قام باحثون من جامعة برينستون بتطوير عجينة أسمنتية أقوى بـ 5.6 مرة من الأسمنت والملاط ومواد البناء التقليدية الأخرى المعتمدة على الأسمنت.

يحتوي المعجون على بنية أنبوبية مستوحاة من بنية العظم القشري البشري الذي يشكل الطبقة الخارجية لعظم الفخذ (عظم الفخذ).

“المعجون الأسمنتي المستخدم مع العمارة الأنبوبية يزيد بشكل كبير من مقاومة انتشار الشقوق ويحسن القدرة على التشوه دون فشل مفاجئ” وفق للباحثين.

يتمتع هذا المعجون الأسمنتي المستوحى حيويًا أيضًا بالقدرة على استبدال المواد البلاستيكية والمواد الأسمنتية المقواة بالألياف.

الطلب على مواد البناء الصلبة

يجب أن تكون المواد الهشة ذات الأساس الأسمنتي المستخدمة في تشييد المباني ذات قوة وصلابة عالية. ويرتبط الأول بقدرة الهيكل على تحمل الأحمال، ويحدد الأخير ما إذا كان من الممكن التغلب على الشقوق والأضرار بشكل فعال.

يمكن أن ينهار المبنى ذو الصلابة الضعيفة فجأة، مما يتسبب في أضرار جسيمة للممتلكات وحياة الإنسان.

وقال الباحث الرئيسي شاشانك جوبتا، الحاصل على درجة الدكتوراه في جامعة برينستون: “أحد التحديات في هندسة مواد البناء الهشة هو أنها تفشل بطريقة مفاجئة وكارثية”.

ولهذا السبب من المهم تطوير مواد بناء تتمتع بمقاومة عالية للتشقق. في حالة حدوث ضرر، يمكن لهذه المواد توزيع التأثير بأمان في جميع أنحاء الهيكل دون التسبب في انهيار مفاجئ.

العلم وراء معجون الأسمنت المقاوم للتشقق

لفك رموز العلم وراء الأسمنت المقاوم للتشقق، بحث الباحثون عن مواد ذات قوة وصلابة أعلى بشكل طبيعي.

وسرعان ما وجدوا عظمًا قشريًا بشريًا، يقاوم الكسور ويزود عظم الفخذ بالقوة التي يحتاجها لتحمل أحمال الجسم.

وأوضح غوبتا: “يتكون العظم القشري من مكونات أنبوبية ممدودة تسمى العظمون، وهي مدمجة بشكل ضعيف في مصفوفة عضوية. هذه البنية الفريدة توجه الشقوق حول العظمون. وهذا يمنع الفشل المفاجئ ويزيد من المقاومة الشاملة لانتشار الشقوق”.

مستوحاة من البنية الأنبوبية للعظم القشري، طور الباحثون عجينة أسمنتية تتكون من أنابيب أسطوانية وإهليلجية. حسنت هذه الهياكل الأنبوبية خصائص الأسمنت المقاومة للتشققات، على غرار الطريقة التي تعمل بها العظام على تقوية عظم الفخذ.

على سبيل المثال، كلما ظهر شرخ في نظام مصنوع من عجينة الأسمنت، فإنه يلتصق في الأنابيب، مما يؤخر انتشاره إلى مناطق أخرى. عملية التحكم في الكراك تمتص الطاقة.

إنها نفس الطاقة التي لولا ذلك لتسببت في نمو الشق بشكل أسرع. إن تبديد الطاقة يمنح الأسمنت مزيدًا من الوقت لمقاومة الضرر، مما يمنع الانهيار المفاجئ للهيكل.

وقال جوبتا: “ما يجعل هذه الآلية المتدرجة فريدة من نوعها هو أنه يتم التحكم في كل امتداد للشقوق، مما يمنع الفشل المفاجئ والكارثي. فبدلاً من الكسر مرة واحدة، تتحمل المادة الضرر التدريجي، مما يجعلها أكثر صرامة”.

تعزيز الاسمنت مع الهندسة

بشكل عام، يتم تقوية الأسمنت بالبلاستيك والألياف ومواد أخرى لزيادة صلابته. ومع ذلك، بدلاً من إضافة شيء إضافي إلى الأسمنت، يركز النهج الحالي على تسخير قوة الأنابيب والهندسة.

وقال كبير الباحثين رضا مويني، أستاذ الهندسة المدنية والبيئية في جامعة برينستون: “عندما يتم توصيل الأنابيب المجوفة، يتوقع المرء أن تكون المادة مقاومة للانفجار”.

وأضاف: “لقد تعلمنا أنه باستخدام هندسة الأنبوب وحجمه وشكله واتجاهه، يمكننا تعزيز تفاعلات الأنابيب المتشققة لتحسين خاصية واحدة دون التضحية بالأخرى”.

كما طور مويني وجوبتا إطارًا لتحديد درجة عدم الانتظام في عجينة الأسمنت. تشير درجة الاضطراب إلى مدى عدم انتظام أو عدم القدرة على التنبؤ ببنية أو تكوين كائن ما.

يعد هذا الإطار مفيدًا في جعل معجون الأسمنت حلاً عمليًا وقابلاً للتطوير للمواد التقليدية المعتمدة على الأسمنت.

وقال جوبتا: “لقد بدأنا في استكشاف الاحتمالات. ويمكن استخدام هذه المبادئ لتصميم هياكل أكثر مقاومة للضرر للمواد الهشة الأخرى”.

ال يذاكر نشرت في المجلة مواد متقدمة.