混凝土，一种看似普通却不可或缺的材料。它的出现，改变了人类的建筑方式，成为现代建筑的基石。近日美国科学家研发出可以导电，能植入智能设备的下一代混凝土。除了更坚固、更环保，超材料混凝土还拥有更“特别”的优势用于开发智能民用基础设施系统。

为什么要发明超材料混凝土？

混凝土的历史可以追溯到罗马帝国，它仍然是建筑业中最广泛使用的材料。匹兹堡大学的工程师们正在通过重新想象混凝土的设计将其带入21世纪。

美国匹兹堡大学土木与环境工程助理教Amir Alavi表示:“现代社会在建筑中使用混凝土已有数百年，这是古罗马人独创的。混凝土在我们的基础设施项目中的大量使用要求开发新一代混凝土材料，这种材料更经济、环境可持续，并提供先进的功能。我们相信，在建筑材料的开发中引入超材料范式可以实现所有这些目标。”

新一代自我传感超材料混凝土登场

该团队先前已经开发出新型材料自我感知超材料（self-aware metamaterials），其身兼传感介质又是纳米发电机，有望改变多功能材料应用，而团队现在把超材料应用在混凝土中。这项研究介绍了超材料在制造混凝土中的应用，使材料能够专门设计用于其目的。在材料的制作过程中，可以对脆性、柔韧性和可成形性等属性进行微调，使建筑商能够在不影响强度或寿命的情况下使用更少的材料。

“这个项目展示了第一个具有超压缩性和能量收集能力的复合超材料混凝土。这种重量轻、机械可调的混凝土系统可以为在各种应用中使用混凝土铺平道路，例如在机场使用减震工程材料来帮助减缓失控飞机或地震基础隔离系统。"此外，该材料能够发电，虽然它不能产生足够的电力来向电网供电，但产生的信号足以为路边传感器供电。超材料混凝土在机械激励下自行产生的电信号也可用于监测混凝土结构内的损伤或监测地震，同时减少地震对建筑物的影响。

超材料是由导电水泥基体中的增强型辅助聚合物格子组成的。研究人员用石墨粉增强的导电水泥形成了电极，机械触发器可以在各层之间产生接触性电化。只要机械触发，每层之间的复合结构就会引起接触带电。团队也用石墨粉增强导电胶并当作电极，实验研究显示，材料在循环载荷下最多可压缩15%，并产生330 μW功率。

它不能产生足够的电力输送到电网，但它有可能被用来监测混凝土结构内部的损害--例如，例如机场的减震工程材料以帮助减缓失控的飞机，或地震基础隔离系统。

团队也指出，这种混凝土智能结构甚至可以为道路中的芯片供电，未来自动驾驶车辆在GPS信号太弱、激光雷达没有运行的时候，还能继续行驶。

在物理上，超材料本身可以进行微调，以适应建设的需要，切换其灵活性、形状和脆性，并在测试中可以压缩到15%，同时保持其结构完整性。

阿拉维说："这个项目提出了第一个具有超级压缩性和能量收集能力的复合超材料混凝土。这种轻质和机械可调的混凝土系统可以为混凝土在各种应用中的使用打开一扇大门，如机场的减震工程材料，以帮助减缓失控的飞机或地震基础隔离系统。"

该团队包括来自新墨西哥州立大学、佐治亚理工学院、北京纳米能源与纳米系统研究所和皮特大学斯旺森工程学院的工程师，他们相信这种多功能混凝土材料可以成为基础设施中广泛使用的组成部分，因为它"可扩展、具有成本效益，并且可以通过绿色采集能量自我维持其运作。"

未来这个超材料混凝土也会通过匹兹堡大学IRISE联盟与宾夕法尼亚交通部（PennDOT），应用在宾夕法尼亚的道路上。这种智能工程产品甚至可以为嵌入高速公路的芯片提供能源，以协助自动驾驶汽车。

然而，在不久的将来，该研究报告需要进行大规模的测试，并进一步研究如何使能量收集的纳米发电机集成材料与环境压力因素（如湿度、潮湿天气和温度变化）绝缘。

我国对超高性能纤维混凝土的研究

超高性能纤维混凝土作为一种新型的复合材料，近年来受到了广泛的关注。UHPFRC由水泥、超细矿物掺料、短纤维、粉煤灰、矿物颗粒和添加剂等多种材料组成，具有高强度、高密度、高韧性、高耐久性等优点，同时具有很好的抗冲击性能，因此在工程领域得到了广泛的应用。

超高性能纤维混凝土板的应用

由于其优异的性能，超高性能纤维混凝土在工程领域有着广泛的应用。本节将从护栏、桥梁、隧道和风电塔等四个方面介绍其应用。

1、护栏

护栏作为道路交通安全的重要设施，其防撞性能对于车辆和行人的安全有着重要的影响。传统混凝土护栏存在着易损坏、易腐蚀、抗冲击性能差等缺点。而采用超高性能纤维混凝土制作护栏，可以有效地改善这些问题。UHPFRC护栏具有高强度、高韧性、高耐久性等特点，可以有效地抵抗冲击、防腐、防火等，同时也具有美观的外观和良好的抗震性能。

2、桥梁

超高性能纤维混凝土在桥梁建设中的应用越来越广泛。采用UHPFRC可以制作出更轻、更薄、更耐久、更美观的桥梁，同时也可以减少桥梁的维护成本。在桥梁的施工过程中，UHPFRC还可以用于加固、修补和防水处理等。

3、隧道

隧道作为一种重要的交通工程设施，其耐久性、安全性和经济性都是非常重要的。采用超高性能纤维混凝土可以制作出更耐久、更安全、更经济的隧道。在隧道的施工中，UHPFRC可以用于内衬、防水处理、修补等。

4、风电塔

风电塔作为一种新型的能源设备，其安全性和耐久性对于风电场的稳定运行至关重要。采用超高性能纤维混凝土可以制作出更轻、更薄、更耐久、更安全的风电塔。同时，在风电塔的施工中，UHPFRC还可以用于连接部件的加固、修补等。

超高性能纤维混凝土的未来发展

超高性能纤维混凝土在工程领域的应用和发展前景非常广阔。未来，UHPFRC的应用范围将更加广泛，同时也将有更高的性能要求。为了满足不同工程的需求，研究者将继续开发出更多种类的UHPFRC，如高温、高强、高韧、自修复等。

此外，随着技术的不断发展，超高性能纤维混凝土的生产成本也将逐渐降低，其在工程领域的应用将更加普及。同时，UHPFRC的绿色环保特性也将成为未来发展的重要素之一。未来，超高性能纤维混凝土的应用将会在以下几个方面得到进一步发展：

技术创新

在技术方面，未来研究者将会致力于开发更加先进的生产工艺和生产设备，同时也会不断优化UHPFRC的配方和性能。例如，开发出更多种类的高性能纤维材料，探索更多种类的掺合料，以及研究新型的混凝土添加剂等。

文章来源： 科学与宇宙，cnBeta，十轮网，科普小丁当