Nowa receptura betonu oraz narzędzia projektowe wydłużają żywotność infrastruktury energetycznej
Wraz z upływem lat coraz bardziej wydłużają się przewidywane okresy eksploatacji ważnych konstrukcji inżynieryjnych. Dotychczas wynosiły one 25 lat w przypadku infrastruktury energetycznej, 50 lat w przypadku budowli, natomiast mosty musiały wytrzymać co najmniej 75 lat. Obecnie od inżynierów wymaga się zapewnienia możliwości eksploatacji nowych konstrukcji nawet przez 100 lat – wszystko ze względu na koszty infrastruktury. Inwestycja w zapewnienie długiego okresu eksploatacji na etapie budowy jest znacznie bardziej opłacalna w dłuższej perspektywie czasowej niż późniejsze naprawy konstrukcji. Co więcej, elementy infrastruktury coraz częściej są budowane w nietypowych lokalizacjach, między innymi na morzu, natomiast warunki panujące w takich miejscach mają często zdecydowanie negatywny wpływ na ich trwałość i wytrzymałość. Powietrze morskie jest wysoce korozyjne, a ponadto w niektórych miejscach elementy infrastruktury mogą być narażone na zamarzanie i ścieranie przez lód, wysokie temperatury lub ciśnienie. Pomimo trudnych warunków konieczne jest jednak zapewnienie długiego okresu eksploatacji takich obiektów.
Nanomateriały wzmocnią żelbet
Jednym ze skutecznych sposobów zaspokojenia potrzeb w tym zakresie są nowoczesne materiały. Zespół finansowanego przez Unię Europejską projektu LORCENIS opracował nową recepturę wytrzymałego, trwałego żelbetu przeznaczonego do budowy infrastruktury energetycznej. Nowa receptura pozwala na dwukrotne wydłużenie czasu eksploatacji betonu, nawet w przypadku wystawienia na działanie ekstremalnych temperatur, ciśnienia, zasolenia i kwasowości, na przykład w oczyszczalniach ścieków. Nowy rodzaj betonu jest mieszany i wylewany w taki sam sposób, jak dotychczasowe rozwiązania. Najważniejszą różnicą są nowe nanostrukturalne dodatki opracowane przez naukowców skupionych wokół projektu LORCENIS. „Dodatki te pozwalają na samodzielną naprawę utwardzonego betonu dzięki reakcji, w wyniku której następuje wytrącanie węglanu wapnia”, wyjaśnia Christian Simon, koordynator projektu LORCENIS. Dodatki te pozwalają również na samoczynne utwardzanie się betonu. „Dzięki naszym dodatkom ograniczamy zjawiska kurczenia się betonu i powstawania pęknięć. Co więcej, zwiększają one również odporność na cykle zamrażania i rozmrażania, ograniczając jednocześnie przepuszczalność i wchłanianie wody”, dodaje Simon. Dodane do betonu nanomateriały pełnią również funkcję czujników, które w połączeniu z odpowiednim oprogramowaniem pozwolą na monitorowanie i wykrywanie naprężeń oraz stanu konstrukcji.
Doskonałe parametry
Drugim kluczem do wydłużenia czasu eksploatacji infrastruktury są lepsze narzędzia projektowe. Badacze skupieni wokół projektu LORCENIS opracowali i sprawdzili w praktyce nowe podejście do modelowania uwzględnione w oprogramowaniu SEBASTOS wykorzystywanym przez inżynierów, które znacząco upraszcza obliczenia wymagane w procesie projektowania. Narzędzie to pomaga zatem projektantom przewidywać możliwe czynniki wpływające na wytrzymałość żelbetu w silnie korozyjnych środowiskach i optymalizować jego parametry. W ostatnim roku trwania projektu naukowcy testowali nowy materiał w ramach pilotażowych realizacji budowanych z betonu wykonanego według nowej receptury. Przeprowadzone testy uwzględniały ekstremalne warunki przewidziane w ramach czterech scenariuszy środowiskowych opracowanych na potrzeby projektu, obejmujących infrastrukturę betonową zainstalowaną głęboko pod wodą oraz w strefach subarktycznych, poddaną obciążeniom mechanicznym, wystawioną na działanie wysokiej temperatury i zmęczenie termiczne, a także narażoną na działanie kwasu. „Osiągnięte rezultaty przekroczyły nasze najśmielsze oczekiwania”, mówi Simon. „Nasze nanomateriały umożliwiły całkowitą naprawę pęknięcia w betonie, dzięki czemu konstrukcja nie straciła na trwałości i pozostała w dobrym stanie. Udało nam się również osiągnąć trzykrotnie większą odporność na ścieranie przez lód w porównaniu z normalnym betonem. W przypadku wystawienia naszego betonu na działanie wiatrów i prądów oceanicznych nowa receptura pozwoliła na zmniejszenie stężenia chlorków przy stalowych elementach wzmacniających żelbet o 50 %”, stwierdza Simon. Co więcej, przeprowadzone testy udowodniły wzrost możliwości samoczynnej naprawy betonu w warunkach wysokiego ciśnienia hydrodynamicznego o 40 % w przypadku pęknięć o szerokości wynoszącej do 0,15 mm. Możliwości innowacyjnego betonu zostały pomyślnie zweryfikowane w realnych warunkach, co pozwoliło na podniesienie poziomu gotowości technologicznej rozwiązania z TRL3 (dowodu słuszności koncepcji) do TRL6-7 (prototypu rozwiązania). Partnerzy skupieni wokół projektu LORCENIS dołączyli do nowych inicjatyw finansowanych zarówno przez UE, jak i lokalne władze, by kontynuować prace nad nowym rozwiązaniem. Rezultatem prac zrealizowanych w ramach projektu jest beton, który oferuje doskonałe osiągi i znacznie lepszą trwałość, zwłaszcza w ekstremalnych warunkach. Nowe rozwiązanie zwiększy możliwości realizacji projektów związanych z infrastrukturą w takich rejonach.
Słowa kluczowe
LORCENIS, beton, infrastruktura energetyczna, wytrzymałość, ekstremalne warunki, nanomateriały
