Самозалечивающийся эластичный бетон реферат

Обновлено: 05.07.2024

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 2. 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.

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]

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 – 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 3. 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.

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

«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.

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

Первая строка – контрольный образец; вторая – споры T. reesei; третья – Aspergillus nidulans [8]
Применяется несколько способов получения самовосстанавливающегося бетона:
Технический университет Делфта, Нидерланды [7]

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

Иные технологии самовосстановления

Севастопольский гос. университет

Университет Мичигана, США [10]

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.

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

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.

Гибкий бетон

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

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.

Бетон, воспринимаемый нами как образец надежности и долговечности, на самом деле достаточно хрупкий материал. В процессе эксплуатации он быстро теряет свои качества и легко разрушается под воздействием внешних факторов. Ученые постоянно работают над совершенствованием этого стройматериала, стремясь найти баланс между его прочностью и пластичностью.

Эластичный бетон и его преимущества

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.

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.

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.

Самозалечивающийся бетон

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.

Самовосстанавливающийся гибкий бетон: технология производства и применение в строительстве Самовосстанавливающийся гибкий бетон: технология производства и применение в строительстве

Бетон, как строительное средство, был впервые получен еще в Древнем Риме. Но с тех пор требования к его качеству и характеристикам выросли многократно. Возведение сооружений в сейсмически опасных зонах и под водой вызвало необходимость получения новых типов бетона, которые бы обладали повышенной прочностью и упругостью одновременно.

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.

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.

Основной проблемой всех типов бетонов является постепенное снижение прочности в результате влияния воды и низких температур. Добавки поднимают температурный порог промерзания. Это действие похоже на работу антифриза в воде, который не дает ей замерзнуть при отрицательной температуре. Слой бетона в 10 см может застывать в течение месяца при положительных ее значениях.

Противоморозные добавки сокращают сроки застывания независимо от наружного температурного режима. Замедление действия низкой температуры на смесь позволяет ей схватываться, а не промерзать. Так бывает с обычным раствором, положенным при морозах, после оттаивания стяжка рассыпается. Работа при -25°С не ухудшает строительных свойств кладки и стяжки. Излишки жидкости, благодаря добавкам, в ходе застывания испаряются, а не замерзают, разрывая конструкцию.

Модифицирующие средства изменяют внутреннюю структуру смеси таким образом, что расслоение бетона отсутствует даже при появлении микротрещин и попадании воды. Принцип действия модифицирующего порошка заключается во взаимодействии с водой. При этом образуется нейтральный или низкощелочной раствор. Кроме названных качеств, модификаторы снижают расход стройматериалов, уменьшают температуру замерзания жидкости, улучшают слипаемость отдельных ингредиентов.

Замедлители увеличивают период застывания цементного раствора. Такое свойство полезно при перевозке его на большие расстояния. Например, чем выше марка цемента, тем он быстрее застывает. Поэтому введение в состав замедлителей позволит устранить риск быстрого схватывания.

Отвердители или ускорители, наоборот, сокращают время отвердевания. Они проникают в микроструктуру цемента, равномерно распределяясь в молекулярной решетке. Данное свойство важно при непрерывности процесса и для увеличения скорости строительных работ. Ускорители, как противоморозные добавки, можно применять при низких значениях температуры воздуха. Специальные средства для самовыравнивающейся смеси придают ей высокую прочность и улучшают характеристики подвижности и текучести.

Заметка! Выпускаемые спецдобавки для бетонных смесей ускоряют работу по кладке или стяжке, отделке наружных покрытий. Если раньше для выведения воздуха применялись различные механические уплотнители, то теперь его удаление происходит без участия людей или оборудования.

Гибкий бетон

В Сингапуре создано инновационное строительное вещество – гибкий бетон ConFlexPave. Его прочность сопоставима со стальными материалами, а гибкость в два раза превышает этот показатель обычной цементной конструкции. В состав гибкого бетона входит полимерное микроволокно. Оно, кроме гибкости, усиливает адгезию бетона с покрываемой поверхностью.

Это уже не просто бетон, а композитное вещество, в которое добавляют разные компоненты в зависимости от поставленных задач. Теперь бетонные композиты заменят обычные плиты на дорожном или аэродромном покрытии. Они легче и прочнее, что важно при строительстве мостов, домов и других высотных сооружений.

Первые виды гибких бетонов появились около десятка лет назад. Их принцип работы заключается в скольжении слоев стройматериала между собой. В то время как у традиционной смеси все компоненты просто твердеют и теряют эластичность. Поэтому у нового бетона нет деформаций, ведущих к медленному разрушению. У гибкого бетона есть один недостаток – цена. Стоимость его в три раза выше, чем у обычного изделия.

Самозалечивающийся эластичный бетон

Ученые выбрали бациллы из рода палочковидных, которые образуют внутриклеточные споры. Для них жить в щелочи – нормальное явление, как и находиться долгое время в спячке. После активизации им необходима питательная среда. Сахар для этой цели не годился, поскольку делает бетон рыхлым. Остановились на лактате кальция – кальциевой соли молочной кислоты (пищевая добавка Е327). В роли капсулы выступает синтетическое вещество, разлагающееся под действием естественных факторов.

Сейчас ученые работают над природоподобными материалами, которые используются не только в строительной индустрии, но и в информационных и компьютерных системах.

Читайте также: