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加拿大团队研发出新型复合材料,可在9.0级地震中拯救生命
来源: 派拉特之书 时间: 2018-02-12 浏览: 4214

在过去的十年里,有超过二十个国家经历了致命的地震,地震成为人类最不想面对的自然灾害之一。加拿大英属哥伦比亚大学的班西亚教授与他的团队,花了好几年的时间,在实验室里摇晃墙壁来模拟地震的实况。他们工作的成果是设计出了一种涂层,能够使得建筑物里的非承重墙在规模超过9.0的强震中仍然站立。

规模9.0的地震有多强?在2011年3月11日强力摇晃日本东北造成福岛电厂核灾的那个地震,就是规模9.0的地震。在2017年11月班西亚团队利用他们所开发的韧性环保水泥类复合材料(EDCC)为一个温哥华当地的公立学校做抗震强化,而下一个目标则是为一所位于地震发生频繁地区(北印度北阿坎德邦的罗奥尔凯埃)的学校服务。

索雷马尼(班西亚的博士生)表示,一层EDCC,几乎可以禁得起两倍砌石墙能够承受的裂损。因为目前的技术对于强化结构墙还不到位,加上建筑物的内部墙倒塌时飞散的砖头与碎片是十分危险,研究团队特别聚焦在非承重墙。由于价格便宜加上隔热、隔音效果佳,用灰渣空心砖构筑隔间系统是世界通用的。「总的来说,」班西亚说:「我们已经将一个易碎的材料转变成一种延展韧性的材料。我们把水泥变得像钢材──能够变形而不碎裂。」

拉伸忍受度

大约三分之一的EDCC材料,是掺和了长度五毫米到十五毫米的聚合物纤维的水泥,剩下的三分之二是由一种叫做粉煤灰的燃煤后的废弃物,以及其他的工业副产品所组成。运用聚合物或碳纤维来强化水泥,使得水泥变得更具韧性,这是大家都已经知道的。同样的,使用粉煤灰来减少碳排放也不是什么新鲜事(制造水泥时会有大约与产出水泥等量的二氧化碳,被释放到环境之中)。但是由于英属哥伦比亚大学正在申请专利及其他的执照,所以研究团队并没有透露EDCC成分的细节或是施作的方法。

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索雷马尼将他团队开发的韧性环保水泥类复合材料喷到一面墙上以测试那面墙能否禁得起静态的非墙面方向的力

班西亚表示,这个新材料代表了一个抗张极限的大跃进。其制作法是基于微观尺度制订的。形成材料的要素是水泥主体、黏合在主体里的纤维、以及在主体、纤维和界面的能量损耗。

班西亚指出,EDCC能够承受的最大拉伸应变超过其他水泥类复合材料的600倍。这种能力能够让被DECC覆盖的墙壁在倒塌之前能够承受更大变形。对于应变能力的增强,是EDCC最具创新的部分。

在实验室里,班西亚和他的团队建造了高度达三公尺、宽两公尺、厚度十公分的砌石墙,并将有EDCC强化和没有喷加EDCC的墙固定在一座震动桌上。然后依照过去真实地震产生的震波形式来摇晃桌子。研究人员监测了墙壁的加速度、位移、和材质的应变。

没有EDCC补强的墙壁,当前后摇晃时,通常只有一、两处砖头的接面开始断裂,集中在局部的破损造成了墙壁的倒塌。反之,有EDCC加持过的墙壁,涂层迫使破裂发生在每一处砖头的接缝,也因此分散了能量的耗损。

团队测试了不同EDCC涂层厚度对墙壁的影响,「我们发现,对于大多数的地震,十毫米的涂层就已经很够力了,」索雷马尼说:「甚至强度是日本大地震两倍的震动,强化过的墙壁也能保持原封不动。」

因地震引发的翻新

人们总希望能找到方便又省钱的方式来翻新建筑物的结构,使得建筑物变得更安全。为了能让EDCC被英属歌伦比亚省采纳为法定的建筑物翻新指导方针的一部份,索雷马尼表示:「我们必须证明这个材料是容易施作的、可行的、便宜的、和实用的。」这些努力中的一大挑战就是喷洒系统开动时必须平稳而不能有堵塞发生。「但是那真的是很困难,」他说:「我们曾经放弃过几次。」

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在依照实际地震所得来的震波模式晃动桌子之后,班西亚与索雷马在检查结果

如果采用的翻新方式太昂贵,那么政府单位就会选择干脆把建筑物拆掉再重建。现行常用的翻新方式有,像是将用螺丝钉将金属条锁在墙上,或是用纤维强化聚合物覆盖等等。但是班西亚表示说,在砌石墙上施作EDCC的费用大概只是这些作法的一半而已。

EDCC目前正在第一次施作在温哥华的婕米荪小学,做为该校校舍一部份的地震防灾升级。索雷马尼正在参与一个省级的研究,这是针对学校对地震的防灾准备是否妥当的研究,他表示,英属哥伦比亚省目前有超过一百所学校都在进行地震防灾的强化工程,而医院及其他市政府和商业建筑物也需要针对地震做翻新。他说:「他们用了很多砌石墙来做隔间。」

在美国西雅图的史库恩梅克是一位承做私人家庭及一些商业大楼地震翻新强化工程的承包商,他表示,EDCC可以用来做住宅强化的,特别是住家的地下室。史库恩梅克这样说,「我很希望这个材料能尽早上市,也能尽早获准在我们的辖区内成为一种合法的翻新方式。」

史丹佛大学的彼玲敦从事的是延展性水泥基底复和材料研究,她指出,「看到这种材料能被应用真是件好事,而且我希望它可以导致这一类复和材料获准使用在建筑物结构的翻新,而不只是在非结构部分的应用。」

在一些用途上面,索雷马尼说,涂层可以更厚一点,或者在墙壁的两面都予以喷上,但是喷涂单面就已经足够在大多数地震时保护建筑物内部的泥灰黏合的砌石墙不致倒塌。还有其他可能的应用包括各种管路、桥梁、历史建物外观、工厂楼板、与爆裂现场附近的建筑物等等,「只要发生能量传递的情况,」班西亚说道,「即使是少量的能量,就可以造成易脆裂材质的倒塌。而EDCC具有充分的能量吸收能力,就能让那些材料得以存活。」

这个研究成果的下一步就是要进一步减少碳排放,而且在花费上更为经济。目前立即的研究方向,班西亚指出,就是要将EDCC里的纤维替换为再生和天然的材料,像是废弃轮胎、竹子、黄麻等等这一类的东西。「它将成为低价,但非低技术的材料。这真是一个巨大的挑战。」

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