Инженеры из Национального Института Стандартов и Технологии (NIST) запатентовали метод, который, как ожидается, сможет сделать бетон более долговечным. В основу метода положено использование наноразмерных добавок, которые замедляют процессы проникновения вглубь материала ионов сульфатов и хлоридов – химических компонентов дорожной соли, морской воды и почвы. Уменьшение ионного транспорта в бетоне означает главным образом снижение эксплуатационных затрат и вероятности обрушения бетонных конструкций в результате несчастного случая. Новая технология поможет сэкономить миллионы долларов и много человеческих жизней!

Начало эры производства бетона относят еще к Древнему Риму. Инфраструктура современных государств в очень большой степени основана на использовании бетона: в США из него построены миллионы километров дорог и более 600 тысяч мостов, однако многие из них находятся в аварийном состоянии. К 2007 году Федеральным Управлением автомобильных дорог США 25% мостов были признаны конструкционно неисправными или функционально изношенными. Разрушение инфраструктуры непосредственно отражается на благосостоянии большого числа американских граждан: Американское Общество Гражданских Инженеров в 54 миллиарда долларов оценивает ежегодные затраты на устранение повреждений, причинами которых становится ветхая дорожная инфраструктура.

Хорошо различимая светло-голубая область наверху рентгеновского снимка (среза образца бетона, в состав которого входят наноразмерные добавки, разработанные в NIST) демонстрирует очень незначительное количество хлоридов (зеленый цвет), проникающих вглубь материала.

Поглощение бетоном ионов сульфатов и хлоридов вызывает разрушение структуры материала, что с течением времени неизбежно приводит к появлению трещин и уменьшению его прочности.

Более ранние попытки инженеров преодолеть эту проблему и продлить срок службы бетона основывались на технологиях, увеличивающих плотность и уменьшающих пористость бетонов, но, к сожалению, получаемые материалы имели еще большую склонность к преждевременному разрушению.

Инженеры из NIST применили другой подход к решению проблемы: в рамках проекта VERDICT (бетонная технология по увеличению вязкости и уменьшению диффузии в материале) вместо изменения размера и плотности пор в бетоне была опробована технология изменения вязкости растворов бетона, которая на микроразмерном уровне обеспечивает уменьшение скорости проникновения ионов хлоридов и сульфатов в структуру материала. «Этот принцип можно пояснить с помощью сравнения скорости, с которой можно плыть в бассейне, заполненным медом, а не водой», – комментирует автор подхода, Дэйл Бенц (Dale Bentz).

Идея добавок была продиктована хитростями пищевой индустрии, где довольно популярным методом придания густой текстуры различным соусам, майонезам и мороженому является использование загустителя xanthum gum.

Изучая различные наполнители, инженеры определили, что размер частиц добавок напрямую связан с диффузионными свойствами получающейся субстанции. Большие молекулы, такие как эфир целлюлозы и xanthum gum повышают вязкость, но не изменяют скорость диффузии. Небольшие молекулы, размер которых не превышает 100 нанометров, напротив, замедляют ионную диффузию. Дейл Бенц объясняет, что «Когда молекулы добавки большого размера, но находятся в небольшой концентрации, хлорид-ионам легко диффундировать, проходя рядом с ними. А если добавка будет состоять из небольших молекул в высокой концентрации, то она повысит вязкость, и более эффективно задержит диффундирующие ионы».

Ученые продемонстрировали, что наноразмерные добавки можно вводить в бетон с другими компонентами в процессе непосредственного приготовления раствора, но еще более качественный материал можно получить при предварительном смешивании добавки с наполнителем – облегченным песком. Дальнейшие поиски ученых нацелены на оптимизацию метода – уменьшение концентрации и стоимости добавки, необходимой для увеличения эксплуатационного срока бетона.

Мария Костюкова