Самовосстанавливающийся бетон:

Бетону уже более 6000 лет, как строительному материалу, прошедшему сквозь века и оставшемуся востребованным. Но минусы изделия серьёзны и приводят порой к печальным последствиям в виде рухнувших зданий. Трещины всё равно со временем неизбежно появляются в материале и сокращают срок службы любого …

Виды самовосстанавливающихся бетонов

Современные производители предлагают большой выбор бетонных смесей, но самовосстанавливающиеся растворы пока еще находятся в стадии разработки и активно в строительстве не применяются. Существует несколько видов бетонов, созданных в разных точках мира, которые имеют все шансы стать популярными и частоприменимыми в будущем.

Какие виды самовосстанавливающихся бетонов бывают:

  1. Полимерные заплатки – это специальное покрытие на бетонные монолиты, которое состоит из полимерных капсул. Разработка ученых из Южной Кореи (университет Юнсэй). Принцип работы материала: поверхность бетонного монолита покрывают веществом с микрокапсулами с полимером, а когда появляются трещины, капсулы раскрываются и углубления заполняются жидкими полимерами, под ультрафиолетом полимер застывает и полностью восстанавливает прочность бетона. Работы еще идут, результаты впечатляют, но полимерное покрытие сохраняет целостность в течение всего одного года.
  2. Бактерии-реставраторы – это самозалечивающийся эластичный бетон, созданный учеными из Нидерландов (Хенк Йонкерс и Эрик Шланген). Работают бактерии рода Bacillus, принцип таков: в бетон добавили гранулы биоразлагающегося пластика с лактатом кальция и спорами бактерий (которые едят его). Споры много лет сохраняют жизнеспособность, не меняют свойства бетона (пока в гранулах), когда появляются трещины, поступающая влага растворяет гранулы, оказывается внутри, бактерии просыпаются, кушают лактат кальция и выделяют кальцит (известняк), который заполняет пустоты, скрепляя края трещин. В условиях лаборатории бактерии успешно заживляли трещины до 0.5 миллиметров, дальше будут испытывать в реальных условиях и искать методы понижения стоимости материала (в среднем он стоит на 50% больше, чем обычный цемент).
  3. Гибкий бетон ConFlexPave – создан в Сингапуре, демонстрирует прочность на уровне стальной арматуры и гибкость в 2 раза выше обычного материала. Эластичный бетон в составе имеет полимерное микроволокно, которое придает гибкость монолиту и усиливает адгезию его с покрываемой поверхностью. Композитный материал прочнее и легче, что особенно актуально в дорожном строительстве, возведении высоток. Первые типы гибких бетонов получили несколько десятилетий тому, они работают на скольжении материалов (в то время, как обычная смесь предполагает твердение компонентов и потерю эластичности), в связи с чем способствующие разрушениям деформации отсутствуют. Но стоит материал в 3 раза выше обычного.

Характеристики эластобетона

Материал не ломается на куски, как стекло. При больших нагрузках на сжатие он только прогибается. Образующиеся микротрещины не ведут к дальнейшему разрушению, как в обычных конструкциях. Причина такой прочности – в специальных добавках. Предназначены они для заливки полов в промышленных масштабах. Это уже финишное покрытие, которое не требует дополнительного выравнивания и пропиток. Применяется также эластичный материал при изготовлении цветной мозаики на полах – терраццо. Здесь отлично сочетаются разные оттенки и узоры.

Главное свойство бетона – это сохранение целостности структуры при возникновении разного рода нагрузок. Появление пустот вызывает постепенное разрушение изделия. Поэтому при внесении специальных компонентов данная техническая характеристика не должна быть ухудшена. Наоборот, они улучшают адгезию разных веществ между собой и армирующими элементами. Добавки снижают размеры возможных раковин, увеличивая срок эксплуатации изделий, улучшая прочностные данные и понижая влагопроницаемость затвердевшей массы.

bendablec6

Решение проблемы «по старинке»

Испытание на изгиб бетонного образца

Испытание на изгиб бетонного образца

Каждому первокурснику любого строительного или околостроительного учебного заведения известно: бетон не выдерживает серьезные нагрузки на изгиб, как не дорабатывай его подбор состава, и какие суперпластификаторы не добавляй. Как правило, прочность на изгиб бетона любой марки в 28-суточном возрасте меньше чем на сжатие 8, а то и в 10 раз. Этот недостаток проявляется в виде трещин в нижней части любого бетонного изделия, и как следствие, его раннее разрушение.

Для предотвращения проявления такого свойства, уже более 100 лет бетон армируют специальными каркасами, располагающимися в нижней части изделия. Арматура берет растягивающие нагрузки на себя, увеличивая долговечность бетона и его способность сопротивления изгибающим нагрузкам.

Но все это лирика, по сравнению с тем, что дает арматура, кроме стойкости к разрушению под действием изгибающих моментов.

Это:

  • возрастание веса конструкции, соответственно увеличивается нагрузка на основание, что также требует дополнительного усиления;
  • трудоемкость выполнения работ;
  • коррозия металла в бетонном теле, как одна из причин уменьшения его эксплуатационного срока;
  • затраты на металл значительны, как и услуги специалистов, работающих с ними.

С такими недостатками, можно сказать, смирились. Делаются дополнительные расчеты и допуски. В принципе, на армировании выстроен весь отлаженный строительный механизм в нашей стране. Новаторы смотрят на мир иначе — в том числе и на роль арматуры бетоне. Одни делают ее из пластика, другие, вообще, пытаются исключить…

Виды эластобетона

На практике используется несколько типов материала, отличающихся свойствами и характером действия:
• пластификаторы;
• противоморозные;
• модификаторы;
• замедлители;
• отвердители;
• вещества для самовыравнивания поверхностей.

Эластичные свойства придают цементному составу специальные добавки – пластификаторы. В их основе содержатся полимерные компоненты, которые вносятся в сухие смеси и жидкие бетонные растворы. Делается это с целью получения заданной текучести, влагопоглощения, пластичности. Вместе с тем они не должны иметь запаха, хорошо смешиваться с основным веществом – цементом, быть устойчивыми к воздействию растворителей, обладать минимальным уровнем испаряемости.

Важно! Пластификаторы увеличивают прочность цементного раствора после его окончательного отвердевания. Кроме обеспечения упругости, они снижают массу раствора. Например, перекрытие с такой бетонной стяжкой весит меньше. Следовательно, сокращается и нагрузка на опоры.

Основной проблемой всех типов бетонов является постепенное снижение прочности в результате влияния воды и низких температур. Добавки поднимают температурный порог промерзания. Это действие похоже на работу антифриза в воде, который не дает ей замерзнуть при отрицательной температуре. Слой бетона в 10 см может застывать в течение месяца при положительных ее значениях.

Противоморозные добавки сокращают сроки застывания независимо от наружного температурного режима. Замедление действия низкой температуры на смесь позволяет ей схватываться, а не промерзать. Так бывает с обычным раствором, положенным при морозах, после оттаивания стяжка рассыпается. Работа при -25°С не ухудшает строительных свойств кладки и стяжки. Излишки жидкости, благодаря добавкам, в ходе застывания испаряются, а не замерзают, разрывая конструкцию.

bendablec5

Модифицирующие средства изменяют внутреннюю структуру смеси таким образом, что расслоение бетона отсутствует даже при появлении микротрещин и попадании воды. Принцип действия модифицирующего порошка заключается во взаимодействии с водой. При этом образуется нейтральный или низкощелочной раствор. Кроме названных качеств, модификаторы снижают расход стройматериалов, уменьшают температуру замерзания жидкости, улучшают слипаемость отдельных ингредиентов.

Замедлители увеличивают период застывания цементного раствора. Такое свойство полезно при перевозке его на большие расстояния. Например, чем выше марка цемента, тем он быстрее застывает. Поэтому введение в состав замедлителей позволит устранить риск быстрого схватывания.

Отвердители или ускорители, наоборот, сокращают время отвердевания. Они проникают в микроструктуру цемента, равномерно распределяясь в молекулярной решетке. Данное свойство важно при непрерывности процесса и для увеличения скорости строительных работ. Ускорители, как противоморозные добавки, можно применять при низких значениях температуры воздуха. Специальные средства для самовыравнивающейся смеси придают ей высокую прочность и улучшают характеристики подвижности и текучести.

Заметка! Выпускаемые спецдобавки для бетонных смесей ускоряют работу по кладке или стяжке, отделке наружных покрытий. Если раньше для выведения воздуха применялись различные механические уплотнители, то теперь его удаление происходит без участия людей или оборудования.

bendablec1

Подробнее о бетонных инновациях

Разработки и работы по созданию гибкого бетона, способного к самовосстановлению, ведутся давно. Так, на базе Бингемтонского университета (штат Нью-Йорк) с помощью ученых университета Рутгерса была создана новая смесь – ее назвали самовосстанавливающимся бетоном. Материал еще известен как грибковый бетон и у него есть потенциал исключить проблемы появления на бетонном монолите трещин.

как работают бактерии по заполнению бетона

Ученые выявили интересный момент: взяв гриб Trichoderma reesei, вмешали его в традиционную цементную смесь, потом залили конструкцию и искусственно создали трещины. При обнаружении первой трещины грибок (до того спящий) активизировался. По мере того, как в трещины попадали кислород и вода, споры грибов росли и создавали карбонат кальция, заполняющий и скрепляющий трещины.

Пока исследования находятся все еще на первой стадии, остается масса неисследованных вопросов и самый важный из них касается выживаемости грибка Trichoderma reesei в суровых условиях.

как действует на бетон грибок

Дальнейшие погружения в раствор

Другая группа ученых из Университета Кардиффа (Уэльс) тестировала 3 технологии исцеления бетона: полимерную память формы, использование бактерий и целебных агентов через микрокапсулы, закачку органических/неорганических материалов в структуру материала.

В Британской Колумбии ученые университета «Виктории» (факультета гражданского строительства) объявили про запуск различных экспериментов с волокнами (древесная целлюлоза, зольная пыль). Они могут помочь создать уникальную формулу бетона, способного к самовосстановлению.

В Канаде же создали экологически чистый композит на базе пластично-цементной смеси. Данный строительный материал армирован полимерными волокнами и в ходе испытаний выяснилось, что такой раствор способен выдерживать толчки землетрясения мощностью до 9 баллов по шкале Рихтера.

микрокапсулы для восстановления бетона

От современных исследований к древнему Риму

Идея бетона и самого цемента римлянами была не придумана, а заимствована у древних греков. Так, есть пример хорошо сохранившегося водопроводного резервуара в греческом городе Мегара – его конструкции были обмазаны чем-то похожим на цемент. И если изучить этот цемент, можно отыскать особый компонент, который придает крепость и прочность древнеримским зданиям.

Состав греческого цемента включал вулканический пепел – сегодня он называется «пуццолан». Тогда его добывали у холмов города Путеолы (сегодня Поццуоли) возле Везувия, от чего и произошло название вещества. Бетон с вулканическим пеплом в Древнем Риме начали применять со 2 в. до н.э. В смеси вводили пуццолан, известь, пемзу, вулканический туф, камни, песок.

Материал свой древние римляне называли греческим словом «emplekton» или латинским «rudus», вяжущее – «оpus caementum». Французский термин «бетон» появился лишь в 18 столетии.

секрет древнеримского бетона

Инновация профессора Ричарда Римана

Профессор Ричард Риман умудрился создать легкий и экологически чистый бетон, которому присущи свойства гидротермального жидкофазного уплотнения. Профессор утверждает, что он смог понизить углеродный след цемента/бетона до 70%, а в итоге даже не исключено поглощение углекислого газа. Но эта технология, как и все современные разработки, требует тщательного изучения, доработки, получения достоверных результатов проверок и т.д.

Секреты древнеримских технологий

Американские ученые несколько лет тому исследовали древнеримский оpus caementum, сравнивали с составом современного материала и отыскали причину крепости и прочности. В пуццолане содержится большой объем силиката алюминия (в современном бетоне его нет), который при замешивании с морской водой дает горячую химическую реакцию, в ходе которой в структуре раствора появляется минерал алюминий-тоберморит, он и отвечает за повышенную прочность.

Особенно актуально изучение этого химического процесса в морских строениях. Так, созданная по римским технологиям гавань Ирода Великого (Кесария, 1 в. до н.э., включает порт и комплекс защитных сооружений) две тысячи лет омывается постоянно морскими волнами, уходя частично под воду. И реакция с образованием Al-тоберморита в монолите постепенно идет годами, сотнями лет (возможно, и сегодня). Бетон портовых сооружений становится более прочным с каждым днем и неизвестно, сколько еще может простоять в будущем.

бетонные строения в древнем риме

Римские строители применяли бетон в разных вариантах, они же стандартизировали состав смеси: нормировали технологии, изучили химический состав, соблюдали нормативы. И прочность бетонного монолита в зданиях, что построены сегодня, рассчитана на 100-120 лет максимум, а римские сооружения стоят уже 2000 лет и переживут еще и современные конструкции.

Самозалечивающийся эластичный бетон

В Нидерландах создан новый вид бетонов, который может «залечивать» сам себя с помощью бактериальных микроорганизмов, вырабатывающих известковые материалы. Его принцип действия заключается в закладке в ходе формирования раствора капсул с бактериями, находящимися в состоянии анабиоза. В случае повреждения конструкции и проникновения в неё влаги капсулы разрушаются, а бактерии под действием жидкости пробуждаются. Питательная среда позволяет им жить и вырабатывать известковую смесь, которая заделывает трещины, восстанавливая целостность конструкции.

При решении проблемы создания «самоизлечивающегося» бетона нужно было решить вопросы, касающиеся бактерий:
1. Найти вид, который способен выжить в агрессивной щелочной среде;
2. Обеспечить их длительную сохранность;
3. Способность к активизации при благоприятных условиях.

bendablec3
Ученые выбрали бациллы из рода палочковидных, которые образуют внутриклеточные споры. Для них жить в щелочи – нормальное явление, как и находиться долгое время в спячке. После активизации им необходима питательная среда. Сахар для этой цели не годился, поскольку делает бетон рыхлым. Остановились на лактате кальция – кальциевой соли молочной кислоты (пищевая добавка Е327). В роли капсулы выступает синтетическое вещество, разлагающееся под действием естественных факторов.

Сейчас ученые работают над природоподобными материалами, которые используются не только в строительной индустрии, но и в информационных и компьютерных системах.

Недостатки материала

Даже шаг в будущее не спасает от недостатков материала. Бетонный раствор не исключение. Трещины будут появляться всё равно, время неумолимо. А стоит только попасть влаге на металлическую арматуру, как скорость разрушения увеличится в разы. Потеря первоначальной прочности всегда опасна.

Надеемся на вас, учёные, и ждём в будущем прочных не разрушающихся зданий!

Но что можно сказать о минусах самовосстаналивающегося бетона? Пока рано делать далеко идущие выводы, так как исследования ещё продолжаются. Вероятно, в скором времени результаты будут опубликованы на официальном уровне и материал начнёт своё широкое применение в сфере строительства.

Применение грибкового бетона

Сегодня технологии не стоят на месте и постоянно развиваются. Это происходит благодаря неустанным исследованиям ученых в области строительных материалов. Благодаря их практическим опытам, научные знания объединяются с предметами бытовой, общественной жизни и позволяют идти в будущее в ногу со временем.

Благодаря новому бетону, можно не беспокоиться за прочность бетонных конструкций и появлению на них возможных трещин. Новый строительный бетон очень практичен и уже не является выдумкой писателей-фантастов, сегодня это уже реальность.

На практике изделия из биобетона можно использовать где угодно. Например, при строительстве бетонных мостов и стратегических объектов разного типа. Еще грибковый продукт можно применять при создании бетонных дорог, и тогда можно позабыть об их регулярном ремонте с наступлением весны.

Очень необычным местом использования инновационного материала являются саркофаги над реакторами, либо места хранения ядерных отходов и химикатов. Бетон с повышенной прочностью и функцией самовосстановления открывает большие возможности в области строительства подводных сооружений и конструкций.

Плюсы и минусы самозалечивающегося бетона

Микроскопическая съемка спор с тысячекратным увеличением

Микроскопическая съемка T. ressei с увеличением x1000, показывающая, что споры растут одинаково хорошо как с бетоном, так и без него [8]
Бетон — строительный материал, который в жидком состоянии обладает текучестью воды, что даёт возможность заливать цементный раствор в любые формы и ниши. В затвердевшем же состоянии бетон обладает твердостью камня, что делает его незаменимым в строительстве крупных объектов (мосты, высотные здания, плотины и так далее).
Разрушительно влияют на бетон влага, перепады температур, воздействие химикатов, коррозия, со временем материалу свойственно рассыхаться. Самовосстанавливающийся бетон отличается более высокой стойкостью к влиянию внешних разрушающих факторов и обладает свойством самовосстановления.

Посмотрите видео «Гибкий бетон»

        Поделиться:

Будущее самовосстанавливающегося бетона


Образцы самовосстанавливающегося бетона и сами биологические капсулы

Разработка Хенка Джонкерса потрясла весь мир. В настоящее время подобная технология тестируется в лабораториях всех институтов по разработке бетона. Слова главного инженера Кардиффского университета, профессора Боба Ларка, обнадежили всех строителей без исключения: «Сейчас мы дорабатываем эту технологию, подобно тому, как ювелиры огранят алмаз, превращая его в бриллиант.

Мы доводим до совершенства функции самовосстановления бетона без участия человека, что без сомнения, значительно снизит затраты на ремонт в будущем, и продлит срок эксплуатации бетона в несколько раз».

Технология, представленная Хенком Джонкерсом и его командой, разрабатывается в трех направлениях:

  • самовосстанавливающийся бетон;
  • регенерирующие ремонтные растворы;
  • целебная функция воды в бетоне.

Вне сомнения, первая технология является приоритетом для разработок, так как современное строительство нуждается в самовосстанавливающемся бетоне, который не нужно ремонтировать и обновлять.


Трещины в бетоне, восстановленные инкапсулированными бактериями

  1. Первый метод, или как его еще называют «Бактерии Джонкерса», вводят в бетон на этапе производства, смешивая с цементом.
  2. По второй технологии, ремонтный раствор с подобными активными веществами наносят на пораженную поверхность. Такая смесь при нагревании и воздействии маломощного тока активизируется и «залечивает» малые трещины полностью, а большие уменьшает в размерах.
  3. Когда же по третьей технологии, минеральные вещества растворяют в воде, и вводят их в тело бетона по его миро−канальцам. «Живая» вода растекается по всему телу бетона, борясь как с внешними, так и с внутренними трещинами.


Восстановленные внутренние микротрещины под микроскопом

В настоящее время на испытательном полигоне выстроено 6 стен с применением вышеперечисленных технологий. Ученые будут испытывать такой бетон не только на прочность в лаборатории, но и следить за его регенерирующими свойствами под открытым небом, делая выводы и дорабатывая несовершенства.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...