科學(xué)家找到新預(yù)應(yīng)力技術(shù)：讓混凝土更輕更環(huán)保

提高混凝土強(qiáng)度和耐久性的方法之一是在澆筑前加入拉伸鋼筋，然后在混凝土凝固時(shí)抽出鋼筋以壓縮材料。不過現(xiàn)在科學(xué)家找到了新的預(yù)應(yīng)力（pre-stressing）技術(shù)，在不犧牲強(qiáng)度的情況下讓混凝土更輕，而且還能緩解碳排放。

作為世界上最常用的建筑材料，混凝土的碳足跡是巨大的，每年生產(chǎn)的數(shù)十億噸混凝土需要大量的能源。為此，世界各地的科學(xué)家都在尋求調(diào)整生產(chǎn)工藝，使其更加環(huán)保，即使是很小的改進(jìn)也可能產(chǎn)生很大的影響。

目前預(yù)應(yīng)力技術(shù)主要用于那些需要承受特別高荷載（例如梁或者橋）的混凝土材料，受拉鋼筋產(chǎn)生的力從內(nèi)部壓縮材料。但這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)就是容易被腐蝕，這意味著在它們周圍澆筑的混凝土需要有一定的厚度，并采用碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）制成替代具有抗腐蝕能力的鋼筋。

但是，使用 CFRP 作為肌腱涉及到昂貴的設(shè)備，而且將它們錨定在構(gòu)件的兩端要復(fù)雜的工藝。這一點(diǎn)，再加上它們也有其局限性，這意味著預(yù)應(yīng)力CFRP增強(qiáng)混凝土的使用并不像通過鋼筋的那樣廣泛。

瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（EMPA）的科研團(tuán)隊(duì)找到了新的突破口，為CFRP加固混凝土開發(fā)了一種特殊的配方，使其在硬化時(shí)膨脹。這意味著不需要錨定和拉伸鋼筋，因?yàn)椴牧显谟不瘯r(shí)自己就會(huì)膨脹。肌腱就會(huì)永久地保持這種狀態(tài)，對(duì)混凝土施加反力，產(chǎn)生壓應(yīng)力。

該項(xiàng)目成員 Mateusz Wyrzykowski 博士表示：“如果你想為了能夠建造更薄的結(jié)構(gòu)，更高的承重能力而對(duì)這些CFRP加固材料進(jìn)行預(yù)應(yīng)力，你就會(huì)達(dá)到你的極限。這就像一個(gè)人在手臂上纏上一根橡皮筋 并試圖拉伸它們，橡皮筋將處于緊張狀態(tài)， 而一個(gè)人的手臂將經(jīng)歷橡皮筋的壓縮，按照類比，這樣的機(jī)制會(huì)讓膨脹的混凝土經(jīng)歷壓縮。”

這為更精益的混凝土構(gòu)件打開了一扇門，提供了巨大的強(qiáng)度，團(tuán)隊(duì)的測(cè)試顯示，自應(yīng)力材料可以承受與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土相當(dāng)?shù)暮奢d，比非預(yù)應(yīng)力CFRP混凝土構(gòu)件高出約三倍。

"我們的技術(shù)為輕質(zhì)建筑開辟了全新的可能性，"Wyrzykowski說。"我們不僅可以建造更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，還可以大大減少材料的使用量。我們可以很容易地同時(shí)在幾個(gè)方向上進(jìn)行預(yù)應(yīng)力，例如用于薄混凝土板或棱形曲線混凝土外殼。"