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美国科学家研发高强度抗冻混凝土,300 次冻融循环后仍有效耐用

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以极地生物体内的抗冻蛋白为灵感,美国科罗拉多大学波德分校科学家研发出不怕冻融风化的高强度混凝土,可承受 300 次以上的冻融循环。

对于高纬度、寒冷容易下雪地方的居民来说,东西总是会因为不断重複结冰融化而受损,其实混凝土也不例外,渗进混凝土内部的水结冰时,凝结的水分体积会逐渐膨胀,也就是所谓的冻胀(frost heave),经过无数次反覆的冻融循环后,会在混凝土上造成细微裂缝并不断加深,为不可逆的永久伤害。

这种现象混凝土路面、桥梁都颇为常见,因此 1930 年代以来科学家为了避免这个状况,会在混凝土中输入超小气泡、中断连续的毛细孔隙,降低孔隙结冰膨胀的压力,且气泡也不能太大,若气泡与气泡之间的间距过大,会压迫到孔隙内未结冰的水。

同时输气也要注意副作用,可能会有损混凝土的强度、提高渗透性,渗透性提高又可能会让外在的盐、其他化学物质渗进混凝土,导致其中的钢退化,显然这个方法要注意的要点满多的,对此科罗拉多大学波德分校团队想进一步简化。

团队从极地生物体内的天然防冻剂「抗冻蛋白」获得灵感,这些多肽能与冰晶结合、以抑制冰晶生长,让极地物种可以在零下温度环境存活,只是我们没办法把这些蛋白质挪到混凝土使用,尤其混凝土 pH 值通常都超过 12,因此科学家决定用常见的聚合物聚乙烯醇(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 聚合物添进混凝土,可以将混凝土中的冰晶尺寸缩小 90%,根据团队发表在《 Cell Reports Physical Science》的研究,实验后发现,新型混凝土在 30 次冻融循环后不会剥落,300 次后仍有很高的抗「冻伤」优势,强度也比输入气泡的混凝土还要高、渗透性也较低,因此有望提高混凝土在冬季的使用寿命。

现在团队将继续探索这项聚合物的可行性与经济效益,希望 5-10 年后可以推出商业化添加剂,科罗拉多大学波德分校土木、环境和建筑工程助理教授 Wil Srubar III 表示,虽然条路跟 70 多年来的技术不大一样,但团队认为,他们没有走错、更为全新添加剂技术开闢新的道路。

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