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肌肉与大脑的结合:为更智能、可持续的混凝土铺路

放大字体  缩小字体 发布日期:2025-01-17 05:41:04    来源:本站    作者:admin    浏览次数:98    评论:0
导读

    世界上大约70%的人口居住在用混凝土建造的建筑中——这种复合材料在建筑中的使用仅次于水,其生产占世界总碳排放量的8%

  

  世界上大约70%的人口居住在用混凝土建造的建筑中——这种复合材料在建筑中的使用仅次于水,其生产占世界总碳排放量的8%以上。

  混凝土对我们的工作世界至关重要,但材料专家认为,是时候让它发挥更大的作用了。

  这就是“智能混凝土”的用武之地。从可以检测肉眼看不到的裂缝的水泥传感器,到一种新型可持续混凝土,大大减少了水泥生产中化石燃料的使用,许多基础创新正在取得进展或铺平道路。

  土木与环境工程学院建筑材料与结构工程副教授李文贵就是这样一位希望攻克混凝土的研究人员。

  他对混凝土的关注最初源于对抗震设计的兴趣,即帮助建筑物抵御地震。

  他说:“我发现也许在材料层面上做一些创新会更好,然后将新材料用于结构并提高结构性能。”

  “我认为在澳大利亚和世界各地,越来越多的研究人员正在从事混凝土材料的研究。”

  https://www.youtube.com/watch?v=22qpoGiHnxI&ab_channel=UNSW

  一个/教授。李的团队正在测试以水泥为基础的传感器,这种传感器可以检测到微小的裂缝,希望在裂缝恶化之前进行修复。

  这种由导电材料制成的传感器可以测量“压阻率”,也就是施加压力或重量时材料电阻的变化。这些传感器连接在电缆上,根据电流通过传感器时电阻率的剧烈变化来发送数据,警告是否有裂缝。

  一个/教授。李说,传感器可以帮助维护大型公寓楼。

  新南威尔士州2023年的一项调查发现,53%的住宅公寓楼存在严重缺陷,其中7%是结构性缺陷。

  最近最臭名昭著的结构缺陷案例是悉尼西部的欧珀大厦(Opal Tower), 2018年圣诞节期间,由于结构混凝土梁出现裂缝,392套公寓的居民被疏散。

  一个/教授。李说,这种传感器比其他测量方法,如应变计和光纤,自20世纪30年代以来一直使用的更好。

  “它具有高灵敏度等优点。成本低,耐用性好,意味着它可以使用更长的时间。

  “在结构出现裂缝时尽早采取行动要好得多。留得太晚可能会导致毁灭。”

  识别裂缝是一回事,但随后修复工作就开始了。

  钢筋混凝土是内部有钢筋的混凝土,是我们今天使用的大多数结构的基础。在它开始腐烂之前,它的寿命可以短至50年。

  当钢筋混凝土内部的钢材开始生锈时,就会发生“混凝土癌”。混凝土是多孔的,水分渗入会导致钢筋膨胀,混凝土在压力下开裂。

  一个/教授。李和合作研究人员成功地将一种结晶混合物添加到混凝土中,两周后,混凝土的细微裂缝就会愈合。

  他表示,使用自愈混凝土不仅意味着更安全的结构,而且“通过减少水泥产量,还具有减少排放的额外效果”。

  “如果我们能解决这个问题,我们可以提高耐久性,将混凝土的使用寿命延长到100年以上。”

  但具有讽刺意味的是,这种自愈混合物必须暴露在水中才能起作用。

  “它需要靠近水分,否则水合反应就无法发生。”

  说到混凝土,主要的碳排放源是水泥的生产。水泥的关键成分熟料是在极高的温度下燃烧石灰石和粘土等物质制成的。生产一吨水泥会产生近一吨二氧化碳。一个典型的三居室家庭住宅需要大约14吨水泥。

  地聚合物混凝土不需要水泥,而是使用煤和铁生产的副产品与腐蚀性液体混合。

  澳大利亚一家大型建筑公司用它建造了一个机场和一个码头,但目前它的生产成本比标准混凝土要高得多。

  一个/教授。李说:“成本必须与可持续性相衡量,因此还需要探索其他替代品,如煅烧粘土、火山灰和其他废物。”

  “我们每年消耗约1280千吨玻璃包装,其中只有59%被回收利用,其余都直接进入垃圾填埋场。”为了在混凝土生产中最大限度地利用废玻璃,我们开发了以废玻璃粉为基础的地聚合物混凝土,总玻璃含量超过80%。”

  韩国的研究人员在一条繁忙的隧道里用混凝土净化空气,方法是在路面上涂上二氧化钛,并让路面暴露在阳光下。

  这个过程被称为“光催化”,用光来加速化学反应。

  这项实验阻止了汽车尾气中的污染物形成危险的微粒。相反,它们变成了盐,被雨水冲走了。这些盐有可能用作肥料。

  这是一个伟大的成果,但是,就像前面提到的其他创新一样,大规模生产是昂贵的,并且将二氧化钛与混凝土结合的不同方法(比如将它们混合在一起而不是喷洒)在测试中削弱了混凝土的强度。

  一个/教授。李说,光催化混凝土“在去除大量汽车尾气造成的空气污染物方面具有巨大的潜力,为我们的城镇提供清洁的空气。但仍有必要利用新型杂化纳米光催化剂进一步提高其效率。

  来自美国的一项令人兴奋的进展是,研究人员通过简单地添加一种额外的材料,将混凝土变成了一种能量存储系统。

  流行的电池,比如特斯拉的Powerpack,是用一种昂贵的材料锂制造的。

  美国研究人员成功地用水泥和炭黑制造了一种电池,这两种材料是地球上最便宜、最广泛使用的材料。

  炭黑是一种燃烧有机材料的副产品,在制造水泥混合物的过程中被加入其中。当水泥与水发生反应时,它会在多孔孔中形成导电分支。

  通过制作两个“有线”混凝土的小板,将它们密封在一起,但由电解质和膜(电池的关键部分,防止能量失控)分开,他们能够储存少量的能量。

  在通过为LED灯供电证明其有效后,研究人员表示,他们正在努力通过为他们的发明建立一个基础,为整个房子储存一天的能量。

  一个/教授。李说,未来10到20年将是混凝土的重要时期,而不仅仅是提供基础。

  “在尝试使混凝土更坚固、更耐用之后,下一步的研究将集中在多功能上。

  “很快,越来越多的创新将走出实验室,进入商业化的领域。”

  关键事实:

  混凝土研究人员正在对这种广泛使用的材料进行创新,以延长其使用寿命,帮助其赖以生存的自然环境,并减少其生产过程中的排放。

 
(文/admin)
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