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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 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
