Cuando las esferas blandas endurecen los medios porosos
Investigadores de la Universidad de Stuttgart y la Universidad de Twente logran una caracterización tridimensional
Los medios porosos como el hormigón representan físicamente un empaquetamiento esférico de distintos componentes, en este caso cemento, roca y agua. Las propiedades mecánicas de estas mezclas siguen siendo difíciles de calcular debido a su naturaleza discreta. Un equipo dirigido por el profesor Holger Steeb (Universidad de Stuttgart) y el profesor Stefan Luding (Universidad de Twente, Países Bajos) ha logrado investigar una propiedad inesperada de las mezclas de medios granulares formadas por partículas esféricas blandas y rígidas. Para ello se empleó una combinación de investigaciones con ultrasonidos e imágenes de tomografía computarizada de rayos X, lo que permitió una caracterización y evaluación tridimensional (3D). La revista PNAS informó al respecto. El descubrimiento podría contribuir a que en el futuro las construcciones en zonas sísmicas sean más seguras.
Embalaje de esferas blandas y rígidas cuyas propiedades mecánicas efectivas se estudian mediante ondas ultrasónicas y rayos X.
Universität Stuttgart/Matthias Ruf, University of Twente, Dr. Kianoosh Taghizadeh
El análisis de la composición exacta de los materiales porosos, como el hormigón o el asfalto, y su influencia en las propiedades mecánicas resultantes del material desempeña un papel sumamente crucial en diversas aplicaciones técnicas. Porque sólo conociendo la proporción exacta de la mezcla y el comportamiento efectivo resultante del material se pueden adaptar dichos materiales porosos a "requisitos de aplicación" específicos. Por ejemplo, cuando un material compuesto consiste en una matriz de polímero blando con fibras de refuerzo rígidas, la rigidez elástica efectiva del material compuesto puede aumentarse incrementando el contenido de fibra. La rigidez efectiva resultante puede determinarse experimentalmente de forma no destructiva a partir del tiempo de recorrido de la onda de un impulso sonoro a través del empaquetamiento esférico granular.
Mejora de los modelos predictivos mediante investigaciones experimentales específicas
En este contexto, los equipos del Prof. Holger Steeb, investigador principal en el Centro de Investigación Colaborativa 1313, así como en el Centro de Excelencia SimTech (EXC 2075), y el Prof. Stefan Luding (Universidad de Twente, Países Bajos) investigan las propiedades elásticas efectivas de empaquetamientos esféricos mediante ultrasonidos en el "Laboratorio de Medios Porosos" de la Universidad de Stuttgart. El Dr. Kianoosh Taghizadeh y Matthias Ruf, de la Cátedra de Mecánica Continua, forman parte del equipo de Stuttgart.
En el experimento, los investigadores prepararon primero paquetes esféricos de esferas de vidrio rígido y esferas de caucho blando de igual tamaño en diferentes proporciones de mezcla. Estas empaquetaduras se investigaron mecánicamente en un cilindro transparente a los rayos X (PMMA) equipado con sensores ultrasónicos piezoeléctricos y actuadores en condiciones de carga axial definidas. Curiosamente, resultó que la adición de hasta un 20% de esferas de caucho (blando) no redujo la rigidez efectiva de las empaquetaduras, sino que la mejoró. Sin embargo, cuando la fracción de esferas de caucho supera el 30 por ciento, la rigidez empieza a disminuir, ya que la red global deja de estar dominada por partículas rígidas. "Este comportamiento contradice todas las reglas clásicas de mezcla", subraya Holger Steeb. "Para comprender mejor la inesperada respuesta mecánica, se ha analizado la red global de partículas (red de fuerza), incluidas las subredes de vidrio y caucho."
Ya no es un material sólido clásico
Los investigadores evaluaron con éxito la morfología combinando exámenes de ultrasonidos con la caracterización por imágenes de tomografía computerizada de rayos X (XRCT). Las imágenes de rayos X han mostrado que la mayor rigidez efectiva de los empaquetamientos con fracciones de caucho de hasta el 20 por ciento puede explicarse por la longitud de las cadenas de fuerza de las partículas de vidrio. "Al mismo tiempo, la red de partículas de vidrio se encuentra en el llamado "estado de atasco", con un número de coordinación correspondientemente alto. Si la fracción de volumen de las esferas de caucho supera el 30 por ciento, las cadenas de fuerza consisten en contactos mixtos entre esferas de vidrio y de caucho, que son mucho más blandos. "
Además, la evaluación de las vecindades locales de las esferas mostró que el número de coordinación, es decir, el número de esferas vecinas del mismo tipo, se reduce significativamente a estas fracciones de volumen más altas. "A esta fracción de volumen, ninguna de las dos fases esféricas se encuentra en estado de atasco y, por tanto, el comportamiento efectivo del material no es comparable al de un sólido clásico", concluye Holger Steeb. Los científicos ven un gran potencial práctico para la industria de la construcción en el desarrollo de esta investigación. Por ejemplo, en zonas sísmicas, las propiedades de rigidez y amortiguación de los suelos podrían ajustarse mediante mezclas específicas de balasto y caucho. Las amplitudes y velocidades de las ondas sísmicas podrían manipularse de forma selectiva. Los edificios podrían protegerse de estos peligros de forma eficaz y rentable.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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