Пять инновационных материалов, которые могут изменить процесс строительства
Производство большинства современных строительных материалов негативно влияет на окружающую среду. Поэтому инженеры по всему миру, занимающиеся инновационными технологиями, разрабатывают новые альтернативные материалы.
Какой самый популярный строительный материал? Он окружает нас днем и ночью, дома и в офисе, в спортзале и в театре. Это цемент.
Цемент, так же как кирпич, дерево, сталь и стекло, повсеместно используется в строительстве. Эти строительные материалы стали популярными благодаря своей универсальности, низкой стоимости и практичности. Тем не менее, у них есть недостатки.
При производстве кирпича происходит деградация почвы, связанная с добычей сырья. Древесина пожароопасна, стекло хрупкое, сталь ржавеет.
Чтобы снизить влияние этих недостатков инженеры, ученые и стартапы предлагают альтернативные материалы, которые помогают повысить эффективность основных элементов зданий. Мы рассмотрим пять наиболее интересных альтернатив.
Серьезной проблемой в строительной отрасли являются отходы. Различные исследования приводят к тому, что 20-30% строительных материалов выбрасываются. Это представляет огромную экологическую проблему и приводит к экономическим затратам.
Голландская фирма Aectual считает, что ее биопластиковые конструкции могут изменить ситуацию. Фирма использует большие 3D-принтеры для создания комплексных сложносоставных конструкций, от полов до фасадов, лестниц и даже целых зданий. Помимо использования 3D-принтеров для строительства зданий, использование биопластиков является инновационным с точки зрения прочности и сокращения отходов.
Компания заявляет, что биопластик, используемый в ее 3D-принтерах, сделан из возобновляемых на 100% растительных полимеров. Также эти принтеры могут использовать переработанную пластмассу. Если принтер совершит ошибку, пластик можно измельчить и вернуть обратно в строительную смесь. Это дает возможность создавать проекты без каких-либо потерь – по крайней мере, в теории. Также следует отметить, что производство биопластика требует крупномасштабного производства растительных материалов, таких как кукуруза.
При смешивании цемента с водой, песком и камнем образуется бетон – основа большинства современных зданий. Но бетон пористый, пропускает воду и химические вещества. Это ухудшает качество бетона, и может привести к ржавчине при его использовании, например, со стальными опорами, которые в него закрепляются. Проблема в том, что на молекулярном уровне бетонные частицы образуются случайным образом, образующееся пространство позволяет проходить жидкости и другим соединениям.
Ученые из Университета Райса, штат Техас, разработали метод «программирования» молекулярной структуры бетона в момент схватывания. Строители могут «настроить» цемент заранее таким образом, что он будет формироваться в более плотно упакованные кубы, сферы или ромбовидные структуры. Ученые обнаружили, что, добавляя отрицательно и положительно заряженные поверхностно-активные вещества к цементной смеси, им удается контролировать форму, которую частицы цемента принимают во время схватывания.
С практической точки зрения это означает, что бетон будет затвердевать более плотно, будет не таким пористым, и станет значительно прочнее. Более того, ученые предполагают, что для формирования таких усиленных структур потребуется меньше цемента.
В жаркий летний день в душном офисе мы включаем кондиционер. Работа систем кондиционирования воздуха приводит к повышенному потреблению электроэнергии. Можно ли создавать здания с помощью материалов, которые сами способны управлять температурой?
Это и стало целью недавнего проекта в архитектурной школе IAAC в Барселоне. Исследователи разработали прототип материала, который они называют гидрокерамикой. Он обеспечивает пассивное охлаждение здания и может снизить температуру в здании на 5°C по сравнению с температурой на улице.
Материал представляет собой фасадное покрытие из керамических панелей. Панели пропитаны гидрогелем, нерастворимым полимером, который может поглощать воду до 500 раз больше своего веса. То есть фасад способен впитывать влагу из воздуха. В жаркие дни вода, скопившаяся в полимере, начинает испаряться и охлаждать здание. IAAC описывает это как «дыхание» здания за счет испарения и конденсации. Исследователи предполагают, что в зданиях, обшитых этим материалом, будет на 5 – 6°C прохладнее, чем снаружи. Таким образом, можно снизить расходы на кондиционирование воздуха на 28%.
В мире каждый год производятся триллионы кирпичей. В процессе производства они нагреваются в печах до чрезвычайно высоких температур, что требует большого количества энергии.
Компания BioMASON из Северной Каролины надеется это изменить.
В этом стартапе был открыт способ «выращивания» бетонных кирпичей за счет бактерий. Это происходит при температуре окружающей среды, что исключает необходимость обжига. Вдохновленная таким явлением как создание коралла – естественной, но очень твердой субстанции – компания разработала метод «выращивания» бетонного кирпича. Компания помещает песок в прямоугольные формы и вводит туда бактерии, которые обволакивают собой каждую песчинку. Затем эта смесь в течение нескольких дней орошается водой, богатой питательными веществами.
В результате образуются кристаллы карбоната кальция, которые «растут» вокруг каждой песчинки, образуя за несколько дней твердое, как камень, вещество. BioMASON заявляет, что ее продукты соответствуют стандартным кирпичам. При этом для их создания требуется значительно меньше энергии, что намного экологичнее.
Кирпич, листовой металл, бетон и цветная штукатурка являются основными материалами для строительства потолков, полов и облицовки. ALUSION, продукт канадской компании Cymat Technologies, предлагает архитекторам и дизайнерам нечто большее. Материал считается универсальным и подходит для покрытия зданий, дверей, полов и многого другого.
Сотрудники компании открыли способ впрыскивать воздух в расплавленный алюминий. За счет дисперсии керамических частиц в смеси образуются пузырьки, похожие на пузырьки воздуха в плитке шоколада.
Помимо того, что это очень эффектный материал для дизайна, ALUSION предлагает такое преимущество как снижение шума. Вся продукция на 100% пригодна для вторичной переработки, обладает высокой прочностью и сделана из негорючих материалов.
Несомненно, что многие из новых строительных материалов будут использоваться десятилетиями, возможно веками. Инновации всегда являются перспективным направлением.
Бетон Древнего Рима становится только крепче
Загадка древней инженерии заключается в том, как римляне строили бетонные конструкции, которые просуществовали тысячи лет. Римляне вкладывали значительные усилия в разработку бетона. Он был способен противостоять землетрясениям, коррозии от морской воды и сохранил свою форму без стальной арматуры. Сегодняшний же бетон редко выдерживает более нескольких десятилетий. Ученые уверяют, что нашли отгадку.
Исследование римского бетона в 2017 году показало, что он был сделан из вулканического пепла, морской воды, извести и кусков вулканической породы. При первоначальной закладке между этими ингредиентами происходят химические реакции и образуются новые вещества, в том числе такой редкий минерал, как тоберморит. При появлении трещины в бетоне, начинает формироваться еще больше кристаллов тоберморита и тем самым трещина заделывается сама по себе.
Римский бетон изготавливался из редкого вулканического пепла, поэтому не был широко распространен. Тем не менее, эта находка дает возможность по-новому взглянуть на бетон: в то время как современные материалы нацелены только на затвердевание и никогда не изменяются, римский бетон восстанавливается самостоятельно. Если бы мы могли найти материал похожий на римский пепел, мы могли бы построить сооружения, которые выдержали бы любое испытание временем.
