春季施工季节正在进行，未来几个月将使用许多吨混凝土。不幸的是，混凝土是一种易碎的材料:在受到应力的作用下，它在断裂之前不能弯曲太远。现在正在浇筑的一些路面在几年内就会开裂，需要昂贵的维修费用。新的混凝土将被混合，循环又将开始。

但是一个更好的解决方案已经出现了。我的实验室在密歇根大学，与世界各地的许多其他实验室一起表明，有可能使混凝土更加延展性 - 即在不压裂的情况下弯曲。可弯曲的混凝土使基础设施更安全，扩展其使用寿命并降低维护成本和资源使用。

民用基础设施很少会垮塌，因为它缺乏抗压强度——承受将其推到一起的载荷的能力，就像柱子支撑建筑的重量一样。大多数破坏发生的原因是结构没有足够的能力来承受拉伸载荷——变形或拉伸而不破裂的能力——即使钢筋经常添加到混凝土中以防止灾难性的结构破坏。

对美国基础设施糟糕状况的许多严重担忧可以追溯到混凝土的脆弱。混凝土裂缝会降低建筑物的使用寿命。它们也削弱了它，使它对地震或龙卷风等自然力量或人为力量(如恐怖袭击中的炸弹爆炸)的抵御能力减弱。

例如，由于建筑和高速公路崩溃，52人在1989年的北加州北加州普罗斯地震死亡。Major freeways also sustained heavy damage in the 1994 Northridge earthquake in Los Angeles, including one that had been rebuilt after a quake in 1971. If the quake had occurred during a weekday rush hour, rather than at 4:30 a.m. on a Monday holiday, the results could have been catastrophic.

重复的基础设施维修和重建需要大量的材料和能源。研究表明，频繁维修活动的碳足迹和能源足迹，以及它们产生的社会和经济成本，远远超过最初的建设。我们都在交通堵塞、高税收和空气污染的时候付出了这些代价。

使混凝土弯曲

为了开发延展性混凝土，我们的实验室借鉴了nacre的想法，也被称为珍珠母——鲍鱼壳内部的彩虹色材料。

软体动物用文石制造珍珠，文石是碳酸钙的一种天然形式，它本身非常脆。但珍珠质具有延展性，因为它的结构是纳米级的，看起来像一堵砖墙。这些“砖块”是由文石薄片组成的薄层，而它们之间的“砂浆”是一种非常有弹性的天然聚合物。这种聚合物将坚硬的文石层固定在一起，但允许它们在压力下从一边滑到另一边。这种结构使珍珠质既坚固又有弹性。

混凝土是一种混合物，通常由砾石和砂粒与水泥结合在一起。为了设计延展性混凝土，我们通过在复合材料中分散微小的纤维来模仿珍珠的“给予”。在适当的控制下，纤维和水泥之间的界面会在珍珠层中重新产生可控制的滑移。

我们称之为韧性混凝土工程胶凝复合材料(ECC)或应变硬化胶凝复合材料。在其破坏之前，它可以在受拉时变形高达3%到5%，这使它的抗拉应变能力比普通混凝土高出300到500倍。这使得它的一块板可以经受多次弯曲而不会断裂成碎片，从而赢得了柔性或可弯曲混凝土的绰号。

ECC是由密歇根大学发明的，现在它已经收购了数百所大学和工业实体，进行进一步的工程研究和技术开发。

用于可弯曲混凝土

使混凝土可弯曲解决了传统混凝土的几个关键缺陷。首先，抑制脆性断裂可以防止大裂缝的形成，从而使水和道路盐等其他腐蚀剂很容易渗入混凝土结构，攻击其钢筋。

实验证据和我们的理论计算表明，氯化物从桥面上的路盐到达并腐蚀钢筋的时间可以从几年延长到几十年。从修补到连接桥面板，许多项目都利用了这种抑制断裂的能力，极大地延长了使用寿命。

可弯曲混凝土还能使结构元素吸收大量的能量。例如，制造商已经开发了ECC阻尼器，用于改造日本东海岸28公里长的Seisho Bypass高架桥，并帮助新的高层建筑在地震中更具弹性，其中包括东京和大阪的几座建筑。柔性混凝土还有许多其他潜在的大规模工业应用，包括水基础设施和地下建筑。

ECC的广泛使用需要良好的供应链和对材料的智能使用，以优化成本经济。最重要的障碍是，ECC对于结构工程师来说仍然是相对新颖的，他们接受的训练是假定混凝土不能承受张力。

可弯曲混凝土如何自愈

我们的混凝土复合材料也可以学习新的技巧。例如，当它受损时，形成的发丝裂纹可以通过暴露在水和空气中进行愈合。通过持续的水化和碳矿化，自生反应创造出愈合产品，将裂缝表面粘在一起，就像我们的皮肤从纸上划伤愈合一样。自愈混凝土可以使道路和桥梁等结构更加耐用。

可弯曲混凝土还可以调节其自身的热容量，以便在外部温度较高时储存更多的热量，保持建筑内部凉爽。当温度达到人类不舒服的水平时，混凝土中封装的微米级蜡状材料就会从固体变成液体，就像小冰块融化成水一样。

我们目前正在教ECC中和污染物，从而帮助保持城市环境中的空气清洁。在复合材料中嵌入纳米钛粒子，通过阳光催化反应将污染物分解为无害物质。

这些自主和自适应的功能特征有助于未来智能城市的发展，基础设施可以应对环境变化。我们的目标是创造新一代智能、可弯曲的混凝土，帮助建立和维持一个有弹性、可持续和健康的生活环境。

Victor Li是密歇根大学的工程学教授。本文最初发表于谈话．