В статье рассматриваются подходы к созданию более долговечных и стойких бетонных конструкций. Проанализированы результаты экспериментов по разработке так называемого «самовосстанавливающего бетона» путем модифицирования бетонных смесей микробиологическими добавками — бактериями вида bacillus subtitus.
Ключевые слова: бетон, самовосстанавливающийся бетон, микробиологические добавки, гибкий бетон.
Бетон является одним из наиболее распространённых строительных материалов во всем мире благодаря своей прочности и экономичности производства. По различным оценкам, ежегодно в мире производится около 10 миллиардов тонн бетонной смеси.
Однако прославленный строительный материал, будучи в застывшем виде, имеет свойство деформироваться (трескаться) по прошествии определённого времени. В процессе использования под действием нагрузок в нем возникают трещины, которые являются открытым каналом для перемещения влаги. После рядов циклов замерзания и оттаивания, надломы расширяются, а потом вода доходит до арматуры и запускает процесс коррозии арматуры. Ржавчина занимает больший объем, чем армирующий материал, и бетон начинает трескаться и расслаивается.
В России затраты на ремонт и восстановление отдельных промышленных сооружений составляют примерно 20–25 % их стоимости [1]. Таким образом, проблема обеспечения долговечности железобетонных конструкций является одной из главных в строительстве.
Поэтому очевидной видится тема: самовосстанавливающийся бетон, связанная с исследованиями, направленными на получение новых видов традиционного стройматериала Самовосстанавливающийся бетон — революционный строительный материал, разрешающий многие проблемы и, безусловно, это строительный материал будущего [2].
Самовосстанавливающийся бетон — это общее название разных современных разработок и инновационных решений, призванных изменить структуру материала и сделать его способным к восстановлению и стойким к различным воздействиям. Часто бетон, модифицированный микробиологической добавкой, еще называют биологическим бетоном (биобетон) [3].
В мире пока не создано аналога бетона как строительного материала, что делает его уникальным. Поэтому не удивительно, что бетон 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 обычного бетона. Идея для изготовления такого бетона была взята с обычных морских ракушек, в состав которых входят различные минералы, придающие им прочность и эластичность [4].
Впервые такой материал предложил микробиолог Хенк Джонкерсон (Henk Jonkers) из Нидерландского Делфтского технического университета в 2005 г. Три года потребовалось Джонкерсону для воссоздания прототипа, самовосстанавливающегося бетона. Основной задачей было поиск бактерий, которые выжили бы в суровых условиях бетона [5].
Так, для решения проблемы с сухостью было принято решение использовать палочковидную бактерию из-за ее выносливости и долголетия. Но для производства известняка, заполняющего микротрещины, необходимо было обеспечить бактерии питательными веществами. Пробовали использовать сахар, но он ухудшал свойства бетона, уменьшая прочность. Впоследствии в качестве источника питания был выбран лактат кальция.
Чтобы обеспечить защиту бактерий и источника питания их помешают в крошечные капсулы из биоразлагаемого пластика, которые растворяются при попадании воды. Во время взаимодействия бактерий с лактатом кальция возникает химическая реакция, которая создает известняк, заполняющий трещины. Процесс затвердевания геля занимают семь дней.
Эти бактерии в состоянии покоя могут находиться до двух столетий. Находясь в микротрещинах, бактерии заполняют микрополоски отходами своей жизнедеятельности, защищая от возникновения глубоких разломов в структуре бетона.
Использование самовосстанавливающегося бетона, сокращает трудоемкость и затраты на ремонт зданий, а также, снижается выброс углеводорода при производстве производственной смеси. Согласно исследованиям и экспериментам, такой бетон более прочный и плотный. Стоит отметить, что данный вид бетона был разработан для того, чтобы продлить срок службы и сэкономить на капитальном ремонте зданий и сооружений.
Сегодня идут последние подготовки нового материала к выходу на мировой рынок. И конечно, новый продукт будет выдан минимум в двух вариантах. Это будут известковый раствор для заделки трещин и непосредственно сам самовосстанавливающийся бетон.
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 [4].
Кроме описанного выше самовосстанавливающегося бетона, открытого нидерландскими учеными 18 лет назад, другим видом являются 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, вследствие чего трещины заполняются жидким полимером. Затем необходимо ультрафиолетовое излучение, под действием которого полимеры застывают, тем самым восстанавливая свойства бетона. Такие заплатки пока находятся на стадии разработки ученых из Южной Кореи, однако на данный момент испытания дают положительные заключения. Тем не менее, у этой технологии 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 [4].
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 состав такого бетона добавляется полимерное микроволокно, за счет которого повышается гибкость конструкции и усиливается его адгезия (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 важно 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 обычного [4].
Поскольку биобетон все еще находится в стадии разработки, этот вид бетона используется в ограниченном масштабе и не широко распространен. Основное препятствие — это затраты на производство. На данный момент стоимость производства самовосстанавливающегося бетона примерно в 2 раза превышает производства обычного бетона. Поэтому продолжаются исследования, используя различные подходы для снижения затрат и для поиска более дешевого материала (замена лактата кальция каким-нибудь другим веществом).
При исследовании бетонных смесей и свойств бетона ученые вдохновляются, как ни странно, культурой Древнего Рима. Уже давно исследуют состав материалов древнеримских сооружений. Именно они отличаются крепостью, прочностью и долговечностью. 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.
Целью проведенной работы является анализ прочностных, эксплуатационных и стоимостных характеристик биобетона.
По новой технологии в бетон могут быть добавлены специальные микроорганизмы, которые в процессе своей жизнедеятельности способны выделять производные компоненты известняка, в частности, кальцит, способный «затягивать» образующиеся микротрещины с помощью этого вяжущего вещества.
Методика изготовления биобетона описана в работе [6]. Суть метода заключается в следующем: в бетонную отливку вводят культуру бактерий, вырабатывающих в процессе своей жизнедеятельности кальций (по сути — тот же цементный камень). Затаившись на дне микротрещин, такие бактерии заполняют микрополоски отходами своей жизнедеятельности (кальцием), ликвидируя, таким образом, эти предтечи глубоких разломов в структуре бетона. Причем активность биологических культур в кислой среде бетонной конструкции уже подтверждена практическими опытами.
Авторы статьи [7] описывают эксперимент, в котором изучалось применение вырабатываемого бактериями кальцита для повышения срока эксплуатации зданий и сооружений. Результаты исследования подтвердили положительную перспективу использования, выработанного бактериями Bacillus sphaericus карбоната для затягивания трещин в бетоне. Исследовательская группа сообщила о полной герметизации искусственно созданных трещин шириной 0,3 мм и глубиной 10 мм и отметила, что проницаемость бетона была значительно меньше, чем при заделывании трещин цементным раствором. В работе [8] также сообщалось, что при обработке бетона кальцитом микробиологического происхождения прочность на сжатие обработанных образцов может быть восстановлена до 84 %.
Поскольку биобетон все еще находится в стадии разработки, этот вид бетона используется в ограниченном масштабе и нешироко распространен. Одно из препятствий — большие затраты на производство. На данный момент стоимость производства самовосстанавливающегося бетона примерно в 2 раза превышает производства обычного. Поэтому продолжаются исследования по изучению различных подходов для снижения затрат и для поиска более дешевого материала (замена лактата кальция каким-нибудь другим веществом), чтобы новый бетон стал более доступным [9, 10]. Самовосстанавливающийся бетон имеет больше преимуществ, чем недостатков и является материалом будущего.
Учёные Мордовского госуниверситета им. Огарёва совместно с соавторами из Ирака получили четвёртый Евразийский патент на изобретение самовосстанавливающегося бетона. В Мордовском государственном университете к настоящему времени разработано уже 3 вида самовосстанавливающегося бетона, изобретение 2022 года отличается технологией применения микроорганизмов различной природы и специальных модификаторов [11]. При появлении трещин в конструкциях на основе самовосстанавливающегося бетона происходит их «залечивание» под контролем бактерий в результате образования минерального осадка. Полученный на основе применения данной технологии бетон и железобетонные конструкции на его основе имеют степень долговечности выше более чем в 3 раза, а прочности — в 1,5 раза по сравнению с бетонами традиционного типа [12].
В заключении отметим, что биологический бетон является базовым материалом для производства многослойных панелей, из которых затем обустраивают систему вертикальных садов [13].
Литература:
- Карпенко Н. И. и др. О современных методах обеспечения долговечности железобетонных конструкций //Akademia. Архитектура и строительство. -2015. -№ 1. С.93–102.
- Токарев А. С., Панин П. А., Медведев В. С. Самовосстанавивающийся бетон. Яндекс документы. Режим доступа: docs.yandex.ru/samovosstanavlivayushchiysya-beton.pdf (дата обращения — 20.05.2023).
- Жукова Г. Г., Сафиулина А. И. Исследование применения самовосстанавливающегося бетона //Construction and Geotechnics. — 2020
- Александрова Е. В., Лосев Г. В. Инновационные технологии в строительстве сельскохозяйственных сооружений: самовосстанавливающийся бетон // Вестник сельского развития и социальной политики. 2020. № 4 (28), с. 27–30.
- Кодзоев М. Х., Исаченко С. Л. Самовосстанавливающийся бетон // Бюллетень науки и практики. -2018. Т.4, № 4. С.287–290.
- Чайковская Л. В., Эседуллаве Р. М. Самовосстанавливающийся бетон // Строительство и реконструкция. -2022. –Т.2. С.
- Бочкарев В. А., Журбенко М. Д., Чередниченко Т.Ф,. Эксплуатационная надежность конструкций из самовосстанавливающегося бетона/ Сборник трудов Международной научно-практической конференции, в 2 ч. Волгоград, 2021. С.159–163.
- Sanchez-Moral S., Canaveras J.C, Laiz L. And et. Al. Biomediated precipitation of calcium carbonate metastable phases in hypogeanenvironments: A short review// Geomicrobiology journal. 2003. Vol. 20(5). Pp. 491–500.
- Hearn, N., Morley, C. T. Self-sealing property of concrete. Experimental evidence // Materials and Structures. 1997. V. 30. P. 404–411.
- Ерофеев В. Т., Дулайми Салман Давуд, Смирнов В. Ф. Бактерии для получения самовосстанавливающихся бетонов// Интернет-журнал «Транспортные сооружения. -2018. -№ 4, т.5. Режим доступа: docs. yandex.ru. O7SATS418.pdf.
- Сайт Мордовского госуниверситета: ru/news/uchenye-mordovii-zapatentovali- … (дата обращения — 24.05.2023).
- Аль Дулайми Салман Давуд Салман, Самовосстанавливающиеся бетоны, модифицированные микробиологическими добавками. Автореф. дисс…..канд. техн.наук, спец. 05.23.05. Москва, 2019.
- Колчина Т. О. Биобетон — новое поколение самовосстанавливающихся бетонов / Сборник научных трудов по материалам Всероссийской научно-практической конференции «Безопасный и комфортный город», г. Орел. — 2018. С.102–106.
