Новая прочность

Немецкие ученые работают над превращением нового сверхпрочного бетона в стандартный материал для массового строительства. Координатором программы, на реализацию которой Немецкий фонд научных исследований выделил 9 млн. евро, выступает Университет Касселя, участвовавший в разработке инновационного бетона.

По статистке, ежегодное мировое производство бетона составляет почти 25 млрд. т — это более 1 куб. м., или 2 т на каждого жителя планеты. Но бетонный бум сопровождается губительным воздействием на окружающую среду. Добыча сырья — извести, глины, песка, гравия — оставляет глубокие раны в поверхности земли, портит ландшафт, для доставки и обработки сырья необходимо много энергии. На производство бетона приходится 5% выбросов двуокиси углерода (CO2), при том что на мировую авиацию приходится лишь 3%.

Следовательно, инновационный бетон должен иметь более продолжительный срок службы, чем обычный, не меньшую прочность и меньший расход материалов для его производства. Благодаря этому должно быть сведено к минимуму и вредное воздействие на природу.

По словам Михаэля Шмидта, профессора Университета Касселя, такой материал уже существует — бетон ультравысоких технологий (UHPC, Ultra High Performance Concrete). Предел его прочности при сжатии равен тому, что имеет сталь, поэтому для него требуется значительно меньше стальной арматуры. В конструкциях с одинаковой нагрузочной способностью UHPC необходимо в два раза меньше, чем обычного бетона.

Правда, Франц-Йозеф Ульм, профессор Массачусетского технологического института в Кембридже (США) и инженер-строитель, говорит, для производства бетона UHPC нужно в три раза больше цемента, чем для обычного. Но, поскольку прочность разнится в 7—10 раз, экономия достигается именно за счет уменьшения количества материала.

По мнению профессора Шмидта, применение “UHPC не обязательно дороже, поскольку уменьшаются общие затраты на строительство, не говоря уже о балансе расходов из расчета всего срока службы”. Ведь UHPC абсолютно непроницаем для газов и воды; влажность, соль и агрессивные газы практически не проникают в его капилляры. Такая структура защищает UHPC от разрушения временем, а арматурную сталь — от коррозии.

Основной структурный элемент бетона — гидрат силиката кальция — состоит из тонких игольчатых кристаллов, образующихся при затвердевании. Кристаллы, размеры которых составляют несколько нанометров, врастают в мельчайшие полости и постепенно их заполняют. Устойчивость бетона к трещинам, по мнению ученых, может повышаться заполнением этих промежуточных пространств полимерами.

Высокая плотность и твердость последней модификации UHPC объясняется прежде всего оптимальным распределением частиц цемента, молотого кварцевого песка, сверхмелкой летучей золы из фильтров электростанций, гранулированного доменного шлака и синтетического диоксида кремния, подобного кварцу.

“UHPC должен использоваться в серийном строительстве”, — считает профессор Ульм. Его возможности доказаны постройкой моста в Кентукки, в котором толщина несущего бетонного слоя составляет лишь 7,5 см вместо обычных 25 см. С применением UHPC уже построены здания в Айове и Виргинии (США), Квебеке (Канада) и во Франции. В Германии первый мост из UHPC длиной 140 м и шириной 5 м, получивший название Гертнерплац, построен в 2007 г. в Касселе — он соединил берега реки Фульды.

Гибкий волокнистый UHPC — идеальный материал для упрочнения стен атомных электростанций, уверены создатели сверхпрочного бетона. Как показали исследования, высотные здания, построенные с его применением, могут без значительного ущерба выдерживать удар пассажирского самолета.

Группа профессора Шмидта изучает возможности использования UHPC для покрытия автобанов. Таким образом его толщина может быть уменьшена с 30 до 15 см, что позволит значительно ускорить восстановление автобанов и увеличить их долговечность с 30 до 60 лет. Поскольку ремонтные работы будут проводиться реже, станет меньше дорожных пробок, цитирует руководителя группы издание Die Welt.

Однако на пути внедрения высокопрочного бетона все еще немало трудностей. Главная — необходимость обеспечения так называемой достаточной удобоукладываемости. Нужен постоянный контроль влажности заполнителей; высокая точность дозировки; использование смесителей с высокой интенсивностью смешения; определенная последовательность загрузки компонентов и продолжительность смешения; расчет времени для транспортировки и укладки бетона; определение дозировки пластификатора непосредственно на строительной площадке и т. д.

Иными словами, применение UHPC невозможно без высочайшей культуры производства начиная от изготовления до укладки на стройплощадке, а это требует подготовленного персонала и соответствующего технологического обеспечения. Сложности настолько велики, что, по мнению специалистов Технологического университета в Граце (Австрия), UHPC больше подходит для производства сборных элементов, нежели для монолитного бетона, а также при модульном типе строительства.

Высокие технологические требования к использованию UHPC — главная причина того, что ныне он находит ограниченное, полуэкспериментальное применение. В частности, в Украине ЧП “Стройтехник” предлагает “сверхвысокопрочный бетон для производства тротуарной плитки, фасадных облицовочных изделий, заборов, бордюров и др. малых архитектурных форм исключительного качества и красоты”.

Игорь СКРИПКА