Engenheiros de Princeton desenvolvem novo cimento 17 vezes mais resistente a rachaduras

Os engenheiros de Princeton desenvolveram um novo compósito de cimento inspirado na concha de nácar, aumentando significativamente sua durabilidade e flexibilidade.

Engenheiros da Universidade de Princeton, inspirando-se nos materiais encontrados nas conchas de ostras e abalones, desenvolveram um novo compósito de cimento. Este material inovador é 17 vezes mais resistente à fissuração e 19 vezes mais flexível e deformável sem quebrar em comparação com o cimento tradicional. Este avanço poderia aumentar significativamente a resistência à fissuração de vários materiais cerâmicos frágeis, desde concreto até porcelana.

“Se pudermos projetar concreto para resistir à propagação de fissuras, poderemos torná-lo mais resistente, mais seguro e mais durável”, disse o pesquisador Shashank Gupta, estudante de graduação no laboratório de Reza Moini no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental.

Em artigo publicado em 10 de junho na revista Materiais Funcionais Avançadosa equipe de pesquisa liderada por Moini, professor assistente de engenharia civil e ambiental, relatou que a criação de camadas alternadas de pasta de cimento tabulada e polímero fino pode aumentar significativamente a resistência à trinca e a capacidade de deformação sem quebrar completamente (ductilidade).

Design e testes bioinspirados

O laboratório de Moini frequentemente busca inspiração na biologia em seu trabalho com materiais de construção. Nesse caso, a equipe desenvolveu um compósito inspirado em um material natural chamado nácar, ou madrepérola, encontrado no interior de certas conchas. Gupta disse que, no nível microscópico, o nácar consiste em comprimidos hexagonais do mineral duro aragonita colados por um biopolímero macio.

Os comprimidos de aragonita contribuem significativamente para a resistência do nácar, enquanto o biopolímero acrescenta flexibilidade e resistência a rachaduras. O mecanismo de endurecimento envolve o deslizamento das pastilhas de aragonita sob tensão, o que, junto com outros mecanismos, permite que o nácar dissipe energia. Esta ação deslizante, combinada com a deflexão da fissura e a deformação do biopolímero, permite que o nácar suporte tensões mecânicas substanciais, mantendo a sua integridade estrutural, tornando-o forte e resiliente.

Os pesquisadores criaram vigas com camadas alternadas de telhas hexagonais de cimento e polímero fino. Crédito: Sameer Khan/Fotobuddy

“Essa sinergia entre os componentes duros e moles é crucial para as notáveis ​​propriedades mecânicas do nácar”, disse Gupta.

A equipe de Princeton desenvolveu compósitos inovadores inspirados em nácar, utilizando materiais de construção convencionais como pasta de cimento Portland combinada com uma quantidade limitada de polímero. Eles alternaram camadas de folhas de pasta de cimento com um polímero altamente elástico, polivinil siloxano. Os pesquisadores criaram pequenas vigas multicamadas alternando folhas de pasta de cimento com finas camadas de polímero. Essas vigas foram então submetidas a um teste de flexão de três pontos entalhados, onde cada viga foi testada sob flexão para avaliar a resistência a rachaduras (ou tenacidade à fratura).

Resultados Experimentais e Observações

No experimento, os pesquisadores produziram três tipos de vigas. O primeiro tipo consistia em camadas alternadas de folhas de pasta de cimento e polímero fino. Para o segundo tipo, usaram um laser para gravar ranhuras hexagonais nas folhas de pasta de cimento. Essas folhas ranhuradas foram então empilhadas com finas camadas de polímero entre elas. O terceiro tipo era semelhante ao terceiro, mas os pesquisadores cortaram completamente o cimento, criando comprimidos hexagonais separados conectados pela camada de polímero. Esses comprimidos de pasta de cimento ficam sobre a camada de polímero de forma semelhante à forma como a aragonita fica sobre a camada de biopolímero no nácar. Esses três tipos foram comparados com uma contraparte de pasta de cimento fundida sólida (monolítica) de referência.

Os experimentos revelaram que a ruptura das vigas de referência foi frágil – o que significa que as vigas quebraram repentina e completamente ao atingir seu ponto de ruptura, sem ductilidade. As vigas com camadas alternadas, ranhuradas e não ranhuradas, demonstraram maior ductilidade e resistência à fissuração.

Os resultados mais significativos foram observados nas vigas com tabletes hexagonais completamente separados, que são semelhantes ao nácar. Essas vigas exibiram 19 vezes a ductilidade e 17 vezes a tenacidade à fratura, mantendo quase a mesma resistência que a viga de pasta de cimento sólido.

“Nossa abordagem de inspiração biológica não consiste simplesmente em imitar a microestrutura da natureza, mas em aprender com os princípios subjacentes e usá-los para informar a engenharia de materiais produzidos pelo homem. Um dos principais mecanismos que tornam a casca nacarada resistente é o deslizamento do comprimido no nível nanométrico. Aqui, nos concentramos no mecanismo de deslizamento do comprimido, projetando a estrutura tabulada embutida da pasta de cimento em equilíbrio com as propriedades do polímero e a interface entre eles.” disse Moini. “Em outras palavras, projetamos intencionalmente defeitos nos materiais frágeis como uma forma de torná-los mais resistentes por design.”

Os pesquisadores observaram que as descobertas são baseadas em condições de laboratório e que seriam necessários trabalho e pesquisa adicionais para desenvolver as técnicas para uso em campo. Eles estão trabalhando para determinar se a resistência à fratura e a ductilidade das estruturas se aplicam a outros materiais cerâmicos além da pasta de cimento, como o concreto.

“Estamos apenas arranhando a superfície; haverá inúmeras possibilidades de projeto para explorar e projetar as propriedades constitutivas dos materiais duros e macios, as interfaces e os aspectos geométricos que influenciam os efeitos fundamentais do tamanho nos materiais de construção”, disse Moini.

Referência: “Compósitos cimentícios semelhantes a nácar arquitetados resistentes e dúcteis” por Shashank Gupta, Hadi S. Esmaeeli e Reza Moini, 10 de junho de 2024, Materiais Funcionais Avançados.
DOI: 10.1002/adfm.202313516

O projeto foi financiado em parte pelo Prêmio CAREER #2238992 da National Science Foundation por meio do programa Engenharia para Infraestrutura Civil.