Бетон является наиболее распространенным строительным материалом, широко используемым в зданиях, мостах, дорогах и дамбах. Его применение варьируется от конструкционных применений до тротуаров, бордюров, труб и водостоков. Бетон — это композитный материал, состоящий в основном из портландцемента, воды и заполнителя (гравия, песка или камня). Прочность бетона определяется усилием, необходимым для его разрушения, и измеряется в фунтах на квадратный дюйм или килограммах на квадратный сантиметр. На прочность могут влиять многие переменные, включая влажность и температуру. Благодаря своим преимуществам и стремлению к экологичности, технология производства бетона подвергается экспериментам для улучшения дизайна и энергосбережения.
Ниже приведены некоторые инновационные технологии производства бетона, используемые по всему миру.
Полупрозрачный бетон, пропускающий свет
Подход HeidelbergCement к пропусканию света через бетон является выдающимся в отрасли. Вместо акриловых стержней или оптических волокон Luccon использует полупрозрачную ткань, которая слой за слоем заливается в мелкозернистый бетон, позволяя свету, теням и даже цветам проходить сквозь бетон с незначительным ухудшением качества. Поскольку волокна ткани имеют небольшой диаметр, а доля ткани в бетоне относительно невелика, Luccon обеспечивает ту же прочность и долговечность, что и обычный бетон.
Из-за изгибов волокон и шероховатостей на срезанных поверхностях волокон светопропускание обычно составляет чуть меньше половины падающего на волокна света, поэтому при пяти процентах волокон получается около двух процентов.Поскольку реакция человеческого глаза на свет нелинейна, это все равно может обеспечить полезное дневное освещение. Теоретически волокна могут переносить свет по углам и на расстояние в десятки метров, причем скорость потерь с увеличением длины зависит от типа волокна и способа его изгиба.
Светопрозрачный бетон используется в изобразительном искусстве в качестве фасадного материала и для облицовки внутренних стен. Светопропускающий бетон также применяется в различных дизайнерских изделиях.Существует несколько способов производства светопрозрачного бетона. Все они основаны на мелкозернистом бетоне (около 95%) и только 5% светопроводящих элементов, которые добавляются в процессе литья. После схватывания бетон разрезается на плиты или камни с помощью стандартного оборудования для резки каменных материалов.
Графический рисунок бетона для поверхности сборного железобетона
PAC средней школы Мерфисборо является вехой инноваций в области графического бетона. Примечательным аспектом этого проекта является то, что он был крупнейшим и одним из первых проектов в Соединенных Штатах, в которых использовалась технология Graphic Concrete. Графический бетон позволяет дизайнерам наносить любое изображение или узор на поверхность сборного железобетона. Эта технология быстро меняет правила игры в архитектурной индустрии сборного железобетона. Рисунок леса был ключевой особенностью дизайна в этом проекте, который состоял из 19 876 квадратных футов 12-дюймовых (4-4-4) стеновых панелей с высокоэффективной изоляцией из углеродистой стали.
Этот проект включал в себя строительство нового центра исполнительских искусств на 700 мест в соответствии с требованиями ADA и связанных с ним вспомогательных помещений взамен разрушенного нынешнего зрительного зала на 400 мест. Предыдущее здание было построено в 1977 году из КМУ / кирпича, деревянных ферм и кровли из EPDM. Деревянные фермы провалились под весом оборудования для кровли. Обрушилась крыша, что привело к прогибу наружных стен.
Новое здание было построено с использованием сборных железобетонных стен для наружных работ и стен из КМУ для внутренних работ. С тех пор этот архитектор взял на вооружение передовой метод использования сборных панелей для наружных стен во всех своих проектах аудиторий. Сборный железобетон был особенно приветствован в этих обстоятельствах (школьным округом и всеми сторонами), чтобы избежать очередного разрушения конструкции и удовлетворить потребность в более быстром возведении здания.
Марсианский бетон как замена бетонных компонентов
Исследователи считают, что реголит на Марсе может послужить заменой бетонным компонентам. Марсоходы использовали газовую хроматографию, масс-спектрометрию и лазерную спектрометрию для определения состава марсианского грунта. Марсианский реголит в основном состоит из диоксида кремния и оксида железа с изрядным количеством оксида алюминия, кальция и серы. Состав бетона варьируется от места к месту на поверхности планеты из-за непостоянства столкновений астероидов и выветривания ветром и водой, в древних океанах и в некоторых современных водных потоках. Но ни один космический корабль не вернулся на Землю с настоящими образцами материала.
Исследователи считают, что реголит на Марсе может послужить заменой бетонным компонентам. Марсоходы использовали газовую хроматографию, масс-спектрометрию и лазерную спектрометрию для определения состава марсианского грунта. Марсианский реголит в основном состоит из диоксида кремния и оксида железа с изрядным количеством оксида алюминия, кальция и серы. Состав бетона варьируется от места к месту на поверхности планеты из-за непостоянства столкновений астероидов и выветривания ветром и водой, в древних океанах и в некоторых современных водных потоках. Но ни один космический корабль не вернулся на Землю с настоящими образцами материала.
Итак, ученые из Космического центра имени Джонсона НАСА использовали данные марсохода для разработки имитатора Марса-1а, смеси земных минералов, разработанной в соответствии с составом и размером частиц почвы Марса. Ученые использовали этот реголитовый стенд для испытаний новых строительных материалов. АО «Марс-1а» изготавливается из базальта, добытого из вулкана на Гавайях. Тем временем Мюллер использует другой имитатор реголита под названием BP-1. Этот материал изготовлен из другого измельченного базальта из лавового потока Блэк Пойнт к северу от Флагстаффа, штат Аризона. “
Армированный “гнущийся” бетон, устойчивый к растрескиванию
Ученые Мичиганского университета разработали новый тип армированного волокнами “гибкого” бетона. Новый бетон выглядит как обычный бетон, но в 500 раз более устойчив к растрескиванию и на 40 процентов легче по весу. Крошечные волокна, которые составляют около 2 процентов от объема смеси, частично определяют ее эксплуатационные характеристики. Кроме того, материалы, входящие в состав самого бетона, обеспечивают максимальную гибкость. Ожидается, что инженерные цементные композиты (ECC) из-за их длительного срока службы также будут стоить дешевле в долгосрочной перспективе.Это особый тип бетона, который может выдерживать изгибающие нагрузки. Он состоит из особого типа материала, который делает его гибким. Он был разработан профессором Виктором Ли из Мичиганского университета.
Гибкий бетон на шаг приблизился к выходу на рынок.новая разработка. Над этим работает Габриэль Арсе, научный сотрудник по управлению строительством в Университете штата Луизиана. Arce руководила многолетним проектом под названием “Оценка эксплуатационных характеристик и экономической эффективности инженерных цементирующих композитов, произведенных из местных материалов региона 6”, в рамках которого проводились эксперименты с множеством местных материалов для разработки более экономичного и масштабируемого гибкого бетона. Материал, в состав которого входят волокно ПВА, мелкозернистый песок из реки Миссисипи и собранная на месте зола-унос, стоит дороже обычного бетона, но намного дешевле существующего ECC.
Arce, чей проект финансировался Транспортным консорциумом Южно-Центральных штатов (Tran-SET), ассоциацией нескольких университетов южной части США, надеется увидеть использование гибкого бетона для решения проблем, связанных с ветшающей и часто плохо обслуживаемой инфраструктурой этой страны. В октябре прошлого года он испытал новый ECC, используя материал для ремонта участка тротуара Батон-Руж — это не строительство моста, плотины или башни, но, надеюсь, это был шаг к построению более безопасного, долговечного и устойчивого мира.
Биочувствительный бетон для колонизации конструкционного бетона
Лаборатория биоты Школы архитектуры Бартлетта, расположенной в Университетском колледже Лондона, разработала бетон, который стимулирует заселение конструкционного бетона растениями. Фосфат магния смешивается с портландцементом различной геометрии, способствуя росту мхов, лишайников и водорослей в различных участках бетона. Установки способны вырабатывать кислород, а также фильтровать или поглощать CO2 и другие загрязняющие вещества из воздуха. Эта система создает нечто похожее на зеленую стену без затрат и технического обслуживания.
В настоящее время они создают прототипы трех различных геометрий для создания панелей, которые можно наносить на поверхности зданий. Они называются Baroque, Poche и Vertical. Предполагается использование для строительства наружных поверхностей, включая крыши, но могут быть и другие потенциальные применения, такие как «зеленые» стены внутри зданий.
Живой «бетон» для снижения воздействия на окружающую среду
Разновидность живого бетона, изготовленного из бактерий, может однажды помочь снизить воздействие строительной отрасли на окружающую среду. Уил Срубар из Университета Колорадо в Боулдере и его коллеги использовали разновидность бактерий Synechococcus для создания строительных блоков различной формы.
Команда объединила бактерии с желатином, песком и питательными веществами в жидкую смесь, затем поместила ее в форму. Под воздействием тепла и солнечного света бактерии образовали кристаллы карбоната кальция вокруг частиц песка в процессе, аналогичном тому, как в океане образуются ракушки. При охлаждении желатин затвердевал, превращая смесь в гель. Затем команда обезвоживала гель, чтобы придать ему твердость, причем весь процесс занимал несколько часов.
Команда сравнивает свой живой материал с бетоном, который представляет собой смесь гравия, песка и цемента в сочетании с водой. Но по своим механическим свойствам он больше похож на строительный раствор, более слабый материал, обычно изготавливаемый из цемента и песка и находящийся между кирпичами зданий, говорит Срубар. Он еще не такой прочный, как обычные кирпичи. Преимущество использования бактерий для создания бетона заключается в том, что, если они не обезвожены полностью, они продолжают расти. Один кирпич можно расколоть, чтобы получилось два кирпича, добавив немного песка и питательного раствора. Команда показала, что из одного кирпича можно получить в общей сложности до восьми после нескольких делений.
Цифровое изготовление бетона для более легких бетонных плит
Проект трехэтажного дома, известный как DFAB House, который строится в Швейцарии учеными-естествоиспытателями, инженерами и математиками из ETH Цюрихского университета, является прекрасным примером цифрового изготовления бетона. Процесс изготовления в значительной степени зависит от цифровых технологий — архитектурные измерения заносятся в компьютеры, а затем роботы приступают к строительству. Компьютерные модели, программное обеспечение САПР (которое команда, по-видимому, разработала самостоятельно) и прототипирование помогают в изготовлении элементов, необходимых для создания интеллектуальных конструкций. Затем процесс завершается фрезерованием с ЧПУ и 3D-печатью. Одиннадцать интеллектуальных плит печатаются по отдельности на сегменты длиной 7,4 метра и площадью 78 квадратных метров, а затем соединяются вместе на месте. Предполагается, что данный проект является первым полномасштабным архитектурным проектом с использованием технологии 3D-пескоструйной печати.
Появление цифрового производства означает, что детали, необходимые для строительства, могут быть изготовлены по требованию заказчика. Это намного быстрее, чем полагаться на сборные детали. В строительстве технологии модульного изготовления становятся лучше, чем когда-либо были. Цифровые технологии и передовое промышленное производственное оборудование значительно ускоряют процесс и гарантируют более высокое качество продукции. Изготовление на месте станет новой нормой. Оцифровка процесса литья бетона произвела революцию в том, как архитекторы и инженеры выполняют свою работу. Теперь появилась возможность 3D-печати бетона с новыми геометрическими узорами, которые бросают вызов воображению и дают художественные результаты. Однако это делается не только для получения эстетически приятных результатов — бетонные плиты также более легкие.
Теплоизоляционный легкий бетон
Пеностекло Poraver® — это легкий заполнитель в соответствии с DIN EN 13055-1, идеально подходящий для производства легкого бетона (LWC). Структурные и теплоизоляционные свойства этого стекла позволяют создавать широкий ассортимент бетона для различных применений.
С помощью пеностекла вы можете производить исключительно минераьные строительные материалы, которые отвечают всем требованиям строительной физики и биологии здания с превосходными показателями. Теплоизоляция очень важна. Добавляя Poraver®, можно получить подходящий монолитный строительный материал в зависимости от области применения. Трудоемкие и дорогостоящие композитные системы внешней теплоизоляции (ETICS или EIFS) могут оказаться излишними. По сравнению с другими легкими заполнителями пеностекло Poraver® обладает очень положительным соотношением прочности при сжатии к насыпной плотности. Это позволяет создавать одно- и многослойные конструкции с очень хорошими теплоизоляционными свойствами и в то же время хорошей прочностью на сжатие. Производство несущих и изолирующих коробок для рольставен возможно благодаря превосходным свойствам легкого бетона, а также термическому разделению окон, дверных рам и других компонентов.
В современных жилых зданиях с плоской крышей Bound Poraver® может устанавливаться в качестве несущего утеплителя крыши. Для подвесных потолков Bound Poraver® служит выравнивающим слоем для покрытия трубопроводов и изолирующим базовым слоем для систем теплого пола. Использование Poraver® способствует соответствию требованиям современных пассивных домов и экологическим стандартам в строительстве.
Использование калийгеополимерных бетонных композитов (KGP)
Исследователи из Университета Ланкастера разработали цементную смесь, состоящую из отработанной золы-уноса и щелочного раствора, которая способна проводить электричество. В отличие от существующих «умных» бетонов, которые обычно изготавливаются на основе графена и углеродных нанотрубок, новая смесь не содержит никаких дорогостоящих материалов и даже дешевле в производстве, чем обычный портландцемент.
По словам руководителя проекта профессора Мохаммеда Саафи с инженерного факультета Ланкастерского университета, в смеси, известной как калиево-геополимерный композит (KGP), электричество передается с помощью ионов калия, которые проникают через кристаллическую структуру. Для приготовления цемента необходимо смешать золу-унос со щелочным раствором, в данном случае мы используем гидроксид калия и силикат калия ”, — сказал он. “При смешивании они образуют цементный материал, содержащий ионы калия, которые действуют как электролит. В конечном итоге смесь может накапливать и отводить от 200 до 500 Вт / м2.
Интеллектуальная цементная смесь также может использоваться для определения механических нагрузок на конструкции. Изменения напряжений, вызванные, например, трещинами, изменяют способ перемещения ионов калия по структуре и, следовательно, электропроводность материала. Измеряя электропроводность материала, изменения в состоянии конструкций здания можно обнаружить автоматически и мгновенно, без необходимости установки дополнительных датчиков. В настоящее время исследователи проводят дальнейшую работу по оптимизации характеристик смесей KGP и изучают возможности использования технологий 3D-печати для создания различных форм из «умного цемента».
Высококачественный графеновый бетон
Будущее применение графена может быть огромным. ZEN Graphene Solutions Ltd. является ведущим мировым разработчиком высококачественных графеновых материалов. Графен, уже появляющийся на рынке с новыми возможностями, имеет множество интересных применений. Задача ZEN как нового поставщика высококачественных материалов состоит в том, чтобы определить рынки сбыта и расставить приоритеты, а также предложить наилучшую ценность и творческий потенциал, работая в сотрудничестве с исследователями из промышленности и научных кругов. ZEN активно сотрудничает с 22 промышленными конечными потребителями и 10 канадскими университетами. ZEN также проявляет значительный интерес со стороны многочисленных канадских правительственных учреждений, которые уже непосредственно вложили более 2 миллионов долларов в исследования и разработки ZEN в области высококачественного графена. В проекте Zen’s Albany Graphite в канадском Онтарио находится крупное месторождение высококристаллического графитового углеродного аллотропа уникального качества, которое может улучшить аэрокосмическую, биомедицинскую, водоочистную, транспортную и гражданскую отрасли промышленности. Графитовое месторождение Олбани — это открытый карьер и подземный проект, общий заявленный ресурс которого составляет 24,3 млн тонн, содержащий 968 000 тонн графитового углерода марки 3.98%. В настоящее время она находится в стадии разработки.
Цемент, изготовленный на основе экстракта МОРКОВИ
Группа исследователей из Британского университета Ланкастера использовала бытовой кухонный блендер для смешивания частиц корнеплода с бетоном, чтобы выяснить, можно ли получить более прочный и экологически чистый продукт. Новый материал, изготовленный путем сочетания обычного цемента с нанопластинками, извлеченными из моркови, выброшенной пищевой промышленностью, устойчив к образованию трещин и на 80 процентов прочнее обычного продукта. Композиты не только превосходят современные цементные изделия по механическим свойствам и микроструктуре, но и используют меньшее количество цемента.
По словам команды, добавление моркови предотвращает появление трещин в бетоне. Это также означает, что требуется меньше цемента, что снижает глобальное выделение углекислого газа (CO2). По оценкам Международного энергетического агентства, на цемент приходится семь процентов от общего объема глобальных выбросов CO2. В ходе проверки концепции исследователи обнаружили, что добавление морковных нанопластинок привело к экономии 40 кг цемента и углекислого газа на кубический квадратный метр бетона.
Заключение
Различные технологии производства бетона экспериментируются в течение длительного времени, и это будет продолжаться. Добавление различных материалов и внедрение новых конструкций еще больше ускорят внедрение инноваций в технологии производства бетона.