Et mere bæredygtigt materiale til forstærkning af betonkonstruktioner

Den næste generation af ultra højtydende fiberarmeret beton (UHPFRC) er netop blevet skabt på EPFL. Det nye materiale vil blive brugt til at styrke og forlænge levetiden for broer og andre strukturer - både nye og gamle. Hvad mere er, processen med fremstilling af dette materiale frigiver 60–70 procent mindre CO ₂ end den foregående generation af fiberarmeret beton.

Byggebranchen tegner sig for omkring 40 procent af det globale CO ₂ emissioner, hvoraf mange kan tilskrives fremstilling af beton. Og lande som Schweiz, hvor betonkonstruktioner har blomstret siden 1960'erne, står nu over for opgaven med at vedligeholde disse strukturer for at sikre, at de forbliver sikre langt ud i fremtiden. Dette er en skræmmende udfordring med både miljømæssige og tekniske overvejelser.

EPFL's strukturelle vedligeholdelses- og sikkerhedslaboratorium (MCS), ledet af Eugen Brühwiler, har opbygget spidskompetence på dette område i løbet af de sidste 25 år. MCS har specialiseret sig i to områder:udvikling af mere miljøvenlig beton, og udfører stadig mere sofistikeret, stort set overvågningsbaseret, vurderinger af eksisterende strukturer, såsom vej- og jernbanebroer i Schweiz og rundt om i verden.

Til sin ph.d. afhandling, MCS-forsker Amir Hajiesmaeili søgte at udvikle den næste generation af ultra højtydende fiberarmeret beton (UHPFRC). Hans mål var at udvikle et materiale, der bevarer de mekaniske egenskaber, der findes i nutidens beton, men uden stålfibrene. UHPFRC, som Hajiesmaeili kom med, er 10 procent lettere end anden fiberarmeret beton, og dens miljøpåvirkning er 60–70 procent lavere. Dette nye materiale er så effektivt, at den første tekniske overførsel finder sted i 2020, hvornår den skal bruges til at forstærke en bro.

Den rigtige opskrift

Hajiesmaeili kan lide mad og kender sin vej rundt i et køkken. Efter at have afsluttet en kandidatgrad i civilingeniør ved University of Teheran, han kom til EPFL for at lave sin ph.d. som en del af Swiss National Science Foundation's NRP "Energy Turnaround" (NRP 70) projekt. Han tilbragte næsten fire år med at "lave mad" på EPFL. Hver uge forberedte han forskellige kombinationer af pulvere på en videnskabelig måde, ifølge en ny omfattende pakkemodel, som de udviklede i MCS og rørte dem i en mixer. Han ville derefter køre sine prøver gennem forskellige styrke- og trækprøver og forfine sine beregninger. Hans mål var at producere en ny UHPFRC, der er lige så stærk som den, der i øjeblikket bruges i byggeindustrien, men som producerer mindre CO ₂ .

"Efter tre år med denne trial-and-error, vi fandt endelig den rigtige opskrift - en der også opfylder strenge bygningsstandarder, "siger Hajiesmaeili. Hvordan gjorde han det? I stedet for stålfiber, han brugte en meget stiv syntetisk polyethylenfiber, der klæber godt til cementmatricen. Han udskiftede også halvdelen af ​​cementen, et almindeligt brugt bindemiddel i beton, med kalksten, et materiale, der er bredt tilgængeligt rundt om i verden. "Tricket var at finde et materiale, der er meget stærkt og producerer den rigtige konsistens."

Schweizisk teknologi

I de sidste 15 år har første generations UHPFRC er blevet brugt til at forstærke broer for at gøre dem mere bæredygtige, takket være en teknologi udviklet i Schweiz og eksporteret til udlandet. Dens kulstofaftryk er allerede lavere end konventionel armeret beton. "Med dette materiale, vi kan tilføre værdi til ældgamle strukturer ved at sikre, at de holder længe, lang tid, "siger Brühwiler, hvis laboratorium allerede har overvåget den strukturelle forstærkning af mere end 100 broer og bygninger i Schweiz. "Denne løsning er også meget mere økonomisk og miljømæssigt forsvarlig end at rasere og genopbygge eksisterende strukturer som broer og historiske monumenter."

Efter Brühwilers erfaring, teknologioverførsel i byggeindustrien er kun effektiv, når tre kriterier er opfyldt:mennesker på hvert trin i byggekæden-fra byggeledere til arbejdere-er veluddannede (som det er tilfældet i Schweiz); der er en byggekode; og der er både økonomiske og individuelle incitamenter for interessenter til at ændre deres vaner.