Практически любой масштабный строительный процесс предусматривает использование бетонных смесей. Раствор выступает основой в формировании фундамента, из него сооружают стены, выполняют перекрытия и реализуют другие задачи. При этом внешняя неприглядность бетона никого не смущает – его умело маскируют облицовочными материалами, поэтому особых проблем этот нюанс не доставляет. Тем не менее венгерский инженер Арон Лошонци решил внести в перечень характеристик серого материала еще одно качество – светопропускную способность. Так появился прозрачный бетон Illumicon, который имеет немало отличий от традиционных смесей. Это относится не только к внешнему виду, но и к оригинальной структуре, обусловленной технологией изготовления.
Состав бетона
Основу все же составляет обычный раствор, приготовленный из мелкозернистой цементной массы. Сама по себе технология произвела революцию в представлении о бетоне лишь за счет необычного соединения базовой привычной смеси и фиброоптического волокна. Это нити, которые применяются в телекоммуникационных сетях. Именно за счет комбинации этих компонентов и формируется прозрачный бетон. Состав основного раствора также предусматривает использование цемента и воды в соответствии с техническими требованиями. Что касается волокон, то их параметры подбираются по особым критериям.
Как правило, технологи не рекомендуют готовить массы, в которых доля содержания оптических элементов превышает 5 %. Это сказывается на прочности и долговечности материала. С другой стороны, от процента содержания стекловолокна зависит то самое качество, обуславливающее прозрачность. Чаще всего прозрачный бетон производится с применением волокон, толщина которых не превышает 2 миллиметров.
Concrete Canvas: инновационный бетон
26 мая 2020 г.
История бетона насчитывает ни одно тысячелетие. Уже в древнейших цивилизациях он успешно применялся в массовом строительстве и при создании монументальных зданий сложной формы. В ходе своей эволюции бетон претерпел множество модификаций и усовершенствований, и сегодня всё ещё продолжается поиск различных вариаций модернизации бетонных материалов и улучшения их свойств.
В начале 2000-х годов британские студенты Королевского Колледжа Искусств Питер Брейвен (Peter Brewin) и Уилл Кроуфорд (Will Crawford) изобретают уникальную технологию на основе бетона. Для футеровки поверхностей они предлагают использовать ткань, пропитанную сухим раствором с непромокаемой подкладкой, которую впоследствии назовут бетонным полотном. Уже в 2005 году для запуска производства этой технологии создаётся компания Concrete Canvas Ltd.
Почти сразу же технология получает признание на строительном рынке. Специалисты отмечают её преимущества по сравнению с традиционными методами; бетонное полотно получает престижные международные награды, в числе которых – победа на Премии в области разработок сред для соединений материалов «Мэтириел Конэкшн Мидием» в 2009 г., Премии Инноваций на выставке Рейлтекс (Railtex) 2013 г., Премии МакРоберта 2013 г. и т. д.
В состав полотна входит трёхмерная волокнистая матрица, которая содержит специально подобранную сухую бетонную смесь. Одна из поверхностей сделана из поливинилхлорида (ПВХ), который обеспечивает водонепроницаемость материала.
Гибкая ткань затвердевает при гидратации, формируя прочный, тонкий, огнеупорный и водонепроницаемый слой. Причём гидратацию можно производить как распылением, так и погружением в воду. Спустя 24 часа полотно достигает 80% прочности. Благодаря этим особенностям, бетонное полотно не требует смешивания и, соответственно, никакого дополнительного оборудования, что значительно снижает трудо- и энергозатраты. Укладка полотна может осуществляться с минимальной подготовкой: материал можно резать и фиксировать с помощью ручных инструментов.
По сравнению с традиционными строительными методами, бетонное полотно быстрее, проще и экономически эффективнее в установке. За 1 час командой из трёх рабочих может быть уложено до 200 кв. м. Это почти в 10 раз быстрее, чем при работе с обычными бетонными растворами.
Полотно также поставляется в переносных (компактных) рулонах, что позволяет производить укладку бетона в зонах с ограниченным доступом. На одном поддоне может быть доставлено до 200 кв. м. бетонного полотна, что значительно сокращает транспортную логистику и экономит место хранения на площадке.
В силу своей гибкости и податливости, бетонное полотно легко стелется по неровному профилю, приобретая его очертания, благодаря чему дополнительные работы (по выравниванию почвы) сводятся к минимуму. К поверхности полотно крепится с помощью обычных анкеров или стальных кольев со шляпками.
Проводимые исследования выявили высокую степень износостойкости данного материала. Циклические испытания замораживания-оттаивания, дождевые камеры и выдержка, в течение которой полотно давало наименьшую деградацию, показало, что срок службы полотна в условиях британского климата – более 50 лет.
Отличные низкотемпературные характеристики бетонного полотна подтверждаются испытаниями 200 циклов замораживания-оттаивания. В настоящий момент в России официальным дистрибьютором Concrete Canvas Ltd. проводятся дополнительные испытания 300 циклов замораживания-оттаивания с целью подтверждения заявленной производителем степени износостойкости полотна, но уже в российском климате. Высокая огнеупорность позволяет применять полотно в качестве огнезащитного материала.
По сравнению с обычным бетоном на основе портландцемента, бетонное полотно обладает высокой стойкостью к химическим соединениям: сульфатам, сульфатной воде, грунтовой и морской воде, сточным водам, хлоридам, дубильным и растительным маслам, а также большинству минеральных солей. Это было выявлено 56-дневным погружением полотна в кислоту до рН 4,0 и щелочь до 12,5.
Цемент, используемый в бетонном полотне, имеет ограниченный щелочной запас, поэтому он не классифицируется как раздражитель и менее вреден для водной флоры и фауны. По сравнению с обычным заливаемым бетоном, полотно также оставляет меньший углеродный след, а его экологичность позволяет производить укладку даже в живых водоканалах.
Особую популярность бетонное полотно получило благодаря широте возможного использования. Основные области применения – дорожное строительство, железные дороги, горнодобывающая и нефтехимическая промышленности, сельское и городское хозяйство.
Обладая низкой скоростью вымывания и небольшим углеродным следом, оно идеально подходит для прокладки канав. Высокая водонепроницаемость полотна позволила использовать его для укрепления дамб и водохранилищ.
Кроме того, бетонное полотно может стать хорошей альтернативой торкретбетону для защиты склонов от эрозии, вызванной выветриванием, поверхностным стоком и общим ухудшением состояния окружающей среды. Часто его применяют как эффективный метод предотвращения эрозии и размыва почвы, которые связаны со стоком воды из водопропускных труб, водосбросов и переливов. Оригинально оно и с позиции внешнего вида: подобно покрывалу, полотно повторяет поверхность склона, подчёркивая естественную неровность ландшафта.
Бетонное полотно может использоваться также для бронировки земляных валов вокруг нефтехимических резервуарных зон, складов боеприпасов и защиты от наводнений. Вдобавок оно действует как эффективный ингибитор сорняков, сокращая общее количество необходимого техобслуживания.
Целесообразно применение бетонного полотна для быстрого восстановления существующих бетонных конструкций, имеющих признаки разрушения и растрескивания. Равным образом оно подходит для быстрого ремонта повреждённых стенок габиона, обеспечивая долгую защиту.
Эффективно полотно применяется при строительстве вентиляционных стеновых конструкций для проведения подземных горных работ как более экономичная и экологичная замена тканевой брусчатке, гипсокартону или бетонному блоковому сооружению.
Его пластические возможности находят отклик в дизайне и при реализации художественных задач. Подобно архитектурному бетону, он позволяет создавать сложные криволинейные конструкции с подробной деталировкой. Своеобразную эстетику также добавляют присущие материалу текстура и фактура.
Очевидные преимущества инновационной технологии бетонного полотна вызвали интерес среди ведущих компаний мирового строительного рынка. После пробной укладки многие из них остались довольны результатами. В силу этого компания Concrete Canvas Ltd. уверенно вышла на широкий международный экспорт. Заказчики (как частные, так и государственные компании) представлены более чем 40 странами мира. Крупнейшими рынками сбыта являются Индонезия, Чили, Россия, Австралия, Бразилия и страны Ближнего Востока.
В России первыми проектами, выполненными с применением бетонного полотна, стали аэропорт алмазного карьера «Мир» в Якутии и береговой комплекс подготовки «Чайво» на Сахалине.
В перспективе следует ожидать, что данная технология, со множеством преимуществ и едва ли не полным отсутствием недостатков, будет совершенствоваться и, модернизируясь, охватывать всё большие области применения и приобретать всё большие масштабы.
Денис Миронов
Комментарии
Технология изготовления
Как и традиционная методика создания бетона, в данном случае работы начинаются с обустройства опалубки. Далее в нее заливается раствор. Здесь важно отметить, что сама по себе смесь для бетонов предполагает включение компонентов с разными характеристиками. Существуют мелкозернистые растворы, а в некоторых случаях уместно добавлять щебень. Именно первый вариант без включения наполнителей с крупной фракцией позволяет получить качественный прозрачный бетон. Технология в части применения оптоволоконных нитей предусматривает в некотором роде армирование. От точности укладки волокон также зависит ключевая характеристика материала – способность обеспечения видимости. Еще одним принципиальным отличием от классического способа изготовления бетонов является необходимость доработки уже застывшего раствора. Во-первых, опалубочная форма освобождается, после чего можно разрезать монолит на отдельные блоки с нужной формой. Во-вторых, сформированный литракон тщательно полируется.
Технология самостоятельного изготовления
При наличии необходимых знаний и соответствующих материалов можно приготовить полимерный бетон своими руками. Но следует учесть, что определенного рецепта приготовления такого бетона не существует, баланс компонентов определяется исходя из практических экспериментов.
Сама технология приготовления полимерного бетона достаточно проста. В бетономешалку заливается вода и небольшое количество цемента. Затем в равных количествах добавляется шлак и зольная пыль. Все компоненты тщательно перемешиваются. Далее настает очередь различных полимерных компонентов. Они добавляются к предыдущим ингредиентам, после чего смесь снова нужно перемешать.
В качестве полимерной добавки подойдет жидкое стекло, клей ПВА, различные водорастворимые смолы. Клей ПВА можно применять в любом количестве, так как это отличный наполнитель, обладающий хорошей вязкостью. Его добавление в бетонный раствор значительно улучшает параметры стойкости готовой конструкции, и уменьшает процент усадки. Соотношение между полимерами и вяжущими средствами может составлять от 5:1 до 12:1.
Характеристики прозрачного бетона
Поскольку основу материала составляет вполне привычный мелкозернистый раствор, его технические свойства во многом схожи с обычными мелкозернистыми бетонами – например, марки М250. Однако, наличие порядка 5 % инородного элемента в виде стекловолокна все же обуславливает ряд отличий. Что касается плотности, то она варьируется от 2100 до 2400 кг/м3. Этот показатель превосходит пенно- и газобетонные аналоги, но с тяжелыми составами в отношении плотности литракон конкурировать не может. Зато прозрачный бетон демонстрирует неплохую водонепроницаемость и морозостойкость. Так как средняя прочность на сжатие не позволяет применять светопроводящий материал в качестве базовой основы при строительстве крупных строительных объектов, желательно изначально просчитать нагрузки на материал. Если все же есть задача выполнения из литракона ответственных конструкций, то лучше рассмотреть варианты внесения дополнительных пластификаторов и добавок, повышающих прочность.
В России создан сверхпрочный бетон, способный проводить электричество
По итогам проведенных испытаний инженеры ДВФУ и ВСГУТУ зафиксировали, что новый бетон не только может проводить электричество, но и на 30−35% прочнее, чем гостовские образцы.
Часть цемента в новом бетоне заменили на зольные и шлаковые отходы энергетических производств и отходы обработки гранита, поэтому его производство экономичнее и экологичнее, чем производство обычных бетонов и существующих аналогов. Для электропроводимости вместо дорогих карбоновых нанотрубок в смесь добавили обычные и очень доступные карбоновые наночастицы. Они стали побочным продуктом переработки угля электрическими разрядами в плазменном реакторе по технологии, разработанной профессором Сергеем Буянтуевым из ВСГУТУ.
«Карбоновые наночастицы действуют как центры кристаллизации в процессе застывания смеси. В результате структура нового бетона более плотная по сравнению с контрольными образцами. За счет меньшей пористости он пропускает меньше воды, пара и более долговечен, — объясняет подполковник Роман Федюк, профессор Военного учебного центра Дальневосточного федерального университета (ДВФУ), победитель XIII Всероссийского конкурса «Инженер года-2018. — Использовать «электрический» бетон можно для производства специальных поверхностей-обогревателей, которыми могут выступать стены гаражей, парковок, бетонный пол, тротуарная плитка. Можно даже возводить самовосстанавливающиеся конструкции, где поверхность будет выступать одновременно сенсором влаги, огня и деформаций, а повреждения будут устраняться за счет воздействия электромагнитного поля». Посвященная данной разработке статья опубликована в Magazine of Civil Engineering.
Инженер рассказал, что, хотя карбоновые частицы, как и металлы, могут проводить электричество, при работе с ними возникают трудности. Например, в больших дозах они сильно ухудшают характеристики бетона.
Технологии
Патент недели: в России создали новую систему цифрового мониторинга
Ученые ДВФУ и ВСГУТУ определили, что бетонная смесь приобретает оптимальные механические характеристики и возможность проводить ток, когда доля карбоновых наночастиц в ней достигает всего 0,01 — 0,1 процента от общей массы. Таким образом, инженеры подтвердили предположение, что нанодобавки максимально эффективны лишь при малых концентрациях. В концентрациях от 1 процента они, наоборот, ухудшают характеристики бетона.
По словам Романа Федюка, электрические свойства бетона еще мало исследованы в России и мире, поэтому такие виды бетонов применяются мало.
В перспективе из бетона, обладающего свойствами электрической проводимости, можно делать дорожное полотно, от которого автомобили и электромобили будут получать энергию бесконтактным образом. По такому же принципу подзаряжаться можно будет и от других поверхностей. Чтобы осуществить эти планы, ученым еще предстоит решить задачу стабильности карбоновых частиц в бетонной смеси.
В ВУЦ ДВФУ под руководством профессора Романа Федюка действует научная школа по разработке интеллектуальных композитов для специальных сооружений и гражданского строительства. В основе подхода — принцип природоподобия искусственных материалов, который разрабатывается современной наукой геоникой (геомиметикой). Её основы заложены профессором Валерием Лесовиком из БГТУ им. В.Г. Шухова, членом-корреспондентом Российской академии архитектуры и строительных наук, и развиваются учеными-инженерами в Москве, Казани и на Дальнем Востоке.
Материал предоставлен департаментом внешних коммуникаций Дальневосточного федерального университета
Сферы применения
Все же литракон не предназначен для использования в качестве стройматериала, на который могут возлагаться высокие силовые нагрузки. Более того, заливка фундамента из стекловолоконного раствора не имеет смысла, так как светопропускная способность в данном случае никак не будет выражена. Основным же направлением его использования является устройство архитектурных композиций с декоративными свойствами. И в создании уличных дизайнерских объектов, и при украшении интерьеров успешно используется прозрачный бетон. Применение его в первую очередь обусловлено эстетическими соображениями, хотя и технико-физические качества материала не отбрасываются. Так или иначе, базовый набор компонентов для литракона делает его схожим с обычным легким бетоном, который справляется с нагрузками в составе небольших архитектурных конструкций.
ПОЛОТНО ВМЕСТО БЕТОНА
Отрезки соединяются между собой различными способами: болтами, саморезами, клеем-герметиком, строительным раствором. Если, к примеру, необходимо укрепить канаву, клей-герметик обеспечит герметичность стыков, а саморезы – прочность крепления. Если нужно укрепить обычный склон – достаточно одних саморезов. Единственное требование: слои полотна укладываются внахлест, чтобы край предыдущего куска перекрывал следующий. К поверхности полотно крепиться анкерами или стальными кольями со шляпками. К слову, полотно можно закрепить не только на грунте, но и на скальных породах, на деревянных балках, на стальных конструкциях, на бетоне.
И, наконец, финал – смачивание. Для смачивания одного квадратного метра полотна требуется около 3,5-4 литра воды. Причем можно использовать и морскую воду. Через 2-4 часа полотно затвердеет. Важная особенность: если во время укладки полотна пошел проливной дождь, то это означает лишь одно – этап смачивания можно пропустить. Через 24 часа полотно достигнет 80% своей прочности и можно будет в полной мере оценить остальные преимущества технологии Concrete Canvas.
Большинство компаний, которым довелось использовать технологию Concrete Canvas, отмечали ее высокую экономичность. Она позволила в кратчайшие сроки решить задачи, которые при использовании других материалов и технологий заняли бы гораздо больше время и потребовали более высоких затрат.
В чем сила, брат?
«Сила» технологии Concrete Canvas, прежде всего – в экономическом эффекте. Как уже ясно из описания процесса укладки, в краткосрочной перспективе бетонное полотно позволяет экономить на использовании техники, рабочей силы, материалов. Оно позволяет решать сложные проектные задачи с гораздо меньшими затратами. Подсчитано, что в среднем скорость работ увеличивается в 10 раз, а расход материалов сокращается на 90%. Еще одна впечатляющая цифра: 125 кв. метров полотна СС8 (то есть полотна толщиной 8 мм) заменяет собой два (!) грузовика с бетонным раствором по 17 тонн каждый.
В долгосрочный перспективе экономический эффект заключается в том, что покрытие прослужит, как уже отмечалось, не менее 50 лет. При этом ему не страшны ни перепады температур, ни атмосферные осадки, ни солнечный свет, ни агрессивная химическая среда, ни ударные нагрузки, ни проколы, ни другие механические повреждения.
И покрытие из бетонного полотна не нуждается в эксплуатационном обслуживании. Его не нужно ремонтировать, обновлять и, тем более, заменять. Соответственно, закрывается еще одна статья расходов.
В деревне Падиково, Истринский район (30 км от МКАД по Новорижскому шоссе) компанией United Concrete Canvas Russia открыт демонстрационный парк, где можно «вживую» увидеть различные варианты применения, а также крепления бетонного полотна.
И еще несколько преимуществ…
Первое – в отличие от торкретбетона, полотно не трескается. Его надежно армируют текстильные волокна.
Второе – подкладка из ПВХ делает материал водонепроницаемым. Поэтому покрытие из бетонного полотна надежно защищает, например, склон от вымывания грунта, а стенки канавы – от обрушения. И оно отличается отличными дренирующими свойствами.
Третье – практически нулевая подвижность. Если полотно надежно закреплено на грунте, то оно никуда не сдвинется. Стыки не разойдутся, их герметичность не нарушиться.
И еще одно качество, которое многим российским компаниям в ближайшем будущем еще предстоит оценить: полная экологичность.
Бетонное полотно выпускается в трех вариантах: толщиной 5, 8 и 13 мм. Также среди продукции британского производителя Concrete Canvas Hydro – бетонное полотно с геомембраной, которое предназначено для использования на объектах с повышенными требованиями к гидроизоляции.
Широкое применение
Ключевыми направлениями использования технологии Concrete Canvas являются дорожное строительство, железные дороги, горнодобывающая и нефтехимическая промышленность. В этих сферах она применяется для укрепления склонов, берегов, насыпей, котлованов, для футеровки дренажных канав, бассейнов, для обвалования.
Один из первых примеров использования бетонного полотна на территории России – укрепление дренажных канав на Сахалине, на береговом комплексе подготовки «Чайво» и в Якутии, в аэропорту «Мирный», который в частности, обслуживает алмазный карьер «Мир». Регионы являются труднодоступными, а климатические условия в них суровыми. Поэтому использование там бетонного полотна стало своего рода испытание и на прочность, и на экономичность. И полотно его с честью выдержало.
Сегодня в числе российских компаний, которые используют технологию Concrete Canvas – «РЖД», «Северсталь», СУЭК, «АЛРОСА». По данным российской компании United Concrete Canvas Russia, официального партнера производителя бетонного полотна, спрос на бетонное полотно постоянно растет, объемы поставок увеличиваются.
Как изготовить самостоятельно?
Наиболее качественные исполнения таких бетонов производятся в заводских условиях и реализуются уже в виде готовых к применению дизайнерских объектов. Но при желании можно изготовить литракон и самостоятельно. Основная сложность будет заключаться в правильной укладке стекловолоконных нитей. Если производство прозрачного бетона на специализированных комбинатах предусматривает работу автоматизированных машин, которые формируют пласты стекловолокна, то в домашних условиях эту работу придется выполнять вручную. Также формируется опалубочная конструкция, а далее послойно создаются ряды из светопропускающих нитей. Параллельно выполняется поочередная заливка пластов порциями раствора. При этом важно соблюдать концентрацию волокон в общей массе, чтобы бетон сохранил достаточный запас прочности.
Укладка декоративного бетона
Укладка печатного бетона не представляет собой большой сложности и мало отличается от бетонных работ с использованием обычной цементно-песчаной смеси. Разница в укладке может наблюдаться только на завершающей стадии, когда бетонной поверхности придаётся оригинальное декоративное покрытие. Технология укладки декоративного печатного бетона представляет собой следующую последовательность действий:
- Производится подготовка поверхности, с обязательным растравлением маяков и опалубки.
- Осуществляется укладка бетонной смеси с последующим выравниванием. Спустя 4 — 5 часов производится нанесение специального разделительного компонента и формование поверхности с помощью пресс-форм.
- Производится прессование.
- Удаляются пресс-формы.
- С помощью зубила-маркера изготавливаются швы.
- Через 2 — 3 поверхность тщательно моется для удаления разделительного компонента.
- Спустя 5 — 6 дней после заливки производится нанесение защитного лака-герметика.
Таким образом, пресс-бетон можно уложить в течение недели. Все необходимые этапы укладки должны быть обязательно выполнены в полном объёме, в том числе обработка и сушка декоративного бетона.
