DARPA szuka „biologicznego” sposobu na odnowienie betonu

9
DARPA szuka „biologicznego” sposobu na odnowienie betonu
Logo programu BRACE przedstawia sekwencję renowacji betonu


Kwestie odbudowy i utrzymania infrastruktury podjęła Amerykańska Agencja Zaawansowanego Rozwoju (DARPA). Od zeszłego roku trwają prace nad programem BRACE, podczas którego planują znaleźć zasadniczo nowe sposoby przywracania i naprawy konstrukcji betonowych i żelbetowych. Rozważamy technologie „biologiczne”, które mogą rozwiązać problem bez konieczności demontażu konstrukcji lub wymiany jej elementów.



Problem degradacji


Beton i żelbet są jednymi z głównych nowoczesnych materiałów budowlanych i są szeroko stosowane w budowie infrastruktury wojskowej i cywilnej. Jednak przy wszystkich swoich zaletach mogą ulec degradacji z negatywnymi konsekwencjami.

Pod wpływem czynników zewnętrznych, a także z powodu niewłaściwego składu, nieprzestrzegania technologii budowlanych itp. w betonie pojawiają się pęknięcia, a następnie zaczyna się on kruszyć. Wilgoć zewnętrzna prowadzi do korozji elementów metalowych, co zmniejsza wytrzymałość konstrukcji, a także tworzy dodatkowe naprężenia wewnętrzne. Wytrzymałość konstrukcji stopniowo maleje, aż do jej całkowitego zniszczenia.

Według agencji DARPA, siły zbrojne USA są już w pełni skonfrontowane z problemem degradacji konstrukcji betonowych. Wiele obiektów o różnym przeznaczeniu, wybudowanych w połowie XX wieku, nadal funkcjonuje. Ze względu na wiek i czynniki zewnętrzne ich stan pozostawia wiele do życzenia i wymaga uwagi.


Podczas gdy amerykańscy budowniczowie wojskowi muszą używać „zwykłego” betonu

Nie wszystkie takie obiekty można lub należy naprawiać lub wyburzać i odbudowywać. W związku z tym proponuje się opracowanie nowych technologii naprawczych, które pozwolą przywrócić integralność materiałów i konstrukcji budowlanych bez znaczącego wpływu zewnętrznego.

Inspirowane naturą


W marcu 2022 r. DARPA ogłosiła rozpoczęcie nowego programu badawczego o nazwie Bio-inspired Restoration of Aged Concrete Edifices („Biologicznie inspirowana renowacja starych konstrukcji betonowych”) lub BRACE (brzmi jak „Brace” lub „Brace”).

W ramach nowego programu planowane jest ponowne badanie procesów degradacji i niszczenia betonu i betonu zbrojonego w różnych warunkach i dla różnych czasów. Na podstawie zebranych informacji spróbują stworzyć nową technologię naprawy i/lub zachowania integralności konstrukcji.

DARPA w ramach BRACE proponuje ciekawą koncepcję odzyskiwania szkód. Potrzebujemy środków, które mogą stworzyć sieć cienkich kanałów w uszkodzonym obszarze lub w grubości betonu, podobnie jak naczynia krwionośne lub grzybnia. Za pośrednictwem tej sieci materiały do ​​naprawy powinny być dostarczane w optymalny sposób do uszkodzonego obszaru. Po dotarciu we właściwe miejsce cząsteczki materiału zostaną osadzone w istniejącej strukturze i ją wzmocnią.

W trybie naprawy sieć kanałów będzie musiała zapewnić szybkie dostarczenie dużej ilości materiału budowlanego do uszkodzonego obszaru w celu wypełnienia powstałych pustek. Profilaktyka będzie polegała na analogicznym uzupełnianiu drobnych ubytków, zanim się powiększą i zaczną stwarzać zagrożenie. Ponadto DARPA chciałaby wykorzystać sieć kanałów do diagnostyki materiałowej i sygnalizacji uszkodzeń.


O tym, jak dokładnie powstaną kanały, zdecydują organizacje uczestniczące w programie. Możliwe jest użycie pewnych środków chemicznych, biologicznych i innych. Jednocześnie przekrój i konfiguracja sieci „naczyń” nie powinny negatywnie wpływać na wytrzymałość odbudowywanej struktury, która jest już osłabiona.

Program podzielony jest na dwa tzw. obszary techniczne (obszary techniczne), które mają podobne, ale różne cele. Zadaniem pierwszego „obszaru” TA1 jest faktyczne stworzenie nowej technologii. W ramach kierunku TA2 opracowane zostaną metody wykorzystania nowych narzędzi oraz systemy testowe i modele do weryfikacji. W przyszłości pojawi się nowe zadanie - konieczne jest opracowanie szybkiej wersji technologii. Z jego pomocą planują naprawiać drobne uszkodzenia budynków, lotnisk itp.

Program BRACE rozpoczął się w marcu ubiegłego roku i potrwa cztery i pół roku. Oznacza to, że nowe technologie powinny pojawić się przed końcem roku budżetowego 2026. Nie można jeszcze określić terminu pojawienia się nowych materiałów w konstrukcjach inżynierskich i budowlanych. W nieokreślonej przyszłości nie wyklucza się przeniesienia nowych rozwiązań do sfery cywilnej, gdzie również znajdą szerokie zastosowanie.

Badacze i performerzy


Rok temu DARPA uruchomiła program BRACE, a także otworzyła nabór wniosków od organizacji chcących w nim uczestniczyć. 23 marca 2023 r. agencja poinformowała o zakończeniu części przygotowawczej programu i wyłonieniu jego uczestników.

Pełnym rozwojem nowych technologii zajmą się trzy amerykańskie organizacje. To Narodowe Laboratorium Livermore. E. Lawrence, University of Colorado i Battel Memorial Institute. Przedstawili własne pomysły i rozwiązania dotyczące „biologicznej” renowacji betonu.


Druk XNUMXD budynku z zaprawy cementowej

Niestety, szczegóły wstępnych projektów organizacji członkowskich BRACE nie zostały jeszcze ogłoszone. Oficjalne raporty wspominają, że wszystkie spełniają podstawowe wymagania klienta i opierają się na idei sieci kanałów w obrębie materiału. W takim przypadku ogólną koncepcję można wdrożyć na różne sposoby.

Według DARPA wszyscy trzej uczestnicy programu będą pracować w obu "obszarach technicznych". Będą musieli opracować nowe technologie, a także dostosować je do praktycznego zastosowania. Uczestnicy stworzą również zestaw mierników i środków do testowania.

Сферы применения


Główna faza programu BRACE właśnie się rozpoczęła, a na jej wyniki trzeba będzie poczekać jeszcze kilka lat. Ponadto nie ma jeszcze gwarancji, że uczestnicy badania poradzą sobie z zadaniami. Agencja DARPA już jednak wskazuje możliwe obszary zastosowania nowych technologii i oczekiwany efekt.

Pentagon dysponuje masą różnego rodzaju infrastruktury wojskowej, do budowy której wykorzystano beton i żelbet. Są to rozmaite budynki i budowle, pasy startowe lotnisk, nabrzeża portowe, a nawet wyrzutnie silosów dla pocisków strategicznych. Znaczna część tych betonowych/żelbetowych konstrukcji została zbudowana w odległej przeszłości i stopniowo niszczeje.

Za pomocą opracowanych narzędzi planują w przyszłości naprawiać uszkodzone obiekty i ich elementy. Ponadto nie jest wykluczone ich zastosowanie na etapie budowy, co zapobiegnie dalszej degradacji konstrukcji. Dzięki temu stare obiekty będą mogły działać dłużej, a nowo wybudowane będą miały początkowo zwiększony zasób. W obu przypadkach będą znane oszczędności.


Planowane jest również utworzenie środków na szybkie naprawy. Z ich pomocą będą walczyć z uszkodzeniami lotnisk i różnych budynków. Ta aplikacja nakłada specjalne wymagania na środki naprawy, ale zapewnia oczywiste korzyści.

W przyszłości technologie BRACE będą mogły wejść do obszarów zastosowań cywilnych i podwójnego zastosowania. Konstrukcje betonowe stosowane są niemal wszędzie, m.in. na obiektach o krytycznym znaczeniu. Wprowadzenie obiecujących środków naprawczych i prewencyjnych pozwoli stosunkowo szybko i przy minimalnych kosztach odbudować zniszczone obiekty i budowle, a także wydłużyć okres ich eksploatacji. Ponadto możliwa będzie szybka naprawa z prawie całkowitym przywróceniem siły.

Oczywiście nowe technologie DARPA i kontrahentów z pewnością znajdą swoich odbiorców w sferze cywilnej. W ostatnim czasie Stany Zjednoczone borykają się z poważnymi problemami infrastrukturalnymi. Z wielu powodów zużycie różnych obiektów z zakresu transportu, energetyki, przemysłu itp. nie otrzymuje należytej uwagi. Zapobieganie nie jest przeprowadzane w pełni, co prowadzi do różnych wypadków. Niewykluczone, że pojawienie się i powszechne stosowanie technologii BRACE zmniejszy takie zagrożenia, choć nie wyeliminuje ich całkowicie.

Trudne zadania


Tym samym agencja DARPA rozpoczyna badania na pełną skalę w ramach kolejnego obiecującego programu podwójnego zastosowania. Celem programu BRACE jest tworzenie zasadniczo nowych technologii w dziedzinie materiałoznawstwa i budownictwa. Jeśli uczestnicy programu wykonają swoją pracę, to amerykańscy wojskowi i cywilni pracownicy budowlani będą mieli nowe specjalne możliwości.

Przed członkami BRACE stoją jednak bardzo trudne zadania. Będą musieli znaleźć narzędzia o specjalnych funkcjach i możliwościach, a także zadbać o ich zastosowanie w praktyce. Czy uda się uzyskać wszystkie pożądane rezultaty, okaże się za kilka lat. W międzyczasie Pentagon będzie musiał przeprowadzać naprawy w zwykły sposób lub wyburzać i odbudowywać obiekty – ze wszystkimi kosztami czasu i pieniędzy.
9 komentarzy
informacja
Drogi Czytelniku, aby móc komentować publikację, musisz login.
  1. +4
    20 kwietnia 2023 09:09
    Dziękuję za artykuł. Naprawdę pouczające i interesujące.
    Nawiasem mówiąc, technologie tego rodzaju zostały opracowane w ZSRR, na przykład przywracanie uszkodzeń pasów startowych lotnisk wojskowych dla ciężkich samolotów odrzutowych poprzez wypełnianie lejków polimerowymi żywicami szybkoutwardzalnymi.
    I jeszcze jedno, nawiasem mówiąc, w Stanach Zjednoczonych budowniczowie wojskowi jako tacy pozostali, w przeciwieństwie do nas. To budowniczowie wojskowi, a nie wojska inżynieryjne, mają zupełnie inne przeznaczenie, skład i wyposażenie, czyli specjaliści kompleksu budownictwa wojskowego, czyli w istocie urzędnicy służby cywilnej bez naramienników pełniący funkcje zleceniodawcy wykonującego wojskowe roboty budowlane ... wykonawców cywilnych. Stąd straty wśród budowniczych cywilnych, na przykład podczas budowy linii obrony w regionach przygranicznych z ukrooeykh. Czy we współczesnej armii rosyjskiej potrzebujemy wojskowych budowniczych?Czy to jest pytanie? Ale zdecydowanie potrzebujemy formacji wojskowych zdolnych do prowadzenia prac budowlanych, przede wszystkim w takich dziedzinach, jak budowa dróg, budowa mostów (pamiętamy odbudowę mostu przez Dniepr po wielokrotnych atakach Khaimarów, kiedy ginęły cywilne ekipy remontowe), budowa lotnisk i długoterminowych obiektów fortyfikacyjnych z ich wiedzą, specjalistycznym sprzętem, stanami zarówno z systemami obrony powietrznej, jak i bezzałogowymi samolotami latającymi, kamuflażem i innymi specjalnymi. Otóż ​​jest rzeczą oczywistą, że żołnierze powinni posiadać umiejętności prowadzenia walki bronią kombinowaną, a co najważniejsze umieć i być zobowiązanym do wykonywania pracy w strefie frontu z polecenia. I niech będą częścią oddziałów inżynieryjnych, to nie ma znaczenia.
    1. -1
      20 kwietnia 2023 09:56
      Wcześniej umieli budować nie tylko przez wieki - przez tysiąclecia!
      Przykładem jest beton rzymski.
      Starożytna rzymska instalacja wodociągowa, która ma około 2000 lat.
      1. 0
        21 kwietnia 2023 15:45
        Cytat z pana X
        starożytna rzymska hydraulika

        „Ważny, niegrzeczny, widoczny” (C)
  2. -7
    20 kwietnia 2023 09:40
    Płynne szkło, to także klej silikatowy i żadna biologia nie jest potrzebna. Ktoś dokonuje kolejnego łupu.
  3. +3
    20 kwietnia 2023 11:22
    Konceptualnie pomysł z "bio-betonem" jest dość ciekawy, czytałem o nim nie tak dawno w "Nauce i Życiu". Tam sedno sprowadza się do tego, że do betonu dodawane są kultury mikroorganizmów, które uaktywniają się pod wpływem tlenu – czyli w większości przypadków wraz z pojawieniem się spękań. Co więcej, te mikroorganizmy powinny redystrybuować (zgodnie z koncepcją twórców) substancje zawierające wapń zmieszane z tym samym betonem, wchłaniając je i przetwarzając, a także cementując powstałe pęknięcia swoimi produktami odpadowymi.
    Taki materiał oczywiście nie będzie „wieczny” i w zasadzie pojawia się wiele pytań o to, jak można to zrealizować, a także w zasadzie o nieuchronny wzrost porowatości cholewki warstwy takiego „biobetonu” (i kwestia zgodności metabolizmu tych organizmów z obecnością konstrukcji metalowych, bo oprócz tlenu nieuchronnie potrzebna będzie wilgoć). Ale myśl jest ciekawa.

    Co do „betonu przesiąkniętego nanokapilarnie” – empirycznie nie wydaje się to dobrym pomysłem. Wilgoć będzie przenikać przez takie „pory” do tego samego żelaznego szkieletu (i to w całej skali konstrukcji), będą tam zachodzić procesy krystalizacji, wraz ze zmianą pór roku oraz pod wpływem wiatru i zmian temperatury, na skutek kompresji termicznej i ekspansja, taki materiał będzie szybciej degradował zwykły beton.
  4. 0
    21 kwietnia 2023 15:51
    Bardzo interesujące. To jest naprawdę duży problem. I to nie tylko wśród personelu. Nawet rozbiórka zniszczonych konstrukcji żelbetowych to wciąż praca! Ale mogę sobie wyobrazić, ile pracy i pieniędzy będzie kosztowało stworzenie tych technologii! Ale to się sowicie opłaci.
  5. 0
    21 kwietnia 2023 15:55
    KIJÓW
    Mury katedry św. Zofii ułożono z dużych bloków granitowych, zalanych „pstrągiem” – zaprawą wapienną z dodatkiem tłucznia ceglanego. Rzędy dużych kamieni wykończono „cokołem” – pomarańczowo-różową szeroką i płaską cegłą o grubości od 2,5 do 4 centymetrów. Zewnętrzny mur pozostał otwarty, elewacje budynku nie były otynkowane.
    LEGENDA - zagniatana na jajach kurzych.

    BIZANCJA
    Do roztworu Sofii dodano ekstrakt z liści jesionu.
  6. 0
    21 kwietnia 2023 16:05
    Chłodny.
    Inżynieria lądowa odniesie oszałamiający sukces.
  7. 0
    3 lipca 2023 09:50
    Wszystkie odkrycia sprowadzą się do dodawania jajek do betonu i kolejnych patentów typowej partii betonu, aby nikt nie miał prawa budować poza „CZARNYMI BLOKAMI”…