骨のような中空コンクリート設計により、強度が5.6倍に向上

人間の大腿骨からヒントを得て、従来のコンクリートより何倍も強度の高い新しいセメント系建築材料が開発された。しかし、骨のようなデザインの弾力性は、新たな添加物によるものではなく、中が空洞になっている形状によるものだ。

プリンストン大学の研究者らは、9月10日に学術誌「Advanced Materials」に掲載された研究で、中空のチューブ状の構造物に成形されたセメントペーストが、建設業の大きな懸念事項であるひび割れや「突然の破損」に対して標準的なコンクリートの5.6倍も耐性のある建築ブロックを作れることを明らかにした。

「脆い建築資材をエンジニアリングする上での課題の一つは、それが突然、壊滅的な形で破損することだ」と、工学博士課程の学生で研究の共著者でもあるシャシャンク・グプタ氏は月曜日の付随声明で述べた。

彼らの解決策は、皮質骨として知られる人間の大腿骨の密な外殻から得られます。この重要な層では、多数の楕円形の管状の部分であるオステオンが有機マトリックスに吊り下げられており、その周囲には比較的弱い界面があり、偶然にも「セメント線」とも呼ばれています。

骨にストレスがかかると、これらのセメント線は「微細構造的に好ましい亀裂経路」を提供し、「そのため、セメント線と亀裂の相互作用により、骨単位の周囲で面内亀裂の偏向が引き起こされる」と研究者らは書いている。

「中空管を組み込むと、材料のひび割れ耐性が低下することが予想されます」と、土木環境工学助教授で研究リーダーのレザ・モイニ氏は月曜日の発表で述べた。「管の形状、サイズ、形状、方向を利用することで、ひび割れと管の相互作用を促進し、他の特性を犠牲にすることなく、1つの特性を強化できることが分かりました。」

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エンジニアたちはこれらの特性を利用してコンクリート製造モデルを改良し、生物にヒントを得た同様の中空形状が強度を高めるかどうかをテストした。しかし、他のコンクリートの変種とは異なり、新しい材料には繊維やプラスチックなどの添加物が必要なかった。代わりに、正確な幾何学的デザインに頼っただけだった。

実験室でのテストで、モイニのチームは、応力亀裂と中空チューブ間の相互作用が改善され、「段階的な強化メカニズム」が開始されたことを発見しました。このプロセスの間、亀裂はチューブ内に閉じ込められ、広がりすぎるのを防ぎます。亀裂が広がっても、各段階でエネルギーが分散され、損傷の範囲が軽減されます。

「この段階的なメカニズムがユニークなのは、亀裂の進行がそれぞれ制御され、突然の壊滅的な破損を防げる点です」とグプタ氏は言う。「材料は一度に壊れるのではなく、徐々に進行する損傷に耐え、はるかに強靭になります。」

グプタ氏は、チームが骨にヒントを得た新しい建築材料の可能性を「まだ探り始めたばかり」だと考えている。チューブのサイズ、方向、形状を変えるなど、研究すべき変数はまだまだたくさんあると指摘する。将来的には、この研究結果を他の脆い工学材料に適用して、建物をさらに強化できる可能性がある。