Cimento 5 vezes mais resistente que o cimento tradicional e inspirado no osso humano é criado

Inspirados na arquitetura da dura camada externa do osso humano, os engenheiros da Universidade de Princeton desenvolveram um material à base de cimento que é 5,6 vezes mais resistente a danos do que os cimentos tradicionais.

Em um artigo publicado na revista Advanced Materials, a equipe de pesquisa liderada por Reza Moini e Shashank Gupta demonstra que a pasta de cimento implantada com uma arquitetura em forma de tubo pode aumentar significativamente a resistência à propagação de rachaduras e melhorar a capacidade de deformação sem falhas repentinas.

Cimento inspirado no osso cortical humano

Nos materiais de construção frágeis utilizados em edifícios e infraestruturas civis, a resistência garante a capacidade de suportar cargas, enquanto a tenacidade promove a resistência à rachaduras e à propagação de danos na estrutura. A técnica proposta resolve esses problemas criando um material mais resistente que os convencionais sem perder sua resistência.

Segundo Moini, a chave para a melhoria está no design intencional da arquitetura interna, equilibrando as tensões na frente da fissura com a resposta mecânica geral. “Usamos princípios teóricos da mecânica da fratura e da mecânica estatística para melhorar as propriedades fundamentais dos materiais 'por projeto'”, explica ele.

A equipe se inspirou no osso cortical humano, a densa camada externa dos fêmures humanos que proporciona força e resiste a fraturas. O osso cortical é composto de componentes tubulares elípticos conhecidos como ósteons, vagamente incorporados em uma matriz orgânica. Esta arquitetura única desvia rachaduras ao redor dos ósteons. Isso evita falhas abruptas e aumenta a resistência geral à propagação de trincas, explica Gupta.

Mecanismo de endurecimento escalonado

O design bioinspirado incorpora tubos cilíndricos e elípticos dentro da pasta de cimento que interagem com a propagação de fissuras. “Espera-se que o material seja menos resistente a rachaduras quando são incorporados tubos ocos”, disse Moini. “Aprendemos que, aproveitando a geometria, o tamanho, a forma e a orientação do tubo, podemos promover a interação tubo-rachadura para melhorar uma propriedade sem sacrificar outra”, acrescentou ele.

“O que torna este mecanismo de etapas único é que cada extensão de fissura é controlada, evitando falhas repentinas e catastróficas”, explica Gupta. “Em vez de quebrar repentinamente, o material resiste a danos progressivos, tornando-o muito mais resistente”, comentou ele.

Método para quantificar o grau de desordem em materiais

Além de melhorar a resistência à fratura, os pesquisadores introduziram um novo método para quantificar o grau de desordem, uma magnitude importante para o projeto. Com base na mecânica estatística, a equipe introduziu parâmetros para quantificar o grau de desordem nos materiais arquitetônicos. Isso permitiu aos pesquisadores criar uma estrutura numérica que refletisse o grau de desordem da arquitetura.

Eles afirmam que a nova estrutura fornece uma representação mais precisa dos arranjos materiais, movendo-se em direção a um espectro que vai do ordenado ao aleatório, além de simples classificações binárias de periódico e não periódico. Moini observou que o estudo faz uma distinção com abordagens que confundem irregularidade e perturbação com desordem estatística, como mosaico de Voronoi e métodos de perturbação.

“Essa abordagem nos dá uma ferramenta poderosa para descrever e projetar materiais com um grau personalizado de desordem”, diz Moini. “O uso de métodos avançados de fabricação, como a fabricação aditiva, pode favorecer ainda mais o projeto de estruturas mais desordenadas e mecanicamente favoráveis e permitir o dimensionamento desses projetos tubulares para componentes de infraestrutura civil de concreto”, comentou ele.

Referência da notícia:

Gupta, S.; Moini, R. Tough Cortical Bone-Inspired Tubular Architected Cement-Based Material with Disorder. Advanced Materials, 2024.