多伦多大学研发的下一代混凝土与纤维杂交技术

 

       杂交对科学来说并不是什么新鲜事儿,这项技术已经被人类使用了好几个世纪,人们通常使用它来获取特定的结果或所需要的特性,如抵抗害虫、疾病、水分缺失或是产生更好的作物。杂交是自然进化的一部分,自从生命诞生以来就一直在进行。灵活性和适应性是杂交的基本要求,也是可持续发展的主要目标。


      在过去的100年中,混凝土和钢筋已被用于建筑,并成为工业革命后城市化不可缺少的一部分。随着时间推移,建筑物和公共基础设施因环境和其他条件产生快速老化和恶化的迹象。比较典型的恶化例子是加拿大北部建筑物可能会受到冻融循环的影响,巴拿马的建筑物在海上环境中容易遭受氯化物的影响,还有大城市中高层混凝土建筑在震后会产生裂缝等。大多数时候,建筑物的恶化是各种因素共同作用的结果。在修复现有基础设施和建造未来建筑方面,纤维杂交技术被证明是有用的。


      包括混凝土在内,在建筑材料中加入纤维作为加固材料,是一种可以追溯到古代的技术。制造泥砖时不仅使用秸秆和砂浆,而且采用马毛来加固。在二十世纪初,随着纤维技术的发展,人们使用石棉纤维对水泥进行增强处理。为了解决潜在的问题,人们开始使用现代合成纤维、不同的形状和尺寸的石棉、有机玻璃、芳纶、或钢来加固混凝土。纤维有许多好处,包括增加拉伸强度、耐磨性、耐火性、使混凝土拉伸能力与钢类似、能在地震中吸收能量等。然而,每一种特定的纤维只有上述一种优势。


      多伦多大学的研究人员认识到未来建筑的灵活性,他们一直在组合不同的纤维和生产模式,然后预测他们的性能。遵循与混合动力汽车相同的原则(根据不同的要求设计汽车,如获得更低的燃油性能或更充沛的动力),在这项研究中使用混合纤维混凝土,目的是提高产品的剪切抗力。在研究中把两种不同类型的钢纤维等量混合。其中一种钢纤维是直的,类似由针制成的高强度钢丝,长度为13毫米;另一种是长度为30毫米的弯钩。例如,典型的长纤维已被用于工业地板,而短纤维则被用来缝合桥梁裂缝。使用相同数量的纤维然后对样品进行比较。


      Stamatina Chasioti说:“我们并不惊讶,含有混杂纤维的混凝土比那种只含有单一的短或长纤维的混凝土更坚固。并且生产两种纤维的成本与单一纤维相同!”。但这在实践中这意味着什么呢?如果我们必须建造一个建筑物,选择上面的具体选项达到相同的性能,使用混合纤维实际上可以使我们减少钢的用量。另外,考虑到这些好处,设计师甚至会减少柱子和横梁的尺寸,节省更多资金,并且创造出更优雅的建筑。不同纤维之间的协同作用是工程师手中的重要工具。而更多两种以上不同纤维的组合方式甚至可以检查聚丙烯纤维的收缩和钢纤维的强度,本研究只是识别潜在的好处。“更多纤维的组合方式将在以后被研究探索,这对特定结构建筑的设计是非常有帮助的”,Frank J. Vecchio说。