Интересные факты о строительстве: бетоны будущего

1. Самовосстанавливающийся «живой» бетон (биобетон)

Голландский микробиолог Хенк Джонкерс (Henk Jonkers) из Делфтского технического университета, город Делфт, Нидерланды (старейший и крупнейший технический университет страны), разработал биологический механизм, позволяющий автоматически заделывать трещины в бетоне. Суть его такова. При изготовлении бетона в качестве одного из ингредиентов материала используют гранулы-капсулы, содержащие бактерии, точнее их споры, и питательные вещества для них, которые максимально равномерно распределены в толще материала. В обычном состоянии бактерии неактивны. После того как в бетоне появляется трещина, поступающая внутрь вода растворяет капсулы и активизирует жизненный цикл бактерий. В процессе жизнедеятельности они размножаются и вырабатывают известняк (кальцит) из питательной среды, помещенной в гранулы-капсулы вместе с их спорами, который и закупоривает трещины именно в том месте, где они появились, восстанавливая целостность бетона практически до первоначального состояния.

История создания данного бетона началась не так давно. В 2006 году один строитель-технолог обратился к Хенку Джонкерсу с вопросом, нельзя ли создать самовосстанавливающийся бетон с помощью каких-либо бактерий. Джонкерсу удалось решить эту задачу, не смотря на сложность и нетривиальность вопроса, всего за три года. Бактерия должна как-то выживать в очень жёсткой среде внутри материала годами: бетон похож на камень (его даже, иногда, называют «бетонный камень»), он сухой (остаточная объемная влажность бетона, обычно, около 2,5%), и к тому же он имеет щелочную среду. Ученый, для этой цели, выбрал палочковидные бактерии рода бацилл, которые могут существовать в щелочной среде, а их споры десятилетиями выживают без еды, воды и кислорода. Оставалось только обеспечить им питание. Обычно, для этого использовали простой сахар, но он разрушает бетон. После долгих поисков было найдено решение – им оказался лактат кальция. Осталось только «дело техники» - заключать бактерии, вместе с их едой, в гранулы-капсулы из биоразлагаемого пластика, который может быть растворен водой.

Это изобретение, как надеялся ученый, может открыть новую веху в строительстве, позволяя строить бетонные конструкции жилых зданий, инженерных и прочих сооружений, которые прослужат гораздо дольше без какого-либо дорогостоящего ремонта.

Дополнительным преимуществом такого бетона является отсутствие необходимости вносить какие-либо существенные и дорогостоящие изменения в производственные линии существующих заводов для его производства.

Хенк Джонкерс испытывает свой материал:

Фотография с сайта canada.constructconnect.com

2. Гибкий самовосстанавливающийся бетон

Новый тип армированного микроскопическим оптоволокном гибкого бетона со специальными добавками, был изобретен китайскими учеными Виктором Ли (Victor Li) и Инцзы Янгом (Yingzi Yang), работающими в университете Мичигана (University of Michigan), США. Внешне бетон нового типа похож на обычный, но в 500 раз более трещиностоек и на 40% более легок, состоит, в основной своей массе, из тех же компонентов, что и обычный бетон, плюс микроскопические оптоволокна и специальный минеральный комплекс, минус – крупная минеральная фракция.

Гибкость бетона стала возможна благодаря включению в смесь микроскопических ультратонких волокон, объем которых составляет примерно 2% от общего объема смеси, которые равномерно воспринимают нагрузки, распределяя их по всему объему бетона. Подобные волокна не закрепляются «намертво» в бетонном камне и под давлением они как бы «проскальзывают» относительно друг друга, позволяя бетонному изделию изгибаться. Надо отметить, что данные волокна совершенно не похожи на фиброволокна, которые широко используются, например, при устройстве полусухой стяжки или ячеечного бетона.

Принцип самовосстанавления бетона изобретателям подсказал уникальный минеральный состав морских раковин, способствующий их быстрому росту. Ученые сумели выделить этот минеральный комплекс и добавили его в бетонный раствор. Результаты превзошли все ожидания: при воздействии больших нагрузок бетон не ломался, а покрывался мелкими трещинками, а после снятия нагрузки восстанавливал свою целостность. Для того, чтобы запустить механизм «лечения» нужно небольшое количество воды, например - дождик. Соединения в бетонном растворе реагируют с водой и углекислым газом, содержащимся в атмосфере и создают внутри бетона очаги из карбоната кальция. Формируются своего рода «шрамы», скрепляющие трещины, причем восстановленный таким путем участок имеет почти такую же прочность, как и до повреждения.

Получаемые по вышеизложенному принципу материалы носят название Engineered Cement Composites (ECC), то есть проектируемые цементные композиты.

Материалы, с использованием микроволокон (пока без минерального комплекса из ракушек; по крайней мере об этом мы не смогли найти данные), уже начали находить свое практическое применение на ряде строительных объектов.

Сравнительные научные исследования, показывают, что за 60 лет эксплуатации мостового настила из материалов ЕСС удастся сократить, по сравнению с обычным бетоном:

• на 37% эксплуатационные расходы;
  
  
• на 40% энергопотребление;
  
  
• на 39% эмиссию углекислого газа (двуокиси углерода, СО2 главной причины глобального потепления) по сравнению с обычным бетоном. Полученные данные верны при условии, что ЕСС вдвое долговечнее обычного бетона, что еще нуждается в подтверждении в ходе дальнейших научных исследований.
  
  

Фотография с сайта i4future.ru.

3. Прозрачный бетон

На самом деле, бетон не прозрачный, а светопроводящий, хотя, в обиходе, его и называют «прозрачным бетоном». Изобрел его инженер из Венгрии Арон Локонши, который провел эксперимент, проложив в теле бетона оптоволоконные нити. Результат был удивительным. Свет, направленный на поверхность толстой непроницаемой плиты, легко проходил сквозь нее.

Состав светопрозрачного бетона отличается от традиционного отсутствием крупного заполнителя. Кроме того, в бетонную (точнее, пескобетонную) смесь, состоящую из портландцемента, песка, воды и пластификаторов добавляются тонкие (до 2 миллиметров, обычно – 0,25-0,50 мм) светопроводящие кварцевые оптоволокна. Бетонный раствор может колероваться в различные цвета.

Светопропускная способность бетонной плиты не зависит от толщины, а только от плотности расположения оптоволокон. Чем она больше, тем интенсивнее проникают лучи сквозь конструкцию. Связано это с тем, что прохождение света осуществляется через оптоволокна: попадая на торец проводника, свет многократно отражается, преломляется в изгибах и выходит через другой конец. При отсутствии источника света бетонная плита выглядит как обычная.

Производство изделий из прозрачного бетона уже поставлено на промышленный поток, но не широко распространено из-за дороговизны данного материала, связанной с высокой ценой на оптоволокно. В настоящее время применение прозрачного бетона связано с его исключительными декоративными качествами, в силовых конструкциях он не применяется.

Основа прозрачного бетона - высококачественный портландцемент марок М300-М700. В качестве наполнителя используется кварцевый мытый песок фракции 2-3 мм, гранитная или мраморная крошка. Для улучшения удобоукладываемости смеси используют пластификаторы, понижающие водоцементное соотношение. Светопроводность составу придает оптическое стекловолокно (содержание волокон – до 5%), которое укладывают равномерно по толщине плиты, чтобы создать направление световому потоку. Из оптоволокон можно формировать подсвечиваемые логотипы, картины или надписи. Помимо светопроницаемости, включение волокон в состав бетонного камня придает ему высокую прочность на сжатие и изгиб из-за эффекта армирования. Но надо учесть, что наличие большего количества светопроводящих элементов увеличивает прозрачность, но одновременно и ухудшает эксплуатационные характеристики материала.

Механические и физические свойства прозрачного бетона близки к стандартному бетону:

• плотность составляет 2050-2400 кг/м³;
  
  
• прочность на сжатие не менее 20 МПа;
  
  
• класс морозостойкости до F100;
  
  
• коэффициент теплопроводности 0,1-0,2 Вт/м°С;
  
  
• водонепроницаемость W4 — W6;
  
  
• водопоглощение до 8%;
  
  
• группа горючести НГ;
  
  
• индекс звукоизоляции 48-52 дБ.

Он экологически безопасен и устойчив к УФ-излучению. Но прозрачный бетон неустойчив к силикатной коррозии во влажной среде, поэтому его поверхность обрабатывают защитными составами: пропитками на водной или силиконовой основе; воском для камня; литиевыми пропитками; лаками. Они придают поверхности более высокую износостойкость, устойчивость к агрессивным средам, влагостойкость.

Фотография с сайта pressa.tv.

Фотография с сайта innowire.ru.

В разделе использованы материалы с сайта betonpro100.ru.

4. «Римский» бетон

Здания и сооружения Древнего Рима смогли простоять в течение очень долгого времени, несколько тысячелетий, поэтому строительные материалы, изготовленные по схожим принципам, сегодня в фокусе внимания ученых. Исследователи из Калифорнийского университета сделали в данном направлении настоящий прорыв, раскрыв секрет долгой жизни строений Древнего Рима. Оказывается, древнеримские строители использовали особый рецепт для приготовления бетона.

В отличие от современного бетона, строители Древнего Рима использовали для производства раствора вулканические известковые породы. Эти породы создают более регулярную кристаллическую сетку в процессе схватывания древнеримского бетона, делая его весьма однородным (и более однородным, чем современный типовой бетон). Такой материал устойчив к коррозии и является более плотным. Это также снижает риск появления микротрещин в бетоне с течением времени, заметно увеличивая продолжительность жизни материала: как показал «исторический эксперимент» - до 2000 лет.

Но "римский" бетон не только прочнее, чем его современный собрат, он также и экологичнее. Как известно, при изготовлении портландцемента ингредиенты нагревают до температуры более 1400 градусов по Цельсию, что способствует массированному выделению углекислого газа. Согласно некоторым подсчетам, это дает до 7% от всех мировых выбросов углерода. А вот "римский" бетон не нуждается в таком нагреве, а это означает, что новый материал прочнее и экологичнее традиционного аналога.

Часть бетонного древнеримского трубопровода:

Фотография с сайта ru.wikipedia.org.

В разделе использованы материалы с сайта econet.ru.

5. «Зеленые» бетоны

На самом деле, под брендом «Зеленый бетон» совершенно в разных уголках Земли появляются различные материалы, в которых ученые находят замену цементу в бетоне, повышая как его эксплуатационные характеристики, так и делая его все более и более экологичным. Упомянем только два таких исследования, одно из которых уже внедряется в жизнь.

Ученые из Массачусетского технологического института разработали технологию, которая предполагает полностью исключить цемент из бетона. Сотрудники кафедры гражданской и экологической инженерии предложили выпускать так называемый "зеленый" бетон, который для производства бетонной смеси использует такие органические материалы, как кости, ракушки, морские губки, и т.д. Эта разработка позволяет устранить два серьезных недостатка портландцемента - большое количество энергии, необходимое для его производства, и неизбежное появление микротрещин в бетоне, образующихся с течением времени. Правда, пока, такой бетон очень дорог.

Остановимся еще на одном «зеленом бетоне», который, уже, внедряется в производство, в том числе и в России. Это геополимерный (или природный) бетон - инновационный и экологически чистый строительный материал, разработанный в Технологическом Университете Луизианы, который был впервые представлен на транспортной выставке, проходящей в Научном Центре Детройта.

Разработанный доктором Эрезом Эллоче и его командой геополимерный бетон, относится к молодому классу цементирующих материалов. В его состав входит зольная пыль (размельченные зола и шлак) - один из самых распространенных промышленных побочных продуктов. Она выступает в роли заменителя портландцемента, который является самым широко производимым человеком материалом на земле.

Геополимерный бетон обладает прекрасными эксплуатационными характеристиками, такими как:

• низкая теплопроводность (стена из него толщиной всего в 30 см сохраняет тепло так же, как кирпичная, но толщиной в 1,25 м);
  
  
• малая усадка;
  
  
• высокая прочность на сжатие;
  
  
• устойчивость к кислотам;
  
  
• низкая проницаемость (этот показатель почти равен аналогичному показателю гранита);
  
  
• отличная устойчивость против высоких температур – до +1300°С (Ученые провели эксперимент: на протяжении 120 минут подвергали панели из геополимерного бетона и бетона из портландцемента воздействию очень высокой температуры. После этого изделия из геополимерного бетона остались совершенно целыми, в то время как на панелях из портландцемента появилось много трещин и сколов).

Но, возможно, самое большое преимущество геополимерного бетона, по сравнению с обычным, заключается в значительном меньшем (на 90%) выделении им парниковых газов.

Исследования, связанные с совершенствованием геополимерного цемента продолжаются. Предполагается, что следующее его поколение будет еще более устойчивым к деструктивным воздействиям, по сравнению с обычным цементом.

Стена из геополимерного бетона:

Фотография с сайта highlogistic.ru.

В разделе использованы материалы с сайтов econet.ru и globalscience.ru.