美國科學家研發高強度抗凍混凝土,300 次凍融循環後仍有效耐用

作者 | 發布日期 2020 年 05 月 30 日 10:36 | 分類 環境科學 , 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


以極地生物體內的抗凍蛋白為靈感,美國科羅拉多大學波德分校科學家研發出不怕凍融風化的高強度混凝土,可承受 300 次以上的凍融循環。

對於高緯度、寒冷容易下雪地方的居民來說,東西總是會因為不斷重複結冰融化而受損,其實混凝土也不例外,滲進混凝土內部的水結冰時,凝結的水分體積會逐漸膨脹,也就是所謂的凍脹(frost heave),經過無數次反覆的凍融循環後,會在混凝土上造成細微裂縫並不斷加深,為不可逆的永久傷害。

這種現象混凝土路面、橋梁都頗為常見,因此 1930 年代以來科學家為了避免這個狀況,會在混凝土中輸入超小氣泡、中斷連續的毛細孔隙,降低孔隙結冰膨脹的壓力,且氣泡也不能太大,若氣泡與氣泡之間的間距過大,會壓迫到孔隙內未結冰的水。

同時輸氣也要注意副作用,可能會有損混凝土的強度、提高滲透性,滲透性提高又可能會讓外在的鹽、其他化學物質滲進混凝土,導致其中的鋼退化,顯然這個方法要注意的要點滿多的,對此科羅拉多大學波德分校團隊想進一步簡化。

團隊從極地生物體內的天然防凍劑「抗凍蛋白」獲得靈感,這些多肽能與冰晶結合、以抑制冰晶生長,讓極地物種可以在零下溫度環境存活,只是我們沒辦法把這些蛋白質挪到混凝土使用,尤其混凝土 pH 值通常都超過 12,因此科學家決定用常見的聚合物聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)和聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)複製出相同功用的化合物。

若把 PEG-PVA 聚合物添進混凝土,可以將混凝土中的冰晶尺寸縮小 90%,根據團隊發表在《 Cell Reports Physical Science》的研究,實驗後發現,新型混凝土在 30 次凍融循環後不會剝落,300 次後仍有很高的抗「凍傷」優勢,強度也比輸入氣泡的混凝土還要高、滲透性也較低,因此有望提高混凝土在冬季的使用壽命。

現在團隊將繼續探索這項聚合物的可行性與經濟效益,希望 5-10 年後可以推出商業化添加劑,科羅拉多大學波德分校土木、環境和建築工程助理教授 Wil Srubar III 表示,雖然條路跟 70 多年來的技術不大一樣,但團隊認為,他們沒有走錯、更為全新添加劑技術開闢新的道路。

(首圖為對比圖,B 為添加聚合物的混凝土,來源:科羅拉多大學波德分校

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