В Пермском Политехе разработали недорогой полупрозрачный бетон

Сегодня при строительстве зданий и создании легких дорожных покрытий используют альтернативный материал – полупрозрачный бетон, который состоит из бетона и оптоволокна. Он способен пропускать свет, что позволяет воплощать уникальные архитектурные решения. Но оптоволокно – достаточно дорогостоящий материал. Ученые Пермского Политеха предложили получать более дешевый бетон с высокой способностью пропускать свет из отходов оргстекла. Это позволит повысить качество материала и сэкономить средства компаний. Цветовая разметка на дорогах на основе этого материала сможет существенно снизить число аварий в темное время суток.

Работа выполнена в рамках Программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030». Результаты исследования разработчики опубликовали в журнале Вестник ПНИПУ. Construction and geotechnics. 

«Материал на основе бетона и оптических волокон был создан в 2001 году, и последние десятилетия на него есть спрос. Инновационный бетон может пропускать до 80 процентов света. Прочный и водонепроницаемый материал обладает низкой плотностью и пористостью. Он сочетает в себе легкость и полупрозрачность, поэтому его предлагали использовать в легких стеновых конструкциях.

Это позволяет создать впечатление отсутствия толщины и веса. Но технология получения бетона с оптическими волокнами – сложный и дорогостоящий процесс. Его использование в конструкции оправдано в малых объемах, а переход на большие партии увеличивает расход материала. Поэтому мы предложили использовать альтернативный материал со «вставками» из доступного и недорогого оргстекла», – рассказывает руководитель проекта, доцент кафедры технических дисциплин Лысьвенского филиала Пермского Политеха по направлению «Строительство», кандидат технических наук Александр Сиянов.

Оргстекло – недорогой и прозрачный полимер. По словам разработчиков, реализовать технологию можно практически без затрат, если использовать доступные отходы этого материала. Ученые предложили ввести их в бетон в форме прямолинейных элементов кругового профиля. Чем больше «вставок» в бетоне, тем прозрачнее он получится.

Исследователи из Пермского Политеха предложили способ пропускания света под разными углами с учетом архитектурных требований. Они получили образцы полупрозрачного бетона с нужными характеристиками и провели их испытания. Это позволило выявить уровни, на которых в материале происходят изменения. Ученые определили свойства бетона в зависимости от количества прозрачных элементов и установили связь между их распределением и световым эффектом. Они определили плотность и прочность материала, а также проходимость света.

«Чтобы оценить влияние оргстекла на свойства бетона, мы провели испытания образцов. В качестве вяжущего вещества использовали пуццолановый портландцемент – материал на основе цемента и активной минеральной добавки, который твердеет в воде и во влажных условиях, – с удельным весом 2,7 г/м3. Оргстекло добавили в виде элементов диаметром пять и семь миллиметров, которые составили в материале долю 2,5 и 3,5 процентов. В процессе приготовления мы добавляли воду и пластификатор – вещество, которое придает материалу эластичность или пластичность при переработке и использовании.

Прозрачные элементы размещали в заранее подготовленные отверстия и закрепляли в пазах экспериментальной формы, а затем выравнивали их. В качестве источника света мы применяли фонари со светодиодными лампами мощностью 150 Вт. Результаты пропускания света отслеживали на деревянном экране», – отмечает ученый.

В процессе изготовления изделий оргстекло укладывали слоями и уплотняли. Его доля составила менее 10 процентов от площади сечения материала. Бетон ученые выдерживали в течение суток при температуре около 21 °C, а затем материал набирал прочность еще семь и 28 дней. В экспериментах использовали образцы в виде кубиков размером 50 × 50 × 50 мм и призм размером 40 × 40 × 160 мм. Ученые также определили прочность материала, сжимая и изгибая его с помощью силового пресса.

Результаты испытания на сжатие позволили определить, что оргстекло оказало положительное влияние на свойства бетона. Это снизило плотность на 10 процентов, повысило прочность до 36 процентов и уменьшило массу. Ученые провели испытания прочности совместной работы двух материалов. Для лучшего «сцепления» с бетоном они использовали элементы с выступами. Результаты на сдвиг показали меньшую прочность, что необходимо учитывать при проектировании зданий уязвимых конструкций, строительстве на территориях с неспокойными погодными условиями и опасностью возникновения пожаров. В остальных случаях применение нового бетона повысит светопроницаемость и снизит экологические риски.

По словам ученых, технология позволила улучшить характеристики полупрозрачного бетона. Его можно использовать в строительстве и создании дорожных покрытий. Он станет частью наружных и внутренних частей зданий, в том числе для дополнительного освещения.