Hàng ngày, người Mỹ đi lại trên đường, cầu và đường cao tốc mà không quan tâm đến độ an toàn hoặc độ tin cậy của những công trình này. Tuy nhiên, phần lớn cơ sở hạ tầng giao thông ở Mỹ đã lỗi thời, xuống cấp và rất cần được sửa chữa.
Của 614,387 cầu Ví dụ, ở Mỹ, 39% đã cũ hơn tuổi thọ thiết kế của chúng, trong khi gần 10% thiếu hụt về mặt cấu trúc, nghĩa là chúng có thể bắt đầu hỏng nhanh hơn hoặc tệ hơn là dễ bị hỏng hóc thảm khốc.
Chi phí để sửa chữa và cải thiện cơ sở hạ tầng giao thông toàn quốc dao động từ gần 190 tỷ USD đến gần 1 nghìn tỷ đô la. Việc sửa chữa cơ sở hạ tầng của Hoa Kỳ tiêu tốn trung bình của mỗi hộ gia đình khoảng $ 3,400 mỗi năm. Chỉ riêng tình trạng tắc nghẽn giao thông được ước tính đã khiến người lái xe phải trả giá trung bình $1,400 trong nhiên liệu và thời gian đi lại, một cuộc kiểm kê toàn quốc về hơn 160 tỷ đô la mỗi năm.
tôi là giáo sư tại Trường Kỹ thuật Xây dựng Lyles và là giám đốc của Trung tâm Cơ sở hạ tầng thông minh tại Đại học Purdue. Đồng tác giả của tôi, Vishal Saravade, là thành viên trong nhóm của tôi tại Phòng thí nghiệm Vật liệu bền vững và Công nghệ tái tạo (SMART). Phòng thí nghiệm SMART nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới để làm cho cơ sở hạ tầng của Mỹ trở nên “thông minh”, an toàn hơn và tiết kiệm chi phí hơn. Các hệ thống mới này tự giám sát tình trạng đường và cầu một cách nhanh chóng và chính xác và đôi khi thậm chí có thể tự sửa chữa.
Bê tông thông minh, tự phục hồi
Cơ sở hạ tầng—cầu, đường cao tốc, vỉa hè—xuống cấp theo thời gian khi được sử dụng liên tục. Tuy nhiên, tuổi thọ của các công trình có thể được kéo dài nếu thiệt hại được theo dõi theo thời gian thực và đã sửa sớm. Ví dụ, ở miền bắc Hoa Kỳ, chu kỳ đóng băng-tan băng vào mùa đông khiến nước thấm vào mặt đường, nơi nó đóng băng, giãn nở và mở rộng các vết nứt, có thể gây ra thiệt hại đáng kể. Nếu không được sửa chữa, hư hỏng này có thể lan rộng và phá hủy mặt đường và cầu.
Những hư hỏng như vậy có thể được xác định và sửa chữa một cách tự động. Ví dụ, ở giai đoạn đầu của vết nứt, mặt đường tự phục hồi sẽ kích hoạt các polyme siêu hấp thụ để hấp thụ nước và tạo ra vật liệu giống như bê tông lấp đầy vết nứt. Có thể có những vết nứt nhỏ cỡ vài micron được chữa lành để ngăn ngừa thiệt hại đáng kể bằng cách ngăn chặn hoặc trì hoãn các giai đoạn sau của chu kỳ đóng băng-tan băng.
Công nghệ đường bộ
Nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới đang nỗ lực cải thiện cơ sở hạ tầng xây dựng. Các công nghệ đang được khám phá gần đây bao gồm đường thu năng lượng mặt trời và năng lượng, làn sạc cho xe điện, đèn đường thông minhvà giảm lượng khí thải liên quan đến carbon từ vật liệu xây dựng.
Tại Phòng thí nghiệm THÔNG MINH Purdue, nhóm của chúng tôi cũng đang thử nghiệm các cảm biến mới giám sát cơ sở hạ tầng giao thông bằng cách nhúng chúng vào một số đường cao tốc liên bang Indiana. Chúng tôi có kế hoạch mở rộng sang các hệ thống đường cao tốc khác của tiểu bang trong vài năm tới với mục tiêu đáp ứng tốt hơn lưu lượng truy cập tăng và cung cấp các ước tính chính xác về tình trạng đường trong quá trình xây dựng và tuổi thọ của nó.
Các cảm biến được gắn trên mặt đường bê tông thu thập thông tin về tình trạng của cơ sở hạ tầng trong thời gian thực và truyền đạt thông tin về tình trạng của cơ sở hạ tầng. dữ liệu tới máy tính. Tín hiệu điện được áp dụng thông qua các cảm biến. Các rung động của bê tông được chuyển đổi thành tín hiệu điện được đọc và phân tích bằng phần mềm tùy chỉnh do phòng thí nghiệm tạo ra. Điều này cho phép các kỹ sư vận tải đưa ra quyết định hiệu quả và dựa trên dữ liệu từ việc mở đường cho giao thông và chủ động xác định các vấn đề gây hư hỏng hoặc xuống cấp.
Ví dụ, sau khi đổ bê tông cho mặt đường đường cao tốc, phải mất nhiều giờ để xử lý và trở nên đủ chắc chắn để thông xe cho xe cộ qua lại. Thời điểm mở đường cao tốc phụ thuộc vào thời điểm hỗn hợp bê tông được xử lý. Nếu đường mở quá sớm và bê tông chưa được bảo dưỡng tốt, điều đó có thể làm giảm tuổi thọ của mặt đường và tăng chi phí bảo trì. Chờ đợi quá lâu để mở đường có thể dẫn đến ùn tắc giao thông, tắc nghẽn và tăng rủi ro về an toàn cho công nhân xây dựng và người đi lại. Việc bảo dưỡng bê tông cho các dự án đường cao tốc lớn đòi hỏi sự chú ý chặt chẽ của các kỹ sư kết hợp với thời tiết cụ thể của khu vực đó.
Cảm biến thông minh nhúng trong bê tông cho phép các kỹ sư giám sát cơ sở hạ tầng và đưa ra quyết định dựa trên dữ liệu về thời điểm có thể mở đường trong khi vẫn duy trì tuổi thọ tối đa. Cảm biến cũng có thể giúp giám sát chất lượng bê tông và liệu nó có đủ chắc chắn để chịu được lưu lượng giao thông và sự ăn mòn sau khi mở đường hay không. Cơ sở hạ tầng thông minh, hiệu quả có thể làm giảm đáng kể các hư hỏng về kết cấu, cả do thảm họa và do hao mòn thông thường, cũng như giúp giảm chi phí và cung cấp những phương pháp mới cho các kỹ sư kết cấu để đánh giá thông tin theo thời gian thực về mặt đường.
Tiết kiệm thời gian và tiền bạc
Quốc hội thừa nhận sự cần thiết phải đầu tư vào hệ thống giao thông của Mỹ. Gói pháp lý trị giá 494 tỷ USD Đạo luật ĐẦU TƯ Ở Mỹ, gần đây đã được giới thiệu để giải quyết vấn đề cầu và đường cao tốc đang xuống cấp ở Mỹ trong khi giảm bớt ô nhiễm carbon.
Cảm biến thông minh và hệ thống cơ sở hạ tầng thông minh có thể giúp tiết kiệm đáng kể thời gian và tiền bạc đồng thời cải thiện độ an toàn trong xây dựng. Cảm biến có thể cung cấp cho các kỹ sư dữ liệu thời gian thực về chất lượng cơ sở hạ tầng để đưa ra quyết định tốt nhất cho việc xây dựng và bảo trì đường, cầu và mặt đường đồng thời cải thiện sự an toàn cho người lái xe và công nhân xây dựng. Việc bổ sung các đặc tính tự sửa chữa có thể giúp xây dựng cơ sở hạ tầng bền vững và lâu dài để giảm chi phí và bảo trì.
Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.
