科学家开发低碳混凝土 用聚合物格子加固材料保持坚固性

导读：一个多世纪以来，钢筋一直是加固混凝土的首选材料，但一种新方法有望让这种常见的建筑材料变得更加坚固和环保。

一个多世纪以来，钢筋一直是加固混凝土的首选材料，但一种新方法有望让这种常见的建筑材料变得更加坚固和环保。科学家们利用3D打印技术生产了一种聚合物晶格结构，它可以作为低碳混凝土的骨架，同时还拥有很好的强度和耐久性。

这项研究是在加州大学伯克利分校进行的，是在之前利用聚合物纤维加固混凝土的基础上进行的。大约在半个世纪前，聚合物纤维作为钢筋加固的一种有前途的替代物出现，钢筋具有很高的强度，但沉重、昂贵且会随着时间的推移而退化。

另一方面，聚合物纤维重量轻、生产成本低、耐腐蚀。目前的方法包括在混凝土浇筑前将这些纤维混合到混凝土中，但这可能会导致不均匀的分布，这意味着最终结构的一些部分更坚固，而其他部分容易出现裂缝。

这项新研究背后的工程师试图用3D打印的八元聚合物晶格来解决这一缺陷，这种结构因其独特的轻质和强度组合而受到青睐，人们希望通过密集排列的桁架来防止裂缝的形成。研究小组发现，使用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）聚合物生产格子是成功的，然后用超高性能混凝土填充缝隙，这种混凝土的抗压强度是普通混凝土的四倍。

研究人员对这一配方的变化进行了实验，使用了不同版本的聚合物晶格，使其占混凝土整体体积的比例从19.2%到高达33.7%不等。虽然这些调整在抗压强度和峰值载荷方面带来了微小的变化，但混凝土的整体机械性能基本保持不变。

“当一种材料很脆弱的时候，它可以承受一定的峰值载荷，然后它就会失效，”研究报告的合著者，土木与环境工程教授Claudia Ostertag说。“在这种情况下，我们没有观察到这种失败。它变得越来越强。对于我们对混凝土感兴趣的人来说，这是惊人的。你正在将一些很脆的东西渲染成很有韧性的东西。”

所有被测试的样品在应变密度值上的得分都很高，因此能够吸收大量的能量，而那些格子结构较薄的样品和那些格子结构较厚的样品一样坚韧。这一部分是该研究项目总体目标之一的关键；使用更高浓度的替代材料来减少混凝土制造的碳足迹，因为混凝土制造的碳足迹占世界二氧化碳排放量的8%。

“产生水泥的反应本身就会产生二氧化碳，”研究报告的共同作者Hayden Taylor说。“相比之下，通过使用生物聚合物，回收和可再生能源，有一条可以想象的路线，走向净碳中和甚至潜在的碳负值的聚合物。”

该团队计划用不同的晶格形状进行实验，看看不同的几何形状是否能发挥不同的用途。“未来，我最大的问题是如何为特定的应用选择最佳的晶格结构，”研究主要作者Brian Salazar说。“可能会有更多的最佳几何结构等待被发现。”

该研究发表在《材料与设计》杂志上。