Formazione e architettura 3D del cemento simil legno. a) Schemi illustrativi dei micromeccanismi di formazione del cemento simil legno durante il congelamento, scongelamento, e processi di cura. b) Rendering volumetrici XRT del cemento modellato con ghiaccio prodotto da boiacche cementizie con valori di A/C di 0,4 e 1,3 con quello di un legno di betulla Betula schmidtii a confronto. I pori nei materiali sono indicati con il colore blu. FD e GD rappresentano la direzione di congelamento del ghiaccio e la direzione di crescita del legno, rispettivamente. Credito:scienza avanzata, doi:10.1002/adv.202000096
La natura offre spesso ispirazione promettente per materiali biomimetici artificiali. In un nuovo rapporto ora pubblicato in Scienze avanzate , Faheng Wang e un team di scienziati in materiali avanzati, l'ingegneria e la scienza in Cina hanno sviluppato nuovi materiali cementizi basati su architetture unidirezionalmente porose per replicare i design del legno naturale. Il materiale cementizio simile al legno risultante ha mostrato una maggiore resistenza a parità di densità, insieme a proprietà multifunzionali per un efficace isolamento termico, permeabilità all'acqua e facile regolazione per la repulsione dell'acqua. Il team ha raggiunto contemporaneamente un'elevata resistenza e multifunzionalità per rendere il cemento simile al legno un nuovo materiale da costruzione promettente per progetti mimetici del legno con prestazioni elevate. Hanno presentato una semplice procedura di fabbricazione per promuovere una migliore efficienza durante la produzione di massa con applicazioni adatte ad altri sistemi di materiali.
Sviluppo di materiali bioispirati simili al legno
I materiali porosi a base di cemento possiedono una bassa conduttività termica per l'isolamento termico, alta efficienza fonoassorbente, eccezionale permeabilità all'aria e all'acqua, pur mantenendo la leggerezza e la resistenza al fuoco. Però, rimane ancora una sfida chiave per ottenere il miglioramento simultaneo delle proprietà meccaniche e multifunzionali compreso il supporto meccanico, trasporto efficace e buon isolamento termico. È quindi altamente desiderabile generare materiali con proprietà meccaniche e multifunzionali migliorate per implementare attivamente i principi di progettazione del legno naturale. Durante gli esperimenti, Wang et al. ha sviluppato un cemento simile al legno con architetture porose unidirezionali formate tramite un metodo di trattamento di congelamento bidirezionale. Il processo ha permesso la formazione di ponti tra i costituenti della struttura, la squadra ha quindi scongelato i corpi completamente congelati fino a quando il ghiaccio non si è gradualmente sciolto e il cemento si è indurito. Il successivo processo di idratazione ha prodotto nuovi minerali e gel all'interno del cemento, compreso idrossido di calcio di forma esagonale, gel aghiformi di ettringite e calcio-silicato-idrato. Le fasi hanno avuto origine principalmente nelle lamelle di cemento e sono cresciute nella loro spaziatura durante il processo di scongelamento e indurimento per una migliore integrità strutturale con interconnessioni delle lamelle migliorate durante la formazione del cemento poroso. Utilizzando la tomografia a raggi X (XRT), il team ha poi rivelato la formazione di micropori unidirezionali nel cemento modellato nel ghiaccio.
Caratteristiche microstrutturali del cemento simil legno. a) Immagini SEM trasversali del cemento modellato in ghiaccio prodotto da fanghi con un W/C di 1.3. b–d) Immagini SEM delle interconnessioni tra lamelle di cemento. b) Ponti e incroci formati durante il processo di congelamento, come indicato dalle frecce gialle, insieme ai prodotti minerali delle reazioni di idratazione di c) idrossido di calcio ed) ettringite. e) Illustrazione schematica dei diversi tipi di interconnessioni e pori nel cemento temprato. I cerchi indicano gli elementi A e L per la formulazione della forza utilizzando l'approccio dell'elemento equivalente. f) Variazioni della porosità totale Ptotale, porosità aperta Popen, e porosità interlamellare Pinter nel cemento con A/C in boiacche cementizie iniziali. I dati nel riquadro (f) sono ottenuti da almeno tre misurazioni per ogni serie di campioni e presentati sotto forma di media ± deviazione standard. Credito:scienza avanzata, doi:10.1002/adv.202000096 
Wang et al. ha utilizzato immagini di microscopia elettronica a scansione (SEM) per rivelare i pori unidirezionali tra le lamelle nel cemento modellato in ghiaccio che comprendeva una grande quantità di interconnessioni che collegavano le lamelle. Il team ha classificato le interconnessioni in tre tipi:(1) ponti e intersezioni formati a causa di particelle di cemento inglobate nei cristalli di ghiaccio durante il processo di congelamento, (2) idrossido di calcio di forma esagonale, e (3) ettringite aghiforme. Questi ultimi minerali sono il risultato di reazioni di idratazione del cemento durante i processi di scongelamento e indurimento. Le lamelle di cemento contenevano abbondanti pori formati durante il processo di essiccazione del cemento a causa della disidratazione dei gel e della rimozione dell'acqua. Gli scienziati hanno classificato i pori all'interno del cemento simile al legno in tre tipi, inclusi (1) pori aperti interlamellari, (2) pori aperti intralamellari e (3) pori chiusi intralamellari. La porosità interlamellare era principalmente governata dal contenuto di acqua, che ha svolto un ruolo come agente di formazione di pori.
Proprietà meccaniche del cemento simil legno. un, b) Curve rappresentative sforzo-deformazione di compressione del cemento simil legno costituito da boiacche con A/C diverso a) senza eb) con aggiunte di SF. C, d) Variazioni nella c) deformazione a rottura, d) densità di assorbimento di energia, rappresentato utilizzando l'area sotto la curva sforzo-deformazione fino al picco di sollecitazione, e resistenza specifica (riquadro nel pannello (d)) in funzione della porosità totale Ptotale. Le tendenze variabili generali sono indicate dalle curve tratteggiate per chiarezza. e) Dipendenza della resistenza a compressione dalla densità relativa nel cemento simil legno. f) Interpretazione della resistenza secondo l'approccio dell'elemento equivalente tenendo conto di diversi tipi di pori. I dati nei pannelli (c)–(f) sono ottenuti da almeno tre misurazioni per ogni serie di campioni e presentati sotto forma di media ± deviazione standard. Credito:scienza avanzata, doi:10.1002/adv.202000096
Caratteristiche multifunzionali del cemento simil legno. a) Variazioni del coefficiente di conducibilità termica del cemento simil legno al profilo trasversale in funzione della densità nominale. 0.4-C indica il cemento ottenuto da boiacche con un W/C di 0.4 ma senza trattamento di tempra del ghiaccio. I dati per i materiali cementizi porosi casualmente a cellule aperte sono anche mostrati per il confronto.[35, 36] b) Immagini all'infrarosso di cemento ottenuto da boiacche con differenti valori di A/C di 0,4, 0,9, 1.6, e 2.4 posto su una piastra riscaldante di 100 °C. c) Dipendenza del coefficiente di permeabilità all'acqua lungo la direzione verticale dalla porosità totale Ptotale nel cemento simil legno. La configurazione utilizzata per la misurazione della permeabilità all'acqua è illustrata nel riquadro. d) Immagini e illustrazioni schematiche che mostrano la natura permeabile all'acqua e repulsiva del cemento prima e dopo il trattamento impermeabilizzante, insieme agli effetti di attrazione e repulsione capillare delle superfici interne per le caratteristiche idrofile e idrofobe. I dati nei pannelli (a) e (c) sono ottenuti da almeno tre misurazioni per ogni serie di campioni e presentati sotto forma di media ± deviazione standard. Le tendenze variabili generali sono indicate da curve tratteggiate per chiarezza. Credito:scienza avanzata, doi:10.1002/adv.202000096
Le proprietà meccaniche e multifunzionali del materiale
Il team ha ottenuto curve di sollecitazione-deformazione rappresentative del cemento simile al legno con o senza aggiunte di fumi di silicio alla sua costituzione. La resistenza alla compressione diminuiva in modo monotono con l'aumento dei rapporti acqua/cemento nei fanghi utilizzati per sviluppare il materiale, che alla fine ha portato ad un aumento della porosità nel cemento. Poiché la deformazione a rottura del materiale aumenta con l'aumentare della porosità totale, la forza dei solidi porosi potrebbe essere determinata dalla sua porosità. Il team ha poi misurato il coefficiente di conduttività termica del ghiaccio modellato, cemento simile al legno per mostrare una conduttività termica decrescente con l'aumentare della porosità del materiale. Hanno anche usato immagini a infrarossi (IR) per osservare chiaramente le robuste proprietà di isolamento termico del materiale in cemento modellato sul ghiaccio. Per regolare l'efficienza dell'isolamento termico, Wang et al. ha regolato il carico solido nelle boiacche cementizie aumentando il contenuto di acqua/cemento. Il materiale cementizio risultante ha assorbito acqua a causa del carattere idrofilo (attrattivo dell'acqua) delle sue superfici interne. In contrasto, potrebbero impedire all'acqua di penetrare nei pori impermeabilizzando le superfici con un agente organosiliconico; tali sforzi sull'idrofobicità potrebbero persino far galleggiare il materiale sull'acqua. Il metodo può quindi facilitare applicazioni commutabili come strutture permeabili o impermeabili adatte come materiali da costruzione.
Confronto tra cemento simile al legno con legno naturale e altri materiali cementizi porosi.[3-8, 31, 43, 53, 59-61] a) Resistenza alla compressione e densità per un'ampia gamma di materiali porosi a base di cemento che mostrano le resistenze relativamente più elevate dell'attuale cemento simile al legno a parità di densità. LAC:contenuto aggregato leggero; OPC:cemento Portland ordinario; PF:fibra di polipropilene; PC:cemento Portland; CSA:aggregato di fanghi di calcestruzzo; S/C:rapporto sabbia/cemento in peso. b) Illustrazioni schematiche sulle strategie progettuali del legno naturale e del cemento simil-legno nell'ottimizzazione delle loro proprietà meccaniche e multifunzionali associate alle architetture unidirezionalmente porose. I dati di resistenza e densità dell'attuale cemento simil legno nel pannello (a) sono presentati sotto forma di media ± deviazione standard. Credito:scienza avanzata, doi:10.1002/adv.202000096
Prospettive per materiali cementizi simili al legno
In questo modo, Faheng Wang e colleghi hanno presentato una tecnica di modellazione del ghiaccio come approccio praticabile per creare micropori unidirezionali per applicazioni su ceramica, polimeri, metalli e loro composti. Gli scienziati hanno sviluppato un processo di trattamento di liofilizzazione basato sul comportamento autoindurente del cemento a contatto con le reazioni di idratazione. La risultante architettura in cemento simile al legno conteneva una varietà di pori in forme aperte o chiuse e un'abbondanza di interconnessioni che collegavano le loro lamelle. Quando la porosità è aumentata, la resistenza del cemento è diminuita. Il cemento simile al legno presentava anche una conduttività termica inferiore e una buona permeabilità all'acqua. Il team potrebbe trasformare il materiale cementizio in idrorepellente o attrattivo per l'acqua tramite un trattamento idrofobico o idrofilo, rispettivamente. La strategia di sviluppo dei materiali semplice e pratica, abbinata alla natura autoindurente dei suoi componenti, può migliorare significativamente l'efficienza in termini di tempo e costi della tecnica di modellazione del ghiaccio per formare calcestruzzo sostenibile con il potenziale per tradurre il metodo in altri sistemi di materiali.
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