普渡大學的一項發明可以縮短施工時間並提高混凝土公路、橋樑和其他交通基礎設施的長期耐久性，它正在成為一種可行的替代方法，取代了幾十年來用於估計新澆混凝土何時成熟到足以承受重載的方法。

美國國家公路和運輸官員協會材料和路面委員會 (AASHTO COMP) 已批准普渡大學開發的方法作為新的國家標準。AASHTO 成員包括所有 50 個州、哥倫比亞特區和波多黎各的交通部 (DOT)。的創建本標準於週三（7 月 31 日）發布，該方法為各州和承包商考慮將其作為一種新做法提供了道路。

普渡大學的發明直接嵌入新拌混凝土中，利用感測器技術為工程師提供相對精確且一致的數據。即時數據在混凝土上力量，這可能與目前幾種工具和方法的準確性相當甚至超過。

對於高速公路和橋樑而言，確定混凝土路面何時足夠堅固以應對重型卡車交通的不確定性較小，有可能使新修復的路段更快開放，從而節省修復費用並增加公眾出行的便利性。

從長遠來看，更精確地確定混凝土隨時間的強度增益也可以幫助路面延長使用壽命，因為不會過早加載路面並引起早期損壞或疲勞，從而影響耐久性。

道路建設後儘早通車並改善其狀況還可以減少貨物和服務運輸的延誤並減少長途貨運卡車的磨損，從而為商業部門節省資金。

「我們的大部分基礎設施建於 20 世紀 50 年代和 1960 年代。當時美國的人口只有現在的一半，」普渡大學萊爾斯土木工程學院的賴利教授 Luna Lu 說道。「這意味著所有這些基礎設施並不是針對我們今天的交通量、使用頻率和人數而建造和設計的。我們必須想出一種更好的方法來與我們的基礎設施溝通」。

與各州合作提出一個有前途的新想法

混凝土路面組成不到美國公路的 2%，但約占美國州際公路系統的 20%，支持全國大部分交通。

作為聯邦公路管理局聯合基金研究的一部分，普渡大學的研究人員和波洛吉克斯Lu 成立於2021 年的新創公司，一直在以下州測試該發明作為商業測試版產品：印第安納州、愛荷華州、堪薩斯州、北達科他州、密蘇裡州、田納西州、路易斯安那州、德克薩斯州、科羅拉多州、猶他州和加利福尼亞州。何睿，博士普渡大學萊爾斯土木與建築工程學院的學生在過去的一年裡帶領團隊完成了 20 多項測試，將感測器安裝到高速公路、橋面和擋土牆上。

在這些州進行的測試的初步結果表明，感測器技術可能比一些被認為是「最佳實踐」的現有混凝土強度測試更準確和一致。普渡大學-Wavelogix 團隊也計劃在其他州進行測試。然而，提高人們對這項新 AASHTO 標準的認識是 DOT 正式將該方法納入其州建築和材料測試規範的關鍵一步。

隨著意識的增強，更多的州 DOT 可能會嘗試新方法來驗證並獲得自己的經驗和專業知識。如果在此過程中國家交通部認為這種新方法是可行的，他們將透過建設專案合約規範逐步實施其使用。新的 AASHTO 標準是否會在該領域獲得牽引力並被廣泛接受，在未來幾年內不太可能知道，因為創新和變革通常在該領域逐漸發生。建築業。

印第安納州交通部(INDOT) 自感測器技術開發伊始就為其提供資金支持，並於去年夏天向AASHTO COMP 硬化混凝土技術小組委員會提出了該方法作為標準，當時普渡大學的這項發明正開始成為商業產品。

INDOT 材料和測試部門的混凝土工程師 Mike Nelson 表示：「實驗室和技術一直以來都取得了勝利。」他在將該技術確立為新技術的整個過程中與 Lu 及其團隊合作。混凝土強度試驗。

這個過程包括了一些在印第安納州的幾條高速公路上進行了測試並橋接開發了 Wavelogix 於 12 月作為商業產品推向市場的模型，稱為REBEL混凝土強度感測系統。Wavelogix 從普渡大學技術商業化創新辦公室獲得了該技術的許可，該辦公室已申請智慧財產權專利保護。

INDOT 目前正在對 REBEL 產品進行自己的驗證測試，並已增加了這個技術對其印第安納測試方法索引，一旦通過現場試驗和試點項目驗證，該技術將可以在印第安納州使用。

「這項技術的影響是驚人的，因為每個澆築混凝土的人——無論你是建造摩天大樓還是道路——你想知道的是混凝土的強度，這樣你就可以繼續施工世界上沒有任何其他地方可以像這樣確定混凝土強度，」尼爾森說。

AASHTO COMP 硬化混凝土技術小組委員會成員、伊利諾伊州交通部混凝土、土壤和金屬工程師 Daniel Tobias 也看到了這種方法的價值，並根據 INDOT 的提案協助起草了該標準。11 月，交通部代表在材料和路面小組委員會和上級委員會中投票決定推動該標準發布。

托比亞斯說：“委員會一致認為，基於印第安納州及其贊助商對這項工作的介紹，這個想法和研究是有價值的，因此我們決定嘗試推進它。”「如果我們能夠快速獲得對混凝土強度的相當好的估計，那麼我們就可以更快地知道何時可以開放道路或橋樑通車。我們一直在尋找新的方法來做到這一點。這是一個新穎的應用程式這是從頭開始開發的，以前沒有人見過。

挑戰混凝土強度測試的現狀

盧和她的實驗室2017年開始開發這項技術，當 INDOT 請求協助更準確地確定路面何時準備好通車時。

幾十年來，該行業最常用的方法是在實驗室或現場設施中測試硬化混凝土的大樣本或「圓柱體」。利用這些數據，工程師可以估計特定混凝土混合物在施工現場澆注並固化後將達到的強度等級。儘管這些測試已為業界所熟知，但由於水泥成分、周圍區域的溫度和其他因素的不同，實驗室和室外條件之間的差異可能會導致強度估計不準確。

另一種不太常用的確定強度的方法稱為成熟度概念，它使用最近建立的特定混凝土的時間和溫度歷史來繪製成熟度-強度曲線。測量水泥與水發生化學反應期間隨時間釋放的熱量可以合理估計隨時間推移的強度增益，但該方法非常特定於特定時間和地點使用的特定混合物。

「你可能認為測量混凝土的強度非常簡單，但它並不像你想像的那麼精確，」托比亞斯說。

借助盧和她的團隊發明的技術，工程師不再需要依賴混凝土樣品筒或成熟度概念來估計新拌混凝土何時已充分固化。相反，他們可以更直接地監測新拌混凝土並準確測量其強度和溫度。

建築工人透過將感測器固定在鋼筋上或將其放置在路基上來安裝感測器，路基是為鋪設混凝土提供基礎的一層土壤。澆注混凝土後，他們將從混凝土模板伸出的每條感測器電纜插入可重複使用的手持設備，該設備會自動開始記錄資料。使用該應用程序，只要需要強度數據，工作人員就可以接收有關混凝土強度即時增長的信息。

「每次我將感測器交給承包商時，他們問我的唯一問題就是『這個感測器什麼時候可用？’對於日常使用這項技術的人來說，該行業的附加價值是顯而易見的，」盧說。

盧的實驗室發明了這個感測器技術基於它的發現混凝土的振動可用於檢測剛性和其他傳達混凝土強度的機械性質。該技術使用電能激勵感測器，使混凝土振動，然後將這些振動的機械能轉換回電能。感測器測量混凝土振動頻率隨時間的變化，並將這種變化與混凝土強度增益相關聯。

數學模型Lu 的實驗室開發了這個物理現象來描述這種物理現象，並隨後為 REBEL 產品創建了軟體榮獲阿爾弗雷德諾貝爾獎2022 年獲得美國土木工程師學會頒發的獎項。該技術在其發展過程中還獲得了許多其他榮譽。

4 月，REBEL 產品被認定為愛迪生獎金獎得主屬於關鍵人力基礎設施類別。該創新已出現在《時代》雜誌 2023 年最佳發明名單和快公司的2022 年科技領域的下一個重大事件，並被美國土木工程師學會評為“遊戲規則改變者”2021 年美國基礎建設成績單。

將這項發明轉化為商業產品的過程也得到了美國國家科學基金會多項獎項的支持。Wavelogix 最近收到了Rhapsody Venture Partners 投資 300 萬美元並獲得了一群天使投資人的支持。

Lu對該技術的未來以及它將為美國各地的混凝土基礎設施帶來的好處持樂觀態度。

「真正讓我興奮的是獲得行業的反饋並看到技術與問題的匹配，」盧說。“發明是指你開發某種東西，但當這個東西解決更大的問題時，那就是創新。”