当混凝土离开钢筋,你的房子会......

新材料在线 2018-01-05

一百年前,用钢筋混凝土造房子属于“尖端技术”,刚刚从欧美传到国内,只有具备雄厚实力的建造者才会采用。过去的50年里,钢筋混凝土结构已经成为我们最常见的建筑形式。未来的50年里,我们的建造业会是什么样呢?


同济大学土木工程学院副教授余江滔


余江滔及其团队


“中国是世界上人口老龄化最严重的国家之一。有效劳动力供应不足将会成为中国未来建筑业的巨大阻碍。此外,未来的建筑可能出现在高原、雪山、沙漠、海洋甚至地外星球等复杂场地,以人力为主的传统建造技术将难以适应。自动化建造甚至无筋建造会成为解决方案之一。” 同济大学土木工程学院副教授余江滔告诉新材料在线®。


钢筋与混凝土的组合很好,但不完美


近年来,科学家和工程师为实现自动化建造而不断努力。在混凝土领域,建筑3D打印已经成为自动化建造的代表之一,波特兰水泥基材料的成本低、易成型、抗压强度较高且具有较好的耐候性,则是建筑3D打印的首选材料。


举例来说,2014年美国明尼苏达州的个人承包商Andrey Rudenko用一台3D打印机在后院打印出了一座漂亮的中世纪城堡;2016年,土豪之都迪拜推出了全球首座3D打印办公室。


无论是中世纪城堡还是3D打印办公室,均采用混凝土砂浆作为打印材料。但是混凝土具有天生的脆性,在受拉时混凝土容易开裂,开裂后混凝土会失去几乎所有的抗拉能力。因此,世界上现有的绝大多数3D打印建筑都必须在打印墙体空腔内填充普通的混凝土和钢筋,以保证建筑的安全。通过人工填充混凝土和钢筋,实际上有违自动化建造的初衷。


3D打印建筑


混凝土离不开钢筋,这是100多年来土木工程界的公论,也是混凝土自动化建造的最大阻碍。


“真正的自动化建造需要什么样的材料?首先,我们要知道为什么钢筋混凝土结构尚且可靠。”在与新材料在线®交流时,余江滔给出的答案是:“主要原因之一是钢筋,因为钢筋具有应变强化和超高的变形能力,其变形能力是混凝土的千倍以上。这是经典的钢筋混凝土建筑能够提供安全庇护,可以经历地震考验的原因。混凝土自动化建造的关键在于寻找一种抗拉强度高、且具备钢材延性的材料。”


余江滔及其团队


猪队友、菜队友、神队友和1+0>>1的故事


“世界上是否真有像钢材一样变形的混凝土呢?”余江滔打趣说:“这是一个猪队友、菜队友和神队友悲欢离合的故事。”我国建筑规范要求抗震钢筋的拉伸率不低于9%(最大强度),算是神队友。相比而言,混凝土的开裂应变仅为0.02%左右,几乎可以忽略不计,是不折不扣的猪队友。钢筋混凝土的组合是猪队友和神队友的折衷,变形能力介于2%-9%之间。


现有的高性能混凝土怎么样呢?著名的Ultra-high performance concrete(UHPC)是高性能混凝土的代表。UHPC即是用短切钢纤维增强的高强度混凝土。钢纤维的变形能力约为3%-6%。与混凝土组合后,UHPC的变形能力降至0.5%-1%之间。猪队友拉了神队友的后腿。


有没有可能1+0>1呢?美国密歇根大学的讲座教授Victor C. Li创造了一个魔法。早在20年前,Li教授尝试将超高分子量聚乙烯纤维加入混凝土中。超高分子量聚乙烯纤维抗拉强度超高,是钢材的5-10倍,但拉伸率约3%,仅钢材的1/3,属于菜队友。经过Li团队的特殊设计,聚乙烯纤维混凝土的拉伸性能达到了3%-5%。能力一般的菜队友和猪队友一起实现了1+0>1。为此,该材料的创始人Victor C. Li称之为Engineered cementitious composites,即经工程设计的水泥基复合材料。


ECC是一种应变硬化水泥基材料


1995年之后,Li教授与日本的东京大学学者和企业界的工程师共同研究,发现了另一种可用的纤维,即聚乙烯醇纤维,从此Li和世界大多数研究者们走上了采用聚乙烯醇纤维增强混凝土的道路。聚乙烯醇纤维的拉伸率可达到5%以上,但聚乙烯醇纤维混凝土的拉伸变形能力约在3%-5%之间,已经不完全是一种1+0>1的材料。


从密歇根大学回来后,余江滔与同济大学的师生们一起尝试制备更高性能的纤维混凝土,希望混凝土终有一天能达到钢材的变形能力。有人认为这是不可能实现的任务,更有人认为,混凝土完全没有必要具备这样的性能。“我们始终认为,如果经典的钢筋混凝土材料也只能勉强抵御天灾人祸的话,我们有什么权利将无筋材料的性能降到这一标准以下呢?


余江滔及其团队


“从2012年到现在,同济大学的30多名师生参与了这项研究。我们日夜工作,尝试过7-8种纤维、几十种不同的掺合料,进行了几千次试验。博士生俞可权发现采用超高分子量聚乙烯纤维仍是最有效的,于是我们不断地进行聚乙烯纤维的筛选和改性,寻找最合适的基材配方。这一过程中,俞可权的贡献总是最大的。我们发现,在正确的选材下,材料的最大抗拉强度可达20MPa,平均拉伸应变达到8%,最大拉伸应变达到12%以上,变形能力是原世界最高水平的2倍左右,这是有史以来第一次混凝土材料的变形能力达到了建筑钢材的水平。我们将这个材料命名为Ultra-high ductile cementitious composites (UHDCC)。”余江滔介绍说:“有趣的是,我们用的聚乙烯纤维的变形能力仍然为3%,但与猪队友组合后,材料的变形能力甚至超过了10%,实现了1+0>>1,逆袭了神组合。


超高延性纤维混凝土(UHDCC)


“我们的设计方法还具有普适性。”余江滔说:“采用我们的纤维增强方法,超早强的硫铝酸基混凝土、强粘结力的氯氧镁基混凝土、装饰性的石膏、海水海砂混凝土、比水轻的泡沫混凝土等等脆性材料都变得可以象钢材一样拉长和弯曲。”


当混凝土离开钢筋


具备钢材变形能力的混凝土具有广阔的应用前景,目前比较切实的应用是钢桥面的铺装、桥面连续构造和预制构件的联接。余江滔说:“但我们始终将无筋建造视为终极梦想”。


“我们进行了无筋的UHDCC梁和柱试验,发现其承载力和延性与正常配筋的混凝土梁、柱相差无几,说明材料具有无筋建造的潜质,但我们仍期待最严苛的考验。一个建筑物经历的最大考验,是千年一遇的超级地震,那是真正的试金石。世界上的超高性能混凝土很多,但敢于不配筋接受这种考验的材料一个也没有”。余江滔想了想说。


“UHDCC高”柱与普通混凝土柱破坏模式对比


考虑到历次地震中,框架房屋比较容易发生倒塌,余江滔及其团队用UHDCC建造了一个两层楼面的框架房屋,同时还建造了一个普通钢筋混凝土框架与之对比。他们将框架安装在同济大学土木工程防灾国家重点试验室的4m×4m的振动台上,选取了美国El centro波、日本Kobe波和上海人工波三种地震波,让框架经历从7.5度多遇到9度罕遇地震。


四川是个多地震省份,四川省绝大多数地区的抗震设防烈度也不过8度而已,中国只有极少数地区的设防烈度达到9度,而罕遇地震属2475年一遇的地震,不折不扣的千年等一回。完全不配筋的房屋经历这样级别的地震,其挑战性可想而知。试验前,余江滔及其团队完全不知道框架能否坚持到最后,唯一的支撑来自于对材料的信任。


普通RC框架的振动台试验(地震)


UHDCC框架的振动台试验


“和钢筋混凝土框架相似,我们的无筋框架在不断增强的地震中摇摆。但是无论怎么样的惊涛骇浪,它都举重若轻地承受下来。从外观看,即没有多少残余变形,也没有明显的破坏,给人的感觉是‘轻舟已过万重山’”。据余江滔介绍,无筋框架体现出了许多令人惊喜的地方,比如说耗能能力强,地震放大效应小等。无筋框架达到了“小震不坏、中震可修、大震不倒”, 甚至 “巨震不倒”的水平。就这样,无筋建造的可能性被验证了。


“钢筋混凝土已经如此成熟、且物美价廉,你还费心研究这种既麻烦又昂贵的材料干什么?”余江滔经常会遇到这样的问题。他的回答睿智而冷静:“几百年前,法拉第也遇到过类似的问题。法拉第发现电磁感应之初,有人质问,这有什么用处呢?法拉第的回答是:一个新生的婴儿有什么用处呢?不是吗?从眼前看,婴儿一点用也没有,既麻烦又花钱。但我们绝不会因此而放弃孩子,也不会怀疑他/她终将长大成人,我们总是希望孩子能成为法拉第或居里夫人,我想这就是答案吧。”


最全高性能纤维行业实名通讯录

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