Мы продолжаем знакомить вас с технологическими новинками в области применения бетона!
В этот раз в апреле 2021 года в сфере бетонной промышленности был сделан технологический прорыв Массачусетским технологическим университетом. И мы хотим познакомить вас со средой их бетонных нано-инноваций.
Бетон еще с момента своего изобретения стал инструментом для развития индустриальной цивилизации, находя применение в бесчисленных строительных объектах — от тоннелей до высотных зданий.
И все же, несмотря на постоянные исследования и разработку инноваций в сфере строительства из бетона, функциональность бетонных объектов не сильно изменилась. Добавки и пластификаторы могут улучшить характеристики бетонной смеси, продлевать срок жизни и делать конечный продукт более прочным, но это не добавляет дополнительных функций.
Но, благодаря исследованиям зарубежных ученых, был получен цемент, который проводит электричество и вырабатывает тепло.
В многолетних экспериментах принимали участие:
- Центр устойчивого развития бетонной промышленности Массачусетского университета
- Национальный исследовательский центр Франции
Они хотели сделать бетонный раствор устойчивым за счет максимального улучшения его характеристик, а именно еще большей электропроводности. С помощью повышения данной характеристики, бетонный объект будет самонагревающимся и сможет накапливать энергию.
Как же ученые смогли добиться от обычной бетонной смеси высокой электропроводности?
Для получения эффективных результатов ученые стали в контролируемых лабораторных условиях вводить в цемент высокопроводящие наноуглеродные материалы.
Нэнси Солиман, одна из ученых центра устойчивого развития в Массачусетс, считает, что это исследование может стать прорывом в строительной сфере.
“Наноуглеродный цемент – это модель проводящего компонента в бетоне первого порядка”, – объясняет Солиман, – “И это принесет опыт, который будет развивать и расширять масштабы использования таких видов многофункциональных материалов”.
От наноразмерного до международного производства
За последние несколько десятилетий наноуглеродные материалы получили широкое распространение, благодаря их уникальному сочетанию свойств, главным из которых является проводимость. Ученые и инженеры еще давно предлагали разработку материалов с содержанием наноуглерода, которые могут придать электропроводность цементу и бетону.
Но недаром бетонная смесь является одним из самых распространенных материалов для строительства… Не все строительные площадки могут похвастаться личными лабораториями, чтобы производить наноуглеродный цемент в промышленных масштабах.
Поэтому Солиман хотела убедиться, что выбранный ими наноуглеродный материал достаточно доступен для всеобщего производства. Она и ее коллеги остановились на наноуглеродной саже — дешевом углеродном материале с отличной проводимостью. Ученые обнаружили, что их предположения о проводимости компонента подтвердились.
“Бетон, естественно, является изоляционным материалом, – говорит Солиман, – но когда мы добавляем частицы наноуглерода черного цвета, он превращается из изолятора в проводящий материал”.
Если добавить 4% наноуглеродной сажи от общего объема всех компонентов в бетоне, Солиман и ее коллеги обнаружили, что они могут достичь порога перколяции – той самой точки, в которой их бетонные образцы могут пропускать ток.
Они заметили, что в ходе эксперимента появилась не только проводимость тока, но также и еще один прорывной для строительной сферы результат: бетон начал генерировать тепло.
Если мы углубимся в науку, то такие результаты связаны с эффектом Джоуля.
“Нагрев Джоуля (или резистивный нагрев) вызван взаимодействием между движущимися электронами и атомами в проводнике, – объясняет Николас Шанут, ученый проекта по наноуглеродному бетону, – “Ускоренные электроны в электрическом поле обмениваются кинетической энергией каждый раз, когда они сталкиваются с атомом, вызывая вибрацию атомов в решетке, которая проявляется в виде тепла и повышения температуры в материале”.
В ходе эксперимента выяснено, что даже небольшое напряжение — всего 5 Вольт — может повысить температуру поверхности их образцов, которые были размером примерно 5 кубических сантиметров, до 41°C. Хотя стандартный водонагреватель может достигать сопоставимых температур, важно учитывать, как этот материал будет реализоваться в сравнении с обычным методом отопления.
“Технология станет идеальной для теплого пола в помещении”, – объясняет Шанут. – “Обычно отопление в помещении осуществляется за счет циркуляции нагретой воды в трубах, которые проходят под полом. Но эта система сложна в строительстве и дорогая в обслуживании. Однако, когда сам цемент становится нагревательным элементом, система отопления становится проще в установке и надежнее. Кроме того, бетон обеспечивает более однородное распределение тепла, благодаря очень хорошей дисперсии наночастиц в материале».
Наноуглеродный цемент также может иметь различные применения на открытом воздухе. Шанут и Солиман считают, что при внедрении в бетонные покрытия наноуглеродный цемент может снизить проблемы долговечности, устойчивости и безопасности. Большая часть проблем как раз связана с использованием соли для борьбы с обледенением.
Но не только в городском строительстве пригодится наноуглеродный цемент.
Только представьте, как может помочь такая технология для дорог. По всей стране выпадает огромное количество снега. Для уборки большей его части используется специальная техника. А также противообледенительные соли, которые могут повредить бетон.
Благодаря включению нагрева в дорожных покрытиях наноуглеродный цемент может быть использован для удаления льда с дорожных покрытий без дорожной соли, что потенциально сэкономит миллионы на ремонте и эксплуатационных расходах при одновременном устранении проблем безопасности на дорогах.
В некоторых областях применения, где поддержание исключительных условий дорожного покрытия имеет первостепенное значение, например, на взлетно—посадочных полосах аэропортов, бетон с наноуглеродом может оказаться особенно выгодным.
Технологические проблемы
В то время как наноуглеродный цемент предлагает решения целого ряда проблем, достижение многофункциональности в свою очередь создало множество технических сложностей.
Например, из-за того, что невозможно выровнять наночастицы в функционирующую схему внутри цемента, в бетоне просто не было бы электропроводности. Чтобы обеспечить идеальную объемную проводку, ученые исследовали свойство, известное как извилистость.
Что еще за свойство такое?
Извилистость можно легко объяснить на примере автомобиля, путешествующего между двумя точками в городе. В то время как расстояние между этими двумя точками по прямой может составлять две мили, пройденный машиной путь может быть больше из-за траектории дорог.
То же самое относится и к электронам, проходящим через цемент. Путь, который они должны пройти внутри образца, всегда больше, чем длина самого образца. Степень, в которой этот путь длиннее и называется извилистостью.
Достижение оптимальной извилистости означает сбалансированное количество и распространение углерода по всему объему бетона. Если углерод слишком сильно диспергирован(или же измельчен), то сетка из наночастиц станет разряженной, что приведет к высокой извилистости. Также и без достаточного количества углерода в образце извилистость будет слишком велика, чтобы сформировать прямую эффективную проводку с высокой проводимостью.
Даже добавление большого количества углерода может оказаться неэффективным. В определенный момент проводимость перестанет улучшаться, что в производственном масштабе очень увеличит затраты на изготовления бетона по такой технологии. В результате этих сложностей они стремились оптимизировать свои смеси.
“Мы обнаружили, что, путем точного вычисления необходимого объема углерода, мы можем достичь значения извилистости 2”, – говорит один из ученых. – “Это означает, что путь, по которому проходят электроны, всего в два раза длиннее образца”.
Количественная оценка свойств была жизненно важна для ученых. Цель их недавних экспериментов состояла не только в том, чтобы доказать, что многофункциональный цемент возможен, но и в том, что он также пригоден для массового производства.
Путь создания инновационного бетона, который наметили ученые– многообещающий. И, благодаря их работе, не должен оказаться слишком “извилистым”.