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Meios porosos, como o concreto, representam fisicamente um empacotamento esférico de diferentes componentes – neste caso, cimento, rocha e água. As propriedades mecânicas de tais misturas ainda são difíceis de calcular devido à sua natureza discretizada. Uma equipe liderada pelo Prof. Holger Steeb (Universidade de Stuttgart) e Prof. Stefan Luding (Universidade de Twente, Holanda) conseguiu agora investigar uma propriedade inesperada de misturas de meios granulares consistindo de partículas esféricas macias e rígidas. Para tanto, foi empregada uma combinação de investigações ultrassonográficas e imagens de tomografia computadorizada de raios-X, permitindo uma caracterização e avaliação tridimensional (3D). A revista PNAS informou sobre isso. A descoberta pode contribuir para construções futuras mais seguras em zonas de terremotos.
A análise da composição exata de materiais porosos, como concreto ou asfalto, e sua influência nas propriedades mecânicas dos materiais resultantes desempenha um papel extremamente importante em várias aplicações técnicas. Porque somente pelo conhecimento sobre a proporção exata da mistura e o comportamento efetivo do material resultante, tais materiais porosos podem ser adaptados a “requisitos de aplicação” específicos. Por exemplo, quando um material compósito consiste em uma matriz de polímero macio com fibras de reforço rígidas, a rigidez elástica efetiva do material compósito pode ser aumentada aumentando o teor de fibra. A rigidez efetiva resultante pode ser determinada experimentalmente de forma não destrutiva a partir do tempo de propagação da onda de um pulso de som através do empacotamento esférico granular.
Modelos preditivos aprimorados por meio de investigações experimentais direcionadas
Nesse contexto, as equipes do Prof. Holger Steeb, pesquisador principal do Centro de Pesquisa Colaborativa 1313, bem como do Centro de Excelência SimTech (EXC 2075), e do Prof. Stefan Luding (Universidade de Twente, Holanda) investigam a eficácia propriedades elásticas de recheios esféricos usando ultrassom no “Porous Media Lab” da Universidade de Stuttgart. Dr. Kianoosh Taghizadeh e Matthias Ruf da cadeira de mecânica contínua fazem parte da equipe de Stuttgart.
No experimento, os pesquisadores primeiro prepararam embalagens esféricas de esferas de vidro rígido de tamanho igual e esferas de borracha macia em diferentes proporções de mistura. Esses recheios foram investigados mecanicamente em um cilindro transparente de raios-X (PMMA) equipado com sensores ultrassônicos piezoelétricos e atuadores sob condições de carga axial definidas. Curiosamente, descobriu-se que a adição de até 20% de esferas de borracha (macia) não reduziu a rigidez efetiva das gaxetas, mas a melhorou. No entanto, quando a fração das esferas de borracha é superior a 30%, a rigidez começa a diminuir, pois a rede geral não é mais dominada por partículas rígidas. “Este comportamento contradiz todas as regras clássicas de mixagem”, sublinha Holger Steeb. “Para obter uma melhor compreensão da resposta mecânica inesperada, a rede geral de partículas (rede de força), incluindo as sub-redes de vidro e borracha, foi analisada.”
Não é mais um material sólido clássico
Os pesquisadores avaliaram com sucesso a morfologia combinando exames de ultrassom com caracterização de imagem por tomografia computadorizada de raios-X (XRCT). Imagens de raios X mostraram que a maior rigidez efetiva dos recheios com frações de borracha de até 20 por cento pode ser explicada pelo comprimento das cadeias de força das partículas de vidro. “Ao mesmo tempo, a rede de partículas de vidro está em um chamado “estado preso” com um número de coordenação correspondentemente alto. Se a fração de volume das esferas de borracha subir acima de 30 por cento, as cadeias de força consistem em contatos mistos entre vidro e esferas de borracha, que são bem mais macias.”
Além disso, a avaliação das vizinhanças das esferas locais mostrou que o número de coordenação, ou seja, o número de esferas vizinhas do mesmo tipo, torna-se significativamente menor nessas frações de volume mais altas. “Nessa fração de volume, nenhuma das duas fases esféricas está em estado de obstrução e, portanto, o comportamento efetivo do material não é comparável a um sólido clássico”, conclui Holger Steeb. Os cientistas veem muito potencial prático para a indústria da construção no desenvolvimento desta pesquisa. Por exemplo, em áreas propensas a terremotos, a rigidez e as propriedades de amortecimento dos solos podem ser ajustadas por meio de misturas específicas de compostos de lastro e borracha. As amplitudes e velocidades das ondas do terremoto podem ser manipuladas de maneira direcionada. Os edifícios podem ser protegidos desses perigos de forma eficiente e econômica.
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