waardoor een plotselinge, catastrofale mislukking wordt voorkomen,” zei Gupta. “In plaats van in één keer te breken, is het materiaal bestand tegen progressieve schade, waardoor het veel sterker wordt.”
Gupta gelooft dat het team “nog maar net begint met het verkennen van de mogelijkheden” van hun nieuwe, op botten geïnspireerde bouwmateriaal. Hij merkt op dat er nog veel meer variabelen zijn om te onderzoeken, waaronder het veranderen van de grootte, oriëntatie en vorm van de buis. In de toekomst zouden de bevindingen uiteindelijk kunnen worden toegepast op andere brosse technische materialen om gebouwen verder te versterken.