科学家找到新预应力技术：让混凝土更轻更环保

提高混凝土强度和耐久性的方法之一是在浇筑前加入拉伸钢筋，然后在混凝土凝固时抽出钢筋以压缩材料。不过现在科学家找到了新的预应力（pre-stressing）技术，在不牺牲强度的情况下让混凝土更轻，而且还能缓解碳排放。

作为世界上最常用的建筑材料，混凝土的碳足迹是巨大的，每年生产的数十亿吨混凝土需要大量的能源。为此，世界各地的科学家都在寻求调整生产工艺，使其更加环保，即使是很小的改进也可能产生很大的影响。

目前预应力技术主要用于那些需要承受特别高荷载（例如梁或者桥）的混凝土材料，受拉钢筋产生的力从内部压缩材料。但这项技术的一个缺点就是容易被腐蚀，这意味着在它们周围浇筑的混凝土需要有一定的厚度，并采用碳纤维增强聚合物（CFRP）制成替代具有抗腐蚀能力的钢筋。

但是，使用 CFRP 作为肌腱涉及到昂贵的设备，而且将它们锚定在构件的两端要复杂的工艺。这一点，再加上它们也有其局限性，这意味着预应力CFRP增强混凝土的使用并不像通过钢筋的那样广泛。

瑞士联邦材料科学与技术实验室（EMPA）的科研团队找到了新的突破口，为CFRP加固混凝土开发了一种特殊的配方，使其在硬化时膨胀。这意味着不需要锚定和拉伸钢筋，因为材料在硬化时自己就会膨胀。肌腱就会永久地保持这种状态，对混凝土施加反力，产生压应力。

该项目成员 Mateusz Wyrzykowski 博士表示：“如果你想为了能够建造更薄的结构，更高的承重能力而对这些CFRP加固材料进行预应力，你就会达到你的极限。这就像一个人在手臂上缠上一根橡皮筋 并试图拉伸它们，橡皮筋将处于紧张状态， 而一个人的手臂将经历橡皮筋的压缩，按照类比，这样的机制会让膨胀的混凝土经历压缩。”

这为更精益的混凝土构件打开了一扇门，提供了巨大的强度，团队的测试显示，自应力材料可以承受与传统预应力混凝土相当的荷载，比非预应力CFRP混凝土构件高出约三倍。

"我们的技术为轻质建筑开辟了全新的可能性，"Wyrzykowski说。"我们不仅可以建造更稳定的结构，还可以大大减少材料的使用量。我们可以很容易地同时在几个方向上进行预应力，例如用于薄混凝土板或棱形曲线混凝土外壳。"