Самовосстанавливающийся гибкий бетон: технология производства и применение в строительстве

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.

Регенерация бетона — или новый виток эволюции строительства

С тех пор, как почти 2000 лет назад был построен римлянами Колизей, бетон стал использоваться повсюду. На некоторое время он ушел в забвение, но сейчас более 70% построек во всем мире возведено именно из этого материала.

Только в прошлом году Китай использовал при строительстве больше объема железобетона, чем США за прошедшее столетие. Такая неумолимая жажда строительства из бетона открывает новые горизонты в его исследовании, давая ученым возможности создавать более совершенный материал.

Какой бетон нужен сегодня

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.

Изменение «генетики» — или в чем суть самовосстанавливающегося бетона

Как рассказывает Хенк Джонкерс, его вдохновением стала удивительная способность организма сращивать кости с помощью кальция. Именно эта идея дала основу новым исследованиям в подобной области.

Он разработал инкапсулированные биологические объекты, которые вводятся в обычный бетон с особым «коктейлем» из азота, фосфора и минеральных веществ. Именно благодаря ему, они могут храниться в состоянии покоя в надежном бетонном теле около 200 лет.

Bacillus alsudofirmus и B. Cohnii – именно эти бактерии способны выжить в щелочной среде, такой как бетон, без дополнительных питательных веществ. Они как бы «засыпают» в своих капсулах ровно до момента контакта с водой. Влага активизирует эти бактерии, которые в свою очередь, вырабатывают известковое вещество, которое и играет роль «латки» на бетонном теле.

Чем замечательна эта идея: подобные капсулы с бактериями не нуждаются в контроле человека и уже тем более в том, чтобы он дал «толчок» их жизнедеятельности. Через образовавшиеся трещины в бетоне просачивается влага в большом объеме, она-то и является «ключом зажигания» для регенерации бетона.

Лактат кальция помещаются в капсулы из биоразлагаемого пластика, размером от 2 до 4 мм. Они дозируются в любую марку бетона, которая может содержать всевозможные химически активные вещества.

Они никак не воздействуют на деятельность и сохранность биокапсул. При этом если бактерии были введены сначала в цемент, а после затворены водой, это никак на них не сказывается, чего нельзя сказать о прямом контакте с водой в уже затвердевшем бетонном теле.

Что самое важное – подобные бактерии не несут вреда и опасности для человека и животных. Даже если они попадут в организм, то не причинят никакого вреда.

Будущее самовосстанавливающегося бетона

Разработка Хенка Джонкерса потрясла весь мир. В настоящее время подобная технология тестируется в лабораториях всех институтов по разработке бетона. Слова главного инженера Кардиффского университета, профессора Боба Ларка, обнадежили всех строителей без исключения: «Сейчас мы дорабатываем эту технологию, подобно тому, как ювелиры огранят алмаз, превращая его в бриллиант.

Мы доводим до совершенства функции самовосстановления бетона без участия человека, что без сомнения, значительно снизит затраты на ремонт в будущем, и продлит срок эксплуатации бетона в несколько раз».

Технология, представленная Хенком Джонкерсом и его командой, разрабатывается в трех направлениях:

самовосстанавливающийся бетон;
регенерирующие ремонтные растворы;
целебная функция воды в бетоне.

Вне сомнения, первая технология является приоритетом для разработок, так как современное строительство нуждается в самовосстанавливающемся бетоне, который не нужно ремонтировать и обновлять.

Первый метод, или как его еще называют «Бактерии Джонкерса», вводят в бетон на этапе производства, смешивая с цементом.
По второй технологии, ремонтный раствор с подобными активными веществами наносят на пораженную поверхность. Такая смесь при нагревании и воздействии маломощного тока активизируется и «залечивает» малые трещины полностью, а большие уменьшает в размерах.
Когда же по третьей технологии, минеральные вещества растворяют в воде, и вводят их в тело бетона по его миро−канальцам. «Живая» вода растекается по всему телу бетона, борясь как с внешними, так и с внутренними трещинами.

В настоящее время на испытательном полигоне выстроено 6 стен с применением вышеперечисленных технологий. Ученые будут испытывать такой бетон не только на прочность в лаборатории, но и следить за его регенерирующими свойствами под открытым небом, делая выводы и дорабатывая несовершенства.

Цена вопроса

На сегодняшний день разработки Джонкерса стоят 4−6 миллиардов евро в год. Такие огромные средства тратятся с дальним прицелом, чтобы в будущем тратить меньше средств на ремонт бетона, или вообще забыть об этом.

Сегодня куб обычного бетона стоит в среднем 80 евро, когда инкапсулированная смесь имеет стоимость в три раза выше. Да и налаживание такого производства требует немалых вложений от производителей.

Поэтому Джонкерс работает не только над регенерирующими свойствами своих бактерий, но и над удешевлением их производства. Ведутся исследования в области альтернативных технологий. Если верить словам новатора, то он удешевит самовосстанавливающийся бетон в два раза.

Да, его стоимость будет немногим выше цены на обычный бетон, но эта разница полностью окупается за продолжительный эксплуатационный период бетонных сооружений без дополнительного ремонта.

Сегодня, самовосстанавливающийся бетон доказал свою эффективность и актуальность в современном строительстве. Весь мир, затаив дыхание ждет новых разработок в этой области и, конечно же, первого сооружения из такого бетона. Будем надеяться, что оно скоро увидит свет и поразит всех своими регенерирующими свойствами.

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.

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.