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 混凝土是一種有價值的建筑材料，但像所有東西一樣，它不會永遠存在。橋梁、道路和其他結(jié)構(gòu)中的裂縫是危險的，但由于成本高、環(huán)境影響大和過程冗長，直接更換它們不是一種好的方案。相反，這些結(jié)構(gòu)必須得到修復(fù)和加固。曾經(jīng)對結(jié)構(gòu)修復(fù)通常會使用金屬，但是金屬容易因生銹和暴露于外等因素而損壞，從而限制了其應(yīng)用。幾十年來，混凝土結(jié)構(gòu)一直使用碳纖維增強聚合物 (CFRP) 進行加固。

瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室Empa 的研究人員在之前的工作基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種使用CFRP 變體進一步加固結(jié)構(gòu)的新方法。

背景概述

混凝土是地球上最常用的人造材料；它是一種復(fù)合材料，由波特蘭水泥、水和骨料（如沙子、礫石或巖石）組成。混合后，它會變成一種可使用的糊狀物，并在干燥時變硬。它價格便宜，使用壽命長，并且?guī)缀醪恍枰S護，但它的強度重量比很低，隨著時間的推移，可能會出現(xiàn)裂縫。

長期以來，CFRP一直被用于修復(fù)難以承受負載的支撐結(jié)構(gòu)。例如，1960 年代中期至 1980 年代建造的橋梁在設(shè)計時考慮的交通量要比如今少得多。連接到結(jié)構(gòu)下側(cè)的扁平薄板可以抵消不斷增加的荷載。薄板是一種結(jié)構(gòu)元素，結(jié)合在雙向跨越網(wǎng)格系統(tǒng)中；這樣的模式允許由短的、幾何上簡單的組件構(gòu)成大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)。這些網(wǎng)格使修復(fù)而不是替換結(jié)構(gòu)成為可能。

方法改進

EBROG 是 2018 年首次用于翻新 Küssnacht 一座橋梁的方法。例如，在混凝土梁上縱向銑削窄槽，然后將鋼筋（薄板）從外部粘合到該區(qū)域。通道用于增加傳力的表面積，并更深地滲透到混凝土中。

Empa 研究人員正在通過測試預(yù)應(yīng)力 CFRP 層壓板來開發(fā)這種方法，該層壓板可主動加固混凝土梁。在拉伸應(yīng)力下，它們與環(huán)氧樹脂粘合。一旦粘結(jié)硬化，承受巨大拉力的末端就會松弛。

Empa 團隊專門為新方法設(shè)計了由 CFRP 制成的 U 形箍筋（圖中左側(cè)）。顏色表示材料上的負載：黃色表示高負載；紅色最強。

為了防止末端撕裂，它們必須牢固固定，通常用鋁板粘合并用銷釘固定。Empa 團隊已將其替換為 U 形 CFRP 箍筋，從而可以更精確地定義力的傳遞。由于它不含金屬，因此不易受到元素的影響。

Christoph Czaderski，Empa 工程結(jié)構(gòu)實驗室研究主管介紹道由單一材料制成的解決方案總是優(yōu)于兩種性能不同的材料，特別是對于錨固，我們在實驗室進行了大量測試。

將技術(shù)推向市場

實驗室測試表明潛力巨大。與經(jīng)典加固方法相比，預(yù)應(yīng)力和 CFRP 箍筋使混凝土板的承載能力提高了77%。即使沒有預(yù)應(yīng)力，仍有 34% 的差異。但是，這還需要進一步測試；將在跨度為 6 m 的混凝土板上進行大規(guī)模評估，以準(zhǔn)確了解該方法在實際修復(fù)項目中的效果，然后才能將該技術(shù)推向市場。

行業(yè)合作伙伴S&P Clever Reinforcement Company已經(jīng)在實踐方面開展工作，開發(fā)用于創(chuàng)建 U 形箍筋的工業(yè)工藝，該箍筋以前是由碳型材手工制成的。用于對薄片施加預(yù)應(yīng)力的設(shè)備也必須重新設(shè)計。該技術(shù)可應(yīng)用于任何需要維修的結(jié)構(gòu)，從橋梁到住宅裝修，節(jié)省成本并減少其他過程造成的二氧化碳排放。對于建筑業(yè)主來說，它也更容易、更快且價格合理。