Создана сверхпрочная альтернатива армированному бетону
Ученые использовали 3D-печать для создания структуры полимерной решетки, которая может выступать в качестве основы для низкоуглеродистого бетона — прочного и долговечного
Исследование было проведено в Калифорнийском университете в Беркли и основано на предыдущих попытках армировать бетон с помощью полимерных волокон. Этот материал появился около полувека назад как многообещающая альтернатива арматурным стержням из стали, которые обладают высокой прочностью, но тяжелы, дороги и со временем разрушаются.
С другой стороны, полимерные волокна легки, дешевы в производстве и устойчивы к коррозии. Современные подходы включают смешивание этих волокон с бетоном перед его заливкой, но это может привести к неравномерному распределению, а значит некоторые части структуры будут прочнее, в то время как другие будут более подвержены образованию трещин.
Инженеры, стоящие за новым исследованием, стремились устранить этот недостаток с помощью 3D-печатной октетной полимерной решетки — структуры, отличающейся уникальным сочетанием легкости и прочности. Выбрав ее, они надеялись предотвратить образование трещин. Команда добилась успеха, используя полимеры акрилонитрил-бутадиен-стирола (АБС) для создания решетки, а зазоры затем заполняли бетоном, который по характеристикам в четыре раза прочнее обычного бетона на сжатие.
Исследователи экспериментировали с вариациями этого рецепта, используя различные версии полимерной решетки, которые варьировались от 19,2% от общего объема бетона до 33,7%. Хотя эти изменения и привели к небольшим отклонения в показателях прочности на сжатие и пиковых нагрузок, общие механические свойства бетона оставались в основном без изменений.
«Когда материал хрупкий, он может выдерживать определенную пиковую нагрузку, после чего выходит из строя», — пояснила соавтор исследования Клаудиа Остертаг, профессор гражданской и экологической инженерии. «В данном случае мы не наблюдали сбоя. Он становился все прочнее и прочнее. Удивительно, как что-то изначально очень хрупкое превращается в нечто крайне пластичное».
Все испытанные образцы имели высокие значения плотности деформации и, следовательно, были способны поглощать много энергии, в то время как образцы с более тонкой структурой решетки были такими же прочными, как и образцы с более толстыми. Эта часть является ключевой для одной из всеобъемлющих целей исследовательского проекта: речь идет об использовании более высоких концентраций альтернативных материалов для уменьшения углеродного следа производства бетона, на который приходится 8% мировых выбросов CO2.
«Реакция, при которой образуется цемент, по своей сути производит CO2», — рассказал соавтор исследования Хайден Тейлор. «Но существует и альтернативный путь к использованию полимеров, которые являются углеродно-нейтральными или даже потенциально углеродно-отрицательными, за счет использования биополимеров, вторичной переработки и возобновляемых источников энергии».
Теперь команда планирует поэкспериментировать с разными формами решетки, чтобы узнать, могут ли разные геометрические формы использоваться для разных целей. «Забегая вперед, мой самый большой вопрос — как выбрать лучшую решетчатую структуру для конкретного приложения», — заявил ведущий автор Брайан Салазар. «Нам кажется, что для каждой задачи могут быть найдены еще более оптимальные геометрические формы».
