维度网讯，宾夕法尼亚州立大学工程师领导的研究团队提出了一种降低超高性能混凝土成本的方法，在保持材料强度、延展性和耐久性的前提下，最多可削减75%的费用。

混凝土是世界上最常见的建筑材料，但易脆且容易在张力下开裂。超高性能混凝土（Ultra-high-performance concrete, UHPC）以其致密结构和极端耐久性著称，通过内部金属纤维来抵抗开裂，但金属纤维导致材料成本最高可比传统混凝土高出30倍。研究团队通过一系列测试，测量了不同UHPC混合料的物理强度和延展性，包括使用金属和非金属纤维增强的实验类型。测试识别出若干可优化的关键特性，使价格降低的同时保持卓越性能。团队基于评估开发了一种新设计方法，可帮助材料生产商、基础设施业主和建筑公司节省资金并开发更强、更环保的混凝土。该成果发表在《水泥与混凝土复合材料》（Cement and Concrete Composites）期刊上。

研究合著者、宾夕法尼亚州立大学约翰与哈丽特·肖土木与环境工程教授及土木与环境工程系主任Farshad Rajabipour表示，UHPC已成为建造大型、耐久结构（如桥梁、高层建筑或潮闸等沿海基础设施）的关键材料，尤其有助于将加速桥梁建设中的建造和维修时间从数月缩短至数天或数周。他还隶属于拉森交通研究所和材料研究所。材料的强度和延展性源于内部数千根微小的钢纤维，每根纤维长13毫米（约半英寸），直径0.2毫米。这些纤维通过机械锁定在水泥基体上，形成在极端张力下具有柔韧性的材料。

Rajabipour指出，纤维是价格飙升的主要原因，仅占材料总体积约2%的纤维却占总成本的约70%。UHPC通常以预装袋装的专有混合物销售，进一步增加了使用成本。为优化纤维，团队制备了15种不同的UHPC混合料，其中9种使用金属纤维，采用不同浓度和设计，以观察能否用更少的材料获得相同性能。团队测试了不同长度、宽度和形状的纤维，包括压痕、扭曲和添加小钩子的设计。另外6种混合料使用非金属纤维，由原纤化玻璃丝、玄武岩以及玻璃或碳纤维增强聚合物制成。

各样品经过一系列测试，评估了液态流动性、抗压强度、抗拉强度、延展性和粘结强度。团队观察到，所测试的两种金属纤维——微钢纤维和条纹钢纤维——即使总纤维体积减半，也能保持性能。长径比更高的纤维表现出显著改善的拉伸性能。设计纤维与基体的粘结方式，使其在应力下断裂之前从混凝土中拔出，对维持强大性能至关重要。尽管商业非金属纤维的性能仍不如钢纤维，但更好的设计可以生产出性能类似金属但成本更低的纤维。

接下来，团队计划研究不同的纤维组成、探索新型非金属纤维并优化制造方法，同时继续研究减少UHPC生产过程中二氧化碳排放的机会。Rajabipour表示，纤维不仅是成本的最大贡献者，也是排放的最大贡献者，研究不仅提出了降低材料成本的途径，也提出了减少环境影响的途径。该工作的其他合著者包括宾夕法尼亚州立大学博士生Abdullah Al Moman（现任Dutchland公司结构设计工程师）、Deepika Sundar（现任CalPortland公司研究科学家）、Amir Alarab（现任AECOM公司结构工程师），以及宾夕法尼亚州立大学土木工程助理研究教授Shaohua Chu和特拉华大学土木、建筑与环境工程副教授Jovan Tatar。本研究由美国交通部和宾夕法尼亚州交通部资助。

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