Concreto metamaterial: reinventando o material de construção mais utilizado

Por University of Pittsburgh, 6 de maio de 2023

Arte conceitual representando um novo concreto metamaterial em uso em uma rodovia. Crédito: Amir Alavi via Midjourney

Engenheiros da Universidade de Pittsburgh estão trazendo concreto para o século 21 reimaginando seu design. O concreto, cujas raízes remontam ao Império Romano, continua sendo o material mais utilizado na indústria da construção.

Um novo estudo apresenta um conceito para o desenvolvimento de sistemas inteligentes de infraestrutura civil com a introdução de concreto metamaterial. A pesquisa apresenta um conceito para sistemas de concreto leve e ajustáveis ​​mecanicamente com recursos integrados de captação e detecção de energia.

“A sociedade moderna usa concreto na construção há centenas de anos, seguindo sua criação original pelos antigos romanos”, disse Amir Alavi, professor assistente de engenharia civil e ambiental da Pitt, autor correspondente do estudo. "O uso maciço de concreto em nossos projetos de infraestrutura implica a necessidade de desenvolver uma nova geração de materiais de concreto que sejam mais econômicos e ambientalmente sustentáveis, mas que ofereçam funcionalidades avançadas. Acreditamos que podemos alcançar todos esses objetivos introduzindo um paradigma metamaterial no desenvolvimento de materiais de construção”.

Alavi and his team have previously developed self-aware metamaterialsMetamaterials are engineered materials that have properties not usually found in nature." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> metamateriais e explorou seu uso em aplicações como implantes inteligentes. Este estudo apresenta o uso de metamateriais na criação de concreto, possibilitando que o material seja projetado especificamente para sua finalidade. Atributos como fragilidade, flexibilidade e moldabilidade podem ser ajustados na criação do material, permitindo que os construtores usem menos material sem sacrificar a resistência ou a longevidade.

"Este projeto apresenta o primeiro concreto metamaterial composto com supercompressibilidade e capacidade de captação de energia", disse Alavi. “Esses sistemas de concreto leves e mecanicamente ajustáveis ​​podem abrir uma porta para o uso de concreto em várias aplicações, como materiais de engenharia de absorção de choque em aeroportos para ajudar a desacelerar aviões em fuga ou sistemas de isolamento de base sísmica”.

Não só isso, mas o material é capaz de gerar eletricidade. Embora não possa produzir eletricidade suficiente para enviar energia à rede elétrica, o sinal gerado será mais do que suficiente para alimentar os sensores na estrada. Os sinais elétricos autogerados pelo concreto metamaterial sob excitações mecânicas também podem ser usados ​​para monitorar danos dentro da estrutura de concreto ou para monitorar terremotos, reduzindo seu impacto nos edifícios.

Eventually, these smart structures may even power chips embedded inside roads to help self-driving cars navigate on highways when GPSGPS, or Global Positioning System, is a satellite-based navigation system that provides location and time information anywhere on or near the Earth's surface. It consists of a network of satellites, ground control stations, and GPS receivers, which are found in a variety of devices such as smartphones, cars, and aircraft. GPS is used for a wide range of applications including navigation, mapping, tracking, and timing, and has an accuracy of about 3 meters (10 feet) in most conditions." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Os sinais de GPS são muito fracos ou o LIDAR não está funcionando.

O material é composto de redes de polímero auxético reforçadas embutidas em uma matriz de cimento condutora. A estrutura composta induz eletrificação de contato entre as camadas quando acionada mecanicamente. O cimento condutor, reforçado com pó de grafite, serve como eletrodo no sistema. Estudos experimentais mostram que o material pode comprimir até 15% sob carga cíclica e produzir 330 μW de potência.