В ДВФУ разработали самовосстанавливающийся бетон

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.

Что такое гибкий бетон и почему ему не нужна арматура?

Каждый, кто хоть раз имел дело с бетоном, знает, что этот материал почти не выдерживает нагрузок на изгиб. Чтобы избежать появления трещин, а значит, разрушения, нужно заложить в него арматуру. Или же… придать эластичность. Существуют технологии, способные сделать бетон гибким. О них и пойдет речь в этой статье

Казалось бы, зачем вообще отказываться от арматуры? Металлический каркас упрочняет бетон настолько, чтобы он служил многие десятилетия. Но у этой технологии есть недостатки. Прежде всего, это увеличение веса монолита, которое заметно усложняет строительство. Фундамент, который через стены принимает нагрузку от тяжелой плиты перекрытия, нужно усиливать, что, как говорится, «влетает в копеечку». Да и сами метизы обходятся недешево.

Кроме того, даже самая качественная стальная арматура со временем ржавеет, разрушая бетон изнутри. И наконец, закладка каркаса — довольно трудоемкий процесс, которые отнимает время, силы и деньги.

Строители давно уже смирились с этими неудобствами и принимают их как должное, но новаторы смотрят на мир иначе. Если арматура создает проблемы и тормозит рабочие процессы, ее нужно убрать.

Испытания гибкого бетона
Именно так подумали ученые из школы экологической инженерии NTU’s School of Civil and Environmental Engineering (Сингапур). Пройдя долгий путь проб и ошибок, они разработали уникальную добавку, которая не только упрочняет бетон, но и делает его гибким.

Речь идет об особом ультратонком волокне, которое замешивают в раствор. Но это не обычная фибра, используемая в ячеистых бетонах. Тончайшие шелковистые нити не схватываются с цементом, а скользят в теле монолита. Именно это придает ему эластичность и позволяет отказаться от использования арматуры.

При прочих равных гибкий бетон, армированный ультратонким волокном, почти в три раза прочнее обычного

Структура гибкого бетона ConFlexPave
Новому бетону дали название ConFlexPave. Помимо армирующего волокна в его состав добавили присадку, которая делает поверхность плиты шероховатой. Антискользящие свойства крайне важны, так как изначально материал предназначался для дорожных покрытий. Позже его стали использовать при строительстве сейсмоустойчивых домов, а также автомобильных мостов. Это ли не доказательство высокой прочности? Сегодня гибкий бетон довольно активно используется в Японии и США. Можно не сомневаться, что за ним — большое будущее.

Впрочем, справедливости ради стоит заметить, что гибкий бетон не безупречен. Основной его недостаток — высокая цена. Модифицированный состав стоит в три раза дороже обычного. Это тормозит его распространение, но есть основания полагать, что со временем разработчики найдут способ удешевить технологию.

Разумеется, исследования по созданию гибкого бетона ведутся и в России. Уже довольно давно существуют заслуживающие внимания продукты. Например, добавка «Эластобетон», сертифицированная ГОСТ ISO 9001-2011. Она служит не только для придания материалу эластичности, но также для увеличения прочности, морозостойкости и износостойкости.

Кроме того, ее использование позволяет сократить толщину бетонной стяжки, сэкономив на количестве смеси, и ускорить ее затвердевание.

Добавка «Эластобетон» позволяет заливать бетон при температуре до −5°С, не опасаясь потери прочности из-за замерзания смеси

Модификатор активно используют при изготовлении бетонных полов, подверженных большим нагрузкам. В основном на промышленных объектах, таких, как склады, гаражи и производственные цеха.

Добавки «Эластобетон А» и «Эластобетон Б»
Существует три разновидности добавок, повышающих эластичность и прочность бетона. «Эластобетон-A» служит для создания бетонных стяжек толщиной от 40 мм. Он позволяет сократить срок затвердевания бетона до 7 суток. То есть уже спустя неделю после заливки смеси пол можно подвергать нагрузкам. «Эластобетон-B» предназначен для создания упрочненных стяжек толщиной от 15 мм. Такой пол можно ввести в эксплуатацию уже через 5 дней. И наконец, «Эластобетон-C» — стяжка толщиной от 8 мм и 5-6 дней соответственно.

Завершая тему гибкого бетона, расскажем о еще одной интересной разработке. Оказывается, материалу можно не только придать эластичность, но и научить его реставрировать себя самостоятельно. Существует так называемый самовосстанавливающийся эластичный бетон

, созданный учеными из Нидерландов (Хенк Йонкерс и Эрик Шланген). В его состав помимо цемента, песка и модифицирующих добавок входят гранулы биоразлагающегося пластика с лактатом кальция и спорами бактерий, которые им питаются. Микроорганизмы, законсервированные в теле плиты, находятся в спящем состоянии, пока монолит цел. Но стоит появиться трещинам, влага пробуждает бактерии, и они начинают питаться пластиком. А результатом их жизнедеятельности является кальцит (известняк) заполняющий повреждения.

Эта перспективная разработка пока еще не получила широкого применения из-за высокой себестоимости, но, как и в случае с простым гибким бетоном, со временем она станет более доступной.

Сравнение обычного и самовосстанавливающегося бетонов

Способы получения самовосстанавливающегося бетона с бактериями

Первая строка – контрольный образец; вторая – споры T. reesei; третья – Aspergillus nidulans [8]
Применяется несколько способов получения самовосстанавливающегося бетона:
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.

Самовосстанавливающийся бетон — Экологический дайджест FacePla.net

Создано 29.05.2015 13:54 Автор: Natali

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.

Facepla.net по материалам: edition.cnn.com

www.facepla.net

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]
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.

Бетон-незаменимый строительный материал

Бетон всегда являлся одним из самых востребованных строительных материалов.

Это обуславливается тем фактом, что полноценный процесс строительства прочных конструкций был бы невозможен без использования сертифицированного бетона м 100 и маркой выше.

Тем самым, войдя в обиход древних строителей, бетон успешно просуществовал до наших дней, претерпевая массу различного рода изменений, таких, как:

• изменения цвета
• изменение состава
• изменение способов изготовления

В настоящее время, инновационные открытия ученных, исследующих свойства и быстрый процесс затвердевания бетона, в области строительства сделали возможным производство эластичного бетона.

Место, где был впервые произведен эластичный бетон

В соответствии с официальными данными, первые успешные попытки по производству бетона с повышенными показателями эластичности и гибкости были предприняты американскими ученными, работающими при университете, находящимся в штате Мичиган.

Стоит заметить, что данный продукт обладает не только повышенной гибкостью, но и высокими восстановительными свойствами.

По утверждениям самих ученных, при активном взаимодействии с водой, например, во время дождя, все трещины на бетоне, полученные в следствии чрезмерных нагрузок, удивительным образом затягиваются и обычный бетон М 250 полностью восстанавливается.

Секрет прочности эластичного бетона

Следует заметить, что придать столь необычные и необходимые свойства бетону, удалось, посредством изменения состава.

В состав бетона были добавлены следующие элементы:

• ряд минералов, схожим с теми, из которых состоит раковина морских обитателей
• полимерные соединения, повышающие уровень гибкости

Процесс восстановления

Другим фактом, требующим к себе повышенного внимания, является процесс восстановления прочнейшего бетона М 450 и возврата в начальную форму.

Как правило, это происходит благодаря взаимодействию бетона с дождевой водой и углекислым газом, находящимся в изобилии в атмосфере земли.

В результате данной реакции, поврежденные поверхности покрываются слоем карбоната кальция, отвечающего за стягивание трещин и возврат в начальное положение.

Преимущества эластичного бетона

Несмотря на довольно высокую цену, которая в три с лишним раза превышает стоимость обычного бетона, эластичный долговечный товарный бетон М 350 обладает рядом особых преимуществ, таких как:

• Более продолжительный срок службы
• Высокая резистентность к физическим повреждениям
• Высокая сопротивляемость химическому воздействию и агрессивным средам

Применение эластичного бетона на практике

Согласно американским ученным, ответственным за изобретение и дальнейшее производство данного вида бетона.

Можно сказать, что данный строительный материал уже применялся при возведении крупных строительных объектов, к которым можно причислить мост над рекой в штате Мичиган, а также жилое здание в 60 этажей в японском городе Осаке.

В завершении можно сказать, что эластичный популярный бетон в современной жизни — это наглядный пример внедрения инновационных технологий в процесс производства стройматериалов.

alpha-beton.com