Хотя бетон всегда был основным материалом на строительных площадках, его популярность создает проблему для тех, кто ищет более экологичные методы строительства и строительные изделия для снижения воздействия на окружающую среду. Исследователи ищут бетон по индивидуальному заказу, который был бы чрезвычайно легким и гибким, а также обладал бы высокими свойствами тепло- и электропроводности. От более экологичных методов смешивания до бетона, который может буквально самовосстанавливаться, новые технологии производства бетона открывают, казалось бы, безграничные возможности для будущего строительства. Некоторые из инноваций в области бетона по всему миру были рассмотрены ниже.
Новые инновации в бетоне
Использование бактерий для производства низкоуглеродистого бетона
Механизм самовосстановления Биологический бетон, а также самовосстанавливающийся, или MICP, производит CaCO3 с использованием бактерий. Он заполняет трещины, которые появляются в бетонных материалах.
Это бактерии, которые могут выживать в средах с высоким содержанием щелочи, т.е. эти бактерии используют метаболические процессы, такие как восстановление сульфатов, фотосинтез и гидролиз мочевины. В результате получается карбонат кальция в качестве побочного продукта. Некоторые реакции также повышают уровень рН с нейтрального до щелочного, создавая бикарбонатные и карбонатные ионы. Они выпадают в осадок вместе с ионами кальция в бетоне с образованием минералов карбоната кальция. Они являются хемоорганотрофами, то есть получают энергию за счет окисления простых органических соединений. Микроорганизмы относятся к виду Bacillus и совершенно не вредны для человека. В этом процессе используются бактерии рода Bacillus, а также питательные вещества для бактерий. Это могут быть соединения кальция, азота и фосфора. Все компоненты добавляются в бетон в процессе производства. Перечисленные компоненты не вступают в реакцию внутри материала до тех пор, пока материал не будет поврежден, что может занять до 200 лет. Однако этот период может быть сокращен при повреждении бетона. Вода из внешней среды начнет проникать в поврежденные участки. В этом случае споры бактерий смогут расти в удобных условиях. Растворимые питательные вещества преобразуются в нерастворимый карбонат кальция. Затем он затвердевает на поврежденной поверхности или внутри материала. Таким образом бетон герметизируется. Бактерии потребляют кислород во время своего роста, поэтому арматура не подвергается коррозии. Это повышает долговечность бетона.
Марсианский бетон
Ученый-материаловед Лин Ван и ее коллеги из Центра устойчивой инженерии геологических и инфраструктурных материалов Северо-Западного университета (SEGIM) в Эванстоне, штат Иллинойс, разработали метод изготовления марсианского бетона с использованием материалов, которые в изобилии имеются на Марсе, и без использования воды — ресурса, который будет ограниченным и ценным на планете.
Ключевым материалом в марсианском строительном буме будет сера, говорит команда Northwestern. Основная идея заключается в нагревании серы примерно до 2400 ° C, чтобы она стала жидкой, смешивании ее с марсианским грунтом, который действует как заполнитель, а затем дает ей остыть. Сера затвердевает, связывая заполнитель и создавая бетон. Вуаля -марсианский бетон. Испытания были простыми. Смешав заполнитель с различным процентным содержанием расплавленной серы и дав образцам остыть в виде блоков, они измерили физические свойства полученных материалов, такие как их прочность на сжатие и механизмы разрушения. Они также провели химический анализ смеси и смоделировали ее поведение. Результаты представляют интерес для чтения. Оказывается, что использование заполнителя из более мелких частиц уменьшает образование пустот, что значительно повышает прочность материала. “Наилучшая смесь для производства марсианского бетона — это 50% серы и 50% марсианского грунта с максимальным размером заполнителя 1 мм. В ходе испытаний на сжатие команда обнаружила, что марсианский бетон достигает прочности при сжатии 50 МПа и более благодаря прочным химическим связям, которые сера образует с марсианским грунтом в процессе отверждения. Это по сравнению со стандартным бетоном, используемым в зданиях на Земле, прочность которого на сжатие составляет около 20 МПа.
Бетон ‘Green-mix’
Использование переработанных материалов можно считать устойчивым, поскольку они позволяют снизить затраты на сырье, а также сократить количество свалок. В рамках недавнего проекта в Малайзии исследователи из Технологического университета МАРА представили инновационный зеленый бетон под названием “green-mix concrete”, который разработан и изготовлен с использованием традиционных материалов, но частично заменен подходящими отходами и переработанными материалами для достижения приемлемых эксплуатационных характеристик, экономичности и экологичности.
Зеленый бетон изготавливается из нового сырья, а именно золы-уноса, переработанных бетонных заполнителей и волокон алюминиевых банок. Зола-унос является отходом угольных электростанций и обычно сбрасывается в пруды и отправляется на свалки. В ходе исследований было обнаружено, что зола-унос потенциально может заменить цемент — материал, оказывающий значительное воздействие на окружающую среду из-за загрязнения воздуха цементными заводами. Чтобы сократить потребление сырья и свести к минимуму отходы, образующиеся при разрушении бетонных конструкций, измельченный бетон можно повторно использовать в качестве заполнителя. Алюминиевые банки были использованы потому, что их можно легко перерабатывать в измельченные волокна и использовать в качестве арматуры в бетоне. Для производства этого нового бетона требуются технические знания, такие как новый дизайн бетонной смеси, новое сырье и новые знания о свойствах экологически чистого бетона. Этот недавно разработанный зеленый бетон не только безвреден для окружающей среды, но и экономичен благодаря оптимизированным соотношениям материалов, заложенным в нашей новой конструкции бетонной смеси. Согласно нашим исследованиям, новый бетон может увеличить прочность до 30% по сравнению с обычным бетоном.
Проницаемый бетон, поглощающий 4 литра воды в минуту
Недавно разработанный водопроницаемый бетон Topmix, рекомендованный EPA, другими агентствами и инженерами-геотехниками, позволяет более эффективно использовать землю, устраняя необходимость в накопительных прудах, болотах и других ливневых сооружениях. Это, несомненно, обеспечивает дополнительную экономию средств помимо долгосрочной экономии на техническом обслуживании. Это может даже предотвратить, а может и значительно помочь в предотвращении автомобильных аварий на мокрых дорогах. Это может поглощать впечатляющие 4 литра воды в минуту. Учитывая его структуру, замораживание-оттаивание исключает его использование в очень холодных помещениях.
Для получения однородной массы используются тщательно контролируемые количества воды и вяжущих материалов. Затем этой пастой тщательно покрывается заполнитель. В матрице используется очень мало песка, если таковой вообще имеется. Это позволяет конечному продукту иметь значительное содержание пустот, идеально подходящих для проникновения дождевой воды. Использование пасты для покрытия и связывания заполнителя создает сеть взаимосвязанных пустот, которые быстро осушаются. Проницаемый бетон Topmix обычно содержит от 15% до 20% пустот в затвердевшем бетоне. Скорость потока обычно составляет 0,34 см / с или 200 л / м2 / минуту. Впечатляет, на самом деле они могут работать лучше этого. Очевидно, что низкое содержание раствора и высокая пористость снижают конечную прочность бетона по сравнению с более обычным бетоном.
Бетон, пропитанный графеном
Австралийская компания Talga Resources, занимающаяся передовыми технологиями в области материалов, добилась высоких показателей электропроводности бетона благодаря использованию добавки, разработанной в научно-исследовательской лаборатории графен-графитовой компании в Великобритании. Этот прорыв открывает значительный потенциал для существующих и новых промышленных применений, особенно учитывая, что бетон является крупнейшим в мире строительным материалом по объему.
Образцы бетона были изготовлены на немецком испытательном заводе Talga и в лаборатории Betotech (Heidelberg Cement Q & C) в Германии с использованием стандартного для отрасли цемента с добавками первичного графена Talga, графита и богатого кремнеземом побочного продукта переработки руды. Оптимизированная рецептура обеспечивает высокую электрическую проницаемость при низких концентрациях материала и потенциально более низких затратах. Графен — это слой кристаллического углерода толщиной в один атом, обладающий свойствами прочности, проводимости и прозрачности, которые обусловлены его уникальной двумерной структурой. Таким образом, тесты UoM показали, что бетон, обогащенный графеном Talga, обладает высокой электропроводностью (низким удельным сопротивлением) до 0,05 ом-см (Ом — это мера сопротивления материала проведению электричества, чем ниже, тем лучше). Этот показатель соответствует общему уровню удельного сопротивления около 1 000 000 ом-см для эталонного раствора при аналогичной сухости (фоновый уровень влажности может влиять на электропроводность, поэтому образцы измеряются при одинаковой сухости).
Нанопластинки из корнеплодов -армированный бетон
Инженеры из Университета Ланкастера совместно с промышленными партнерами Cellucomp Ltd, Великобритания, изучили средства укрепления бетонных смесей и повышения их экологичности за счет добавления “нанопластинок”, полученных из волокон корнеплодов. Исследование получило поддержку в размере 195 000 фунтов стерлингов из фонда Европейского союза horizon 2020 и будет основано на результатах предыдущих испытаний, которые показали, что бетонные смеси, содержащие нанопластинки из моркови или сахарной свеклы, значительно улучшают механические свойства бетона.
Также было обнаружено, что бетоны на основе растительных композитов превосходят все доступные на рынке добавки к цементу (например, углеродные нанотрубки и графен) при значительно более низкой стоимости. нанопластинки из корнеплодов обладают двусторонней функциональностью: они увеличивают количество гидрата силиката кальция (основного вещества, контролирующего характеристики бетона), а также предотвращают образование трещин в бетоне. Поскольку эксплуатационные характеристики бетона повышаются, при строительстве требуется меньшее количество бетона.
Самовосстанавливающийся бетон для дорог
У Хендрика Йонкерса, микробиолога из Делфтского университета и финалиста недавней 10-й ежегодной премии European Inventor Awards, есть план по увеличению срока службы бетона. Его инновация, которая внедряет в строительные материалы самоактивирующиеся бактерии, продуцирующие известняк, предназначена для сокращения количества производимого нового бетона и снижения затрат на техническое обслуживание и ремонт для городских властей, владельцев зданий и домовладельцев.
Когда дело доходит до бетона Jonkers, вода является одновременно и проблемой, и катализатором, который активирует раствор. Бактерии (Bacillus pseudofirmus или Sporosarcina pasteurii) смешиваются и равномерно распределяются по бетону, но могут находиться в состоянии покоя до 200 лет, пока существует пища в виде частиц. Только с появлением самого врага бетона – дождевой воды или атмосферной влаги, просачивающейся в трещины, – бактерии начинают вырабатывать известняк, который в конечном итоге заделывает трещины. Этот процесс аналогичен тому, который осуществляется клетками остеобластов в нашем организме, из которых состоят кости.
Изобретение выпускается в трех формах: спрей, который можно наносить на существующую конструкцию для устранения небольших трещин, требующих ремонта, ремонтный раствор для структурного ремонта крупных повреждений и самовосстанавливающийся бетон, который можно смешивать в необходимых количествах. Хотя данный спрей доступен в продаже, два последних в настоящее время проходят полевые испытания. Одно из применений, которое, по прогнозам Йонкерса, будет широко полезно для градостроителей, — это дорожная инфраструктура, где использование противогололедных солей, как известно, наносит ущерб дорогам с бетонным покрытием.
Заключение
Вышеупомянутые инновации — это лишь некоторые из тех, которые тестируются в бетонной промышленности. Бетон как материал развивался более 1000 лет. Все факты указывают на продолжение захватывающих изменений и в будущем.