Российские инженеры создали экобетон повышенной прочности, который поможет увеличить темпы строительства в 4 раза

Техногенная катастрофа 21 века

В апреле 2013 года в городе Савар в Бангладеш случилось второе по количеству жертв обрушение здания в современной истории (первое – башни Всемирного торгового центра в США). В результате катастрофы погибшими числятся 1134 человека. Десятки извлечённых из-под завала неопознанных тел были похоронены в общих могилах без идентификации личностей.

Здание Рана-Плаза имело восемь этажей. Здесь располагались предприятия по пошиву одежды, магазины и банк. За день до обрушения, 23 апреля, местные жители заметили, что фасад покрылся крупными трещинами. Людей решили эвакуировать. Отделение банка и почти все магазины Рана-Плазы, находящиеся на нижних этажах, опустели. Однако некоторые предприятия на верхних этажах не подчинились приказу и продолжили работу.

Читайте также:

Вы в безопасности: российские учёные снизят риск производственного травматизма с помощью нейросети

Наступило 24 апреля. В утренний час пик здание обрушилось, уцелел только первый этаж. Женщина по имени Бьюти вспоминает, что утром в день трагедии пропало электричество. «Когда механик запустил генератор, здание тяжело задрожало, и колонны внутри начали складываться. Обломки от колонн ударили меня по ноге. Я бы, вероятно, не выжила, если бы не этот удар. Это был знак. Я закричала и побежала в сторону выхода», – рассказала Бьюти. Из трёх выходов из здания был доступен лишь один – и даже он был перегорожен. «Мне пришлось ударить охранника, чтобы пробиться. Я взглянула назад и увидела, как фабрика обрушивается».

На другом этаже Роксана услышала громкий шум и побежала, но, по её словам, здание обрушилось за один миг. Заваленная обломками женщина потеряла сознание и пришла в себя через несколько часов. Она нашла телефон, но не смогла по нему позвонить. «Подо мной было тело девочки, кровь из её ушей и носа была размазана по моему лицу и по спине. Моя спина была насквозь мокрая от этого», – вспоминает Роксана.

Рядом с девушкой под завалами оказались ещё трое молодых людей, а её колено было пронзено арматурой. «Я не чувствовала боли, мне казалось, что я сплю. И ничего не было слышно. Я то теряла сознание, то приходила в себя. Ожидание желанной смерти держало меня в живых два дня под завалами», – добавляет Роксана.

На третий день спасатели смогли пробурить дыру и достали выживших. Всего поисково-спасательные работы продолжались более двух недель. Из-под завала достали около 2500 человек. Причин катастрофы несколько: здание по закону должно было быть четырёхэтажным; сотни людей пренебрежительно отнеслись к приказам об эвакуации (или не покидать рабочие места их заставил начальник); но главное – во время строительства Рана-Плаза использовались недолговечные материалы.

Фото: Andrew Biraj / Reuters

Утраченный материал

Бетон – материал очень древний. Его использовали ещё более 4000 лет назад, особенно широко – в Древнем Риме в массовом строительстве общественных зданий и сооружений, включая Пантеон. Купол «храма всех богов» выполнен из неармированного бетона (не укреплён арматурой) и до сих пор является самым крупным из подобных в мире.

Если в западной части Рима бетон был в ходу, то в восточной части государства материалом пользовались редко. Там в строительстве использовался камень, а позднее дешёвая плинфа – род кирпича.

Вследствие упадка Западной Римской империи постройка монументальных сооружений прекратилась, что сделало использование бетона нецелесообразным. Деградация ремесла и науки привела к утрате технологии производства материала. В период же раннего Средневековья все крупные постройки, например, соборы, возводились из природного камня.

Бетон, который продаётся в строительных магазинах сейчас, получил распространение ближе к 19 веку, когда появились первые патенты на материал.

Фото: pixabay.com

Как укрепляли бетон

Почему древнеримские постройки сохраняют целостность веками, а современные здания и дороги ветшают через несколько десятков лет? Секрет такой безвременной прочности долго оставался загадкой для учёных.

Несколько лет назад профессор из Университета Юты Мари Джексон и её коллеги сумели распознать механизм, который с течением времени ведёт к укреплению древнеримского бетона. Они выяснили, что два тысячелетия назад архитектор Марк Витрувий использовал строительную смесь, состоящую из вулканического пепла, извести, морской воды и твёрдых вулканических пород. Состав помещался в деревянную форму и дополнительно погружался в солёную воду. О том, как ведёт себя такой бетон со временем, учёные узнали из кернов, высверленных в древних бетонных строениях гавани Поццуоли в Неаполе.

Анализ образцов показал, что морская вода со временем вымывала из бетонной смеси микрочастицы вулканической пыли. Но это не разрушало, а укрепляло бетон, освобождая пространство для роста минералов. Спустя десятилетия он заполнялся кристаллами тоберморита. Редкий минерал может формироваться и в современном бетоне, но, если в нём мало пустот, лишь в небольших количествах.

Роль тоберморита в усилении бетона была известна и раньше. Однако учёные показали, что процесс взаимодействия морской воды с вулканическим пеплом ведёт к формированию не только тоберморита, но и пористого филлипсита, который также повышает прочность материала. В древнеримских текстах даже встречается описание бетона после погружения в воду: «Цельная каменная глыба, неподдающаяся волнам и становящаяся прочнее с каждым днём».

Фото: pixabay.com

Ускорение строительства и надёжные дома

В современных реалиях ждать столетия, пока бетон окрепнет, невозможно. Однако российским учёным удалось найти альтернативное решение – инженеры Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) совместно с коллегами из Казанского государственного архитектурно-строительного университета (КГАСУ) создали новый вид бетона. Он обладает повышенной ранней прочностью, благодаря которой темпы бетонирования строительных конструкций могут быть увеличены в 3-4 раза.

Марочная прочность нового материала (показатель, который достигается через 28 дней после заливки) возросла в до 3,3 раза по сравнению с традиционными бетонными смесями из аналогичных компонентов, морозостойкость – в 3 раза, водонепроницаемость (давление, под которым в бетон проникает вода) – более чем в 4 раза.

Существенный недостаток обычного бетона выявляется при строительстве в зимнее время, когда из-за низких температур прочность возводимых бетонных сооружений находится под угрозой. Возникает потребность в принудительном прогреве материала, обеспечить который непросто и дорого. Экобетон имеет повышенную износостойкость: он не растрескивается, не пропускает воду, устойчив к морозу и подходит для использования на Дальнем Востоке и в условиях Крайнего Севера – там, где нового жилья катастрофически не хватает.

В работе над новым бетоном учёные опирались на принципы одного из разделов кибернетики – геоники (геомиметики) – бионики в мире неорганических объектов. Цель науки – создание новых технологий производства стройматериалов и изучение их природоподобия. Её основы разработал российский учёный из Белгородского государственного технологического университета – профессор Валерий Лесовик.

Чтобы создать экобетон, учёные взяли вполне обычные компоненты – щебень, песок, цемент и воду – одинакового геологического происхождения и из одной географической области. Также они отказались от излишнего применения воды. Обычно её добавляют, чтобы обеспечить текучесть бетонной смеси. Однако при высыхании вода провоцирует трещины и снижение прочности материала. В новом составе всю дополнительную воду заменили на суперпластификаторы – вещества, заставляющие молекулы бетонной смеси отталкиваться друг от друга. В результате её текучесть, удобоукладываемость и другие полезные для строителей качества возрастают.

Фото: pixabay.com

«На текущем этапе инженерам не удалось достичь той же прочности бетона, какой обладают, например, горные конгломераты и песчаники. Прочность этих природных камней в десятки раз выше, хотя они имеют аналогичный бетону состав и структуру. Наша задача в том, чтобы, применяя новые технологии, приблизить прочность новых строительных материалов к прочности природных. Уже сейчас мы можем создавать бетоны в несколько раз прочнее тех, которые получают по старым технологиям», – рассказал один из разработчиков экобетона, победитель XIII Всероссийского конкурса «Инженер года – 2018», доцент Военного учебного центра ДВФУ подполковник Роман Федюк.

Ранняя прочность – одно из главных положительных качеств новой смеси. Уже через 3-7 дней (вместо 28 дней) после заливки бетона строители смогут снимать опалубку и применить её на новых этапах заливочных работ. 

Без вреда для экологии

Бетон – один из самых массовых продуктов, который выпускает человечество. Мировые лидеры в производстве материала – Китай и США. В среднем каждая из стран производит по 350-400 млрд литров бетона в год. Объёмы огромные, как и выбросы паровых газов в атмосферу.

Новый бетон экологичнее обычных образцов. При его заливке не требуется термовлажностная обработка, а значит, связанные с этим этапом строительства выбросы тепла в атмосферу отсутствуют. Энергозатраты становятся ниже до 70%. По подсчётам учёных, технология может предотвратить выброс нескольких миллиардов кубометров углекислого газа в год.

Российские инженеры уверены, что технологию производства экобетона можно внедрить на заводах уже сегодня, а главное – с минимальными затратами.