Вечные стройматериалы методом численной модели

Вечные стройматериалы методом численной модели

Американцы оценивают инфраструктуру страны сильно устаревшей, требующей значительных инвестиций. Общество инженеров-строителей по самым скромным подсчётам определило, что США придётся потратить около $4,5 трлн. до 2025 года на ремонт дорог, мостов, плотин и прочих инфраструктурных элементов. Вместе с тем идут активные изыскания стройматериалов, которые со временем не деградируют. Так, исследователи Калифорнийского университета Ирвин (University of California) предложили новую технологию моделирования, которая обещает помочь решить инженерам-строителям вопрос вечных стройматериалов.

Стройматериалы и численный метод моделирования

Учёными разработан новый численный метод моделирования процесса молекулярного старения аморфных материалов, таких как бетон и стекло. Методика обещает способствовать не только лучшему пониманию ослабления структуры материалов с возрастом.

Технология численного моделирования поможет разрабатывать стройматериалы, способные сохранять структуру неопределенный срок. Эта работа опубликована на страницах «Nature Communications». Желающие ознакомиться плотнее, могут прочесть (на английском).

По мнению участников исследований, старение структуры происходит на атомном и молекулярном уровнях. Такая «миниатюрная» шкала практически не позволяет отслеживать микроскопические изменения, происходящие в течение длительных периодов времени.

Обычное компьютерное моделирование позволяет отслеживать квадриллион временных шагов захвата. При этом фиксируются изменения внутри структуры в режиме сиюминутного поведения. Это не приближает к временным масштабам, релевантным для явлений старения на уровне десятилетий.

Инкрементальная напряжённо-маршевая технология

Техника инкрементальной напряжённо-маршевой технологии учёных UC даёт иной результат. Способ основан на постепенном пошаговом изучении молекулярной структуры стройматериала относительно колебаний циклического напряжения. Только затем исследуются реакции структуры на подобные возмущения.

Например, гидратированный цемент состоит из дискообразных глобул в наномасштабе. Удалось обнаружить, что эти глобулы постепенно деформируются при устойчивой нагрузке, но деформация останавливается через определенный период.

Также обнаружилось, что коллективное поведение глобул приводит к неасимптотической деформации, которая, по мнению исследователей, является источником ползучести цементных стройматериалов. Один из авторов исследования заметил:

Удивительно видеть, как атомное происхождение вязко-упругой и логарифмической деформации находится под постоянным напряжением.

Учёные планируют применить напряжённо-маршевую технологию для изучения взаимосвязи между композицией и текстурой структурных элементов и зависящим от времени поведением этих элементов.

Службами дорожного движения США ежегодно расходуются более $80 млрд. на восстановление мостов, подвергающихся разрушениям в результате явлений старения.

Понимание возрастных критериев конструкционных материалов — это первый шаг к проектированию материалов с низкой степенью старения. Разработка таких стройматериалов потенциально сэкономит деньги налогоплательщиков.


На основе информации: UC


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *