Бетон без цемента снизит вероятность засора канализации
Австралийские ученые экспериментально определили, какие виды бетона устойчивы к кислоте. Выяснилось, что одним из ключевых ингредиентов таких бетонов является летучая зола, кроме того, можно обойтись вовсе без портландцемента. Исследователи рассчитывают, что кислотостойкий бетон без цемента пригодится при строительстве канализаций, где постепенная коррозия обычного бетона сильно увеличивает вероятность засора. Статья опубликована в журнале Resources, Conservation and Recycling.
Бетон состоит из наполнителя и вяжущего вещества. Почти весь современный бетон связывается портландцементом (обожженная смесь гипса, глины и известняка). Но портландцемент — не единственное доступное человечеству вяжущее вещество. Для римского бетона готовили смесь из извести и пуццолана, особой вулканической породы, в наши дни по разным причинам тоже ищут способы производить искусственный камень без цемента. Некоторые считают производство портландцемента вызовом для экологии, поскольку оно ответственно за эмиссию пяти процентов парниковых газов, а на Марсе, где вода не может находиться в жидком состоянии, возможно, пригодится серобетон.
Среди прочего, наличие известняка в портландцементе делает его не лучшим выбором для строительства канализаций. Дело в том, что активность микробов создает кислую среду, а кислота растворяет известняк. Как следствие, в воду утекают соли кальция, про которые доказано, что они взаимодействуют с жировыми наслоениями и способствуют формированию нерастворимых пробок.
Рэджив Ройчэнд (Rajeev Roychand) из Мельбурнского королевского технологического института и его коллеги изготовили несколько образцов бетона разного состава и выяснили, какой из них наиболее подходит для канализации. Для сравнения некоторые образцы содержали портландцемент, а в некоторых были исключительно нестандартные материалы.
Первый из них — летучая зола, мелкодисперсный продукт горения ископаемого топлива, в составе которого доминируют оксиды кремния, алюминия и кальция. Второй — измельченный доменный шлак, чей состав похож на золу, но с другими типичными пропорциями. Третий, четвертый, и пятый ингредиенты соответственно — гашеная известь, нанопорошок диоксида кремния и коммерческий полимерный пластификатор для бетонов. Из смеси этих компонентов в разных пропорциях сделали разные бетонные кубики, но с одинаковой долей песка и гравия. В четырех составах из девяти не было портландцемента вовсе. Эти кубики подвергли серии испытаний, ключевым из которых была многодневная ванна слабого раствора серной кислоты. Последствия ванны оценивали по проценту вымытого из кубика материала.
Ожидаемо, хуже всего показал себя бетон из чистого портландцемента — спустя 58 дней он лишился 16 процентов массы. Добавление в смесь летучей золы сильно увеличило стойкость материала — он потерял лишь 0,7 процента массы, но при этом его прочность на сжатие оказалась не самой высокой. Баланс механической прочности и устойчивости к кислоте показали три варианта состава, из которых два были безцементными — включали в себя золу, шлак и небольшое количество нанопорошка диоксида кремния. Они потеряли 0,7 процента массы, а их прочность на сжатие превысила 50 мегапаскалей. Ученые считают, что для строительства канализаций лучше всего подойдет тот бетон, в котором цемента нет вовсе, так как важнее полностью исключить известняк, чем уменьшить коррозию в целом. На следующем этапе исследователи планируют изучить, как меняются механические свойства каждого из этих бетонов при долгосрочной эксплуатации в условиях, максимально приближенных к реальной канализации.
Сделать бетон без цемента — недостаточно радикальный шаг для некоторых. Сингапурские ученые предложили строительный материал для Марса, сделанный на основе хитина членистоногих. Если же вам совсем не важна цена, то кирпичи можно лепить даже из графена.
Василий Зайцев
При каждом нажатии он меняет структуру, не забывая о предыдущих изменениях
Физики создали механический метаматериал с эффектом памяти, который можно использовать как примитивный счетчик до десяти. Этот материал представляет собой массив из десяти деформируемых ячеек, каждая из которых может находиться в одном из двух состояний, меняющихся при нажатии. При этом предыдущих изменений материал не забывает. В будущем счетчики с подобной конструкцией могут оказаться полезными для мягкой робототехники и умных сенсоров, пишут ученые в Physical Review Letters. Свойства метаматериалов определяются в первую очередь не химическим строением, а геометрической микроструктурой (например, расположением слоев различных веществ или периодичностью атомной решетки) и для них характерны аномальные значения различных физических параметров. Например, если растягивать в продольном направлении ауксетики, обладающие отрицательным значения коэффициента Пуассона, то в перпендикулярном направлении они расширяются (в то время как обычные материалы сжимаются). Ученые работают и над метаматериалами, обладающими памятью: они запоминают воздействие и реагируют на него сменой физических свойств. Например, если нагреть полимер с памятью формы, он вернет исходную (до деформации) форму. Однако такие материалы запоминают лишь начальное состояние, запомнить несколько последовательно меняющихся состояний им не под силу. Физики Мартин ван Хеке (Martin van Hecke) и Леннард Квакернак (Lennard Kwakernaak) из Лейденского университета разработали метаматериал, у которого память о предыдущих деформациях не сбрасывается. Храня информацию о предыдущих воздействиях, такой материал фактически способен считать: он запоминает каждое нажатие, последовательно меняя свою структуру. Ученые сделали материал на 3D-принтере из стоматологической силиконовой смеси для слепков. Он состоит из отдельных ячеек, каждая из которых включает в себя две балки: одну тонкую и одну толстую. Тонкая балка может изгибаться либо влево, либо вправо. Толстая балка служит перегородкой, отделяя ячейки материала друг от друга. Значение критической деформации для толстой и тонкой балок различны, поэтому одного нажатия достаточно для сгибания тонкой балки и частичной деформации толстой. Наличие толстой балки также не дает деформироваться тонкой балке в соседней ячейке. Материал считает следующим образом. В начальном состоянии {000...0} все тонкие балки изогнуты влево. При каждом изменении направления изгиба тонкой балки 0 меняется на 1. Превышая первым нажатием критическую деформацию тонкой балки, систему выводят в состояние {100...0}. После каждого следующего нажатия крайняя слева балка изгибается в правую сторону. Толстая балка при этом не деформируется, но за счет конструкции сгибает следующую тонкую. То есть система копирует состояние изогнутой вправо тонкой балки (1) с каждым нажатием на одну ячейку правее. В терминах нулей и единиц, подсчет можно записать как {000...0} → {100...0} → {110...0}→··· → {111...1}. До скольки может досчитать материал, зависит от числа ячеек и начального состояния системы, память метаматериала сохраняется до конца подсчета. По словам авторов работы, такой метаматериал с эффектом памяти фактически представляет собой простейший компьютер, который можно запрограммировать на счет с любого начального числа. Его работу ученые проверили, фиксируя значения критических деформаций и начиная счет с различных начальных чисел. Материаловеды отмечают, что такой счетчик из метаматериала можно изготовить и из других веществ, например каучука или полиуретана. В будущем из аналогичных ячеек ученые планируют собирать и двумерные массивы, на которых можно будет проводить более сложные вычислительные операции Метаматериалы хороши не только в счете: они помогают решать уравнения со скоростью света, а еще их можно превратить в непрерывные кристаллы времени.