Новый цемент. Другая арматура. Бетон без железа. Сравнение стоимости и содержания моста из железобетона
Новый цемент для бетона
Иногда, хотя и не так часто, как хотелось бы, появляется одно решение, которое аккуратно разрешает сразу обе проблемы. Как мы уже видели, огромное количество глины и известняка, обжигаемых каждый год, выбрасывает в атмосферу миллионы тонн CO2, как от сжигания ископаемого топлива для приготовления цемента, так и от самого материала. Это особенно верно для известняка, который порождает феноменальное количество CO2, когда в печи он превращается из карбоната кальция в оксид кальция. Аналогичным образом, широкомасштабное внедрение в середине двадцатого века высокопрочного/малостойкого цемента для бетона оказалось катастрофическим для нашей инфраструктуры. Очевидно, с этими тревожными ситуациями нужно было что-то делать. К счастью, на первый план вышло простое решение, которое помогло решить не только обе проблемы, но и третью.
Сталелитейная промышленность и угольные электростанции в течение многих лет производят огромное количество твердых отходов. Сталелитейная промышленность производит миллионы тонн шлака, а угольные электростанции вырабатывают равное или большее количество золы-уноса. Шлак - это та часть железной руды, которая остается после выплавки металла. Для облегчения процесса отделения железной руды от минеральных примесей, добавляются известь и магнезит, которые и становятся компонентами шлака. Зола легкая часть угольной золы-уноса, ранее просто вылетала в трубу из печи электростанции. С принятием законов об окружающей среде в 1970-х и 1980-х годах угольные электростанции были вынуждены улавливать эту золу с помощью электрофильтров или механических фильтров. В случае шлака и золы-уноса материал либо складывался в кучи поблизости, либо отправлялся на свалки.
Как и в случае с жерновами в Андернахе в Германии, около трехсот лет назад, люди обнаружили, что химический состав шлака и золы-уноса создают идеальную комбинацию для производства цемента. Даже лучше, во времена Андернаха стружка от обработки жерновов была пригодна только в качестве пуццоланового элемента, в то время как шлаки и золы имеют в своём составе и пуццолановые и вяжущие компоненты. Другими словами, они могут заменить не только большую часть обжигаемой глины в портландцементе, но и большую часть обжигаемого известняка. И это не все: из-за высокого содержания силикатов в некоторых золах, её можно также использовать в качестве заполнителя для замены некоторой части песка при изготовлении бетона. А вишенкой на торте к этой хорошей новости является то, что когда шлак или зола смешиваются с портландцементом, в результате получается высококачественный продукт, который имеет высокую прочность на сжатие и долговечность, т.е, без раннего трещинообразования и преждевременной коррозии арматуры.
Единственным недостатком в этой оптимистичной истории является то, что большая часть золы и шлака, пригодных для производства цемента, до сих пор не используется для этой цели. По-прежнему преобладает обычный портландцемент, а также загрязнение и расточительство ресурсов, которые связаны с его производством. Цементная промышленность имеет крепкое лобби для того чтобы не допустить любые изменения в законодательстве вносимые правительством или регламенты агентства охраны окружающей среды (EPA) которое, как она чувствует, ограничили бы её свободу в том чтобы делать то что её хочется. Это так всегда: промышленность всегда будет выступать за или против чего-либо, что она полагает ущемлением своих текущих интересов. Однако узконаправленная и краткосрочная коммерческая политика часто вступает в противоречие с общественной пользой, как в случае высокопрочных цементов для бетонов. Правительство США успешно оговорило применение бетона на основе зольного цемента в ряде строительных проектов, но такие меры мало повлияли на частный сектор, где по-прежнему можно использовать стандартный портландцемент или, что еще хуже, его старый высокопрочный/малостойкий аналог. С учетом доказанных дорогостоящих и/или опасных недостатков последнего, следует серьезно рассмотреть вопрос о его прямом запрете. Как гласит старая поговорка, скрипучее колесо надо смазать, так что общественность должна дать понять своим избранным представителям, что переход на более зеленые цементы отвечает интересам всех, в том числе и интересам отрасли производящей этот материал. (Конечно, производители портландцемента не захотят вернуться к строительству стальных каркасов или, боже упаси, конструкций из каменной кладки).
Новые арматурные прутья
Хотя применение зеленых цементов и арматуры из нержавеющей стали сможет удвоить продолжительность жизни железобетонных зданий, одна основная проблема остается: неизбежная коррозия стали, которая окончательно ставит под сомнение их конструктивную целостность.
Одним из методов, с помощью которого коррозия стальной арматуры может быть - теоретически - отложена на неопределенный срок, является катодная защита. Коррозия железа или сплава на основе железа представляет собой электрохимический процесс. Электрохимические процессы пронизывают мир природы. (Когда вы читаете эту страницу, в вашем мозгу происходят бесчисленные электрохимические процессы). При коррозии стальной арматуры генерируется небольшой ток, при этом коррозионная часть служит положительным (+) полюсом, а ближайшая некорродирующая область арматуры служит отрицательным полюсом (-). Другими словами, действие аналогично тому, которое наблюдается в батарее, в которой различные части арматуры, действуют как анод, или как катод. Если нет препятствий, ржавеющий анод коррозирует и расширяется, катод же сжимается до тех пор, пока полностью не исчезнет (или здание не выйдет из строя). Все, что остаётся - чистая ржавчина. Бетон вокруг арматуры, особенно когда он влажный, является электролитом - средой, которая позволяет проходить этому току.Электрохимические свойства ржавчины известны давно, а также способы, с помощью которых ею можно управлять, как пассивно, так и активно. Примером пассивного метода является соединение другого, более уязвимого ("менее благородного") металла с защищаемым. Если вы имеете стандартный домашний нагреватель воды, то внутри него есть стальной прут называемый жертвенный анод, обычно сделанный из алюминия или магния, к которому направлен поток. Этот прут ржавеет вместо стали бака вашего нагревателя. Из-за разнообразных свойств электрохимического процесса в различных коррозионных средах, используются различные жертвенные металлы. Один который хорошо работает в пресной воде, как алюминий, не может делать того же в соленой воде, поэтому используют другой металл, такой как цинк.
Из-за того что стальная арматура особенно уязвима к хлоридам, в качестве жертвенного анода используют цинк. Одним из отличных методов пассивной защиты является покрытие арматуры цинком. Это цинковое покрытие защищает арматуру от коррозии. Даже если коррозия начинается где-то на арматуре, цинк продолжит оттягивать ее от стали, даже после того, как большая часть цинка будет "принесена в жертву" в этом процессе. Конечно, как только покрытие цинка исчезнет, коррозия начинает атаковать сталь, так что окончательного решения нет.
"Активная" форма защиты, как представляется, предлагает более постоянное решение, но она также является более сложной и дорогостоящей. В бетон посылают постоянный электрический ток (DC), создавая из арматуры катод. Электрический провод присоединен к арматуре, которая тянет ток к коробке выпрямителя тока DC получающей питание от стандартного переменного тока (AC). Этот метод используется для стальных трубопроводов и корпусов судов в течение многих лет, но он более проблематичен, в том случае, когда сталь находится в бетоне. Его лучше использовать во время строительства, хотя некоторые железобетонных конструкций могут быть снабжены таким устройством. Точки соединения и выпрямитель тока необходимо постоянно контролировать и поддерживать в рабочем виде, так же как и армированный бетонный мост, но этот способ добавляет стоимость и оборудование в список расходов на эксплуатацию. Активная катодная защита арматуры также добавляет около 15 процентов к стоимости среднего моста на скоростном шоссе. По этим причинам некоторые инженеры не особенно воодушевлены активной формой катодной защиты.
Арматура не содержащая железа
Популярный ответ последнего времени к проблемам коррозии армированного бетона - использование арматуры из нержавеющей стали. Не смотря на то что арматура из нержавеющей стали держится дольше чем её обычная стандартная версия, что возможно добавит 10-20 лет к жизни бетона, в конечном счёте она также скорродирует. Всё таки, железо, которое содержится в нержавеющей стали, является тем самым элементом, который обрекает бетон на разрушение. По крайней мере с 1970-х годов ученые интенсивно изучают методы, с помощью которых железо может быть полностью удалено из арматуры. К концу 1980-х годов продукты этих исследований начали выходить на рынок. Один из них - арматура GFRP (полимер усиленный стеклофиброй). По выносливости к напряжениям, она сильнее стали на 1/4 от своего веса. Эта арматура устойчива к большому количеству химикатов, например к хлоридам - к которым сталь уязвима. Так как она не проводит электричество она, очевидно, устойчива и ко всем видам электрохимической коррозии, и поэтому не будет покрываться ржавчиной. Её непроводимость особенно полезна в некоторых конструкциях. Например, магнитно-резонансные томографы в больницах очень чувствительны к черным металлам, в том числе к стальной арматуре в стенах. Пункты сбора оплаты используют устройства, на работу которых оказывает влияние арматура, площадки для поверки радио приборов и компасов в аэропортах, в железобетонных зданиях высокомощные трансформаторные подстанции то же могут реагировать на стальную арматуру заложенную в бетоне. Арматура GFRP помогает решить такие проблемы. По той же причине вы можете получить лучший прием сотового телефона в здании, построенном с использованием GFRP, по сравнению со зданием, где была использована стальная арматура. GFRP использовали для дорожного полотна и настилов мостов. Первоначальные данные свидетельствуют о том, что она позволит значительно продлить срок службы таких конструкций, при этом значительно сократив затраты на их обслуживание. Это последнее преимущество весьма существенно, поскольку, хотя железобетонные конструкции, построенные сегодня, и прослужат дольше, но им все равно потребуется регулярное техническое обслуживание для проверки на коррозию, и дорогостоящий ремонт, как только она будет обнаружена. Испытания проведённые до настоящего момента на дорожных полотнах и мостовых настилах на бетоне армированном GFRP показывают, что он должен простоять очень долго, безусловно дольше, чем бетон со стальной арматурой.
Физические характеристики арматуры из GFRP отличаются от стальной арматуры.
Не смотря на то, что её прочность почти в два раза выше, а масса на 1/4 ниже, она менее эластична. Другой недостаток арматуры GFRP в том, что ее нельзя согнуть на месте производства работ для того чтобы выставить арматурную решётку по окружности, которая необходима для колонн и других архитектурных форм. Конечно, арматуру из GFRP можно заказать уже загнутой, в соответствии с чертежами, но на строительной площадке всегда возникают какие-либо отклонения, которые не будут соответствовать строительным чертежам. По этой причины, арматура GFRP использовалась в элементах, в которых необходимы прямолинейные арматурные стержни и где конструктивный элемент подвергается сильным сжимающим напряжениям - как ранее упомянутые дорожные полотна и настилы на мостах.
Подобным образом, новейшая арматура из волокон углерода, выходящая на рынок, кажется, показывает такие же достоинства и недостатки, так что потребуется проведение дальнейших испытаний. Одним из применений данной технологии является использование углепластиковых сеток в сборных бетонных блоках или панелях для секционированного строительства. Вследствие большей прочности и меньшей массы волокон углерода, можно отливать из бетона более тонкие панели, тем самым уменьшая вес и элемента и конструкции. Фактор веса может стать основным проектным соображением, если, например, здание планируется возводить в зоне мягких грунтов. Это положительная черта присуща и арматуре из GFRP, а работать с такой арматурой рабочим гораздо проще чем с традиционной стальной арматурой.
Одним из многообещающих материалов является алюминиевая бронза. Холодно-тянутые сплавы алюминиевой бронзы имеют прочность равную прочности стали используемой в большинстве арматурных каркасов. Она не поддаётся коррозии и на 35% дешевле нержавеющей стали, той самой которая стала наиболее популярной заменой обычной стальной арматуры в конструкциях, подверженных наиболее сильной коррозии. Сплавы алюминиевой бронзы используются в судостроении в течение десятков лет. Они хорошо держатся в морской воде, чего не делает сталь (если, конечно, последняя не заряжается электрическим током для обеспечения катодной защиты). Например, бронзовое оборудование и массивные пропеллеры Титаника, вероятно, будут единственным уцелевшими металлическими частями затонувшего корабля после тысячи лет. Сплавы на основе меди, такие как бронза, образуют микропленку коррозии, которая защищает материал от дальнейшей коррозии, что часто видно как зеленая патина на металле. Примеры этой патиновой пленки часто можно увидеть на бронзовых статуях, некоторым из которых больше двух тысяч лет, и они сохранились до наших дней из-за, казалось бы, неограниченного срока службы этого сплава. Классическая бронза состоит из меди в сочетании с оловом. Алюминиевые бронзовые сплавы главным образом состоят из меди, связанной с алюминием в количестве от 5 до 11 процентов, и небольшим количеством никеля, марганца, а также железа, коррозионные свойства последнего задавлены большим объёмом других металлов в сплаве.
Испытания, проведенные на этом сплаве, оказались очень многообещающими, но, похоже, у строителей нет большого интереса к этому материалу, даже учитывая то, что он предлагает потенциал для создания "вечной" арматуры, которая также может быть согнута на строительной площадке.
Один из аргументов против использования алюминиевой бронзовой арматуры заключается в том, что ее цена будет расти по мере увеличения спроса, поскольку медь менее распространена в природе, чем железо (алюминия, по крайней мере, так же много, как железа). Исходя из предположения что цена на сплав будет расти и в один прекрасный день он станет таким же дорогим, как нержавеющая сталь, и того что это единственное ограничение, давайте сделаем небольшое сравнения затрат, раз уж расчёты по сопоставления затрат при использовании арматуры из нержавеющей стали и обычного металла уже были выполнены. Стоимость строительства показанная здесь является произвольно выбранным средним показателем; некоторые мосты будут намного дешевле, а другие - намного дороже.
| Стоимость строительства моста, USD | Срок службы | Общая стоимость, USD | |
| Обычная арматура | 56 000 000 | 75 лет* | 336 000 000 + |
| Арматура из нержавеющей стали | 66 640 000 | 110 лет* | 266 560 000 + |
| Арматура из алюминиевой бронзы | 66 640 000 | 500 + лет ** | 66 640 000 (только стоимость строительства) |
| * Подразумевается дополнительная стоимость обслуживания
за время жизни моста. Точно не вычислена, так как не могут быть точно
учтены факторы влияния окружающей среды, мост может находится в условиях
сухой пустыни или влажном морском климате. ** Может простоять до двух тысячелетий, значительно снизив тем самым общую стоимость. Стоимость обслуживания так же не известна и не вычислена, но скорее всего будет минимальной по сравнению с мостами из обычной или нержавеющей арматуры |
|||
Эти консервативные оценки основанные на увеличенном жизненном периоде новых цементов для бетона на основе золы уноса. 19-ти процентное увеличение стоимости строительства моста при использовании арматуры из нержавеющей стали, возмещается удлинённым периодом жизни конструкции. Однако, это увеличение срока службы относительно небольшое по сравнению с тем сроком, который предлагает использование алюминиевой бронзовой арматуры. На самом деле мы не знаем, сколько простоит третий мост - может быть, два тысячелетия или больше. В любом случае, это будет очень, очень долго. Бетон может треснуть, и, возможно, небольшие куски в течение столетий будут отваливаться, но это, скорее всего, будут косметические дефекты, которые можно легко залатать с минимальными затратами. Если предположить, что затраты на замену этих мостов будут такими же, как и затраты на строительство (мы проигнорируем корректировки на неизвестный уровень инфляции), можно увидеть огромную экономию, которая будет только увеличиваться с течением следующих столетий. Так же мы не учли огромные объемы загрязнения, образующиеся при производстве цемента, и огромные потери ресурсов, связанные со строительством того же моста снова и снова.