O design tubular, como o que se encontra nos ossos da coxa, tem o poder de tornar o cimento mais resistente sem utilizar qualquer material de reforço.
Investigadores da Universidade de Princeton desenvolveram uma pasta de cimento que é 5,6 vezes mais forte do que o cimento, a argamassa e outros materiais de construção convencionais à base de cimento. O estudo foi publicado no Advanced Materials.
A pasta apresenta uma arquitetura tubular inspirada na estrutura do osso cortical humano, que forma a camada exterior do fémur.
“A pasta de cimento com uma arquitetura tubular pode aumentar significativamente a resistência à propagação de fissuras e melhorar a capacidade de deformação sem falhas súbitas”, afirma os investigadores.
Esta pasta de cimento bio-inspirada tem também o potencial de substituir materiais à base de cimento reforçados com plástico e fibras.
Segundo Interesting Engineering, os materiais frágeis à base de cimento utilizados na construção de edifícios devem ter níveis elevados de resistência e de tenacidade. A primeira está associada à capacidade de uma estrutura suportar cargas e a segunda decide se esta consegue lidar eficazmente com fissuras e danos.
Um edifício construído com material de fraca resistência pode ruir subitamente, causando graves danos à propriedade e a vidas humanas.
Um dos desafios da engenharia de materiais de construção frágeis é o facto de estes falharem de forma abrupta e catastrófica”, afirmou Shashank Gupta, investigador principal e candidato a doutoramento em Princeton.
Sameer A. Khan/Fotobuddy, University of Princeton
É por isso crucial desenvolver materiais de construção que apresentem uma elevada resistência à fissuração. Em caso de danos, estes materiais devem também ser capazes de distribuir com segurança o impacto por toda a estrutura, em vez de provocar um colapso súbito.
Para descodificar a ciência por detrás do cimento resistente às fissuras, os investigadores procuraram materiais que possuíssem naturalmente elevada resistência e tenacidade.
Rapidamente se depararam com o osso cortical humano, que resiste a fraturas e fornece ao fémur a força necessária para suportar a carga do corpo.
“O osso cortical é constituído por componentes tubulares elípticos, conhecidos como osteões, francamente embebidos numa matriz orgânica. Esta arquitetura única desvia as fissuras em torno dos osteões, o que evita uma falha abrupta e aumenta a resistência global à propagação de fissuras”, explicou Gupta.
Inspirados na estrutura tubular do osso cortical, os investigadores desenvolveram uma pasta de cimento com tubos cilíndricos e elípticos. Estas estruturas tubulares melhoraram as propriedades de resistências às fissuras do cimento, à semelhante de forma como os osteões reforçam o fémur.
Por exemplo, sempre que surge uma fissura numa estrutura feita com pasta de cimento, esta é retida pelos tubos, atrasando a sua propagação a outras secções.
O processo de limitar a fissura absorve energia. Esta é a mesma energia que, de outra forma, teria feito a fissura crescer mais rapidamente. A dissipação da energia dá ao cimento mais tempo para resistir aos danos, evitando o colapso súbito da estrutura.
“O que torna este mecanismo gradual único é o facto de cada extensão de fenda ser controlada, evitando uma falha súbita e catastrófica. Em vez de se partir todo de uma vez, o material resiste a danos progressivos, tornando-o muito mais resistente”, afirmou Grupta.
Geralmente, o cimento é reforçado com plástico, fibra e outros materiais para aumentar a sua resistência. No entanto, em vez de adicionar algo extra ao cimento, a abordagem atual centra-se no aproveitamento do poder dos tubos e da geometria.
“Espera-se que o material se torne menos resistente à fissuração quando são incorporados tubos ocos”, disse Reza Moini, investigador sénior e professor de engenharia civil e ambiental em Princeton.
“Aprendemos que, tirando partido da geometria, tamanho, forma e orientação do tubo, podemos promover a interação fissura-tubo para melhorar uma propriedade sem sacrificar outra”, acrescentou.
Além disso, Moini e Gupta desenvolveram uma estrutura para determinar o grau de desordem na pasta de cimento. O grau de desordem refere-se ao grau de irregularidade ou imprevisibilidade da estrutura ou disposição de um material.
A estrutura pode ser útil para tornar a pasta de cimento uma solução prática e escalável para os materiais tradicionais à base de cimento.
“Ainda só começámos a explorar as possibilidades. Estes princípios podem ser aplicados a outros materiais frágeis para criar estruturas mais resistentes aos danos”, afirmou Gupta.
