钢铁的强化是现代建筑中的基础材料,直接解决了该行业最紧迫的两个挑战:废物产生和材料足迹。 通过使结构能够以原材料显著减少的方式取得优异的性能,钢铁的强化为更可持续的建筑实践提供了一条实用的道路。 本条探讨了这一技术如何减少建筑浪费、降低环境影响和支持全球向资源效率高的基础设施转变。

钢铁是什么?

预压钢由混凝土放置前后的高强度钢丝、钢筋或导线组成,以诱导压缩负载。两种主要方法是[]预压[(在混凝土铸造前加压,典型为预铸元素)和[后加压[](在混凝土硬度后加压,常用于铸造内结构)。钢的产量一般为1,860兆帕或更高,远远超过常规加固钢。 这允许工程师设计更薄、宽的结构成员,使用混凝土和钢的整体含量较低。

对于深入的技术概述,美国混凝土研究所就预设混凝土设计和材料规格提供了详细的指导方针.

预先加固钢铁如何减少建筑废物

通过优化设计实现材料效率

与没有加固的混凝土相比,加固的固定成员需要的混凝土和常规加固的强度分别减少30-40%和50 % 。 这一减少直接减少了制造、运输和安装过程中产生的废物数量。 比如,加固后的平板可以达到20米长,厚度只有200-250毫米,而同样长度的混凝土板则要厚一倍多,要求的材料要多得多,产生的比例更宽的断层和剩余。

精密制造消除现场调整

预制预置部件,如梁、桥架和双层板,被铸在受控制的工厂环境中,以精确度。 硬耐受度(通常为±3毫米)消除了现场切割、钻探或磨磨造成传统建筑废物的需要。 工厂生产也允许优化形式工程再利用,进一步减少临时工程中丢弃的材料。

根据预装/预装混凝土研究所,预装系统在生产中可以实现低于1%的废物因子,而铸造混凝土操作中经常看到的废物为5-10%.

延长寿命减少替换和修理废物

防腐蚀的钢在使用寿命期间保持压缩,防止抗拉强度裂缝使水、氯化物和其他侵略者穿透混凝土。 这种防腐蚀措施大大延长了结构的可用寿命 — — 通常超过75年,用于设计适当的预设桥梁和建筑物。 较长的服务间隔意味着在生命周期内减少修理周期和减少拆除废物。 在许多情况下,预设结构可以改造或重新使用,而不是拆除,避免产生数百万吨的碎片。

尽量减少形式和临时废物

租房后系统允许宽度较小,中间支撑较少,减少了所需制表、套期和假工的数量。 临时工程的每减少一次,就相当于木材、钢材和塑料废物较少,而这些废物本来会在施工后处理。 比如,在多层停车结构中,租房后板块可以消除扩建关节的需求,简化并消除联合材料废物。

减少废物以外的环境惠益

下体积碳和能量足迹

由于每单位结构容量使用混凝土和钢材较少,预压结构的碳含量大幅下降。 水泥生产约占全球二氧化碳排放量的8%;混凝土体积减少30%。 预压中使用的高强度钢材也要求材料较少,以达到同等强度 — — 单排压钢材可以取代几个常规的重压,节省钢材制造中的能源。 寿命周期评估表明预压混凝土结构可以比常规强化混凝土替代品减少20-35%的温室气体排放。

原材料开采量减少

大部分钢铁都使用钢铁。 每避免一吨混凝土,就意味着石灰岩、粘土、沙子和矿藏或采石量减少。 钢铁效率的提高将这一效益倍增:对于一个特定的结构项目来说,所需的钢铁总质量往往会下降40—60 % 。 这一减少会减少采矿对环境的破坏,包括破坏生境、用水和尾矿的产生。 世界钢协已经公布的数据显示,在建筑中使用高强度钢能将钢铁总消耗量降低10—30 % 。

减少运输排放和废物

轻量级长宽板块减少了向现场运送材料所需的卡车行驶次数,典型的预铸空心板块重量低于一个长度相等的固态钢筋混凝土板块,使每件货物可以运送更多的平方公尺的地板,减少交货意味着燃料燃烧减少,排放减少,同时减少单个材料运输产生的包装废物。

最大限度地减少废物的技术考虑

设计优化与高级分析

现代软件工具可以让工程师们优化外观和间距,在满足所有强度和偏移标准的同时将材料降到最低。 迭代设计过程可以在不损害安全的情况下将10-15 % 的 混凝土从一个成员身上修剪。 由于拥堵和可构造性限制,这种优化水平在常规加固下很少可行。

制造质量管制

工厂制造的预置部件在安装前要经过严格的钢质、斜拉强度和混凝土强度测试。 高精度降低了必须拒绝和更换的缺陷部件的风险,这是铸造厂建筑中常见的废物来源。 自动切线和强调还消除了导致材料过度使用的人工测量错误。

高效运输和安装

预制预置材料的设计是为了快速组装,通常使用起重机升降机而不是广泛的制表和脚手架,这样的速度可以减少材料在现场的时间,容易损坏或污染,而这是造成废物的常见原因,此外,现场材料运送较少意味着包装减少,剩余部分较少。

展示废物和脚印减少的应用程序

桥梁建设

使用预设的I-基底或箱盖的公路和铁路桥梁可以跨30-50米,并有浅深,将堤坝和支承工程降到最低。 与钢桥或常规混凝土桥相比,甲板面积每平方米的物质量减少25-40 % 。 减少的基底负荷也减少了码头和堆盖所需的混凝土量。

高丽商业和住宅建筑

高楼的排气后地板板为无柱空间提供了200—250毫米的排气板厚度,节省了建筑总高度的10—15%,减少了排气层、隔板和MEP物质浪费。 同样的排气后技术允许转移支架和长板屋顶的短棍,否则就需要大钢或混凝土路段。

停车结构和体育场

预设双层梁和空心板是停车场的标准,其跨度为15-20米,中间柱子很少。 这种布局减少了柱子和地基的数量,切割了混凝土和钢材。 体育场使用后加压的罐头,在没有重轨的情况下实现戏剧性的跨度 — — 与传统方法相比,钢材吨位减少了50%。

未来在钢铁和可持续性方面的趋势

超高压钢铁

高强度钢的强度超过2200兆帕,目前正在开发钢材级,进一步降低了所需电线的重量。 每公斤超高强度钢可以取代1.5-2公斤的常规钢线,直接减少材料足迹。 研究正在平衡电磁性和疲劳性能,但早期的实地测试显示桥面应用有希望。

再循环和循环经济潜力

预压钢在寿命结束时是100%可回收的。 现代的回收工艺通过压碎和磁分离从被拆除的预压钢筋中回收90%以上的钢材。 日益强调循环设计鼓励制造商在新的预压钢筋中指定回收内容。 欧洲的几家磨坊现在生产预压钢,回收投入为20-30%,在不损害质量的情况下减少原始材料需求。

生命周期优化数字监测

压抑后加压的电线上嵌入传感器可以实时监测压抑力和腐蚀活动。 早期发现损失可以指导定向修理而不是批发更换,延长服务寿命和防止过早拆除废物。 压抑结构的数码双胞胎可以预测维修,使材料使用时间更长。

结论

强化钢铁不仅仅是技术创新,而是实现建筑工业减少废物和可持续性目标的实用工具。 通过实现高材料效率的设计、精密制造和延长结构寿命,直接降低废物进入垃圾填埋场的数量,减少建筑和基础设施的内含能量。 由于项目所有人和承包商面临越来越大的压力,以尽量减少环境影响,采用强化技术是当今最有效的战略之一。 高强度合金、回收工艺和设计优化的持续进步将进一步加强其在建设资源效率高的建筑环境中的作用。