类似骨头的空心混凝土设计使其强度提高 5.6 倍

人类股骨启发了一种新型水泥基建筑材料，其强度是传统混凝土的数倍。但这种类似骨头的设计并非通过任何新添加剂获得弹性，而是通过其挖空的形状获得弹性。

在 9 月 10 日发表在《先进材料》杂志上的一项研究中，普林斯顿大学的研究人员展示了如何将水泥浆模制成空心管状结构，从而制造出比标准混凝土抗开裂或“突发性破坏”能力高出 5.6 倍的建筑砌块——这是建筑业关注的一个主要问题。

工程学博士候选人和研究报告的共同作者 Shashank Gupta 在周一的一份声明中表示：“设计脆性建筑材料所面临的挑战之一是它们会以突然、灾难性的方式失效。”

他们的解决方案来自人类股骨的致密外壳，即皮质骨。在这个至关重要的层中，无数椭圆形、管状的部分（称为骨单位）悬浮在有机基质中，然后被相对较弱的界面包围，碰巧也被称为“骨水泥线”。

研究人员写道，每当骨骼受到压力时，这些骨水泥线就会提供“微观结构上更佳的裂纹路径”，“从而由于骨水泥线与裂纹的相互作用而引发骨单位周围的平面内裂纹偏转。”

土木与环境工程助理教授兼研究负责人 Reza Moini 在周一的声明中表示：“人们预计，当加入空心管时，这种材料的抗裂性会降低。我们了解到，通过利用管的几何形状、尺寸、形状和方向，我们可以促进裂纹与管的相互作用，从而增强一种特性，而不会牺牲另一种特性。”

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利用这些特性，工程师们改进了混凝土生产模型，并测试了仿生空心形状是否能提高其强度。然而，与其他混凝土变体不同，新材料不需要纤维或塑料等添加剂。相反，它们只是依靠精确的几何设计。

在实验室测试中，莫伊尼的团队发现，应力裂纹与空心管之间相互作用的改善引发了一种“逐步增韧机制”。在此过程中，裂纹被限制在管内，并防止其扩散太远。当裂纹确实扩散时，能量会在每一步中消散，以减轻损坏程度。

“这种逐步机制的独特之处在于，每个裂纹扩展都受到控制，从而防止突然发生灾难性故障，”古普塔说。“这种材料不会一下子全部断裂，而是可以承受渐进式损坏，从而使其变得更加坚韧。”

古普塔认为，该团队“才刚刚开始探索”他们新发明的、以骨头为灵感的建筑材料的可能性。他指出，还有许多变量需要研究，包括改变管子的尺寸、方向和形状。未来，这些发现可能会应用于其他脆性工程材料，以帮助进一步加固建筑物。