Команда Беркли использовала 3D-принтер для создания решеток из октетов из полимера, а затем заполнила их бетоном со сверхвысокими характеристиками (UHPC), который в четыре раза прочнее обычного бетона на сжатие. Армированный материал хорошо показал себя при испытаниях на сжатие и четырехточечный изгиб. Этот метод, описанный в ноябрьском номере журнала Materials and Design , может повысить привлекательность бетона, одного из наиболее широко используемых искусственных строительных материалов и одного из самых потребляемых веществ в мире, уступающего только воде. Это дешевый, обильный и прочный на сжатие материал, способный выдерживать очень большие нагрузки. Но бетон непрочен при растяжении или изгибе. Он хрупкий и при разрыве начинает трескаться. Без армирования бетонная конструкция может внезапно разрушиться. С середины 19 века инженеры стали армировать стальной арматурой. Но армирование сталью имеет некоторые недостатки: она тяжелая, дорогая в производстве, трудоемкая установка и со временем ухудшается. Сегодня растет сообщество инженеров изучающих возможность армирования бетона полимерами, потому что они легкие, не подвержены коррозии и из-за большого количества перерабатываемых материалов могут быть дешевыми в производстве. «Когда материал хрупкий, он может выдерживать определенную пиковую нагрузку, а затем выходит из строя», - сказала соавтор исследования Клаудиа Остертаг, профессор гражданской и экологической инженерии. «В данном случае мы не наблюдали сбоя. Он становился все сильнее и сильнее. Для нас, интересующихся бетоном, это удивительно. Вы превращаете что-то очень хрупкое в очень пластичное». С 1960-х инженеры армировали бетон полимерными волокнами. Концепция не нова. Волокна использовались для усиления раствора с древних времен - вспомните о соломе, добавляемой в сырцовые кирпичи. Но это не идеальное решение. Волокна смешиваются с бетоном перед заливкой и редко распределяются равномерно. Это означает, что в одной части конструкции может быть высокая концентрация волокон, а в другой их почти нет, что оставляет путь для образования трещин. Предыдущие эксперименты с полимерными решетками были вдохновлены природой, в том числе внутренней частью раковин морских ушек и сотовой формой ульев. Но это армирование было двумерным, что ограничивало их способность выдерживать сложные бетонные конструкции. Чтобы создать трехмерную конструкцию, которая могла бы выдерживать большие нагрузки со всех сторон - что инженеры называют изотропными, - исследователи из Беркли использовали октетную ферму для решетчатой ​​структуры. Популяризованная архитектором Бакминстером Фуллером в 1950-х годах, ферма из октета известна своей прочностью и невероятной легкостью. В начале 1900-х годов Александр Грэм Белл использовал его для изготовления воздушных змеев. Проект основан на предыдущих исследованиях компании Ostertag, чья лаборатория впервые предложила идею использования структуры октетно-решетчатой ​​структуры с бетоном со высокими характеристиками. Автор нового исследования - Хайден Тейлор и Брайан Салазар. Команда протестировала два разных полимера: полимолочную кислоту (PLA), которую легко напечатать на 3D-принтере, но которая более хрупкая, чем другие полимеры, и акрилонитрилбутадиенстирол (ABS), который прочнее, чем PLA и используется во всем, от кирпичиков Lego и мотоциклетных шлемов до каноэ и автомобильных бамперов. Переход с PLA на ABS не оказал существенного влияния на испытания на сжатие; все образцы железобетона с решетчатым железобетоном имели высокие значения плотности деформации, что означает, что они были способны поглощать много энергии. Инженеры также экспериментировали с количеством решетчатой ​​арматуры, используемой в бетоне. Один образец был тоньше, полимер составлял 19,2% от объема образца. Другой составил 33,7%. Увеличение количества полимера в образцах несколько снизило их прочность на сжатие, но увеличило их пиковые нагрузки. Важно отметить, что количество полимера существенно не изменило общие механические свойства конструкции. Образцы с меньшим количеством полимера были такими же прочными, как и образцы с большим количеством. Производственный цемент, основной ингредиент бетона, производит 8% мировых выбросов углекислого газа. В большинстве бетонных конструкций арматурный материал составляет менее 5%. Таким образом, увеличение количества полимера - и уменьшение количества бетона - может сократить общие выбросы углерода в конструкции. Следующим шагом, по словам Салазара, будет определение того, будут ли различные формы использования бетона лучше обслуживаться решетками разной формы. В будущем инженеры могут определить наилучшую геометрию армирования для конкретного проекта с помощью программного обеспечения для оптимизации топологии. «Забегая вперед, мой самый большой вопрос - как выбрать лучшую решетчатую структуру для конкретного приложения», - сказал Салазар. «Могут быть найдены еще более оптимальные геометрические формы».