Самозалечивающийся эластичный бетон: Эластичный бетон: характеристики и виды

Содержание

Эластичный бетон: характеристики и виды

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

В Нидерландах создан новый вид бетонов, который может «залечивать» сам себя с помощью бактериальных микроорганизмов, вырабатывающих известковые материалы. Его принцип действия заключается в закладке в ходе формирования раствора капсул с бактериями, находящимися в состоянии анабиоза. В случае повреждения конструкции и проникновения в неё влаги капсулы разрушаются, а бактерии под действием жидкости пробуждаются. Питательная среда позволяет им жить и вырабатывать известковую смесь, которая заделывает трещины, восстанавливая целостность конструкции.

При решении проблемы создания «самоизлечивающегося» бетона нужно было решить вопросы, касающиеся бактерий:
1. Найти вид, который способен выжить в агрессивной щелочной среде;
2. Обеспечить их длительную сохранность;
3. Способность к активизации при благоприятных условиях.

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.

Посмотрите видео «Гибкий бетон»

Самовосстанавливающийся бетон (самозалечивающийся эластичный)

Самовосстанавливающийся бетон – это общее название разных современных разработок и инновационных решений, призванных изменить структуру материала и сделать его способным к восстановлению, стойкости к различным воздействиям. Ввиду того, что бетон сегодня является одним из наиболее востребованных и популярных материалов в ремонтно-строительной сфере, поиск новых методов производства актуален как никогда.

Каждый год в мире производят до 10 миллиардов тонн бетонного раствора. Несмотря на некоторые недостатки, заменить бетон материалом с такими же преимуществами и техническими характеристиками пока невозможно. Поэтому ученые всего мира постоянно проводят исследования и эксперименты в попытках нивелировать такие минусы бетона, как усадка, вероятность распространения трещин и деформаций, нестойкость ко внешним воздействиям и т.д.

Основное направление современных разработок – поиск самозалечивающегося, гибкого бетона, который будет эффективно противостоять деформациям и сможет восстанавливаться при любых воздействиях.

Содержание

1 Виды самовосстанавливающихся бетонов
2 Подробнее о бетонных инновациях
- 2.1 Дальнейшие погружения в раствор
- 2.2 От современных исследований к древнему Риму
- 2.3 Инновация профессора Ричарда Римана
- 2.4 Секреты древнеримских технологий

Виды самовосстанавливающихся бетонов

Современные производители предлагают большой выбор бетонных смесей, но самовосстанавливающиеся растворы пока еще находятся в стадии разработки и активно в строительстве не применяются. Существует несколько видов бетонов, созданных в разных точках мира, которые имеют все шансы стать популярными и частоприменимыми в будущем.

Какие виды самовосстанавливающихся бетонов бывают:

Полимерные заплатки
– это специальное покрытие на бетонные монолиты, которое состоит из полимерных капсул. Разработка ученых из Южной Кореи (университет Юнсэй). Принцип работы материала: поверхность бетонного монолита покрывают веществом с микрокапсулами с полимером, а когда появляются трещины, капсулы раскрываются и углубления заполняются жидкими полимерами, под ультрафиолетом полимер застывает и полностью восстанавливает прочность бетона. Работы еще идут, результаты впечатляют, но полимерное покрытие сохраняет целостность в течение всего одного года.
Бактерии-реставраторы
– это самозалечивающийся эластичный бетон, созданный учеными из Нидерландов (Хенк Йонкерс и Эрик Шланген). Работают бактерии рода Bacillus, принцип таков: в бетон добавили гранулы биоразлагающегося пластика с лактатом кальция и спорами бактерий (которые едят его). Споры много лет сохраняют жизнеспособность, не меняют свойства бетона (пока в гранулах), когда появляются трещины, поступающая влага растворяет гранулы, оказывается внутри, бактерии просыпаются, кушают лактат кальция и выделяют кальцит (известняк), который заполняет пустоты, скрепляя края трещин. В условиях лаборатории бактерии успешно заживляли трещины до 0.5 миллиметров, дальше будут испытывать в реальных условиях и искать методы понижения стоимости материала (в среднем он стоит на 50% больше, чем обычный цемент).
Гибкий бетон ConFlexPave
– создан в Сингапуре, демонстрирует прочность на уровне стальной арматуры и гибкость в 2 раза выше обычного материала. Эластичный бетон в составе имеет полимерное микроволокно, которое придает гибкость монолиту и усиливает адгезию его с покрываемой поверхностью. Композитный материал прочнее и легче, что особенно актуально в дорожном строительстве, возведении высоток. Первые типы гибких бетонов получили несколько десятилетий тому, они работают на скольжении материалов (в то время, как обычная смесь предполагает твердение компонентов и потерю эластичности), в связи с чем способствующие разрушениям деформации отсутствуют. Но стоит материал в 3 раза выше обычного.

Подробнее о бетонных инновациях

Разработки и работы по созданию гибкого бетона, способного к самовосстановлению, ведутся давно. Так, на базе Бингемтонского университета (штат Нью-Йорк) с помощью ученых университета Рутгерса была создана новая смесь – ее назвали самовосстанавливающимся бетоном. Материал еще известен как грибковый бетон и у него есть потенциал исключить проблемы появления на бетонном монолите трещин.

Ученые выявили интересный момент: взяв гриб Trichoderma reesei, вмешали его в традиционную цементную смесь, потом залили конструкцию и искусственно создали трещины. При обнаружении первой трещины грибок (до того спящий) активизировался. По мере того, как в трещины попадали кислород и вода, споры грибов росли и создавали карбонат кальция, заполняющий и скрепляющий трещины.

Пока исследования находятся все еще на первой стадии, остается масса неисследованных вопросов и самый важный из них касается выживаемости грибка Trichoderma reesei в суровых условиях.

Дальнейшие погружения в раствор

Другая группа ученых из Университета Кардиффа (Уэльс) тестировала 3 технологии исцеления бетона: полимерную память формы, использование бактерий и целебных агентов через микрокапсулы, закачку органических/неорганических материалов в структуру материала.

В Британской Колумбии ученые университета «Виктории» (факультета гражданского строительства) объявили про запуск различных экспериментов с волокнами (древесная целлюлоза, зольная пыль). Они могут помочь создать уникальную формулу бетона, способного к самовосстановлению.

В Канаде же создали экологически чистый композит на базе пластично-цементной смеси. Данный строительный материал армирован полимерными волокнами и в ходе испытаний выяснилось, что такой раствор способен выдерживать толчки землетрясения мощностью до 9 баллов по шкале Рихтера.

От современных исследований к древнему Риму

Идея бетона и самого цемента римлянами была не придумана, а заимствована у древних греков. Так, есть пример хорошо сохранившегося водопроводного резервуара в греческом городе Мегара – его конструкции были обмазаны чем-то похожим на цемент. И если изучить этот цемент, можно отыскать особый компонент, который придает крепость и прочность древнеримским зданиям.

Состав греческого цемента включал вулканический пепел – сегодня он называется «пуццолан».

Тогда его добывали у холмов города Путеолы (сегодня Поццуоли) возле Везувия, от чего и произошло название вещества. Бетон с вулканическим пеплом в Древнем Риме начали применять со 2 в. до н.э. В смеси вводили пуццолан, известь, пемзу, вулканический туф, камни, песок.

Материал свой древние римляне называли греческим словом «emplekton» или латинским «rudus», вяжущее – «оpus caementum». Французский термин «бетон» появился лишь в 18 столетии.

Инновация профессора Ричарда Римана

Профессор Ричард Риман умудрился создать легкий и экологически чистый бетон, которому присущи свойства гидротермального жидкофазного уплотнения. Профессор утверждает, что он смог понизить углеродный 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.

Секреты древнеримских технологий

Американские ученые несколько лет тому исследовали древнеримский оpus caementum, сравнивали с составом современного материала и отыскали причину крепости и прочности. В пуццолане содержится большой объем силиката алюминия (в современном бетоне его нет), 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.

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 Al-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, соблюдали нормативы. И прочность бетонного монолита в зданиях, что построены сегодня, рассчитана на 100-120 лет максимум, а римские сооружения стоят уже 2000 лет и переживут еще и современные конструкции.

CemFIT Heal Гибкая самовосстанавливающаяся цементная система

Гибкая самовосстанавливающаяся цементная система

Максимальная зональная изоляция на весь срок службы скважины

Гибкая самовосстанавливающаяся цементная система CemFIT Heal помогает обеспечить целостность скважины от бурения до ликвидации, обеспечивая надежное уплотнение кольцевого пространства и защиту от утечек углеводородов и устойчивого давления в обсадной колонне (SCP) на устье скважины .

При использовании обычного цемента разрушение цементной оболочки, такое как трещина или микрозазор, приводит к утечке углеводородов или SCP на устье скважины. Система CemFIT Heal является единственной цементной системой в отрасли, которая не только выдерживает напряжения в стволе скважины, но и восстанавливается при любых дефектах изоляции при контакте с нефтью или газом независимо от содержания метана.

Улучшает сцепление и герметизирует микропоры

В отличие от обычных цементных систем, система CemFIT Heal расширяется после отверждения, улучшая сцепление цемента и герметизируя микропоры, которые могут вызвать нежелательную миграцию газа. Низкий модуль Юнга позволяет ему выдерживать напряжения в цементной оболочке (из-за бурения, перфорации, закачки, гидроразрыва пласта, подземного хранения газа, а также изменений температуры, давления или того и другого).

В обычных цементных барьерах могут образовываться трещины и микропоры, вызванные изменениями давления и другими нагрузками, что позволяет жидкости течь между зонами и подниматься на поверхность.

Система CemFIT Heal реагирует на любой контакт с маслом или газом, автоматически ремонтируясь и герметизируясь.

Восстановление целостности при повреждении оболочки

В случае просачивания углеводородов из-за разрушения цементной оболочки (трещины или микрозазора) отвердевший цемент реагирует на контакт с углеводородами и автоматически восстанавливает пути, восстанавливая гидравлическую целостность скважины. Действие самовосстановления повторяется несколько раз, если целостность кольцевого пространства снова нарушается в течение срока службы скважины.

Для вывода скважин из эксплуатации система CemFIT Heal обеспечивает прочный, долговременный барьер после ликвидации с заданными свойствами цемента, способствующими гибкости и долговечности, а также присущей способности к самогерметизации в случае возникновения любых дефектов изоляции.

Упрощение развертывания для повышения эффективности и надежности

Цементные работы просты в проектировании; свойства цементного раствора можно легко отрегулировать в соответствии с изменениями в конструкции цемента и рабочих программах. Систему CemFIT Heal также легко смешивать и смешивать с помощью обычного оборудования, что делает ее пригодной для крупномасштабного применения.

Ассортимент нашего цемента с низким содержанием CO2 является частью нашей технологии Transition Technologies, которая помогает свести к минимуму выбросы CO2 при строительстве скважин. Эти цементные растворы снижают воздействие на окружающую среду, поскольку они содержат меньшее количество внедренного CO2 в процессе производства, помогая вам достичь ваших целей в области устойчивого развития, сводя к минимуму выбросы на входе и предотвращая прямые или непреднамеренные выбросы.

УЗНАТЬ БОЛЬШЕ

CemFIT Heal

Гибкая самовосстанавливающаяся цементная система

[[#Заголовок]]

[[Заголовок]]

[[/Заголовок]] [[#Субтитры]]

[[Субтитры]]

[[/Подзаголовок]]

[[Фрагмент]]

Самовосстанавливающийся бетон для более безопасной и долговечной инфраструктуры

http://www. youtube.com/watch?v=XbCFaP2FOU0

Бетонный материал, разработанный в Мичиганском университете, может самовосстанавливаться при появлении трещин. Вмешательство человека не требуется — только вода и углекислый газ.

Самовосстанавливающийся бетон работает, потому что он может гнуться. При растяжении вместо одной большой трещины образуется множество микротрещин, из-за которой он выходит из строя. Здесь образец изгибается при приложении силы растяжения в пять процентов. Обычный бетон разрушится при растяжении в 0,01 процента. Нажмите на изображение для увеличения. (Фото: Николь Казаль Мур.)

Нескольких дождливых дней было бы достаточно, чтобы починить поврежденный мост из нового вещества. Самовосстановление возможно, потому что материал разработан так, чтобы изгибаться и трескаться по узким линиям, а не ломаться и раскалываться в широких зазорах, как ведет себя традиционный бетон.

«Это похоже на то, что если вы получите небольшой порез на руке, ваше тело может исцелить себя. Но если у вас большая рана, ваше тело нуждается в помощи. Возможно, вам понадобятся швы. Мы создали материал с такой крошечной шириной трещин, что он сам позаботится о заживлении. Даже если вы перегрузите его, трещины останутся маленькими», — сказал Виктор Ли, университетский профессор гражданского строительства им. Бенджамина Уайли и профессор материаловедения и инженерии.

В лаборатории Ли самовосстанавливающиеся образцы восстановили большую часть, если не всю свою первоначальную прочность, после того как исследователи подвергли их 3-процентному растяжению. Это означает, что они растянули образцы на 3 процента по сравнению с их первоначальным размером. Это эквивалентно растяжению 100-футового куска на дополнительные три фута — достаточное напряжение, чтобы сильно деформировать металл или катастрофически разрушить традиционный бетон.

Белые линии на этой плите из гибкого бетона показывают места, где материал восстановился без вмешательства человека. Нужны только вода и углекислый газ.
Внизу: профессор Виктор Ли, изобретатель гибкого бетона. (Фото: Николь Касаль Мур.)

«К нашему счастливому удивлению, мы обнаружили, что когда мы нагружаем его снова после заживления, он ведет себя как новый, с практически такой же жесткостью и прочностью», — сказал Ли. «Самовосстановление повреждения трещины восстанавливает любую жесткость, утраченную при повреждении материала, и возвращает его в первозданное состояние. Материал может быть поврежден, но при этом оставаться безопасным для загрузки».

Инженеры обнаружили, что для полного заживления трещины должны быть меньше 150 микрометров, а лучше меньше 50. Для этого Ли и его команда усовершенствовали гибкий искусственный цементный композит, или ECC, который они разрабатывали в течение последних 15 лет.

Более гибкий, чем традиционный бетон, ЭСС больше похож на металл, чем на стекло. Традиционный бетон считается керамическим. По словам Ли, хрупкая и жесткая, она может выйти из строя при сильном напряжении во время землетрясения или при регулярном чрезмерном использовании. Но гибкая КЭП гнется, не ломаясь. Он усеян армирующими волокнами со специальным покрытием, которые удерживают его вместе. ECC остается неповрежденным и безопасным для использования при деформации растяжения до 5 процентов. Традиционный бетон ломается и не может выдержать нагрузку при растяжении в 0,01 процента.

Средняя ширина трещины в самовосстанавливающемся бетоне Ли составляет менее 60 микрометров. Это примерно половина ширины человеческого волоса. Его рецепт гарантирует, что сверхвысокий цемент в бетоне, выставленном на поверхность трещины, может реагировать с водой и углекислым газом, заживляя и образуя тонкий белый шрам из карбоната кальция. Карбонат кальция — сильное соединение, которое естественным образом содержится в морских раковинах. В лаборатории для заживления материалу требуется от одного до пяти циклов смачивания и сушки.

Чтобы протестировать заживший бетон, исследователи использовали измерения резонансной частоты для определения жесткости и прочности до и после образования трещин. Эти тесты посылают звуковые волны через материал для обнаружения изменений в его структуре.

Сегодня строители усиливают бетонные конструкции стальными стержнями, чтобы трещины были как можно меньше. Но они недостаточно малы, чтобы залечиваться, поэтому вода и соли против обледенения могут проникать в сталь, вызывая коррозию, которая еще больше ослабляет конструкцию. Самовосстанавливающийся бетон Ли не нуждается в стальной арматуре, чтобы сохранить ширину трещины плотной, что исключает коррозию.

Профессор говорит, что это новое вещество может сделать инфраструктуру более безопасной и долговечной. Обращая вспять типичный процесс износа, бетон может снизить стоимость и воздействие на окружающую среду при создании новых конструкций. И ремонт продлится дольше. Американское общество инженеров-строителей недавно присвоило дорогам, мостам, системам водоснабжения и другой инфраструктуре страны оценку «D» по состоянию здоровья. Федеральный пакет стимулов включает более 100 миллиардов долларов на проекты общественных работ.