alexxlab Гибкий бетон своими руками
Как домашнему мастеру изготовить и применить художественный бетонХудожественный бетон пластичен как глина или пластилин, поэтому к нему проявляют большой интерес как специалисты, так и для своих работ самоделкины.
Содержание статьи:
- Применение. Основные характеристики. Функции составляющих бетонной смеси.
- Почему нельзя использовать универсальный состав и какие условия влияют на его изменение.
- Несколько слов из теории.
- Заключение.
Художественный бетон имеет также ряд других названий-синонимов: архитектурный, скульптурный, полимерный, декоративный, пластичный и другие.
Применение, основные характеристики и функции составляющих бетонной смесиБлагодаря своей пластичности художественный бетон имеет очень широкий спектр применения. Из него изготавливают любых размеров бетонные фигуры, лепнину, садовые вазы и вазоны, декоративный камень, малые архитектурные формы и многое другое.
В зависимости от задачи состав бетонной смеси меняется за счет качественного и количественного включения различных полимерных, химических и минеральных добавок.
В их функцию входит придание бетонной смеси пластичности, возможности регулирования текучести, времени застывания, увеличения водонепроницаемости и морозостойкости.
Для упрочнения структуры камня в состав смеси вводятся активные вещества: микрокремнезем и различные золы. Получить более подвижный раствор и для лучшего перемешивания, а также для уменьшения количество затворяемой воды применяются пластификаторы. Для самоуплотняющегося бетона (не требуется вибрации) применяют гиперпластификаторы, с помощью которых можно получить тонкие и особо прочные конструкции. В этих целях также используют мелкозернистый цемент. Чем больше цифра в его названии, тем меньше цементное зерно и тем выше можно получить прочность изделия (при одинаковом количестве цемента).
Художественный бетон можно окрашивать вводя в раствор цветные пигменты.
Чаще используют минеральные пигменты (оксиды и соли различных металлов). Можно также вводить органические пигменты и анилиновые красители. Последние дают более интенсивный цвет при меньшем их количестве. Но они менее устойчивы к разрушающему действию ультрафиолета. При использовании последних труднее получить равномерную окраску изделия без включения в состав смеси специальных добавок (например, белую сажу).
Красители несколько уменьшают прочность изделия, так как требуют увеличения количества воды затворения. Поэтому внутренний окрас надо ограничивать, вводя минимальное количество красителя, а более насыщенный цвет можно получить за счет внешнего дополнительного окрашивания. Более подробно о способах окрашивания искусственного камня рассказано в соответствующей статье на эту тему.
Почему нельзя применять для художественного бетона универсальный состав цементной смеси и какие условия влияют на его изменениеВ начале статьи очень кратко было сказано о возможном применении этого пластичного материала.
И конечно хотелось бы иметь единый универсальный рецепт его изготовления.
Но это не имеет смысла по следующим причинам. Прежде всего из экономических соображений. Всё универсальное всегда дороже. К тому же часть ингредиентов в некоторых случаях не нужна или даже может принести определенный вред или помеху при изготовлении конечного продукта.
Несколько примеров:
Изготовление тротуарной плитки и дорожекПри изготовлении тротуарной плитки не используют художественный бетон. Для покрытия дорожек и площадок главным требованием к изделиям является повышенное противодействие истираемости и поглощению влаги. Этих два главных требования определяются ее применением.
При изготовлении плитки обычно применяют вибростолы. Оборудование стоит денег. А почему бы не использовать мелкозернистый саморастекающийся бетон?
Да, будет необходим более дорогой пластификатор, но его надо значительно меньше. Потребуется еще зола и микрокремнезем, но эти продукты не дорогие, к тому же они заменят часть вводимого цемента.
При изготовлении плитки не нужна синтетическая фибра. При правильной технологии прочность изделия будет достаточна.
Использование полимерных добавок – дело мастера, но при получении плотного бетона за счет активного метакаолина их присутствие будет излишним.
Для изготовления дорожек и площадок можно использовать тот же художественный бетон или по-другому печатный бетон. Для чего нужна пластичность – для того, чтобы с помощью полиуретановых штампов можно было получить устойчивый к оплыванию, декоративный и рельефный рисунок. В этом случае компоненты, присущие пластичному бетону, в составе необходимы.
Смесь на вертикальной поверхностиПри изготовлении декоративного слоя на подпорных стенках, столбов и стен домов критерий истираемости отсутствует. Поэтому требование к твердости и плотности для компонентов смеси меняются. Вместо части кварцевого песка в смесь добавляют мраморную или доломитовую муку, что значительно облегчает конструкцию.
К тому же вводят новый компонент – редиспергируемый порошок (сухая эмульсия латекса).
Он повышает липкость раствора и позволяет лучше держаться слою бетона на основании конструкции. Это свойство использовалось при строительстве бетонной скалы у бассейна.
При изготовлении скульптуры всегда наносится несколько слоев бетона на подготовленную поверхность скелета будущего изделия.
Каждый слой – это разный состав смеси.
Самый последний , верхний чистовой слой может совсем не содержать кварцевого песка. Можно применить способ как при железнении бетона на половом покрытии.
Во внутреннем слое обычно используют фибру, которая препятствует сползанию раствора. В чистовом слое она будет только мешать, поэтому отсутствует.
Из приведенных примеров можно сделать вывод, что состав бетона изменяется и всегда зависит от его назначения.
В будущих статьях, при описании процессов изготовления домашних и садовых поделок, рассмотрим выбор и использование ингредиентов более подробно. Ведь не везде необходим художественный бетон.
Всем известно, чем плотнее бетон, тем он прочнее. Не будем приводить цифровые значения этого показателя, при желании его можно найти на специализированных сайтах.
Но как проще получить плотный бетон? Если грубо, то есть два способа.
Первый. Это вибропрессование. Давление и вибрация уплотняют и упрочняют бетон.
Второй. Заполнение пустот между частицами цемента и песка без вибрирования. Для этой цели необходим гиперпластификатор, каменная мука, зола и другие компоненты. Такой состав называют мелкозернистым бетоном и он применялся при изготовлении тонкостенных изделий, например: плиток под кирпич или пустотелого ангела.
Для наглядности, чтобы понять принцип заполняемости, несколько примеров с размерами зерна этих составляющих.
Зерно обычного цемента в среднем имеет значение 40-80 мкм, доломитовая мука – 30 мкм, маршалит – 50…100 мкм, микротальк (МИТАЛ) – 5…20 мкм, микрокальцит – 100 мкм, зола – 12…25 мкм, микротальк ТРПН – до 90 мкм, микрокремнезем – 2…10 мкм.
Специалисты используют формулы, по которым определяется оптимальное соотношение между составляющими смеси. Нужно получить такую массу, в которой пустот между компонентами смеси будет минимально. Кроме этого надо учитывать удельный вес составляющих и их химическую активность. Хорошо, когда в них побольше присутствует SiO2.
Еще пару слов о полимерах. Для повышения липкости раствора, как ранее отмечалось, используют различные редиспергируемые порошки (РПП), для удержания воды (если нет возможности укрыть бетонный слой полиэтиленовой пленкой) используются эфиры целлюлозы.
На остальных мы коротко уже останавливались. Есть много и других компонентов, но в одной статье обо всём сразу не расскажешь. Пока из теории все. В дальнейшем будем изучать ее подробнее по мере проведения практических занятий дома и на загородном участке.
Часть из перечисленных выше компонентов нами уже использовалась и приводился их количественный состав при изготовлении ангела для фонтана и бетонной вазы.
Огромные возможности при правильном составлении рецептур и его дальнейшем использовании несет в себе этот удивительный пластичный материал – художественный бетон.
У энтузиастов, которые хотят освоить технологии, не тупо повторяя известные подходы, и имеют желание как-то их модернизировать, особенно в их применении, несомненно всё получится.
А может для кого-то это будут первые шаги для перехода от стадии любителя к открывающему свое дело мастеру.
В дальнейшем мы продолжим начатый разговор о свойствах ингредиентов, о принципах подбора состава бетонной смеси и применении пластичного бетона.
Всем успехов и удачи в вашем творчестве. До новых встреч на страницах КАМЕНЬ И САД СВОИМИ РУКАМИ.
Современные ученые, работающие в области бетоноведения по всему миру, не довольствуются достигнутыми результатами. Что нам кажется надежным, нерушимым и, вообще, пределом совершенства, для них это – пережитки прошлого. Узнаем, на что замахнулись сингапурские ученые, и к какому результату пришли.
Решение проблемы «по старинке»
Каждому первокурснику любого строительного или околостроительного учебного заведения известно: бетон не выдерживает серьезные нагрузки на изгиб, как не дорабатывай его подбор состава, и какие суперпластификаторы не добавляй. Как правило, прочность на изгиб бетона любой марки в 28-суточном возрасте меньше чем на сжатие 8, а то и в 10 раз. Этот недостаток проявляется в виде трещин в нижней части любого бетонного изделия, и как следствие, его раннее разрушение.
Для предотвращения проявления такого свойства, уже более 100 лет бетон армируют специальными каркасами, располагающимися в нижней части изделия. Арматура берет растягивающие нагрузки на себя, увеличивая долговечность бетона и его способность сопротивления изгибающим нагрузкам.
Но все это лирика, по сравнению с тем, что дает арматура, кроме стойкости к разрушению под действием изгибающих моментов.
- возрастание веса конструкции, соответственно увеличивается нагрузка на основание, что также требует дополнительного усиления;
- трудоемкость выполнения работ;
- коррозия металла в бетонном теле, как одна из причин уменьшения его эксплуатационного срока;
- затраты на металл значительны, как и услуги специалистов, работающих с ними.
С такими недостатками, можно сказать, смирились. Делаются дополнительные расчеты и допуски. В принципе, на армировании выстроен весь отлаженный строительный механизм в нашей стране. Новаторы смотрят на мир иначе — в том числе и на роль арматуры бетоне. Одни делают ее из пластика, другие, вообще, пытаются исключить…
Новый взгляд на гибкость бетона
Да, именно исключить арматуру из железобетона. Подобной целью задались ученые, работающие в сингапурской школе экологической инженерии NTU’s School of Civil and Environmental Engineering. Они разработали уникальную добавку в бетон, делающую его не только более прочным, а также максимально гибким и практически не скользким.
Профессор Ян Ан-Хуа, работающий над этим вопросом, заявил, что прорывом для их открытия стали многие часы изучения бетона, его основных компонентов и их взаимодействие на молекулярном уровне. Когда пришло осознание, как они работают вместе, какое влияние имеют друг на друга, стало понятно, какие добавки лучше всего использовать для достижения определенных свойств бетона.
Например, для получения гибкости, в бетон добавляется специальное ультратонкое волокно, которое равномерно воспринимает нагрузки, распределяя их по всей площади бетона. Также подобные волокна не бетонируются «намертво» в растворе. Они как бы проскальзывают под давлением относительно друг друга.
Именно поэтому бетон и напоминает своими свойствами кусок резины. К таким армирующим волокнам также добавляют присадку, которая позволяет заполнителю образовывать шершавый рельеф на поверхности бетона, который смело можно назвать антискользящим. Подобный бетон авторы разработки назвали ConFlexPave.
К слову сказать, подобное вещество по своему составу никоим образом не напоминает фиброволокно, которое добавляется в ячеистые бетоны, хотя и схоже своим видом. Как утверждают разработчики, такая фибра – новая разработка, которая может в будущем полностью заменить арматуру в бетоне.
«Отказаться от арматуры», — вы шутите?
Создатели бетона ConFlexPave стремятся к тому, чтобы полностью заменить громоздкую арматуру на свое сверхлегкое и невероятно прочное фиброволокно.
На сегодняшний день пока еще ведутся разработки в этой области. Пока лишь были обнародованы фото и часть результатов испытания образца гибкого бетона.
Результат ошеломляющий. Показатели прочности бетона с фиброй как на сжатие, так и на растяжение практически одинаковы и больше чем у обычного образца почти в 3 раза при аналогичной проектной марке раствора.
Как утверждает разработчик гибкого бетона, они создавали свое детище в первую очередь для увеличения эксплуатационного периода бетонных дорожных покрытий. К тому же подобная разработка позволит уменьшить их толщину и скорость укладки. К тому же, гибкий бетон станет спасением не только при проведении дорожных работ.
Его свойства взяли на заметку для разработки сейсмоустойчивых монолитных зданий и конструкций. Трудно даже представить, какую революцию произведет подобная разработка в области изготовления железобетона, в свое время, конечно, когда мы будем к этому готовы…
Бетон, как строительное средство, был впервые получен еще в Древнем Риме.
Но с тех пор требования к его качеству и характеристикам выросли многократно. Возведение сооружений в сейсмически опасных зонах и под водой вызвало необходимость получения новых типов бетона, которые бы обладали повышенной прочностью и упругостью одновременно.
Характеристики эластобетона
Материал не ломается на куски, как стекло. При больших нагрузках на сжатие он только прогибается. Образующиеся микротрещины не ведут к дальнейшему разрушению, как в обычных конструкциях. Причина такой прочности – в специальных добавках. Предназначены они для заливки полов в промышленных масштабах. Это уже финишное покрытие, которое не требует дополнительного выравнивания и пропиток. Применяется также эластичный материал при изготовлении цветной мозаики на полах – терраццо. Здесь отлично сочетаются разные оттенки и узоры.
Главное свойство бетона – это сохранение целостности структуры при возникновении разного рода нагрузок. Появление пустот вызывает постепенное разрушение изделия. Поэтому при внесении специальных компонентов данная техническая характеристика не должна быть ухудшена.
Наоборот, они улучшают адгезию разных веществ между собой и армирующими элементами. Добавки снижают размеры возможных раковин, увеличивая срок эксплуатации изделий, улучшая прочностные данные и понижая влагопроницаемость затвердевшей массы.
Виды эластобетона
На практике используется несколько типов материала, отличающихся свойствами и характером действия:
• пластификаторы;
• противоморозные;
• модификаторы;
• замедлители;
• отвердители;
• вещества для самовыравнивания поверхностей.
Эластичные свойства придают цементному составу специальные добавки – пластификаторы. В их основе содержатся полимерные компоненты, которые вносятся в сухие смеси и жидкие бетонные растворы. Делается это с целью получения заданной текучести, влагопоглощения, пластичности. Вместе с тем они не должны иметь запаха, хорошо смешиваться с основным веществом – цементом, быть устойчивыми к воздействию растворителей, обладать минимальным уровнем испаряемости.
Важно! Пластификаторы увеличивают прочность цементного раствора после его окончательного отвердевания.
Кроме обеспечения упругости, они снижают массу раствора. Например, перекрытие с такой бетонной стяжкой весит меньше. Следовательно, сокращается и нагрузка на опоры.Основной проблемой всех типов бетонов является постепенное снижение прочности в результате влияния воды и низких температур. Добавки поднимают температурный порог промерзания. Это действие похоже на работу антифриза в воде, который не дает ей замерзнуть при отрицательной температуре. Слой бетона в 10 см может застывать в течение месяца при положительных ее значениях.
Противоморозные добавки сокращают сроки застывания независимо от наружного температурного режима. Замедление действия низкой температуры на смесь позволяет ей схватываться, а не промерзать. Так бывает с обычным раствором, положенным при морозах, после оттаивания стяжка рассыпается. Работа при -25°С не ухудшает строительных свойств кладки и стяжки. Излишки жидкости, благодаря добавкам, в ходе застывания испаряются, а не замерзают, разрывая конструкцию.
Модифицирующие средства изменяют внутреннюю структуру смеси таким образом, что расслоение бетона отсутствует даже при появлении микротрещин и попадании воды. Принцип действия модифицирующего порошка заключается во взаимодействии с водой. При этом образуется нейтральный или низкощелочной раствор. Кроме названных качеств, модификаторы снижают расход стройматериалов, уменьшают температуру замерзания жидкости, улучшают слипаемость отдельных ингредиентов.
Замедлители увеличивают период застывания цементного раствора. Такое свойство полезно при перевозке его на большие расстояния. Например, чем выше марка цемента, тем он быстрее застывает. Поэтому введение в состав замедлителей позволит устранить риск быстрого схватывания.
Отвердители или ускорители, наоборот, сокращают время отвердевания. Они проникают в микроструктуру цемента, равномерно распределяясь в молекулярной решетке. Данное свойство важно при непрерывности процесса и для увеличения скорости строительных работ.
Ускорители, как противоморозные добавки, можно применять при низких значениях температуры воздуха. Специальные средства для самовыравнивающейся смеси придают ей высокую прочность и улучшают характеристики подвижности и текучести.
Заметка! Выпускаемые спецдобавки для бетонных смесей ускоряют работу по кладке или стяжке, отделке наружных покрытий. Если раньше для выведения воздуха применялись различные механические уплотнители, то теперь его удаление происходит без участия людей или оборудования.
Гибкий бетон
В Сингапуре создано инновационное строительное вещество – гибкий бетон ConFlexPave. Его прочность сопоставима со стальными материалами, а гибкость в два раза превышает этот показатель обычной цементной конструкции. В состав гибкого бетона входит полимерное микроволокно. Оно, кроме гибкости, усиливает адгезию бетона с покрываемой поверхностью.
Это уже не просто бетон, а композитное вещество, в которое добавляют разные компоненты в зависимости от поставленных задач.
Теперь бетонные композиты заменят обычные плиты на дорожном или аэродромном покрытии. Они легче и прочнее, что важно при строительстве мостов, домов и других высотных сооружений.
Первые виды гибких бетонов появились около десятка лет назад. Их принцип работы заключается в скольжении слоев стройматериала между собой. В то время как у традиционной смеси все компоненты просто твердеют и теряют эластичность. Поэтому у нового бетона нет деформаций, ведущих к медленному разрушению. У гибкого бетона есть один недостаток – цена. Стоимость его в три раза выше, чем у обычного изделия.
Самозалечивающийся эластичный бетон
В Нидерландах создан новый вид бетонов, который может «залечивать» сам себя с помощью бактериальных микроорганизмов, вырабатывающих известковые материалы. Его принцип действия заключается в закладке в ходе формирования раствора капсул с бактериями, находящимися в состоянии анабиоза. В случае повреждения конструкции и проникновения в неё влаги капсулы разрушаются, а бактерии под действием жидкости пробуждаются.
Питательная среда позволяет им жить и вырабатывать известковую смесь, которая заделывает трещины, восстанавливая целостность конструкции.
При решении проблемы создания «самоизлечивающегося» бетона нужно было решить вопросы, касающиеся бактерий:
1. Найти вид, который способен выжить в агрессивной щелочной среде;
2. Обеспечить их длительную сохранность;
3. Способность к активизации при благоприятных условиях.
Ученые выбрали бациллы из рода палочковидных, которые образуют внутриклеточные споры. Для них жить в щелочи – нормальное явление, как и находиться долгое время в спячке. После активизации им необходима питательная среда. Сахар для этой цели не годился, поскольку делает бетон рыхлым. Остановились на лактате кальция – кальциевой соли молочной кислоты (пищевая добавка Е327). В роли капсулы выступает синтетическое вещество, разлагающееся под действием естественных факторов.
Сейчас ученые работают над природоподобными материалами, которые используются не только в строительной индустрии, но и в информационных и компьютерных системах.
что делает его эластичным, но сверхпрочным?
Каждый, кто хоть раз имел дело с бетоном, знает, что этот материал почти не выдерживает нагрузок на изгиб. Чтобы избежать появления трещин, а значит, разрушения, нужно заложить в него арматуру. Или же… придать эластичность. Существуют технологии, способные сделать бетон гибким. О них и пойдет речь в этой статье
Казалось бы, зачем вообще отказываться от арматуры? Металлический каркас упрочняет бетон настолько, чтобы он служил многие десятилетия. Но у этой технологии есть недостатки. Прежде всего, это увеличение веса монолита, которое заметно усложняет строительство. Фундамент, который через стены принимает нагрузку от тяжелой плиты перекрытия, нужно усиливать, что, как говорится, «влетает в копеечку». Да и сами метизы обходятся недешево.
Кроме того, даже самая качественная стальная арматура со временем ржавеет, разрушая бетон изнутри. И наконец, закладка каркаса — довольно трудоемкий процесс, которые отнимает время, силы и деньги.
Строители давно уже смирились с этими неудобствами и принимают их как должное, но новаторы смотрят на мир иначе. Если арматура создает проблемы и тормозит рабочие процессы, ее нужно убрать.
Испытания гибкого бетона
Именно так подумали ученые из школы экологической инженерии NTU’s School of Civil and Environmental Engineering (Сингапур). Пройдя долгий путь проб и ошибок, они разработали уникальную добавку, которая не только упрочняет бетон, но и делает его гибким.
Речь идет об особом ультратонком волокне, которое замешивают в раствор. Но это не обычная фибра, используемая в ячеистых бетонах. Тончайшие шелковистые нити не схватываются с цементом, а скользят в теле монолита. Именно это придает ему эластичность и позволяет отказаться от использования арматуры.
При прочих равных гибкий бетон, армированный ультратонким волокном, почти в три раза прочнее обычного
Структура гибкого бетона ConFlexPave
Новому бетону дали название ConFlexPave.
Помимо армирующего волокна в его состав добавили присадку, которая делает поверхность плиты шероховатой. Антискользящие свойства крайне важны, так как изначально материал предназначался для дорожных покрытий. Позже его стали использовать при строительстве сейсмоустойчивых домов, а также автомобильных мостов. Это ли не доказательство высокой прочности? Сегодня гибкий бетон довольно активно используется в Японии и США. Можно не сомневаться, что за ним — большое будущее.
Впрочем, справедливости ради стоит заметить, что гибкий бетон не безупречен. Основной его недостаток — высокая цена. Модифицированный состав стоит в три раза дороже обычного. Это тормозит его распространение, но есть основания полагать, что со временем разработчики найдут способ удешевить технологию.
Разумеется, исследования по созданию гибкого бетона ведутся и в России. Уже довольно давно существуют заслуживающие внимания продукты. Например, добавка «Эластобетон», сертифицированная ГОСТ ISO 9001-2011. Она служит не только для придания материалу эластичности, но также для увеличения прочности, морозостойкости и износостойкости.
Кроме того, ее использование позволяет сократить толщину бетонной стяжки, сэкономив на количестве смеси, и ускорить ее затвердевание.
Добавка «Эластобетон» позволяет заливать бетон при температуре до −5°С, не опасаясь потери прочности из-за замерзания смеси
Модификатор активно используют при изготовлении бетонных полов, подверженных большим нагрузкам. В основном на промышленных объектах, таких, как склады, гаражи и производственные цеха.
Добавки «Эластобетон А» и «Эластобетон Б»
Существует три разновидности добавок, повышающих эластичность и прочность бетона. «Эластобетон-A» служит для создания бетонных стяжек толщиной от 40 мм. Он позволяет сократить срок затвердевания бетона до 7 суток. То есть уже спустя неделю после заливки смеси пол можно подвергать нагрузкам. «Эластобетон-B» предназначен для создания упрочненных стяжек толщиной от 15 мм. Такой пол можно ввести в эксплуатацию уже через 5 дней.
И наконец, «Эластобетон-C» — стяжка толщиной от 8 мм и 5-6 дней соответственно.
Завершая тему гибкого бетона, расскажем о еще одной интересной разработке. Оказывается, материалу можно не только придать эластичность, но и научить его реставрировать себя самостоятельно. Существует так называемый самовосстанавливающийся эластичный бетон, созданный учеными из Нидерландов (Хенк Йонкерс и Эрик Шланген). В его состав помимо цемента, песка и модифицирующих добавок входят гранулы биоразлагающегося пластика с лактатом кальция и спорами бактерий, которые им питаются. Микроорганизмы, законсервированные в теле плиты, находятся в спящем состоянии, пока монолит цел. Но стоит появиться трещинам, влага пробуждает бактерии, и они начинают питаться пластиком. А результатом их жизнедеятельности является кальцит (известняк) заполняющий повреждения.
Эта перспективная разработка пока еще не получила широкого применения из-за высокой себестоимости, но, как и в случае с простым гибким бетоном, со временем она станет более доступной.
Сравнение обычного и самовосстанавливающегося бетонов
Характеристики | Обычный бетон | Самовосстанавливающийся бетон |
Образование трещин | + | временно |
Долговечность | до 100 лет | более 200 лет |
Плотность бетона | до 2500 кг/м³ и выше | до 1800 кг/м³ |
Прочность при сжатии | В15 | В25 |
Прочность при изгибе | Btb6,8 | Btb8 |
Способность к регенерации | – | + |
Изготовление гибкого бетона — GreenBuildingAdvisor
В отличие от обычного бетона, инженерный цементный композит (ECC) может изгибаться под давлением без разрушения.
(Фото: Виктор Ли)Весенний строительный сезон идет полным ходом, и в ближайшие месяцы будет использовано много тонн бетона. К сожалению, бетон является хрупким материалом: под нагрузкой он не может сильно согнуться, прежде чем сломается. Некоторые покрытия, заливаемые сейчас, через несколько лет треснут и потребуют дорогостоящего ремонта. Будет замешан новый бетон, и цикл начнется снова.
Но есть лучшее решение. Моя лаборатория в Мичиганском университете, наряду со многими другими лабораториями по всему миру, показала, что можно сделать бетон более пластичным, то есть сгибаемым без разрушения. Гибкий бетон делает инфраструктуру более безопасной, продлевает срок ее службы и снижает затраты на техническое обслуживание и использование ресурсов.
Гражданская инфраструктура очень редко выходит из строя, потому что ей не хватает прочности на сжатие — способности выдерживать нагрузки, сжимающие ее, как когда колонны поддерживают вес здания. Большинство отказов происходит из-за того, что конструкции не обладают достаточной способностью выдерживать растягивающую нагрузку — способность деформироваться или растягиваться без разрыва — даже несмотря на то, что стальная арматура часто добавляется в бетон для предотвращения катастрофического разрушения конструкции.
Многие серьезные опасения по поводу плачевного состояния инфраструктуры США связаны с хрупкостью бетона. Трещины в бетоне могут сократить срок службы конструкции. Они также ослабляют его и делают менее устойчивым к естественным силам, таким как землетрясения или торнадо, или к антропогенным силам, таким как взрывы бомб во время террористических атак.
Например, 52 человека погибли во время землетрясения в Лома-Приета в Северной Калифорнии в 1989 году из-за обрушения зданий и автострад. Основные автомагистрали также сильно пострадали в 19Землетрясение 94 года в Нортридже в Лос-Анджелесе, в том числе то, которое было восстановлено после землетрясения 1971 года. Если бы землетрясение произошло в час пик в будний день, а не в 4:30 утра в выходной понедельник, результаты могли быть катастрофическими.
Повторяющийся ремонт и реконструкция инфраструктуры требует огромного количества материалов и энергии. Исследования показали, что углеродный и энергетический след частых ремонтных работ, а также связанные с ними социальные и экономические издержки намного превышают те, которые связаны с первоначальным строительством.
Мы все расплачиваемся за эти затраты, застревая в пробках, повышенных налогах и загрязненном воздухе.
Изгиб бетона
Для разработки пластичного бетона наша лаборатория позаимствовала идеи у перламутра, также известного как перламутр — переливающегося материала на внутренней стороне раковин морского ушка.
Моллюски производят перламутр из арагонита, природной формы карбоната кальция, который сам по себе чрезвычайно хрупок. Но перламутр пластичен благодаря своей архитектуре на наноуровне, которая выглядит как кирпичная стена. «Кирпичи» представляют собой тонкие слои пластинок арагонита, а «раствор» между ними — природный полимер, очень эластичный. Полимер удерживает жесткие слои арагонита вместе, но позволяет им скользить из стороны в сторону под нагрузкой. Эта структура делает перламутр одновременно прочным и гибким.
Бетон представляет собой композитную смесь, обычно состоящую из частиц гравия и песка, связанных цементом. Для разработки пластичного бетона мы имитировали «податливость» перламутра, распределяя крошечные волокна внутри композита.
При правильном контроле поверхности раздела между волокнами и цементом воссоздают контролируемое проскальзывание перламутра.
Мы называем полученный пластичный бетон инженерно-цементным композитом (ECC) или деформационно-твердеющим цементным композитом. Он может деформироваться от 3% до 5% при растяжении, прежде чем разрушится, что дает ему в 300-500 раз большую способность к растяжению, чем обычный бетон. Это позволяет его плите подвергаться большому изгибу, не разрушаясь на части, за что он получил прозвище гибкого или сгибаемого бетона.
ECC был изобретен в Мичиганском университете, и к настоящему времени он приобрел поддержку сотен университетов и промышленных предприятий, проводящих дальнейшие инженерные исследования и разработки технологий.
Применение для гибкого бетона
Создание гибкого бетона устраняет несколько ключевых недостатков обычного бетона. Во-первых, подавление хрупкого разрушения предотвращает образование широких трещин, которые позволяют воде и другим агрессивным веществам, таким как дорожная соль, легко проникать в бетонные конструкции и воздействовать на их арматурную сталь.
Экспериментальные данные и наши теоретические расчеты показывают, что можно увеличить время, необходимое для того, чтобы хлорид из дорожной соли на поверхности настила моста достиг и разъел арматуру с нескольких лет до десятков лет. Эта способность подавлять разрушение использовалась в ряде проектов, начиная от ремонта заплат и заканчивая соединительными плитами настила мостов, которые значительно продлевают срок службы.
Сгибаемый бетон также позволяет конструктивным элементам поглощать большое количество энергии. Например, производители разработали демпферы ECC для модернизации 28-километрового виадука Seisho Bypass вдоль восточного побережья Японии и для повышения устойчивости новых высотных зданий во время землетрясений, в том числе в Токио и Осаке.
У гибкого бетона есть много других потенциальных крупномасштабных промышленных применений, включая водную инфраструктуру и подземное строительство.
Широкое использование ECC потребует хорошей цепочки поставок и разумного использования материала для оптимизации экономических затрат. Самым значительным препятствием является тот факт, что ECC все еще является относительно новым для инженеров-строителей, которые привыкли предполагать, что бетон не может выдерживать растяжение.
Как гибкий бетон может восстанавливаться
Наш бетонный композит также может научиться новым приемам. Например, когда он поврежден, образующиеся волосяные трещины могут зажить только под воздействием воды и воздуха. Самогенерирующиеся реакции создают заживляющие продукты за счет продолжающейся гидратации и минерализации углерода, связывая поверхности трещин воедино почти так же, как наша кожа заживает после пореза бумагой. Самовосстанавливающийся бетон может сделать такие конструкции, как дороги и мосты, более прочными.
Сгибаемый бетон также может регулировать свою собственную теплоемкость, так что он сохраняет больше тепла при высокой температуре наружного воздуха, сохраняя прохладу внутри здания. Инкапсулированные воскоподобные материалы микронного размера в бетоне переходят из твердой формы в жидкую, как крошечные кубики льда, растворяющиеся в воде, когда температура достигает уровня, некомфортного для человека.
В настоящее время мы учим ECC нейтрализовывать загрязняющие вещества, тем самым помогая поддерживать чистоту воздуха в городских условиях. Встроенные в композит наночастицы титана расщепляют загрязняющие вещества до безвредного вещества посредством реакций, катализируемых солнечным светом.
Эти автономные и адаптивные функциональные функции могут способствовать развитию умных городов будущего с инфраструктурой, реагирующей на изменения окружающей среды. Наша цель — создать новое поколение умного, гибкого бетона, который поможет создать и поддерживать устойчивую, устойчивую и здоровую среду обитания.
Виктор Ли — профессор технических наук Мичиганского университета. Этот пост изначально появился на The Conversation.
10 советов по созданию лучшего бетонного тротуара
Создавайте прочные бетонные тротуары и плиты без трещин, следуя советам профессионалов по формированию кромок, выравниванию, сглаживанию, отверждению и другим важным этапам создания первоклассной бетонной заливки.
Семейный мастер на все руки
Бетонный тротуар — прекрасное дополнение к любому дому, которое может значительно улучшить его привлекательность. Это также отличный проект «сделай сам» для начинающих, занимающихся своим первым бетонным проектом.
Если вы решите добавить в свой дом дорожку, она должна быть прочной и без трещин, чтобы предотвратить головную боль в будущем. Эти 10 советов от специалистов по бетону помогут во всем: от формирования краев, выравнивания, сглаживания, отверждения и других важных шагов в создании первоклассной бетонной заливки.
1 / 10
Перестройте свои бетонные формы
У каждого строителя, заливавшего бетонную плиту или дорожку, есть ужасная история о формах, которые вздулись или даже разрушились под действием влажного бетона. Чтобы избежать собственной ужасной истории, стройте сильные формы. Используйте доски толщиной 1-1/2 дюйма (2×4, 2×6 и т. д.), за исключением изгибов. Если вы используете 2×4 или 2×6, разместите колышки на расстоянии не более 3 футов друг от друга.
Если формы уходят под землю, присыпьте их землей. Если они возвышаются более чем на 6 дюймов над землей, уменьшите расстояние между кольями и подкрепите каждую второй стойкой и диагональным «кикером».
2 / 10
Формирование кривых бетонных тротуаров с помощью ДВП
Обшивка из фиброцементных плит предназначена для наружных стен, но она также отлично подходит для формирования кривых, поскольку она гибкая и дешевая. 12-дюймовый. х 16 футов. планка не будет стоить дорого, и вы можете отрезать ее до любой ширины, которая вам нужна.
В сырую погоду оргалит может набухнуть, и ваши идеальные изгибы могут стать волнистыми. Так что, если прогнозируется дождь, будьте готовы накрыть формы из оргалита.
3 / 10
Держите колья под бетонными опалубками
Колья, которые выступают над опалубками, создают препятствие для вашей стяжной плиты, а стяжка бетона достаточно трудна и без препятствий. Поэтому, прежде чем залить, потратьте пять минут на то, чтобы срезать все выступающие колышки.
4 / 10
Укладка прочного основания для бетона
Прочное, хорошо дренированное основание является залогом отсутствия трещин в бетоне. Лучший план для твердого основания обычно включает уплотненную почву, за которой следует несколько дюймов основного материала, такого как гравий. Но лучшая основа зависит от климата и почвенных условий. Поэтому поговорите с местным инспектором по строительству, который знаком с условиями в вашем районе.
Уплотнение почвы с помощью арендованной виброплиты всегда является хорошей идеей, но вы можете вообще отказаться от гравия, если у вас песчаная почва.
5 / 10
Выдавите пузыри из бетона
При заливке бетона воздушные карманы захватываются опалубкой, оставляя пустоты на вертикальных поверхностях.
6 / 10
Семейный мастер на все руки
Избегайте слишком большого количества воды в бетонной смеси
Когда вам доставят бетон, первыми словами водителя, слетающими с губ, могут быть: «Мне добавить немного воды?» Если бетон не слишком сухой, чтобы стекать по желобу, ваш ответ должен быть отрицательным. Необходимое количество воды тщательно отмеряется на заводе. Дополнительная вода ослабляет смесь. Большее количество воды облегчает работу сразу, но приводит к более слабой плите.
Если вы замешиваете бетон самостоятельно, проведите этот тест: пропахните канавку в насыпи бетона лопатой или мотыгой. Канавка должна быть достаточно гладкой и держать форму.
7 / 10
Не откладывайте затирку бетона
Следующим шагом после заливки бетона является его затирка. Всплывание сдавливает камни в смеси и вытягивает цементную «сливку» на поверхность, чтобы вы могли позже затереть или зачистить поверхность, не зацепляя куски гравия. Если ждать слишком долго и бетон начинает застывать, нанесение крема будет затруднено или невозможно. Таким образом, время затирки наступает сразу после стяжки.
На длинном тротуаре или подъездной дорожке лучше иметь помощника, который может начать плавать еще до того, как вся стяжка будет сделана. Однако есть одна причина отложить затирку: если после стяжки на поверхности образуются лужи воды, подождите, пока они не исчезнут, прежде чем заливать.
В небольших проектах можно использовать ручную терку из дерева или магния. «Магнитный» поплавок легче скользит, уменьшая нагрузку на руку.
Но для более крупных проектов, таких как подъездные пути или патио, не стоит возиться с ручным поплавком. Вместо этого используйте поплавок для быков. Длинная ручка расширяет досягаемость и облегчает работу, а широкая головка быстро охватывает поверхность и сглаживает любые выпуклости или углубления. Чтобы сделать поверхность как можно более плоской, проведите ею в обоих направлениях.
8 / 10
Вырезание глубоких компенсационных швов в бетонной дорожке
Канавки в бетоне называются «контршвы», поскольку они контролируют появление трещин на поверхности. Бетон дает усадку по мере высыхания, поэтому где-то должны быть трещины. Контрольные соединения создают прямые разрывы, а не уродливую паутину. Они также ограничивают трещины, которые образуются позже. На тротуаре расстояние между стыками не превышает 5 футов; на плите или подъездной дорожке на расстоянии не более 10 футов друг от друга.
Существует два способа выполнения контрольных швов: вспахать их в мокром бетоне сразу после затирки или вырезать на следующий день пилой.
Вы можете купить алмазный диск для циркулярной пилы в домашних центрах. Создание швов с помощью «канавки» во влажном бетоне требует меньше работы и меньше хлопот. Швы должны быть не менее одной четверти глубины бетона.
9 / 10
Финишная обработка бетона метлой
Большинство людей используют стальную кельму для финишной отделки бетона, но гладкая поверхность, которую он создает, слишком скользкая для использования вне помещений. Вместо этого протащите метлу по бетону. Вы получите нескользящую текстуру и скроете дефекты, оставленные затиркой или затиркой. Вы можете использовать обычную старую метлу, но специальная бетонная щетка режет более тонкие линии.
Чем раньше начнешь, тем грубее получится. Сделайте свой первый проход примерно через 15 минут после флоатинга. Если текстура слишком грубая, разгладьте ее магнитной теркой и повторите попытку через 15 минут. Проведите метлой по бетону параллельными, слегка перекрывающимися движениями. Возможно, вам придется время от времени промывать щетку, чтобы избежать слишком грубой отделки.
10 / 10
Замедление отверждения бетона
Вода необходима для химического процесса, в результате которого бетон затвердевает: чем дольше бетон остается влажным, тем тверже и прочнее он становится. Один из способов замедлить высыхание — покрыть бетон пластиковой пленкой толщиной 4 мил. Когда бетон станет достаточно твердым, чтобы вы не могли оставить отпечаток пальцем, аккуратно разровняйте пластик. Растяните его, чтобы избавиться от складок, и прижмите края, чтобы запечатать влагу.
Когда вы увидите признаки высыхания, поднимите пластик и аккуратно сбрызните водой. Держите тротуар или патио влажным в течение трех дней. Семь дней лучше всего для подъездной дорожки. Пластик может вызвать крапчатую окраску бетона, но пятна исчезнут через месяц или два.
Профессионалы часто пропускают пластик и распыляют воскообразную жидкость «отвердитель», чтобы замедлить испарение. Хотя они и не так эффективны, как пластик, отвердители легко наносятся с помощью садового опрыскивателя.