Nästa generation av ultrahögpresterande fiberarmerad betong (UHPFRC) har precis skapats på EPFL. Det nya materialet kommer att användas för att stärka och förlänga livslängden för broar och andra strukturer – både nya och gamla. Vad mer, processen att tillverka detta material frigör 60–70 procent mindre CO ₂ än den tidigare generationen fiberarmerad betong.

Byggbranschen står för cirka 40 procent av den globala koldioxiden ₂ utsläpp, varav mycket kan hänföras till tillverkning av betong. Och länder som Schweiz, där betongkonstruktioner har blomstrat sedan 1960-talet, står nu inför uppgiften att underhålla dessa strukturer för att säkerställa att de förblir säkra långt in i framtiden. Detta är en skrämmande utmaning med både miljömässiga och tekniska hänsyn.

EPFL:s strukturella underhålls- och säkerhetslaboratorium (MCS), ledd av Eugen Brühwiler, har byggt upp spetskompetens inom detta område under de senaste 25 åren. MCS är specialiserat på två områden:utveckla mer miljövänlig betong, och utföra allt mer sofistikerade, till stor del övervakningsbaserad, bedömningar av befintliga strukturer, som väg- och järnvägsbroar i Schweiz och runt om i världen.

För sin Ph.D. avhandling, MCS-forskaren Amir Hajiesmaeili försökte utveckla nästa generation av ultrahögpresterande fiberarmerad betong (UHPFRC). Hans mål var att utveckla ett material som bibehåller de mekaniska egenskaper som finns i dagens betong, men utan stålfibrerna. UHPFRC som Hajiesmaeili kom fram till är 10 procent lättare än annan fiberarmerad betong, och dess miljöpåverkan är 60–70 procent lägre. Detta nya material är så effektivt att den första tekniköverföringen kommer att äga rum 2020, när den ska användas för att förstärka en bro.

Rätt recept

Hajiesmaeili gillar mat och kan sitt kök. Efter att ha avslutat en magisterexamen i civilingenjör vid universitetet i Teheran, han kom till EPFL för att göra sin doktorsexamen. som en del av Swiss National Science Foundations NRP-projekt "Energy Turnaround" (NRP 70). Han tillbringade nästan fyra år med att "laga mat" på EPFL. Varje vecka förberedde han olika kombinationer av pulver på ett vetenskapligt sätt, enligt en ny omfattande packningsmodell som de utvecklat i MCS och rör om dem i en mixer. Han skulle sedan köra sina prover genom olika hållfasthets- och dragtester och förfina sina beräkningar. Hans mål var att producera en ny UHPFRC som är lika stark som den som för närvarande används i byggbranschen men som producerar mindre koldioxid ₂ .

"Efter tre år av denna trial-and-error, vi hittade äntligen rätt recept – ett som också uppfyller stränga byggstandarder, " säger Hajiesmaeili. Hur gjorde han det? Istället för stålfiber, han använde en mycket styv syntetisk polyetenfiber som fäster bra på cementmatrisen. Han ersatte också hälften av cementen, ett vanligt använt bindemedel i betong, med kalksten, ett material som är allmänt tillgängligt runt om i världen. "Knepet var att hitta ett material som är väldigt starkt och ger rätt konsistens."

schweizisk teknik

De senaste 15 åren, första generationens UHPFRC har använts för att förstärka broar för att göra dem mer hållbara, tack vare en teknik utvecklad i Schweiz och exporterad utomlands. Dess koldioxidavtryck är redan lägre än för konventionell armerad betong. "Med detta material, vi kan tillföra värde till urgamla strukturer genom att se till att de håller länge, länge sedan, säger Brühwiler, vars labb redan har övervakat den strukturella förstärkningen av mer än 100 broar och byggnader i Schweiz. "Den här lösningen är också mycket mer ekonomiskt och miljömässigt sund än att rasera och bygga om befintliga strukturer som broar och historiska monument."

Enligt Brühwilers erfarenhet, Tekniköverföring inom byggbranschen är endast effektiv när tre kriterier är uppfyllda:människor i varje steg i byggkedjan – från byggledare till arbetare – är välutbildade (som är fallet i Schweiz); det finns en byggregler; och det finns både ekonomiska och individuella incitament för intressenter att ändra sina vanor.