Hormigones más resistentes imitando la estructura de los huesos
En la universidad, aprendes rápido que los materiales a base de cemento, como el hormigón, son duros y resistentes a compresión, pero si aplicamos una fuerza puntual ¡tenemos grietas, y posible rotura!
Decimos que es un material con baja tenacidad a la fractura, es decir, poca resistencia a la propagación de una grieta una vez iniciada, y como consecuencia, riesgo de colapso.
¿Cómo aumentamos la resistencia al agrietado, sin combinar con otros materiales? Aquí es donde entra un reciente estudio de un par de ingenieros de la Universidad de Princeton, y la clave está en la estructura que presenta el hueso cortical (capa exterior densa del hueso humano).
El estudio se inspira en una microestructura tubular del hueso cortical, que presenta una notable tenacidad a la fractura. Al replicar esta arquitectura en materiales cementicios, lograron incrementar la resistencia a la propagación de grietas hasta 5,6 veces.
Adoptando la estructura tubular del hueso cortical, han podido mejorar la resistencia a grietas del cemento en 5,6 veces
Este hueso, está formado por componentes tubulares elípticos conocidos como osteonas, incrustados en una matriz orgánica. Actúan como rutas preferenciales cuando se producen grietas en un hueso, obliga a desviarlas – de forma gradual – para que causen menos daños.
El equipo Princeton replicó este mecanismo de tenacidad en un material a base de cemento utilizando la impresión 3D. Un nuevo material con huecos tubulares y elípticos, imitando la forma y la disposición de las osteonas en el hueso cortical.
Las pruebas mecánicas revelaron que este innovador material con arquitectura elíptica exhibía una resistencia a la fractura notablemente mejorada, hasta 5,6 veces mayor que un ladrillo sólido convencional.
Tres puntos clave del estudio:
- Los materiales tubulares con un 40% de porosidad y una relación de aspecto de 2,5 exhiben una tenacidad a la fractura hasta 5,6 veces mayor que los materiales sólidos.
- Este aumento se atribuye al mecanismo de agrietamiento gradual, donde los tubos detienen la propagación de la grieta y la obligan a reiniciarse, disipando energía en el proceso.
- La porosidad tubular óptima para la tenacidad a la fractura es del 40%, ya que equilibra la reducción de la resistencia a la iniciación de grietas con la mejora de la propagación de grietas.
Este incremento en la resistencia al agrietamiento se alcanzó sin comprometer la solidez del material ¡Un avance crucial en el diseño de materiales avanzados!
Y no sólo tenemos un cemento poroso que tiene una mayor resistencia a las fracturas, también conseguimos una durabilidad mejorada, un menor uso del material o un compuesto más ligero interesante para estructuras, en cemento impreso, ladrillos, etc.
La clave de esta tenacidad mejorada radica en la interacción entre las grietas que se propagan y las pequeñas perforaciones con forma elíptica.
A medida que una grieta intenta propagarse a través del material, encuentra los huecos y se ve obligada a detenerse y reiniciarse, un fenómeno conocido como «agrietamiento escalonado».
El material con huecos elípticos muestra una mayor tenacidad en comparación con el circular y el sólido
Este proceso disipa energía, evitando que la grieta se propague rápidamente y provoque rotura. Es importante destacar que la disposición de las perforaciones, y en particular, su grado de desorden, también influye en las propiedades mecánicas del material.
Además, el equipo de Princeton introdujo un nuevo enfoque para cuantificar el grado de desorden en la disposición tubular, utilizando principios de mecánica estadística.
Argumentaron que la clasificación convencional de arreglos como «periódicos» o «no periódicos» es inadecuada para describir las complejas disposiciones que se encuentran en materiales naturales e inspirados en la naturaleza.
Parece que estamos en una vía prometedora para superar la compensación habitual entre tenacidad a la fractura y resistencia observada en materiales tradicionales de la ingeniería civil y construcción.
Esta tecnología, inspirada en la naturaleza, tiene el potencial de revolucionar el diseño y las aplicaciones de los materiales, no solo del hormigón.
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