Самовосстанавливающийся бетон

Метод работает по простому принципу: капсулы, несущие специализированные бактерии и питательные вещества, помещаются в бетон, и бактерии активизируются, как только с ними соприкасается вода. Трещиноватый бетон восстанавливается с помощью влаги и заполняется известняком, произведенным бактериями. После растрескивания капсулы или волокна разрываются и пропускают жидкости, которые в конечном итоге затвердевают в бетоне.

С амовосстанавливающийся бетон (Self-Healing Concrete (SHC) - англ.) имеет четкую систему и обычно определяется как способность бетона залечивать трещины аутогенно или автономно. Такой бетон имитирует автоматическое заживление ран тела путем секреции какого-либо материала. SHC - бетон создается путем диспергирования определенных материалов (например, капсул или волокон), содержащих ремонтные растворы, в бетонную смесь, где при появлении трещин волокна или капсулы разрушаются, и содержащаяся в них жидкость немедленно распространяется, залечивая трещину. Трещины в бетоне являются обычным явлением из-за низкой прочности на растяжение бетонных систем. Эти развитые трещины снижают долгосрочную прочность бетона, поскольку они позволяют опасным жидкостям и газам просачиваться. В то время как бетон может быть разрушен микротрещинами, стальная арматура также может быть затронута коррозией, вызванной проникновением вредных газов и жидкостей в бетонную систему.  Самовосстановление трещин в бетоне может продлить срок службы бетонных конструкций и сделать конструкцию более экологичной, одновременно повышая ее устойчивость.

Было представлено несколько принципов работы бетона по самовосстановлению:

• самовосстановление на основе капсул
• сосудистое самовосстановление
• самовосстановление электроосаждением
• микробиологическое самовосстановление
• самовосстановление посредством интеграции сплава с памятью формы 

 

Как утверждается, ранний бетон демонстрирует наилучшую способность к самовосстановлению Для обеспечения самовосстановления бетона под давлением и расщеплением используются микрокапсулы мочевины и формальдегида (диаметром 20–70 мкм), заполненные эпоксидной смолой, и микрокапсулы желатина (диаметром 125–297 мкм), заполненные акриловой смолой. Он состоит из отверждающего на воздухе агента, который доставляется через стеклянные трубки. Трубки подвергаются воздействию атмосферы с одного конца и изгибаются с другого, чтобы обеспечить лечебный фактор. Когда содержимое трубок истощается в результате растрескивания бетона, через открытый конец может быть введено дополнительное химическое вещество, чтобы обеспечить залечивание более крупных трещин. Подход с расположением электродов предлагается как способ ремонта треснувших бетонных конструкций, и было исследовано влияние этого метода на различные свойства бетона. Кроме того, изучается способность бактерий действовать как самовосстанавливающийся агент в бетоне, т. е. их способность чинить существующие трещины. Авторы продемонстрировали, что использование бактериальных спор в качестве самовосстанавливающегося агента, по-видимому, является потенциальным применением. Выявлено, что использование проволоки SMA в качестве арматурного стержня может помочь закрыть трещины и устранить аварийные повреждения в бетонных конструкциях. Благодаря высокоэластичным свойствам вставленных SMA трещины герметизируются .

Одним из основных механизмов, лежащих в основе аутогенного самовосстановления, является гидратация остаточного негидратированного цемента в матрице. С другой стороны, эта процедура производит конечное количество продуктов заживления. В результате аутогенное самовосстановление эффективно для трещин шириной 50–150 мкм. В этой ситуации аутогенное самовосстановление значительно усиливается на ранних стадиях из-за присутствия негидратированного цемента, а такие характеристики, как сжимающее напряжение для ограничения распространения трещин и циклы «влажность-сухость» могут улучшить эффективность заживления. Эффективность аутогенного заживления также можно улучшить, используя волокна для ограничения развития трещин и используя суперпластификатор в инженерных цементных композитах  (ECC) для минимизации отношения вода/цемент, что приводит к минимизации вероятности образования микротрещин. Исследовательская группа в Кардиффском университете использовала усадочные полиэтилентерефталатные  сухожилия, которые активировались с помощью нагревательной системы внутри бетонного структурного элемента для сжатия и фиксации трещины, ускоряя процесс аутогенного заживления. Также возможно значительно улучшить характеристики самовосстановления, используя оптимальные дополнительные цементные материалы и интеллектуальные расширяющиеся минералы. В отличие от аутогенного заживления, автономное самовосстановление в бетоне требует высвобождения заживляющего агента из ограниченной инкапсуляции или непрерывной сосудистой сети. Некоторые из наиболее распространенных материалов для инкапсуляции включают стекло и полимеры. Кроме того, к автономным самовосстанавливающимся агентам относятся микроорганизмы на основе бактерий, щелочно-кремниевые растворы, метилметакрилат, расширяющиеся минералы и гидрогель.

Факторы, влияющие на самовосстановление бетона

На процесс самовосстановления бетона влияет ряд переменных, включая используемый лечебный агент, защитный материал оболочки, дозировку капсул, диаметр капсул, ширину и глубину трещины, причины возникновения трещин, температуру и влажность, конструкцию бетонной или строительной смеси и, наконец, время заживления. Период, который потребовался для заживления трещин шириной 1 мм, составил 28 дней отверждения в водопроводной воде. Небольшие количества осадков были обнаружены в трещинах образцов с добавлением питательных веществ после инкубации. 

Влияние влаги на восстановление бетона

Наличие свободной воды имеет решающее значение для заживления потрескавшейся поверхности. Несколько предыдущих исследований показали, что присутствие воды играет важную роль в содействии заживлению трещин. Однако, когда процесс заживления эффективен только в присутствии воды, процесс самовосстановления сложнее контролировать, и его эффективность также трудно предсказать. Сообщается, что вода ускоряет гидратацию негидратированных частиц цемента и увеличивает растворение гидроксида кальция из бетонной матрицы вблизи поверхности трещины, что приводит к образованию продуктов заживления карбоната кальция. Другое исследование показало, что количество доступной воды в трещинах и время, необходимое для ее диффузии, имеют решающее значение для эффективного заживления. В целом было обнаружено, что трещины заживают сами собой с помощью продолжающегося образования геля кальций-силикат-гидрата и процессов осаждения карбоната кальция, а также наличия воздуха и воды . Вода описывается как наиболее важный компонент окружающей среды в обеспечении заживления ECC с точки зрения цементной матрицы как средства уменьшения роста трещин. Также сообщалось, что отверждение в воде является оптимальной средой для SHC на основе бактерий.

Ширина трещины и самовосстановление бетона

В целом, спонтанное или аутогенное заживление наиболее эффективно для чрезвычайно маленьких трещин шириной менее 0,3 мм . Потенциал стратегий самовосстановления для надлежащего и эффективного закрытия ширины трещин по-прежнему остается серьезной проблемой. На сегодняшний день Bacillus sphaericus может полностью залечить максимальную ширину трещины 0,97 мм, что почти в четыре раза больше, чем наблюдается в образце без бактерий. Для контрольной группы средняя ширина и максимальная ширина трещин, которые можно было отремонтировать, составляли около 36 мкм и 56 мкм соответственно. Однако трещины шириной более 0,3 мм могут не восстановиться. Однако трещины шириной 0,1 мм полностью заживают в течение 200 часов. Кроме того, трещины шириной от 0,2 до 0,3 мм часто заживают в течение 30 дней. Кроме того, трещины шириной от 0,15 до 0,3 мм резко уменьшаются за 7 дней и полностью заживают в течение 33 дней. Согласно нескольким отчетам, чем больше ширина трещины и чем больше их количество, тем больше объем производимого самовосстанавливающегося продукта; однако, если ширина трещины относительно большая, самовосстанавливающихся продуктов становится недостаточно для заполнения большого объема из-за эффекта ширины самой трещины. С микроскопической точки зрения самовосстанавливающиеся продукты кажутся перекрещенными и распределенными в пространственной сети, эффективно закупоривая трещины и поры. Кроме того, кажется, что самовосстанавливающиеся продукты не только помогают в ремонте, но и служат эффективным водонепроницаемым средством. С другой стороны, сообщалось, что воздействие ремонта уменьшалось по мере увеличения возраста трещины и что возраст трещины, а также ширина трещины оказывали значительное влияние на эффективность самовосстановления. В целом, процесс самовосстановления трещин в затвердевшем бетоне зависит от включения в цементные составы таких агентов, как минералы, бактерии и микрокапсулы, содержащие адгезионные элементы. Проблема возникает, когда речь идет о бетонном строительстве в морских условиях, таких как побережья; такие агрессивные среды вызывают ряд проблем из-за биологического и химического поведения окружающей среды. Эти данные могут быть использованы для демонстрации того, что самовосстановление цементных материалов может значительно продлить срок службы зданий в хлоридсодержащих средах . Поэтому способность к восстановлению (H%) можно рассчитать на основе соответствующей разницы между снижением прочности (h0 ⁾ контрольных образцов после повреждения и восстановлением прочности (h1 ⁾ поврежденных образцов после восстановления (уравнение (4)).

Н = (h0 ⁻ h1 ⁾ / ^h0

Прочность самовосстанавливающегося бетона можно рассчитать путем измерения глубины проникновения миграции хлорида, измеренной по видимому белому осаждению хлорида серебра, выраженному (уравнение (5)) как коэффициент нестационарной миграции.

D _nssm = (0,0239 × (237 + T) × L)/(U − 2) × t) + [x _d − 0,0238 ((237 + T) × L × x _d )/(U − 2)) ^0,5

где

• - D _nssm – коэффициент нестационарной миграции [м ² /с];
• - U — абсолютное значение приложенного напряжения [В];
• - T – среднее значение начальной и конечной температуры в анализируемом растворе [К];
• - L — толщина образца [м], а
• - x _d — среднее значение глубины проникновения [м]. 

 Время для гидратации

Широко установлено, что длительная гидратация приводит к улучшению способности к самовосстановлению. Самовосстановление является общепризнанным и хорошо известным свойством бетона из-за его врожденных характеристик аутогенного заживления. По истечении определенного периода времени трещины могут заживать из-за продолжающейся гидратации клинкерных минералов. С другой стороны, аутогенное заживление ограничивается небольшими трещинами и эффективно только при наличии доступа к воде, что затрудняет его регулирование. Контролируя соотношение вода/цемент и включая несколько пуццолановых материалов, бетон может быть адаптирован к самовосстановлению трещин. Сообщается, что снижение соотношения вода/цемент в системах бетона на основе цемента оставляет некоторое количество негидратированного цемента в матрице бетона на основе цемента. Это количество негидратированного цемента может способствовать аутогенному заживлению после образования трещины в бетонной матрице, позволяя воде проникать и гидратировать оставшееся количество негидратированного цемента. Кажется, что скорость гидратации значительно выше при низких соотношениях В/Ц, чем при высоких. Это связано с тем, что кинетика гидратации цементных композитов, содержащих минеральные добавки, может быть медленной в первые недели, поэтому в последние годы было предложено несколько методов для стимуляции и ускорения процесса самовосстановления, включая использование щелочных растворов и смешивание различных минеральных добавок, включая известковую летучую золу, известковый порошок или гашеную известь, для увеличения содержания кальция. Время старения образцов также считается фактором, который влияет на степень гидратации частиц цемента и других SCM. Согласно предыдущим исследованиям по самовосстановлению, этот механизм особенно успешен в свежем бетоне. Хотя Заморовски продемонстрировал, что полное заполнение трещин возможно только в том случае, если они образуются на начальном этапе твердения бетона (в течение первых 90 ч), в течение нескольких десятилетий разрабатывались композиты, которые позволяют восстанавливать первоначальную целостность конструкции спустя много месяцев после начала гидратации, а эффекты аутогенного самовосстановления можно наблюдать даже в долговременных конструкциях. Подводя итог, можно сказать, что чем ниже степень гидратации используемых связующих, тем больше субстратов для химических реакций, сопровождающих процесс самогерметизации, остается в структуре композита; таким образом, композиты с меньшей степенью гидратации связующего и меньшим отношением вода/объём должны иметь более высокий потенциал самовосстановления.

Давление, оказываемое на трещины

Самовосстанавливающийся, также известный как биобетон, может быть получен путем добавления бактерий в бетон вместе с его питательными веществами, чтобы поддерживать их живыми для производства кальцита для заполнения трещин после осаждения. Бактерии должны быть добавлены в бетон вместе с лактатом кальция для ремонта трещин. Было отмечено, что капиллярная сила притяжения трещины и гравитационная сила на массу жидкости были недостаточными для преодоления капиллярной силы сопротивления цилиндрических капсул и отрицательных сил давления, создаваемых запечатанными концами. Однако большинство предыдущих исследований были сосредоточены на самовосстановлении образцов бетона, подвергавшихся типичному давлению воды при частичном или полном погружении в воду. Испытание на водопроницаемость использовалось в ограниченном количестве исследований как средство, чтобы подчеркнуть свойство самовосстановления обычного бетона. Аналогичным образом, оно использовалось на небольших образцах бетона, которые подвергались одиночной трещине растяжения. После семи недель воздействия воды на ненагруженные образцы, открытие показало, что трещины с эффективной шириной 0,20 мм были полностью запечатаны. Другое исследование изучало утечку воды через предварительно треснувший железобетонный элемент под прямой растягивающей нагрузкой, где нагрузка была снята сразу после растрескивания. Было обнаружено, что после разгрузки внешние трещины сократились до 0,15 мм, достигнув кульминации в полном заживлении после двух дней воздействия воды. В дополнение к тому факту, что ECC не испытывался под высоким давлением воды, предыдущие исследования на предварительно треснувшем нормальном бетоне под давлением воды в основном изучали самовосстановление на ненагруженных образцах. Однако, по сравнению с нагруженным состоянием образцов, было продемонстрировано, что ширина трещин уменьшилась более чем наполовину при разгрузке, что могло способствовать переоценке способности к самовосстановлению стандартных образцов бетона. Кроме того, предыдущие исследования, проведенные для оценки влияния постоянной и возрастающей длительной нагрузки, показали, что длительная нагрузка существенно влияет на скорость восстановления механических свойств ECC. Следовательно, изучение влияния длительной нагрузки при оценке самовосстановления бетонов особенно важно, особенно учитывая, что большинство потрескавшихся структурных деталей подвергаются процессам ползучести в реалистичных полевых условиях. В целом, обнаружено, что приложение правильного давления к трещинам повышает их потенциал к самовосстановлению.

Водоцементное отношение

Установлено, что использование высокого содержания цемента и низкого соотношения вода-цемент также увеличивает способность ECC к аутогенному самовосстановлению. Согласно предыдущим отчетам, более низкое соотношение вода-цемент может привести к большему количеству непрореагировавших частиц цемента, которые могут быть использованы для последующей гидратации для улучшения производства карбоната кальция. Кроме того, время растрескивания имеет большое значение. Поскольку бетон с более ранним растрескиванием имеет больше непрореагировавших частиц цемента, окружающих образовавшуюся трещину, он обеспечивает более высокий потенциал самовосстановления в результате усиления продолжения гидратации. Из-за высокого процента негидратированного цемента в раннем возрасте способность к аутогенному самовосстановлению выше, а другие характеристики, такие как сжимающее давление для ограничения трещин и циклов «влажный-сухой», могут повысить способность к аутогенному самовосстановлению. Более того, использование волокон для ограничения раскрытия трещин и использование суперпластификатора в ECC для снижения соотношения вода/цемент также могут улучшить эффективность аутогенного заживления. Сообщалось, что в случае замены цемента гранулами сульфоалюмината кальция, до 10% по весу цемента, и при соотношении цемента к песку 1:3 и В/Ц = 0,5, трещины от 0,1 до 0,2 мм были полностью запечатаны за 14 дней, но трещинам размером более 0,2 мм потребовалось 16 дней для полной герметизации. Подводя итог, также было обнаружено, что использование высокого содержания цемента и низкого соотношения воды к цементу улучшает аутогенный потенциал самовосстановления ECC. Однако фибробетон и ECC считаются относительно дорогими, и поддержание однородности волокон в матрице для постоянного самовосстановления по-прежнему представляет собой проблему. На рисунке 5 изображены многие группы самовосстановления, включая аутогенные и автономные, а также информация о типе материала, пасте, растворе или бетоне. Это может позволить нам определить, учли ли исследователи влияние элементов смеси, таких как заполнители. Проценты показывают количество статей, в которых упоминается тип материала. Влияние крупных частиц на характер разрушения было упущено из виду, как было показано. Это в значительной степени связано с тем, что агрегаты снижают выживаемость капсул в ходе операций смешивания и транспортировки.