Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа под руководством инженеров Университета штата Пенсильвания предложила метод снижения стоимости сверхвысокопрочного бетона, позволяющий сократить расходы до 75% при сохранении прочности, пластичности и долговечности материала.
Бетон является самым распространённым строительным материалом в мире, однако он хрупок и легко растрескивается под воздействием растяжения. Сверхвысокопрочный бетон (Ultra-high-performance concrete, UHPC) известен своей плотной структурой и исключительной долговечностью, а внутренние металлические волокна предотвращают растрескивание, но они приводят к тому, что стоимость материала может быть в 30 раз выше, чем у традиционного бетона. Исследовательская группа провела серию испытаний, измеряя физическую прочность и пластичность различных смесей UHPC, включая экспериментальные типы, армированные металлическими и неметаллическими волокнами. Испытания выявили несколько ключевых характеристик, которые можно оптимизировать для снижения цены при сохранении выдающихся свойств. На основе оценки команда разработала новый метод проектирования, который поможет производителям материалов, владельцам инфраструктуры и строительным компаниям экономить средства и создавать более прочный и экологичный бетон. Результаты опубликованы в журнале «Cement and Concrete Composites».
Соавтор исследования, профессор гражданского и экологического строительства имени Джона и Харриет Шоу и заведующий кафедрой гражданского и экологического строительства Университета штата Пенсильвания Фаршад Раджабипур, отметил, что UHPC стал ключевым материалом для строительства крупных и долговечных сооружений, таких как мосты, высотные здания или прибрежная инфраструктура, включая шлюзы, и особенно помогает сократить время строительства и ремонта при ускоренном возведении мостов с нескольких месяцев до нескольких дней или недель. Он также является членом Транспортного исследовательского института и Института материалов. Прочность и пластичность материала обусловлены тысячами микроскопических стальных волокон внутри, каждое из которых имеет длину 13 мм (около половины дюйма) и диаметр 0,2 мм. Эти волокна механически фиксируются в цементной матрице, образуя материал, обладающий гибкостью при экстремальном растяжении.
Раджабипур указал, что волокна являются основной причиной резкого роста цен: волокна, составляющие лишь около 2% общего объёма материала, обеспечивают примерно 70% общей стоимости. UHPC обычно продаётся в виде предварительно упакованных запатентованных смесей, что дополнительно увеличивает стоимость использования. Для оптимизации волокон команда приготовила 15 различных смесей UHPC, из которых 9 использовали металлические волокна с различной концентрацией и дизайном, чтобы проверить, можно ли получить те же свойства с меньшим количеством материала. Команда протестировала волокна разной длины, ширины и формы, включая конструкции с насечками, скручиванием и добавлением маленьких крючков. Остальные 6 смесей использовали неметаллические волокна, изготовленные из фибриллированных стеклянных нитей, базальта, а также полимеров, армированных стеклянными или углеродными волокнами.
Каждый образец прошёл серию испытаний для оценки текучести в жидком состоянии, прочности на сжатие, прочности на растяжение, пластичности и прочности сцепления. Команда заметила, что два протестированных типа металлических волокон — микростальные и рифлёные стальные волокна — сохраняли свои свойства даже при уменьшении общего объёма волокон вдвое. Волокна с более высоким соотношением длины к диаметру показали значительно улучшенные характеристики растяжения. Ключевым для поддержания высокой прочности является проектирование способа сцепления волокон с матрицей, чтобы они вытягивались из бетона до разрушения под нагрузкой. Хотя коммерческие неметаллические волокна всё ещё уступают стальным по характеристикам, лучший дизайн может позволить производить волокна с аналогичными металлическим свойствами, но по более низкой цене.
Далее команда планирует изучить различные составы волокон, исследовать новые неметаллические волокна и оптимизировать методы производства, одновременно продолжая изучать возможности сокращения выбросов углекислого газа в процессе производства UHPC. Раджабипур отметил, что волокна являются не только крупнейшим фактором затрат, но и крупнейшим источником выбросов, и исследование предлагает не только пути снижения стоимости материалов, но и способы уменьшения воздействия на окружающую среду. Другие соавторы работы включают докторантов Университета штата Пенсильвания Абдуллу Аль Момана (ныне инженер-конструктор компании Dutchland), Дипику Сундар (ныне научный сотрудник компании CalPortland), Амира Алараба (ныне инженер-конструктор компании AECOM), а также доцента-исследователя гражданского строительства Университета штата Пенсильвания Шаохуа Чу и доцента гражданского, строительного и экологического строительства Университета Делавэра Йована Татара. Данное исследование финансировалось Министерством транспорта США и Министерством транспорта штата Пенсильвания.
Данный материал скомпилирован платформой Wedoany. При цитировании материалов, созданных с помощью искусственного интеллекта (ИИ), необходимо обязательно указывать источник — «Wedoany». В случае выявления нарушения прав или иных проблем просим своевременно информировать нас. Сайт оперативно внесёт изменения или удалит материал.Электронная почта: news@wedoany.com
