每天,美国人在道路,桥梁和高速公路上旅行,而不考虑这些结构的安全或可靠性。在美国的大部分交通基础设施都过时,恶化,需要维修。

614,387桥梁例如,在美国,39%比其设计的寿命大,近10%在结构上不足,这意味着它们可以开始更快地分解或更糟糕的是易受灾难性的失败。

修复和改善全国交通基础设施的成本从近1900亿美元近1万亿美元.修复美国基础设施的成本为个人家庭,平均而言每年3,400美元.据估计,仅交通拥堵一项就会给普通司机造成损失1,400美元在燃料和上下班的时间的全国统计每年超过1600亿美元

我是一个教授在土木工程学院和董事的Lyles学院智能基础架构中心普渡大学。我的共同作者,Vishal Saravade.,是我团队的一员可持续材料和可再生技术(智能)实验室.SMART实验室研究和开发新技术,使美国的基础设施“智能化”、更安全、更划算。这些新系统可以快速、准确地自我监测道路和桥梁的状况,有时甚至可以自我修复。

聪明,自修复混凝土

基础设施 - 桥梁,高速公路,路面 - 随着时间的推移,连续使用而恶化。然而,如果实时监测损坏和损坏,则可以延长结构的寿命固定在早期.例如,在美国北部,冬季的冻融循环会导致水渗入路面,结冰、膨胀并扩大裂缝,从而造成严重破坏。如果不进行修复,这种损害可能会蔓延,并破坏人行道和桥梁。

嵌入超级聚合物的自愈合混凝土。
自愈混凝土试验研究:左为开裂混凝土,右为28天后自愈混凝土。智能实验室/普渡大学,CC BY-ND

这种损伤可以自动识别和修复。例如,在裂缝的早期阶段,自我修复路面可以激活高吸水性聚合物来吸收水分并产生混凝土状材料填充裂缝。只有几微米大小的裂缝愈合以防止重大损害通过防止或延迟冻融周期的后期阶段。

道路技术

世界上许多研究人员都致力于改善建筑基础设施。最近正在探索的技术包括太阳能和能源收集道路,电动汽车充电车道,智能路灯, 和减少建筑材料的碳排放

在普渡大学智能实验室,我们的团队也在测试新型传感器,通过将它们嵌入几条印第安纳州际公路来监测交通基础设施。我们计划在未来几年扩展到其他州的高速公路系统,目标是更好地适应增加流量并在施工期间提供准确的道路状况估计。

安装在印第安纳州际I-74上的传感器。Erin Easterling / Purdue University,CC By-Nd

嵌入混凝土路面的传感器实时获取基础设施的健康状况信息,并与数据电脑。电信号通过传感器施加。混凝土的振动被转换成电信号,由实验室定制的软件读取和分析。这使得运输工程师能够做出有效的、数据驱动的决策,从开放道路到交通,并主动识别导致损坏或恶化的问题。

例如,在混凝土浇筑出公路路面后,需要几个小时才能治愈,并变得足够强大以开放交通。何时打开高速公路的时间取决于混凝土混合物固化。如果巷道太早开放,并且混凝土过温,它可以减少路面的预期寿命,并提高维护成本。等待太长时间开放,可以导致交通延误,拥堵,增加建筑工人和通勤者的安全风险。用于大规模公路项目的固化混凝土需要通过工程师与该地区特定的天气密切关注。

混凝土中嵌入的智能传感器使工程师能够监控基础设施,并在保持最大预期寿命的同时,对道路何时可以开放做出数据驱动的决策。传感器还可以帮助监测混凝土的质量,以及它是否足够坚固,能够承受交通流量和道路打开后的腐蚀。智能,高效的基础设施可以显着降低灾难性和正常磨损的结构故障,并导致降低成本并为结构工程师提供新的方法来评估路面的实时信息。

挽救时间和金钱

国会认识到需要投资美国交通系统。一个4940亿美元的立法套餐,投资美国法案,最近被引入来解决美国日益恶化的公路和桥梁问题碳污染

智能传感器和智能基础设施系统可实现高度节省的时间和金钱,提高施工安全。传感器可以为工程师提供具有我们基础架构质量的实时数据,以便为建造和维护道路,桥梁和路面的最佳决策,同时提高司机和建筑工人的安全。添加自修复特性可以帮助建立可持续和持久的基础设施,以降低维护和成本。谈话

本文已重新发布谈话在创造性的公共许可证下。阅读原文

图像信用:照片由Saketh Garuda进行拆卸

Luna Lu是智能基础设施中心的创始主任,ACPA学者,Lyles土木工程学院和材料工程学院的教授,以及普渡大学Birck纳米技术中心的教授。她也是ES材料和制造杂志的主编,涵盖了广泛的研究主题在所有的ex…欧洲杯和欧冠的区别

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Vishal是普渡大学莱尔斯土木工程学院Luna Lu教授团队的博士后科学家。Vishal的兴趣包括传感和监测建筑材料和基础设施的新技术的开发,以及用于下一代电子和能源收集的材料和设备,如自旋电子学和光伏。

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