各州考虑采用新的科学解决方案来节省混凝土基础设施修复的时间和金钱
普渡大学的一项发明可以缩短施工时间并提高混凝土公路、桥梁和其他交通基础设施的长期耐久性，成为几十年来用于评估新浇筑混凝土是否足够成熟以承受卡车和其他车辆等重载的方法的可行替代方案。美国州公路和运输官员协会材料和路面委员会 (AASHTO COMP) 已批准普渡大学开发的方法作为新的国家标准。AASHTO 成员包括美国 50 个州、哥伦比亚特区和波多黎各的交通部 (DOT)。该标准的制定于周三 (7 月 31 日) 发布，为各州和承包商考虑将其作为一种新做法铺平了道路。
普渡大学的发明直接嵌入新鲜混凝土中，利用传感器技术为工程师提供相对精确和一致的混凝土强度实时数据，其精度可能与当前的几种工具和方法相当甚至超越。
对于高速公路和桥梁来说，确定混凝土路面何时足够坚固以承受重型卡车交通所带来的不确定性较小，可以使新修复的道路路段更快通车，从而可以节省维修费用并增加出行便利。
从长远来看，更精确地确定混凝土随时间的强度增长也可以帮助路面延长使用寿命，因为不会过早加载并导致早期损坏或疲劳，影响耐久性。
道路建成后尽早通车并改善道路状况也可以减少货物和服务运输的延误并减少长途货运卡车的磨损，从而为商业部门节省资金。
“我们的基础设施大部分建于 20 世纪 50 年代和 60 年代。当时，美国的人口只有现在的一半，”发明了传感器技术的普渡大学莱尔斯土木工程学院赖利教授 Luna Lu 说道。“这意味着所有这些基础设施的建造和设计都不是针对我们今天的交通量、使用频率和人数。我们必须想出一种更好的方法来与我们的基础设施进行通信。”
与各州合作实现有前途的新想法
混凝土路面仅占美国道路的不到 2%，但占美国州际公路系统的约 20%，该系统支撑着美国大部分的交通。
作为联邦公路管理局共同基金研究的一部分，普渡大学的研究人员和Lu 于 2021 年创立的初创公司Wavelogix一直在印第安纳州、爱荷华州、堪萨斯州、北达科他州、密苏里州、田纳西州、路易斯安那州、德克萨斯州、科罗拉多州、犹他州和加利福尼亚州对这项发明的商业测试版产品进行测试。普渡大学莱尔斯土木与建筑工程学院的博士生何睿在过去一年中带领团队完成了 20 多项测试，将传感器安装在高速公路、桥面和挡土墙上。
在这些州进行的初步测试结果表明，该传感器技术可能比一些现有的、被认为是“最先进的”混凝土强度测试更准确、更一致。Purdue-Wavelogix 团队还计划在其他州进行测试。然而，让大家了解这项新的 AASHTO 标准是交通部正式将这种方法纳入其州建筑和材料测试规范的关键一步。
随着意识的增强，更多州交通部可能会尝试新方法，以验证并获得自己的经验和专业知识。如果在此过程中，州交通部认为这种新方法可行，他们将逐步通过建筑项目合同规范实施该方法。新的 AASHTO 标准是否会在该领域获得关注并被广泛接受，未来几年可能还不得而知，因为建筑行业的创新和变革通常是逐步发生的。
印第安纳州交通部 (INDOT) 自该传感器技术的研发伊始就一直为其提供资金支持，去年夏天，当普渡大学的这项发明开始成为商业产品时，该部向 AASHTO COMP 的硬化混凝土技术小组委员会提出了该方法作为标准。
印第安纳州交通部材料与测试部混凝土工程师迈克·尼尔森 (Mike Nelson) 表示：“实验室和技术一直都在取得进展。”他与卢及其团队一起，在将这项技术确立为新型混凝土强度测试的整个过程中进行了合作。
这一过程包括在印第安纳州的几条高速公路和桥梁上进行一些测试，以开发 Wavelogix 于 12 月推出的模型，该产品是一款名为REBEL 混凝土强度传感系统的商业产品。Wavelogix 从普渡大学技术商业化创新办公室获得了该技术的许可，该办公室已申请了该知识产权的专利保护。
印第安纳州交通部目前正在对 REBEL 产品进行自己的验证测试，并已将该技术添加到其印第安纳州测试方法索引中，这将允许该技术在通过现场试验和试点项目验证后在印第安纳州使用。
“这项技术的意义是惊人的，因为每个浇筑混凝土的人——不管你是在建造摩天大楼还是道路——你想知道的是混凝土的强度，这样你才能继续施工。世界上没有任何地方能像这样测定混凝土的强度，”尼尔森说。
Daniel Tobias 是 AASHTO COMP 硬化混凝土技术小组委员会成员，也是伊利诺伊州交通部混凝土、土壤和金属工程师，他也看到了这种方法的价值，并协助根据 INDOT 的提议起草了该标准。11 月，小组委员会的 DOT 代表和上级材料和路面委员会投票决定推动该标准的发布。
“委员会一致认为，印第安纳州及其赞助商介绍了这一工作，因此我们决定尝试推进这一工作。”托拜厄斯说，“如果我们能够快速获得混凝土强度的合理估计，那么我们就能更快地知道何时可以开通道路或桥梁。我们一直在寻找新的方法来做到这一点。这是一个全新的应用，它是从头开发的，以前从未有人见过。”
挑战混凝土强度测试的现状
2017 年，当印第安纳州交通部请求帮助以更准确地确定路面何时可以通车时，卢和她的实验室开始开发这项技术。
几十年来，业界使用的最常见方法是在实验室或现场设施中测试大样本或“圆柱体”硬化混凝土。利用这些数据，工程师可以估算出特定混凝土混合物在施工现场浇注和固化后将达到的强度水平。尽管业界对这些测试非常了解，但由于水泥成分不同、周围区域的温度和其他因素，实验室和室外条件之间的差异可能导致强度估计不准确。
另一种不太常用的强度测定方法是成熟度概念，该方法使用特定混凝土最近确定的时间和温度历史来绘制成熟度-强度曲线。测量水泥与水发生化学反应时随时间释放的热量，可以合理估计强度随时间的增长，但这种方法非常特定于在特定时间和地点使用的特定混合物。
托拜厄斯说：“你可能认为测量混凝土强度非常简单，但它并不像你想象的那么精确。”
有了卢和她的团队发明的技术，工程师们不再需要依赖混凝土取样筒或成熟度概念来估计新鲜混凝土何时固化到位。相反，他们可以更直接地监测新鲜混凝土，并准确测量其强度和温度。
建筑工人将传感器固定在钢筋上或放置在路基上，路基是铺设混凝土的基础。浇筑混凝土后，他们将从混凝土模板延伸出来的每根传感器电缆插入可重复使用的手持设备，该设备会自动开始记录数据。使用该应用程序，工人可以在需要强度数据时接收有关混凝土强度实时增长的信息。
“每次我把传感器交给承包商时，他们问我的唯一问题就是‘什么时候可以使用？’对于每天都会使用这项技术的人们来说，这项技术为行业带来的附加值是如此明显，”卢说。
卢的实验室发明了这项传感器技术，其依据是他们发现混凝土中的振动可用于检测刚度和其他传达混凝土强度的机械特性。该技术使用电能来激励传感器，从而使混凝土振动，然后将这些振动的机械能转换回电能。传感器测量混凝土振动频率随时间的变化，并将这种变化与混凝土强度增益相关联。
卢的实验室为描述这种物理现象而开发的数学模型，后来为 REBEL 产品创建了软件，该模型于 2022 年荣获美国土木工程师学会颁发的阿尔弗雷德·诺布尔奖。“从科学角度来看，这表明人们认为这是一个非常重要的发现，”卢说。
这项技术在发展过程中获得了许多其他荣誉。今年 4 月，REBEL 产品被评为爱迪生奖“关键人类基础设施”类别的金奖得主。这项创新出现在《时代》杂志 2023 年最佳发明榜单和《Fast Company》杂志2022 年科技界的下一个大事件中，并被美国土木工程师学会2021 年美国基础设施成绩单评为“游戏规则改变者” 。
这项发明转化为商业产品的过程也得到了美国国家科学基金会的多项奖励。Wavelogix 最近从 Rhapsody Venture Partners 获得了 300 万美元的投资，并获得了一群天使投资者的支持。
卢对这项技术的未来及其将为美国各地混凝土基础设施带来的好处持乐观态度
“让我真正兴奋的是得到业界的反馈，看到技术与问题相匹配，”卢说。“发明是当你开发出某样东西时，但当这个东西解决了一个更大的问题时，这就是创新。”
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