科学家找到新预应力技术:让混凝土更轻更环保

科学家找到新预应力技术:让混凝土更轻更环保

提高混凝土强度和耐久性的方法之一是在浇筑前加入拉伸钢筋,然后在混凝土凝固时抽出钢筋以压缩材料。不过现在科学家找到了新的预应力(pre-stressing)技术,在不牺牲强度的情况下让混凝土更轻,而且还能缓解碳排放。

作为世界上最常用的建筑材料,混凝土的碳足迹是巨大的,每年生产的数十亿吨混凝土需要大量的能源。为此,世界各地的科学家都在寻求调整生产工艺,使其更加环保,即使是很小的改进也可能产生很大的影响。

目前预应力技术主要用于那些需要承受特别高荷载(例如梁或者桥)的混凝土材料,受拉钢筋产生的力从内部压缩材料。但这项技术的一个缺点就是容易被腐蚀,这意味着在它们周围浇筑的混凝土需要有一定的厚度,并采用碳纤维增强聚合物(CFRP)制成替代具有抗腐蚀能力的钢筋。
但是,使用 CFRP 作为肌腱涉及到昂贵的设备,而且将它们锚定在构件的两端要复杂的工艺。这一点,再加上它们也有其局限性,这意味着预应力CFRP增强混凝土的使用并不像通过钢筋的那样广泛。
瑞士联邦材料科学与技术实验室(EMPA)的科研团队找到了新的突破口,为CFRP加固混凝土开发了一种特殊的配方,使其在硬化时膨胀。这意味着不需要锚定和拉伸钢筋,因为材料在硬化时自己就会膨胀。肌腱就会永久地保持这种状态,对混凝土施加反力,产生压应力。
该项目成员 Mateusz Wyrzykowski 博士表示:“如果你想为了能够建造更薄的结构,更高的承重能力而对这些CFRP加固材料进行预应力,你就会达到你的极限。这就像一个人在手臂上缠上一根橡皮筋 并试图拉伸它们,橡皮筋将处于紧张状态, 而一个人的手臂将经历橡皮筋的压缩,按照类比,这样的机制会让膨胀的混凝土经历压缩。”

这为更精益的混凝土构件打开了一扇门,提供了巨大的强度,团队的测试显示,自应力材料可以承受与传统预应力混凝土相当的荷载,比非预应力CFRP混凝土构件高出约三倍。
“我们的技术为轻质建筑开辟了全新的可能性,”Wyrzykowski说。”我们不仅可以建造更稳定的结构,还可以大大减少材料的使用量。我们可以很容易地同时在几个方向上进行预应力,例如用于薄混凝土板或棱形曲线混凝土外壳。”

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