Utilizzando una struttura tubolare bioispirata alla struttura esterna dell’osso umano, l’osso corticale, alla Princeton University sono riusciti a stampare in 3D un calcestruzzo più resistente sia in termini di durezza che di tenacità.
La pasta cementizia prodotta nel laboratorio di Reza Moini, professore associato di ingegneria civile e ambientale, e Shashank Gupta, dottorando al terzo anno, ha dimostrato una resistenza ai danni 5,6 volte superiore ai materiali tradizionali. Una caratteristica non da poco per uno dei materiali più utilizzati al mondo e che spesso è il protagonista di infrastrutture di grandi dimensione e notevoli carichi.
Misurare la Tenacità e la durezza del calcestruzzo
Il calcestruzzo stampato nei laboratori della Princeton è in grado di resistere alle crepe, evitando allo stesso tempo cedimenti improvvisi. Sembra una caratteristica implicita nei materiali da costruzione, eppure non è così scontata. Mentre la tenacità è la capacità di un materiale di assorbire l’energia durante una sollecitazione, la durezza misura la resistenza del materiale alla deformazione sotto carico. In natura queste due caratteristiche molto spesso si equiparano, al contrario, nei materiali ingegneristici sono spesso due proprietà meccaniche concorrenti. Ad esempio il calcestruzzo, mostra possono mostrare un’elevata resistenza, ma una bassa tenacità alla frattura, rispetto ad altre classi di materiali come i metalli.
“Una delle sfide nella progettazione di materiali da costruzione fragili è che si rompono in modo brusco e catastrofico”, sottolinea ha affermato Gupta.
Nell’articolo pubblicato sulla rivista Advanced Materials, il team di ricerca ha trovato l’ispirazione dalla struttura microscopica delle ossa umane.
Struttura tubolare come l’osso corticale
Ad Ispirare questo particolare calcestruzzo più resistente è la struttura dell’osso corticale. L’osso corticale è collocato nella parte esterna dell’osso ed è formato da lamelle ossee concentriche (osteoni) aderenti l’una all’altra di forma tubolare ellittica, inseriti in una matrice organica. Questa struttura unica, devia le crepe attorno agli osteoni.
Moini ha affermato che la chiave del miglioramento risiede nella progettazione mirata dell’architettura interna, bilanciando le sollecitazioni della crepa con la risposta meccanica complessiva.
“Utilizziamo i principi teorici della meccanica della frattura e della meccanica statistica per migliorare le proprietà fondamentali dei materiali ‘in base alla progettazione'”, ha affermato.
Il denso guscio esterno ad esempio del femore umano, impedisce il cedimento improvviso, allo stesso modo il calcestruzzo diventa più resistente alla propagazione delle crepe grazie ad una struttura a tubi cilindrici ed ellittici inseriti all’interno della pasta cementizia.
Al timore che il materiale possa diventare meno resistente alle crepe inserendo questi tubi cavi, Moini risponde chiaramente: “Abbiamo imparato che sfruttando la geometria, le dimensioni, la forma e l’orientamento del tubo, possiamo promuovere l’interazione tra crepe e tubi per migliorare una proprietà senza sacrificarne un’altra”.
A livello pratico, la crepa viene prima intrappolata nel tubo e poi ritardata nella propagazione “dissipando parte dell’energia”.
“Invece di rompersi tutto in una volta, il materiale resiste a danni progressivi, il che lo rende molto più resistente”.
Robotica e stampa 3d chiudono il cerchio
Il tream ha poi cercato una soluzione efficace per produrre un calcestruzzo più resistente riducendo eventuali sprechi. La scelta è ovviamente ricaduta sulla stampa 3D e sulla robotica. Entrambe le tecniche consentono una elevata precisione oltre a calcolare tutte le possibili variabili e combinazioni in poche frazioni di secondo.