Самозалечивающийся эластичный бетон производство

Обновлено: 06.05.2024

Что такое гибкий бетон и почему ему не нужна арматура?

Каждый, кто хоть раз имел дело с бетоном, знает, что этот материал почти не выдерживает нагрузок на изгиб. Чтобы избежать появления трещин, а значит, разрушения, нужно заложить в него арматуру. Или же. придать эластичность. Существуют технологии, способные сделать бетон гибким. О них и пойдет речь в этой статье

Казалось бы, зачем вообще отказываться от арматуры? Металлический каркас упрочняет бетон настолько, чтобы он служил многие десятилетия. Но у этой технологии есть недостатки. Прежде всего, это увеличение веса монолита, которое заметно усложняет строительство. Фундамент, который через стены принимает нагрузку от тяжелой плиты перекрытия, нужно усиливать, что, как говорится, «влетает в копеечку». Да и сами метизы обходятся недешево.

Кроме того, даже самая качественная стальная арматура со временем ржавеет, разрушая бетон изнутри. И наконец, закладка каркаса — довольно трудоемкий процесс, которые отнимает время, силы и деньги.

Строители давно уже смирились с этими неудобствами и принимают их как должное, но новаторы смотрят на мир иначе. Если арматура создает проблемы и тормозит рабочие процессы, ее нужно убрать.

Испытания гибкого бетона Испытания гибкого бетона

Речь идет об особом ультратонком волокне, которое замешивают в раствор. Но это не обычная фибра, используемая в ячеистых бетонах. Тончайшие шелковистые нити не схватываются с цементом, а скользят в теле монолита. Именно это придает ему эластичность и позволяет отказаться от использования арматуры.

При прочих равных гибкий бетон, армированный ультратонким волокном, почти в три раза прочнее обычного

Структура гибкого бетона ConFlexPave Структура гибкого бетона ConFlexPave

Новому бетону дали название ConFlexPave. Помимо армирующего волокна в его состав добавили присадку, которая делает поверхность плиты шероховатой. Антискользящие свойства крайне важны, так как изначально материал предназначался для дорожных покрытий. Позже его стали использовать при строительстве сейсмоустойчивых домов, а также автомобильных мостов. Это ли не доказательство высокой прочности? Сегодня гибкий бетон довольно активно используется в Японии и США. Можно не сомневаться, что за ним — большое будущее.

Впрочем, справедливости ради стоит заметить, что гибкий бетон не безупречен. Основной его недостаток — высокая цена. Модифицированный состав стоит в три раза дороже обычного. Это тормозит его распространение, но есть основания полагать, что со временем разработчики найдут способ удешевить технологию.

Разумеется, исследования по созданию гибкого бетона ведутся и в России. Уже довольно давно существуют заслуживающие внимания продукты. Например, добавка «Эластобетон», сертифицированная ГОСТ ISO 9001-2011. Она служит не только для придания материалу эластичности, но также для увеличения прочности, морозостойкости и износостойкости. Кроме того, ее использование позволяет сократить толщину бетонной стяжки, сэкономив на количестве смеси, и ускорить ее затвердевание.

Добавка «Эластобетон» позволяет заливать бетон при температуре до −5°С, не опасаясь потери прочности из-за замерзания смеси

Модификатор активно используют при изготовлении бетонных полов, подверженных большим нагрузкам. В основном на промышленных объектах, таких, как склады, гаражи и производственные цеха.

Добавки «Эластобетон А» и «Эластобетон Б» Добавки «Эластобетон А» и «Эластобетон Б»

Существует три разновидности добавок, повышающих эластичность и прочность бетона. «Эластобетон-A» служит для создания бетонных стяжек толщиной от 40 мм. Он позволяет сократить срок затвердевания бетона до 7 суток. То есть уже спустя неделю после заливки смеси пол можно подвергать нагрузкам. «Эластобетон-B» предназначен для создания упрочненных стяжек толщиной от 15 мм. Такой пол можно ввести в эксплуатацию уже через 5 дней. И наконец, «Эластобетон-C» — стяжка толщиной от 8 мм и 5-6 дней соответственно.

Завершая тему гибкого бетона, расскажем о еще одной интересной разработке. Оказывается, материалу можно не только придать эластичность, но и научить его реставрировать себя самостоятельно. Существует так называемый самовосстанавливающийся эластичный бетон , созданный учеными из Нидерландов (Хенк Йонкерс и Эрик Шланген). В его состав помимо цемента, песка и модифицирующих добавок входят гранулы биоразлагающегося пластика с лактатом кальция и спорами бактерий, которые им питаются. Микроорганизмы, законсервированные в теле плиты, находятся в спящем состоянии, пока монолит цел. Но стоит появиться трещинам, влага пробуждает бактерии, и они начинают питаться пластиком. А результатом их жизнедеятельности является кальцит (известняк) заполняющий повреждения.

Эта перспективная разработка пока еще не получила широкого применения из-за высокой себестоимости, но, как и в случае с простым гибким бетоном, со временем она станет более доступной.

Гибкий бетон: виды, производство и применение

Применение полимеров и модификационных добавок в исследованиях свойств и процессов твердения бетонов привели к созданию новых видов строительного материала.

Виды эластичного бетона

Гибкий бетон – смесь цемента, воды, заполнителя и полимерных волокон, которая в результате твердения дает искусственный материал, способный выдерживать изгибающие напряжения. По характеристикам прочности сопоставим со стальными материалами. Композит в несколько раз превышает показатели гибкости обычных цементных конструкций [1]. Этот бетон нашел применение в сейсмостойком строительстве, изготовлении конструкций со сложными архитектурными решениями, в строительстве мостов. Основные страны-производители гибкого бетона ConFlexPave – Япония и США.

Самозалечивающийся эластичный бетон – прочный полимерцементный бетон, в качестве добавки содержащий законсервированный вид бактерий. При повреждении конструкции бактерии активизируются под воздействием влаги. В результате взаимодействия с бетоном воды и атмосферного углекислого газа, в трещинах образуется карбонат кальция. Заделанные таким путем дефекты восстанавливают целостность конструкции, и при дальнейшей эксплуатации залеченные участки имеют первоначальную прочность. Автором изобретения является ученый из Нидерландов – Хенк Джонкерс [2].

Ввиду высокой стоимости, в настоящее время массового производства этого бетона нет. Но изобретатель продолжает исследовательскую работу по улучшению характеристик бетона и снижению цены его производства.

Прозрачный бетон – смесь бетона с кварцевыми оптоволоконными нитями. Такой бетон имеет эффект оптической проницаемости. Нити в составе бетона придают материалу повышенную прочность на сжатие и изгиб.

В отличие от двух предыдущих, прозрачный бетон выпускается в России. В основном применяется как декоративный отделочный материал для оформления стен, перегородок, лестничных маршей, столешниц. Выпускается под марками LintraCon, Illumicon.

Благодаря армированию стекловолокном материал имеет улучшенные характеристики по сравнению с обычным бетоном. Помимо повышенной прочности, водостойкости и хороших звукоизоляционных качеств, прост в изготовлении. Такой бетон можно сделать самостоятельно.

Как приготовить гибкий бетон самостоятельно

Процесс представляет собой послойную укладку компонентов раствора и оптоволоконных нитей с обработкой поверхности изделия после застывания бетонной смеси. Для приготовления прозрачного изделия потребуются следующие компоненты:

портландцемент марки не меньше М300;
заполнитель (кварцевый песок, крошка мрамора или гранита) крупность фракции 2-3 мм;
оптоволокно сечением 0,25-05 мм;
пластификаторы, замедлители твердения.

Смесь готовится в объемном соотношении: 1 часть цемента, три части заполнителя, 0,5 части воды. Пластификаторы – по указанию инструкции изготовителя.

Для достижения высокого качества компоненты перемешиваются до полной однородности состава. Приготовленная смесь должна быть подвижной, но не расслаиваться. Чтобы не снизить качественные характеристики бетона, количество вводимого оптоволокна не должно превышать 5% от общего объема.

В готовую опалубку заливаем тонкий слой жидкой бетонной смеси, в которую строго в одном направлении укладываем слой оптоволокна.
После схватывания снова заливаем тонкий слой смеси и укладываем оптоволокно. Из-за того, что уплотнение смеси делать нельзя, чтобы не повредить оптоволокно, обязательно применение пластификатора для подвижности смеси.
Дальнейший процесс представляет собой послойную укладку компонентов раствора и оптоволоконных нитей до достижения необходимых габаритов изделия.
После полного схватывания раствора опалубку можно снимать.

В среднем, набор механической прочности при нормальных условиях составит 7 суток. Затем можно приступать к обработке поверхности изделия. Поверхность полируют перпендикулярно сечению проложенных волокон. Для того чтобы свет, попадая на торец проводника, отражался, и, многократно преломляясь на изгибах, выходил через другой конец волокна.

Характеристики эластичного бетона

Улучшения характеристик бетона можно добиться введением в бетонные смеси модификационных веществ. В России разработана и применяется для улучшения качественных характеристик бетона добавка «Эластобетон».

Ее использование сертифицировано ГОСТ ISO 9001-2011 (ISO 9001:2008) [3].

Эта модификационная добавка служит для придания бетонам эластичных свойств, а также для получения требуемых характеристик: увеличения прочности, морозостойкости, ускорение набора прочности, самовыравнивания бетонных поверхностей.

Возможность уменьшения толщины бетонной стяжки, что экономит расход материалов и уменьшает вес бетонного покрытия.
Добавление компонента увеличивает прочность материала к деформационному воздействию, повышает износостойкость поверхности покрытия.
При вводе морозостойкой добавки можно укладывать при отрицательных температурах до –5 градусов без опасности потери качеств из-за замерзания смеси.

Общие достоинства и недостатки гибких бетонов

прочнее и долговечнее обычных бетонов;
имеет способность самовосстановления;
гнется как металл;
высокая устойчивость к растрескиванию.

высокая себестоимость;
может иметь меньшую прочность на сжатие, чем обычный бетон;
качество композита зависит от используемых материалов и условий их изготовления.

Области применения

Применяются добавки при изготовлении бетонных и мозаичных полов объектов, подверженных различным механическим нагрузкам: склады и цеха, магазины, гаражные комплексы.

Производитель эластобетона: какую добавку купить

Продукция компании FLEX®CRETE

Под торговой маркой «Элакор» производится три вида добавок: Эластобетон-A, Эластобетон-B, Эластобетон-C.

Облегчённый бетон

Иногда в строительстве необходимо использование легкой по весу строительной смеси. Например, когда требуется залить деревянный пол. Тогда мастера используют облегчённый бетон на пористом наполнителе. Но что же представляет собой новая технология крепкого материала?

Характеристика облегченных бетонов

Легкий бетон – это вид смеси, плотность которой в сухом виде колеблется от 200 до 2000 килограмм на кубический метр. В свою очередь стоит отметить, что у традиционного бетона плотность равна 2500 кг/м3.

Основные преимущества облегчённого бетона:

Небольшой вес. Благодаря этому качеству строители во многом экономят. Погрузка и перевозка осуществляется без всяких осложнений, не требуется укрепление фундамента, его легко поднять на нужную высоту без использования техники.
Высокая теплоизоляция. 40% материла – это поры, поэтому тепло не может пройти сквозь стену.
Хорошая звукоизоляция. Материал не пропускает посторонние шумы.
Нетрудоемкий монтаж. Работать с легким бетоном несложно: такие блоки без труда можно распилить с помощью ручной пилы.
Устойчивость к перепадам температур. Материалу не страшны сильные заморозки.
Универсальность. Легкие бетоны подходят как для наружных, так и для внутренних работ.
Долговечность. Постройка прослужит несколько десятилетий.

Но у облегчённого бетона имеются не только преимущества, но и недостатки. Они заключаются в следующем:

Более низкий уровень прочности. Примеси, содержащиеся в легком бетоне, обладают характеристиками, не устойчивыми к механическому воздействию.
Влага – главный враг многих облегченных бетонов. Поры материала впитывают влагу, из-за чего происходит разрушение. Правда, производители уже придумали новые смеси, которые более устройствы к воздействию осадков.

Классификация и разновидности облегчённого бетона

Данный материал разделяется на типы по разным показателям. По своей структуре они делятся на:

Обычные. Состоят из воды, вяжущего вещества и наполнителя. Воздушное пространство в таком бетоне занимает всего 6% от общей массы.
Крупнопористые беспесчаный. Такая смесь заполнена воздухом на 25 процентов.
Ячеистые. Самый пористый материал, воздух в котором занимает аж 85% от всего объема.

В качестве заполнителя могут выступать перлитобетон, шлакопемзобетон, вермикулитобетон и др. Вяжущий компонент – это шлак, гипс, цемент, известняк или полимеры.

Способы производства своими руками

Замешивание цементного раствора

Изготовить облегченный бетон можно своими руками. Для самостоятельного производства лучше всего подходят керамзитобетонные блоки или растворы с шариками пенопласта или вспененным перлитом. Но обязательно наличие пеногенератора. К тому же, опытные строители говорят, что рецепт должен быть подобран правильно, иначе ничего хорошего из данной затеи не выйдет.

Чтобы облегчить бетон, нужно добавить в смесь такой материал, который обогатит его воздухом. Для достижения этой цели заполнитель можно заменить гранулированным шлаком, пемзой, перлитом или вермикулитом, опилками, шелухой риса и т.д.

Либо можно ввести газы. Этого добиваются с помощью добавок-реагентов, которые в смеси выделяют водород или кислород. В домашних условиях в качестве такой добавки используют сосновую канифоль, столярный костный клей или каустическую соду.

Для изготовления облегченного бетона в домашних условиях можно воспользоваться готовым рецептом. Понадобятся следующие ингредиенты:

230-240 кг цемента;
90-105 л воды;
440-460 гр. полипропиленовой фибры;
85-90 кг мелкого песка;
40 кг гранулированного пеностекла диаметром 4-8 мм;
130 кг гранулированного пеностекла диаметром до 4 мм;
0,5 литра суперпластификатора «Глениум».

Все ингредиенты следует смешивать в бетономешалке. Суперпластификатор добавляется в воду. Объем составляющих можно менять в зависимости от ожидаемого результата. В рецепте количество составляющих рассчитано для изготовления бетона плотностью 700 кг/м 3 .

Затвердевание бетона происходит естественным путём. Обычно требуется не больше двух недель времени. Если процесс нужно ускорить, то необходимо использовать специализированное оборудование.

Области применения

По назначению легкий бетон подразделяется на:

Теплоизоляционный, который используется в качестве утеплителя или для создания специальных теплоизоляционных строений. Плотность таких составов равна 200-500 кг/м 3 .
Конструкционный, который применяют для возведения стен и других сооружений. Его объемная масса равна 1500-1800 кг/м 3 .
Конструкционно-теплоизоляционный, который подходит как для внутренних, так и внешних работ. Его плотность равна 600-1400 кг/м 3 .

Облегченный бетон в строительстве имеет широкое применение. Самый легкий материал, плотность которого не превышает 1200 кг/м 3 , применяется:

в укладке дорог;
в монтаже мостовых свай;
при реставрации тоннелей;
в изготовлении стен и стеновых панелей;
для перекрытия полов.

В последнее время облегченные бетоны очень популярны в строительстве частных домов. Этот материал прост в монтаже, недорогой и экономичный. Кроме того, всегда есть возможность изготовления легкого бетона своими руками. Процесс строительства с этим материалом очень прост и под силу даже новичку.

Строительство – это трудоемкий и дорогой процесс. Поэтому производители придумывают все новые материалы, которые позволят при небольшом бюджете и в короткие сроки построить нужное сооружение. Облегченный бетон – это именно тот материал, который существенно упрощает задачу строителей.

Самовосстанавливающийся эластичный бетон: виды, преимущества и недостатки

В мире производят миллионы тонн бетона, так как основная масса крупных и мелких сооружений строятся из этого строительного материала. Постоянно растущая потребность в увеличении срока эксплуатационной пригодности сооружений диктует необходимость развивать это направление. Мировая наука поднимает на новый уровень качество стройматериала, используя в его составе природные свойства живых организмов.

Характеристики и назначение нового стройматериала

Самовосстанавливающийся бетон – новая ступень в развитии строительных материалов. Согласно ГОСТ 25192-2012, ГОСТ 7473-2010, ГОСТ Р 57345-2016, ГОСТ Р 57359-2016, в производстве бетона определены: состав, структура, условия твердения и так далее 2. Новый самовосстанавливающийся бетон отличается от классических рецептов добавлением в состав грибков и спор бактерий, способных выжить в щелочных условиях и придать строительному материалу новые свойства. В процессе своей жизнедеятельности бактерии вырабатывают вещества, восстанавливающие поврежденную поверхность бетонной конструкции.

Известный факт, что бетон со временем рассыхается, покрываясь трещинами, в которые проникает вода, а вместе с ней и микроорганизмы, начинающие процесс коррозии. В результате такого разрушения требуется дорогостоящий ремонт бетонного сооружения. Добавленные в состав грибки и споры бактерий могут находиться в состоянии покоя на протяжении десятилетий. Как только конструкция покрывается трещинами, и в них проникает вода, микроорганизмы активизируются и начинают вырабатывать карбонат кальция (известняк), заполняя этим материалом трещины в бетоне. Этот процесс самовосстановления продлевает срок эксплуатации бетонного строения.

Способы получения самовосстанавливающегося бетона с бактериями

Первая строка – контрольный образец; вторая – споры T. reesei; третья – Aspergillus nidulans [8]

Применяется несколько способов получения самовосстанавливающегося бетона:

Технический университет Делфта, Нидерланды [7]

Микробиолог Хэнк Джонкерс предложил в состав бетона добавлять бактерии рода Bacillus. Бактерии помещены в бетонную смесь в биоразлагаемых капсулах вместе с лактатом кальция. Как только в трещины на поверхности бетона начинает попадать вода, биоразлагаемая капсула растворяется, а бактерии, активизировавшись, начинают вырабатывать известняк, которым заполняются трещины в стройматериале. Лактат кальция используется как питательная среда для бактерий рода Bacillus.

Бингемтонский университет, штат Нью-Йорк и университет Рутгерса [8]

Группа ученых двух университетов добавила в смесь бетона споры грибка Trichoderma reesei [9]. После того, как на поверхности стройматериала начали появляться трещины, вода и воздух спровоцировали грибок активно прорастать, вырабатывая карбонат кальция, которым накрепко замуровались образовавшиеся повреждения.

Иные технологии самовосстановления

Развивая свойства строительных материалов и повышая их экономическую выгоду, в отличие от строительных норм и правил (СНиП 82-02-95, СНиП 82-01-95), регламентирующих расход цемента в производстве бетонных и железобетонных изделий, отечественная и мировая науки пошли дальше утвержденных стандартами правил, применения открытия в биологии и микробиологии [5, 6].

Севастопольский гос. университет

Группа ученых университета разработала технологию нанопорошков с добавлением штаммов бактерий. Добавленный в бетонную смесь ингредиент усиливает бетонный блок при сжатии на 94%. Этот строительный материал предполагается использовать в гидротехническом и берегоукрепительном строительстве.

Университет Мичигана, США [10]

Ученые Инцзы Ян и Виктор Ли, почерпнув идею из природных свойств роста и самовосстановления морских ракушек, добились того, что при длительном контакте самовосстанавливающегося бетона с водой образовавшиеся трещины зарубцовываются, заполняясь карбонатом кальция.

Университет «Виктория», Британская Колумбия

Ученые вывели пластичный цементный композит с применением в составе полимера, что дало бетону возможность выдерживать воздействие колебаний до 12 баллов по шкале Меркалли.

Нитрифицирующие бактерии

Растут бактерии в простых минеральных средах в почве и в водоемах. Специфичные микроорганизмы хорошо развиваются в жидкой среде. Нитрификация – это процесс превращения азотосодержащих соединений в нитриты, а затем в нитраты.

Исследования показывают, что нитрифицирующие бактерии наряду с аммонифицирующими бактериями и грибками участвуют в коррозии бетонных изделий, особенно подземных сооружений, коллекторов и так далее.

Плюсы и минусы самозалечивающегося бетона

Микроскопическая съемка T. ressei с увеличением x1000, показывающая, что споры растут одинаково хорошо как с бетоном, так и без него [8]

Бетон — строительный материал, который в жидком состоянии обладает текучестью воды, что даёт возможность заливать цементный раствор в любые формы и ниши. В затвердевшем же состоянии бетон обладает твердостью камня, что делает его незаменимым в строительстве крупных объектов (мосты, высотные здания, плотины и так далее).

Разрушительно влияют на бетон влага, перепады температур, воздействие химикатов, коррозия, со временем материалу свойственно рассыхаться.
Самовосстанавливающийся бетон отличается более высокой стойкостью к влиянию внешних разрушающих факторов и обладает свойством самовосстановления.

Области применения

Бетон – прочный строительный материал, обладает необходимыми свойствами для строительства как крупных сооружений (мостов, эстакад, плотин на гидроэлектростанциях и т. д.), так и мелких строительных изделий (бордюров, мачт уличного освещения, железобетонных заборов и т. д.).

Новый самовосстанавливающийся материал необходим в местах, где производство мелких ремонтных работ и регулярный осмотр состояния сооружений невозможен:

подземное строительство;
подводное строительство;
высотные здания;
транспортные сооружения мостового типа.

Еще одно преимущество строительных материалов нового поколения – возможность экономии бюджетных средств, так как отсутствует необходимость в постоянном мелком ремонте сооружений. Регулярно выделяемые для этих целей деньги могут быть направлены на строительство новых объектов.

Дорога на все времена

На помощь призвали выращенные в лаборатории бактерии Bacillus cohnii. Их в водном растворе добавили в смесь на этапе ее приготовления. До определенного момента - пока в бетоне под действием пресса не появилась трещина - микроорганизмы спали. "Проснувшись", принялись за работу, заполняя образовавшиеся повреждения карбонатом кальция. На ликвидацию трещин толщиной от 0,2 до 0,6 миллиметра им потребовалось 28 дней.

Когда к плитам вернулась первоначальная прочность, бактерии снова "уснули".

"Бетон остается конструкционным материалом номер один в мировом строительстве: он дешев, прочен и универсален. Однако со временем он может давать трещины в результате действия различных внешних факторов - влаги, многократного замораживания и размораживания (таких повторяющихся циклов на Дальнем Востоке, к примеру, более ста за год). Когда бетон дал трещину, запускается практически необратимый процесс, который может поставить под угрозу всю конструкцию", - рассказал профессор ДВФУ, инженер Роман Федюк.

По его словам, инновация соответствует современному запросу на подобные "живые" материалы, имеющие способность к самодиагностике и самовосстановлению. Благодаря этим качествам можно существенно снизить затраты на ремонт.

Споры бактерий Bacillus cohnii живут до 200 лет и теоретически способны на столько же продлить срок службы объектов. Это почти в четыре раза дольше обычного.

Материал особенно актуален для строительства в сейсмически опасных районах, где в конструкциях сооружений часто появляются мелкие трещины

Роман Федюк считает, что подобный материал особенно актуален для строительства в сейсмически опасных районах, где в конструкциях сооружений часто появляются мелкие трещины, и на территориях с повышенной влажностью и большим количеством осадков - например, на юге Дальнего Востока, где часто идут косые дожди. Бактерии будут заполнять поры цементного камня, и в него попадет меньше влаги.

В планах ученых - разработка нового вида армированного бетона. Его свойства будут усилены с помощью разных видов бактерий, что позволит ускорить процессы восстановления материала.

Как создать дешевый бетон и самозалечивающийся асфальт

Вспоминаем первый материал нашего проекта «Движение вверх» , который N + 1 выпустил в партнерстве с НИТУ «МИСиС» , где мы рассказали о новых российских разработках, обещающих технологический прорыв в строительстве и ремонте дорожных покрытий. Речь идет о создании бесклинкерного бетона и самозалечивающегося асфальта — новых материалов, способных сделать дорожное строительство менее затратным и более эффективным. Новые технологии должны были пройти испытание в полевых условиях в ходе Чемпионата мира по футболу, который Россия приняла в 2018 году.

О чем проект?

Целиком проект посвящен разработке высокотехнологичных материалов для дорожного строительства. В основном это касается бетона и асфальта. Дело в том, что производство цемента — основного вяжущего вещества для бетона — сопровождается значительными затратами ресурсов и энергии и очень неэкологично. Так, для получения одной тонны цемента требуется около полутора тонн исходного сырья. При этом ключевая стадия производства — прокаливание смеси известняка и глин при температуре около 1450 градусов, в результате чего получается так называемый клинкер , который затем перемалывают и перерабатывают в цемент. Если учесть общие энергозатраты, то выходит, что на каждую тонну готового цемента вырабатывается несколько тонн углекислого газа.

Кстати, давайте сразу разберемся с терминологией, чтобы дальше не было путаницы: бетон — это искусственный материал, который получается в результате застывания определенной смеси. В общем случае эта смесь должна как минимум включать наполнитель — песок или щебень — и вяжущее вещество. Примерами вяжущих являются цемент и битум: при использовании первого получается привычный нам строительный бетон характерного серого цвета, а из битума, песка и щебня получается асфальтобетон, который используют в качестве дорожного покрытия. Кроме того, в этом материале пойдет речь о «грунтобетоне», в котором значительную часть смеси составляет грунт.

Даже на первый взгляд видно, что у бетона и асфальта хватает отличий: один после затвердевания превращается в некое подобие камня и обратному преобразованию уже не подлежит, другой больше похож на «вязкий щебень» и даже немного плавится на солнце. Эти свойства легко объяснить: цемент после контакта с водой необратимо меняет свои свойства, прочно связывая наполнитель в монолитную конструкцию, тогда как битум — это по сути просто очень густая смола, поэтому горячий асфальтобетон хорошо формуется и никогда не застывает «намертво». А дальше оказывается, что даже на таких очевидных свойствах этих материалов можно сыграть, если подойти к вопросу творчески.

Другая сторона медали — это наличие в индустрии огромного количества отходов, по своим свойствам очень близких к цементу. Речь идет прежде всего о металлургических шлаках и шламах , а также золе уноса — мелкой зольной пыли, выбрасываемой теплоэлектростанциями при сжигании молотого угля. Идея получения бесклинкерных вяжущих средств из перечисленных промышленных отходов существует довольно давно и в том или ином виде реализуется по всему миру, однако окончательной победы на этом фронте достигнуть еще не удалось, поэтому бесклинкерные компоненты в лучшем случае составляют лишь долю в общей цементной смеси.

Исследователи из НИТУ «МИСиС» недавно предложили новый подход к проблеме синтеза вяжущих веществ, аналогов цемента: высокотехнологичный метод обработки металлургических шлаков, который позволяет получить вяжущее вещество, частично даже превосходящее «золотой стандарт» — портландцемент марки М500. Основное новшество этой технологии — обработка шлака в аппарате вихревого слоя , в котором ферромагнитные «жернова» закручиваются во вращающемся магнитном поле и быстро перемалывают шлак в порошок с диаметром зерен до нескольких микрон. При добавлении золы уноса такой материал приобретает вяжущие свойства, сопоставимые с клинкерным цементом, при этом эквивалентные затраты ресурсов и энергии оказываются несопоставимо меньше.

Марка бетона отражает его среднюю прочность на сжатие, выраженную в килограмм-силе на квадратный сантиметр. Так, бетон М-500 обладает прочностью около 520 килограмм-сил на квадратный сантиметр. Встречаются и сверхвысокопрочные марки бетона М1500 или даже М2000, но их получение и применение очень специфичны, поэтому в качестве стандарта для сравнения их обычно не рассматривают.

Другая, не менее важная, составляющая часть проекта по созданию технологичных дорожных материалов — это так называемые «самозалечивающийся» асфальт. Конечно, речь пока не идет о дорожном полотне, которое после февральских морозов само в себе заделает полуметровые дыры, но и эта идея уже не так далека от реальности. В рамках же существующего проекта авторы предложили добавлять в асфальтобетонную смесь небольшое количество углеродных нанотрубок, которые при дальнейшем ремонте можно будет нагреть микроволновым излучением. Битум, скрепляющий асфальтобетон, расплавится, и таким образом можно будет устранить микротрещины в дорожном полотне.

Кто придумал этот проект?

Разработка новых материалов дорожных покрытий в основном принадлежит коллективу Центра энергоэффективности НИТУ «МИСиС» под руководством Д.В. Кузнецова и С.Л. Мамулата. Авторы совместили научную базу, имеющуюся в университете, с опытом и компетенцией в сфере применения наукоемких методов и материалов в смежных отраслях — наноиндустрии, металлургии. В итоге удалось не только опубликовать или запатентовать научную составляющую новых разработок, но и найти конкретные проекты для их применения и тестирования в полевых условиях. Так, с участием специалистов Центра энергоэффективности были выполнены инженерные разработки для реконструкции аэродрома ЛИИ имени Громова в Жуковском, а также планируется использовать эти технологии в рамках проекта «Один пояс и один путь» , выдвинутого председателем КНР Си Цзиньпинем. Кроме того в рамках подготовки к Чемпионату мира по футболу 2018 года будет создано несколько участков дорог с самозалечивающимся покрытием.

Частицы золы уноса до и после обработки в аппарате вихревого слоя Mazov et al., Key Engineering Materials 2016 Частицы золы уноса до и после обработки в аппарате вихревого слоя Mazov et al., Key Engineering Materials 2016

А что, раньше ничего такого не было?

Кажется, в технологии дорожного строительства, а также производства бетонов и асфальтов было уже все, причем еще лет сто назад. Но это только так кажется. Как мы уже говорили, идея применения отходов вместо дорогостоящего цемента не нова, но в полной мере реализовать ее пока никому и не удалось. В современном российском ГОСТе по производству цементов допускается содержание шлаков и/или золы уноса в объеме не более чем 65 и 60 процентов соответственно, и только лишь для некоторых категорий продукции. Во многом такая ситуация обусловлена отсутствием наукоемких подходов в этой области, поэтому предложенный метод с использованием аппарата вихревого слоя представляет собой качественно новое решение.

Кому это вообще нужно?

Основная сфера применения обеих разработок — строительство и ремонт дорог, которые благодаря новым материалам станут более дешевыми и технологичными, особенно в удаленных регионах.

Первая технология, бесклинкерные вяжущие вещества, создавалась главным образом для укрепления грунтов при подготовке к укладке дорожного полотна. Дело в том, что любые природные грунты в той или иной мере обладают подвижностью и/или недостаточной прочностью, чтобы их в первозданном виде можно было использовать в строительстве. Поэтому существует обширный спектр методов укрепления грунтов: армирование, вибрационная «утрамбовка», замораживание, а также укрепление при помощи вяжущих средств (цементирование). В последнем случае новые бесклинкерные вещества особенно перспективны за счет своей высокой эффективности в сочетании с низкой стоимостью.

Кроме того, оказалось, что эти материалы не так требовательны к наполнителю: песку и щебню. Если в случае с марочным цементом при дорожном строительстве требуется завозить песок и щебень определенной чистоты, то новые бесклинкерные вяжущие средства можно использовать даже с наполнителем из местного грунта, что удешевляет и ускоряет строительный процесс.

Самозалечивающийся асфальт также ускоряет процедуру ремонта полотна. Многим известно, как обычно выглядит дорожное покрытие после зимнего сезона, особенно если температура долго прыгала вблизи отметки в ноль градусов. Такие колебания приводят к тому, что растаявшая вода заполняет микротрещины в асфальтобетоне, а затем, замерзая, разрывает их края. Чем больше таких циклов пройдет за зиму, тем больше ям появится весной и тем глубже они будут. Зачастую их ремонтируют упрощенным способом, то есть устраняя дефекты точечно, без замены всего полотна, что не решает главную проблему: наличие микротрещин в покрытии. Если вместо этого использовать индукционный ремонт, то устраняются именно микротрещины, то есть непосредственная причина разрушения асфальтобетона.

Фрагменты шлака, обработанного в аппарате вихревого слоя в течении трех, пяти и семи минут. Mazov et al., Key Engineering Materials 2016 Фрагменты шлака, обработанного в аппарате вихревого слоя в течении трех, пяти и семи минут. Mazov et al., Key Engineering Materials 2016

И какая там наука?

Главным ноу-хау разработчиков стало применения аппарата с вихревым слоем ферромагнитных элементов. Это устройство представляет собой камеру, в которую помещены цилиндрические ферромагнитные стержни, хаотично движущиеся во вращающемся магнитном поле. Такой метод часто применяется для тонкого перемешивания жидких смесей и создания эмульсий, однако может быть использован и для измельчения твердых компонентов.

Авторы нового подхода показали , что использование аппарата вихревого слоя не только оказывается энергетически менее затратным, чем применение более традиционного оборудования, например планетарной мельницы, но и позволяет быстрее достигать узкого распределения частиц порошка по размеру.

В случае самозалечивающегося асфальта можно сказать, что окончательно решение там еще более наукоемко. Если вспомнить, что битум — вяжущее вещество асфальтового покрытия — разжижается при нагревании, кажется очевидным простой способ исправления мелких трещин в полотне: их нужно разогреть и разровнять. Более того, этот процесс происходит самопроизвольно, от простого нагрева на солнце, но очень медленно. Поэтому вопрос стоял в том, как это сделать быстро и эффективно.

Ученые НИТУ «МИСиС» предложили добавлять в битум углеродные нанотрубки, но не ради подхода «с нанотрубками всегда лучше». Дело в том, что углеродные материалы хорошо проводят электрический ток, а он, в свою очередь, существенно разогревает проводник, по которому течет. Вишенка на торте — это возможность индуцировать электрический ток в проводниках на расстоянии при помощи микроволнового излучения. Дальнейшее, как вы понимаете — дело техники: надо «всего лишь» подобрать необходимый состав битума, оптимизировать технологию синтеза и внедрения нанотрубок, создать технологичный аппарат для облучения дорожного полотна и, желательно, совместить его с катком. Все это и проделали в НИТУ «МИСиС».

На этом правда можно заработать?

Несомненно. Экономическая выгода складывается из многих факторов: во-первых, источником сырья для бесклинкерного бетона выступают промышленные отходы, стоимость которых зачастую складывается лишь из цены за доставку и прочую логистику. В некоторых случаях даже эти небольшие расходы можно окупить, если государство заинтересовано в переработке отходов, которые в противном случае будут накапливаться, занимать место и портить экологическую обстановку.

Во-вторых, если использовать новые вяжущие вещества для укрепления грунтов, то нет необходимости в завозе чистого песка и щебня, можно использовать местный грунт. В-третьих, обработка шлака в аппарате вихревого слоя почти в четыре раза менее энергозатратна, чем, например, помол в планетарной шаровой мельнице, что позволяет сэкономить на электричестве.

Что касается самозалечивающегося асфальта, то здесь основная экономическая выгода складывается из того, что при ремонте полотна с добавками нанотрубок нет необходимости срезать верхний слой покрытия.

Сколько такая штука может стоить?

Точная стоимость варьируется от объекта к объекту, но в среднем можно сказать, что строительство дороги с применением новых вяжущих веществ оказывается в полтора-два раза дешевле по сравнению «традиционной» технологией с заменой грунта привозным щебнем и песком.

Самозалечивающийся асфальт вносит лишь небольшую поправку к стоимости строительства, так как нанотрубки предполагается добавлять непосредственно к асфальтобетонной смеси из расчета около 17 грамм на тонну. Цена одного грамма нанотрубок начинается от 70 центов.

Читайте также: