Новый импульс развития в результате новаций сфере производства бетона http://www. cpi-web. ru/Archive/main. htm | |||||||||||
Проф., д-р техн. наук Бернд Хиллемайер, Берлин Только новый импульс развития, при этом не имеется в виду рост в результате повышения производительности, приводит к увеличению емкости рынка, а значит, и к большему числу рабочих мест. По мнению экономиста Шумпетера (Schumpeter) нововведения представляют собой новые комбинации, которые успешно продвигаются на рынке. Он называет пять возможностей того, как это может происходить: 1-ая - благодаря новым продуктам или продуктам с новыми качественными признаками, 2-ая - благодаря новым производственным процессам, 3-я - благодаря внедрению на новые рынки, 4-ая - благодаря открытию и использованию новых сырьевых материалов и новых технологий и 5-я - благодаря внедрению новых организационных структур. Соревнование за нововведения всегда представляет собой конкуренцию на основе выигрыша во времени. Для новаторского предприятия недостаточно сделать что-либо правильно - необходимо также сделать это быстрее, чем сделают другие. Успешно развивающееся предприятие должно в будущем в большей степени, чем ранее, руководствоваться следующими тремя «п»: проворность, предвосхищение и приспособляемость (Милберг). Материалы занимают ключевую позицию в новаторских решениях, а значит, и в строительной технологии. Они определяют экономичность, сроки производства строительных работ, долговечность и качество строительных сооружений. А поэтому стратегическая задача в строительном деле заключается в дальнейшем усовершенствовании строительных материалов. Ниже рассматриваются разработки и тенденции развития такого материала, как бетон, получившего самое широкое применение. Задачи, стоящие перед строительством, как двигатель в области нововведений
Строительство - это необходимость и выгода, безопасность и комфорт, это и захватывающее зрелище. «Строительство - это зеркало потребностей и пожеланий общества». Общественные составляющие строительства остаются актуальными, они изменяются вместе с изменениями, происходящими в обществе. Содержание, ремонт и модернизация в жилищном строительстве должны постоянно соответствовать новым требованиям. Гибкость современного промышленного общества и организации проведения свободного времени ставит широкие задачи перед строительством. Для защиты окружающей среды ждут своего неотложного осуществления строительные мероприятия, снимающие нагрузку с природы. Если все каналы сточных вод, имеющиеся в Германии вытянуть в одну линию, то их длина составит расстояние от Земли до Луны, 380 000 км. Почти половина из них утратила герметичность и постепенно загрязняет грунтовые воды. Возникает необходимость в разработке недорогих, быстро создаваемых, долговечных контролируемых систем для санирования и замены новыми сооружениями. Только в Германии существует рынок с оборотом в 200 миллиардов евро. Высокоэффективный бетон
Существует мнение, что бетон высокой прочности имеет такие же свойства, как керамика: он издает при ударе такой же звук, как керамика и так же хрупок, как керамика. Однако был бы неверным вывод о том, что это керамика. Несмотря на его керамические свойства высокопрочный бетон не сохраняет ковалентной или ионной связи, а только связь Ван-дер-Ваальса. Если на бетон оказывают воздействие кислота или огонь, то становится очевидным, что структурно-действенными будут только слабые связи. Секрет его высокой прочности кроется в величине его внутренней поверхности. Бетон до настоящего времени считался трехкомпонентной системой из цемента, воды и заполнителя. В наши дни бетон переживает инновационный подъем. Высокотехнологичный бетон обрабатывается как 6-ти компонентная система, он состоит из цемента, заполнителя, воды, добавки, присадки и воздуха. За каждым из этих компонентов стоят промышленные отрасли и научные учреждения прикладной физики или химии. Они выполняют грандиозные научно-исследовательские и конструкторские работы в области экономики и экологии. Изменяя гранулометрические параметры исходных продуктов, можно достичь поражающих до головокружения результатов прочности бетона. При ограничении максимального размера частиц до одного миллиметра достигаются параметры прочности при сжатии до 800 МПа. Такой бетон мог бы произвести революцию в строительстве с применением сборных бетонных элементов. Для сравнения конструкционная сталь обладает параметрами прочности ниже 500 МПа. Быстрое нарастание прочности бетона, ранняя распалубка, сокращение сроков до использования строительного сооружения в сочетании с экономическими преимуществами и сбережением материалов являются характерными преимуществами высокопрочного бетона. Немецкие профессора в сфере строительных материалов планируют акцентировать этот вопрос в качестве основной темы в Немецком научно-исследовательском объединении (DFG). Армирование волокном
Волоконные материалы могут улучшить вязкость бетона вплоть до полной экономии ненапряженной арматуры. Впечатляющим примером считается пешеходный мост Сеонийу над рекой Хан в Сеуле, Южная Корея, расстояние между опорами которого составляет 120 метров. Волокнистые заполнители улучшают почти все без исключения характеристики материалов, в особенности их вязкость: вольфрамовые волокна в порошковых материалах, изготовленных из металлического порошка, стеклянные волокна в полиэфирной смоле или волоконная сталь в бетоне. В электромагнитном поле стальные волокна могут принимать положение в зависимости от траекторий силовых полей, характер которых был предварительно рассчитан для сборных бетонных блоков. Волокна должны быть хорошо прикреплены к матрице. Лучше всего это достигается в таких материалах, которые сцепляются с поверхностью волокон во многих контактных точках. Кварцевая пыль, аморфная двуокись кремния, будучи на порядок величины мельче цемента, приводит к тому, что поверхности волокон вплетаются в матрицу цементного камня на молекулярном уровне. Самоуплотняющийся бетон (SVB) Разработка самоуплотняющегося бетона (SVB = selbstverdichtenden Betons) представляется одним из самых примечательных нововведений последних лет в области бетонных конструкций. Процесс бетонирования упрощается вследствие того, что отпала необходимость в процессе виброуплотнения. Таким образом, становится возможным без применения процесса виброуплотнения бетонирование с высокой густотой армирования фасонных участков, к которым предъявляются особые требования, сложных конструктивных форм и геометрических конструкций. Устраняются шум, вибрации, а также зачастую наблюдающиеся в случае с вибробетоном дефекты уплотнения и расслоения в бетоне. Можно отказаться от вибрационных устройств. Вследствие того, что отпала необходимость в вибрационной нагрузке, удлиняются сроки службы опалубки. В результате этого снижаются затраты на капиталовложение, особенно в производстве сборных конструкций. Наряду с широким размахом научно-исследовательской деятельности по усовершенствованию этого строительного материала с его помощью выполняются в настоящее время крупные проекты, в которых предъявляются высокие требования в том, что касается архитектоники, напр., Научный центр Фаено (рисунок 2) в Вольфсбурге и производственный цех фирмы BMW в Лейпциге. Новый реологический метод измерений для жесткого самоуплотняющегося бетона
Хорошо подготовленный персонал специалистов воспринимает отдельные мероприятия по обеспечению качества как единое целое. Точно так же, как единое целое, несложный, пригодный для использования на стройке метод испытаний должен был бы трактовать выводы относительно качества самоуплотняющегося бетона множества отдельных методов испытаний, которые всё ещё должны до сих пор применяться. Самым важным выводом относительно результатов испытаний должен быть вывод, касающийся того, имеется ли ещё во время укладки бетона качественный признак, указывающий на самоуплотнение. Метод испытаний должен также быть в состоянии определить, сколько флюса необходимо ещё добавить на оставшееся количество бетона, чтобы не происходило усадки бетона вследствие избыточного разжижения, но, тем не менее, снова надежно обеспечивалось достижение текучей консистенции. Добавление порциями, «по глотку», не срабатывает в случае с поликарбоксилатными эфирами. Требующееся количество флюса только в том случае проявляет своё действие, если оно добавлялось сразу в один прием. Метод испытаний, который отвечает этим требованиям, разрабатывается в рамках научно-исследовательского BMBF-проекта «Самоуплотняющийся бетон как продуктивный и оптимальный по затратам способ надземного строительства, переспективного строительства и бетонирование на месте при Техническом Университете в Берлине в сотрудничестве с компанией Projekt Elektronik GmbH Berlin. Принцип измерения соответствует реометрическому принципу падающего шарика. Метод измерения реометра, действующего по принципу падающего шарика, показывает рисунок 3. Основой для определения кривой текучести структурно вязкого бетона является уравнение движения ускоряющегося под действием силы тяжести шарика в идеально вязкой среде. С помощью реометра, действующего по принципу падающего шарика, записывается кривая зависимости путь - время. На основании кривой зависимости путь - время выводится кривая зависимости скорость-время. Программное обеспечение для обработки данных исходя из соотношения между кажущейся вязкостью и скоростью падения моделирует ход кривой текучести в соответствии с принципом Бингама. [3] Кислотоустойчивость вплоть до достижения качества стекла Для защиты окружающей среды ждут своего неотложного осуществления строительные мероприятия, уменьшающие загрязнение экологии. Уже упоминались каналы сточных вод. Степень просачивания составляет 15 литров на каждого жителя в день. Около 90 литров чистой грунтовой воды ежедневно попадает в негерметичные каналы, на что растрачивается дорогостоящая энергия при очистке. Растрачивается не только энергия, но и не экономно используется вода. Вода станет самым ценным продуктом в будущем. Круговорот воды на земле нарушен сильнее, чем энергетический цикл с инсоляцией и радиацией. Отступающие ледники и тающие океанические массы льда свидетельствуют о протекании обоих процессов. Нам необходимо внедрение строительных систем нового типа, которые помогут нам в национальном и всемирном масштабе экономно и бережно обращаться с пресной, хозяйственно-питьевой и грунтовой водой. Сведения из области минеральных строительных материалов, полученные в ходе научно-исследовательских и конструкторских работ, показывают, что возможно оптимальное по затратам изготовление из высокоэффективного бетона строительных конструкций и сооружений, которые настолько хороши, что противостоят всем химическим воздействиям в коммунальных и промышленных канализационных системах, агрессивным грунтовым водам или грунту без применения дорогостоящих защитных систем из синтетического материала или керамики. При этом первостепенной задачей остается изготовление труб и конструктивных элементов колодцев из монолитного материала. Трубы из кислотоустойчивого высокоэффективного бетона представляют собой монолитные трубы, которые соответствуют предъявляемым к ним требованиям в химическом и физическом отношении. «Наиболее плотная» набивка смеси добавок при фракционировании вплоть до сверхтонких фракций, тема, которой отдается предпочтение в Берлинском Техническом университете, снижает требование к связующему только до 50 процентов по сравнению с традиционным высокоэффективным бетоном. [5] В сочетании с оптимизацией связующего из реактивных видов пыли и специального цемента получают кислотоустойчивый бетон для гидротехнических сооружений по очистке сточных вод, свод-оболочек градирен или фундаментных сооружений в агрессивном строительном грунте. Он устойчив к растворяющему и вспучивающему воздействию, обладает высокой герметичностью в том, что касается диффузии хлоридов и газов и просачивания воды. Вследствие максимальной плотности заполнителя и низкого содержания цемента бетон дает усадку приблизительно на 40 процентов меньше, чем традиционный бетон. Только в случае биогенной кислотной коррозии, которую невозможно устранить конструктивными средствами, требуется дополнительная защита при pH-показателях, которые ниже pH 3,5 (при длительном воздействии) pH 2,0 (кратковременном воздействии). Многослойный материал, сочетающий в себе стекло и бетон Лучшую допустимую защиту могло бы обеспечить стекло. Сцепление между стеклом и бетоном до получения комбинированного материала является актуальной инновационной задачей. В одном докладе на данном семинаре сообщается о преимуществах применения стекла в сфере сооружений для сточных вод. Параметры стекла должны быть гибкими, чтобы на строительной площадке можно было приспособиться к геометрическим размерам. Нижеприведенные соображения и эксперименты показывают, какие возможности изгибания скрываются в стекле. Тип атомной связи сказывается на поведении материала при изломе. При четко обозначившейся трещине в стекле, находящемся под растягивающим напряжением, теоретически нагрузка нарастает непрерывно. Поэтому материал, который в начале трещины деформируется не пластично, как это и происходит со стеклом, разрывается внезапно из-за практически всегда имеющихся микроскопичных царапин при относительно низких внешних нагрузках. Рис. 5 показывает вызывающее удивление влияние микроскопичных царапин на несущую способность для стекла в испытании на изгиб. Пластинка из оконного стекла толщиной в один миллиметр и шириной в четыре сантиметра при расстоянии между опорами, равном 16 сантиметрам, может чрезвычайно сильно изгибаться, не ломаясь, если в результате обработки были устранены микроскопичные дефекты на поверхностях. Лишенные трещин стеклянные поверхности почти достигают своей теоретической прочности при растяжении, которая в 50 раз выше фактической. В момент излома накопленная деформирующая энергия преобразуется по типу ударной нагрузки в другие формы энергии. Основная составляющая преобразуется в поверхностную энергию. Правый рисунок показывает момент разлома, при котором для быстрого образования требующихся поверхностей стекло прямо-таки рассыпается в порошок. В докладе рассматриваются дальнейшие шаги в рамках нововведения, касающегося многослойного материала, сочетающего в себе стекло и бетон, которые открывают новые области применения бетона. Нанодиапазон Наступает новая эра высокотехнологичных строительных материалов с удивительными свойствами. Процессы и контрукционные детали в нанодиапазоне показывают способ их исследования. Самоуплотнение бетона, сохранение его внешнего вида в течение длительного времени и коррозионностойкая сталь относятся к открывающимся перспективам. Присутствие повсюду бетона, в первую очередь обычного бетона, позволяет забыть о его исключительности и сложности. Такой материал, как бетон, можно сравнить с живым организмом. В процессе нарастания его прочности участвует огромное количество химических веществ, чтобы было обеспечено создание иерархических структур в диапазоне от нанометра до метра, чтобы прочность нарастала от самого начала смешивания с водой и усиливалась на протяжении десятилетий. Сохранение внешнего вида на протяжении длительного времени Поверхности наших строительных сооружений должны всё в большей степени соответствовать современным требованиям. Мы находим технические решения тому даже в области самых миниатюрных конструкций. Самоочищающиеся поверхности строительных материалов. Микрошероховатая поверхность снижает площадь контактирования с грязевыми частицами и водой снаружи. При дожде грязь смывается с фасадов вследствие водооталкивающего эффекта, это очищающий эффект, который был назван эффектом листка лотоса. Японцы используют обратный феномен для самоочищающихся поверхностей. Специальный слой, нанесенный на керамические плитки при 750 градусах Цельсия и содержащий окись титана, придает поверхности силу адгезии такой величины, что капли воды, вместо того, чтобы стекать, равномерной пленкой распределяются на плитке и таким образом «подмывают все грязевые частицы. При этом возникает второе, антибактериальное воздействие. При таком антибактериальном эффекте двуокись титана воздействует в качестве катализатора. Ультрафиолетовый свет инициирует процесс фотокатализа, причём из дождевой воды или кислорода воздуха образуется реактивный кислород, который впоследствии окисляет все прилипшие органические вещества, например, водоросли или грибы и тем самым разрушает их. После этого вступает в действие гидрофильный эффект, который при поддержке естественного дождя смывает образовавшиеся «остатки». Перспективы применения в технических целях Важным условием существования виртуального города является хорошо функционирующая подземная инфраструктура. Сюда относятся в первую очередь системы снабжения и отвода, транспортировки. Трубопроводы соединяют континенты и культуры. Подземное пространство во всем мире пронизано водопроводными трубами и каналами сточных вод. Огромная потребность в трубопроводах преобладает в развивающихся странах. Сегодня пробивает себе дорогу идея осуществления в будущем транспортировки мелких грузов с помощью управляемых компьютерами транспортировочных контейнеров (Cargo-Cap) по проложенным под землей трубопроводам с условным проходом около двух метров. Летать под землей? 100 километров за двенадцать минут - и поездом? Никаких проблем, считают инженеры из Швейцарии. Они изобрели подвесную магнитную дорогу, которая развивает скорость до 500 километров в час. Японские исследователи разрабатывают транспортное средство, которое движется ещё быстрее: используемые под землей «геопланы». Перспективы применения в научных целях Допустимы почти неограниченные комбинации материалов в том случае, если создаются наночастицы из металлов и неметаллически-неорганических продуктов, и они внедряются в другие материалы. В этом случае получают нанокомпозитные материалы. Стираются границы между классическими материалами, стеклом и керамикой, синтетическим материалом и металлом. Уже готовые к применению, матово-тонкие невидимые слои делают чувствительные поверхности стойкими к воздействию коррозии и нанесению царапин. При этом обработанные окна из стекла и пластика уже не запотевают. Нужны новые материалы для высокотехнологичных строительных конструкций. Термин «высокие технологии» означает достойное внимание достижение технического прогресса. К. Эрик Дрекслер (K. Eric Drexler), предрекающий успех наночастицам, пропагандирует идею молекулярных машинных систем. Способность конструировать объекты с молекулярной точностью поднимет на более высокий уровень производство материалов и оборудования. Если в ходе производственного процесса осуществляется контроль каждого отдельного атома, то нет никаких предпосылок к тому, чтобы загрязнять почву, воздух или воду вредными отходами. Улучшенные способы производства смогли бы снизить цену на элементы солнечной батареи и энергосберегающие системы, сократить спрос на уголь и нефть, а значит, опять же снизить нагрузку на окружающую среду. Таким образом, возрастает надежда на то, что развивающиеся страны могут достичь уровня жизни индустриальных стран, не нарушая экологии. Ещё одной утопически удаленной задачей ученых является задача заставить материалы «расти». Только для этого нужно ещё открыть генетический код. Задать направление роста с помощью элктромагнитных полей или заставить части из синтетического материала «расти» под действием лазерной энергии из жидкости, применяя способ Rapid Prototyping - это такие задачи, направление разрешения которых уже вырисовывается. В качестве образца у нас уже есть перед глазами результат - это несущие структуры в виде дерева, выполненные Мейнгардом фон Герканом (Meynhard von Gerkan) в аэропорту Штуттгарта. Нужно только ещё произвести сварочные работы, возможно, скоро нам нужно будет только «посеять» и оставить «произрастать». | |||||||||||
Литература |
Новый импульс развития в результате новаций сфере производства бетона
НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?
