Самовосстанавливающийся бетон как инновационный материал

"Научный аспект №6-2024" - Строительство и арх.

УДК 69

Ларенкова Юлия Александровна – студент Иркутского национального исследовательского технического университета.

Курилова Елизавета Евгеньевна – студент Иркутского национального исследовательского технического университета.

Аннотация: В научной статье рассмотрена распространенная проблема образования трещин в бетоне, чаще всего выявленных в результате деформирования по прошествии определённого времени. Проводиться анализ процессов его регенерации при помощи инновационных технологий, реконструкции уже появившихся повреждений, а также сравнительный анализ биобетона с традиционным. Результатом исследования является вывод, что современные технологии не стоят на месте, поэтому в скором времени благодаря бактериям строительство не будет волновать проблема с трещинами в бетоне.

Ключевые слова: самовосстанавливающийся бетон, регенерация, строительство, повреждения, биобетон, бактерия, гибкий бетон.

Бетон является одним из самых распространенных и популярных материалов, предназначенным для всех видов строительных работ. Без использования бетонных смесей или бетонных (железобетонных) изделий уже невозможно представить массовое строительство в 21 веке по всему миру. Этот факт подтверждается тем, что по многим оценкам, ежегодно в мире производится около 10 миллиардов тонн бетонной смеси. И всё потому, что он имеет ряд преимуществ- доступность, прочность, долговечность, устойчивость к морозу, огню или воде (до определенных рамок); у бетонной смеси – способность легко укладываться в различные формы любого размера. Но, несмотря на грандиозные масштабы использования бетона в строительстве, материал имеет свойство образовывать трещины и повреждаться при воздействии на него окружающих факторов, из-за чего страдает его долговечность. Основными причинами появления трещин могут послужить усадка бетона, перепад температур окружающей среды, напряжение от внутренних сил, коррозия арматуры. Таким образом, обеспечение долговечности бетонных (железобетонных) конструкций является одной из главных проблем в строительстве на сегодняшний день.

Для решения проблем возникновения трещин рассмотрим некоторые нововведенные технологии. Самовосстанавливающийся бетон – это общее название разных современных разработок и инновационных решений изменяющие структуру материала, тем самым наделяющие его улучшенными характеристиками в сравнении с традиционным аналогом, включая способность к регенерации [4].

Так, в 2015 году голландский профессор-микробиолог Хенк Джонкерс (Henk Jonkers) изобрел по-настоящему фантастический материал, имеющий способность восстанавливать свои несущие способности- биобетон. Концепция данной разработки заключалась во введении особенного вида бактерий в состав строительного бетона и обеспечении им питательной среды. Подходящей бактерией, способной выжить в агрессивной щелочной среде в условиях бетона, стала палочковидная бактерия рода Bacillus. Питательным веществом для таковой послужил лактат кальция [1].

Суть метода заключается в том, что бактерии заключаются в некую капсулу – биоразлагаемый пластик, который распадается при соприкосновении с водой. Во время взаимодействия бактерий с лактатом кальция возникает химическая реакция (1), результатом которой являются отложения кальция, которые отлично адгезируют со стенками бетона и заделывают трещины (рисунок 1) [5]. Заделка повреждений происходит в местах соприкосновения жидкости с бактериями. Другими словами, находясь в микротрещинах, бактерии заполняют микрополоски отходами своей жизнедеятельности,
тем самым защищая от возникновения глубоких разломов в структуре бетона.

 Ca(C3H5O2)2 + 7O2 → CaCO3 + 5CO2 + 5H2O (1)

По исследованию Хэнка Д. в лабораторных условиях бактерии прекрасно справлялись со способностью заживлять трещины шириной до 0,5 миллиметров.

Далее рассмотрим основные минусы и плюсы данного способа [7]. Главные преимущества использования данного метода:

  • Экологичность использованных ресурсов;
  • Актуальность проблемы трещиностойкости;
  • Восстановление несущих способностей бетона;
  • Устойчивость к воздействию окружающией среды;
  • Регенерация;
  • Снижение трат на восстановление поврежденных бетонных конструкций;
  • Сокращение сроков, трудоемкости и финансовых затрат
    на проведение текущих и капитальных ремонтов зданий
    и сооружений
  • Предупреждение разрушения бетонных конструкций в процессе эксплуатации.

 

Рисунок1

Рисунок 1. Процесс самовосстановления трещин в бетоне

Недостатки метода:

  • Высокие затраты на производство (себестоимость биобетона выше обычного в 2 и более раза);
  • Специализированность в знаниях;
  • Находится в стадии разработки;
  • Подходит для небольших трещин.

Еще одним способом производства биобетона является добавление спор грибка Trichoderma reesei, в цементный раствор [8]. Процесс схож с предыдущим – первоначально грибки находятся в покое, но при проникновении в трещины бетонной конструкции влаги и воздуха, они начинают активно расти, вырабатывая карбонат кальция, заполняющий и скрепляющий микротрещины. Однако данный способ ещё требует дополнительных доработок и изучения.

Не менее любопытным самовосстанавливающимся материалом стал гибкий бетон. Ученые Сингапура из Наньянского технологического университета (англ. Nanyang Technological University, или коротко: NTU Singapore) совместно с разработчиками из девелоперской компании JTC изобрели новый вид бетона под названием ConFlexPave (рисунок 2), в котором применены композитные материалы (полимерные волокна) [2].

Рисунок2

Рисунок 2. Гибкий бетон

 ConFlexPave был разработан с помощью смешивания определенных типов твердых материалов и полимерного микроволокна, за счёт которого повышается гибкость конструкции и усиливается его адгезия (сцепление)
с покрываемой поверхностью. Внедрение специального синтетического волокна в состав смеси позволило материалу гнуться и деформироваться под большим давлением [3]. Если говорить иначе, характеристики такого бетона схожи со стальной арматурой, а гибкость в два раза превышает гибкость обычной цементной конструкции. В итоге, благодаря данному способу, бетон можно именовать как композитный материал, который сравнительно легче
и прочнее традиционного. Поэтому область применения для данного материала является строительство высотных зданий, а также дорожная инфраструктура. Так же стоит отметить, что гибкий бетон способен выдержать землетрясения, а это важно при строительстве в сейсмически опасных зонах и странах. Из-за чего практика производства такого бетона развита на территориях Японии и США. К сожалению, не смотря на все свои преимущества
и революционный прорыв в сфере строительства, главный и очень существенный недостаток этого материала – стоимость, которая в три раза больше традиционного.

Кроме всех перечисленных выше способов разработок и создания самовосстанавливающегося бетона, можно сделать акцент на актуальности проблемы с трещинами на сегодняшний день. А также обратить внимание на ещё один ряд исследований в данной сфере:

Например, группа ученых из Университета Кардиффа (Уэльс) занимается исследованием, направленным на исцеление бетона, и уже тестировала 3 технологии в этой области. Первая заключалась в использовании полимерной памяти формы, или же, другими словами, способность возвращения из деформированного состояния к своей первоначальной. Вторая заключается в закачке органических и неорганических материалов в структуру бетона.
И третья технология, выраженная в использовании целебных агентов
и бактерий через микрокапсулы.

Ещё одним примером является объявление колумбийских учёных с факультета гражданского строительства Университета «Виктории», о запуске экспериментов с волокнами, такими ка зольная пыли и древесная целлюлоза. По их мнению, исследования в данной области могут поспособствовать созданию уникальной формулы самовосстановления бетона. Но, к сожалению, пока, что их идея не дала весомых плодов.

А вот в Канаде, на базе того же Университета «Виктории», учёные
уже создали экологически чистый композит, основанный на пластично-цементной смеси. Такой строительный материал армирован полимерными волокнами и на практике многих испытаний доказал свою способность выдерживать толчки землетрясения мощностью до 9,1 баллов по шкале Рихтера.

Так же нам стоит упомянуть инновации профессора материаловеда Ратгерского университета Ричарда Римана, который вместе с коллегами разработал энергоэффективную технологию позволяющую создавать бетон при комнатной температуре [6]. Технология получила называние «Реактивное гидротермальное жидкофазное уплотнение». При использовании данной технологии также был создан экологичный бетон, а всё, потому что из-за низких температур создания он требует меньше энергии при производстве.
К тому же в процессе выделяется примерно на 70% меньше парниковых газов, что по подсчётам может предотвратить выброс около 2 миллиардов кубометров углекислого газа в год. К сожалению, и эта технология ещё требует доработки и изучения, прежде чем выйти на мировой рынок.

Благодаря всем этим исследованиям и не только им, на сегодняшний день уже идут последние подготовки перед выходом самовосстанавливающегося бетона на мировой рынок. Не малым фактом, так же станет то, что продукт будет представлен минимум в двух вариациях. Первым станет известковый раствор для заделки трещин, а вторым непосредственной уже сам самовосстанавливающийся бетон.

Для наглядности преимуществ инновационного материала составлена таблица 1.

Таблица 1. Сравнительная характеристика видов бетона

Характеристики

Бетон B20

Самовосстанавливающийся бетон (биобетон)

Образование трещин

Да

Временно

Срок службы

до 100 лет

до 200 лет

Плотность бетона

от 2500 кг/м3 и выше

до 1800 кг/м3

Способность к регенерации

Нет

Да

Стоимость

~3000 руб/м3

~8000 руб/м3

Прочность на сжатие

25,69 МПа

до 70 МПа

Прочность на растяжение

1,35 МПа

до 15 Мпа

Деформация растяжения

до 0,1%

до 5%

Исходя из таблицы видно, что классический цементный бетон во многом уступает биобетону, но на данный момент он не способен заменить тяжелый бетон. Однако, простой бетон не способен к регенерации, что на фоне регенерирующегося является существенным недостатком.

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. Самовосстанавливающийся бетон отличается от классических рецептов добавлением в состав грибков и спор бактерий, способных выжить в щелочных условиях и придать строительному материалу новые свойства.

Таким образом, на сегодня, мы пока не можем в полной мере использовать самовосстанавливающийся бетон, как замену традиционного. Однако технологии не стоят на месте и стремительно меняются одна за другой. Поэтому вероятно в скором времени будующий современный строитель, да и строительство в общем и целом сможет более не волноваться о проблемах долговечности бетона (железобетона), выраженной в образовании трещин, способствующих разрушению. Эта проблема ляжет на плечи тех же бактерий, что позволит сосредоточить внимание уже на другие не маловажные вопросы сферы строительства.

Список литературы

  1. Агзамов, Ф.А. Анализ материалов для залечивания водопроводящих каналов цементного камня / Ф.А. Агзамов, Э.Р. Исмагилова, З.И. Оздоев. – Текст : электронный // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. – – №5 (121). – С. 11-27. https://ntj-oil.ru/files/ntj/2019/5/ntj-5-2019-p11-27.pdf (дата обращения: 06.06.2024);
  2. Где гнётся- там не рвётся! – Текст : электронный // Zaggo.ru : [сайт]. – 2020. – 30 сентября. URL:https://www.zaggo.ru/article/stroitel_stvo/obshee/chto_takoe_gibkij_beton_i_pochemu_emu_ne_nuzhna_armatura.html (дата обращения: 06.06.2024);
  3. ГИБКИЙ БЕТОН: ВИДЫ, ПРОИЗВОДСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ. – Текст : электронный // BRAVOБЕТОН : [сайт]. – 2023. – 20 июля. – URL: https://inlnk.ru/goVY6o (дата обращения: 06.06.2024);
  4. Жукова, Г.Г. Исследование применения самовосстанавливающегося бетона // Г.Г. Жукова, А.И. Сайфулина. – Текст : электронный // Construction and Geotechnics. – – №4 (11). – С. 58-68. https://inlnk.ru/poLBnZ (дата обращения: 06.06.2024);
  5. Кодзоев, Б.Х. Самовосстанавливающийся бетон // Б.Х. Кодзоев, С.Л. Исаченко. – Текст : электронный // Бюллетень науки и практики. – – №4 (4). – С. 287-290. https://cyberleninka.ru/article/n/samovosstanavlivayuschiysya-beton/viewer (дата обращения: 06.06.2024);
  6. Нальгиев, Р.Т. Самовосстанавливающийся бетон // Р.Т. Нальгиев. – Текст: электронный // Научный лидер. – – №3 (101). https://scilead.ru/article/3884-samovosstanavlivayushchijsya-beton (дата обращения: 05.06.2024);
  7. Суровенко, В.Б. Самовосстанавливающийся бетон- инновационный материал в строительстве // В.Б. Суровенко. – Текст: электронный // Молодой ученый. – – №23(470). – С.57-59. https://moluch.ru/archive/470/103378 (дата обращения 05.06.2024);
  8. Технологии LMS: биобетон. – Текст : электронный // Dzen.ru : [сайт]. – 2022. – 2 декабря. – URL: https://dzen.ru/a/Y4mh-0wXE3jLF8m8 (дата обращения: 06.06.2024).
Автор: Ларенкова Юлия Александровна