Исследователи и Массачусетского технологического института планируют разработать новую формулу бетона, вдохновленную самой природой.

В издании Construction and Building Materials исследователи сравнили связующий ингредиент бетона — цементную пасту — со структурой и свойствами естественных материалов, таких как кости, раковины и глубоководные губки.

Перечисленные биологические материалы обладают исключительной прочностью и долговечностью, отчасти благодаря точной компоновке структур в разном масштабе, от молекулярного до макро (видимого) уровня.

И снова на помощь придет природа

По итогам наблюдений группа во главе с профессором Оралом Байюкозтурком предложила новый биоинспирированный метод создания цементной пасты.

— Эти материалы скомпонованы удивительным образом, причем простые элементы собраны в сложные и красивые геометрические формы, отметил Байюкозтурк. — Мы хотим понять, какие микромеханизмы обеспечивают превосходные свойства, и можно ли их адаптировать для бетона.

В конечном счете, ученые намерены найти природные материалы, которые могут лечь в основу альтернативы традиционному портландцементу, для производства которого, как известно, требуется затратить очень много энергии.

— Если удастся заменить цемент, полностью или частично, широко доступными природными материалами, то мы достигнем некоторых целей, например, в части стабильности и доступности стройматериала, заявил Байюкозтурк.

Ученые отмечают, что открытие поспособствует созданию более долговечных и дешевых дорожных покрытий, мостов и других структур, а также сократит следы углерода в атмосфере.

От молекул до мостов

Современный бетон состоит из смеси щебня и камней в цементной пасте. Прочность и долговечность бетона в какой-то степени зависят от его внутренней структуры и конфигурации пор.

Например, чем больше пор в цементе, тем он более уязвим к разлому. К сожалению, пока не существует доступных методов, которые позволили бы управлять внутренней структурой и свойствами бетона в целом.

— Хотя это все пока только догадки, мы планируем начать управлять цементом в мезомасштабе, сообщил Байюкозтурк.

Мезомасштаб, по словам Байюкозтурка, это связь между микроструктурами и макросвойствами. Как микроскопическая компоновка цемента влияет на долговечность и прочность зданий и мостов? Ответ на этот вопрос поможет инженерам определить особенности в разных масштабах, которые окажет влияние на эффективность цемента в целом.

— С одной стороны у нас есть молекулы, а с другой нам необходимо создать структуру длиной несколько километров, заявил ученый. — Как мы объединим это — пока загадка.

Цемент обратится в пепел

Для понимания связи ученые обратились к биологическим материалам — кости, глубоководным губкам и перламутру, микро- и макросвойства которых широко исследовались.

Ученые искали общие точки соприкосновения между структурой материала и его механическими свойствами. Так, выяснилось, сто похожая на лук структура кварцевых слоев морских губок предотвращает трещины. Минералы в составе перламутра производят мощную связь между слоями, благодаря чему материал становится чрезвычайно прочным.

— Существует широкий диапазон мультимасштабных свойств и техник компьютерного моделирования, которые хорошо подойдут для изучения сложностей биологических и биомиметических материалов, что легко будет транслировать в цементное сообщество, сообщил доцент Эдмир Мазик.

Используя данные, полученные в результате изучения биологических материалов и анализа существующих цементных паст, ученые разработали биоинспирированную методологию создания цемента.

Среди прочего в качестве цементной добавки или замены был изучен вулканический пепел. С помощью ядерной магнитно-резонансной томографии, рентгенной дифракции и электронного микроскопа исследователи намерены изучить вулканический пепел и конфигурацию пор с его добавкой.

Мосты простоят втрое больше

Результаты могут включить в модели, учитывающие долгосрочную эволюцию бетона, чтобы в итоге выяснить, как определенные добавки или ингредиенты повлияют на прочность и долговечность цемента.

— Мы надеемся таким образом прийти к своего рода рецепту более долговечного и жизнеспособного бетона, заключил Байюкозтурк. — Как правило, при проектировании зданий и мостов закладывается определенный срок службы. Мы хотим увеличить этот срок в два или три раза.