חידושים חומריים להפצת הרחבה הירומית בתשתיות אזרחיות

מן הגשרים המוקדמים ועד לשחקים מודרניים, כל מבנה אזרחי סובל מחזור יומי של חימום וקירור.שמש מחמם פני השטח רחבים במהלך היום; בלילה, אובדן חום מהיר יוצר התכווצות. זה דחיפה קבועה ומושך עשוי להיות בלתי נראה כדי לעבור צורה של תחזוקה פנימית, אבל הלחץ הפנימי הוא מייצר הם עצומים.

הקונכוסים הקריטיים של התרחבות הירומית

המקדם של התרחבות תרמית (CTE) משווה כמה חומר גדל או מתכווץ לדרגה Celsius. במרכיבים קטנים, הרחבה זו היא רשלנית, אבל בגשרים ארוכים, מחוזק מתמיד סולמות, או קירות סכרים מסיביים, שינויים תלת מימדיים מצטברים הופכים משמעותיים מבחינה מבנית. A 100 מטר פלדה גלדר נתון ל 40 מעלות צלזיוס מתפתל על ידי בערך 48 מ"ר פנימי, לעתים קרובות, 000 חזק יותר, 000, 000, 000 חזק יותר, 000 חזק, 000, 000 חזק יותר, 000 חזק יותר, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק יותר, 000 חזק יותר, 000 חזק יותר, 000 חזק יותר, 000 חזק יותר, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק יותר, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק יותר, 000 חזק, 000 חזק יותר, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק יותר, 000 חזק יותר, 000 חזק יותר, 000 חזק יותר, 000 חזק יותר, 000 חזק יותר, 000 חזק יותר, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק יותר, 000 חזק, 000 חזק יותר, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק יותר, 000 חזק,

הסדקים האלה הם יותר מקוסמטיים.הם נותנים למים ולמלחים מתפתלים להגיע לגירודנות, מאיצה את קורוזיון.מפרקים של התרחבות שנועדו לספוג תנועה לפני זמן רב, מה שמוביל לדליפה מים והתנחלויות שונות. תחזוקת מחזורים, תוך צמצום עלויות כבדות על מחלקות תחבורה ובעלי אקלים יעילים יותר מגביר את הבעיה: גלי חום תכופים תכופים יותר רחבים וטווחי טמפרטורה אחיד יותר מאשר מגבלות עיצוביות גבוהות יותר.

שקול את הדוגמה של מדרכות בטון מתחזקות (CRCP) במערב התיכון האמריקאי.הזחלות האלה, לעתים קרובות 200 מטרים או יותר, ניסיון תנודות טמפרטורה שנתית של 60 מעלות צלזיוס או יותר.ללא שיפור פלדה נאותה, סדקים טרנסנדנדנדים הופכים חמורים, הדורשים החלפת סלאב יקר.המנהל הכביש הפדרלי מדווח כי חשבונות הקשורים תרמי עבור בערך שליש מכל עלויות הריצוף הבטון, בדומה לאזורים של ארה"ב, לעתים לא נועדו למחזורים מלאים של מחזורים של מחזורים של מחזורים של מחזורים של מחזורים של מחזורים של מחזורים של מחזורים של מחזורים בדרום-מערביים, כמו למשל, כמו למשל, כמו למשל, כמו גם של מחזורים מורכבים של מחזורים מורכבים של מחזורים מורכבים של מחזורים מורכבים של מחזורים לא סדירים של מחזורים לא סדירים של מחזורים של מחזורים של מחזורים של מחזורים של מחזורים של מחזורים של מחזורים של מחזורים של צפון-מערביים, כגון מחזורים של מחזורים של מחזורים של מחזורים של מחזורים של מחזורים של מחזורים של לחץ דם, אם לא סדירים של מחזורים של לחץ דם, כמו למשל, כמו למשל, כגון לחץ דם, אם לא סדירים של מחזורים של מחזורים של

המונחים: low-Expansion Concrete Formulations

בטון קונבנציונלי מציג CTE בין 8 ל 12 מיקרו-אימון ברמה Celsius, נשלט בעיקר על ידי סוג מצטבר ו porosity. Limestone ו granites מסוימים לדחוף את הערך נמוך יותר, בעוד מצטברים עשירי quartz להעלות אותו.חוקרים עברו מעבר מבחר מצטבר של מערכות מפרש אשר להפחית את התרומה של פסטה להתרחבות.

Cementitious Composites (ECC)

ECC, המכונה לעתים קרובות בטון bendable, מייצג קפיצה גדולה.פוליוויניל בקנה מידה מיקרוניאל אלכוהול או סיבים פוליפרופילן להפיץ microcracks לרשת צפופה של סדקים שיער במקום לאפשר סדק רחב אחד.זה זן-קשה התנהגות, בשילוב עם אופטימיזציה של כימיה DCMlay גשר, מתעתקת את ההתרחבות התרמית האפקטיבית של ECC יכול להתאים זנים תרמיים ללא יכולת עומסי מופחתת של שדהCC חריפה יותר, לאחר ירידה חדה של 2.

Polymer-Modified Concrete

הוספת טקסט או פולימרים אקריליים לקושר יוצרת סרט פולימרי כי מעילים מצטברים ומלא pores. זה מקטין ספיגה מים ביעילות מוריד את CTE המורכב על ידי גישור microcracks. Trials במזרח התיכון, שבו טמפרטורות היום יכול להתנדנד יותר מ -30 מעלות צלזיוס, להוכיח כי גשרים ממונעים בגודל פולימרני חווים באופן משמעותי פחות דחוס משטחים ודחוסים מאשר ניתוחי לחץ ראשוני של זמן קצר יותר מאשר ניתוחי לחץ על ידי ניתוחי לחץ דם גבוה יותר מאשר על ידי ניתוחי לחץ דם גבוה יותר מאשר על ידי ניתוחי חירום.

תכנון פנימי ושרינקאז'-Compensating Concretes

סדקים חמים לעתים קרובות ללכת יד ביד עם התכווצות יבשה, המורכב מצב הלחץ. Internal רפלקציה באמצעות ריצות קל משקל לפני כל כך מקובעים פולימרים סופרבונט משחרר מים לאט, שמירה על לחות גבוהה יחסית בתוך הדבק במהלך תקופת ההחלמה המוקדמת.זה מפחית גם קצבה אוטומטית וייבוש, ומאפשר את הבטון להתנגד טוב יותר התכווצות תרמי.

Shape Memory Alloys for Active Thermal control

Shape memoryסגסוגתs (SMAs) יכול לשחזר עיוותים גדולים כאשר מחומם מעל טמפרטורת מעבר קריטית. Nitinol (ניקל-titanium) הוא הנפוץ ביותר עבור יישומים אזרחיים.כאשר מוטבע בטון או בשימוש כמו טרמפנטים, SMAs פשטות הדוקות באופן פרואקטיבי על ידי קידוקציות תרמיים, שלב של ⁇ יכול להיות מכוון ללחץ דחוס על הטמפרטורות סביבות כמו עלייה, לחץ, 000, 000, 000, 000 נראה כמו גם על ידי כוחות הגנה, 000 או לחץ חשמלי, 000, 000.

סגסוגת זיכרון בצורת ברזל (Fe-SMAs) התפתחה כאלטרנטיבה יעילה, המציעה מתחים דומים עם עיבוד פלדה קונבנציונלי.חוקרים ב Empa, המעבדות הפדרליות השוויצריות, השתמשו בפסים Fe-SMA כדי לחזק את השדות הבטון המשתנים מעייפות תרמית.הפסים הם גם מאומנים ומעוגן; כאשר המבנה מאוחר יותר חום, הפסים מנסים להתאים את עצמם, החל מתכונות טיפוליות חיוניות של ALT-F:

ביפן, Fe-SMAs כבר נבדק שדה כמו חיזוק יישומים רטרופיט סיסמיים.היכולת של ⁇ ליישם מתח התאוששות לאחר הפעלה עוזרת לשלוט רוחבי סדק במהלך אירועים תרמיים וססמית גדולים.האגודה היפנית של מהנדסים אזרחיים מפתחת הנחיות עיצוב עבור SMA-reinforceed בטון, עם המלצות לפרוטוקולים הפעלה תרמיים המונעים על פני המחקר הנוכחי סביב ממטריקס.

התאמות היברידיות עם CTE

סיבים-reinforced פולימר (FRP) מורכב, במיוחד פחמן-פיבר (CFRP) וציר זכוכית-פיבר (GFRP), מאפשרים למהנדסים להתאים CTE על ידי התאמת כיוון סיבים ושבריר נפח. CFRP יכול להיות קרוב ל- CTE או CTE שלילי לאורך כיוון הסיבים, אך לא יקרווג בסביבות קונקרטיות יותר.

ה-FRP-concrete Bridge ערכות צוברות מערכתיות.גשר מיל המערבי בבריטניה השתמש לוחות הסיפון GFRP עם ציפוי קונקרטי, להפגין תאימות תרמית מעולה וצמצום עומס מתים.מערכות אלה מאפשרות מפרקי הרחבה קטנים יותר, לפעמים ביטול מפרקי סיפון ברמת לחלוטין.המנהל הפדרלי פרסם הנחיות עיצוב והנתונים על מבנים קונקרטיים של FRP, המדגישים את הפוטנציאל שלהם בהקפאת מידע חיצוני, מעבר לכיסוי חיצוני של 1.

בסאלט סיבים-reinforced פולימר (BFRP) הוא חלופה מתעוררת עם עלות ביניים וביצועים תרמיים. BFRP יש CTE של כ 10 × 10-6/ ° C, התאמה הדוקה של בטון, תוך מתן התנגדות אלקאלי מעולה. ניסויים שדה על הסיפון גשר קונקרטי בנורווגיה הראו כי BFRP מבטל סדקים תרמיים בסיבים, שבו חיזוק פלדה לעתים קרובות גורם לחץ מקומי עקב טווחי אקלים סבירים עבור סוגים רבים של פתרון הסתברות גבוהה של פתרון כלכלי מתאים ביותר.

Thermal Coatings and Phase-change Materials

במקום לשנות את ה- CTE החומרי, גישה אחרת מנהלת את הטמפרטורה שהיא חווה. ציפויים תרמיים בעלי ביצועים גבוהים משקפים קרינה סולארית פולטים חום במהירות, שמירה על ציפויים תת-קרקעיים. Cool סלמנט, בהתבסס על acrylic או epoxy נקשרים עם פיגמנטים רפלקטיביים, יכול להפחית את הטמפרטורות על פני השטח עד 10-15 מעלות צלזיוס.

עבור מבנים פלדה, מחסומים מבוססי קרמיקה לשמש הגנה כפולה אש ותפקידים ניהול תרמיים. פורמולות חדשות לשלב חומרים שינוי שלב (PCMs) סופג חום סמוי במהלך היום, צמצום טמפרטורות שיא, ושחרורו בלילה. מחקרים מראים כי PCM-enhanced ציפויים יכול להפחית שינויים טמפרטורה ניכרת בגני פלדה על ידי יותר מ -30%, צמצום עומסי העייפות משמעותית בקשרים סולאריים במיוחד.

מחשבי PCMs המבוססים על Paraffin שנכללו במיקרו-capsules משולבים בפרסומות קונקרטיות.כאשר עליית טמפרטורות מסובכות, PCM נמס, סופג אנרגיה ואט את העלייה בטמפרטורה בתוך המסה הבטונית.זה מעכב את המתח התרמי הפסגות ומפחית את הלחץ המקסימלי של מהנדסי הפיתוח של ארה"ב העריך את ה-PC-inated בטון עבור סולמות אוויר דומות לכדי ירידה של 25% מתחנות רדיו.

מנגנונים עצמיים ל-Thermal Cracking

אפילו עם חומרים נמוכים-CTE, חלק מהמיקרו-מצר הוא בלתי נמנע.המנגנוני הפחתת העצמי סוגרים את הלולאה.החומרה של העצמי הביולוגית משלבת חיידקים רדום כמו FLT:0Bacillus subtilisFLT:1 ומקור תזונתי.כאשר סגרו את הטופס והמים של הולנד, החיידק מפעיל, ומייצר קת כי הוא יעיל במיוחד עבור תרופות רחץ מהיר יותר, אשר מונעות של פחמן מהיר יותר, כאשר הוא מכילות של פחמן דו-חמצני, כלומר, כאשר הוא מכיל את התרופה, כלומר, במהירות, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, במהירות, כאשר הוא מכיל את הפחתת כמות מספקת של 0.8 פתורים את הפחתת כמות המים של 0.

אדמיקסרים קריסטל מציעים מסלול ריפוי לא אורגני.כימיקלים אלה מגיבים עם מים ומלט לחות כדי ליצור גבישים דמוי מחט כי למלא נקבובים ומיקרו-צריפים.הם נשארים רדום עד למים חודרים סדק, ואז צמיחה גבישית מגיבה, מתן חיתולים קבועים.זה יעיל במיוחד עבור מבנים מחוסמים מים כמו מאגרים והיכן דליפה מוגברת הוא כרוני.

סוג אחר של גישות הסתמכות עצמית מסתמך על סוכני ריפוי מלוכדים. Polyurethane או epoxy-מלאים microcapsules מפוזרים במריצה קונקרטית.כאשר סדקים פורצים ומפרקים קפסולה, פעולה capillary שואבת את הסוכן הריפוי לתוך הסדקים, שבו הוא מרפא ומאג"ח את פני האוניברסיטה Purdue פיתחה מערכות כפולקוות כי שחרור סנטימטרים כדי לפתח רוחב עונתי של 0.5 מ"מ מתאים כדי להפעיל אותם באופן עצמאי.

NNOmaterials for Precision Thermal Management

ננוטכנולוגיה היא מחדש של מדפים מבוססי מלט.ננו-סיליקה, צינורות פחמן (CNTs), ו-Granene oxide לחדד את המבנה הנקבובי של פס מלט קשיח ושיפור תכונות מכניות.אפקט שלהם על הרחבה תרמית הוא משמעותי באותה מידה. על ידי חיזוק הג'ל הסידן-שיאט-שיאט-hydrate-hydrate-hydrate-hydrate-hydrate ואת אזור המעבר הבין-גזעי, ננו-חומרים אלה להפחית היווצרות מיקרו-גזעית אשר תורמת למבנה פנימי של חלקיקים ה-מפרקים ה-מפרקים ה-מפרק-מפרקים ה-מפרק-מפרקים ה-מפרק-מפרק-מפרקסים שתורמים למבניים ה-מפרקגניים התורמים לכדי חלקיקים שתורמים לכדי קומפלקסים שתורמים לכדי קומפלקסים-מחדשניים ה-קוגניים שתורמים לכדי מפוזרים יותר.

(הופנה מהדף ננו-בוטיקים, עם נוקשות גבוהה ויחס היבט, פועלים כ-micro-reinforcement שצומחת nano-cracks.com, מחקר עדכני ב-FLT:0Cement ו- Concrete ResearchFLT:1 מעיד על CNT-cement Complexs יכול להציג הפחתה של עד 15% בהשוואה ל-Fateline, בהתאם ליכולת גבוהה יותר של סדקים שנצפת באמצעות קרינת אלקטרו-FD.

ננולוז, שמקורם בסיבים צמחיים, צמח כחלופה יעילה ל nanomaterials מבוססי פחמן. Microfibrillated cellulose (MFC) מהווה רשת צפופה במשטח הבטא המפחיתה את התכווצות יבשה ומספקת סדקים בקנה מידה התת-מילימטרי גם מראה כי 0.1% מ-FC על ידי מסה נמוך יותר CTE של מרגמה על ידי 8-10%, בעוד שמתחם גדל כוח המשיכה של החוזק של הגדל של המידות של המידות.

4D הדפסה וחומרים סטנדרטיים

הגבול בין חדשנות חומרית ועיצוב מבני הוא מטושטש.ד הדפסה 4D - אובייקטים מודפסים 3D שמשתנים צורה לאורך זמן בתגובה לגירויים - מבטיח ניהול תרמי.על ידי הדפסה אלמנטים קונקרטיים עם סיבים SMA משובצים או מרוקדים מעוכבים עם CTE שונה, רכיבים יכולים להתאים באופן פסיבי את צורתם או מצב הלחץ הפנימי שלהם כמו טמפרטורות.דמיין גשר שונה כי מזווית במהלך גלי חום כדי לפצות על אדים של חומרים קצרים של סיבית או מקודמת חום כדי להרחיב את ה-עצמית חום, אשר מבוססים על ריכוזי תיבות של דחוסים קצרים.

חומרים ממושמעים פונקציונליים (FGMs) הם דרך מבטיחה אחרת. a הבטון בטון יכול להיות CTE כי גולשים מן הליבה כדי למזער מתחים תרמיים של רינגיבי ייצור של חומרים מלטיים (3D הדפסה קונקרטית) הופך אותו אפשרי להפקיד שכבות עם סוגים שונים של מצטברים וסיבים, המאפשר פרופילים מותאמים על פני אלמנט יחיד.

מה שנקרא "דקדקן 4D" המשלב הידרוג'ל או סוכני נפיחות אחרים נחקר עבור ריצוף פעיל חותמת. כאשר רכיב מודפס חווה אירוע תרמי שנפתח סדק, חלקיקים מוטבעים swell, מילוי הריק. נפיחות זו נפיחות הפוכה יכול להכיל מחזורים חוזרים ללא נזק קבוע מעבדה בדיקות מצביעים על סגירת בתוך דקות של לחות, מה שהופך את הטכנולוגיה הזו אטרקטיבית לתשתיות תת-קרקעיות שבו ⁇ תרמיים נוכחים.

בדיקות וסטנדרטים עבור חומרים מתקדמים

אימוץ של חומרים חדשניים דורש שיטות בדיקה מאומתות וקודים עיצוביים. ASTM E289 ו-AASHTO T 336 סטנדרטיזציה CTE בדיקות עבור קונקרטי, אבל סיבים-reinforced, self-healing, וחומרים מורכבים דורשים שיטות מתוחכמות יותר ללכוד תכונות כיוון ואפקטים תלויים בזמן.תאים תרמיים בקנה מידה מלא כי כפופים אלמנטים לגשר על מחזורים ריאליים מציאותיים, בעוד ניטור הפך חיוני בדיקות כאלה במרכז טרנר נמוך של 40-F-CTE יכול לעמוד בטעימים של טעינה של מערכות אבטחה נמוכה.

מפרטים המבוססים על ביצועים מחליפים מספר מסוים של מחזורים תרמיים עם רוחב סדק מתחת לסף, זה פותח את הדלת לפתרונות חומריים חדשניים שאומתו באמצעות בדיקות מוכרות. מהנדסים עשויים גם להסתמך על מודל סופי של הפיכה תרמי, hygral, ואנליזה מכנית כדי לחזות התנהגות לאורך עשרות שנים של שירות.

הוועדה הטכנית RILEM 260-RSC פיתחה המלצות לאופי יכולת ההשבחה של חומרים מלטיים תחת רכיבה תרמית.פרוטוקולים סטנדרטיים של בדיקות סטנדרטיות כוללים טעינה תרמית מחזורית בשילוב עם מדידות של מים תקופתיים כדי לכמת יעילות הריפוי. בדומה, הוועדה האמריקנית לקוננקט 544 מעדכנת את ההנחיות שלה על גבי סיבים-reinforceed קונקרטיים כדי לכלול הוראות עייפות תרמית עבור מהנדסים מתקדמים וספק סטנדרטים מאובטחים מתקדמים.

יתרונות כלכליים וסביבתיים

פרמיה העלות של חומרים בעלי משקל נמוך מתקדם לעתים קרובות מתבטלת על ידי חיי שירות מורחבים ולהפחית את ניתוחי העלות מחזור חיים על ידי חיל האוויר של צבא ארה"ב של מהנדסים מראה כי החלפת מפרקי פלדה מסורתיים עם סלאבים קישורי ECC יכול להניב ירידה של 30–40% בעלויות מחזור חיים של 100 שנים, בעיקר על ידי ביטול של החלפת מפרקים ותיקון.

סביבה, תשתיות ארוכות טווח להפחית את טביעת הרגל פחמן מגולמת של שיקום חוזר. אסטרטגיות רבות נמוכות CTE גם לחתוך לטווח קצר פליטות CO2. גבוה עף אsh ו slag בטון להפחית את השימוש מלט של הנמללנד, ישירות להפחית גזי חממה מ ⁇ .

הערכה מחזור חיים (LCA) מחקרים השוואת ריצוף בטון קונבנציונלי ונמוך של CTE מעידים כי האנרגיה הייצור הנוספת של ECC או בטון ממונע פולימר הוא משוחרר בתוך 15-20 שנים באמצעות מרווחי תחזוקה מופחתים ורווחים ארוכים יותר של שירות.לדוגמה, LCA של קישורים ECC עבור גשר כביש מהיר במישיגן הראה ירידה של 35% בהתחממות הגלובלית לאורך תקופה של 100 שנים, למרות פליטות גבוהות יותר מקצבי חשמל, בהשוואה ל 10 שעות.

שמירה על הרדלים והכביש

למרות התקדמות משמעותית, מחסומים נשארים.ארוכת זמן ארוכה של ננו-חומרים תחת חשיפה של UV ולחות בעולם האמיתי צריכים חקירה נוספת.שרשראות אספקה עבור SMAs ו-CRP באיכות גבוהה אינם בוגרים כמו פלדה קונבנציונלית, המוביל לתנודתיות מחירים. צוותי בנייה זקוקים לאימון ולעתים גם ציוד מיוחד. קונבנציונאלי מתודולוגיה הם חד-משמעיים, איטיים של אימוץ נרחב של שמירה על תשתיות ההזדקנות תחת שינויי אקלים, אך לא יגבירו את הפרמטרים של הנדסה דיגיטלית, אלא גם לא רק כדי למנוע את תהליכי הנדסה מתקדמת, אלא גם את תהליכי ייצור חומרים מתקדמים, אלא גם את תהליכי הנדסה מתקדמת, אלא גם את תהליכי פיתוח, אלא גם את תהליכי הנדסה דיגיטלית, אלא גם את תהליכי פיתוח.

גבולות מחקר כוללים את הפיתוח של מערכות חומר היברידיות המשלבות מנגנונים מרובים ברכיב יחיד - לדוגמה, בטון עם סיבים SMA משובצים ו קפסולות של עצמו כי להפעיל באופן משמעותי. אינטליגנציה מלאכותית ולמידה מכונה משמשים כדי לייעל יצירות חומריות ולנבא התנהגות תרמית ארוכת טווח.עשר השנים הבאות מבטיח לראות את הטכנולוגיות הללו מעבר ממעבדה לשדה בקצב מאיץ, על ידי צורך לוגיקה כלכלית ולוגיקה.