Самовосстанавливающийся эластичный бетон: виды, преимущества и недостатки

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.

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 [1-4]. 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.

Решение проблемы «по старинке»

Испытание на изгиб бетонного образца

Каждому первокурснику любого строительного или околостроительного учебного заведения известно: бетон не выдерживает серьезные нагрузки на изгиб, как не дорабатывай его подбор состава, и какие суперпластификаторы не добавляй. Как правило, прочность на изгиб бетона любой марки в 28-суточном возрасте меньше чем на сжатие 8, а то и в 10 раз. Этот недостаток проявляется в виде трещин в нижней части любого бетонного изделия, и как следствие, его раннее разрушение.

Для предотвращения проявления такого свойства, уже более 100 лет бетон армируют специальными каркасами, располагающимися в нижней части изделия. Арматура берет растягивающие нагрузки на себя, увеличивая долговечность бетона и его способность сопротивления изгибающим нагрузкам.

Но все это лирика, по сравнению с тем, что дает арматура, кроме стойкости к разрушению под действием изгибающих моментов.

Это:

• возрастание веса конструкции, соответственно увеличивается нагрузка на основание, что также требует дополнительного усиления;
• трудоемкость выполнения работ;
• коррозия металла в бетонном теле, как одна из причин уменьшения его эксплуатационного срока;
• затраты на металл значительны, как и услуги специалистов, работающих с ними.

С такими недостатками, можно сказать, смирились. Делаются дополнительные расчеты и допуски. В принципе, на армировании выстроен весь отлаженный строительный механизм в нашей стране. Новаторы смотрят на мир иначе — в том числе и на роль арматуры бетоне. Одни делают ее из пластика, другие, вообще, пытаются исключить…

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.

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.

1. В готовую опалубку заливаем тонкий слой жидкой бетонной смеси, в которую строго в одном направлении укладываем слой оптоволокна.
2. 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.
3. Дальнейший процесс представляет собой послойную укладку компонентов раствора и оптоволоконных нитей до достижения необходимых габаритов изделия.
4. 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.

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.

«Отказаться от арматуры», — вы шутите?

На фото показаны два образца обычного и гибкого бетона под давлением изгибающий нагрузки одинаковой величины

Создатели бетона ConFlexPave стремятся к тому, чтобы полностью заменить громоздкую арматуру на свое сверхлегкое и невероятно прочное фиброволокно. На сегодняшний день пока еще ведутся разработки в этой области. Пока лишь были обнародованы фото и часть результатов испытания образца гибкого бетона.

Результат ошеломляющий. Показатели прочности бетона с фиброй как на сжатие, так и на растяжение практически одинаковы и больше чем у обычного образца почти в 3 раза при аналогичной проектной марке раствора.

Как утверждает разработчик гибкого бетона, они создавали свое детище в первую очередь для увеличения эксплуатационного периода бетонных дорожных покрытий. К тому же подобная разработка позволит уменьшить их толщину и скорость укладки. К тому же, гибкий бетон станет спасением не только при проведении дорожных работ.

Его свойства взяли на заметку для разработки сейсмоустойчивых монолитных зданий и конструкций. Трудно даже представить, какую революцию произведет подобная разработка в области изготовления железобетона, в свое время, конечно, когда мы будем к этому готовы…

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.

Источники информации:

1. ГОСТ 25192-2012
2. ГОСТ 7473-2010
3. ГОСТ Р 57345-2016/EN 206-1:2013
4. ГОСТ Р 57359-2016/EN 13670:2009
5. СНиП 82-02-95 (введено 07.01.1996)
6. СНиП 82-01-95 (введено 01.01.1996)
7. Bacteria-based self-healing concrete – H. M. Jonkers, 2011.
8. Interactions of fungi with concrete: Significant importance for bio-based self-healing concrete – Ло Дж., Чен Х. и др. (опубликовано в 2022 г.).
9. Using fungi to fix bridges – Binghamton University (опубликовано01.2018).
10. Autogenous healing of engineered cementitious composites under wet–dry cycles – Yingzi Yang, Victor C. Li (опубликовано в мае 2009 г.).

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.

Технология изготовления и нанесения полимербетона

Для изготовления полимербетона потребуются следующие средства защиты, инструменты и емкости для замеса:

• электрическая дрель или шуруповерт с насадками,
• весы для определения соотношения компонентов,
• емкости для замешивания и подготовки компонентов,
• средства защиты для рук и лица.

Полимерное покрытие в домашних условиях готовится по следующему алгоритму.

1. Наполнитель крупной фракции щебеня очищаем от загрязнений, сушим при температуре 110 градусов и остужаем. Влажность полученной смеси не должна превышать 1%.
2. Смешиваем наполнитель с просеянным песком.
3. Загружаем в смеситель на 2 минуты компоненты и добавляем наполнитель (графит, андезит, кварц). После процесса перемешивания можно наливать воду и вновь запускать смеситель.

Отдельно готовим связующее вещество.

1. Размягчаем выбранную золу (связующее вещество) с помощью нагрева до 35–40°С или специального растворителя. Важно не забыть, что количество полимеров в составе смеси должно составлять не более 20% от массы цемента. Если вы воспользовались водорастворимыми смолами, то их вводят в раствор маленькими дозами, и их количество не превышает 2% от массы цемента.
2. Добавляем пластификатор и стабилизатор, размешиваем в течение 2 минут и заливаем в состав отвердитель.
3. При необходимости добавляем синтетический краситель.
4. Соединяем с наполнителями и перемешиваем в течение 3 минут — полимербетон готов к заливке.

Совет: не старайтесь сделать сразу большое количество материала, так как смесь быстро затвердевает.

Если вы планируете заливку в определенную форму, то предварительно подготовьте все необходимое.

1. Поверхность формы покрываем парафином (можно воспользоваться техническим вазелином или машинным маслом), таким образом вы избежите прилипания полимербетона.
2. Заливаем концентрат в форму, стараясь максимально заполнить всю плотность и убрать воздушные пузырьки из смеси. Уплотнение можно произвести с помощью вибростола или навесного вибратора.
3. Вынимать готовую форму можно не раньше суток, а если в составе присутствует большое количество отвердителя, то можно осуществить выемку и ранее.

Совет: очищение бетономешалки или смесителя сразу после окончания работы — обязательно, так как остатки материала быстро застывают и сложно вымываются.

Опытные строители рекомендуют использовать полиамидную и эпоксидную смолу в соотношении с полиэтилен-полиаминовым отвердителем. Считается, что эти компоненты дают наиболее качественный полимербетон.

Светящийся бетон

Доктор Хосе Карлос Рубио из мексиканского университета UMSNH создал цемент, из которого можно изготавливать светящийся бетон. Бетон с фотолюминесценцией может накапливать энергию Солнца днём, а затем отдавать её ночью в течение 12 часов. Изобретатель утверждает, что прочности такого бетона хватит на 100 лет использования.

Если полученный Рубио цемент пройдёт необходимые проверки, то изготовленные из него стены, здания и даже дороги (в тех климатах, которые это позволяют) способны будут накапливать световую энергию в течение дня, а затем светиться ночью, экономя таким образом огромное количество электроэнергии.

Рубио утверждает, что в отличие от фотолюминесцентных пластиков, которые разлагаются от ультрафиолета, его цемент солнцеустойчивый и может служить целых сто лет. Он уже получил материал двух цветов, голубого и зелёного. Кроме всего прочего, максимальную яркость материала можно контролировать при его изготовлении – чтобы, например, светящаяся дорога не слепила водителей.

Изобретатель запатентовал свой цемент в Мексике. Изобретением уже заинтересовались в фонде Ньютона, основанном Королевской инженерной академией наук Великобритании. Проект проходит стадию коммерциализации.

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.

Электропроводящий бетон

Российские ученые из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) создали электропроводящий бетон.

Его можно применять для специального строительства, автоматического мониторинга деформаций и ремонта сооружений, производства незамерзающих взлетно-посадочных полос, дорожных покрытий, а также поверхностей, от которых прямо на ходу будут подзаряжаться электроавтомобили и другая техника. Статья об этом опубликована в Magazine of Civil Engineering.

По итогам проведенных испытаний зафиксировано, что новый бетон не только может проводить электричество, но и на 30-35 процентов прочнее, чем гостовские образцы. Часть цемента в новом бетоне заменили на зольные и шлаковые отходы энергетических производств и отходы обработки гранита, поэтому его производство экономичнее и экологичнее, чем обычных бетонов и существующих аналогов. Для электропроводимости вместо дорогих карбоновых нанотрубок в смесь добавили обычные и очень доступные карбоновые наночастицы.

Подробнее про электропроводящий бетон читайте в статье «Зачем нужен электропроводящий бетон»

Типы добавок и их достоинства

Стоит отметить, что существует три вида модифицирующих добавок (в народе их часто называют «эластичный бетон»), каждая из них обозначается буквой, поэтому разобраться в их особенностях не составит никакого труда.

Тип А

Эластобетон А используется для повышения прочностных характеристик бетонного материала и улучшения целого ряда свойств:

Благодаря использованию добавки можно уменьшить толщину слоя до 4 см и исключить такой дорогостоящий и трудоемкий процесс как армирование. При проведении работ своими руками процесс проходит гораздо быстрее, так как не требуется поверхностная обработка (топпинг) для увеличения прочности.

Лучше всего выравнивать поверхность специальным устройством, которое можно взять напрокат

Применение данного варианта очень удобно в силу следующих причин:

• Не нужно проводить поверхностную обработку.
• Отделку можно проводить различными способами: заглаживание, шлифовка, полировка, использование различных лаков и пропиток.

Совет! Для обеспыливания поверхности лучше всего подходит специальная пропитка на полимерной основе (силер).

Тип Б

Эластобетон Б отличается непревзойденными показателями надежности и практичности:

• Показатели прочности в зависимости от типа используемого наполнителя могут составлять от М600 до М1200, что позволяет использовать такие полы в промышленности и машиностроении.

Покрытия в промышленных помещениях должны отвечать самым высоким требованиям надежности

• Применять добавку очень легко, сама инструкция достаточно простая – на 100 кг цемента необходимо 20 литров раствора и тщательное перемешивание.
• Цена проекта снижается за счет того, что минимальный слой составляет всего 15 мм, при умеренных нагрузках – 20 мм, при больших нагрузках – 30 мм.
• Пол можно эксплуатировать уже через 5-6 дней.

Тип В

Эластобетон В обладает целым рядом свойств, которые делают его практически уникальным:

• Минимальная толщина покрытия составляет всего 4 мм, рекомендуемая – от 5 до 8 мм, если поверхность подвергается значительным нагрузкам, то слой должен составлять от 8 до 15 мм.
• Получаемая прочность варьируется в пределах М400-М500.
• Работы проводить крайне просто, раствор приготавливается на месте и размешивается строительным миксером.
• Высочайшая износостойкость позволяет использовать покрытия данного типа в административных зданиях, торговых центрах и других местах с высокой проходимостью.
• Можно использовать как внутри, так и снаружи помещений.

Даже тонкий слой обеспечивает отличную прочность

Качественный бетон для поделок с профессиональными добавками

Судя по отзывам и письмам читателей существует большой интерес к использованию в поделках из бетона профессиональных ингредиентов.

К перечисленным ранее можно добавить разные фибры. Чаще всего используются полипропиленовые.

В результате прочность изделия значительно повышается. Уменьшается стекание с вертикальной поверхности. Выступающие из готового изделия волоски легко снимаются феном или газовой горелкой.

Если бетон для поделок кроме лепки необходимо использовать для качественной отливки, то без современного пластификатора не обойтись.

Гиперпластификаторы четвертого поколения позволяют изготовить тонкостенные прочные изделия. Например, плитки под кирпич из мелкозернистого бетона. Также в этом помог и белый цемент.

Такой же похожий состав используется при изготовлении пустотелого ангела.

Он отлит методом вращения в ранее изготовленной силиконовой форме. Процесс аналогичен отливке из гипса.

Малоизвестная добавка — белая сажа. По своей активности она похожа на микрокремнезем и метакаолин. А по другим характеристикам на ЭЦ.

Наиболее примечательно еще одно ее свойство. Она помогает удерживать в массе пигмент. Он не вымывается. Это позволяет увеличивать дозу пигмента. В результате получается более яркая окраска.

В дополнение к положительным свойствам: белая сажа защищает раствор от расслоения.