Бетон нового тысячелетия
Один из них способен выстоять под нагрузкой столько, сколько существует цивилизация. Другой свободно пропускает сквозь себя поток воды. Из третьего вырастает трава. Эти необычные разновидности самого распространенного строительного материала на Земле могут оказать большое воздействие на жизнь людей, на эстетику нашей среды обитания, на экономику и экологию. Так что бетон – это совсем не серая скука.
Белых пятен еще хватает
Разнообразие сортов бетона теперь таково, что их разработку, получение, изучение и совершенствование впору величать большой самостоятельной наукой наподобие физики или химии. И хотя бетон сам по себе известен людям шесть тысяч лет, а так называемый современный бетон на основе цемента, – с середины XIX века, до сих пор в этой науке остается много белых пятен. Скажем, есть такое явление, как ползучесть бетона, – медленно нарастающая деформация при постоянном уровне напряжений. Она среди прочего пагубно отражается на долговечности конструкций. Строителям известно немало способов ослабить ползучесть, но действуют они чаще методом перебора составов и испытаний готовых изделий. Да и испытания эти приходится проводить в естественных условиях, а значит – годами. Ведь упомянутый процесс сильно растянут во времени. А можно ли раскрыть секрет ползучести, просто посмотрев на структуру бетона поглубже и повнимательнее?
Франц-Йозеф Ульм на фоне наноиндентора
Они могут объяснить, как происходит ползучесть
Детальное изучение частиц бетона на наноуровне провели Франц-Йозеф Ульм (Franz-Josef Ulm) из Массачусетского технологического института и Матье Вандамм (Matthieu Vandamme) из университета Парижа (Universitй Paris-Est). «Наконец мы можем объяснить, как происходит ползучесть», – заявил Ульм, потративший на «бетонологию» двадцать лет жизни. Оказалось, что этот негативный процесс связан с перераспределением наноразмерных частиц гидросиликата кальция, которые меняют свою плотность упаковки – в одних местах на большую, в других на меньшую. В своих исследованиях ученые использовали наноиндентор. Это устройство позволяет проводить прецизионные измерения прочностных характеристик главного компонента бетона – гранул цементной пасты. Рассматривая их изменение, Ульм и Вандамм смогли за минуты получить данные, которые при традиционном испытании макрообразцов приходилось ждать годами.
Отпечаток наноиндентора на поверхности цементной пасты; большая округлая «капля» в верхней части ямки – случайная пылинка
Грядут невиданные последствия
Исследователи также показали, как известный способ улучшения бетона – добавка силикатного дыма, или конденсированного микрокремнезема – побочного продукта металлургической промышленности – сказывается на структуре состава бетона на все том же микро- и наноуровне. Эти микроскопические частицы встраиваются в пространство между частицами гидросиликата кальция в тех местах, где обычно находятся молекулы воды, тем самым мешая дальнейшему смещению гранул по мере старения конструкции. Ульм и Вандамм при помощи ряда опытов и математических моделей показали, что замедление ползучести влияет на долговечность изделия экспоненциально и что при помощи наноразмерных добавок ползучесть готового бетона под нагрузкой в тех же самых внешних условиях можно снизить еще в 2,6 раза против лучших образцов. А это может иметь невиданные последствия для строительной отрасли и для человечества в целом.
Нынче на самые лучшие из мостов строители вряд ли выдадут гарантию больше чем на 100 лет
Почти что вечный бетон
Как утверждают ученые, саркофаги для ядерных отходов, сделанные из обычного бетона, могут простоять без существенных повреждений лет сто, а из ультравысокоплотного, приготовленного с учетом новых знаний, – до шестнадцати тысяч лет. Какова польза от столь долговечного бетона? Из него можно делать плотины, мосты и каналы, не требующие ремонта или полной переделки буквально столетиями. Уже только это способно существенно сократить негативное воздействие промышленности на окружающую среду. Ведь огромное число сооружений, не требующих, как раньше, замены через 30, 40 или 60 лет, означает сокращение потребности в бетоне. А его сейчас на планете производят в количестве двадцать миллиардов тонн в год, и имеется пятипроцентный ежегодный рост выпуска. При этом данная отрасль генерирует от 5 до 8 процентов от общего выброса парниковых газов в атмосферу.
Помимо прочего «нанобетон» обладает большей прочностью, чем обычный. Следовательно, изделия из него можно делать тоньше. При этом тонкие изделия обычно более чувствительны к ползучести, чем массивные. А ее сейчас можно победить. Это еще один путь сокращения выпуска бетона, а значит, и выбросов парниковых газов. Поскольку работа Ульма и Вандамма велась на средства французской компании Lafarge Group - мирового лидера в области строительных материалов, - есть хороший шанс, что теоретические выкладки ученых не останутся без внимания практиков.
Проницаемый бетон при сопоставимой прочности еще и легче обычного
И дырявый бетон нужен
Как не осталось без внимания и другое изобретение последнего времени – проницаемый бетон (pervious concrete), выпускаемый рядом производителей, в частности, в США. Проницаемый бетон еще и легче обычного, при сопоставимой с ним прочности. Не странно ли, что бетон проницаемый? Ведь обычно бетон стараются сделать как можно более непроницаемым – дольше простоит. Но тут иной принцип. Пропускающие сквозь себя воду бетонные плиты изготавливают из сравнительно крупных и стойких гранул бетона. Они склеиваются между собой так, что между ними остаются многочисленные пустоты и каналы, занимающие 15–25 процентов объема бетона. Эти пустоты и каналы – отличный путь для воды.
В чем практический смысл водопроницаемого бетона? Дело в том, что в городах из-за вездесущего нашествия асфальта и бетона кардинально меняется режим стока дождевых вод, в сравнении с дикой природой. В городе в почву попадает минимум воды, поверхностный сток максимален, да и тот в конце концов уходит по ливневой канализации в реки или моря. Траве и деревьям перепадает минимум влаги, и это одна из причин чахлой растительности. Даже в маленьком городе поверхностный сток достигает 30 процентов, а в лесу – меньше 1 процента. Разница с мегаполисом будет еще существеннее. В лесу вода накапливается в толще грунта, где ее пьют корни деревьев. Но не ходить же в городах по голой земле? Водопроницаемый бетон – одно из возможных решений проблемы.
Сравнение режима стока дождевой воды в городе и на природе; большие стрелки в небе показывают осадки и испарение, пунктирные – поверхностный сток и поток воды в верхнем слое почвы, сплошные стрелки – глубинные потоки вод
И воду пропускает, и траву выращивает
Другой вариант – плиты из обычного бетона, имеющие множество крупных вырезов. Такие плиты во многих местах можно видеть в роли бетонно- травяных автостоянок. Но их не везде положишь. Да и не всегда нужно, чтобы сквозь дорожки пробивалась трава. Пропускающий воду бетон может оказаться более привлекательным решением для автостоянок, а также для различных дорожек и подъездных путей. При этом он еще и экономит средства строителей за счет отказа от сточных труб или уменьшения их числа на участке – пусть вода впитывается грунтом так, как это происходит за городом.
Заметим, что самый обычный бетон тоже неплохо держит влагу, чем и воспользовалась лиссабонская e-studio, когда создавала свой «органический бетон» (betгo orgвnico). Это не новая работа. Образец такого бетона дизайнеры показали публике осенью 2005-го. Но идея актуальна до сих пор. Соединение живого и искусственного в одном флаконе достигнуто интеграцией семян в бетон с небольшими полостями, в которые добавлен грунт. Трава, мол, сама выберет нужную влагу из толщи плиты, если снаружи окажется слишком сухо. Такие плиты могли бы стать еще одним элементом городского дизайна, приближающего бетонные джунгли к природе. Насколько при таком «сплаве» менялись бы прочность и долговечность материала – авторы не сообщили. Но для декора это не существенно. Зато каков эффект!
Обычные решетчатые плиты (вверху) положишь не везде; внизу – пропускающий воду бетон; на врезке – автостоянка из такого бетона
То ли еще будет!
Британским художникам Хизер Экройд (Heather Ackroyd) и Дэну Харви (Dan Harvey) пришлось размазывать по большому зданию тонны почвы, чтобы превратить его в зеленый куб. А, оказывается, модифицировать-то нужно было сам бетон. Думается, на описанных выше достижениях исследователи бетона не остановятся и этот многоликий материал еще не раз даст всем повод для удивления.
Органический бетон
По материалам интернет-журнала MEMBRANA (www.membrana.ru)подготовил Дмитрий ЖУКОВ
Белых пятен еще хватает
Разнообразие сортов бетона теперь таково, что их разработку, получение, изучение и совершенствование впору величать большой самостоятельной наукой наподобие физики или химии. И хотя бетон сам по себе известен людям шесть тысяч лет, а так называемый современный бетон на основе цемента, – с середины XIX века, до сих пор в этой науке остается много белых пятен. Скажем, есть такое явление, как ползучесть бетона, – медленно нарастающая деформация при постоянном уровне напряжений. Она среди прочего пагубно отражается на долговечности конструкций. Строителям известно немало способов ослабить ползучесть, но действуют они чаще методом перебора составов и испытаний готовых изделий. Да и испытания эти приходится проводить в естественных условиях, а значит – годами. Ведь упомянутый процесс сильно растянут во времени. А можно ли раскрыть секрет ползучести, просто посмотрев на структуру бетона поглубже и повнимательнее?
Они могут объяснить, как происходит ползучесть
Детальное изучение частиц бетона на наноуровне провели Франц-Йозеф Ульм (Franz-Josef Ulm) из Массачусетского технологического института и Матье Вандамм (Matthieu Vandamme) из университета Парижа (Universitй Paris-Est). «Наконец мы можем объяснить, как происходит ползучесть», – заявил Ульм, потративший на «бетонологию» двадцать лет жизни. Оказалось, что этот негативный процесс связан с перераспределением наноразмерных частиц гидросиликата кальция, которые меняют свою плотность упаковки – в одних местах на большую, в других на меньшую. В своих исследованиях ученые использовали наноиндентор. Это устройство позволяет проводить прецизионные измерения прочностных характеристик главного компонента бетона – гранул цементной пасты. Рассматривая их изменение, Ульм и Вандамм смогли за минуты получить данные, которые при традиционном испытании макрообразцов приходилось ждать годами.
Грядут невиданные последствия
Исследователи также показали, как известный способ улучшения бетона – добавка силикатного дыма, или конденсированного микрокремнезема – побочного продукта металлургической промышленности – сказывается на структуре состава бетона на все том же микро- и наноуровне. Эти микроскопические частицы встраиваются в пространство между частицами гидросиликата кальция в тех местах, где обычно находятся молекулы воды, тем самым мешая дальнейшему смещению гранул по мере старения конструкции. Ульм и Вандамм при помощи ряда опытов и математических моделей показали, что замедление ползучести влияет на долговечность изделия экспоненциально и что при помощи наноразмерных добавок ползучесть готового бетона под нагрузкой в тех же самых внешних условиях можно снизить еще в 2,6 раза против лучших образцов. А это может иметь невиданные последствия для строительной отрасли и для человечества в целом.
Почти что вечный бетон
Как утверждают ученые, саркофаги для ядерных отходов, сделанные из обычного бетона, могут простоять без существенных повреждений лет сто, а из ультравысокоплотного, приготовленного с учетом новых знаний, – до шестнадцати тысяч лет. Какова польза от столь долговечного бетона? Из него можно делать плотины, мосты и каналы, не требующие ремонта или полной переделки буквально столетиями. Уже только это способно существенно сократить негативное воздействие промышленности на окружающую среду. Ведь огромное число сооружений, не требующих, как раньше, замены через 30, 40 или 60 лет, означает сокращение потребности в бетоне. А его сейчас на планете производят в количестве двадцать миллиардов тонн в год, и имеется пятипроцентный ежегодный рост выпуска. При этом данная отрасль генерирует от 5 до 8 процентов от общего выброса парниковых газов в атмосферу.
Помимо прочего «нанобетон» обладает большей прочностью, чем обычный. Следовательно, изделия из него можно делать тоньше. При этом тонкие изделия обычно более чувствительны к ползучести, чем массивные. А ее сейчас можно победить. Это еще один путь сокращения выпуска бетона, а значит, и выбросов парниковых газов. Поскольку работа Ульма и Вандамма велась на средства французской компании Lafarge Group - мирового лидера в области строительных материалов, - есть хороший шанс, что теоретические выкладки ученых не останутся без внимания практиков.
И дырявый бетон нужен
Как не осталось без внимания и другое изобретение последнего времени – проницаемый бетон (pervious concrete), выпускаемый рядом производителей, в частности, в США. Проницаемый бетон еще и легче обычного, при сопоставимой с ним прочности. Не странно ли, что бетон проницаемый? Ведь обычно бетон стараются сделать как можно более непроницаемым – дольше простоит. Но тут иной принцип. Пропускающие сквозь себя воду бетонные плиты изготавливают из сравнительно крупных и стойких гранул бетона. Они склеиваются между собой так, что между ними остаются многочисленные пустоты и каналы, занимающие 15–25 процентов объема бетона. Эти пустоты и каналы – отличный путь для воды.
В чем практический смысл водопроницаемого бетона? Дело в том, что в городах из-за вездесущего нашествия асфальта и бетона кардинально меняется режим стока дождевых вод, в сравнении с дикой природой. В городе в почву попадает минимум воды, поверхностный сток максимален, да и тот в конце концов уходит по ливневой канализации в реки или моря. Траве и деревьям перепадает минимум влаги, и это одна из причин чахлой растительности. Даже в маленьком городе поверхностный сток достигает 30 процентов, а в лесу – меньше 1 процента. Разница с мегаполисом будет еще существеннее. В лесу вода накапливается в толще грунта, где ее пьют корни деревьев. Но не ходить же в городах по голой земле? Водопроницаемый бетон – одно из возможных решений проблемы.
И воду пропускает, и траву выращивает
Другой вариант – плиты из обычного бетона, имеющие множество крупных вырезов. Такие плиты во многих местах можно видеть в роли бетонно- травяных автостоянок. Но их не везде положишь. Да и не всегда нужно, чтобы сквозь дорожки пробивалась трава. Пропускающий воду бетон может оказаться более привлекательным решением для автостоянок, а также для различных дорожек и подъездных путей. При этом он еще и экономит средства строителей за счет отказа от сточных труб или уменьшения их числа на участке – пусть вода впитывается грунтом так, как это происходит за городом.
Заметим, что самый обычный бетон тоже неплохо держит влагу, чем и воспользовалась лиссабонская e-studio, когда создавала свой «органический бетон» (betгo orgвnico). Это не новая работа. Образец такого бетона дизайнеры показали публике осенью 2005-го. Но идея актуальна до сих пор. Соединение живого и искусственного в одном флаконе достигнуто интеграцией семян в бетон с небольшими полостями, в которые добавлен грунт. Трава, мол, сама выберет нужную влагу из толщи плиты, если снаружи окажется слишком сухо. Такие плиты могли бы стать еще одним элементом городского дизайна, приближающего бетонные джунгли к природе. Насколько при таком «сплаве» менялись бы прочность и долговечность материала – авторы не сообщили. Но для декора это не существенно. Зато каков эффект!
То ли еще будет!
Британским художникам Хизер Экройд (Heather Ackroyd) и Дэну Харви (Dan Harvey) пришлось размазывать по большому зданию тонны почвы, чтобы превратить его в зеленый куб. А, оказывается, модифицировать-то нужно было сам бетон. Думается, на описанных выше достижениях исследователи бетона не остановятся и этот многоликий материал еще не раз даст всем повод для удивления.
По материалам интернет-журнала MEMBRANA (www.membrana.ru)подготовил Дмитрий ЖУКОВ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 27 за 2009 год в рубрике материалы и технологии
