打破常规自我修复技术如何革新建筑

发表于四月通过生产厂家

自愈市场是推动技术发展的动力,但生产这种材料的公司很少。剑桥大学工程系的LíviaRibeiro de Souza博士领导的工作旨在改变罗里·巴特勒(Rory Butler)的报告

基础设施的自我修复确实很吸引人。如果有一种方法可以研究如何使基础设施的使用寿命更长或不需要外部干预进行维修,这对我来说是一个好主意,当我们考虑二氧化碳排放时水泥生产几乎是所有CO释放的原因

Ribeiro de Souza博士

Ribeiro de Souza博士获得了“科学无国界”奖学金,并开始从事材料寿命由工程与物理科学研究委员会EPSRC资助的项目,旨在研究微流体如何生产胶凝材料中用于自我修复的微胶囊

在EPSRC资助的一个新项目中,Resilient Materials Life RM L的目标是创造出能够适应其环境的材料,从而开发出对有害行为的免疫力,自我诊断恶化的情况并在受损时自愈

最终目标是仿生建筑材料的多尺度损伤抗扰性

Ribeiro de Souza非常适合进行这项研究。她在巴西米纳斯吉拉斯州联邦大学读化学专业,然后在特森洛贾核技术中心获得矿物科学和技术硕士学位。


从左至右Regeane Bagonyi博士Abir Al Tabbaa教授LíviaRibeiro de Souza博士和Chrysoula Litina博士是在RM L项目中工作的剑桥团队的成员


开发自愈材料的RM L研究遍布英国四所大学的联合体Cambridge Bath Bradford和Cardiff

财团正在研究的延长建筑材料生命周期的一种方法是生产微胶囊形状记忆聚合物记住形状和用途的聚合物

微胶囊

预计会出现基础设施的裂缝,并且水泥必须能够承受一定程度的应力。但是,在一定尺寸下,水泥中的裂缝会允许有足够的水和污染物,从而成为导致钢筋钢筋锈蚀的问题,加剧了钢筋的劣化

Ribeiro de Souza博士说,混凝土具有很好的抗压强度,但没有很好的抗拉强度。

在生产阶段,将大学财团的微胶囊技术添加到水泥中,释放出一种治愈剂,当基础设施发生重大断裂时会触发该治愈剂

这篇文章首次出现在《制造商》杂志3月4月号点击这里订阅

首先驱动微胶囊概念的一个问题是如何保持愈合剂为非活性,直到形成裂纹

通过封装治疗剂(在这种情况下可以是矿物质,例如硅酸钠或胶体二氧化硅)或聚合物(例如环氧树脂或聚氨酯)或细菌,我们可以存储治疗剂,直到需要细菌为止,因为细菌会产生大量钙,因此非常有趣如果有足够的有机底物,碳酸盐

然后,当出现裂缝时,微胶囊会破裂,释放出愈合剂,并开始愈合过程。在制造阶段,将这些微胶囊与水泥砂和水混合也非常容易

过程

使用微胶囊的第一步是在实验室或与他们的商业伙伴合作开发这种材料,然后对该材料进行全面表征,以研究核壳结构的稳定性和壳的渗透性


自我修复技术使用微流控技术制造的微胶囊,用于生产自我修复系统。图片来自https doi org j conbuildmat

使用微流控技术制造的微胶囊,用于生产自愈系统信用


通过将微胶囊嵌入水泥基中,研究团队可以研究基质与胶囊之间的相互作用,并观察到了释放治疗剂的触发机制。

最后,根据机械性能和运输性能的恢复情况进行自我修复性能评估,包括拉伸和压缩应力,透气性,吸收能力,通过毛细作用和裂纹闭合吸收或解吸液体的能力。

生命周期

她解释说,预测基础架构的生命周期是一个重要的问题,我们仍然没有明确的答案,因为涉及的因素很多

当然,我们正在考虑提高建筑物的生命周期,但同时也要降低所涉及的维护水平,我认为我的说法是正确的英国基础设施投资的大部分资金直接或间接地集中在其维修和保养上


混凝土建筑工人库存图像


由于水泥和混凝土的碱性环境恶劣,财团还必须考虑微囊的保质期及其渗透性。在实验室中,他们使用膜乳化和微流控技术来研究微囊的性能。

对于微胶囊来说,在混凝土的制造和混合过程中生存至关重要,并且没有任何东西会与芯发生反应,因此,芯或愈合剂的稳定性也非常重要。

商业伙伴关系

英国首次对自修复混凝土进行现场试验,包括在南威尔士州的Abergavenny现场建造包含微囊细菌形状记忆聚合物和流动网络技术的面板

微胶囊在自愈混凝土中的首次商业应用是在剑桥大学新的土木工程大楼的外部楼板建造中进行的

多家工业制造商一直在帮助该财团开发该技术,包括合作伙伴生产胶囊胶凝系统石墨烯和建筑化学品的生产

另外承办商,例如Costain见文章末尾的方框有兴趣在自己的建筑工地和制造工厂试用该产品


建筑高层建筑库存图像


Ribeiro de Souza告诉生产厂家财团的一个里程碑是解决制造难题,以便他们可以专注于扩大流程和现场试验

如果我们考虑到在日常施工方案中制造和使用的混凝土的绝对数量,我们正在谈论的是制造业价值链的急剧变化,她解释说。

提出需要封装的产品,无论是液体还是固体,对于生产微胶囊都是必不可少的,以实现长期的自愈基础设施

当我想到这种产品对建筑行业的影响时,通常非常非常有弹性,并且对新产品有一定的抵抗力,这激发了我的兴趣,她说

因此,就商业影响而言,这是对话中非常重要的一个方面,但同时也涉及制造行业在基础设施和封装方面的变化,我认为这将是巨大的影响,并有可能创造一个新市场

未来

Ribeiro de Souza告诉生产厂家自愈市场是推动技术发展的动力,但生产这种材料的公司很少

在欧洲,南美,北美和亚洲可以找到几个研究小组,但只有一个独立的委托机构。她补充说,从实验室研究到制造的过渡以及行业合作伙伴的热情参与对产品的未来成功至关重要。

荷兰有一家公司,我知道谁在使用细菌提供自我修复产品,这是从代尔夫特理工大学剥离出来的,这是最早开始研究自我修复材料的大学之一,事实上我们很少在这一点上要商业化的公司很重要

来自Costain的话

通过一种协作方式,Costain在领先的研究组织的客户和业务合作伙伴之间创建了一个博士研究生社区,以确保将想法通过可靠的途径推向市场。

Ioanna Papanikolaou是Costain研究开发与创新团队的成员,该团队正在创建智能基础设施解决方案Papanikolaou与她的同事一起正在开发具有自我修复能力的材料技术,这些技术有望改变基础设施行业

自Papanikolaou表示,Costain一直是EPSRC资助的生命材料M L项目的工业合作伙伴。该项目旨在开发各种自主自我修复系统,例如方解石微囊沉淀细菌形状记忆聚合物和血管网络,并在实际应用中演示这些技术。

Costain与加的夫巴斯大学和剑桥大学之间的紧密合作使这四个自我修复系统得以扩展并在一个建筑工地上进行了试验。这是这些自我修复系统首次在英国的一个现场进行了试验。

这些试验为研究人员在实际载荷和环境条件下的材料性能提供了有用的见识。因此,机器学习在开发自愈合胶凝体系方面的有希望的结果导致了更大的研究项目RM L的战略资助,科斯塔因为此感到自豪。再次成为战略合作伙伴

在下一阶段的研究中,RM L的工作范围更广,着重于量身定制用于特定商业应用中的自愈水泥系统,并解决不同的损坏情况和条件。

RM L将启动突破性研究,旨在将自我检测自我诊断自我免疫和自我报告功能嵌入水泥系统中,以便在基础设施材料和结构中发展出真正的仿生反应。Costin资助了剑桥大学的研究人员在使用纳米材料的自我感知方面