Von Perlmutt inspirierter Beton ist rissfester
Verbundwerkstoff von Ingenieuren der Princeton University soll Brücken langlebiger machen
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Perlmutt: Rissfester Beton nach dem Vorbild der Natur (Foto: picasso, pixabay.com) |
Princeton (pte002/14.06.2024/06:05)
Nach dem Vorbild von Perlmutt haben Ingenieure der Princeton University einen Verbundwerkstoff auf Betonbasis entwickelt. Er ist 17 Mal rissfester als normaler Baustoff und lässt sich 19 Mal stärker dehnen, ohne zerstört zu werden. Shashank Gupta hat das Material im Labor von Reza Moini entwickelt.
Der neue Baustoff besticht durch abwechselnde Schichten aus sechseckigen Zementplatten und dünnem Polymer. Perlmutt besteht auf mikroskopischer Ebene aus hexagonalen Plättchen des harten Minerals Aragonit, die von einem weichen Biopolymer zusammengehalten werden.
Energieabbau durch Gleiten
Die Aragonit-Plättchen tragen wesentlich zur Festigkeit von Perlmutt bei, während das Biopolymer für Flexibilität und Rissfestigkeit sorgt. Der Mechanismus der Zähigkeit beruht darauf, dass die Aragonit-Plättchen unter Belastung gleiten, was es zusammen mit anderen Mechanismen dem Perlmutt ermöglicht, Energie abzubauen.
Diese Gleitbewegung in Verbindung mit der Verformung des Biopolymers ermöglicht es dem Perlmutt, erheblichen mechanischen Belastungen standzuhalten und gleichzeitig seine strukturelle Integrität zu bewahren. "Diese Synergie zwischen harten und weichen Komponenten ist entscheidend für die bemerkenswerten mechanischen Eigenschaften von Perlmutt", so Gupta.
Drei Arten von Balken kreiert
Nach dem Vorbild von Perlmutt haben die Forscher drei Arten von Balken hergestellt. Der erste Typ besteht aus abwechselnden Schichten von Betonplatten und dünnem Polymer. Bei der zweiten Variante wurden mit einem Laser sechseckige Rillen in die Platten graviert, die sie dann genauso im Verbund mit dem Polymer anordneten wie im ersten Fall. Beim dritten Typ setzten sie per Laser in Sechsecke geschnittene Betonplättchen ein, die durch die Polymerschicht miteinander verbunden wurden. Dies war die genaueste Adaption des natürlichen Vorbilds.
Bei Biegeversuchen versagte der Betonbalken plötzlich ohne "Vorankündigung", er zerbrach in zwei Teile. Die anderen Objekte ließen sich dagegen verbiegen und strecken ohne zu reißen. Die Festigkeit war dagegen die gleiche. Jetzt gilt es, diese Technik über den Labormaßstab hinaus zu entwickeln, sodass beispielsweise Spannbetonbrücken, die manchmal schon nach wenigen Jahrzehnten baufällig sind, weit länger stabil bleiben als bisher.
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