Гибкие бетонные конструкции по мичиганскому рецепту

Новый тип армированного укрепленного волокном гибкого бетона был впервые использован в Мичигане несколько лет назад. Ученые Мичиганского университета надеются, что разработанный ими новый материал найдет широкое применение в США.

Внешне бетон нового типа похож на обычный, но в 500 раз более трещиностоек и на 40% более легок. Это возможно благодаря включению в смесь микроскопических волокон, объем которых составляет примерно 2% от общего объема смеси. Кроме того, компоненты собственно бетонной смеси разработаны с учетом требования максимальной гибкости будущей бетонной конструкции. Получаемые по изложенному принципу материалы носят название Engineered Cement Composites (ECC), то есть проектируемые цементные композиты. Благодаря долговечности изготавливаемых из ЕСС конструкций расходы, связанные с их эксплуатацией, как ожидается, удастся существенно снизить. Разработанная учеными Мичиганского университета ЕСС- технология уже опробована в Японии, Корее, Швейцарии и Австралии и вместе с тем гораздо медленнее внедряется в США, отмечает руководитель команды разработчиков ЕСС профессор Виктор Ли. И это — несмотря на целый ряд проблем эксплуатации традиционного бетона (недостаточная долговечность и стабильность, отказы при серьезных нагрузках и дополнительные расходы на ремонт). Ли, являющийся специалистом в области как гражданского и экологического проектирования, так и строительных материалов, полагает, что с помощью ЕСС удастся решить большинство этих проблем.

Податливый, или гибкий, бетон состоит главным образом из тех же компонентов, что и обычный (минус грубая минеральная фракция). Он выглядит точь- в-точь как обычный бетон, но под чрезмерной нагрузкой проявляет податливость — сеть из имеющих специальное покрытие волокон имеет возможность перемещаться в пределах цементного объема. Таким образом удается избегать негибкости, которая и является причиной уязвимости бетонных конструкций и их разрушения. Идея волоконного армирования бетона не нова, но Ли полагает, что сегодня мичиганский ЕСС, работа над которым шла в течение последних 12 лет, в своем развитии значительно превосходит другие волоконноармированные бетоны. Дело в том, что, как уже было сказано выше, ЕСС проектируется. Мало того, что бетон армируется микроволокнами, которые действуют как связи, стабилизирующие бетон, ученые проектируют собственно компоненты бетонной смеси, что в результате делает конструкцию более гибкой. Mичиганский университет уже обладает целым рядом патентов по ЕСС-технологиям.

«Попытки понять, как ведут себя композиты, означают вторжение в обширную область микромеханики, — говорит Ли. — Мы же пошли на шаг дальше и использовали это понимание как подход к проектированию материалов при развитии ЕСС». Летом 2005 г. Мичиганский транспортный департамент использовал ЕСС при реконструкции секции настила моста в Ипсиланти (Мичиган). При этом ЕСС-плитой был заменен деформационный стык. Таким образом, связав смежные бетонные плиты, в итоге стало возможным сформировать непрерывный настил. Деформационный стык представляет собой секцию со взаимно сомкнутыми стальными зубьями, которая позволяет бетонному настилу перемещаться в результате перепадов температуры наружного воздуха. Главные проблемы имеют место при учащении движений стыка. В данной связи можно ожидать существенной экономии при использовании ЕСС. По информации Ли, в настоящее время все больше государственных поставщиков обучается изготавливать ЕСС-бетон. Представитель отдела строительства и технологии Мичиганского транспортного департамента наблюдатель группы экспериментальных исследований Стив Кэл уверен: от материала ЕСС вполне можно ожидать решения некоторых проблем долговечности настила, с которыми приходится иметь дело — например, преждевременного трещинообразования: «Мы надеемся, что ЕСС будет работать должным образом и, возможно, поможет снизить стоимость эксплуатации объектов. Осталось накопить достаточный опыт на крупномасштабном строительном производстве». Впрочем, в том же Мичигане и ранее можно было убедиться в долговечности ЕСС: в октябре 2002 г. с использованием данного композита был отремонтирован участок одного из мостов в городе Энн-Арбор, в котором, собственно, и базируется Мичиганский университет. Участок, испытавший воздействие пяти сезонных циклов замораживания-оттаивания, выглядит намного лучше в плане трещинообразования, чем смежный с ним участок из обычного бетона, уложенного днем ранее.

В тесном сотрудничестве с Виктором Ли и его сподвижниками работает Арнолд О’Шеридан (Мэдисон, Висконсин). Результат — проект пешеходной дорожки и велодорожки вдоль берега озера Монона, которые будут построены с использованием ЕСС. По информации Ли, ученые оснастят ЕСС-дорожки датчиками, чтобы контролировать работу материала, поскольку данные сооружения будут подвергаться воздействию окружающей среды. Толщина настила недавно построенного моста Михара (Хоккайдо, Япония), изготовленного из ЕСС, составляет 5 см. Движение по мосту открылось в мае 2005 г. Мост на 40% легче, чем весил бы его аналог из традиционного бетона. Ожидаемый срок службы сооружения — 100 лет.

Да, долгосрочных исследований никто не отменял. Но уже сегодня сравнительные исследования, выполненные Центром устойчивых систем Школы природных ресурсов и окружающей среды совместно с группой Ли, показывают, что за 60 лет эксплуатации мостового ЕСС-настила удастся на 37% сократить эксплуатационные расходы, на 40% — энергопотребление, на 39% — эмиссию СО2 (главная причина глобального потепления) по сравнению с обычным бетоном. Полученные данные верны при условии, что ЕСС вдвое долговечнее обычного бетона. Это вполне разумное предположение, сделанное на основе уже известной информации. Но все вышеизложенное должно быть подтверждено в ходе дальнейших исследований.

По информации University of Michigan подготовил Сергей ЗОЛОТОВ