Високотехнологични бетони – минало, настояще и бъдеще

Гл. ас. д-р инж. Емануела Манолова, Европейски политехнически университет Бързите темпове на развитие на материалознанието и инженерните науки водят до формиране на нови материали с комплексни функции. Последните няколко десетилетия се оказват извънредно динамични по отношение на иновациите в бетоновата индустрия. Обикновеният бетон, познат на човечеството от хилядолетия, изпълнявайки основните си функции, изостава спрямо нуждите на съвременния свят. Множество изследвания, проведени в университетски лаборатории, научни центрове и частни компании, навлизат в световната практика и доказват необходимостта от развитие и усъвършенстване на бетоните от най-висок технологичен клас. Различни по своя състав, свойства и приложение, те обединяват в себе си функционалност и технологичност. В настоящата статия са представени няколко авангардни вида от най-високотехнологичните бетони – супер високоякостен самоуплътняващ се бетон, пластичен бетон, бетонови платна, електропроводим бетон, самовъзстановяващ се бетон, геополимерен бетон и прозрачен бетон. Бетонът, като материал с традиционно крехко поведение, тук е представен като дуктилен композит с голяма пластичност и възможност да поема извънредни деформации. Основните критерии при избора му като механични показатели, якост на умора и дълготрайност отстъпват място на много други изисквания от типа на: свръхякост, екстравагантен външен вид, несравнима дълготрайност, нови технологии на производство, редуцирани разходи за изработка и поддръжка и др. В допълнение световната надпревара при високотехнологичните материали предразполага към големи предизвикателства за развитие на иновационни конструкционни и неконструкционни бетони, които включват в себе си свойства, традиционно неприсъщи на този елемент, като елекропроводимост, дуктилност, прозрачност и др. Времето за направата на конструкциите от този продукт е също един от параметрите, който постоянно намалява, като това не е за сметка на крайните му характеристики. Бетонът е най-използваният строителен материал на нашата планета, като се нарежда на второ място по разпространение след водата. Като материал в строителството неговото развитие и усъвършенстване преминава през различни периоди на възходи и падения - при използване на алтернативни суровини и технологии, научни и спонтанни открития от учени, инженери и практици. Високотехнологичните бетони са създадени не само с цел да редуцират недостатъците му като материал и да елиминират поддръжката му, но също така да създадат материал, който съчетава положителните свойства на бетона с тези на други продукти, които той по своята същност не притежава. Понастоящем високотехнологичните бетони не са масово прилагани в практиката поради трудностите при адаптирането на бетоновата индустрия към промените и нуждата от иновации, както и по-високата им цена. Въпреки това бъдещото им приложение е повече от перспективно. Стремежът към усъвършенстване на материала води до постепенна промяна в начина на мислене на хората в сравнително консервативната бетонова индустрия. Увеличаването на дълготрайността е основен приоритет, което се дължи на подобрената плътност и пукнатиноустойчивост на материала. Проведените изследвания в последните десетилетия проследяват поведението на иновационните бетони, създавайки композити „без формиране на микропукнатини“, „бетони със самовъзстановяващи се пукнатини“, „огъваеми бетони“ и др. Настоящата статия има за цел да провокира индустрията и да й даде ясна представа за предимствата на използването на високотехнологични бетони чрез споделяне на новите стойностни постижения в областта. Представени са някои от най-екстравагантните бетони като концепция, начин на производство, поведение, свойства и търговски марки. Всички се прилагат за специални случаи. I. Супер високоякостен самоуплътняващ се бетон Супер високоякостният бетон (СВЯБ) е с влакнесто-армиран композит с изумителни характеристики за такъв вид строителен материал: якост на натиск от 150 МРа до 250 МРа и якост на опън при огъване между 35 МРа и 50 МРа. Намира приложение във високи сгради и мостове с много голямо подпорно разстояние. Обикновено е подложен на силно неблагоприятни агресивни условия поради ненадминатата му дълготрайност. Съставът му обхваща големи количества портландцимент, отпадъчни продукти от вида на микросилициев прах, тецова пепел и гранулирана доменна шлака, фин кварцов пясък и коктейл от къси и дълги стоманени фибри. Той е силно финозърнест без наличие на едър добавъчен материал. Съчетавайки едновременно плюсовете на СВЯБ и самоуплътняващия се бетон, се постига материал с изключително добри свойства на прясната смес с много малко количество вода (водоциментно отношение 0,20÷0,22). СВЯБ дължи своите необикновени свойства не само на по-големите количества свързващо вещество, но и на оптимизираната си структура, прилагайки различни математически модели за уплътняване на скелетата му. Областите му на приложение се увеличават всеки ден, като той провокира с характеристиките си въображението както на архитекти, така и на инженери. Едни от най-големите производители на материала са: Lafarge-Holcim под продуктовото име Ductal™,Densit™; CARDIFRC™; BSI-CeraCem™ и др. II. Огъваем бетон Огъваемият бетон (ОБ), още наречен инженерен циментов композит, е материал, който е съставен от технологично излята композитна матрица с влакнеста армировка от специално подбрани къси фибри. Поведението на ОБ е дуктилно, по-близко до металите, отколкото до обикновените бетони на база цимент (ОЦБ). Докато ОЦБ е силно крехък и всяко усукване или огъване води до пукнатинообразуване, то ОБ е точно на противоположната страна по отношение на граници на пластичност на бетона. ОБ е около 500 пъти по-устойчив на пукнатинообразуване от ОЦБ основно поради използването на къси фибри, вложени минимум 2% по обем. При възникване на огъването фибрите се приплъзват в бетона, създавайки достатъчна гъвкавост, която предотвратява разрушението. Това поведение се постига и с оптимизиране на състава на бетона на нано-, микро- и макрониво. Разработването на ОБ е провокирано от нуждата за промяна на традиционното крехко разрушение на бетона. Няколко са висшите учебни заведения, които активно работят за усъвършенстването и внедряването му: Мичиганският университет, Калифорнийският университет, Технологичният университет - Делфт, Токийският университет, Станфордският унивеситет, Чешкият технически уиверситет и др. Съществуват няколко различни видове ОБ според приложението и свойствата си: лек ОБ, самоуплътняващ се ОБ, торкрет ОБ, екструдиран ОБ и др. III. Бетонови платна Бетоновите платна (БП) са изделия от бетон, които са изключително пластични. Те надминават по този показател многократно огъваемия бетон. Това е постигнато чрез импрегниране на 3D влакнеста матрица със специална суха бетонова смес. След добавянето на вода започва хидратацията на сместа, като се формира тънък слой с голяма дълготрайност, водо-, корозионно- и огнеустойчивост. От едната страна платната са каширани с PVC фолио. Втвърдяването се осъществява чрез водно пръскане или при пълно потапяне във вода. Веднъж взаимодействал с водата, той остава пластичен до 2 часа и до 24 часа набира до 80% от якостта си. БП са материал, който предпазва от пукнатинообразуване и позволява на конструкциите да поемат пластични деформации. Този специален вид бетон е продаваем продукт с търговска марка Concrete Canvas™, наличен на преносими ролки. Предлага се в три различни дебелини – 5, 8 и 13 мм. Най-често се монтира на места с ограничен достъп на тежка механизация. Намира приложение в линейни канавки, защита на откоси, допълнително покритие на херметически затворени уреди и др. Силно привлечени от възможността за екстравагантни форми, БП вдъхновява архитекти и дизайнери на мебели и обзавеждане за градската среда. IV. Електропроводим бетон Снегът като природно явление създава известен дискомфорт за придвижване както на пешеходци, така и на коли, особено в тези географски ширини с голямо количество на валежите. В по-развитите страни с такива климатични особености, като скандинавските например, е разпространено електроподгряването на тротоари, пътища, писти и др. Разходите за изпълнение и поддръжка на тези настилки са значителни. Електропроводимият бетон (ЕБ) е ново поколение, който съдържа в състава си материали, които сами по себе си провеждат електрическите импулси при подадено много ниско напрежение от 24 V или 48 V. Снегът започва да се топи по повърхността, като това в никакъв случай не създава опасност за преминаващите по него хора или превозни средства. По този начин и най-тежките снежни бури не биха били проблем за трафика и биха намалили рисковете от инциденти. От друга страна, солта и разтапящите химикали, които традиционно се прилагат за почистване на снега, проникват в бетона и водят както до неговата корозия, така и на армировката. Добавъчните материали, които се използват за направата на ЕБ, са с голямо съдържание на минерала магнетит и химичните елементи въглерод и желязо. V. Самовъзстановяващ се бетон На този етап строителните инженери не са създали материал на базата на циментова матрица, който да не пукнатинообразува, поради екзотермичната реакция на цимента с водата. От друга страна, науката за материалите (Material Science) значително е напреднала в разработването на такива композити, при които пукнатинообразуването е силно ограничено. Един от методите за ограничаване на този процес е чрез самовъзстановяващ се бетон (СБ), който има способността да затваря пукнатини и съответно да възстановява физичните и механичните свойства на бетона. СБ принадлежи към групата на т.нар. умни материали (Smart Materials), които могат да възстановяват повреди, причинени от механични въздействия. Две са технологиите, по които може да се осъществи това – чрез автогенно (самозапечатване) или автономно (инженерно) самовъзстановяване. При първия вид се използват стандартните материали за направа на бетона, обаче се добавя по-голямо количество свързващо вещество, като при пукнатинообразуване се активира наново хидратация на цимента. Докато при втория подход се внасят инженерни добавки от вида на специални бактерии, капсули и др., които се активират след пукнатинообразуване и отново водят до започване на хидратационни процеси. Автогенното самовъзстановяване включва високотехнологични бетони от вида на СВЯБ и други видове инженерни циментови композити, докато инженерното самовъзстановяване образува връзки между отделните формирани химични съединения при взаимодействието им с дъждовната вода и въглеродния диоксид от въздуха. Продуктите се формират при инженерното самовъзстановяване с калциев карбонат в резултат на реакцията на нехидратиралия цимент и въглеродния диоксид във водата. Самовъзстановяването служи за продължаване живота на конструкциите, подложени на тежки експлоатационни и атмосферни условия. VI. Геополимерен бетон Геополимерният бетон като концепция се развива още през 60-те години на миналия век, когато количествата на отпадъчните продукти от топлоцентралите – летящите пепели, и от стоманената индустрия – доменните шлаки, значително се увеличават и прогнозите са за още по-голямото им натрупване в бъдеще. Тогава възниква идеята за създаване на материал, от типа на бетона, който да консумира големи количества от тях. Открита е реактивоспособността на отпадъчните продукти с натриевата и солната основа, както и с натриевия и солния силикат, като това служи за създаването на изцяло нов вид бетон, в който нуждата от свързващо вещество от вида на цимента, за слепване на чакъла и пясъка, става излишен. Геополимерът лесно се формова, транспортира и излива в подходящите форми, така както и обикновеният бетон на циментова основа. За контролиране на реакцията се добавят забавители заради бързата химична реакция на свързващия компонент. Геополимерите са най-перспективното бъдеще за оползотворяване на всякакви видове отпадъчни продукти от различни индустрии – както със статут на опасни, така и на неопасни, като в света годишно се натрупват няколко милиарда тона. VII. Прозрачен бетон Прозрачният бетон (ПБ) като концепция преобръща представите за бетона като материал, свързван основно със своите механични показатели, груб и непрозрачен външен вид. ПБ е финозърнест с вградени прозрачни оптични елементи, най-често стъклени или полимерни фибри, които превръщат бетона в материал със светлопроводими свойства. За да се постигне това екстравагантно прозрачно свойство, влакната се ориентират по едното направление на елемента или са свободно разпръснати, така че светлината може да преминава от едната до другата страна. Крайният резултат е силует, който се вижда през елемента. Носещата способност на конструкции от ПБ е достатъчна за приложенията си, които се изразяват основно във фасадни и преградни елементи, подове и настилки без наличие на конвенционална армировка. Отношението бетон: влакна е 14:1 (96%:4%). След направата си като префабрикат листовете от ПБ се разделят на отделни елементи с необходимия размер, като се използва стандартна машина за рязане на камък. За да може да се види ефектът от ПБ, е достатъчно да има източник на светлина – естествен или изкуствен, като при изкуствената светлина трябва да се осигури осветеност на цялата повърхност. Този впечатляващ вид бетон е открит и патентован още в средата на 40-те години на XX век в Канада. С развитието на оптичните влакна и усъвършенстването на ПБ значително се увеличава. Отново придобива популярност в края на XX в., като в днешни дни има няколко компании в света, които произвеждат ПБ по различни технологии, с различни цветове и за разнообразно приложение. Една от най-известните търговски марки на продукта е LiTraCon™, което идва от Light-Transmitting Concrete, второто име на ПБ след transparent concrete. Други производители са Florak Bauunternehmung GmbH, LBM EFO и LUCEM GmbH от Германия; Luccon Lichtbeton GmbH, Австрия; LiCrete, Чехия, и i.light, Италия. Бетонът като строителен материал се появява под определена форма преди повече от 2000 години. В днешно време той продължава да вълнува изследователите, които непрекъснато подобряват неговите свойства и създават различни видове според специфичните изисквания, насочени в различни аспекти: подобряване на дълготрайността, оползотворяване на отпадъчни продукти, нестандартен външен вид и технология на производство, намаляване на производствените разходи и др. Взимайки под внимание силната конкуренция между различните високотехнологични материали в строителството, бетонът все още е в челните позиции поради ниската си себестойност, разнообразието от форми, в които може да се излива, възможността за изпомпване, липсата на висококвалифициран оперативен персонал и много други. Високотехнологичните бетони са едно голямо предизвикателство, зародило се в резултат на доброто сътрудничество между инженери и архитекти, които са намерили и продължават да откриват нови пресечни точки между дизайн и функционалност. В днешно време иновациите в сферата надхвърлят границите на човешкото въображение, превръщайки бетона от необходимост в желан бъдещ материал, високотехнологичен с високи механични характеристики и предпочитан външен вид. Бъдещето на високотехнологичните бетони изглежда още по-динамично, провокирайки човешката мисъл към непрестанен стремеж за откриване на новото и недостижимото.