Самовосстанавливающийся бетон: Технология получения и свойства

Бетон используется в качестве строительного материала уже более четырёх тысячелетий и на данный момент, за счет своих прочностных свойств и дешевизны производства, является одним из наиболее распространенных стройматериалов в мире. С помощью бетона можно производить строительство различных конструкций и сооружений в достаточно короткие сроки. И разумеется, в строительной деятельности всегда актуален вопрос об увеличении эксплуатационного срока сооружений.

На сегодняшний день основной проблемой использования бетона является нарушение его структуры в процессе разного рода механических и физических воздействий, что влечет за особой образование различного рода трещин, которые являются прямым путем для попадания в материал влаги.

Используемые в настоящий момент времени методы по устранению трещин не очень эффективны. Они требуют существенных временных, трудовых и денежных затрат. Также стоит вопрос о своевременном обнаружении этих самых трещин или их доступности для ремонтно-восстановительных работ. Одним из направлений исследований, позволяющих решить данную проблему, является применение самовосстанавливающегося эластичного бетона.

Самовосстанавливающийся бетон - инновационный строительный материал, способный решить все эти проблемы. Технология самовосстановления позволяет добиться повышения прочностных характеристик бетонной конструкции, а также предотвращения коррозии армирующих элементов. Самовосстанавливающийся бетон обладает способностью к регенерации, что позволяет достигнуть повышенной устойчивости к трещинообразованию.

Идея самовосстанавливающегося бетона имеет довольно давнюю историю, и несколько ученых и инженеров в разное время (По большей части в течение 20-го века) внесли свой вклад в его развитие. Однако одним из первых, кто серьезно исследовал и предложил концепцию самовосстанавливающегося бетона, был инженер-химик Джон Йонг из США. В 1988 году он опубликовал статью в журнале "Cement and Concrete Research", в которой рассматривал возможность использования бактерий в бетоне для заполнения трещин и восстановления его целостности.

Важным вкладом в развитие самовосстанавливающегося бетона стали исследования, проведенные в 1990-х годах в Нидерландах под руководством профессора. Хэнк Йонкерс из университета в Делфте был руководителем команды, которая провела серию экспериментов, включая использование специальных бактерий, способных производить карбонат кальция при взаимодействии с влагой. Этот процесс приводил к автоматическому восстановлению бетона.

Бетон с добавлением бактерий-реставраторов – самозалечивающийся эластичный бетон, который был создан Хэнком Йонкерсом и на данный момент является наиболее перспективной из всех разработок самозалечивающихся бетонов. Разработка все же пока является неоконченной и требует усовершенствований, но уже сейчас показывает хорошие результаты. Суть метода заключается в добавлении сульфатредуцирующих бактерий в бетонную смесь. При попадании влаги через трещины бактерии начинают размножаться, образуя кальцит (известняк). Как раз таки известняк играет важную роль в укреплении материала. В лабораторных условиях бактерии успешно заживляли трещины шириной до 0,5 миллиметров. Этот научный прорыв способствует увеличению долговечности бетонных конструкций и предотвращению коррозии арматуры в железобетоне.

Микроорганизмы, применяемые в бетонах с автовосстановлением, имеют важное значение в процессе восстановления целостности бетонной конструкции при появлении трещин.

Самыми перспективными бактериальными препаратами являются те, которые способны выжить в разнообразных экстремальных условиях окружающей среды, таких как изменения температуры, минерализации, уровня рН и концентрации кислорода. оказались редкие алкалофильные разновидности микроорганизмов из семейства бацилл Bacillus Subtilis и Sporosarcina pasteurii.

Bacillus subtilis и Sporosarcina pasteurii — это грамположительные, образующие споры внутри клеток палочковидные микроорганизмы, которые обитают в различных природных средах, таких как почва и вода. Важное достоинство этих бактерий – это способность к образованию биоминералов, что означает умение использование элементов окружающей среды для формирования минеральных осадков.

Бактерии вида BacillusSubtilis и Sporosarcina pasteurii не несут опасность и вред для человека - даже если они попадут в организм, то будут во всех отношениях безопасны. Они могут выживать в различных условиях окружающей среды и не оказывают вредного воздействия на здоровье людей или окружающую среду.

В ходе исследования выбранные бактерии показали отличные результаты жизнеспособности: находясь в бетоне, они могут в течение 200 лет оставаться в своего рода «спящем» состоянии, начиная активизироваться только при попадании в них кислорода или воды.

Для производства известняка необходимо было обеспечить бактерии питательными веществами. После множества вариантов в качестве источника питания был выбран лактат кальция – материал, который служит одним из компонентов известняка. Это белый порошок, состоящий из кальциевой соли молочной кислоты, который легко растворяется в теплой воде. Химическая формула - 2(C3H5O3)Ca. Вдобавок, основой для их развития являются дрожжевой экстракт и мочевина.

Самовосстанавливающиеся бетоны на основе бактерий производят по такому принципу:

1. Лактат кальция вместе с бактериями помещается в капсулы из биоразлагаемого пластика диаметром 2–4 мм.

2. С помощью химически активных добавок эти капсулы внедряются в бетонную смесь.

3. При нормальных условиях использования капсулы сохраняют свою целостность, и бактерии находятся в состоянии анабиоза. Однако при появлении микротрещин структура капсул нарушается, что приводит к попаданию влаги к бактериям и выводит их из анабиоза, активируя их.

4. Затем наступает быстрый рост численности населения, потребляющего кальций лактата. Бактерии выделяют известняк как продукт своей жизнедеятельности, который затем заполняет микротрещины.

На рисунке представлены химические реакции, представляющие процесс самовосстановления:

Происходит реакция ионов кальция с диоксидом углерода или гидрокарбонатом, в результате образуется растворенный в воде карбонат кальция. Скорость образования кристаллов в трещине зависит от её размеров и не зависит от специфического состава или типа воды.

На рисунке представлен процесс восстановления трещины:

Оценка характеристик, свойств и применимости самовосстанавливающегося бетона в различных строительных проектах зависит от проведения испытаний. Важную роль играют основные виды испытаний, которые обычно используются для оценки качества данного материала:

· Испытания текучести и распределения:

Одним из главных свойств самовосстанавливающегося бетона является его способность равномерно распределиться и заполнить форму или опалубку без необходимости приложения внешних усилий. Испытания текучести помогают определить, насколько легко бетон распределяется и заполняет пространство, а также позволяют оценить его потенциал для самовосстановления.

· Испытания прочности:

Прочностные испытания включают в себя определение сжимающей и изгибной прочности самовосстанавливающегося бетона. Эти испытания помогают оценить его способность выдерживать нагрузки и предсказать его поведение в условиях реального эксплуатационного воздействия.

· Испытания на самовосстановление:

Для оценки самовосстанавливающихся свойств бетона проводятся специальные испытания, включая циклы нагрузки-разгрузки, трещиностойкость и испытания на циклическую устойчивость. Эти испытания помогают определить способность бетона к восстановлению своей структуры после возникновения трещин и повреждений.

· Испытания на устойчивость к агрессивной среде:

Самовосстанавливающийся бетон также подвергается испытаниям на устойчивость к агрессивным средам, таким как химические реагенты, морская вода, циклические морозо-таяния и т. д. Эти испытания помогают оценить его долговечность и устойчивость в различных условиях эксплуатации.

· Испытания на устойчивость к ультрафиолетовому излучению и атмосферным условиям:

Самовосстанавливающийся бетон проходит испытания на устойчивость к ультрафиолетовому излучению, атмосферным условиям и другим внешним воздействиям, чтобы определить его способность сохранять свои характеристики и внешний вид на протяжении длительного времени эксплуатации.

Эти и многие другие испытания помогают инженерам и строителям оценить качество и надежность самовосстанавливающегося бетона, а также его пригодность для конкретных строительных проектов. Полученные в результате испытаний данные позволяют принимать обоснованные решения относительно выбора материала и его оптимального использования в конструкции.

Ученые из Технологического университета Делфта во главе с Хэнком Йонкерсом провели испытания биобетона. Для подтверждения гипотезы об использовании бактерий был проведен ряд экспериментальных исследований, сравнивающих характеристики обычного бетона и бетона с уникальными добавками, способными обеспечить самовосстановление.

Прежде чем приступить к испытаниям на самовосстановление, необходимо было определить прочность на сжатие группы контрольных образцов, чтобы определить усилие, необходимое для образования микротрещин в бетонных образцах. Пробная группа образцов была протестирована до разрушения, при этом среднее усилие сжатия составило 23,7 МПа. В образцах бетона с внедренными бактериями микротрещины, обнаруженные с помощью микроконтроллерной системы оборудования, появились при приложении 90% усилия, равного 21,2МПа. Это было усилие, приложенное для предварительного повреждения образцов перед их склеиванием. Затем эти образцы были протестированы на разрушение через 7, 28, 56 и 63 дня после заживления. Группа контрольных образцов, содержащих бетон без бактерий, также была повреждена и протестирована через те же промежутки времени после заживления.

Бетон, содержащий бактерии, демонстрирует увеличение прочности на сжатие всего через 7 дней после заживления, что на данном этапе приводит к повышению эффективности заживления примерно на 10%. При сравнении результатов с контрольными образцами становится предельно ясно, что увеличение прочности вызвано присутствием бактерий в керамзите. Образцы без бактерий, демонстрируют некоторое улучшение механической прочности с 7 по 28 день, что ожидается при нормальном процессе гидратации бетона, с последующим сохранением практически постоянной прочности по истечении этого периода.

Максимальное восстановление прочности, как и ожидалось, достигается на более позднем этапе, через 63 дня. Эти результаты подтверждают, что присутствие бактерий действительно может способствовать восстановлению прочности бетона после его повреждения. Эффективность заживления через 63 дня достигает почти 40%, что указывает на то, что самовосстанавливающиеся образцы демонстрируют длительную гидратацию, чему способствует наличие бактериальной активности.

Подвергаемые испытанию образцы хорошо показали в себя в ходе практических исследований, не разрушились даже при достаточно больших изгибах, а после снятия нагрузки бетон начал процесс самовосстановления.

Ученые внимательно изучили зависимость образования карбонатных соединений и пришли к выводу, что заполнение трещин продуктами жизнедеятельности бактерий происходит по всему объему образца бетона. Для трещин шириной раскрытия 0,05–0,5 мм коэффициент заполнения составил 70–100 %. Однако, несмотря на достаточно равномерное образование метаболитов по всему объему образца, полное заполнение в основном осуществлялось для трещин не более 0,5 мм. Подобная биогенная обработка бетонной смеси также помогла снизить водопроницаемость за счет производства бактериями слоя кальцита, заполняющего поры.

Благодаря проведенным экспериментам, открывается возможность применения данной технологии на промышленном уровне, в этой связи проводится анализ технико-экономических показателей для определения стоимости материала.

Стоимость биобетона в значительной степени (~ в 2 раза) выше стоимости обычного, что уменьшает возможность массового использования при строительстве. Своевременное предотвращение трещин очень важно для любых зданий и сооружений. Необходимы разработки, позволяющие снизить себестоимость данного продукта.

После проведения всех испытаний и оценок можно сформулировать основные преимущества и проблемы применения самовосстанавливающегося бетона при возведении различных сооружений.

Достоинства:

· Самовосстановление:

Одним из основных преимуществ самовосстанавливающегося бетона является его способность самостоятельно заполнять трещины и восстанавливать свою целостность без внешнего вмешательства. Это позволяет увеличить долговечность бетонных конструкций и снизить необходимость в регулярном обслуживании и ремонте.

· Улучшенная долговечность:

Благодаря способности к самовосстановлению самовосстанавливающийся бетон обладает повышенной стойкостью к механическим повреждениям, таким как трещины и сколы. Это делает его особенно полезным для использования в условиях высокой нагрузки и интенсивного эксплуатационного воздействия.

· Снижение затрат на обслуживание:

Использование самовосстанавливающегося бетона позволяет сократить затраты на ремонт и обслуживание бетонных конструкций за счет уменьшения необходимости в регулярном вмешательстве для заполнения трещин и восстановления повреждений.

· Экологическая эффективность:

Самовосстанавливающийся бетон может быть изготовлен с использованием экологически чистых материалов и технологий, что способствует снижению негативного воздействия на окружающую среду и улучшению экологической устойчивости строительных проектов.

Недостатки:

· Высокие затраты на производство:

Производство самовосстанавливающегося бетона требует использования специальных добавок и технологий, что может повлечь за собой увеличение затрат на строительство. Это может стать препятствием для его широкого распространения и применения.

· Ограниченные возможности применения:

Самовосстанавливающийся бетон имеет определенные ограничения в применении, особенно в условиях сильного воздействия агрессивных химических веществ или высоких температур. Это может ограничить его применимость в некоторых строительных проектах.

· Необходимость в специализированных знаниях:

Использование самовосстанавливающегося бетона требует специализированных знаний и навыков для правильного подбора состава и технологии его применения. Неправильное использование может привести к нежелательным последствиям и снизить эффективность материала.

Самовосстанавливающийся бетон имеет широкий спектр областей применения благодаря своим уникальным свойствам.

Впервые самовосстанавливающийся бетон был использован при строительстве спасательной станции на озере в Нидерландах. Тест на прототипе дал положительный результат.

В Нидерландах был построен мост «Zeelandbrug» с использованием самовосстанавливающегося бетона. Этот мост является одним из самых длинных мостов в Нидерландах и используется для автомобильного и пешеходного движения. Применение самовосстанавливающегося бетона позволило увеличить долговечность мостовой конструкции и снизить затраты на обслуживание.

В Токио, Япония, нашли применение технологии самовосстанавливающегося бетона при строительстве многоэтажного офисного здания. Использование инновационного стройматериала позволило ускорить процесс строительства и обеспечить высокое качество отделки бетонных поверхностей, что было особенно важно для создания современного архитектурного облика здания.

В Германии в рамках строительства метрополитена в городе Мюнхен был использован самовосстанавливающийся бетон для заливки тоннелей и подземных станций. Это позволило снизить время строительства, улучшить качество бетонных конструкций и обеспечить безопасность и надежность метрополитена.

В Швеции самовосстанавливающийся бетон используется для строительства бетонных конструкций в рамках экологических проектов по восстановлению рек и водоемов. Это позволяет создавать биологически активные и устойчивые к воздействию окружающей среды бетонные сооружения.

Эти примеры демонстрируют разнообразные области применения самовосстанавливающегося бетона и его успешное использование в различных строительных проектах по всему миру. Все эти конструкции на данный момент успешно эксплуатируются.

Самовосстанавливающийся бетон — это перспективная технология, которая может революционизировать строительство и техническое обслуживание. Хотя она еще находится в стадии разработки, ее потенциал для повышения долговечности, сокращения затрат и улучшения безопасности делает ее многообещающим решением для широкого спектра применений.

У бетона такого вида огромные перспективы, но на сегодняшний день он не получил массового применения из-за высокой себестоимости. Однако это направление развивается мелкими, но быстрыми шагами, и вполне вероятно, что в будущем эта технология получит широкое распространение. Это позволит сооружать прочные и надежные конструкции, которые будут служить веками.

Применение самовосстанавливающегося бетона обеспечивает сохранение несущей способности бетонных и железобетонных конструкций через сохранение целостности конструкции при появлении микротрещин. В свою очередь это позволяет в значительной степени увеличить срок эксплуатации здания и снизить затраты на его обслуживание и ремонт. Также определено, что самовосстанавливающийся бетон с включением бактерий Bacillus subtilis способствует минимальному выбросу углеводорода при производстве смеси и, как результат, снижению уровня экологического загрязнения.

Таким образом, возможность применения инновационных бетонов положит начало новой эпохи строительства и расширения сферы применения таких материалов. Самовосстанавливающийся бетон имеет больше преимуществ, чем недостаток и является материалом будущего. Новая разработка — это, по сути, соединение природы и искусственного материала в одном целом.

1. Акарачкин С.А. Самовосстанавливающиеся материалы // Решетневские чтения. - 2014. - Т 3, № 1. - С. 329-330.

2. Аксенова С.М., Бабаян А.Д. Самовосстанавливающийся бетон: свойства и технология работы // Технологии строительства. - 2019. - № 2. - С. 28-34.

3. Аль Д.С.Д.С. Самовосстанавливающиеся бетоны, модифицированные микробиологической добавкой: дис. д-р. / канд. техн. наук наук: 05.23.05. - М., 2019. - 310 с.

4. Ерофеев В.Т., Аль Д.С.Д.С., Смирнов В.Ф. Бактерии для получения самовосстанавливающихся бетонов // Транспортные сооружения. - 2018. - №4. - С. 7-20.

5. Ерофеев В.Т., Аль Д.С.Д.С., Фомичев В.Т. Химические аспекты процесса устранения трещин бетона с помощью бактерий // Транспортные сооружения. - 2018. - №№ 3.. - С. 21-30.

6. Жукова Г.Г., Сайфулина А.И. Исследование применения самовосстанавливающегося бетона // Construction and Geotechnics. – 2020. – Т. 11, № 4. – С. 58–68.

7. Ковалев Я.Н., Галузо Г.С., Змачинский А.Э., Чистова Т.А. Строительные материалы. Лабораторный практикум. - 1 изд. - Минск: НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 633 с.

8. Кодзоев М.-Б.Х., Исаченко С.Л. Самовосстанавливающийся бетон // Бюллетень науки и практики. - 2018. - Т. 4, № 4. - С. 287-290.

9. Колчина Т.О. Биобетон – новое поколение самовосстанавливающихся бетонов // Безопасный и комфортный город. - 2018. - №10. - С. 102-105.

10. Пшеничный Г.Н. Строительные материалы и технологии: активированные бетоны: учебное пособие для вузов. - 2-е изд. изд. - М.: Юрайт, 2022. - 224 с.

11. Ситников Н.Н., Хабибуллина И.А., Мащенко В.И., Ризаханов Р.Н. Оценка перспектив применения самовосстанавливающихся материалов и технологий на их основе // Перспективные материалы. - 2018. - №2. - С. 5-16.

12. Ткач Е.В., Семенов В.С., Ткач С.А. Высокоэффективные модифицированные гидрофобизированные бетоны с улучшенными физико-техническими свойствами // Бетон и железобетон. - 2014. - №5. - С. 113-123.

13. Чернышев Е.М. О требованиях к наномодифицирующим добавкам для высокопрочных цементных бетонов // Нанотехнологии в строительстве. - 2009. - №2. - С. 42-29.

14. Яклашкин В.Н., Хасаншина Р.Р., Пыркин А.Ф., Люкшенкова Е.В. Самовосстанавливающийся бетон в железобетонных конструкциях // Молодой ученый. - 2023. - №28. - С. 29-31.

15. Ян E.H. Придание дополнительных свойств цементным смесям // Строительные материалы. - 2015. - №12. - С. 26-32.

16. Бекас Г.Д., Цирка К., Балтзис Д. Материалы для самолечения: обзор достижений в области материалов, оценка, характеристика и методы мониторинга // Композиты. – 2016. – № 87. – С. 92–119.

17. Де Роой, Тайтлбум К., Бели Н.Д. Самовосстановление в цементных материалах // Строительство. - 2013. - №5. - С. 297.

18. Йоханнессон М.Б., Гейкер М. Cамовосстановление в вяжущих веществах и композитах // Строительные материалы. - 2012. - №28. - С. 67-83.

19. Ли Ю.Ю., Бакстон Г.А., Балаш А.С. Использование наночастиц для создания композитов // Журнал химической физики. – 2004. – № 11. – С. 5531–5540.

20. Шок Д., Тайтбум К.В., Степирайт С. Самовосстанавливающиеся вяжущие материалы с добавлением микроволокна и сверхабсорбирующих полимеров // Журнал интеллектуальных материальных систем и структур. – 2014. – Т. 25. – С. 13–24.

21. Эдвардсен С. Водопроницаемость и автогенное заживление трещин в бетоне // Журнал материалов. - 1996. - №4. - С. 448-454.

22. Ян Ю., Урбан М. Химические и физические аспекты самовосстанавливающихся материалов // Прогресс в полимерной науке. – 2015. – № 20. – С. 34–59.

23. Голландский микробиолог разработал самовосстанавливающийся бетон // Хабр URL: https://habr.com/ru/articles/367081/ (дата обращения: 02.04.2024).

24. Самовосстанавливающийся эластичный бетон: виды, преимущества и недостатки // Betonpedia.ru URL: https://betonpedia.ru/samovosstanavlivayushhijsya-beton (дата обращения: 02.04.2024).

25. Самовосстанавливающийся бетон // Building-Tech URL: https://building-tech.org/samovosstanavlivajushhijsja-beton/ (дата обращения: 04.05.2024).