CC BY
50торного типов / В.М. Курков, Вальдез Мануэль де Хесус Перес, Д.П. Бляхарский // Известия высших учебных заведений. Геодезия и Аэрофотосъемка. - 2016. - Том 60. - № 2. - С. 94-99.
4. Михайлов А.П. Создание цифровых моделей памятников истории и архитектуры по материалам перспективной и плановой аэрофотосъемки / А.П. Михайлов, Перес Вальдез Мануэль де Хесус // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2013. - № 5. - С. 72-73.
5. ОДМ 218.9.017-2019. Методические рекомендации по производству аэрофототопографических работ с использованием беспилотных летательных аппаратов при изысканиях в целях строительства и реконструкции автомобильных дорог. Издан на основании распоряжения Федерального дорожного агентства от 29.07.2019 № 1982-р. - URL: https://files. stroyinf.ru/Data2/1/4293728/4293728465.pdf. (дата обращения: 21.04.2021). - Текст: электронный.
6. Скрыпицына Т.Н. Съемка фасадов зданий с использованием беспилотных воздушных судов. / Т.Н. Скрыпицына, С.В. Староверов. - Текст: электронный // Инженерные изыскания. - 2018. - Том XII. - № 7-8. - С. 46-52. - URL: https:// doi.org/10.25296/1997-8650-2018-12-7-8-46-52 (дата обращения: 21.04.2021).
7. Стерликова А.И. BIM при проектировании объектов ландшафтной архитектуры / А.И. Стерликова // Символ науки. -2020. - № 3. - С. 105-107.
8. СтешинИ.С. Технология создания трехмерной модели местности на основе данных дистанционного зондирования земли с беспилотного летательного аппарата в сервисе Maps Made Easy / И.С. Стешин // Научное обозрение. - 2017. - № 1. -1 CD-ROM. - Текст: электронный.
9. Dupont, Q. F.M. Potential Applications of UAV along the Construction's Value Chain / Q.F.M Dupont [et al]. - Text: electronic // Procedia Engineering. - 2017. - № 182. - 165 - 173. - URL: https:// www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877705817312912 (date of access 21.04.2021).
10. Karachaliou E. UAV for mapping historic buildings: from 3D modelling to BIM / E. Karachaliou, E. Georgiou, D. Psaltis, E. Stylianidis. - Text: electronic // Int Arch. Photogramm. Remote Sens. Spatial Inf. Sci. - 2019. - XLII-2/W9. - Pp. 397-402. - URL: https://doi.org/10.5194/isprs-archives-XLII-2-W9-397-2019, 2019 (date of access 21.04.2021).
11. Murphy, M. Historic building information modelling (HBIM) / M. Murphy, E. McGovern, S. Pavia // Structural Survey. - 2009. -Vol. 27. - Pp. 311-327.
12. Vacanas, Y. The combined use of Building Information Modelling (BIM) and Unmanned Aerial Vehicle (UAV) technologies for the 3D illustration of the progress of works in infrastructure construction projects / Y. Vacanas, K. Themistocleous, A. Agapiou, D. Hadjimitsis // Proc SPIE 9688, Fourth International Conference on Remote Sensing and Geoinformation of the Environment. -2016. - Vol. 96881Z: RSCy2016, 12 August 2016. - URL: https:// doi.org/10.1117/12.2252605 (date of access 21.04.2021).
13. UAV-enabled Site-to-BIM Automation: Aerial Robotic- and Computer Vision-based Development of As-Built / As-is BIMs and Quality Control / H. Hamledari, S. Davari, S. Omid Sajedi [et al.] - Text: electronic // CIFE Technical Report #TR230, March 2018. Stanford University. - URL: https://stacks.stanford.edu/file/ druid:jr719nd4444/TR230.pdf (date of access 21.04.2021).
Е.А. Филинская DOI: 10.24412/cl-35672-2021-1-0068
E.A. Filinskaya
Нанотехнологии в конструкциях из бетона XXI века Nanotechnology in concrete structures of the 21st century
Ключевые слова: нанотехнологии, СУБ, самовосстанавливающийся бетон, прозрачный бетон, разветвленные несущие конструкции из композитов бетон-FRP, 3D-печать биоцементных структур.
Keywords: Nanotechnology, SCC, self-healing concrete, transparent concrete, branched concrete-FRP composite bearing structures, 3D printing of biocement structures.
Аннотация: Современные нанотехнологии находят широкое применение в строительстве, ввиду явных преимуществ, которыми обладают новые строительные технологии. В работе рассматриваются некоторые виды инновационного бетона и строительных технологий, которые могут применяться при возведении современных зданий.
Abstract: Modern nanotechnology is widely used in construction due to the apparent advantages of these new construction technologies. The paper discusses some types of innovative concrete and building technologies that can be used in construction of modern buildings.
Использование нанотехнологий может не только улучшить свойства обычных материалов и существующих продуктов, но также способствовать безопасности и защите конструкций от повреждений, уменьшить массу и объем зданий, а также снизить потребность в техническом обслу живании. Использование наноструктур вархитектуре позволит найти новые решения для создания экологически чистых зданий, кварталов и городов.
Строительная биотехнология - это новая научная дисциплина, которая сочетает в себе применение научных знаний об инженерных методах производства
строительных биоматериалов, а также использование биопроцессов в строительной отрасли.
Годовое производство бетона является самым большим среди других строительных материалов, и, вероятно, поэтому этот материал претерпевает значительные улучшения с применением нанотехнологий [5].
Одним из наиболее важных аспектов использования нанотехнологий при изготовлении бетона является контроль гидратации цемента. Это позволит создать новое поколение продуктов, которые будут более экологичными. Например, с добавлением наночастиц 8Ю2
276
Практика
(кремнезема) материалы на основе цемента будут более прочными и долговечными. Что касается проблем с коррозией в бетонных изделиях, нанотехнологии дают возможность использовать покрытия, которые реагируют на внешние воздействия и восстанавливают или предотвращают повреждения. Текущие исследования применения многофункциональных материалов, таких как наночастицы и углеродные нанотрубки, показывают, что эти материалы не только значительно увеличивают прочность на сжатие образцов цементного раствора, но также изменяют свои электрические (электропроводность композитного материала) свойства, которые могут использоваться для мониторинга состояния зданий и обнаружения повреждений.
Самоуплотняющийся бетон (СУБ) - еще один инновационный конструкционный материал, который появился благодаря нанотехнологиям. Одной из особенностей этого материала является снижение энерго- и трудозатрат, т.к. при укладке бетона не используются виброуплотнители. Равномерное распределение смеси СУБ по всему объему приводит к сокращению затрат на рабочую силу до 50%. Углеродные наночастицы используются для устранения небольших трещин на поверхности бетона [3].
Научный центр РЬаепо в Вольфсбурге (Германия), спроектированный Захой Хадид, на сегодняшний день является самым большим зданием в Европе, построенным из самоуплотняющегося бетона. Без использования этого бетона было бы очень трудно добиться разнообразной формы этого здания. Научный центр включает выставочные залы, лабораторию, конференц-зал; здание нарушает многие архитектурные условности и определенно останется важным ориентиром для будущих проектов.
В настоящее время самоуплотняющийся бетон может применяться для изготовления сборного железобетона, при строительстве монолитных полов без швов, при сооружении гидротехнических конструкций, для усиления конструкций зданий и сооружений [7].
Одна из самых серьезных проблем при строительстве из бетона и железобетона - это склонность этого материала к усадке, которая сопровождается образованием трещин. Для решения этой проблемы были применены бактериальные биотехнологии [2].
Новый биоцемент, созданный голландскими учеными Эриком Шлангеном и Хенком Йонкерсом в 2012 году, разрабатывался в течение многих лет, но в настоящее время он уже стал важной частью реальной архитектурной практики, и результаты его применения имеют многообещающие перспективы. Эта технология использовалась при строительстве спасательной станции на озере в Нидерландах.
Сам бетон производится из традиционного заполнителя и цемента, смешанного с биоразлагаемыми пластиковыми капсулами, содержащими бактерии и лак-тат кальция. Когда в таком бетоне образуется трещина и внутрь просачивается вода, бактерии прорастают и, потребляя кальций, образуют твердое вещество -кальцит (известняк), которое заполняет трещину. Мож-
но было наблюдать, как на фасаде станции спасателей после образования трещин они «заживали» сами по себе [1].
Архитекторам приходится учитывать хрупкое поведение кромок бетона, создавая зазоры между пролетами и избегая острых углов, которые трескаются и ломаются. Новая технология может открыть широкие возможности при проектировании зданий и сооружений, оказывая влияние на разные виды применения - от парковок и тротуаров до фундаментов и стен небоскребов. Ученые продолжают работать над совершенствованием этой технологии. Массачусетский технологический институт, например, проводит исследования материала, в котором в качестве механизма активации используется солнечный свет, а не вода.
Относительно недавним открытием стал прозрачный бетон - строительный материал на основе бетона, обладающий светопропускающими свойствами благодаря встроенным оптическим элементам (обычно оптическим волокнам). Прозрачный бетон также известен как полупрозрачный бетон и светопропускающий бетон. Помимо своих экономических и экологических преимуществ, полупрозрачный бетон позволяет придать сооружениям более привлекательный вид и увеличивает общую эстетическую привлекательность конструкции. Этот материал используется и как фасадный материал, и для облицовки внутренних стен, в перегородках, оформлении дверных проемов и т.д., придавая не только новые свойства отделке, но и увеличивая освещенность помещений в дневное время. Помимо освещения темных мест или участков без окон, таких как подвалы, прозрачный бетон используется для строительства тротуаров и лежачих полицейских, которые освещаются ночью и обеспечивают повышенную безопасность пешеходов и придорожного движения [8].
Если говорить о разветвленных несущих конструкциях колонн в зданиях и сооружениях, то они характеризуются высокой эффективностью передачи нагрузки и позволяют создавать тонкие, эстетичные и ресурсосберегающие конструкции. В настоящее время их часто делают из стали. Стальные трубы соединяют с помощью приваренных пластин-фасонок или сваривают встык. Узлы разветвления изготавливаются цельными в виде стального литого элемента. Упомянутые решения имеют различные недостатки, включая ограниченную несущую способность, высокие требования к сварным швам, сложный и дорогостоящий метод производства. Кроме того, такие узлы часто могут быть изготовлены только специализированными компаниями, поэтому их использование часто бывает ограниченным.
Междисциплинарная исследовательская группа из Штутгартского университета и Немецкого института исследований текстиля и волокон в Денкендорфе разработали соединение из стеклопластика и бетона, а также производственный процесс для его изготовления. Выгодные свойства материалов БК.Р (композиты из армированного волокном пластика) и бетона могут быть использованы для сверхпрочных несущих конструкций и узловых элементов. Недавно разработанный процесс
производства позволяет изготавливать трехмерные, армированные непрерывным волокном изделия с адаптированной к нагрузке волокнистой структурой в масштабах, соответствующих требованиям строительной отрасли.
Новый производственный процесс позволяет изготавливать опоры индивидуальной геометрии. Изобретение подходит для применения при строительстве зданий и сооружений, мостов и т.п., в которых несущие конструкции должны быть простыми и недорогими в изготовлении.
Преимущества технологии с использованием материалов FRP следующие:
- Более легкие и прочные узловые элементы по сравнению со сплошными стальными узлами благодаря сочетанию выгодных свойств FRP и бетона.
- Корпус из стеклопластика также является несъемной опалубкой.
- Предлагаются разные варианты дизайна и геометрии узловых соединений (любых форм, диаметров и углов поворота).
- Более низкие производственные затраты по сравнению с литой сталью.
- Конструкции узловых соединений не подвержены коррозии.
- Возможно дополнительное размещение арматуры с целью усиления.
- Возможность присоединения к опорным элементам с помощью гильз или вставных колец [6].
Коллектив ученых Университета Пердью разработал и испытал на прочность цементные конструкции, напечатанные на ЭБ-принтере. Ян Олек, профессор инженерной школы Lyles School of Engineering в Пердью, поддержал тезис о том, что необходимо использовать биотехнологии, основанные на формах и материалах, существующих в природе.
Исследователи внимательно изучили раковины членистоногих и свойства распространения в них трещин и разработали метод, позволяющий контролировать возникновение и развитие повреждений. Это был первый опыт печати ЭБ-структуры на основе данных, полученных при анализе живых организмов с использованием цементной пасты. Данная технология, по оценке исследователей, имеет большие перспективы при моделировании более совершенных конструкций с уникальными характеристиками. При изучении характеристик напечатанных 3D цементных конструкций команда исследователей использовала микротомографическое сканирование. Это позволило получить представление о порах на границах слоев, которые приводят к возникновению трещин. 3Б-печать материалов на основе цемента позволила контролировать их структуру, что может привести к созданию более устойчивых к повреждениям и дефектам структурных элементов, таких как балки или колонны.
На данный момент ученые изучили различные варианты конструкций на основе природных аналогов, включая пчелиные соты и структуру Булигана. Каждый из этих конструкций продемонстрировал различные физические характеристики. Например, структура, напечатанная с использованием структуры Булигана, обладает хорошими свойствами на устойчивость к образованию трещин, в то время как другие типы конструкций показали улучшение упругих свойств [4].
Нанотехнологии - это быстро развивающаяся революционная область исследований, в которой уникальные свойства наноматериалов могут быть применены на благо строительной отрасли с перспективным развитием в области защиты окружающей среды. Усовершенствование этих технологий и их внедрение могут обеспечить высококачественные здания для устойчивого будущего.
Библиография:
1. Алхалаби З.Ш. Самовосстанавливающийся бетон: определение, механизм и применение в различных типах конструкций / З.Ш. Алхалаби, Д. Допуджа // Международный научно-исследовательский журнал. - 2017. - Выпуск № 5(59). -
C. 55-57. - URL: https://research-journal.org/category/2017/ may2017/ (дата обращения: 05.10.2020).
2. Ерофеев В.Т. Бактерии для получения самовосстанавливающихся бетонов / В.Т. Ерофеев, Аль Дулайми Салман Давуд, В.Ф. Смирнов. - Текст: электронный // Транспортные сооружения. - 2018. - №4. - URL: https://t-s.today/PDF/07SATS418. pdf (дата обращения: 05.10.2020).
3. Характеристика самоуплотняющегося бетона // Kladembe-ton.ru: [интернет-портал]. - URL: https://kladembeton.ru/vidy/ drugie/samouplotnyayushhijsya-beton.html (дата обращения: 22.10.2020).
4. 3D Printing Media Network: [Интернет-портал]. - URL: https:// www.3dprintingmedia.network/ (дата обращения: 05.10.2020).
5. Barberan, A. A new area of application and research in bio-processes: Biotechnologies in civil construction / A. Barberan,
D. Chavez, A. Cajas, M.C. Egas // Bionatura. - 2020. - February. - 5(1). - Pp. 1072-1077. https://www.researchgate.net/ publication/339363378_A_new_area_of_application_and_re-search_in_bio-processes_Biotechnologies_in_civil_construction (date of access: 05.10.2020).
6. Jonas, Florian, A. Research reports from the Institute for Supporting Structures and Knote for support structures made of concrete-filled fiber-plastic composite, inspired by the biomechanics of plant branching: exploring a new construction method for support knots made of woven textile and concrete / Florian, A. Jonas // Research reports from the Institute for Supporting Structures and Structural Design, University of Stuttgart; 45, 2020 // OhioLink: Electronic Theses & Dissertations Center.
7. Taojo, J. Self-Healing Concrete: The Future of Construction / Jirah Taojo. - Text: electronic // European Framework for Social and Environmental Responsibility: [official website]. - URL: http:// efser.eu/responsible-innovation/environnemental-protection/ self-healing-concrete-the-future-of-construction/ (date of access: 10.11.2020).
8. Zielinska, M. Analysis of Transparent Concrete as an Innovative Material Used in Civil Engineering / Monika Zielinska. - Text: electronic // October 2017I0P Conference Series Materials Science and Engineering 245(2):022071. - URL: https://www.researchgate. net/publication/320845242_Analysis_of_Transparent_Concrete_ as_an_Innovative_Material_Used_in_Civil_Engineering (date of access: 05.10.2020).
