Метаматериальный бетон: новое изобретение наиболее широко используемого строительного материала

Автор: Университет Питтсбурга, 6 мая 2023 г.

Концепт-арт, изображающий новый метаматериал бетон, используемый на шоссе. Фото: Амир Алави через Midjourney

Инженеры Питтсбургского университета переносят бетон в XXI век, переосмысливая его конструкцию. Бетон, корни которого восходят к Римской империи, остается наиболее широко используемым материалом в строительной отрасли.

Новое исследование представляет концепцию развития интеллектуальных систем гражданской инфраструктуры с использованием метаматериала бетона. Исследование представляет концепцию легких и механически настраиваемых бетонных систем со встроенными возможностями сбора и измерения энергии.

«Современное общество использует бетон в строительстве на протяжении сотен лет, начиная с его первоначального создания древними римлянами», — сказал Амир Алави, доцент кафедры гражданского и экологического строительства в Питте, который является автором исследования. «Массовое использование бетона в наших инфраструктурных проектах подразумевает необходимость разработки нового поколения бетонных материалов, которые были бы более экономичными и экологически устойчивыми, но при этом предлагали бы расширенные функциональные возможности. Мы считаем, что сможем достичь всех этих целей, внедрив метаматериальную парадигму в разработка строительных материалов».

Alavi and his team have previously developed self-aware metamaterialsMetamaterials are engineered materials that have properties not usually found in nature." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> метаматериалы и исследовали их использование в таких приложениях, как интеллектуальные имплантаты. В этом исследовании рассказывается об использовании метаматериалов при создании бетона, что позволяет специально разрабатывать материал для его целей. Такие характеристики, как хрупкость, гибкость и формуемость, можно точно настроить при создании материала, что позволяет строителям использовать меньше материала, не жертвуя при этом прочностью или долговечностью.

«Этот проект представляет собой первый композитный бетон из метаматериалов, обладающий сверхсжимаемостью и способностью аккумулировать энергию», — сказал Алави. «Такие легкие и механически настраиваемые бетонные системы могут открыть двери для использования бетона в различных областях, например, в качестве амортизирующих материалов в аэропортах, чтобы помочь замедлить взлет самолетов или в системах изоляции сейсмических баз».

Более того, материал способен генерировать электричество. Хотя он не может производить достаточно электроэнергии для подачи энергии в электрическую сеть, генерируемого сигнала будет более чем достаточно для питания придорожных датчиков. Электрические сигналы, генерируемые метаматериалом бетона под действием механических возбуждений, также могут использоваться для мониторинга повреждений внутри бетонной конструкции или для мониторинга землетрясений, одновременно уменьшая их воздействие на здания.

Eventually, these smart structures may even power chips embedded inside roads to help self-driving cars navigate on highways when GPSGPS, or Global Positioning System, is a satellite-based navigation system that provides location and time information anywhere on or near the Earth's surface. It consists of a network of satellites, ground control stations, and GPS receivers, which are found in a variety of devices such as smartphones, cars, and aircraft. GPS is used for a wide range of applications including navigation, mapping, tracking, and timing, and has an accuracy of about 3 meters (10 feet) in most conditions." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Сигналы GPS слишком слабы или LIDAR не работает.

Материал состоит из армированных решеток ауксетического полимера, заключенных в проводящую цементную матрицу. Композитная структура вызывает контактную электризацию между слоями при механическом срабатывании. Электропроводящий цемент, обогащенный графитовым порошком, служит электродом в системе. Экспериментальные исследования показывают, что материал может сжиматься до 15% при циклическом нагружении и производить мощность 330 мкВт.