CC BY
5В порядке постановки задачи
УДК 691.32
Ф.Н. РАБИНОВИЧ, канд. техн. наук, ОАО «ЦНИИПромзданий» (Москва)
Какой бетон нужен строителям?
Сталь и железобетон — конструкционные материалы, занимающие доминирующее положение в строительстве во всем мире. Материальные вложения в их производство несоизмеримо выше, чем затраты на производство любых других строительных материалов. По-видимому, не следует сомневаться, что эти материалы сохранят свои лидирующие позиции в строительстве и далее, на протяжении всего XXI в.
Тем не менее технические свойства рассматриваемых материалов существенно различаются. Сталь обладает в общем равными параметрами прочности при испытании ее на сжатие и растяжение, тогда как прочность бетона при сжатии примерно на порядок выше его прочности при растяжении, соответственно предельные деформации бетона при растяжении на порядок ниже предельных деформаций при сжатии. Это различие стоит достаточно дорого. Стальная арматура, вводимая в бетон, — плата, обусловленная конструкционными свойствами бетона. Затраты энергии, труда, стоимость производства арматурных работ (прокат или вытяжка арматурных стержней, изготовление из них арматурных сеток и каркасов, установка их и фиксация в проектном положении) — дорогая часть технологического процесса, составляющая в среднем 60% стоимости и трудоемкости возведения монолитных железобетонных конструкций. Это колоссальные материальные затраты, которые несет человечество при возведении строительных объектов с применением железобетона.
Вместе с тем безупречные с точки зрения механических свойств стальные конструкции нуждаются, как правило, в защите от коррозии, обладают достаточно низким уровнем огнестойкости, повышенной электропроводностью, что не во всех случаях приемлемо в строительных конструкциях, наконец, нельзя оставлять незамеченным, что содержание металлосодержащих пород в земной коре несопоставимо меньше в сравнении с запасами силикатных компонентов, используемых для получения бетона. Поэтому глобальное значение имеет решение задачи, связанной с преодолением разрыва между прочностью бетона при сжатии и растяжении, задаче, решение которой могло бы исключить частично или в полной мере необходимость осуществления традиционных и весьма дорогостоящих арматурных работ.
Современные исследования показывают, что в ближайшее время может появиться конструкционный композиционный материал на основе модифицированного бетона с принципиально новыми свойствами отличающимися от свойств традиционного бетона тем, что в этом материале на основе бетона в сочетании с комбинацией входящих в его структуру компонентов, существенно повышающей его предельную деформатив-ность при растяжении, обеспечивающей в конечном счете возможность использования этого материала без образования в нем трещин при достаточно высоком уровне рабочего напряжения в условиях, эквивалентных по уровню работы железобетона с исключением из него традиционных видов стальной арматуры.
Одним из направлений решения данной задачи является получение принципиально нового состава самого бетона с возможностью технологического управле-
ния его структурой с направленным распределением в ней кристаллов гидратных новообразований, структурой, обладающей не только более высоким уровнем прочности, но и деформативности. Тем не менее вполне очевидно, что положительный результат в решении данной задачи не обеспечит ее решения в целом. Деформативные — упругие и пластические свойства кристаллического каркаса новообразований в цементном камне (бетоне) в основном и в этой ситуации сохранят свои физические свойства, характерные для бетона, его способность, хотя и в меньшей степени, сохранять разрыв между уровнями сопротивления сжимающим и растягивающим усилиям.
Наиболее эффективным направлением может оказаться (наряду с технологическими мероприятиями, описанными выше) введение в бетон сочетания компонентов, обладающих разными прочностными и деформационными свойствами органического и неорганического происхождения. Компонентов в виде дисперсно-распределяемых в объеме бетона армирующих волокон порядка от 10-5 до 10-8 м, с разными модулями упругости. Получение подобной гибридной композиции, деформации которой должны быть равными или почти равными при сжатии и растяжении — непростая задача. Ее решение могло бы иметь фундаментальное значение, по уровню сопоставимое с изобретением самого железобетона, имеющего в жизни людей, — не только строителей, и эпохальное значение. Строители могли бы получить материал с уникальными конструкционными свойствами.
Настоящая статья не претендует на представление готового рецепта для позитивного ответа в решении поставленной цели. Вполне очевидно, что в рассматриваемой ситуации целесообразно иметь «дорожную карту», в которой можно было бы наметить направление перспективных исследований и состав участников, способных решить данную задачу. Очевидно также, что команда должна включать квалифицированных специалистов разных профессий в области химической технологии, физики твердого тела, моделирования структуры и прогнозирования процессов, возникающих в этой структуре, в том числе в условиях присутствия в этой структуре дефектов в виде разного рода трещин и кинетики их поведения при нагружении материала, системных программистов, оценивающих поведение материала в различных условиях внешних воздействий. Это направление вполне заслуживает быть включенным в состав программы международного сотрудничества — цель весьма значительна, в ее достижении может быть заинтересована большая часть человеческого сообщества, нуждающаяся в строительных объектах многофункционального назначения, в частности в разных нетривиальных ситуациях: освоение труднодоступных районов (в том числе по климатическим условиям), при землетрясениях, при горных обвалах, техногенных авариях, при строительстве специальных сооружений и др., стоимость которых станет существенно ниже, а область практического использования в обширном диапазоне случаев более эффективной в сравнении с применением стали и железобетона.
научно-технический и производственный журнал
июнь 2012
77
