Бетон использовался в строительстве с давних пор – более 4000 лет назад. Однако, знание о его составе было утеряно в течение достаточно длительного времени. В девятнадцатом веке, в связи с наступившей тогда индустриальной революцией и последующим строительным бумом, возникла потребность в прочном и доступном строительном материале. Это привело к новому открытию – качественного вяжущего вещества для производства бетона. В 1824 году английский изобретатель Джозеф Аспдин предложил портландцемент, который с тех пор широко применяется в качестве связующего элемента в бетонных смесях и растворах. Несмотря на свои достоинства, бетон первоначально имел недостатки, связанные с низкой устойчивостью к растяжению и изгибу. В начале XX века была разработана технология армирования бетона стальными конструкциями, что позволило преодолеть эти ограничения.
Появление железобетона открыло новые возможности для строительства сложных сооружений, таких как небоскребы, плотины и гидроэлектростанции. Железобетон считается очень прочным материалом. Однако он не застрахован от появления трещин и микротрещин, через которые в бетон попадает влага. Это, в свою очередь, приводит к нежелательным последствиям: из-за водной эрозии снижается прочность постройки, армирующие элементы повреждаются коррозией, нарушается герметичность конструкции, возрастает риск появления плесени и грибков.
Для решения этой проблемы ученые принялись за разработки, призванные активизировать в строительном материале процессы самовосстановления. Основное направление — поиск самозалечивающегося, гибкого бетона, который сможет восстанавливаться при любых воздействиях и будет эффективно противостоять деформациям.
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.
«В условиях дорожного движения имеет место постоянная смена нагрузки по мере того как автомобили проезжают по бетону», объясняет помощник профессора Янга Ен-Хуа. «Устойчивость исключительно важна».
Профессор Янг возглавляет исследовательский проект в Центре инфраструктурных инноваций NTU-JTC. Прочность материала ConFlexPave как минимум вдвое превышает прочность обычного бетона, а это означает, что изготовленные из него плиты могут быть вдвое меньшей толщины, что в свою очередь делает их легче, упрощает перевозку и установку.
Стойкость также означает, что материал, согласно ожиданиям ученых, должен служить почти вдвое дольше 20-летнего срока жизни обычного дорожного покрытия.
«Поскольку мы используем особые материалы, начальные капиталовложения несколько увеличиваются», добавил профессор Янг. «Однако, если учесть продолжительность жизненного цикла конструкций и принять во внимание снижение трудозатрат во время монтажа, становится очевидно, что экономия будет значительной».
Помимо цемента, воды и песка, являющихся компонентами обычного бетона, в состав ConFlexPave входят еще два необычных материала. Хотя их нельзя назвать точно, поскольку они представляют коммерческую тайну, это синтетическое волокно, позволяющее бетону изгибаться, а не ломаться под воздействием давления, а также твердый минерал, заменяющий гравий, применяемый в обычном бетоне.
Следующей задачей является запуск производства этого бетона в промышленных масштабах, считает профессор Янг. Плиты из нового материала будут проходить испытание в течение следующего года, а затем подвергаться постоянному мониторингу на протяжении еще как минимум двух лет.
На основе результатов испытаний, организация JTC будет сотрудничать с государственными органами в поиске возможностей масштабного производства. Директор подразделения технических служб JTC и содиректор исследовательского центра Ко Чви сказал: «У этого материала имеется целый ряд потенциальных сфер применения, помимо дорожных покрытий».
Профессор Янг полагает, что гибкость может сделать его материал отличной заменой традиционным бетонам в строительных конструкциях, предназначенных для сейсмоактивных регионов.
Разработки новых и улучшение уже известных строительных материалов ведутся без перерыва по всему миру. Ученые предлагают многочисленные инновационные решения, часть которых касается бетона. Он является одним из наиболее популярных и востребованных материалов в ремонтно-строительной сфере, поэтому поиск новых методов производства весьма актуален. Как правило, научные разработки направлены на изменение структуры бетона для появления у материала способности к восстановлению, а также стойкости к различным воздействиям. Улучшенный бетон называют самовосстанавливающимся.
Самозалечивающийся бетон
Один из методов придуман голландским ученым Хенком Джонкерсом. Он взял за основу свойство регенерации костей человека, при которой большую роль играет кальций, придающий прочность и пластичность скелету.В состав голландской версии самовосстанавливающегося бетона входят бактерии Bacillus pseudofirmus и Sporosarcina pasteurii, которые способны выжить в щелочной среде, в том числе в бетоне. Бактериям не нужны дополнительные питательные вещества. При взаимодействии с водой они запускают реакцию по образованию карбоната кальция, содержащего 40% кальция. Таким образом, при попадании в бетон влаги данные бактерии выделяют известковое вещество, играющее роль «пластыря» для стройматериала.
Сегодняшний день
Гибкий бетон – общестроительный материал на основе цемента, способный выдерживать высокую нагрузку на изгиб. Эластичность прочного, долговечного искусственного камня достигается добавлением в раствор модифицирующих добавок и ультратонких волокон с антифрикционным покрытием. Это позволяет армирующим нитям скользить относительно друг друга, что снижает вероятность появления трещин при статических и динамических нагрузках.
Характеристики гибкого бетона
Материал имеет следующие технические характеристики:
- прочность на сжатие – до 70 МПа;
- прочность на растяжение – до 15 МПа;
- предельная деформация растяжения – 3-5%;
- плотность – до 1800 кг/куб.м.;
- срок службы – до 200 лет.
Деформационная способность в 300 раз больше, чем у железобетона. Это обеспечивает гибкость конструкций без появления повреждений.
Общие достоинства и недостатки гибких бетонов
Преимущества материала:
- повышенная прочность позволяет выдерживать статическую нагрузку;
- пластичность снижает риск деформаций при динамическом воздействии;
- в процессе эксплуатации отсутствует эмиссия вредных для здоровья газов в окружающую среду;
- повышенная стойкость к появлению трещин;
- отсутствие стальной арматуры в составе избавляет от риска коррозии;
- уменьшенный вес снижает нагрузку на несущие конструкции;
- самовосстановление исключает необходимость ремонта трещин.
Практические характеристики упрощают монтажные работы, увеличивают рентабельность применения.
Недостатки:
- высокая цена, которая компенсируется увеличенным сроком эксплуатации, но требует больших первоначальных вложений;
- сложное производство – связано с дефицитом на рынке добавок, необходимостью контролировать атмосферные условия при изготовлении;
- более низкая прочность на сжатие, чем у железобетонных конструкций, ограничивает сферу использования.
К работе привлекается персонал с высокой квалификацией, что затрудняет массовое применение.
Виды эластичного бетона
Выпускают следующие виды:
- гибкий бетон – стандартный для категории тип продукции, изготовленный из цемента, наполнителя, армирующих волокон и присадок. Отличается повышенной прочностью, применяется в муниципальном и дорожном строительстве;
- самозалечивающийся бетон – среди компонентов законсервированные бактерии. При появлении трещин и проникновении в структуру влаги возобновляется жизнедеятельность микроорганизмов. Продуктом метаболизма является карбонат кальция, который залечивает трещины, восстанавливает первоначальные характеристики;
- прозрачный бетон – армирующие волокна изготавливаются из прозрачного кварца по технологии оптоволокна. Композитный материал отличается высокой светопропускной способностью, применяется в декоративных целях при зонировании помещений, изготовлении мебели.
Лидерами производства гибкого бетона являются США и Япония, самозалечивающийся выпускается в Нидерландах, прозрачный – в России.
Области применения эластичного бетона
Материал используют в дорожном и жилищном строительстве. Прозрачный применяют при создании оригинальных дизайнерских решений.
Дорожное строительство
При прокладке дорожного полотна эластичность позволяет отказаться от нарезки компенсационных швов. Это увеличивает темп работ, повышает рентабельность. Полотно из этого материала служит дольше, способно выдерживать постоянное динамическое воздействие. Для улучшения сцепления с колёсами в композит добавляют антискользящие присадки. Применяется стройматериал при возведении мостов, строительстве взлётно-посадочных полос.
Жилищное и коммерческое строительство
Перспективной областью применения является возведение зданий в сейсмоопасных зонах. Устойчивость к вибрационным нагрузкам позволяет выдерживать более сильные толчки без повреждений конструкций.
Эластичный стройматериал подходит для заливки стяжек, он формирует прочное основание, что увеличивает интервал между капитальным ремонтом. Особенностью стяжки является возможность ввода в эксплуатации через 7 дней. Это сокращает срок строительства.
Особенности производства гибкого бетона
Эластичность материала зависит от используемых волокон. При производстве используют нити из кремнезёма, асбеста, стекла, стали. На поверхность наносят слик – антифрикционное покрытие, защищающее от возможного трения между волокнами. В роли наполнителя – промытый песок мелкой фракции. В качестве пластификаторов применяют лигнин, поликарбоксилатный эфир, меламиновый формальдегид. Модифицирующие добавки улучшают морозостойкость, прочность и износостойкость стройматериала. Использование присадок сокращает сроки набора прочности, позволяет использовать меньше бетона при заливке стяжек.
