Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории США представили новый цементный композит, способный самостоятельно восстанавливаться после повреждений. Как сообщается в статье, опубликованной в журнале Nature Communications, материал не требует капсул с клеем или системы внутренних каналов. Способность затягивать трещины ему придает очень небольшое количество специального полимерного комплекса.
Почему даже прочный бетон начинает разрушаться
Бетон прекрасно выдерживает большие нагрузки на сжатие, поэтому из него можно возводить тяжелые и массивные сооружения. Однако значительно хуже он переносит растяжение, изгиб, вибрацию и постоянные перепады температуры.
Под действием нагрузок внутри материала появляются микротрещины. Сначала они почти не влияют на прочность конструкции, однако постепенно становятся каналами, через которые проникают вода и соли.
Особенно опасно, когда влага добирается до стальной арматуры. Металл начинает ржаветь и увеличиваться в объеме, создавая дополнительное давление изнутри. В результате небольшие повреждения расширяются, а бетон вокруг арматуры может начать отслаиваться.
Как бетон пытались научить восстанавливаться самостоятельно
Долгое время бетон рассматривали преимущественно как пассивный материал: его задача заключалась в том, чтобы выдерживать нагрузки, а появившиеся повреждения приходилось устранять вручную. Позднее инженеры задумались о создании материалов, способных самостоятельно закрывать небольшие трещины до того, как они превратятся в серьезный дефект.
Одним из направлений стали микрокапсулы с восстанавливающим веществом. Их добавляют в цементную смесь, а при возникновении трещины оболочка капсулы разрушается и высвобождает состав, заполняющий повреждение. Исследователи экспериментировали, например, с капсулами, содержащими силикат натрия: после их разрушения образовывались дополнительные продукты гидратации, способные частично закрывать трещину. Подробно такой механизм был описан в работе, опубликованной в журнале Construction and Building Materials.
Другой подход основан на использовании бактерий. В присутствии воды некоторые микроорганизмы способны способствовать образованию карбоната кальция — минерала, который постепенно заполняет повреждение. В одном из ключевых экспериментов бактериальные споры и необходимые им вещества заключали в микрокапсулы, чтобы защитить их от агрессивной среды цемента. Результаты были представлены в исследовании бактериального самовосстановления цементного материала.
Разрабатывались и системы внутренних микроканалов, по которым восстанавливающий состав должен поступать к поврежденному участку. Однако у подобных технологий есть ограничения. Капсулы обычно срабатывают только один раз, запас вещества внутри каналов может закончиться, а бактериям необходимо сохранять жизнеспособность в крайне неблагоприятной щелочной среде. Кроме того, большое количество добавок способно повлиять на прочность, приготовление и твердение цементной смеси.
Новая работа продолжает развитие этой идеи, но предлагает другой принцип. Исследователи попытались изменить саму внутреннюю структуру цементного материала так, чтобы он мог восстанавливаться многократно и без отдельных резервуаров с ремонтным веществом.
Что предложили ученые теперь
Авторы добавили в цементный состав менее 0,15% полимеров по массе. Речь идет о комплексе из полиакриловой кислоты, полиэтиленоксида и разветвленного полиэтиленимина, который формируется непосредственно внутри материала.
Молекулы этого комплекса взаимодействуют друг с другом и с продуктами гидратации цемента при помощи обратимых электростатических взаимодействий и водородных связей. Их особенность заключается в том, что после разрыва они способны образовываться заново.
Когда в материале появляется трещина, полимер перераспределяется внутри пор и перемещается к поврежденному участку. Затем его молекулы вновь соединяются между собой и взаимодействуют с цементной матрицей, помогая закрыть образовавшийся разрыв.
При этом никакого «интеллекта» у материала, разумеется, нет. Полимер движется к трещине не потому, что распознает повреждение, а благодаря физическим и химическим процессам, возникающим после разрушения внутренней структуры.
Как ученые наблюдали за восстановлением
Для проверки технологии исследователи специально повреждали образцы цементного композита, а затем наблюдали за происходящими внутри изменениями.
С помощью оптической микроскопии и рентгеновской компьютерной томографии они увидели, как полимер постепенно перераспределяется в сторону трещины, а ее свободное пространство заполняется. Конфокальная рамановская спектроскопия позволила проследить химические изменения во времени.
По расчетам авторов, восстановление происходило в несколько этапов. Первый быстрый процесс имел характерное время около десяти минут, а более медленная перестройка полимера и его взаимодействие с поверхностями продолжались в течение нескольких часов.
Трещина глубиной два миллиметра закрылась за четыре часа
В одном из экспериментов материал закрыл трещину глубиной примерно два миллиметра приблизительно за четыре часа. Авторы оценили скорость восстановления примерно в десять миллиметров в сутки.
Особенно важно, что процесс оказался повторяемым. После нескольких циклов повреждения материал продолжал восстанавливаться. Это отличает его от систем с микрокапсулами, которые обычно расходуют содержащийся внутри восстанавливающий состав при первом же разрушении.
Ученые также подвергли образцы серьезной механической нагрузке, продолжая воздействие даже после прохождения точки максимальной прочности. После восстановления материал возвращал до 62% прочности при сжатии и до 59% при прямом растяжении.
Это не означает, что разрушенный элемент становился таким же прочным, как новый. Однако результаты показывают, что материал не просто визуально закрывал трещину, а действительно частично восстанавливал механические свойства.
Небольшая добавка почти не изменила свойства цемента
Одной из главных проблем экспериментальных самовосстанавливающихся материалов остается количество необходимых добавок. Чем их больше, тем выше риск изменить удобоукладываемость смеси, процесс твердения и итоговую прочность.
В новой работе концентрация полимеров составляла менее 0,15% по массе. По данным авторов, добавка оказала минимальное влияние на гидратацию, сроки схватывания и удобоукладываемость цементного состава.
Именно сочетание низкой концентрации и способности к нескольким циклам восстановления исследователи считают главным преимуществом предложенного метода.
Где может пригодиться такая технология
В перспективе самовосстанавливающиеся цементные материалы могут быть особенно полезны в сооружениях, где небольшие трещины сложно обнаруживать и ремонтировать, а проникновение воды способно привести к серьезным повреждениям.
К таким объектам относятся мосты, тоннели, гидротехнические сооружения, парковки, морская инфраструктура и взлетно-посадочные полосы. Потенциально технология может замедлить развитие мелких дефектов и продлить срок службы конструкций.
Однако непосредственно такие объекты в новой работе не испытывались. Пока авторы продемонстрировали принцип действия технологии на лабораторных образцах цементного композита.
До появления на стройках еще далеко
Несмотря на многообещающие результаты, новый материал пока нельзя считать готовым продуктом для строительства дорог, мостов или домов.
Исследователям предстоит выяснить, как он поведет себя в крупных бетонных конструкциях, сохранит ли способность к восстановлению через годы эксплуатации и сможет ли работать при перепадах температуры, замерзании воды, высокой влажности и продолжительных механических нагрузках.
Необходимо также проверить стоимость производства, совместимость с разными видами цемента и арматуры, а затем провести длительные испытания и сертификацию.
Тем не менее работа демонстрирует новый этап развития самовосстанавливающихся строительных материалов. Раньше ученые пытались заранее спрятать внутри бетона запас клея, бактерий или другого восстанавливающего вещества. Теперь они предлагают встроить способность к повторному восстановлению в саму молекулярную структуру цементного композита.