p Formação e arquitetura 3D de cimento tipo madeira. a) Ilustrações esquemáticas sobre os micromecanismos de formação do cimento semelhante a madeira durante o congelamento, descongelamento, e processos de cura. b) Volumes XRT do cimento com gelo produzido a partir de lamas cimentícias com valores W / C de 0,4 e 1,3 com aquele de uma madeira de bétula Betula schmidtii como comparação. Os poros nos materiais são indicados na cor azul. FD e GD representam a direção de congelamento do gelo e a direção de crescimento da madeira, respectivamente. Crédito:Ciência Avançada, doi:10.1002 / advs.202000096
p A natureza muitas vezes oferece uma inspiração promissora para materiais biomiméticos feitos pelo homem. Em um novo relatório agora publicado em
Ciência Avançada , Faheng Wang e uma equipe de cientistas em materiais avançados, a engenharia e a ciência na China desenvolveram novos materiais de cimento baseados em arquiteturas unidirecionalmente porosas para replicar os designs de madeira natural. O material de cimento semelhante a madeira resultante apresentou maior resistência em densidades iguais, ao lado de propriedades multifuncionais para isolamento térmico eficaz, permeabilidade à água e fácil ajuste para repulsão à água. A equipe alcançou simultaneamente alta resistência e multifuncionalidade para tornar o cimento semelhante a madeira um novo material de construção promissor para projetos miméticos de madeira com alto desempenho. Eles apresentaram um procedimento de fabricação simples para promover melhor eficiência durante a produção em massa com aplicações adequadas em outros sistemas de materiais. p
Desenvolvimento de materiais bioinspirados semelhantes a madeira
p Materiais porosos à base de cimento possuem baixa condutividade térmica para isolamento térmico, alta eficiência de absorção de som, excelente permeabilidade para ar e água, mantendo o peso leve e resistência ao fogo. Contudo, ainda permanece um desafio chave para alcançar o aprimoramento simultâneo das propriedades mecânicas e multifuncionais, incluindo suporte mecânico, transporte eficaz e bom isolamento térmico. Portanto, é altamente desejável gerar materiais com propriedades mecânicas e multifuncionais aprimoradas para implementar ativamente os princípios de design da madeira natural. Durante os experimentos, Wang et al. desenvolveu cimento semelhante a madeira com arquiteturas unidirecionalmente porosas formadas por meio de um método de tratamento por congelamento bidirecional. O processo permitiu a formação de pontes entre os constituintes da estrutura, a equipe então descongelou os corpos totalmente congelados até que o gelo gradualmente derreteu e o cimento endureceu. O processo de hidratação subsequente produziu novos minerais e géis dentro do cimento, incluindo hidróxido de cálcio em forma de hexágono, géis de etringita em forma de agulha e hidrato de silicato de cálcio. As fases originaram-se principalmente nas lamelas de cimento e cresceram em seu espaçamento durante o processo de descongelamento e cura para melhor integridade estrutural com interconexões de lamelas aprimoradas durante a formação de cimento poroso. Usando tomografia de raios-X (XRT), a equipe então revelou a formação de microporos unidirecionais no cimento temperado com gelo.
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p Características microestruturais do cimento tipo madeira. a) Imagens de SEM em corte transversal do cimento com molde de gelo produzido a partir de lamas com um W / C de 1,3. b – d) Imagens SEM das interconexões entre as lamelas de cimento. b) Pontes e cruzamentos formados durante o processo de congelamento, conforme indicado pelas setas amarelas, junto com os produtos minerais das reações de hidratação de c) hidróxido de cálcio ed) etringita. e) Ilustração esquemática sobre os diferentes tipos de interconexões e poros no cimento modelado a gelo. Os círculos indicam os elementos A e L para a formulação da resistência usando a abordagem do elemento equivalente. f) Variações na porosidade total Ptotal, porosidade aberta Popen, e porosidade interlamelar Pinter no cimento com A / C nas pastas cimentícias iniciais. Os dados no painel (f) são obtidos de pelo menos três medições para cada conjunto de amostras e apresentados na forma de média ± desvio padrão. Crédito:Ciência Avançada, doi:10.1002 / advs.202000096
Compreendendo a microestrutura
p Wang et al. usaram imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) para revelar os poros unidirecionais entre as lamelas no cimento modelado a gelo que abrangia uma grande quantidade de interconexões entre as lamelas. A equipe classificou as interconexões em três tipos:(1) pontes e interseções formadas devido a partículas de cimento engolfadas em cristais de gelo durante o processo de congelamento, (2) hidróxido de cálcio em forma de hexágono, e (3) etringite semelhante a uma agulha. Os últimos minerais resultaram de reações de hidratação do cimento durante os processos de descongelamento e cura. As lamelas de cimento continham poros abundantes formados durante o processo de secagem do cimento devido à desidratação dos géis e remoção de água. Os cientistas classificaram os poros dentro do cimento de madeira em três tipos, incluindo (1) poros abertos interlamelares, (2) poros abertos intralamelares e (3) poros fechados intralamelares. A porosidade interlamelar era governada principalmente pelo teor de água, que desempenhou um papel como um agente de formação de poros.
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p Propriedades mecânicas do cimento tipo madeira. uma, b) Curvas de tensão-deformação compressiva representativas do cimento semelhante a madeira feito de lamas com diferentes W / C a) sem eb) com adições de SF. c, d) Variações na c) tensão de falha, d) densidade de absorção de energia, representado usando a área sob a curva de tensão-deformação até o pico de tensão, e força específica (inserção no painel (d)) em função da porosidade total Ptotal. As tendências gerais variáveis são indicadas pelas curvas tracejadas para maior clareza. e) Dependência da resistência à compressão com a densidade relativa no cimento tipo madeira. f) Interpretação da resistência de acordo com a abordagem do elemento equivalente, levando em consideração diferentes tipos de poros. Os dados nos painéis (c) - (f) são obtidos a partir de pelo menos três medições para cada conjunto de amostras e apresentados na forma de média ± desvio padrão. Crédito:Ciência Avançada, doi:10.1002 / advs.202000096
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p Características multifuncionais do cimento tipo madeira. a) Variações do coeficiente de condutividade térmica do cimento lenhoso no perfil transversal em função da densidade nominal. 0,4 ‐ C indica o cimento feito de lamas com um W / C de 0,4, mas sem tratamento de molde de gelo. Os dados para materiais de cimento poroso de células abertas aleatoriamente também são mostrados para comparação. [35, 36] b) Imagens infravermelhas de cimento feito de pastas com diferentes valores de W / C de 0,4, 0,9, 1.6, e 2.4 colocado em uma placa de aquecimento de 100 ° C. c) Dependência do coeficiente de permeabilidade à água ao longo da direção vertical da porosidade total Ptotal em cimento tipo madeira. A configuração usada para a medição da permeabilidade à água é ilustrada na inserção. d) Imagens e ilustrações esquemáticas mostrando a natureza repulsiva e permeável à água do cimento antes e após o tratamento de impermeabilização, junto com a atração capilar e os efeitos de repulsão das superfícies internas devido às características hidrofílicas e hidrofóbicas. Os dados nos painéis (a) e (c) são obtidos a partir de pelo menos três medições para cada conjunto de amostras e apresentados na forma de média ± desvio padrão. As tendências gerais variáveis são indicadas por curvas tracejadas para maior clareza. Crédito:Ciência Avançada, doi:10.1002 / advs.202000096
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As propriedades mecânicas e multifuncionais do material
p A equipe obteve curvas representativas de tensão-deformação compressiva do cimento semelhante a madeira, com ou sem adições de fumos de silício à sua constituição. A resistência à compressão diminuiu monotonicamente com o aumento das razões água / cimento nas pastas usadas para desenvolver o material, o que acabou levando a um aumento da porosidade no cimento. Uma vez que a deformação de falha do material aumentou com o aumento da porosidade total, a resistência dos sólidos porosos pode ser determinada por sua porosidade. Em seguida, a equipe mediu o coeficiente de condutividade térmica do modelo de gelo, cimento semelhante a madeira para mostrar condutividade térmica decrescente com o aumento da porosidade do material. Eles também usaram imagens infravermelhas (IR) para observar claramente as propriedades robustas de isolamento térmico do material de cimento com molde de gelo. Para regular a eficiência do isolamento térmico, Wang et al. ajustou a carga sólida nas pastas de cimento, aumentando o teor de água / cimento. O material de cimento resultante absorveu água devido ao caráter hidrofílico (atraente para a água) de suas superfícies internas. Em contraste, podem evitar que a água penetre nos poros impermeabilizando as superfícies com um agente organossilício; tais esforços na hidrofobicidade podem até mesmo fazer com que o material flutue na água. O método pode, portanto, facilitar aplicações comutáveis como estruturas permeáveis ou impermeáveis adequadas como materiais de construção.
p Comparação de cimento semelhante a madeira com madeira natural e outros materiais de cimento poroso. [3-8, 31, 43, 53, 59-61] a) Resistência à compressão e densidade para uma ampla gama de materiais à base de cimento poroso, mostrando as resistências relativamente mais altas do atual cimento semelhante a madeira em densidades iguais. LAC:conteúdo agregado leve; OPC:cimento Portland comum; PF:fibra de polipropileno; PC:cimento Portland; CSA:agregado de lodo de concreto; S / C:relação areia-cimento em peso. b) Ilustrações esquemáticas sobre as estratégias de projeto da madeira natural e do cimento semelhante à madeira na otimização de suas propriedades mecânicas e multifuncionais associadas às arquiteturas unidirecionalmente porosas. Os dados de resistência e densidade do cimento tipo madeira atual no painel (a) são apresentados na forma de média ± desvio padrão. Crédito:Ciência Avançada, doi:10.1002 / advs.202000096
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Perspectiva para materiais de cimento semelhantes à madeira
p Desta maneira, Faheng Wang e colegas apresentaram uma técnica de modelagem de gelo como uma abordagem viável para criar microporos unidirecionais para aplicações em cerâmica, polímeros, metais e seus compostos. Os cientistas desenvolveram um processo de tratamento de liofilização baseado no comportamento de auto-endurecimento do cimento quando em contato com reações de hidratação. A arquitetura de cimento semelhante a madeira resultante continha uma variedade de poros em formas abertas ou fechadas e uma abundância de interconexões entre suas lamelas. Quando a porosidade aumentou, a resistência do cimento diminuiu. O cimento semelhante a madeira também apresentou menor condutividade térmica e boa permeabilidade à água. A equipe poderia mudar o material de cimento para ser repulsivo ou atraente para a água por meio de tratamento hidrofóbico ou hidrofílico, respectivamente. A estratégia de desenvolvimento de materiais simples e prática, juntamente com a natureza de auto-endurecimento de seus constituintes, pode melhorar significativamente o tempo e o custo-benefício da técnica de modelagem de gelo para formar concreto sustentável com potencial para traduzir o método em outros sistemas de materiais. p © 2021 Science X Network
