Ежедневные колебания температуры могут привести к замерзанию и расширению воды, а затем к таянию и сжатию. Поскольку бетон пористый и впитывает жидкость, из-за этих изменений его поверхность часто отслаивается и крошится. Но исследователи говорят, что новый процесс может помочь предотвратить такое ухудшение.
«В прошлом мы прежде всего сопротивлялись этим повреждениям, вызванным замораживанием-оттаиванием, используя технологию, разработанную в 1930-х годах, которая заключалась в создании крошечных пузырьков воздуха по всему бетону», - говорит Вил Срубар, специалист по материалам. ученый и инженер-архитектор в Университете Колорадо в Боулдере. Эти гибкие пузыри поглощают некоторое давление, но также снижают прочность бетона, заставляют его впитывать больше воды и требуют тщательного распределения.
Лаборатория Срубара обратила внимание на мир природы, а именно на «антифризные» белки, которые позволяют некоторым рыбам и бактериям выдерживать низкие температуры. В клетках эти молекулы цепляются за поверхность кристаллов льда и не дают им стать слишком большими, но они не действуют в высокощелочной цементной пасте, ключевом ингредиенте бетона. Поэтому исследователи попробовали более жесткое вещество со схожими свойствами: полимер под названием PEG-PVA, который в настоящее время используется в фармацевтических таблетках, пилюлях с растворимой оболочкой.
Чтобы проверить это, команда смешала несколько партий бетона, в том числе одну контрольную, одну с пузырьками воздуха и несколько с различными концентрациями добавки PEG-PVA. После 300 последовательных циклов замораживания-оттаивания качество контрольного образца резко упало, в то время как другие сохранили свою целостность. Исследование было опубликовано в июне в журнале Cell Reports Physical Science.
Викки Эдмондсон, инженер-строитель из Нортумбрийского университета в Англии, который не принимал участия в исследовании, говорит, что новая работа важна, но потребует исследования за пределами лаборатории. «Например, если мы посмотрим на проектный срок службы моста, - говорит она, - как это поможет защитить критически важную инфраструктуру?» Эдмондсону интересно, как эта добавка будет действовать в реальном мире, где бетон должен выдерживать, например, вибрации и выдерживать воздействие загрязняющих веществ.
«Все, что делает цемент более долговечным ... очевидно, является прогрессом», - говорит Ролан Пелленк, директор по исследованиям Французского национального центра научных исследований, который также не принимал участия в новом исследовании. Поскольку повреждение от замерзания-оттаивания представляет такую угрозу для инфраструктуры, другие исследователи также ищут решения - Пелленк говорит, что его собственная команда экспериментировала с водоотталкивающей добавкой черного углерода для этой цели.
Срубар подал предварительный патент и надеется вывести на рынок процесс PEG-PVA в течение пяти лет. Тем временем он продолжает поиск молекул, имитирующих поведение антифризов. «Все в моей лаборатории убеждены, что природа решила все наши проблемы за нас», - говорит он. «Нам просто нужно знать, где искать».