Иновативни бетони

Последните деситилетия са белязани от изключителен напредък в разработването на нови продукти в бетоновата индустрия. Изследователи в университетските лаборатории непрекъснато експериментират с иновативни решения, с които далеч надхвърлят характеристиките на конвенционалните бетони. А някои от тях вече намират приложение и в практиката. Говори се вече за бетони със свръх якости, бетони, които могат да се самовъзстановяват, пластични бетони и такива с изявени дуктилни качества – нещо, което противоречи на крехката природа на конвенционалния бетон. В настоящата статия ще разгледаме някои иновативни примери, някои от които вече част от практиката, други все още не са се наложили, но експертите виждат в тях материала на бъдещето.

Бетонът е един от най-използваните материали в строителството, а историята му е хилядолетна. Още древните римляни са използвали бетон за изграждане на инфраструктура – пример за това са впечатляващи от това време акведукти, емблематичният Пантеон, чийто купол в продължение на векове е най-големият в света, изграден от неармиран бетон. От тогава до сега съставът на бетона се е променял и днес има изключително разнообразие от бетони с различен състав, подходящи за различни приложения и условия. В статията ще разгледаме някои иновативни разработки в производството на бетон, които повишават устойчивостта на материала, издръжливостта при екстремни натоварвания и агресивни среди, намаляват въглеродния отпечатък и т.н. Има различни специални бетони, които се прилагат в области, където се изискват както здравина и устойчивост, така и някои други изисквания като естетика, ефективност, специфични изолационни свойства, икономическа изгодност. Иновативните бетони, които ще разгледаме в статията, се отличават от конвенционалните по своя състав, структура и експлоатационни характеристики.

Свръх високоякостен бетон
Една от основните величини, определящи характериситките на бетона, е неговата якост на натиск. Конвенционалните бетони са с клас на якост на натиск 50-80 MPa. Отдавна съществува тенденцията да се разработват и прилагат в практиката бетони с по-високи якости, т. нар. високоякостни бетони – 100 MPa. Когато якостта надвишава 100 MPa, това супер високоякостни бетони - Ultra-High Performance Concrete (UHPC). Освен високата си якост (150-250 Mpa якост на натиск и 30-50 Mpa – якост на опън), този бетон се характеризира и с висока устойчивост на въздействията на околната среда и агресивни среди. Много високата якост се дължи както на влаганите цимент и добавъчни материали с висока якост, така и на силно уплътнената структура, която се постига с активни минерални добавки и суперпластификатори. За производството на свръх якостен бетон се използва портландцимент с якост над 55 Mpa. Активните минерални добавки са най-често микросилициев прах, пепел от ТЕЦ, метакаолин и др. те служат за уплътняване на структурата и образуване на допълнителни калциеви хидросиликати. В практиката се използва и свръх якостен бетон с добавени стоманени и полимерни влакна, с което се цели дуктилност и повишена огнеустойчивост на крайния продукт. За производството на този бетон се прилагат различни математически модели, с които се цели строго определено групиране на частиците, така че да се получи уплътняване на структурата, което също е в основата на високите якостни свойства.

Използването на свръх високоякостен бетон в практиката позволява изграждането на конструкции и съоръжения с големи отвори, прилага се за отговорни конструктивни елементи, като шайби, колони, плочи в небостъргачи. В инфраструктурни съоръжения – мостове, тунели, нефтени платформи. За съоръжения в агресивни среди и резервоари за съхранение на химически вещества. Свойствата на материала позволяват нови архитектурни и конструктивни решения в строителството на сгради и съоръжения.

Самоуплътняващи се бетони
Самоуплътняващият се бетон представлява суперпластична смес, която не се разслоява и се уплътнява под влиние на собственото тегло. Така изпълва изцяло формата, дори при голям процент на армиране. Самоуплътняващ се бетон се използва главни при силно армирани конструкции. Основно качество е сцеплението на сместа с армировката в стоманобетонните конструкции, което се дължи на хомогенността. Липсва сегрегация, а водоотделянето в процеса на втвърдяване е минимално. В основата на този тип бетони е влагането на суперпластификатори, които увеличават подвижността на и хомогенността на бетона. В същото време – запазват качествата му. Предимствата от използването на самоуплътняващ се бетон са свързани с намаляване времето за полагане, улеснено запълване на кофражните форми, особено в труднодостъпни места, елиминира се шума от вибрациите при уплътняване, увеличено отворено допустимо време за работа, в резултат – по-дълги разстояние между производствената площадка и строителния обект, и др.

Самопочистващ се бетон
С оглед на опазване на околната среда и прилагане принципите на устойчиво строителство, все повече се търсят решения, които намаляват вредното въздействие в атмосфарата. Подобни разработки целят създаването на самопочистващи се материали. При бетона самопочистващите се свойства се индуцират чрез въвеждане на фотокаталитични материали като титаниев оксид (TiO2) и цинков оксид (ZnO). Самопочистващият се бетон, който съдържа тези фотокаталитични материали, ще бъде подхранван от ултравиолетово (UV) лъчение и ще ускори разграждането на органични частици. По този начин може да се поддържа чистотата на строителните повърхности и да се намали замърсяването на въздуха.

Самовъзстановяващ се бетон
Всеки един бетон пукнатинообразува. След изливана на бетонната смес бетонът започва да се втвърдява и да губи част от водата. Започва процес на свиване и вътрешни напрежения, в резултат на които се образуват пукнатини. Често тези пукнатини са незабележими. Те не са конструктивни и причина за тях не е външното натоварване. Въпреки че образуването на пукнатини не води неминуемо до снижаване качествата на бетон, появата им е нежелана и трябва да се предотврати/намали. Науката се развива и се наблюдава стремежът към създаване на композитни материали, при които пукнатинообразуването се ограничава. Една иновативна разработка в областта е създаването на бетон, който има способността да самовъзстановява пукнатините. За да се постигне това в сместа се добавя по-голямо количество свързващо вещество, което има за цел, при пукнатинообразуване, да активира отново хидратацията на цимента. Друг начин за постигане на самовъзстановяване е влагането на специални бактерии, капсули, които активират хидратация на цимента. Така в района на пукнатината бетонът се „размеква“, абсорбирайки влагата от въздуха, започва да набъбва и запълва пукнатината.

Използване на програмируем цимент
Бетонът е сред най-използваните в съвременния живот материали. Също така, циментът е отговорен за около 5% от емисиите на въглероден двуокис в света. Изследвания показват, че бетонът всъщност може да компенсира 43% от въглеродните емисии, отделяни при производство, ако се намали количеството на цимента. Отговорът може да се намери в откритието на учените от университета Райс, САЩ, които са намерили начин да „програмират“ циментовите частици в определени форми, за да направят бетон, който е по-силен, по-малко порьозен и по-екологичен. За целите на своето изследване учените разглеждат в нано мащаб структурата на цимента и начина, по който се образуват калциевите хидросиликати (C-S-H). Базирайки се на това те изкуствено създават калциево-силикатни кристали в точно определени форми, така че да могат да се групират и уплътнят по-добре. Крайният резултат е бетон, който отблъсква водата, вместо да я задържа в обема си.

Прозрачен бетон
Наричат се така, защото материалът има светлопропускливост около 20% и през него могат да се видят отделни контури и цветни силуети. Това става само в случай, че се осветява. За постигане на това свойство в бетонната смес се влагат фиброоптични влакна от строително стъкло, които осигуряват светопредаването, или пластични смоли, на които се дължи фината решетъчна структура на крайния продукт - осеян с множество милиметрови дупчици, които пропускат светлината и в двете посоки. Стъклените влакна, които се влагат, обикновено са с диаметър от 2 микрона до 2mm, и съставляват около 5% от общото тегло на материала. Светлопропускливите съставки не оказват влияние върху здравината или звукоизолационните характеристики на материала, а това му позволява да притежава всички свойства на стандартния бетон. Тъй като циментът не е отговрен за предаване на светлината, няма изисквания към специален вид цимент - използва се обикновен портланд цимент.

3D бетониране
Триизмерният печат или 3D печатът е технология за печат (изработка) на твърд предмет с произволна форма, с помощта на цифров модел. Порцесът протича с последователно нанасяне на слоеве от материал до оформяне на желания предмет. Първият триизмерен принтер е създаден през 1984 г., а в наши дни материалите, които се използват за печат, не се ограничават само до пластмаса и метал. Последните разработки в областта на 3D печата на бетон показват, че има потенциал за бързо изграждане дори на малки жилища. използва "мастило", направено от смес от бетон и материал от стъклени влакна. Разбира се, тази иновативна технология няма да измести конвенционалните методи на строителство в близък план, но има някои неоспорими предимства, като бързина на изграждане и възможностите за по-сложни архитектурни форми и обеми. Друго предимство е, че не се хаби почти никакъв материал в процеса на изграждане, което прави технологията икономична и природосъобразна. Недостатък е изискването за прекалено голям принтер. Но някои от тях се предлагат и във вариант да бъдат преносими, което позволява изграждането на постройки на различни места с използването само на една машина.