Самовосстанавливающийся бетон – стройматериал будущего
Главная страница » Самовосстанавливающийся бетон – стройматериал будущего
Бетон стабильно удерживает статус самого распространённого строительного материала. По различным оценкам, ежегодно в мире производится около 10 миллиардов тонн бетонной смеси. Однако популярный строительный материал, будучи в застывшем виде, имеет свойство деформироваться (трескаться) по истечении определённого времени. Поэтому очевидной видится тема: самовосстанавливающийся бетон, связанная с исследованиями, направленными на получение новых видов традиционного стройматериала.
Самовосстанавливающийся бетон – это реально
Учёные многих стран уже продолжительное время рассматривают методы производства самовосстанавливающегося бетона. И вот совсем недавно появились первые обнадёживающие результаты.
Согласно этим результатам научных исследований, эксплуатационные свойства популярного стройматериала обещают подняться на совершенно иной уровень.
Подробнее о бетонных инновациях
На базе Бингемтонского университета штата Нью-Йорк, при содействии учёных университета Рутгерса, разработана новая смесь — самовосстанавливающийся бетон.
Новый стройматериал, так называемый грибковый бетон, может навсегда освободить общество (и строительную индустрию в частности) от проблем восстановления трещин, неизбежно образующихся на старых строительных конструкциях.
Результат действия грибка Trichoderma reesei: 1,3 — состояние на момент образования трещины; 2,4 — состояние, спустя 100 дней после активации грибка Trichoderma reesei
Группа исследователей, занимающихся изучением новых свойств бетона, выявили интересный момент. Учёные взяли гриб Trichoderma reesei и подмешали в классическую цементную смесь.
Затем произвели из раствора строительную конструкцию и спустя некоторое время, искусственным путём создали на теле конструкции трещины.
Их удивлению не было предела, когда обнаружилось, что с появлением первой трещины, спящий до этого момента грибок Trichoderma reesei неожиданно активизировался.
По мере проникновения воды и кислорода внутрь трещин, споры грибов начинают прорастать. В процессе роста образуется карбонат кальция, который непроизвольно заполняет и накрепко мурует трещины.
Правда, исследования самовосстанавливающегося бетона пока что находятся на ранней стадии. Остаются нераскрытыми множество вопросов и в частности на тот счёт, выживет ли грибок Trichoderma reesei в суровых условиях эксплуатации бетонных строений.
Дальнейшие погружения в раствор
Тем временем другая группа — ученые Университета Кардиффа, основанного в Уэльсе, протестировали три технологии целевого исцеления:
- Полимерную память формы.
- Закачку органических и неорганических материалов в структуру бетона.
- Использование целебных агентов и бактерий через микрокапсулы.
Ученые факультета гражданского строительства университета «Виктории», что в Британской Колумбии (Канада), объявили о запуске экспериментов с различными волокнами, такими как зольная пыль и древесная целлюлоза.
Древесная целлюлоза и зольная пыль — компоненты инновационного цементного раствора, способные привести к эффекту самовосстановления
По мнению учёных мужей, зольная пыль и древесная целлюлоза могут способствовать созданию уникальной формулы самовосстановления бетона.
Развитие свойств самовосстановления бетона — это не единственное направление исследований по строительному материалу.
Там же в Канаде, на базе того же университета «Виктории», разработали экологически чистый пластично-цементный композит.
Образец инновационного стройматериала пластично-цементного композита, армированного полимерными волокнами. Перспективный вариант обеспечения строительства в сейсмически опасных районах
Этот стройматериал армирован волокнами на основе полимера. Опытная симуляция экстремальных ситуаций показала, что пластично-цементный композит способен выдерживать землетрясения мощностью до 9,1 балла по шкале Рихтера.
От современных исследований к древнему Риму
Исследователи Массачусетского технологического института уже несколько лет к ряду изучают строение атомов бетона и пытаются экспериментировать.
Их не покидает надежда создать стройматериал повышенной долговечности с минимальным вредным воздействием на окружающую среду.
Разработана уникальная компьютерная модель, при помощи которой будет определяться долговечность бетонной структуры.
Инновация профессора Ричарда Римана
Между тем профессор Ричард Риман из университета «Рутгерса», уделяющий высокое внимание инженерным и материаловедческим исследованиям, в 2017 году создал экологически чистый легкий бетон.
Уникальный стройматериал, созданный профессором Ричардом Риманом. Структура, способная сохранять углерод
Материал обладает свойствами гидротермального жидкофазного уплотнения. По словам профессора, тем самым снижается углеродный след цемента и бетона до 70%, а в конечном итоге, не исключается поглощение углекислого газа.
Секреты древнеримских технологий
Отмечено: всё больше учёных обращаются к технологиям Древнего Рима. Секретов в этом направлении масса. Древние римляне строили бетонные сооружения настолько сильные и мощные, что их строения остаются стоять до сего дня.
Некоторые исследования древнего материала указывают на тот факт, что с возрастом структура древнеримского бетона становится только сильнее.
Сила древнего бетона исходит от небольших кристаллов структуры стройматериала, которые образуются, если вулканический пепел смешивается с морской водой. Есть повод задуматься.
О технологичных стройматериалах Древнего Рима
Самовосстанавливающийся бетон: виды, преимущества и недостатки
В мире производят миллионы тонн бетона, так как основная масса крупных и мелких сооружений строятся из этого строительного материала. Постоянно растущая потребность в увеличении срока эксплуатационной пригодности сооружений диктует необходимость развивать это направление. Мировая наука поднимает на новый уровень качество стройматериала, используя в его составе природные свойства живых организмов.
Характеристики и назначение нового стройматериала
Самовосстанавливающийся бетон – новая ступень в развитии строительных материалов. Согласно ГОСТ 25192-2012, ГОСТ 7473-2010, ГОСТ Р 57345-2016, ГОСТ Р 57359-2016, в производстве бетона определены: состав, структура, условия твердения и так далее [1-4]. Новый самовосстанавливающийся бетон отличается от классических рецептов добавлением в состав грибков и спор бактерий, способных выжить в щелочных условиях и придать строительному материалу новые свойства. В процессе своей жизнедеятельности бактерии вырабатывают вещества, восстанавливающие поврежденную поверхность бетонной конструкции.
Известный факт, что бетон со временем рассыхается, покрываясь трещинами, в которые проникает вода, а вместе с ней и микроорганизмы, начинающие процесс коррозии. В результате такого разрушения требуется дорогостоящий ремонт бетонного сооружения. Добавленные в состав грибки и споры бактерий могут находиться в состоянии покоя на протяжении десятилетий. Как только конструкция покрывается трещинами, и в них проникает вода, микроорганизмы активизируются и начинают вырабатывать карбонат кальция (известняк), заполняя этим материалом трещины в бетоне. Этот процесс самовосстановления продлевает срок эксплуатации бетонного строения.
Способы получения самовосстанавливающегося бетона с бактериями
Первая строка – контрольный образец; вторая – споры T. reesei; третья – Aspergillus nidulans [8]
Технический университет Делфта, Нидерланды [7]
Микробиолог Хэнк Джонкерс предложил в состав бетона добавлять бактерии рода Bacillus. Бактерии помещены в бетонную смесь в биоразлагаемых капсулах вместе с лактатом кальция. Как только в трещины на поверхности бетона начинает попадать вода, биоразлагаемая капсула растворяется, а бактерии, активизировавшись, начинают вырабатывать известняк, которым заполняются трещины в стройматериале. Лактат кальция используется как питательная среда для бактерий рода Bacillus.
Бингемтонский университет, штат Нью-Йорк и университет Рутгерса [8]
Группа ученых двух университетов добавила в смесь бетона споры грибка Trichoderma reesei [9]. После того, как на поверхности стройматериала начали появляться трещины, вода и воздух спровоцировали грибок активно прорастать, вырабатывая карбонат кальция, которым накрепко замуровались образовавшиеся повреждения.
Иные технологии самовосстановления
Развивая свойства строительных материалов и повышая их экономическую выгоду, в отличие от строительных норм и правил (СНиП 82-02-95, СНиП 82-01-95), регламентирующих расход цемента в производстве бетонных и железобетонных изделий, отечественная и мировая науки пошли дальше утвержденных стандартами правил, применения открытия в биологии и микробиологии [5, 6].
Севастопольский гос. университет
Группа ученых университета разработала технологию нанопорошков с добавлением штаммов бактерий. Добавленный в бетонную смесь ингредиент усиливает бетонный блок при сжатии на 94%. Этот строительный материал предполагается использовать в гидротехническом и берегоукрепительном строительстве.
Университет Мичигана, США [10]
Ученые Инцзы Ян и Виктор Ли, почерпнув идею из природных свойств роста и самовосстановления морских ракушек, добились того, что при длительном контакте самовосстанавливающегося бетона с водой образовавшиеся трещины зарубцовываются, заполняясь карбонатом кальция.
Университет «Виктория», Британская Колумбия
Ученые вывели пластичный цементный композит с применением в составе полимера, что дало бетону возможность выдерживать воздействие колебаний до 12 баллов по шкале Меркалли.
Нитрифицирующие бактерии
Растут бактерии в простых минеральных средах в почве и в водоемах. Специфичные микроорганизмы хорошо развиваются в жидкой среде. Нитрификация – это процесс превращения азотосодержащих соединений в нитриты, а затем в нитраты.
Исследования показывают, что нитрифицирующие бактерии наряду с аммонифицирующими бактериями и грибками участвуют в коррозии бетонных изделий, особенно подземных сооружений, коллекторов и так далее.
Плюсы и минусы самозалечивающегося бетона
Микроскопическая съемка T. ressei с увеличением x1000, показывающая, что споры растут одинаково хорошо как с бетоном, так и без него [8]
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.
Области применения
Бетон – прочный строительный материал, обладает необходимыми свойствами для строительства как крупных сооружений (мостов, эстакад, плотин на гидроэлектростанциях и т. д.), так и мелких строительных изделий (бордюров, мачт уличного освещения, железобетонных заборов и т. д.).
Новый самовосстанавливающийся материал необходим в местах, где производство мелких ремонтных работ и регулярный осмотр состояния сооружений невозможен:
- подземное строительство;
- подводное строительство;
- высотные здания;
- транспортные сооружения мостового типа.
Еще одно преимущество строительных материалов нового поколения – возможность экономии бюджетных средств, так как отсутствует необходимость в постоянном мелком ремонте сооружений. Регулярно выделяемые для этих целей деньги могут быть направлены на строительство новых объектов.
Самовосстанавливающийся бетон (самозалечивающийся эластичный, гибкий)
Самовосстанавливающийся бетон – это общее название разных современных разработок и инновационных решений, призванных изменить структуру материала и сделать его способным к восстановлению, стойкости к различным воздействиям. Ввиду того, что бетон сегодня является одним из наиболее востребованных и популярных материалов в ремонтно-строительной сфере, поиск новых методов производства актуален как никогда.
Каждый год в мире производят до 10 миллиардов тонн бетонного раствора. Несмотря на некоторые недостатки, заменить бетон материалом с такими же преимуществами и техническими характеристиками пока невозможно. Поэтому ученые всего мира постоянно проводят исследования и эксперименты в попытках нивелировать такие минусы бетона, как усадка, вероятность распространения трещин и деформаций, нестойкость ко внешним воздействиям и т.д.
Основное направление современных разработок – поиск самозалечивающегося, гибкого бетона, который будет эффективно противостоять деформациям и сможет восстанавливаться при любых воздействиях.
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:
- 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.
- 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).
- 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
студент факультета строительства и архитектуры Вятский государственный университет,
студент факультета строительства и архитектуры Вятский государственный университет,
старший преподаватель кафедры строительного производства Вятский государственный университет,
Аннотация. Цель данной статьи – рассмотреть новый тип бетона: состав, область применения, преимущества, недостатки.
Ключевые слова: бетон, восстановление бактериями, трещины в бетоне.
Бетон – это искусственный каменный строительный материал, состоящий из вяжущего вещества, крупных и мелких заполнителей, воды. Известно, что бетон использовался более 4000 лет назад. В средние века рецепт цемента был утерян, но в начале 19 века начали проводиться опыты по получению «нового» вяжущего материала для производства бетона. Первым, кому удалось заново открыть рецепт цемента, стал британец Джозеф Аспдин. В 1824 году при температуре около 1500С он получил мелко размолотый материал, который используется в качестве связующего в бетонах и растворах, назвали «портландцемент».
Через некоторое время люди столкнулись с проблемой слабости бетона к растяжению и изгибу. К началу 20-го века произошёл мощный толчок в строительстве. Путём экспериментов получили железобетон, где нагрузки на растяжение воспринимала на себя арматура из стали. Небоскрёбы, дамбы, гидроэлектростанции и другие сложные конструкции – всё это стало доступно.
Бетон считается очень прочным материалом и с течением времени становится только более твёрдым, но он не застрахован от появления трещин и микротрещин. В свою очередь, из-за трещин в материал попадает влага, которая приводит к нежелательным последствиям, таким как:
1. Снижение прочности из-за водной эрозии.
2. Повреждение армирующих элементов за счёт коррозии.
3. Распространение зловредных микроорганизмов.
4. Нарушение герметичности конструкций.
5. Лавинообразное падение характеристик бетонной конструкции.
Если заметить данные разрушения на начальном этапе, то процесс можно остановить, но для этого требуются большие трудовые и денежные затраты. Предугадать такие изменения крайне сложно, иногда, даже невозможно.
Но голландский учёный Хенк Джонкерс нашёл решение данной проблемы и подарил бетону «вечную жизнь», благодаря функции самовосстановления.
Всё самое логичное и упорядоченное человек всегда искал в природе. Так и поступил Хенк Джонкерс. Он взял за основу чудесное свойство регенерации костей человека, в котором большую роль играет кальций, также помимо перечисленного свойства, придающий прочность и пластичность скелету человека. В состав самовосстанавливающегося бетона, как раз и входят бактерии Bacillus pseudofirmus и Sporosarcina pasteurii, которые способны выжить в щелочной среде, такой как бетон, без дополнительных питательных веществ, а при взаимодействии с водой вступают в реакцию, тем самым способствуя образованию карбоната кальция, содержащего 40 % кальция. При действии влаги на данные бактерии, они выделяют известковое вещество, играющее роль некоторого «пластыря» для бетона (рисунок 1).
Рисунок 1.
Появилась замечательная идея, но был ряд вопросов, таких как: питание микроорганизмов и контроль их численности, которые и пришлось решить учёным.
Сначала первую проблему хотели решить при помощи ввода в состав бетона сахарного раствора, но это только ухудшило параметры бетона. В итоге была найдена альтернатива, и в качестве источника питания выступил лактат кальция, который на свойства бетона не влиял, либо это влияние было минимально.
Вторую проблему решили при помощи ввода бактерий в спящее состояние, в котором они могут пребывать до 200 лет при соответствующих условиях.
В итоге в общем виде идея приобрела реальные очертания: лактат кальция помещают в капсулы из биоразлагаемого пластика, размером от 2 до 4 мм, капсулы помещают в бетонный раствор с добавлением любых химически активных веществ, и при образовании трещин и соответствующем проникновении воды, они активизируются и потребляя пищевой ресурс выделяют известняк, тем самым залечивая «рану» в теле бетона (Рисунок 2).
Рисунок 2.
Что интересно, данные бактерии не несут вред и опасность для человека, даже если они попадут в организм, то будут совершенно безвредны.
Ещё одним значительным свойством данного бетона является большая устойчивость при изгибе, по сравнению с обычным бетоном. После снятия нагрузки на его поверхность, бетон сразу начинает процесс самовосстановления (Рисунок 3)
Рисунок 3.
Данная технология самовосстанавливающегося бетона находится в тестовом режиме. Учёные пытаются довести разработку до совершенства и снизить цену на материал будущего, так как сейчас 1 м³ обычного бетона стоит в 3 раза дешевле инкапсулированного бактериями бетона. И это пока что единственный минус данного бетона, который Хенк Джонкерс и его команда пытается свести к минимуму и сделать свою разработку в два раза дешевле. Естественно цена самозалечивающегося бетона будет выше цены обычного, но эта разница окупится за долговечный эксплуатационный период бетонных сооружений без дополнительного вмешательства человека.
В будущем этот бетон планируется использовать при строительстве сложных, ответственных конструкций, например, мостов.
Эластичный бетон: характеристики и виды
Бетон, как строительное средство, был впервые получен еще в Древнем Риме. Но с тех пор требования к его качеству и характеристикам выросли многократно. Возведение сооружений в сейсмически опасных зонах и под водой вызвало необходимость получения новых типов бетона, которые бы обладали повышенной прочностью и упругостью одновременно.
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.
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.
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.
Гибкий бетон
В Сингапуре создано инновационное строительное вещество – гибкий бетон ConFlexPave. Его прочность сопоставима со стальными материалами, а гибкость в два раза превышает этот показатель обычной цементной конструкции. В состав гибкого бетона входит полимерное микроволокно. Оно, кроме гибкости, усиливает адгезию бетона с покрываемой поверхностью.
Это уже не просто бетон, а композитное вещество, в которое добавляют разные компоненты в зависимости от поставленных задач. Теперь бетонные композиты заменят обычные плиты на дорожном или аэродромном покрытии. Они легче и прочнее, что важно при строительстве мостов, домов и других высотных сооружений.
Первые виды гибких бетонов появились около десятка лет назад. Их принцип работы заключается в скольжении слоев стройматериала между собой. В то время как у традиционной смеси все компоненты просто твердеют и теряют эластичность. Поэтому у нового бетона нет деформаций, ведущих к медленному разрушению. У гибкого бетона есть один недостаток – цена. Стоимость его в три раза выше, чем у обычного изделия.
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.
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.
Самовосстанавливающийся бетон
Хенк Джонкерс (Henk Jonkers) из нидерландского Делфтского технического университета создал биобетон – продукт, который может восстановить свои трещины и разломы. Джонкерс говорит, что изначально начал работу над биобетоном, когда он работал с технологом, который искал возможность улучшить безопасность бетона с помощью биологического решения. Этот производственный момент оказался правильно и в нужное время заданным вопросом. Бетон с возрастом твердеет, но в нем также появляются трещины.
По словам Джонкерса, микробиолога, трещины, которые образуются в бетоне, не просто неприглядны, они могут в конечном итоге привести к повреждению конструкции.
«Причина такой проблемы, как трещины в бетоне, это протечки», говорит Джонкерс. «Если в бетоне есть трещины, вода попадает в них и оказывается в вашем подвале или в гараже. Во-вторых, если эта вода просочится к стальной арматуре – в бетонной конструкции всегда есть стальные арматурные стержни – и если они подвержены коррозии, структура разрушается».
Джонкерсу и его команде потребовалось три года, чтобы произвести этот самовосстанавливающийся прототип, который должен преодолеть наиболее очевидное препятствие: поиск бактерий, которые могут выжить в суровых условиях бетона.
«Этот материал очень сухой, как камень или скала», говорит микробиолог. Для решения проблемы с сухостью, команда использовала палочковидную бактерию по причине ее выносливости и долголетия. Бактерии и их источник питания – лактат кальция – упакованы в крошечные капсулы, которые растворяются, когда вода попадает в трещины бетона. После освобождения, бактерии потребляют лактат кальция, в результате чего происходит химическая реакция, которая создает известняк, который затем заполняет пробелы.
Спасательная станция на озере в Нидерландах был использована в качестве места для первого применения биобетона. Тест на прототипе оказался положительным.
«Это объединение природы со строительным материалом», сказал Джонкерс. «Природа, предоставляет нам много функциональных возможностей в свободном доступе, в этом случае – известняк, производящий бактерии. Если мы можем использовать его в материалах, мы действительно можем извлечь из этого пользу, так что я думаю, что это хороший пример соединения природы и строительного материала вместе в одной новой концепции».
Биобетон готовится и смешивается как обычный бетон, но с дополнительным ингредиентом – «исцеляющим агентом». Он остается неизменным во время смешивания, но растворяется и становятся активными, если вода попадает в трещины в бетоне.
Бетон является средой с высокой щелочностью и «исцеляющие» бактерии должны ждать в покое в течение многих лет, прежде чем активируются водой. Джонкерс выбрал палочковидные бактерии, потому что они процветают в щелочной среде и производят споры, которые могут выжить в течение многих десятилетий без еды и кислорода. «Следующей задачей было не только получить активные бактерии в бетоне, но и заставить их производить ремонтный материал для бетона – это известняк» объясняет Джнкерс.
Для того, чтобы производить известняк, бактериям нужен источник питания. Сначала рассматривали такой вариант как сахар, но с добавлением сахара в смесь получается мягкий, слабый, бетон. В конце концов, Джонкерс выбрал лактат кальция, поместив бактерии и лактат кальция в капсулы, изготовленные из биоразлагаемого пластика, и добавив капсулы во влажную бетонную смесь.
Когда трещины, в конечном итоге, начинают образовываться в бетоне, в них попадает вода и открывает капсулы. Затем бактерии прорастают, множатся и питаются лактататом кальция, и при этом они соединяют вместе кальций с карбонат-ионами, образовывая кальцит или известняк, который закрывает трещины.
Ученый надеется, что его биобетон может быть началом новой эры биологических зданий. Если это так, влияние на архитектурные и инженерные методики может быть очень значительным.
