Metamaterial Beton: Das am häufigsten verwendete Baumaterial neu erfunden

Von der University of Pittsburgh, 6. Mai 2023

Konzeptkunstwerk, das ein neues Metamaterial Beton im Einsatz auf einer Autobahn zeigt. Bildnachweis: Amir Alavi über Midjourney

Ingenieure der University of Pittsburgh bringen Beton ins 21. Jahrhundert, indem sie sein Design neu überdenken. Beton, dessen Wurzeln bis ins Römische Reich zurückreichen, ist nach wie vor das am häufigsten verwendete Material in der Bauindustrie.

Eine neue Studie stellt ein Konzept für die Entwicklung intelligenter ziviler Infrastruktursysteme unter Einführung des Metamaterials Beton vor. Die Forschung stellt ein Konzept für leichte und mechanisch abstimmbare Betonsysteme mit integrierten Energiegewinnungs- und Sensorfunktionen vor.

„Die moderne Gesellschaft verwendet seit Hunderten von Jahren Beton im Bauwesen, nachdem er ursprünglich von den alten Römern geschaffen wurde“, sagte Amir Alavi, Assistenzprofessor für Bau- und Umweltingenieurwesen an der Pitt University und korrespondierender Autor der Studie. „Der massive Einsatz von Beton in unseren Infrastrukturprojekten impliziert die Notwendigkeit, eine neue Generation von Betonmaterialien zu entwickeln, die wirtschaftlicher und ökologisch nachhaltiger sind und dennoch fortschrittliche Funktionalitäten bieten. Wir glauben, dass wir alle diese Ziele erreichen können, indem wir ein Metamaterial-Paradigma in die Infrastruktur einführen.“ Entwicklung von Baumaterialien.“

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"}]"> Metamaterialien und erforschte deren Verwendung in Anwendungen wie intelligenten Implantaten. Diese Studie stellt die Verwendung von Metamaterialien bei der Herstellung von Beton vor, die es ermöglichen, das Material speziell für seinen Zweck zu entwerfen. Eigenschaften wie Sprödigkeit, Flexibilität und Formbarkeit können bei der Herstellung des Materials fein abgestimmt werden, sodass Bauherren weniger Material verwenden können, ohne Einbußen bei Festigkeit oder Langlebigkeit hinnehmen zu müssen.

„Dieses Projekt präsentiert den ersten zusammengesetzten Metamaterialbeton mit hervorragender Kompressibilität und Energiegewinnungsfähigkeit“, sagte Alavi. „Solche leichten und mechanisch abstimmbaren Betonsysteme können die Tür für den Einsatz von Beton in verschiedenen Anwendungen öffnen, beispielsweise als stoßdämpfende technische Materialien auf Flughäfen, um außer Kontrolle geratene Flugzeuge zu verlangsamen, oder als seismische Basisisolationssysteme.“

Darüber hinaus ist das Material in der Lage, Strom zu erzeugen. Es kann zwar nicht genug Strom produzieren, um Strom in das Stromnetz einzuspeisen, aber das erzeugte Signal wird mehr als ausreichen, um die Straßensensoren mit Strom zu versorgen. Die vom Metamaterial Beton unter mechanischen Anregungen selbst erzeugten elektrischen Signale können auch zur Überwachung von Schäden innerhalb der Betonstruktur oder zur Überwachung von Erdbeben bei gleichzeitiger Reduzierung ihrer Auswirkungen auf Gebäude verwendet werden.

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"}]">GPS-Signale sind zu schwach oder LIDAR funktioniert nicht.

Das Material besteht aus verstärkten auxetischen Polymergittern, die in eine leitfähige Zementmatrix eingebettet sind. Die Verbundstruktur induziert bei mechanischer Auslösung eine Kontaktelektrisierung zwischen den Schichten. Als Elektrode dient im System der leitfähige Zement, der mit Graphitpulver angereichert ist. Experimentelle Studien zeigen, dass sich das Material bei zyklischer Belastung um bis zu 15 % komprimieren und eine Leistung von 330 μW erzeugen kann.

Referenz: „MultiFunctional Nanogenerator-Integrated Metamaterial Concrete Systems for Smart Civil Infrastructure“ von Kaveh Barri, Qianyun Zhang, Jake Kline, Wenyun Lu, Jianzhe Luo, Zhe Sun, Brandon E. Taylor, Steven G. Sachs, Lev Khazanovich, Zhong Lin Wang und Amir H. Alavi, 4. Februar 2023, Advanced Materials.DOI: 10.1002/adma.202211027

Das Forschungsteam arbeitet über das IRISE-Konsortium in Pitt mit dem Pennsylvania Department of Transportation (PennDOT) zusammen, um diesen Metamaterialbeton für den Einsatz auf Straßen in Pennsylvania zu entwickeln.

An dem Projekt beteiligten sich Forscher der Johns Hopkins University, der New Mexico State University, des Georgia Institute of Technology, des Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems und der Pitt's Swanson School of Engineering.