I mezzi porosi come il calcestruzzo rappresentano fisicamente un imballaggio sferico di diversi componenti, in questo caso cemento, roccia e acqua. Le proprietà meccaniche di tali miscele sono ancora difficili da calcolare a causa della loro natura discretizzata. Un team guidato dal Prof. Holger Steeb (Università di Stoccarda) e dal Prof. Stefan Luding (Università di Twente, Paesi Bassi) è stato ora in grado di studiare una proprietà inaspettata di miscele di mezzi granulari costituiti da particelle sferiche morbide e rigide. A tale scopo, è stata impiegata una combinazione di indagini ecografiche e imaging tomografico computerizzato a raggi X, consentendo una caratterizzazione e valutazione tridimensionale (3D). Ne ha parlato la rivista PNAS. La scoperta potrebbe contribuire a un futuro edificio più sicuro nelle zone sismiche.
L’analisi dell’esatta composizione dei materiali porosi, come il cemento o l’asfalto, e la sua influenza sulle risultanti proprietà meccaniche del materiale gioca un ruolo estremamente cruciale in varie applicazioni tecniche. Perché solo conoscendo l’esatto rapporto di miscelazione e il conseguente comportamento effettivo del materiale, tali materiali porosi possono essere adattati a specifici “requisiti applicativi”. Ad esempio, quando un materiale composito è costituito da una matrice polimerica morbida con fibre di rinforzo rigide, l’effettiva rigidità elastica del materiale composito può essere aumentata aumentando il contenuto di fibre. La rigidità effettiva risultante può essere determinata sperimentalmente in modo non distruttivo dal tempo di percorrenza dell’onda di un impulso sonoro attraverso l’imballaggio sferico granulare.
Modelli predittivi migliorati attraverso indagini sperimentali mirate
In questo contesto, i team del Prof. Holger Steeb, ricercatore principale presso il Centro di ricerca collaborativo 1313 nonché presso il Centro di eccellenza SimTech (EXC 2075), e il Prof. Stefan Luding (Università di Twente, Paesi Bassi) studiano l’effettiva proprietà elastiche delle guarnizioni sferiche utilizzando gli ultrasuoni nel “Porous Media Lab” dell’Università di Stoccarda. Il Dr. Kianoosh Taghizadeh e Matthias Ruf della Cattedra di Continuum Mechanics fanno parte del team di Stoccarda.
Nell’esperimento, i ricercatori hanno prima preparato impacchi sferici di sfere di vetro rigido di uguali dimensioni e sfere di gomma morbida in diversi rapporti di miscelazione. Queste guarnizioni sono state studiate meccanicamente in un cilindro trasparente ai raggi X (PMMA) dotato di sensori piezoelettrici a ultrasuoni e attuatori in condizioni di carico assiale definite. È interessante notare che l’aggiunta fino al 20% di sfere di gomma (morbida) non ha ridotto la rigidità effettiva delle guarnizioni, ma l’ha migliorata. Tuttavia, quando la frazione delle sfere di gomma è superiore al 30 percento, la rigidità inizia a diminuire poiché la rete complessiva non è più dominata da particelle rigide. “Questo comportamento contraddice tutte le classiche regole di mixaggio”, sottolinea Holger Steeb. “Per ottenere una migliore comprensione della risposta meccanica inaspettata, è stata analizzata la rete complessiva di particelle (rete di forza), comprese le sottoreti di vetro e gomma”.
Non più un classico materiale solido
I ricercatori hanno valutato con successo la morfologia combinando gli esami ecografici con la caratterizzazione dell’imaging tomografico computerizzato a raggi X (XRCT). Le immagini ai raggi X hanno dimostrato che la maggiore rigidità effettiva delle guarnizioni con frazioni di gomma fino al 20 percento può essere spiegata dalla lunghezza delle catene di forza delle particelle di vetro. “Allo stesso tempo, la rete di particelle di vetro si trova in un cosiddetto “stato bloccato” con un numero di coordinazione corrispondentemente elevato. Se la frazione di volume delle sfere di gomma supera il 30%, le catene di forza sono costituite da contatti misti tra vetro e sfere di gomma, che sono molto più morbide.”
Inoltre, la valutazione dei dintorni delle sfere locali ha mostrato che il numero di coordinazione, cioè il numero di sfere vicine dello stesso tipo, diventa significativamente più piccolo in corrispondenza di queste frazioni di volume più elevate. “A questa frazione di volume, nessuna delle due fasi sferiche si trova in uno stato bloccato e quindi il comportamento effettivo del materiale non è paragonabile a quello di un solido classico”, conclude Holger Steeb. Gli scienziati vedono un grande potenziale pratico per l’industria edile nell’ulteriore sviluppo di questa ricerca. Ad esempio, nelle aree soggette a terremoti, la rigidità e le proprietà di smorzamento dei terreni potrebbero essere regolate attraverso specifiche miscele composite di zavorra e gomma. Le ampiezze e le velocità delle onde sismiche potrebbero essere manipolate in modo mirato. Gli edifici potrebbero essere protetti da questi pericoli in modo efficiente ed economico.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
