Исследователи изучают бамбук как инженерный строительный материал
Традиционное строительство из бамбука использует целые стебли для создания решетчатых сооружений или плетеных экранов. Однако у этого метода есть ограничения: бамбук уязвим для насекомых, а форма полых цилиндров ограничивает возможности конструкции.
Ученые MIT вместе с архитекторами и деревообработчиками из Англии и Канады исследуют способы превращения бамбука в композитный материал, подобный фанере. Идея в том, чтобы разрезать стебель (culm) на мелкие части и склеить их в прочные блоки. Такой материал мог бы использоваться для строительства более устойчивых зданий в регионах, где бамбук широко распространен, например, в Китае, Индии и Бразилии.
Исследователи MIT проанализировали микроструктуру бамбука и обнаружили, что он прочнее и плотнее североамериканских хвойных пород, таких как сосна, пихта и ель. Это делает бамбук перспективным ресурсом для композитов.
"Бамбук растет в регионах с быстро развивающейся экономикой, поэтому он является альтернативным строительным материалом бетону и стали", — говорит Лорна Гибсон, профессор материаловедения и инженерии MIT. "Из него, вероятно, не построишь небоскреб, но небольшие сооружения, такие как дома и малоэтажные здания — вполне".
Анализ микроструктуры и создание модели
Ученые исследовали образцы вида мосо — основного вида бамбука в Китае. С помощью электронной микроскопии они получили изображения микроструктуры и создали полные микромасштабные поперечные сечения стенки стебля на разной высоте.
Анализ показал градиенты плотности сосудистых пучков — полых сосудов, окруженных твердыми волокнистыми клетками. Плотность этих пучков увеличивается по направлению к внешней стенке стебля, и этот градиент становится более выраженным на более высоких участках стебля.
Используя методы наноиндентирования (микроскопического вдавливания), исследователи измерили жесткость и прочность образцов из разных участков стебля. В целом бамбук оказался жестче, прочнее и плотнее большинства хвойных пород, используемых в строительстве.
На основе данных о жесткости и плотности была создана модель, которая точно предсказывает механические свойства бамбука в зависимости от положения в стебле. Эта модель может помочь производителям оптимизировать сборку бамбуковых изделий.
"Если вам нужна бамбуковая балка на изгиб, возможно, стоит разместить более плотный материал вверху и внизу, а менее плотный — в середине, так как напряжения в балке больше вверху и внизу и меньше в середине", — объясняет Гибсон. — "Мы изучаем, как можно оптимизировать подбор материалов для конкретной конструкции".
Перспективы и будущие исследования
Деревообработчики из Канады, с которыми сотрудничает команда, могут использовать модель в качестве руководства. В свою очередь, они будут отправлять в MIT композитные образцы бамбука для анализа. Например, продукт может быть обработан так, чтобы содержать бамбук вместе с другими материалами для снижения плотности и повышения устойчивости к насекомым.
"Мы хотим изучить исходные механические свойства стебля бамбука, а также то, как обработка влияет на конечный продукт", — говорит Гибсон. — "Возможно, есть способ минимизировать негативные эффекты и использовать бамбук более универсально".
Оливер Фрит из Международной сети по бамбуку и ротангу (INBAR) отмечает, что работа MIT "очень своевременна и имеет большой потенциал для развития отрасли". Он подчеркивает, что, хотя бамбук имеет сходство с древесиной, у него есть и очень distinct свойства. Будущее, вероятно, лежит в инновационных подходах, которые лучше усиливают естественные преимущества этого уникального материала.
Результаты исследования опубликованы в Journal of the Royal Society: Interface.