Разработка и использование новых строительных материалов

Замена привычных материалов, используемых в строительстве, является довольно медленным процессом. В строительной промышленности часто преобладает скептический взгляд на новые амбициозные технологии, при этом выбор материалов, как правило, осуществляется по таким показателям, как цена и надёжность. Однако достаточно взглянуть на эту проблему более внимательно, чтобы обнаружить реальные достижения в области разработки строительных материалов, в основе которой лежат новые научные открытия и изобретения.

Сторонники внедрения новых строительных материалов видят в этом мощную перспективу, которая выходит далеко за рамки требований к надёжному и экологически безопасному производству. Material ConneXion представляет собой глобальную базу данных ресурсов, созданную для архитекторов, проектировщиков и инженеров. Она содержит тысячи образцов материалов и каждый месяц пополняется более чем 40 новыми позициями.

Эндрю Дент, вице-президент Material ConneXion по вопросам каталогизации и исследования материалов, осуществляющий управление базой данных, заметил проявившееся в последние годы изменение в риторике касательно экологичности новых материалов.

«Экологичность перешла из разряда маркетинговых в разряд обязательных параметров, – утверждает Дент. – Сегодня производителям материалов необходимо гарантировать экологичность своего продукта часто только для того, чтобы соответствовать местным стандартам и правилам. Параметр экологичности стал намного более распространённым и понятным». Экологичность перестала быть дополнительным преимуществом, и сегодня люди из строительной отрасли «приходят к нам и говорят об этом, как о само собой разумеющемся. То есть это уже стало неким общим местом в сфере строительных технологий», – добавляет Дент.

Цели устойчивого развития строительных проектов уже не являются чем-то необычным, в связи с чем, по мнению Дента, на первый план выходит демонстрируемая производителями тенденция к расширению возможностей экологически чистых строительных материалов, что позволяет выделить их среди множества других.

«Сейчас мы видим на рынке большое количество материалов, разработанных на натуральной основе, – говорит Дент. – В данном случае речь идёт о своего рода натуральных продуктах, которые выращивают и собирают естественным путём, а затем модифицируют с целью изменения их свойств».

Дент отмечает устойчивый запрос со стороны проектировщиков и инженеров, желающих добиться преимущества своих проектов за счёт использования строительных материалов, изготовленных из натуральных продуктов или переработанных отходов. Одним из примеров является продукт под названием «биокирпич» (biobrick) производства итальянской компании Biomattone. Данные материалы изготовлены из смеси древесной части конопли и натурального известкового связующего вещества. Ещё одним ярким примером, по мнению Дента, является MyCo Board – конструкционный листовой материал, изготовленный компанией Ecovative со штаб-квартирой в Грин-Айленде, Нью-Йорк. Свойства этих панелей, разработанных на основе мицелия и сельскохозяйственных отходов, сопоставимы со свойствами древесноволокнистых плит средней плотности.

«Сейчас мы видим большое количество материалов, разработанных на натуральной основе» – Эндрю Дент, Material ConneXion

Также Дент считает, что ещё одним перспективным направлением является использование вторсырья. В качестве примера он приводит материал Eco-Board – похожие на дерево панели, изготовляемые тайской компанией Fiber Pattana Co.Ltd. из переработанных картонных упаковок для напитков.

Новые области и способы применения дерева могут быть получены в результате лабораторных экспериментов, которые уже начинают приносить свои плоды. Исследователи из шведского Королевского технологического института (КТИ) разработали способ производства прозрачной древесины в промышленных масштабах. Им удалось удалить лигнин из древесной целлюлозы путём простой химической обработки, придав ему белый цвет. Затем они пропитали подложку прозрачным полимером, что сделало древесину оптически прозрачной, не снижая при этом её структурной прочности. Отмечая возможность получения такой древесины в достаточно большом объёме не только для архитектурных целей, Ларс Берглунд, исследователь из КТИ, заявил, что, помимо изготовления окон, прозрачная древесина может быть использована также в производстве фотоэлектрических солнечных панелей.

Производство прозрачной древесины – это лишь один из многих примеров потенциальных областей применения дерева в сегодняшних условиях.

Производители материалов «получают древесную целлюлозу, а затем изменяют её структуру для придания различных свойств, – отмечает Дент. – Её можно использовать в качестве пены или для повышения прочности других материалов. Множество компаний, занятых в лесной промышленности, уже сейчас продвигают на рынке некоторые из этих новых материалов из древесины».

По словам Дента, несмотря на растущую популярность суперэкологичных возобновляемых материалов, цены на них продолжают оставаться высокими. Однако он также отмечает новые подходы к применению более традиционных строительных материалов.

«Если бы пять лет назад кто-нибудь спросил меня о металлах, я бы сказал, что мы уже выжали из них всё возможное. Однако сейчас разрабатываются новые способы и технологии их улучшения, – говорит Дент. – Цифровые инструменты проектирования позволяют инженерам по-новому взглянуть на форму металлов».

Помимо традиционных архитектурных металлов, сегодня появляются также новые конструкционные материалы, ознаменовавшие новую эру развития. «Для нас в данный момент наибольший интерес представляет смешивание материалов, – говорит Чарли Картер, вице-президент и главный инженер-конструктор Американского института стальных конструкций (AISC). – Конечно, сталь всегда была располагающим к этому металлом. Однако главным новшеством в технологии смешивания материалов, на мой взгляд, является активно продвигаемое в лесной промышленности производство клеёной многослойной древесины с продольно-поперечной ориентацией слоёв (CLT)». «Эти панели CLT хороши сами по себе, – говорит Картер, – но если смонтировать их в стальной раме и установить на верхний бетонный слой, они составят очень серьёзную конкуренцию стандартным плоским бетонным плитам для устройства перекрытий». Картер признаёт, что новые системы металлоконструкций должны выдержать ещё много испытаний, однако уже сейчас результаты исследований вселяют большие надежды. «Я могу предвидеть переход на рынке жилищного строительства с плоских бетонных плит на панели CLT, смонтированные в стальных рамах, в ближайшем будущем», – заключает он.

Объёмы выброса парниковых газов («углеродный след») при производстве цемента подробно описаны и задокументированы, и многие исследовательские инициативы и разработки специализированных продуктов направлены на сокращение этих объёмов в цементной промышленности. В этом смысле проблема заключается не в нехватке новых идей, а в приведении новых, во многом непроверенных смесей, в соответствие с нормами.

Несмотря на эти препятствия, промышленные ассоциации делают всё возможное для внедрения новых достижений в области материаловедения. «Для нас, пожалуй, одним из самых больших изменений в производстве цемента является недавняя разработка и будущее использование портландцемента с добавкой известняка, – говорит Пол Теннис, директор по стандартам и технологиям Ассоциации производителей портландцемента. – Этот материал в течение уже нескольких лет активно используется в Европе, и получил распространение в Канаде даже раньше, чем в США. В Америке никто не хочет первым начинать применять этот материал, однако рано или поздно это случится, когда его популярность возрастет ещё больше». Портландцемент с добавкой известняка (LPC), относящийся к типу 1L по стандарту Ассоциации производителей портландцемента, может содержать до 15% известняка.

. «При производстве цемента 1L уровень выбросов CO2 снижается на 10%. Эта цифра может показаться небольшой, однако, если умножить её на промышленные объёмы производства цемента, эффект будет более впечатляющим», – говорит Теннис.

Цемент типа 1L имеет свои ограничения, но Теннис утверждает, что снижение выбросов CO2 стоит пересмотра и изменения стандартов.

«Цена – это определяющий фактор, с технической точки зрения. Однако в контексте глобального движения за охрану окружающей среды важную роль также играют экологичность и социальное воздействие. Инженеры всё время пытаются привести к равновесию эти три фактора, – говорит он. – Наибольший интерес в разработке и использовании известняка и других новых материалов представляют экологические параметры. Цена имеет такую же или даже большую важность, но, в конечном счёте, на этих весах перевешивает чаша с экологическими преимуществами».

Разработка новых технических требований к бетонным добавкам занимает много времени, однако экологический фактор всё же перекрывает все недостатки, связанные с новыми материалами. Исследователи из Университета Британской Колумбии (кампус Оканаган) проводили эксперименты с переработкой отходов стекла с мусорных свалок в бетон с целью уменьшения содержания цемента. Используя запатентованное связующее вещество из бутадиен-стирольного каучука, исследователи смогли заменить значительную часть портландцемента в бетоне измельчённым стеклом.

«При этом в стеклянной крошке содержится диоксид кремния, а в цементе – щёлочь, – объясняет Шария Алам, доцент Университета Британской Колумбии. – Они вступают в реакцию, образуя соединение, которое расширяется и может вызвать образование трещин в бетоне. Но мы смогли оптимизировать сочетание материалов благодаря использованию жидкого полимера и таким образом сохранить прочностные качества».

По словам Алама, в ходе эксперимента выяснилось, что стабилизирующий полимер способен предотвращать щелочную реакцию в бетоне с содержанием стекла до 25%. «Разработка наполненного стеклом бетона находится ещё на одной из начальных стадий, но результаты испытаний являются многообещающими, – утверждает коллега Алама Анант Парги. – Нам нужно провести более детальное исследование, однако на данный момент мы уже смогли увеличить показатели прочности на 60% по сравнению с контрольным образцом». Несмотря на это, по мнению Алама, им предстоит ещё долгий путь приведения нового материала в соответствие со стандартами.

Профессор Эд Кавазаджан, занимающийся исследованиями в лаборатории Университета штата Аризона, пытается найти геоинженерные решения в природном мире. Являясь директором Центра биотехнических и геоинженерных технологий (CBBG), в настоящее время он курирует проект, недавно получивший пятилетний грант в размере 18,5 миллионов долларов США от Национального научного фонда на изучение адаптации природных процессов для применения их в строительстве. «То, чем мы здесь занимаемся, например, превращением песка в песчаник, – это своего рода алхимия», – говорит он. Диапазон исследований CBBG необычайно широк: от разработки геотехнических систем, способных имитировать корни деревьев, до изучения поведения кротов при рытье нор и использования этого опыта в технологии забивки свай в фундамент".

«Наша философия заключается в том, что за 3,4 миллиарда лет природа методом проб и ошибок пришла к наиболее эффективным способам освоения натуральных материалов, – говорит Кавазаджан. – Мы хотим учиться у природы и использовать полученное знание для инженерных целей».

«То, чем мы здесь занимаемся, например, превращением песка в песчаник, – это своего рода алхимия» – Эд Кавазаджан, Университет штата Аризона.

В то время как сотрудники CBBG заняты в самых разнообразных областях исследований, главным предметом изучения Кавазаджана является строительство фундаментов. Недавние лабораторные исследования по карбонатной седиментации привели к обнадёживающим результатам: с помощью уреазы – фермента, ответственного за образование камней в почках – рыхлый песок удалось преобразовать в твёрдую камнеподобную породу. В процессе, разработанном в лаборатории Университета штата Аризоны, для вызова реакции используется фермент растительного происхождения. В то же время партнёры CBBG по проекту из Калифорнийского университета в Дейвисе использовали для этих целей микробы. Описанная химическая реакция сегодня может быть использована для укрепления неустойчивых грунтов, а в будущем – для упрочнения фундаментов зданий и уменьшения негативных воздействий от разжижения грунтов в результате повышенной сейсмической активности.

«Технология преобразования песка в песчаник первой из текущих разработок CBBG получит промышленное применение, – говорит Кавазаджан. – Благодаря результатам исследования карбонатной седиментации, мы можем производить биокирпичи из песка. Сегодня в основе геотехнических систем укрепления лежит технология глубокого грунтосмешения с портландцементом, однако в будущем достаточно будет просто закладывать перфорированные трубы и укреплять грунты посредством биохимических реакций».

«Как я уже говорил раньше, то, чем мы здесь занимаемся, – это геотехническая алхимия. Только вместо того, чтобы превращать свинец в золото, я стараюсь получить песчаник из песка. Если я смогу опередить время и научиться использовать песок в качестве цемента – это будет настоящим прорывом в сфере геотехнологий».