Calcestruzzo metamateriale: reinventare il materiale da costruzione più utilizzato

Di University of Pittsburgh, 6 maggio 2023

Illustrazione concettuale raffigurante un nuovo metamateriale concreto in uso su un'autostrada. Credito: Amir Alavi tramite Midjourney

Gli ingegneri dell'Università di Pittsburgh stanno portando il cemento nel 21° secolo reinventandone il design. Il calcestruzzo, che affonda le sue radici nell'Impero Romano, rimane il materiale più utilizzato nel settore edile.

Un nuovo studio presenta un concetto per lo sviluppo di sistemi di infrastrutture civili intelligenti con l’introduzione del metamateriale concreto. La ricerca presenta un concetto per sistemi in calcestruzzo leggeri e regolabili meccanicamente con capacità integrate di raccolta e rilevamento dell'energia.

"La società moderna utilizza il cemento nelle costruzioni da centinaia di anni, dopo la sua creazione originale da parte degli antichi romani", ha affermato Amir Alavi, assistente professore di ingegneria civile e ambientale a Pitt, autore corrispondente dello studio. "L'uso massiccio del calcestruzzo nei nostri progetti infrastrutturali implica la necessità di sviluppare una nuova generazione di materiali concreti che siano più economici e sostenibili dal punto di vista ambientale, ma offrano funzionalità avanzate. Crediamo di poter raggiungere tutti questi obiettivi introducendo un paradigma metamateriale nel mondo dei materiali. sviluppo di materiali da costruzione."

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"}]"> metamateriali e ne hanno esplorato l’uso in applicazioni come gli impianti intelligenti. Questo studio introduce l'uso dei metamateriali nella creazione del calcestruzzo, rendendo possibile la progettazione specifica del materiale per il suo scopo. Attributi come fragilità, flessibilità e modellabilità possono essere perfezionati nella creazione del materiale, consentendo ai costruttori di utilizzare meno materiale senza sacrificare resistenza o longevità.

"Questo progetto presenta il primo calcestruzzo metamateriale composito con super comprimibilità e capacità di raccolta di energia", ha affermato Alavi. "Tali sistemi di calcestruzzo leggeri e sintonizzabili meccanicamente possono aprire una porta all'uso del calcestruzzo in varie applicazioni, come materiali ingegnerizzati che assorbono gli urti negli aeroporti per aiutare a rallentare gli aerei in fuga o sistemi di isolamento di basi sismiche."

Non solo, ma il materiale è in grado di generare elettricità. Sebbene non possa produrre abbastanza elettricità per inviare energia alla rete elettrica, il segnale generato sarà più che sufficiente per alimentare i sensori lungo la strada. I segnali elettrici autogenerati dal metamateriale del calcestruzzo sotto eccitazioni meccaniche possono essere utilizzati anche per monitorare i danni all'interno della struttura in calcestruzzo o per monitorare i terremoti riducendone l'impatto sugli edifici.

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"}]">I segnali GPS sono troppo deboli o il LIDAR non funziona.

Il materiale è composto da reticoli polimerici auxetici rinforzati annegati in una matrice cementizia conduttiva. La struttura composita induce l'elettrificazione del contatto tra gli strati quando viene attivata meccanicamente. Il cemento conduttivo, arricchito con polvere di grafite, funge da elettrodo nel sistema. Studi sperimentali dimostrano che il materiale può comprimersi fino al 15% sotto carico ciclico e produrre 330 μW di potenza.