Calcestruzzo ispirato alle ossa: una nuova frontiera nella resistenza alle fratture

Un team di ingegneri dell'Università di Princeton ha sviluppato un innovativo materiale a base di cemento che presenta una resistenza ai danni 5,6 volte superiore rispetto ai materiali tradizionali.

Ispirato alla struttura dell'osso corticale umano, questo calcestruzzo avanzato è progettato per resistere alla formazione di crepe e prevenire cedimenti improvvisi, superando le limitazioni dei materiali cementizi fragili convenzionali.

Innovazione nella progettazione del calcestruzzo

Il gruppo di ricerca, guidato dal professor Reza Moini e dal dottorando Shashank Gupta, ha dimostrato che l'incorporazione di una struttura tubolare ellittica all'interno della pasta cementizia può aumentare significativamente la resistenza alla propagazione delle crepe.

Questo design bio-ispirato consente al materiale di deformarsi senza fratture improvvise, migliorando sia la tenacità che la resistenza.

"Una delle sfide nella progettazione di materiali da costruzione fragili è la loro tendenza a rompersi in modo brusco e catastrofico", ha affermato Gupta. La combinazione di resistenza e tenacità è fondamentale per garantire che le strutture possano sostenere carichi e resistere alla diffusione dei danni.

L'Ispirazione dall'osso corticale umano

L'osso corticale, il guscio esterno denso dei femori umani, è noto per la sua forza e la sua capacità di resistere alle fratture. Composto da componenti tubulari ellittici chiamati osteoni, debolmente integrati in una matrice organica, questa struttura unica devia le crepe attorno agli osteoni, prevenendo cedimenti improvvisi e aumentando la resistenza complessiva alla propagazione delle crepe.

Applicando questo principio, i ricercatori hanno incorporato tubi cilindrici ed ellittici all'interno della pasta cementizia.

Inizialmente, si potrebbe pensare che l'inclusione di tubi cavi riduca la resistenza del materiale. Tuttavia, sfruttando attentamente la geometria, le dimensioni, la forma e l'orientamento dei tubi, è possibile promuovere un'interazione efficace tra crepa e tubo, migliorando la tenacità senza sacrificare la resistenza.

Questo design induce un meccanismo di rinforzo a passi, in cui la crepa viene prima intrappolata dal tubo e poi ritardata nella propagazione.

Ogni interazione comporta una dissipazione aggiuntiva di energia, contribuendo a prevenire cedimenti improvvisi. "Questo meccanismo controlla ogni estensione della crepa, evitando un cedimento catastrofico", ha spiegato Gupta. "Il materiale non si rompe tutto in una volta, ma sopporta danni progressivi, rendendolo molto più tenace".

Metodi innovativi e applicazioni future

A differenza dei metodi tradizionali che rafforzano i materiali cementizi attraverso l'aggiunta di fibre o plastiche, l'approccio del team di Princeton si basa sulla progettazione geometrica interna del materiale. Manipolando la struttura stessa, si ottengono miglioramenti significativi senza la necessità di materiali aggiuntivi.

I ricercatori hanno anche introdotto un nuovo metodo per quantificare il grado di disordine nell'architettura del materiale, basato sulla meccanica statistica. Questo permette una rappresentazione numerica più accurata delle disposizioni interne, superando le semplici classificazioni binarie di strutture periodiche e non periodiche.

"Questo approccio ci fornisce uno strumento potente per descrivere e progettare materiali con un grado di disordine su misura", ha affermato Moini. "Utilizzando metodi di fabbricazione avanzati come la produzione additiva, possiamo promuovere ulteriormente la progettazione di strutture disordinate ma meccanicamente vantaggiose, permettendo la scalabilità di questi design tubulari per componenti infrastrutturali in calcestruzzo".

Il team sta sviluppando tecniche che consentono un alto grado di precisione attraverso la robotica e la produzione additiva. Applicando queste tecnologie a nuove architetture e combinazioni di materiali rigidi o flessibili all'interno dei tubi, sperano di ampliare ulteriormente le possibilità di applicazione nei materiali da costruzione.

"Siamo solo all'inizio nell'esplorazione delle potenzialità di questo approccio", ha concluso Gupta. "Ci sono molte variabili da investigare, come l'applicazione del grado di disordine alle dimensioni, alla forma e all'orientamento dei tubi nel materiale. Questi principi potrebbero essere estesi ad altri materiali fragili per ingegnerizzare strutture più resistenti ai danni".

Lo studio, intitolato "Tough Cortical Bone-Inspired Tubular Architected Cement-Based Material with Disorder", è stato pubblicato il 10 settembre 2024 sulla rivista Advanced Materials. Il progetto è stato finanziato dalla National Science Foundation attraverso il CAREER Award (2238992) e il Grant della Divisione CMMI (ECI, 2129566).

Fonti:

"Tougher concrete, inspired by bone", Princeton University

"Concrete inspired by human bone" di Desi Corbett, Concrete Institute of Australia