Ученые провели детальное изучение частиц бетона на наноуровне. Они раскрыли механизм «ползучести» и описали новые решения, способные существенно улучшить его прочность и долговечность.

"Четырёхсторонняя пирамида" (Four-Sided Pyramid) – скульптура американского художника-минималиста Сола Левитта (Sol LeWitt). Простота её формы навеяна зиккуратами Месопотамии и пирамидами Древнего Египта (фото Jeff Kubina/flickr.com).

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 распространённого строительного материала на Земле могут оказать большое воздействие на жизнь людей, на эстетику нашей среды обитания, на экономику и экологию. Вы до сих пор полагаете, что бетон это "серая скука?"

Разнообразие сортов бетона ныне таково, что их разработку, получение, изучение и совершенствование впору величать самостоятельной наукой. И хотя бетон сам по себе известен людям шесть тысяч лет, а так называемый современный (на основе цемента) — с середины XIX века, до сих пор в этой науке остаётся много белых пятен.

Скажем, есть такое явление, как ползучесть бетона, — усиление деформации со временем при постоянной нагрузке. Она среди прочего влияет на долговечность конструкций. Строителям известно немало способов улучшить этот показатель (то есть — снизить 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 упомянутые процессы растянуты во времени.

"Всё на свете боится времени, а время боится пирамид" – только представьте, что теперь мы можем создать бетонные сооружения, способные посрамить Великие пирамиды в области долговечности. Существует, кстати, гипотеза, гласящая, что значительная часть объёма Великих пирамид сделана не из камня, а из бетона. У неё есть ряд сторонников, но она не доказана (фото Patty Brdar).

А можно раскрыть секрет ползучести, просто посмотрев на структуру бетона поглубже? Детальное изучение частиц бетона на наноуровне провели Франц-Йозеф Ульм (Franz-Josef Ulm) из Массачусетского технологического института и Матьё Вандамм (Matthieu Vandamme) из университета Парижа (Université Paris-Est).

"Наконец мы можем объяснить, как происходит ползучесть", — заявил Ульм, потративший на "бетонологию" 20 лет жизни. Оказалось, что этот негативный процесс связан с перераспределением наноразмерных частиц гидросиликата кальция (C–S–H), которые меняют свою плотность упаковки — в одних местах на большую, в других на меньшую.

Франц-Йозеф Ульм на фоне наноиндентора. Это устройство позволяет проводить прецизионные измерения прочностных характеристик главного компонента бетона – гранул цементной пасты. Рассматривая их изменение, авторы исследования смогли за минуты получить данные, которые при традиционном испытании макрообразцов приходилось ждать годами (фото L. Barry Hetherington).

Также авторы работы показали, как известный способ улучшения бетона — добавка силикатного дыма или микрокремнезёма (это побочный продукт металлургической промышленности) – сказывается на структуре состава на всё том же микро— и наноуровне.

Эти микроскопические частицы встраиваются в пространство между гранулами C–S–H 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, при тех же самых внешних условиях, можно снизить ещё в 2,6 раза против лучших образцов. А это может иметь драматические последствия для отрасли и в целом человечества.

Отпечаток наноиндентора на поверхности цементной пасты. Большая округлая "капля" в верхней части ямки – случайная пылинка (фото Chris Bobko).

Скажем, саркофаги для ядерных отходов, сделанные из обычного бетона, могут простоять без существенных повреждений лет 100, а из ультравысокоплотного, приготовленного с учётом новых знаний, — все 16 тысяч лет, утверждают учёные.

Какой нам прок от такого сверхдолговечного бетона? Из него можно было бы делать плотины, мосты и каналы, не теряющие "товарный вид", то есть не требующие ремонта или полной переделки буквально столетиями.

Уже только это могло бы сократить воздействие промышленности на окружающую среду, ведь огромное число сооружений, не требующих замены через 30, 40 или 60 лет, как раньше, означает сокращение потребности в бетоне. А его сейчас на Земле производят в количестве 20 миллиардов тонн в год, и имеется 5-процентный ежегодный рост выпуска. При этом данная отрасль генерирует от 5% до 8% от общего выброса CO2 в атмосферу.

Мосты и огромные водоводы – ответственные сооружения, работающие порой в непростых условиях. Ныне на самые лучшие из них строители вряд ли выдадут гарантию больше чем на 100 лет. Увеличение срока службы ещё в сто раз кажется фантастикой (фотографии с сайта inhabitat.com).

Кроме того, "нанобетон" обладает большей прочностью, а значит, изделия из него можно делать тоньше. При этом тонкие изделия обычно более чувствительны к ползучести, чем массивные. А её мы теперь можем победить. Вот и ещё один путь сокращения выпуска бетона, а значит — выбросов парниковых газов.

Поскольку работа Ульма и Вандамма велась на средства французской компании Lafarge Group, мирового лидера в области стройматериалов, есть шанс, что теоретические выкладки учёных не останутся без внимания практиков.

Как не осталось без внимания другое изобретение последнего времени — проницаемый бетон (Pervious concrete), выпускаемый рядом поставщиков, в частности, в США.

Проницаемый бетон ещё и легче обычного, при сопоставимой прочности (фото с сайта inhabitat.com).

Не странно ли? Обычно бетон стараются сделать как можно более непроницаемым — дольше простоит. Но тут иной принцип. Водопропускающие бетонные плиты делают из сравнительно крупных и стойких гранул бетона, которые склеиваются между собой так, что между ними остаются многочисленные пустоты и каналы (они составляют 15-25% объёма) — путь для воды.

В чём смысл такой затеи? 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.

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 воды.

Видно, что даже в маленьком городе поверхностный сток достигает 30%, а в лесу – меньше 1%. Разница с мегаполисом будет ещё существеннее. О проблеме стока, мы, кстати, уже говорили в материале о биомостовой (иллюстрации с сайта inhabitat.com).

В лесу, напротив, поверхностного стока почти нет, вода накапливается в толще грунта, где её "пьют" корни деревьев. Но не ходить же в городах по голой земле?

Проницаемый бетон — один из возможных ответов на этот вопрос (второй — это плиты из обычного монолитного бетона, но с множеством крупных вырезов, такие во многих местах можно увидеть в роли бетонно-травяных автостоянок).

Новый бетон — привлекательный материал для различных дорожек и подъездных путей. При этом он ещё и экономит средства строителей за счёт отказа или уменьшения числа сточных труб на участке — пусть вода впитывается грунтом так, как это происходит за городом.

Обычные решётчатые плиты (вверху) уже могут решить проблему воды, но их не везде положишь. Да и не всегда нужно, чтобы сквозь дорожки пробивалась трава. Водопропускающий бетон может оказаться более удобным решением (на врезке – стоянка из такого бетона) (фотографии с сайтов inhabitat.com и perviouspavement.org).

Заметим, самый обычный бетон тоже неплохо держит влагу (собственно, вода является его частью), чем и воспользовалась лиссабонская e-studio, когда создавала свой "Органический бетон" (Betão Orgânico).

Не новая работа. Образец такого бетона дизайнеры показали публике осенью 2005-го. Но идея до сих пор актуальна.

Соединение живого и искусственного в одном флаконе достигнуто интеграцией семян в бетон с небольшими полостями, с добавкой толики грунта. Трава, мол, сама выберет нужную влагу из толщи плиты, если снаружи окажется слишком сухо.

Betão Orgânico. Самое интересное – как в таком случае избежать растрескивания монолита по мере роста зелени? (фото с сайтов experimentadesign.pt и inhabitat.com)

Такие плиты могли бы стать ещё одним элементом городского дизайна, приближающего бетонные джунгли чуть-чуть к природе. Насколько при таком "сплаве" менялись бы прочность и долговечность материала — авторы не сообщили. Но для декора это не существенно. Зато каков эффект.

Вон Хизер и Дэну пришлось размазывать по большому зданию тонны почвы, чтобы превратить его в зелёный куб. А, оказывается, модифицировать-то нужно было сам бетон.
Полагаем, на этом фантазии "бетонологов" не исчерпаются. Причём этот многоликий материал уже не раз давал нам повод для удивления.

По материалам www.membrana.ru