Самовосстанавливающийся бетон

Самовосстанавливающийся бетон как один из трендов строительства в 2020 г.

Главная / О строительстве / Самовосстанавливающийся бетон как один из трендов строительства в 2020 г.

Многие эксперты отрасли считают, что в ближайшее время мы увидим, как самовосстанавливающийся бетон используется на дорогах, зданиях и домах. Поскольку бетон является наиболее широко производимым и потребляемым материалом в строительной отрасли, эксперты считают, что к 2030 году только в США будет использоваться около 5 миллиардов тонн в год.

Отчасти это связано с городским бумом, который наблюдается в Китае и Индии. По квотам на выбросы Соединенные Штаты составляют лишь 8% от общего объема в этой области.

Исторя самовосстанавливающегося бетона

В 2005 г. были обнаружены бактерии, производящие минералы, которые могут помочь устранить микротрещины в бетоне. Доктор Хенк Джонкерс, микробиолог из Дельфтского университета (Голландия), стал основоположником научных разработок в области производства биоконструкций, которые могут принести пользу для проектов гражданского строительства.

Дмитрий Сорокин берет пробы из российских содовых озер. Бактерии, используемые для разработки самовосстанавливающегося бетона, пришли из высокощелочного природного источника.

Самовосстанавливающийся бетон мог бы решить проблему разрушения бетонных конструкций задолго до окончания срока их службы. Бетон по-прежнему является одним из основных материалов, используемых в строительной отрасли, от фундамента зданий до конструкции мостов и подземных парковок. Традиционный бетон имеет недостаток, он имеет тенденцию трескаться при воздействии напряжения. Целебный агент, который работает, когда бактерии, внедренные в бетон, превращают питательные вещества в известняк, разрабатывается на факультете гражданского строительства и геологии в Дельфте с 2006 года. Этот проект является частью более широкой программы по изучению потенциала самовосстановления пластмасс, полимеров, композитов, асфальта и металлов, а также бетона. Доктор Хенк Джонкерс, микробиолог, специализирующийся на поведении бактерий в окружающей среде, разработал самозаживляющийся бетон в лаборатории и начал полномасштабные испытания на открытом воздухе в 2011 году. Первые самовосстанавливающиеся бетонные изделия стали появляться на рынке в 2013 г. Ожидается, что они увеличат срок службы многих строительных конструкций.

Зачем это нужно?

Крошечные трещины на поверхности бетона делают всю конструкцию уязвимой, потому что вода просачивается внутрь, разрушая бетон и разъедая стальную арматуру, что значительно сокращает срок службы конструкции. Бетон очень хорошо выдерживает сжимающие силы,но не растягивающие. При растяжении он начинает трескаться, поэтому его укрепляют сталью, чтобы выдерживать растягивающие усилия. Сооружения, построенные в условиях высокого уровня воды, такие как подземные подвалы и морские сооружения, особенно уязвимы к коррозии стальной арматуры. Автомобильные мосты также уязвимы, поскольку соли, используемые для удаления льда с дорог, проникают в трещины в конструкциях и могут ускорить коррозию стальной арматуры. Во многих строительных конструкциях растягивающие силы могут привести к образованию трещин, и это может произойти относительно скоро после того, как конструкция будет построена. Ремонт обычных бетонных конструкций обычно включает нанесение бетонного раствора, который приклеивается к поврежденной поверхности. Иногда ступку нужно вставить в существующую конструкцию с помощью металлических штырей, чтобы она не отвалилась. Ремонт может быть особенно трудоемким и дорогостоящим, поскольку зачастую очень трудно получить доступ к сооружению для проведения ремонта, особенно если они находятся под землей или на большой высоте.

Пример сильно поврежденной бетонной опорной балки автомобильного моста. Этот столб подвергся коррозии арматуры из-за попадания антиобледенительных солей через микротрещины, образовавшиеся в бетоне

Как работает биобетон

Специально подобранные виды бактерий рода Bacillus, наряду с кальциевым питательным веществом, известным как лактат кальция, а также азотом и фосфором, добавляются к ингредиентам бетона при его смешивании. Эти самовосстанавливающиеся агенты могут дремать в бетоне до 200 лет.Однако, когда бетонная конструкция повреждена и вода начинает просачиваться через трещины, которые появляются в бетоне, споры бактерий прорастают при контакте с водой и питательными веществами. Активировавшись, бактерии начинают питаться лактатом кальция. По мере того как бактерии питаются кислородом, он расходуется, а растворимый лактат кальция превращается в нерастворимый известняк. Известняк затвердевает на потрескавшейся поверхности, тем самым уплотняя ее. Он имитирует процесс, с помощью которого переломы костей в человеческом теле естественным образом исцеляются клетками остеобластов, которые минерализуются, чтобы переформировать кость. Потребление кислорода при бактериальном превращении лактата кальция в известняк имеет дополнительное преимущество. Кислород является важным элементом в процессе коррозии стали, и когда бактериальная активность израсходовала его полностью, это увеличивает долговечность стальных железобетонных конструкций. Две части самовосстанавливающегося агента (бактериальные споры и питательные вещества на основе лактата кальция) вводятся в бетон в виде отдельных гранул керамзита шириной 2-4 мм, которые гарантируют, что агенты не будут активированы в процессе смешивания цемента. Только когда трещины открывают гранулы и входящая вода приводит лактат кальция в контакт с бактериями, они активируются. Испытания показали, что когда вода просачивается в бетон, бактерии быстро прорастают и размножаются. Они превращают питательные вещества в известняк в течение семи дней в лаборатории. На улице, при более низких температурах, процесс занимает несколько недель. Начальная точка исследования заключалась в том, чтобы найти бактерии, способные выживать в экстремальной щелочной среде. Цемент и вода имеют значение рН до 13, когда смешиваются вместе, обычно это враждебная среда для жизни: большинство организмов погибает в среде со значением рН 10 или выше. Поиск сосредоточился на микробах, которые процветают в щелочных средах, которые можно найти в естественных условиях, таких как щелочные озера в России, богатые карбонатами почвы в пустынных районах Испании и содовые озера в Египте. Образцы эндолитических бактерий (бактерий, которые могут жить внутри камней) были собраны вместе с бактериями, обнаруженными в отложениях озер. Было обнаружено, что штаммы бактерий рода Bacillus процветают в этой высокощелочной среде. Еще в Дельфтском университете бактерии из образцов выращивали в колбе с водой, которая затем использовалась в качестве части водной смеси для бетона. В небольшой бетонный блок были встроены различные виды бактерий. Каждый бетонный блок будет оставлен на два месяца, чтобы его крепко установить. Затем блок измельчали в порошок, а остатки проверяли, выжили ли бактерии. Было обнаружено, что единственной группой бактерий, которые смогли выжить, были те, которые производили споры, сравнимые с семенами растений. Такие споры имеют чрезвычайно толстые клеточные стенки,которые позволяют им оставаться неповрежденными до 200 лет, ожидая лучшей среды для прорастания. Они активизируются, когда бетон начинает трескаться, пища становится доступной, а вода просачивается в структуру. Этот процесс понижает рН высокощелочного бетона до значений в диапазоне (рН от 10 до 11,5), при которых происходит активация бактериальных спор. Поиск подходящего источника пищи для бактерий, которые могли бы выжить в бетоне, занял много времени, и было испробовано много различных питательных веществ, пока не было обнаружено, что лактат кальция является источником углерода, который обеспечивает биомассу. Если он начинает растворяться в процессе смешивания, лактат кальция не влияет на время схватывания бетона.

Читайте также:

Отделка стен под кирпичную кладку

До и после. Фотографии поверхности плиты из самовосстанавливающегося бетона. Трещина видна на левом изображении, а справа белый известняк заполнил щель

Первые полномостабные испытания

Полномасштабное тестирование новых бетонных конструкций было начато в Европе в 2011 г. Небольшая структура или часть структуры была создана из самовосстанавливающегося материала и наблюдается в течение нескольких лет. Также определенные конструкции оснащены некоторыми панелями из самовосстанавливающегося бетона, а другие — обычным бетоном, чтобы можно было сравнить поведение этих двух элементов. Можно ли использовать вышеназванные бактерии для ремонта существующих конструкций? Чтобы ответить на этот вопрос, Делфтский университет получил финансирование в размере 420 000 евро от правительства Нидерландов. Два ученых-постдокторанта потратят два года на разработку системы самоисцеления, которая будет применяться к существующим структурам. В ходе исследования тестируются две системы. В первом методе бактерии и питательные вещества нанесены на структуру в виде самовосстанавливающегося раствора, который может быть использован для восстановления крупномасштабных повреждений. Во втором методе бактерии и пищевые питательные вещества растворяются в жидкости, которая распыляется на поверхность бетона, откуда она может просачиваться в трещины. Голландское правительство выделило 450 000 евро на финансирование еще одного исследовательского проекта, который будет проводиться на бетонных подвальных стенах и предварительно отлитых бетонных полах, которые уязвимы для грунтовых вод. Между тем продолжается работа по устранению озабоченности промышленности относительно того, могут ли бактерии выжить в спящем состоянии в течение всего срока службы бетонной конструкции. Данные из образцов почвы, взятых из пустынных районов и хранящихся в музеях, показывают, что почва все еще содержит живые споры бактерий после 200 лет хранения. Для решения других проблем проводятся лабораторные испытания, направленные на ускорение процесса старения самовосстанавливающегося бетона. Испытания будут подвергать бетон экстремальным условиям для имитации смены сезонов и циклов экстремальных температур, более влажных периодов и периодов сушки.

Недостатки самовосстанавливающегося матерала

Есть два ключевых препятствия, которые необходимо преодолеть, если самовосстанавливающийся бетон должен трансформировать бетонное строительство в следующем десятилетии. Первая проблема заключается в том, что глиняные гранулы, содержащие самовосстанавливающийся агент, составляют 20% от объема бетона. Эти 20% обычно состоят из более твердого заполнителя, такого как гравий. Глина намного слабее обычного заполнителя, и это ослабляет бетон на 25% и значительно снижает его прочность на сжатие. Во многих конструкциях это не было бы проблемой, но в специализированных приложениях, где требуется более высокая прочность на сжатие, например в высотных зданиях, она не будет жизнеспособной.

Второй недостаток заключается в том, что стоимость самовосстанавливающегося бетона примерно вдвое превышает стоимость обычного бетона, которая в настоящее время составляет около 80 евро за кубометр. По словам инженеров, при цене около 160 евро за кубический метр самовосстанавливающийся бетон будет жизнеспособным продуктом только для некоторых строительных конструкций, где стоимость бетона намного выше из-за его гораздо более высокого качества, например, для прокладки туннелей и морских сооружений, где безопасность является большим фактором, или в конструкциях, где имеется ограниченный доступ для ремонта и технического обслуживания. В этих случаях увеличение стоимости за счет введения самовосстановляющих средств не должно быть слишком обременительным. Вдобавок к этому, если производить в промышленных масштабах, то считается, что самовосстанавливающийся бетон может значительно снизиться в цене. Если срок службы конструкции можно продлить на 30%, то удвоение стоимости самого бетона все равно сэкономит много денег в долгосрочной перспективе.

Самовосстанавливающийся эластичный бетон: виды, преимущества и недостатки

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.

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.

Характеристики эластичного бетона

Улучшения характеристик бетона можно добиться введением в бетонные смеси модификационных веществ. В России разработана и применяется для улучшения качественных характеристик бетона добавка «Эластобетон».

Ее использование сертифицировано ГОСТ ISO 9001-2011 (ISO 9001:2008) [3].

Эта модификационная добавка служит для придания бетонам эластичных свойств, а также для получения требуемых характеристик: увеличения прочности, морозостойкости, ускорение набора прочности, самовыравнивания бетонных поверхностей.

Возможность уменьшения толщины бетонной стяжки, что экономит расход материалов и уменьшает вес бетонного покрытия.
Добавление компонента увеличивает прочность материала к деформационному воздействию, повышает износостойкость поверхности покрытия.
При вводе морозостойкой добавки можно укладывать при отрицательных температурах до –5 градусов без опасности потери качеств из-за замерзания смеси.

Общие достоинства и недостатки гибких бетонов

прочнее и долговечнее обычных бетонов;
имеет способность самовосстановления;
гнется как металл;
высокая устойчивость к растрескиванию.

высокая себестоимость;
может иметь меньшую прочность на сжатие, чем обычный бетон;
качество композита зависит от используемых материалов и условий их изготовления.

Области применения

Применяются добавки при изготовлении бетонных и мозаичных полов объектов, подверженных различным механическим нагрузкам: склады и цеха, магазины, гаражные комплексы.

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.

Читайте также:

Обзор вариантов крепежей для кабеля

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.

Сингапурские разработки гибкого бетона

Ученые из Наньянского технического института в своих лабораториях сделали новейший материал для строительства.

Они создали и уже провели тесты по новому современному раствору эластичного состава, который назвали КонФлексПаве.

Свою разработку они собираются использовать для создания покрытий на дорогах.

Данная смесь по прочности не хуже металлических изделий, эластичность превышает в два раза по сравнению с обычными растворами из цемента.

Главные плюсы такой новой разработки:

Из-за маленького веса материала, уменьшается нагрузка на основную конструкцию.
Нужно использовать мало рабочей силы и будет затрачено меньше времени на выполнение работ.
Дешевое техническое обслуживание.
Высокий уровень устойчивости к износу.
Высокий уровень гибкости.
Не скользит.
Не нужно использовать громадную арматуру.

Ученые сделали новые разработки во время исследования того, как между собой взаимодействуют компоненты на микроуровне. В составе такого материала есть микро волокно полимера и минерал с высокой твердостью.

Также в растворе есть определенные искусственные части, которые дают возможность покрытию быть эластичным изгибаться под сильным давлением.

Тонкие волокна одинаково делят нагрузку по всему основанию, а вот твердые компоненты дают такую структуру покрытия, на которой нет скольжения благодаря шероховатостям.

Читайте также: Особенности строительства асфальтобетонных покрытий при пониженных положительных и отрицательных температурах

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.

Специальные добавки в бетоне

Есть разные типы модификаторов, которые делают лучше параметры эластичных растворов бетона, а конкретно:

Пластификатор – улучшается прочность и упругость покрытий из бетона. Масса смеси становится меньше, поэтому и нагрузка на конструкцию становится меньше. Также водонепроницаемость становится лучше.
Добавки от защиты мороза – бетон быстрее твердеет, поэтому состав не промерзает, если температура невысокая. Свободная жидкость не замерзает с помощью таких компонентов, а испаряется, поэтому покрытие не портится.
Замедлители – с ними раствор схватывается быстрее, удобно использовать при долгой перевозке.
Ускорители – действую наоборот, отлично влияют на уровень прочности блоков из бетона.

Использование нескольких компонентов делает работу легче и ускоряет процесс проведения работ.

Какой бетон нужен сегодня

Бетон, нуждающийся в ремонте

Не смотря на свою запредельную прочность, бетон подвержен появлению трещин. Через них влага беспрепятственно попадает внутрь несокрушимого бетонного тела, вызывая коррозию арматуры, потихоньку съедая и саму прочность бетона. Со временем, он превращается в хрупкий материал, который просто выкрашивается из общей конструкции.

На начальном этапе разрушения железобетонных конструкций, этот процесс можно остановить, произведя его «грамотный» ремонт, на что уходят большие трудовые и денежные ресурсы. К тому же не всегда можно вовремя заметить такие микро−разрушения. Зачастую становится поздно производить какие−либо работы.

Разве с этим можно что−то сделать? Задавшись этим вопросом, голландский ученый Хенк Джонкерс нашел на него ответ, даря вечную жизнь бетону. Проведя три года в упорных трудах, он использовал природную силу регенерации и просто «вживил» ее в бетон, придавая ему функции самовосстановления.

Светящийся бетон

Доктор Хосе Карлос Рубио из мексиканского университета UMSNH создал цемент, из которого можно изготавливать светящийся бетон. Бетон с фотолюминесценцией может накапливать энергию Солнца днём, а затем отдавать её ночью в течение 12 часов. Изобретатель утверждает, что прочности такого бетона хватит на 100 лет использования.

Если полученный Рубио цемент пройдёт необходимые проверки, то изготовленные из него стены, здания и даже дороги (в тех климатах, которые это позволяют) способны будут накапливать световую энергию в течение дня, а затем светиться ночью, экономя таким образом огромное количество электроэнергии.

Рубио утверждает, что в отличие от фотолюминесцентных пластиков, которые разлагаются от ультрафиолета, его цемент солнцеустойчивый и может служить целых сто лет. Он уже получил материал двух цветов, голубого и зелёного. Кроме всего прочего, максимальную яркость материала можно контролировать при его изготовлении – чтобы, например, светящаяся дорога не слепила водителей.

Изобретатель запатентовал свой цемент в Мексике. Изобретением уже заинтересовались в фонде Ньютона, основанном Королевской инженерной академией наук Великобритании. Проект проходит стадию коммерциализации.

Самовосстанавливающийся эластичный 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

Способы получения самовосстанавливающегося бетона с бактериями

Первая строка – контрольный образец; вторая – споры T. reesei; третья – Aspergillus nidulans [8]

Технический университет Делфта, Нидерланды [7]

Бингемтонский университет, штат Нью-Йорк и университет Рутгерса [8]

Иные технологии самовосстановления

Севастопольский гос. университет

Читайте также:

Поднять пол на балконе своими руками

Университет Мичигана, США [10]

Университет «Виктория», Британская Колумбия

Нитрифицирующие бактерии

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.

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

Что за самозаживляющийся бетон придумали наши учёные?

Специалисты Политехнического института Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) вместе с иностранными коллегами разработали бетон, способный самостоятельно заделывать трещины, восстанавливая свою прочность. И делает он это при помощи бактерий.

В ДВФУ действует научная школа геоники (геомиметики) — учёные следуют принципу природоподобия создаваемых композитов. Бетон, по их задумке, должен обладать прочностью и свойствами природного камня. Для этого в него во время приготовления смеси добавляют водный концентрат, содержащий бактерии Bacillus cohnii.

Бетон вместо обоев. Тренды в дизайне квартир в 2021 году Подробнее

Когда происходит повреждение и в бетоне возникает трещина, бактерии активизируются, получая доступ к кислороду и влаге, которые содержатся в воздухе. «Разбуженные» микроорганизмы под действием воды начинают выделять карбонат кальция, заполняя им повреждение. Эксперимент показал, что на заделку трещины шириной от 0,2 до 0,6 миллиметров требуется 28 дней. К бетонным плитам возвращается первоначальная прочность на сжатие, а бактерии после проделанной работы вновь «засыпают».

«Бетон остаётся конструкционным материалом номер один в мировом строительстве, поскольку он дешёвый, прочный и универсальный, — говорит профессор ДВФУ, инженер Роман Федюк. — Однако любой бетон со временем может давать трещины, в том числе из-за влаги и многократно повторяющихся циклов замораживания-размораживания, которых на Дальнем Востоке, к примеру, происходит более ста за год. А если бетон дал трещину, это практически необратимый процесс, он может поставить под угрозу всю конструкцию.

То, что сделали мы в рамках эксперимента, соответствует международным трендам в строительстве, где существует запрос на подобные „живые“ материалы, имеющие способность к самодиагностике и самовосстановлению. Благодаря им можно избежать или сократить технически сложные и дорогостоящие ремонтные процедуры».

Кто такие академики и чем они занимаются? Как сообщает пресс-служба ДВФУ, споры бактерий Bacillus cohnii могут жить в бетоне до 200 лет и, теоретически, способны продлить срок службы сооружений на такой же срок. Это почти в 4 раза больше, чем 50-70 лет службы обычного бетона.

Самовосстанавливающийся бетон особенно актуален при ведении строительства в сейсмоопасных районах, где из-за подвижек земной коры в конструкциях появляются мелкие трещины, а также на территориях с повышенной влажностью и большим количеством осадков. Например, на юге Дальнего Востока, где на вертикальные поверхности зданий падает много косых дождей. Если бактерии, содержащиеся в бетоне, будут заполнять карбонатом кальция поры цементного камня, в него будет попадать меньше воды.

На следующих этапах исследований специалисты ДВФУ планируют разработать армированный бетон, дополнительно усилив его свойства с помощью разных видов бактерий. Это позволит ускорить процессы восстановления материала.

Способы получения самовосстанавливающегося бетона с бактериями

Бингемтонский университет, штат Нью-Йорк и университет Рутгерса [8]

Иные технологии самовосстановления

Севастопольский гос. университет

Университет Мичигана, США [10]

Университет «Виктория», Британская Колумбия

Нитрифицирующие бактерии

Что такое самовосстанавливающийся бетон

Древняя Месопотамия стала прародиной бетона, сегодня этот материал используется во всех уголках населённого мира планеты. Бетонные здания могут иметь любую форму, изделие даже пригодно как компонент для 3D-печати.

Все видели, что время неумолимо и к таким постройкам — трещины всё равно появляются, сквозь них просачивается влага, железная арматура в основе начинает ржаветь. В итоге ускоряется износ здания. Этому способствует и понижение температуры — вода, попавшая в трещинки, зимой замерзает и начинает расширяться, увеличивая разрушения.

Трещины — бич материала. Рано или поздно это будет глобальное разрушение, если не вкладываться в ремонт.

Покрытия, пропитки немного сдерживают разрушительный процесс, но глобальный ремонт всё равно потребуется. Если же постройка находится под водой, или внутри находится хранилище радиоактивных отходов и ядохимикатов, то ремонт либо сложен, либо вовсе невозможен.

Микробиолог Х.Джонкерс выслушал обращение строителя-технолога в 2006 году по поводу того, нельзя ли что-нибудь придумать, чтобы бетон восстанавливался сам. В голову учёному пришли бактерии, которые при некоторых условиях могут поспособствовать такому нужному процессу.

Упорный труд и вот результат.

На решение поставленной задачи ушло более трёх лет. Трудности заключались в том, что среда выживания микроорганизмов довольно сурова, это же аналогично жизни в сухом щелочном камне. Выживать нужно десятилетиями, при этом, никак не активизируясь и находясь в долгой «спячке». Активизации должна поспособствовать вода.

Процесс восстановления — секрет в бактериях

Колонии грибка Trichoderma reesei оказались теми самими восстановителями благодаря своей особенности выживать в щелочной среде. Споры микроорганизмов остаются живыми, оставаясь долгое время без питания. Но чем же питать проснувшиеся бактерии?

Если добавлять в бетон сахар, то уменьшится прочность материала, и вся работа будет изначально бестолковой. Начались поиски решения, которые привели к тому, что идеальным средством питания является лактат кальция.

Бактерии должны быть размещены в материале в биоразлагаемых пластиковых капсулах, там же располагается и их питание.

Бетон даёт трещины, в них попадает вода, пластик под её воздействием растворяется. Бактерии начинают процесс размножения и питания лактатом кальция. В результате их жизнедеятельности вырабатывается известняк, прочно закрывающий трещинки.

Плюсы и минусы самозалечивающегося бетона

Гибкий бетон

В 2021 году ученые из сингапурского университета в Наньяне представили свой вариант гибкого бетона.

Для получения гибкости в него добавляется специальное ультратонкое волокно, которое равномерно воспринимает нагрузки, распределяя их по всей площади бетона. Подобные волокна не бетонируются «намертво». Они как бы проскальзывают под давлением относительно друг друга.

Основное преимущество гибкого бетона заключается в том, что даже после деформаций он возвращается в предыдущее состояние.

Вообще гибкие бетоны впервые были изобретены около 10 лет назад и выходили под общим названием Engineered Cementitious Composites (ECC). Сингапурские исследователи улучшили версию ECC и назвали ее ConFlexPave.

На данный момент ConFlexPave используют при дорожных работах. Дороги с гибким бетоном выдерживают деформации и в то же время не размываются во время смен сезонов.

Самовосстанавливающийся бетон

Самовосстанавливающийся бетон является общим названием совершенно разных решений, которые разрабатываются для изменения структуры материалов с целью увеличения их стойкости к внешнему воздействию, а при необходимости восстановления после такого воздействия. Бетон один из самых применяемых в строительстве материалов. Именно поэтому работы по его самовосстановлению так популярны в научной среде.

Ежегодно мировая строительная индустрия производит несколько миллиардов тонн бетона. Как и другие строительные материалы он имеет ряд недостатков. Самыми критичными из них являются усадка, появление трещин и деформаций, а также низкая стойкость к внешнему воздействию. Не смотря на недостатки, заменить бетон другими материалами в настоящее время не представляется возможным. Вот поэтому ученым приходится проводить исследования, которые позволят снизить влияние, перечисленных выше недостатков.

Одним из перспективных направлений в этой области стало появление бетонов, способных к самовосстановлению. Это, так называемые, гибкие бетоны, способные противостоять внешним воздействиям.

Типы самовосстанавливающихся бетонов

К сожалению, пока промышленного производства самовосстанавливающегося бетона нет. Но в лаборатория есть опытные образцы различных добавок, которые в перспективе могут стать основой гибких бетонов для получения дополнительных свойств.

Полимерные заплатки для бетона

Полимерные заплатки состоят из полимерных капсул, которые наносятся на поверхность бетона. Впервые они были представлены учеными из Южной Кореи. Принцип работы полимерных заплаток заключается в том, что, когда на поверхности бетона появляются микротрещины, их объем заполняется жидким полимером, который вытекает из раскрывшихся капсул. Под воздействие ультрафиолетовых лучей полимер застывает, восстанавливая первоначальную прочность бетона. Не достатком этого способа является небольшой срок (около года) действия такого покрытия.

Бактерии-реставраторы бетона

Технология была разработана в Нидерландах. Свойства самовосстановления бетон получил за счет внедрения в него бактерий рода Bacillus. При производстве бетона в него добавляют гранулы, состоящие из биоразлагающегося пластика с лактатом кальция и спор бактерий, которые питаются им. Такие гранулы способны много лет находиться в «спящем» состоянии до того момента как в бетоне не появится микротрещина. Под воздействием поступающей влаги гранулы растворяются, оказавшиеся внутри трещины бактерии просыпаются и начинают поглощать лактат кальция, выделяя известняк, который постепенно заполняет пустоты. Сегодня с помощью данного метода удается бороться с микротрещинами длиной до 0,5 мм. Недостатком является дороговизна. Состав с гранулами стоит на 50 процентов дороже цемента.

Читайте также:

Обрешётка под поликарбонат

Гибкий бетон ConFlexPave

Гибкий бетон ConFlexPave является разработкой сингапурских ученых. Он сохраняет прочность на уровне стальной арматуры, обеспечивая гибкость в два раза больше обычного бетона. В составе бетона ConFlexPave содержится полимерное микроволокно, обеспечивающее его гибкость. Получающийся композитный материал значительно легче и прочнее, что дает ему преимущество при возведении многоэтажных домов и в дорожном строительстве. Его работа основана на скольжении материалов относительно друг друга. Такая технология не дает появляться разрушающей деформации. Недостатком, как и в предыдущих случаях, является дороговизна.

Перспективные разработки самовосстанавливающихся бетонов

Разработки самовосстанавливающихся бетонов ведутся и в других странах. Так в США, ученые из Бингемтонского университета создали свою смесь, которую назвали грибковый бетон. В ходе экспериментов выяснилось, что гриб Trichoderma reesei может эффективно бороться с трещинами. Его помещали в цементный раствор, который заливали в опалубку. После появления микротрещины, в которую попадали кислород и влага, споры грибка начинали расти, производя карбонат кальция, которым заполнялась трещина. Пока технология находится в стадии разработки. Самым главным вопросом для ученых является выживаемость грибка при низких температурах.

Великобритания тоже не отстает от других стран. Здесь тестируются сразу три направления, способных восстанавливать бетон. Прежде всего это полимерная память формы, применение бактерий и целебных агентов через микрокапсулы, а также закачка органических и неорганических компонентов в состав бетона. Также ведутся эксперименты с древесной целлюлозой и зольной пылью, которая при строительстве бетонных сооружения применялась еще древними римлянами.

Канадские ученые разработали экологически чистый композит на базе пластично-цементной смеси. Полученный строительный материал армирован полимерными волокнами. В ходе исследований выяснилось, что новый бетон может успешно сопротивляться разрушению при землетрясениях с толчками магнитудой до девяти баллов.

Работы над созданием сверхпрочных бетонов ведутся не одно столетие. Ученые до сих пор ищут разгадку древнеримских построек, которым более 1000 лет. Лишь недавно удалось установить причину крепости и прочности их сооружений. Оказалось, что в составе древнего бетона присутствует большое количество силиката алюминия, который при соприкосновении с морской водой дает активную химическую реакцию, в результате которой в структуре раствора появляется минерал алюминий-тоберморит. Именно он, как оказалось, и отвечает за повышенную прочность.

Как ни странно, римляне использовали бетон в разных модификациях. Уже в то время бетонные смеси были стандартизованы и нормированы. Может быть поэтому прочность бетонного монолита в сооружениях, возведенных в настоящее время, рассчитана на 110-120 лет, а римские постройки стоят почти 2000 лет и успешно переживут современные конструкции.

Эластичный бетон, который может самовосстанавливаться

Традиционный бетонный раствор состоит из воды, цемента, гравия и песка. Смесь этих компонентов дает твердый, тяжелый, но совершенно не гибкий материал. Под большим давлением на его поверхности образуются микротрещины, приводящие впоследствии к разрушению всей конструкции.

Эластобетон, по сравнению с обычными бетонными смесями, гораздо более легкий и пластичный. Он не ломается под большими нагрузками, не крошится, в нем не появляется трещин и пустот. Влияние высоких нагрузок заставляет такой бетон прогибаться, сохраняя целостность структуры.

Повышенная эластичность обеспечивается за счет особых полимерных добавок, содержащихся в составе. Они не только поддерживают гибкие свойства материала, но и улучшают адгезию между веществами и армирующими элементами конструкции.

Добавки позволяют увеличить срок эксплуатации бетонных изделий, улучшить показатели их прочности, снизить влагопроницаемость.

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.

Спецдобавки в составе бетона

Существует несколько видов модификаторов, улучшающих характеристики бетонных смесей, а именно:

Пластификаторы — увеличивают упругость и прочность бетонных покрытий. Уменьшают массу раствора, сокращая нагрузку на опоры. Показатели водонепроницаемости тоже улучшаются.
Противоморозные добавки — сокращают сроки отвердевания бетона, исключая его промерзание при низких температурах. Лишняя жидкость благодаря этим добавкам не замерзает, разрушая плиты, а испаряется.
Замедлители — сокращают период схватывания раствора, актуальны при длительной транспортировке.
Ускорители — наоборот, ускоряют гидратацию цемента и положительно влияют на прочность бетонных блоков.

Комплексное использование модифицирующих компонентов упрощает и сокращает сроки проведения строительных работ.

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.

Гибкий бетон от сингапурских ученых

Исследователи Наньянского технического университета в лабораторных условиях создали инновационный строительный материал. Ими был разработан и протестирован улучшенный вариант бетонной смеси, получившей название ConFlexPave. Свое изобретение они планируют применять для укладки сборных дорожных покрытий.

Новый материал по степени прочности не уступает изделиям из металла, а его эластичность в два раза выше, чем у стандартных цементных растворов.

Основные преимущества ConFlexPave:

уменьшенная нагрузка на основание за счет небольшой массы плит;
экономия рабочей силы и времени на проведение строительных работ;
недорогое техобслуживание;
высокая износоустойчивость;
повышенная гибкость;
хорошая устойчивость к скольжению;
отказ от громоздкой арматуры.

Разработчики сделали инновационное открытие в ходе изучения взаимодействия веществ на микроскопическом уровне. В состав ConFlexPave они включили полимерное микроволокно и особый твердый минерал.

Содержание в смеси специальных синтетических компонентов позволяет бетону гнуться под воздействием большого давления. Тончайшие волокна равномерно распределяют нагрузку по всей плите, а твердые составляющие создают шероховатый антискользящий рельеф покрытия. Это минимизирует риск заноса транспортного средства и обеспечивает безопасность участников дорожного движения.

«Отказаться от арматуры», — вы шутите?

На фото показаны два образца обычного и гибкого бетона под давлением изгибающий нагрузки одинаковой величины

Создатели бетона ConFlexPave стремятся к тому, чтобы полностью заменить громоздкую арматуру на свое сверхлегкое и невероятно прочное фиброволокно. На сегодняшний день пока еще ведутся разработки в этой области. Пока лишь были обнародованы фото и часть результатов испытания образца гибкого бетона.

Результат ошеломляющий. Показатели прочности бетона с фиброй как на сжатие, так и на растяжение практически одинаковы и больше чем у обычного образца почти в 3 раза при аналогичной проектной марке раствора.

Как утверждает разработчик гибкого бетона, они создавали свое детище в первую очередь для увеличения эксплуатационного периода бетонных дорожных покрытий. К тому же подобная разработка позволит уменьшить их толщину и скорость укладки. К тому же, гибкий бетон станет спасением не только при проведении дорожных работ.

Его свойства взяли на заметку для разработки сейсмоустойчивых монолитных зданий и конструкций. Трудно даже представить, какую революцию произведет подобная разработка в области изготовления железобетона, в свое время, конечно, когда мы будем к этому готовы…

Самозалечивающийся бетон

Еще одно инновационное открытие, на этот раз от ученых из Нидерландов — бетон, способный самостоятельно себя «залечивать». Материал содержит бактерии, способные длительное время выживать в щелочной среде, даже при нехватке кислорода и воды. Их питательным веществом выступает лактат кальция, минимально влияющий на ключевые свойства бетона.

Основная идея заключается в том, что капсулы с бактериями, находящимися в состоянии анабиоза, помещаются в бетонный раствор. Когда на поверхности образуется трещина и в нее не проникает влага, микроорганизмы активируются и запускается процесс выработки известкового вещества. Известь скрепляет образовавшиеся повреждения, восстанавливая первоначальную структуру эластичного бетона.

Оба проекта пока находятся в тестовом режиме. Но разработчики уверены, что в ближайшем будущем эластичный бетон станет основным материалом для строительства мостов, дорог, сейсмоустойчивых монолитных сооружений.

Его единственный недостаток — более высокая стоимость по сравнению с обычными цементными растворами. Однако этот минус нельзя назвать существенным, учитывая, что долговечность эксплуатации материала неоднократно покроет разницу в цене.

Читайте также:

Поднять пол на балконе своими руками

Способы получения самовосстанавливающегося бетона с бактериями

Бингемтонский университет, штат Нью-Йорк и университет Рутгерса [8]

Иные технологии самовосстановления

Севастопольский гос. университет

Университет Мичигана, США [10]

Университет «Виктория», Британская Колумбия

Нитрифицирующие бактерии

Как приготовить гибкий бетон самостоятельно

Процесс представляет собой послойную укладку компонентов раствора и оптоволоконных нитей с обработкой поверхности изделия после застывания бетонной смеси. Для приготовления прозрачного изделия потребуются следующие компоненты:

портландцемент марки не меньше М300;
заполнитель (кварцевый песок, крошка мрамора или гранита) крупность фракции 2-3 мм;
оптоволокно сечением 0,25-05 мм;
пластификаторы, замедлители твердения.

Смесь готовится в объемном соотношении: 1 часть цемента, три части заполнителя, 0,5 части воды. Пластификаторы – по указанию инструкции изготовителя.

Для достижения высокого качества компоненты перемешиваются до полной однородности состава. Приготовленная смесь должна быть подвижной, но не расслаиваться. Чтобы не снизить качественные характеристики бетона, количество вводимого оптоволокна не должно превышать 5% от общего объема.

В готовую опалубку заливаем тонкий слой жидкой бетонной смеси, в которую строго в одном направлении укладываем слой оптоволокна.
После схватывания снова заливаем тонкий слой смеси и укладываем оптоволокно. Из-за того, что уплотнение смеси делать нельзя, чтобы не повредить оптоволокно, обязательно применение пластификатора для подвижности смеси.
Дальнейший процесс представляет собой послойную укладку компонентов раствора и оптоволоконных нитей до достижения необходимых габаритов изделия.
После полного схватывания раствора опалубку можно снимать.

В среднем, набор механической прочности при нормальных условиях составит 7 суток. Затем можно приступать к обработке поверхности изделия. Поверхность полируют перпендикулярно сечению проложенных волокон. Для того чтобы свет, попадая на торец проводника, отражался, и, многократно преломляясь на изгибах, выходил через другой конец волокна.

Какой бетон нужен сегодня

Бетон, нуждающийся в ремонте