CC BY
58
УДК:691.33
ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ: САМОВОССТАНАВЛИВАЮЩИЙСЯ БЕТОН
Е.В. Александрова, кандидат педагогических наук, доцент И.В. Лосев, магистрант ФГБОУ ВО «Орловский государственный аграрный университет им. Н.В. Парахина»
E-mail: [email protected]
Аннотация: Данная статья рассматривает основные виды инновационных технологий использования строительных материалов, а именно бетона в строительстве сельскохозяйственных сооружений. Описывается несколько видов самовосстанавливающегося бетона, приводятся их характеристики, принцип работы, а также перечисляются достоинства и недостатки различных видов бетона.
Ключевые слова: бетон, строительство сельскохозяйственных сооружений, строительные материалы, инновационные технологии.
INNOVATIVE TECHNOLOGIES IN THE CONSTRUCTION OF AGRICULTURAL CONSTRUCTIONS:
SELF-REGULATING CONCRETE
E.V. Alexandrova, Candidate of Pedagogical Sciences, Associate Professor I.V. Losev, undergraduate Orel State Agrarian University named after N.V. Parakhina
Abstract: This article examines the main types of innovative technologies for the use of building materials, namely concrete in the construction of agricultural structures. Several types of self-healing concrete are described, their characteristics, the principle of operation are given, and the advantages and disadvantages of various types of concrete a re a lso listed.
Key words: concrete, agricultural construction, building materials, innovative technologies.
В современном мире все больше уделяется внимание инновационным технологиям в АПК, которые внедряются в большинство сфер деятельности человека. Они позволяют сэкономить ресурсы, затраты, повысить качество жизни человека. Инновации не обошли стороной такую сферу деятельности, как строительство сельскохозяйственных сооружений. Ежегодно появляются новые технологии, материалы, повышающие качество зданий и сооружений в АПК, делая их более устойчивыми к воздействию внешних факторов, а также сокращая трудозатраты и материальные затраты. Одной из таких инновационных технологий в агропромышленном комплексе является материал, получивший развитие только в 2020 году - самовосстанавливающийся бетон [1].
Модернизация бетона на сегодняшний день является необходимой мерой. Возрастают требования к постройке зданий и сооружений и, вместе с тем, появляются все более опасные факторы при использовании обычного «старого» вида бетона:
— нарушению герметичности стен, перекрытий и других конструкций;
— коррозии арматуры;
— снижению прочности;
— появлению колоний вредных микроорганизмов;
— нарастанию разрушительных процессов.
Бетон является самым древним и часто используемым материалом в строительстве сельскохозяйственных зданий. Он прост в изготовлении, а его свойства позволяют повысить качество здания или сооружения, продляя срок его эксплуатации. К тому же в мире пока не создано аналога бетона, что делает его уникальным. Поэтому не удивительно, что бетон как материал постоянно модифицировался, приобретая все новые свойства. Не так давно был открыт самовосстанавливающийся бетон, о свойствах которого название говорит само за себя. В сравнении с обычным бетоном, данный тип бетона, как показали исследования, обладает способностью к регенерации, а также более эластичен, устойчив к трещинам и на 40 -50% легче. Идея для изготовления такого бетона была взята с обычных морских ракушек, в состав которых входят различные минералы, предающие им эластичность. Эти минералы были добавлены в состав бетона, после чего и были открыты его новые свойства.
Если говорить о понятии самовосстанавливающегося бетона, то под этим нельзя понимать один конкретный материал. Это скорее общее название современных разработок, в которых производится замена структуры материала, делая его восприимчивым к различным внешним факторам. На сегодняшний день существует несколько видов самовосстанавливающегося бетона.
Один из видов - это полимерные заплатки, состоящие из полимерных капсул. Это материал, использующийся в качестве покрытия на бетонные монолитные плиты. Если на покрытой таким материалом плите появляется трещина, то эти полимерные капсулы раскрываются, впоследствии чего трещины заполняются жидким полимером. Затем необходимо ультрафиолетовое излучение, из -за которого полимеры застывают, тем самым восстанавливая свойства бетона. Такие заплатки пока находятся на стадии разработки учеными из Южной Кореи, однако на данный момент испытания дают положительные заключения. Тем не менее, у это разработки
есть один основной недостаток: эффект от такой заплатки сохраняется только в течение одного года. Поэтому необходимы дальнейшее развитие этой технологии с увеличением сроков ее использования [2,3].
Следующим видом технологий является самозалечивающийся эластичный бетон, основой которого являются бактерии рода Bacillus (палочковидные) или так называемые «бактерии-реставраторы». Впервые данная технология была разработана нидерландскими учеными и продолжает свое развитие до сих пор. Принцип действия таких бактерий схож с полимерными заплатками и имеет простое действие. В непосредственно раствор бетона добавляются синтетические гранулы, которые растворяются от воздействия внешних факторов (воды). В этих гранулах находится лактат кальция (кальциевая соль молочной кислоты, более известна как пищевая добавка Е327). Вместо лактата кальция изначально планировалось использования сахара, однако он делает бетон рыхлым, что ухудшает его качества. Помимо этого, в капсуле находятся непосредственно споры бактерий, которые погружены в состояние анабиоза. Учеными были выбраны именно палочковидные бактерии, поскольку для них щелочная среда является нормальной для существования, а также они способны долгое время находиться в спячке. Итак, когда на бетоне появляется трещина, поступающая в него влага, растворяет синтетические капсулы и пробуждает споры бактерий. Бактерии начинают активно поглощать лактат кальция и выделять кальцит (известковая смесь), который и заделывает трещины, восстанавливая тем самым целостность и прочность бетонной конструкции. В лабораторных условиях бактерии способны «залечивать» трещины толщиной до 0,5 мм. Сейчас ведутся испытания уже в реальных условиях. Также ученые решают вопрос об удешевлении такого материала с целью развития его доступности, поскольку такой бетон на данный момент стоит в полтора раза дороже обычного цемента. [1]
Еще одним видом инновационного бетона является гибкий бетон (ConFexPave). Этот инновационный материал был разработан учеными из Сингапура. По характеристикам такой бетон схож со стальной арматурой, а гибкость у него в два раза превышает гибкость обычной цементной конструкции. В соста в такого бетона добавляется полимерное микроволокно, за счет которого повышается гибкость конструкции и усиливает его адгезию (сцепление) с покрываемой поверхностью. В итоге такой бетон можно назвать уже композитным материалом, поскольку он сравнительно легче и прочнее. Это очень важный фактор при строительстве таких сооружений, как дороги, мосты, а также при возведении высотных зданий. Помимо прочего, гибкий бетон способен выдерживать землетрясения, что очень необходимо при строительстве сооружений в сейсмически опасных странах. Поэтому производство такого бетона очень развито на территории Японии и США. Гибкий бетон, несомненно, является прорывом в строительстве, однако у него есть существенный недостаток -стоимость. Гибкий бетон стоит в три раза больше о бычного [3 -4].
Сам по себе восстанавливающийся бетон является очень универсальным материалом, поскольку он имеет способность сгибаться. При нагрузке на такой бетон вместо одного большого и значительного разлома появляются микротрещины, которые наносят не такой большой ущерб (Рисунок 1).
Рисунок 1 - Изгиб самовосстанавливающегося бетона
В данном случае при деформации растяжения в 5% бетонная плита не ломается. Обычный бетон разламывается уже при деформации растяжения, составляющей 0,1%.
Создание самовосстанавливающегося бетона началось довольно давно. Учеными со всего мира были написаны работы и представлены разработки по созданию гибкого бетона, который может восстанавливаться самостоятельно. Тем не менее, смесь самовосстанавливающегося бетона была создана группой ученых на базе Бингемтонского университета (штат Нью-Йорк). Материал еще известен как грибковый бетон и у него есть потенциал исключить проблемы появления на бетонном монолите трещин. Грибковым он называется из -за наличия в нем гриба Trichoderma reesei. Выше уже был описан принцип действия такого гриба: при обнаружении трещин в бетоне, грибок, входящий в состав бетонной смеси, активизировался, начинал расти и заполнять трещины продуктом переработки. Если провести параллель, то бетон (железобетон) можно назвать скелетом той или иной конструкции, который также, как и поврежденная кость человека нуждается в «лечении». Именно благодаря карбонату кальция происходит регенерация бетона.
На сегодняшний день исследования бетона все еще не закончены. Казалось бы, бетон является одним из самых простых по составу материалов. Именно это и дает ученым почву для исследований. Добавляя различные
составляющие и наблюдая за реакцией, научным обществом создаются все более совершенные и инновационные виды бетона. Например, в Канаде создали экологически чистый композит на ба зе пластично-цементной смеси. Данный строительный материал армирован полимерными волокнами. Как оказалось, такой раствор способен выдерживать толчки землетрясения мощностью до 9 баллов по шкале Рихтера. Это, несомненно, огромный прорыв в области строительства, поскольку до недавнего времени использование бетонной смеси для строительства зданий и сооружений в сейсмически опасных зонах было проблематичным.
Еще одна группа ученых также проводила исследования по «самоисцелению» бетона. Всего было разработано 3 технологии: полимерная память формы, использование бактерий и целебных агентов через микрокапсулы, закачку органических/неорганических материалов в структуру материала.
Профессору Ричарду Риману удалось создать легкий и экологически чистый бетон, которому присущи свойства гидротермального жидкофазного уплотнения. Профессор утверждает, что он смог понизить у глеродный 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.
При исследовании бетонных смесей и свойств бетона ученые вдохновлялись, как ни странно, культурой Древнего Рима. Ученые уже давно исследуют состав материалов древнеримских сооружений. Именно они отличаются крепостью, прочностью и долговечностью. В пуццолане содержится большой объем силиката алюминия, 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. В современном бетоне нет силиката алюминия. 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 А1-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, со блюдали нормативы. Здания, которые строятся сегодня с использованием бетонного монолита, рассчитаны на срок эксплуатации до 120 лет, в то время как сооружения, построенные в Древнем Риме, стоят уже более 2000 лет и, вполне вероятно, простоят еще долгое время.
Подводя итог, следует провести сравнительный анализ обычного бетона и самовосстанавливающегося бетона (Таблица 1).
Таблица 1 - Сравнительная характеристика обычного бетона и самовосстанавливающегося бетона
Наименование характеристики Обычный бетон Самовосстанавливающийся бетон
Образование трещин Да Да, но временно
Срок эксплуатации до 100 лет до 200 лет
Плотность 2500 кг/м3 не более 1800 кг/м3
Прочность при сжатии В15 В25
Прочность при изгибе Btb6.8 Btb8
Способность к восстановлению Нет Да
Таким образом, наглядно показано преимущество использования самовосстанавливающегося бетона в сравнении с обычным бетоном. Учитывая, что это лишь начало развития данного материала, у строительной отрасли очень большой потенциал в сфере развития различных строительных материалов.
Итак, на сегодняшний день особое значение в строительстве сельскохозяйственных сооружений имеет бетон, а также его дальнейшая модификация с целью улучшение качеств и приобретения новых свойств. Несмотря на достоинства инновационных технологий создания бетона, основной проблемой остается внедрение его в боле обширное использование за счет уменьшения стоимости. Именно поэтому необходимо и дальше изучать вопрос о составе и свойствах того или иного вида бетона, чтобы решить поставленную проблему.
Литература
1. Александрова Е.В., Лосев И.В., Лунина К.А. Роль строительных материалов в строительстве //Физика и современные технологии в АПК: материалы IX Международной молодежной научно -практической конференции. Орел. 2017. С. 57-60.
2. Лунина К.А., Александрова Е.В. Применение нанотехнологий в строительстве //Физика и современные технологии в АПК: материалы Международной молодежной научно -практической конференции. Орел. 2016. С.293 - 294.
3. Яковлева М., Александрова Е.В. Нанотехнологии и их применение //Физика и современные технологии в АПК: материалы Международной молодежной научно -практической конференции. Орел. 2013. С.190-192.
4. Лубенникова А., Александрова Е.В. Применение информационных технологий в исследовании свойств нанокомпозиционных материалов //Физика и современные технологии в АПК: материалы Международной молодежной научно -практической конференции. Орел. 2013. С. 96 - 97.
