Formación y arquitectura 3D de cemento similar a la madera. a) Ilustraciones esquemáticas sobre los micromecanismos de formación del cemento similar a la madera durante la congelación, descongelación y procesos de curado. b) Representaciones de volumen XRT del cemento con plantilla de hielo producido a partir de lechadas cementosas con valores de W / C de 0,4 y 1,3 con el de una madera de abedul Betula schmidtii como comparación. Los poros de los materiales se indican con color azul. FD y GD representan la dirección de congelación del hielo y la dirección de crecimiento de la madera, respectivamente. Crédito:Ciencias Avanzadas, doi:10.1002 / advs.202000096
La naturaleza ofrece a menudo una inspiración prometedora para los materiales biomiméticos artificiales. En un nuevo informe ahora publicado en Ciencia avanzada , Faheng Wang y un equipo de científicos en materiales avanzados, La ingeniería y la ciencia en China desarrollaron nuevos materiales de cemento basados en arquitecturas unidireccionalmente porosas para replicar los diseños de la madera natural. El material de cemento similar a la madera resultante mostró mayor resistencia a densidades iguales, junto con propiedades multifuncionales para un aislamiento térmico eficaz, permeabilidad al agua y fácil ajuste para la repulsión del agua. El equipo logró simultáneamente alta resistencia y multifuncionalidad para hacer del cemento similar a la madera un nuevo material de construcción prometedor para diseños miméticos de madera con alto rendimiento. Presentaron un procedimiento de fabricación simple para promover una mejor eficiencia durante la producción en masa con aplicaciones adecuadas en otros sistemas de materiales.
Desarrollo de materiales similares a la madera bioinspirados
Los materiales porosos a base de cemento poseen baja conductividad térmica para el aislamiento térmico, alta eficiencia de absorción de sonido, excelente permeabilidad al aire y al agua, manteniendo un peso ligero y resistencia al fuego. Sin embargo, sigue siendo un desafío clave lograr la mejora simultánea de las propiedades mecánicas y multifuncionales, incluido el soporte mecánico, transporte eficaz y buen aislamiento térmico. Por lo tanto, es muy deseable generar materiales con propiedades mecánicas y multifuncionales mejoradas para implementar activamente los principios de diseño de la madera natural. Durante los experimentos, Wang y col. desarrolló cemento similar a la madera con arquitecturas unidireccionalmente porosas formadas mediante un método de tratamiento de congelación bidireccional. El proceso permitió que se formaran puentes entre los componentes de la estructura, Luego, el equipo descongeló los cuerpos completamente congelados hasta que el hielo se derritió gradualmente y el cemento se endureció. El proceso de hidratación posterior produjo nuevos minerales y geles dentro del cemento, incluyendo hidróxido de calcio en forma de hexágono, etringita en forma de aguja y geles de hidrato de silicato de calcio. Las fases se originaron principalmente en las laminillas de cemento y crecieron en su espacio durante el proceso de descongelación y curado para una mejor integridad estructural con interconexiones de laminillas mejoradas durante la formación del cemento poroso. Usando tomografía de rayos X (XRT), Luego, el equipo reveló la formación de microporos unidireccionales en el cemento con plantilla de hielo.
Características microestructurales del cemento similar a la madera. a) Imágenes SEM de corte transversal del cemento con plantilla de hielo producido a partir de lechadas con un W / C de 1.3. b – d) Imágenes SEM de las interconexiones entre laminillas de cemento. b) Puentes e intersecciones formados durante el proceso de congelación, como lo indican las flechas amarillas, junto con los productos minerales de las reacciones de hidratación de c) hidróxido de calcio yd) etringita. e) Ilustración esquemática sobre los diferentes tipos de interconexiones y poros en el cemento con plantilla de hielo. Los círculos indican los elementos A y L para la formulación de la fuerza utilizando el enfoque de elementos equivalentes. f) Variaciones en la porosidad total Ptotal, popen de porosidad abierta y Pinter de porosidad interlaminar en el cemento con W / C en lechadas cementosas iniciales. Los datos del panel (f) se obtienen de al menos tres mediciones para cada conjunto de muestras y se presentan en forma de media ± desviación estándar. Crédito:Ciencias Avanzadas, doi:10.1002 / advs.202000096 
Wang y col. utilizaron imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) para revelar los poros unidireccionales entre las laminillas en el cemento con plantilla de hielo que abarcaba una gran cantidad de interconexiones que unían las laminillas. El equipo clasificó las interconexiones en tres tipos:(1) puentes e intersecciones formadas debido a partículas de cemento envueltas en cristales de hielo durante el proceso de congelación, (2) hidróxido de calcio en forma de hexágono, y (3) etringita en forma de aguja. Estos últimos minerales son el resultado de reacciones de hidratación del cemento durante los procesos de descongelación y curado. Las laminillas de cemento contenían abundantes poros formados durante el proceso de secado del cemento debido a la deshidratación de los geles y la remoción de agua. Los científicos clasificaron los poros dentro del cemento similar a la madera en tres tipos, incluyendo (1) poros abiertos interlaminares, (2) poros abiertos intralaminares y (3) poros cerrados intralamelares. La porosidad interlaminar se rige principalmente por el contenido de agua, que jugó un papel como agente formador de poros.
Propiedades mecánicas del cemento similar a la madera. a, b) Curvas representativas de tensión-deformación por compresión del cemento similar a la madera elaborado a partir de lechadas con diferentes A / C a) sin yb) con adiciones de SF. C, d) Variaciones en la c) deformación de falla, d) densidad de absorción de energía, representado usando el área bajo la curva tensión-deformación hasta el pico de tensión, y resistencia específica (insertada en el panel (d)) en función de la porosidad total Ptotal. Las diferentes tendencias generales se indican mediante curvas discontinuas para mayor claridad. e) Dependencia de la resistencia a la compresión de la densidad relativa en el cemento similar a la madera. f) Interpretación de la resistencia según el enfoque del elemento equivalente teniendo en cuenta diferentes tipos de poros. Los datos de los paneles (c) - (f) se obtienen de al menos tres mediciones para cada conjunto de muestras y se presentan en forma de media ± desviación estándar. Crédito:Ciencias Avanzadas, doi:10.1002 / advs.202000096
Características multifuncionales del cemento similar a la madera. a) Variaciones en el coeficiente de conductividad térmica del cemento similar a la madera en el perfil transversal en función de la densidad nominal. 0.4-C indica el cemento hecho de lechadas con un W / C de 0.4 pero sin tratamiento de plantilla de hielo. Los datos de los materiales de cemento poroso de celdas abiertas al azar también se muestran a modo de comparación. [35, 36] b) Imágenes infrarrojas de cemento a partir de lechadas con diferentes valores de W / C de 0,4, 0,9, 1,6, y 2.4 colocado sobre una placa calefactora a 100 ° C. c) Dependencia del coeficiente de permeabilidad al agua a lo largo de la dirección vertical de la porosidad total Ptotal en cemento similar a la madera. La configuración utilizada para la medición de la permeabilidad al agua se ilustra en el recuadro. d) Imágenes e ilustraciones esquemáticas que muestren la naturaleza permeable y repulsiva al agua del cemento antes y después del tratamiento de impermeabilización, junto con los efectos de atracción capilar y repulsión de las superficies internas debido a las características hidrófilas e hidrófobas. Los datos de los paneles (a) y (c) se obtienen de al menos tres mediciones para cada conjunto de muestras y se presentan en forma de media ± desviación estándar. Las diferentes tendencias generales se indican mediante curvas de trazos para mayor claridad. Crédito:Ciencias Avanzadas, doi:10.1002 / advs.202000096
Las propiedades mecánicas y multifuncionales del material.
El equipo obtuvo curvas representativas de tensión-deformación por compresión del cemento similar a la madera con o sin adiciones de humo de silicio a su constitución. La resistencia a la compresión disminuyó monótonamente con el aumento de las relaciones agua / cemento en las lechadas utilizadas para desarrollar el material. lo que eventualmente condujo a una mayor porosidad en el cemento. Dado que la deformación por falla del material aumentó con el aumento de la porosidad total, la resistencia de los sólidos porosos podría determinarse por su porosidad. A continuación, el equipo midió el coeficiente de conductividad térmica de las plantillas de hielo, cemento similar a la madera para mostrar una conductividad térmica decreciente a medida que aumenta la porosidad del material. También utilizaron imágenes infrarrojas (IR) para observar claramente las sólidas propiedades de aislamiento térmico del material de cemento con plantilla de hielo. Para regular la eficiencia del aislamiento térmico, Wang y col. ajustó la carga sólida en las lechadas cementosas aumentando el contenido de agua / cemento. El material de cemento resultante absorbió agua debido al carácter hidrófilo (atractivo del agua) de sus superficies internas. A diferencia de, podrían evitar que el agua penetre en los poros impermeabilizando las superficies con un agente organosilícico; tales esfuerzos en hidrofobicidad podrían incluso hacer que el material flote en el agua. Por lo tanto, el método puede facilitar aplicaciones intercambiables como estructuras permeables o impermeables adecuadas como materiales de construcción.
Comparación de cemento similar a la madera con madera natural y otros materiales de cemento poroso. [3-8, 31, 43, 53, 59-61] a) Resistencia a la compresión y densidad para una amplia gama de materiales porosos a base de cemento que muestran las resistencias relativamente más altas del cemento similar a la madera actual a densidades iguales. LAC:contenido agregado ligero; OPC:cemento Portland ordinario; PF:fibra de polipropileno; PC:cemento Portland; CSA:agregado de lodo de hormigón; S / C:relación arena-cemento en peso. b) Ilustraciones esquemáticas sobre las estrategias de diseño de la madera natural y el cemento similar a la madera para optimizar sus propiedades mecánicas y multifuncionales asociadas con las arquitecturas unidireccionalmente porosas. Los datos de resistencia y densidad del cemento similar a la madera actual en el panel (a) se presentan en forma de media ± desviación estándar. Crédito:Ciencias Avanzadas, doi:10.1002 / advs.202000096
Perspectiva para los materiales de cemento similares a la madera
De este modo, Faheng Wang y sus colegas presentaron una técnica de plantillas de hielo como un enfoque viable para crear microporos unidireccionales para aplicaciones en cerámicas, polímeros, metales y sus compuestos. Los científicos desarrollaron un proceso de tratamiento de liofilización basado en el comportamiento de autoendurecimiento del cemento cuando entra en contacto con reacciones de hidratación. La arquitectura de cemento similar a la madera resultante contenía una variedad de poros en formas abiertas o cerradas y una gran cantidad de interconexiones que unían sus laminillas. Cuando la porosidad aumentó, la resistencia del cemento disminuyó. El cemento similar a la madera también presentaba una conductividad térmica más baja y una buena permeabilidad al agua. El equipo podría cambiar el material de cemento para que sea repelente al agua o atractivo para el agua mediante un tratamiento hidrofóbico o hidrofílico. respectivamente. La estrategia de desarrollo de materiales simple y práctica junto con la naturaleza autoendurecible de sus componentes puede mejorar significativamente el tiempo y la rentabilidad de la técnica de creación de plantillas de hielo para formar concreto sostenible con potencial para trasladar el método a otros sistemas de materiales.
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