Çimento e re inteligjente e shpikur për ndërtimin e rrugëve dhe qyteteve më të qëndrueshme

Përfshirja e nanomaterialeve në çimento tradicionale përmirëson rezistencën ndaj ujit dhe thyerjes.

Forcat e natyrës kanë qenë më të largëta nga materialet që ne përdorim për të ndërtuar infrastrukturën tonë që kur kemi filluar t’i prodhojmë ato. Akulli dhe bora i kthejnë rrugët kryesore në rrënoja çdo vit; themelet e shtëpive çahen dhe shkatërrohen, përkundër ndërtimit të fortë. Përveç tonelatave të mbetjeve të prodhuara nga copa betoni të thyer, çdo milje e rrugës i kushton Sh.B.A-së afërsisht 24,000 dollarë në vit për ta mbajtur atë në rregull.

Inxhinierët që trajtojnë këtë çështje me materiale inteligjente në mënyrë tipike rrisin funksionin e materialeve duke rritur sasinë e karbonit, por duke bërë kështu që materialet të humbin një performancë mekanike. Duke futur nano grimca në çimento të zakonshme, studiuesit e Universitetit Northwestern kanë formuar një çimento më të zgjuar, më të qëndrueshme dhe shumë funksionale.

Kërkimi u botua më 21 qershor 2021, në revistën Transaksionet Filozofike të Shoqërisë Mbretërore A.

Me çimento që është materiali më i konsumuar në të gjithë botën dhe industria e çimentos që përbën 8% të emisioneve të gazrave serë nga njeriu, profesori i inxhinierisë civile dhe mjedisore Ange-Therese Akono iu drejtua çimentos të përforcuar për të kërkuar zgjidhje. Akono, autori kryesor në studim dhe një profesor asistent në Shkollën e Inxhinierisë McCormick, tha se nanomaterialet zvogëlojnë gjurmën e karbonit të përbërjeve të çimentos, por deri më tani, dihej pak për ndikimin e saj në sjelljen e thyerjes.

“Roli i nano grimcave në këtë aplikacion nuk është kuptuar më parë tani, kështu që ky është një përparim i madh,” tha Akono. “Si një ekspert i mekanikës së thyerjeve duke u trajnuar, doja të kuptoja se si të ndryshoja prodhimin e çimentos për të rritur përgjigjen e thyerjes.”

Testimi tradicional i thyerjes, në të cilin një seri rrezesh drite hidhet në një bllok të madh materiali, përfshin shumë kohë dhe materiale dhe rrallë çon në zbulimin e materialeve të reja.

Duke përdorur një metodë inovative të quajtur testimi i gërvishtjeve, laboratori i Akono formoi me efikasitet parashikime mbi vetitë e materialit në një pjesë të kohës. Metoda teston reagimin ndaj thyerjes duke aplikuar një sondë konike me forcë vertikale në rritje ndaj sipërfaqes së copave mikroskopike të çimentos. Akono, e cila zhvilloi metodën e romanit gjatë Ph.D. punë, tha se kërkon më pak material dhe përshpejton zbulimin e të rejave.

“Unë isha në gjendje të shikoja shumë materiale të ndryshme në të njëjtën kohë”, tha Akono. “Metoda ime zbatohet direkt në shkallët e mikrometrit dhe nanometrit, gjë që kursen një kohë të konsiderueshme. Dhe pastaj bazuar në këtë, ne mund të kuptojmë se si sillen materialet, se si ato çahen dhe në fund të fundit parashikojnë rezistencën e tyre ndaj thyerjes. ”

Parashikimet e formuara përmes testeve gërvishtëse gjithashtu lejojnë inxhinierët të bëjnë ndryshime në materialet që rrisin performancën e tyre në shkallë më të gjerë. Në letër, nanoplatelet grafene, një material që fiton shpejt popullaritet në formimin e materialeve inteligjente, u përdorën për të përmirësuar rezistencën ndaj thyerjes së çimentos së zakonshme. Përfshirja e një sasie të vogël të nanomaterialit gjithashtu u tregua se përmirëson vetitë e transportit të ujit duke përfshirë strukturën e poreve dhe rezistencën e depërtimit të ujit, me ulje relative të raportuara përkatësisht prej 76% dhe 78%.

Implikimet e studimit përfshijnë shumë fusha, duke përfshirë ndërtimin e ndërtesave, mirëmbajtjen e rrugëve, optimizimin e sensorëve dhe gjeneratorëve dhe monitorimin strukturor të shëndetit.

Deri në vitin 2050, Kombet e Bashkuara parashikojnë që dy të tretat e popullsisë botërore do të përqendrohen në qytete. Duke pasur parasysh trendin drejt urbanizimit, prodhimi i çimentos pritet të rritet lart. Futja e betonit të gjelbër që përdor çimento më të lehtë, me performancë më të lartë do të zvogëlojë gjurmën e përgjithshme të karbonit duke zgjatur oraret e mirëmbajtjes dhe duke zvogëluar mbeturinat.

Përndryshe, materialet inteligjente lejojnë që qytetet të përmbushin nevojat e popullatave në rritje për sa i përket lidhjes, energjisë dhe shumëfunksionalitetit. Nanomaterialet me bazë karboni, përfshirë nanoplatelet grafene, tashmë janë duke u konsideruar në hartimin e sensorëve inteligjentë të bazuar në çimento për monitorimin e shëndetit strukturor.

Akono tha se ajo është e ngazëllyer për të dy ndjekjet e studimit në laboratorin e saj dhe mënyrat se si kërkimi i saj do të ndikojë te të tjerët. Ajo tashmë është duke punuar në propozime që shikojnë përdorimin e mbetjeve të ndërtimit për të formuar beton të ri dhe po konsideron “marrjen e letrës më tej” duke rritur fraksionin e nanomaterialit që përmban çimentoja.

“Unë dua të shikoj veti të tjera si të kuptuarit e performancës afatgjatë,” tha Akono. “Për shembull, nëse keni një ndërtesë të bërë nga nanomateriale me bazë karboni, si mund ta parashikoni rezistencën në 10, 20 madje 40 vjet?”

Studimi, “Rezistenca ndaj thyerjes së çimentos nanore të përforcuar një dhe dy-dimensionale përmes testimit të gërvishtjeve”, u mbështet nga Divizioni i Fondacionit Kombëtar të Shkencave të Inovacionit Civil, Mekanik dhe Prodhimit (numri i dhënies 18929101).