Mänskligt skelett förebild för ny betong

Forskare har länge tittat på naturen för att hitta inspiration för bättre och mer hållbara byggmaterial. Ett fascinerande exempel på detta är hur strukturen hos mänskliga ben – specifikt det kompakta yttersta lagret av våra ben, som kallas kortikalt ben – kan ge nya idéer för hur man kan göra betong och cement starkare och tåligare.

Ett nytt genombrott inom denna forskning visar att vi kan använda samma principer som gör ben starka för att skapa cementbaserade material med överlägsen brottseghet, vilket kan revolutionera hur vi bygger framtidens strukturer.

Ett problem med betong är att det kan vara sprött. Detta innebär att om det utsätts för tillräckligt mycket tryck, bryts det ofta snabbt och utan förvarning. Betong saknar många av de egenskaper som gör andra material, som stål, bättre på att motstå sprickbildning.

I kortikalt ben, som återfinns i våra skelett, finns en lösning. Ben är både starkt och flexibelt nog att motstå sprickor tack vare sin invecklade struktur, vilket har inspirerat forskare att hitta sätt att efterlikna detta i konstgjorda material.

Ben är uppbyggt av rörliknande strukturer, kallade osteoner, som ligger inbäddade i en biologisk matris. Runt dessa osteoner finns svagare gränssnitt, så kallade cementlinjer. När en spricka börjar bildas i benet, styrs den längs dessa svagare linjer snarare än att bryta benet rakt av. Detta gör att sprickorna avleder från sin ursprungliga väg, vilket hindrar en spröd, direkt bristning och sprider istället energin över en större yta.

Genom att förstå och kopiera denna process har forskarna designat cementbaserade material som efterliknar denna “rörstruktur” i benet. Genom att placera rörliknande håligheter i cement kan sprickor ledas på ett sätt som förhindrar abrupt brott.

Genom att använda en kombination av 3D-utskrift och gjutning har forskarna skapat dessa rörformiga cementstrukturer. När en spricka börjar bildas i materialet stöter den på ett av dessa rör och stannar upp. Den måste då “börja om” på andra sidan röret, vilket leder till en mer kontrollerad och långsam sprickutveckling. Denna stegvisa sprickbildning gör att materialet inte bryts sönder plötsligt, vilket ger det bättre brottseghet – alltså motståndskraft mot sprickbildning och brott.

De har också funnit att storleken och formen på rören är avgörande. Genom att noggrant justera dessa parametrar kunde de öka materialets brottseghet upp till 5,6 gånger jämfört med traditionella, massiva betongmaterial.

Intressant nog fann forskarna att en viss grad av “oordning” i hur rören placerades i cementet faktiskt förbättrade dess egenskaper. Medan många kanske tänker att perfekta, symmetriska mönster är bäst, visar denna forskning att slumpmässiga arrangemang av rören skapar fler möjligheter för sprickorna att avledas och förhindrar större brott.

För att mäta och kvantifiera denna “oordning” använde forskarna avancerade statistiska verktyg. Dessa gav dem en tydligare bild av hur rörens placering påverkade materialets styrka och hur de kan optimera arrangemanget för att uppnå bästa möjliga resultat.