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.
informacja