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一種用噴的材料能夠翻新牆壁而在地震時拯救生命

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撰文者:原文作者:Toni Feder。中文編譯:林中一教授,國立中興大學物理系
發文日期:2018-01-16
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  • 添加水泥基底材料層能將建築物非結構部分的砌石牆(masonry walls)變得可彎曲而避免破裂

    在過去的十年裡有超過二十個國家經歷了致命的地震。加拿大英屬哥倫比亞大學的班西亞(Nemkumar Banthia, the University of British Columbia)與他的團隊花了好幾年時間在實驗室裡搖晃牆壁來模擬地震的實況。他們工作的成果是設計出了一種塗層,能夠使得建築物裡的非承重牆在規模超過9.0的強震中仍然站立。規模9.0的地震有多強?在2011年3月11日強力搖晃日本東北造成福島電廠核災的那個地震就是規模9.0的地震。 在2017年11月班西亞團隊利用他們所開發的韌性環保水泥類複合材料(EDCC) 為一個溫哥華當地的公立學校做抗震強化;而下一個目標則是為一所位於地震發生頻繁地區(北印度北阿坎德邦的羅奧爾凱埃(Roorkee, Uttarakhand))的學校服務。

    索雷馬尼(Salman Soleimani, 班西亞的博士生) 表示:一層EDCC幾乎可以禁得起兩倍砌石牆能夠承受的裂損。因為目前的技術對於強化結構牆(structural walls)還不到位,加上建築物的內部牆倒塌時飛散的磚頭與碎片是十分危險,研究團隊特別聚焦在非承重牆(non-load-bearing walls)。由於價格便宜加上隔熱、隔音效果佳,用灰渣空心磚(hollow cinder blocks)構築隔間系統是世界通用的。「總的來說,」班西亞說:「我們已經將一個易碎的材料轉變成一種延展韌性的材料。我們把水泥變得像鋼材-能夠變形而不碎裂。」

    拉伸忍受度(tensile tolorance)

    大約三分之一的EDCC材料是摻和了長度5毫米到15毫米的聚合物纖維的水泥,剩下的三分之二是由一種叫做粉煤灰(fly ash)的燃煤後的廢棄物以及其他的工業副產品所組成。運用聚合物或碳纖維來強化水泥使得水泥變得更具韌性,這是大家都已經知道的。同樣的,使用粉煤灰來減少碳足跡也不是什麼新鮮事(製造水泥時會有大約與產出水泥等量的二氧化碳被釋放到環境之中)。但是由於英屬哥倫比亞大學正在申請專利及其他的執照,所以研究團隊並沒有透露EDCC成分的細節或是施作的方法。
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    索雷馬尼將他團隊開發的韌性環保水泥類複合材料噴到一面牆上以測試那面牆能否禁得起靜態的非牆面方向的力(static out-of-plane force)。索雷馬尼/英屬歌倫比亞大學
     
    班西亞表示,這個新材料代表了一個抗張極限的大躍進。其製作法是基於微觀尺度制訂的。形成材料的要素是水泥主體、黏合在主體裡的纖維、以及在主體、纖維和界面的能量損耗。

    班西亞指出,EDCC能夠承受的最大拉伸應變(tensile strain)超過其他水泥類複合材料的600倍。這種能力能夠讓被DECC覆蓋的牆壁在倒塌之前能夠承受更大變形。對於應變能力的增強,是EDCC最具創新的部分。

    在實驗室裡,班西亞和他的團隊建造了高度達3公尺、寬2公尺、厚度10公分的砌石牆,並將有EDCC強化和沒有噴加EDCC的牆固定在一座震動桌上。然後依照過去真實地震產生的震波形式來搖晃桌子。研究人員監測了牆壁的加速度、位移、和材質的應變。

    沒有EDCC補強的牆壁,當前後搖晃時,通常只有一、兩處磚頭的接面開始斷裂,集中在局部的破損造成了牆壁的倒塌。反之,有EDCC加持過的牆壁,塗層迫使破裂發生在每一處磚頭的接縫,也因此分散了能量的耗損。
    團隊測試了不同EDCC塗層厚度對牆壁的影響,「我們發現,對於大多數的地震,10毫米的塗層就已經很夠力了,」索雷馬尼說:「甚至強度是日本東北(Tohoku)地震兩倍的震動,強化過的牆壁也能保持原封不動。」

    因地震引發的翻新

    人們總希望能找到方便又省錢的方式來翻新建築物的結構,使得建築物變得更安全。為了能讓EDCC被英屬歌倫比亞省採納為法定的建築物翻新指導方針的一部份.,索雷馬尼表示:「我們必須證明這個材料是容易施作的、可行的、便宜的、和實用的。」這些努力中的一大挑戰就是噴灑系統開動時必須平穩而不能有堵塞發生。「但是那真的是很困難,」他說:「我們曾經放棄過幾次。」

     
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    原物尺寸的牆,3公尺高、2公尺寬,被固定在一座震動桌上等待測試。在依照實際地震所得來的震波模式晃動桌子之後,班西亞(Nemkumar Banthia) (左)與索雷馬尼(Salman Soleimani)就會檢視牆壁上的裂痕與其他的損壞。這面牆上噴了1公分厚的韌性環保水泥類複合材料(EDCC)。索雷馬尼/英屬歌倫比亞大學

    如果採用的翻新方式太昂貴,那麼政府單位就會選擇乾脆把建築物拆掉再重建。現行常用的翻新方式有,像是將用螺絲釘將金屬條鎖在牆上,或是用纖維強化聚合物覆蓋等等。但是班西亞表示說,在砌石牆上施作EDCC的費用大概只是這些作法的一半而已。

    EDCC目前正在第一次施作在溫哥華的婕米蓀小學(Annie B. Jamieson Elementary School),做為該校校舍一部份的地震防災升級。索雷馬尼正在參與一個省級的研究,這是針對學校對地震的防災準備是否妥當的研究,他表示,英屬哥倫比亞省目前有超過一百所學校都在進行地震防災的強化工程,而醫院及其他市政府和商業建築物也需要針對地震做翻新。他說:「他們用了很多砌石牆來做隔間。」

    在美國西雅圖的史庫恩梅克(Bruce Schoonmaker)是一位承做私人家庭及一些商業大樓地震翻新強化工程的承包商,他表示,EDCC可以用來做住宅強化的,特別是住家的地下室。史庫恩梅克這樣說:「我很希望這個材料能儘早上市,也能儘早獲准在我們的轄區內成為一種合法的翻新方式。」

    史丹佛大學的彼玲敦(Sarah Billington)從事的是延展性水泥基底複和材料研究,她指出:「看到這種材料能被應用真是件好事,而且我希望它可以導致這一類複和材料獲准使用在建築物結構的翻新,而不只是在非結構部分的應用。」
    在一些用途上面,索雷馬尼說,塗層可以更厚一點或者在牆壁的兩面都予以噴上,但是噴塗單面就已經足夠在大多數地震時保護建築物內部的泥灰黏合的砌石牆不致倒塌。還有其他可能的應用包括各種管路、橋樑、歷史建物外觀、工廠樓板、與爆裂現場附近的建築物等等,「只要發生能量傳遞的情況,」班西亞說道:「即使是少量的能量,就可以造成易脆裂材質的倒塌。而EDCC具有充分的能量吸收能力,就能讓那些材料得以存活。」

    這個研究成果的下一步就是要進一步減少碳足跡,而且在花費上更為經濟。目前立即的研究方向,班西亞指出,就是要將EDCC裡的纖維替換為再生和天然的材料,像是廢棄輪胎、竹子、黃麻等等這一類的東西。「它將成為低價,但非低技術的材料。這真是一個巨大的挑戰。」


    本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, December 2017 雜誌內(Physics Today 70, 12, 30 (2017);https://doi.org/10.1063/PT.3.3788
    );原文作者:Toni Feder。中文譯稿:林中一教授,國立中興大學物理系。
    Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Toni Feder, and are published on Physics Today 70, 12, 30 (2017); https://doi.org/10.1063/PT.3.3788). The article in Mandarin is translated by Prof. Chung-Yi Lin, working on Department of Physics, National Chung Hsing University.

    頁首圖:123rf
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