Les forces de la nature ont surpassé les matériaux que nous utilisons pour construire notre infrastructure depuis que nous avons commencé à les produire. La glace et la neige transforment les routes principales en décombres chaque année les fondations des maisons se fissurent et s’effondrent, malgré une building solide. En as well as des tonnes de déchets produits par des morceaux de béton cassés, chaque mile de voie coûte aux États-Unis approximativement 24 000 $ par an pour le maintenir en bon état.



Les ingénieurs qui s’attaquent à ce problème avec des matériaux intelligents améliorent généralement la fonction des matériaux en augmentant la quantité de carbone, mais ce faisant, les matériaux perdent certaines performances mécaniques. En introduisant des nanoparticules dans du ciment ordinaire, les chercheurs de la Northwestern University ont formé un ciment as well as clever, as well as durable et hautement fonctionnel.

La recherche a été publiée aujourd’hui (21 juin) dans la revue Philosophical Transactions de la Royal Society A.



Le ciment étant le matériau le moreover consommé dans le monde et l’industrie du ciment représentant 8 % des émissions de gaz à effet de serre d’origine humaine, la professeure de génie civil et environnemental Ange-Thérèse Akono s’est tournée vers le ciment nanorenforcé pour chercher une solution. Akono, l’auteur principal de l’étude et professeur adjoint à la McCormick University of Engineering, a déclaré que les nanomatériaux réduisent l’empreinte carbone des composites de ciment, mais jusqu’à présent, on savait peu de choses sur leur effect sur le comportement à la rupture.

« Le rôle des nanoparticules dans cette software n’a pas été compris jusqu’à présent, il s’agit donc d’une percée majeure », a déclaré Akono.  » En tant qu’expert en mécanique de la rupture de formation, je voulais comprendre comment modifier la output de ciment pour améliorer la réponse à la rupture.  »

Les checks de rupture traditionnels, dans lesquels une série de faisceaux lumineux est projetée sur un grand bloc de matériau, nécessitent beaucoup de temps et de matériaux et conduisent rarement à la découverte de nouveaux matériaux.

En utilisant une méthode innovante appelée test de rayure, le laboratoire d’Akono a efficacement formé des prédictions sur les propriétés du matériau en une fraction du temps. La méthode teste la réponse à la fracture en appliquant une sonde conique avec une pressure verticale croissante contre la area de morceaux de ciment microscopiques. Akono, qui a développé la nouvelle méthode au cours de son doctorat. travail, a déclaré qu’il nécessite moins de matériel et accélère la découverte de nouveaux.

« J’ai pu regarder de nombreux matériaux différents en même temps », a déclaré Akono.  » Ma méthode est appliquée directement aux échelles micrométrique et nanométrique, ce qui permet de gagner un temps considérable. Et puis sur cette foundation, nous pouvons comprendre remark les matériaux se comportent, remark ils se fissurent et finalement prédire leur résistance à la rupture.

Les prédictions formées grâce à des exams de rayure permettent également aux ingénieurs d’apporter des modifications aux matériaux qui améliorent leurs performances à as well as grande échelle. Dans l’article, des nanoplaquettes de graphène, un matériau qui gagne rapidement en popularité dans la development de matériaux intelligents, ont été utilisées pour améliorer la résistance à la fracture du ciment ordinaire. L’incorporation d’une petite quantité de nanomatériau s’est également avérée améliorer les propriétés de transport de l’eau, y compris la construction des pores et la résistance à la pénétration de l’eau, avec des diminutions kin rapportées de 76% et 78%, respectivement.

Les implications de l’étude couvrent de nombreux domaines, notamment la development de bâtiments, l’entretien des routes, l’optimisation des capteurs et des générateurs et la surveillance de la santé structurelle.

D’ici 2050, les Nations Unies prévoient que les deux tiers de la populace mondiale seront concentrés dans les villes. Compte tenu de la tendance à l’urbanisation, la output de ciment devrait monter en flèche.

L’introduction d’un béton vert qui utilise un ciment as well as léger et plus performant réduira son empreinte carbone globale en prolongeant les calendriers d’entretien et en réduisant les déchets.

Alternativement, les matériaux intelligents permettent aux villes de répondre aux besoins de populations croissantes en termes de connectivité, d’énergie et de multifonctionnalité. Les nanomatériaux à foundation de carbone, y compris les nanoplaquettes de graphène, sont déjà envisagés dans la conception de capteurs intelligents à base de ciment pour la surveillance de la santé structurelle.

Akono a déclaré qu’elle était enthousiasmée par les suivis de l’article dans son propre laboratoire et par la manière dont ses recherches influenceront les autres. Elle travaille déjà sur des propositions qui envisagent d’utiliser les déchets de building pour previous un nouveau béton et envisage de « faire avancer le papier » en augmentant la portion de nanomatériau que contient le ciment.

« Je veux examiner d’autres propriétés comme la compréhension des performances à lengthy terme », a déclaré Akono.  » Par exemple, si vous avez un bâtiment fait de nanomatériaux à base de carbone, comment pouvez-vous prédire la résistance dans 10, 20 voire 40 ans ?

L’étude, « Ténacité à la rupture du ciment nanorenforcé unidimensionnel et bidimensionnel via des assessments de rayure », a été soutenue par la Division de l’innovation civile, mécanique et manufacturière de la Nationwide Science Foundation (numéro d’attribution 18929101).

Akono donnera une conférence sur le papier lors de la réunion d’octobre de la Royal Modern society, « A Cracking Approach to Inventing Tough New Supplies: Fracture Stranger Than Friction », qui mettra en évidence les avancées majeures de la mécanique de la rupture du siècle dernier.