Проблема использования железобетона в 21 веке

Основная проблема

Учитывая стойкость древних конструкций, это может показаться любопытным. Но в 21 веке отличительным моментом является современное использование стальной арматуры, известной как арматура, скрытая в бетоне. Сталь изготовлена в основном из железа, и одно из неизменных свойств железа заключается в том, что оно ржавеет. Это разрушает прочность бетонных конструкций способами, которые трудно обнаружить и восстановить.

Хотя ремонт может быть оправдан, чтобы сохранить архитектурное наследие культовых зданий 20-го века, но сомнительно, будет ли это доступным для подавляющего большинства структур. По словам писателя Роберта Курланда в книге «Бетонная планета», ремонт и восстановление затрат на конкретную инфраструктуру, как раз в Соединенных Штатах, будет составлять триллионы долларов, которые будут оплачиваться будущими поколениями.

Стальная арматура была драматическим нововведением 19-го века. Стальные стержни добавляют прочность, что позволяет создавать длинные консольные конструкции и более тонкие, менее поддерживаемые плиты. Это ускоряет время строительства, потому что для заливки таких плит требуется меньше бетона.

Эти качества, подталкиваемые напористым, а иногда и двуличным продвижением конкретной отрасли в начале 20-го века, привели к его массовой популярности.

Железобетон конкурирует с более прочными строительными технологиями, такими как стальная рама или традиционный кирпич и раствор. Во всем мире он заменил экологически чувствительные, низкоуглеродные варианты, такие как кирпич и грязевая земля -исторические практики, которые также могут быть более долговечными.

Инженеры раннего ХХ века думали, что железобетонные конструкции продержатся очень долго - возможно, 1000 лет. В действительности их продолжительность жизни больше похожа на 50-100 лет, а иногда и меньше. Строительные нормы и правила обычно требуют, чтобы здания выживали в течение нескольких десятилетий, но ухудшение может начаться всего за 10 лет.

Многие инженеры и архитекторы указывают на естественную близость между сталью и бетоном: они имеют аналогичные характеристики теплового расширения, а щелочность бетона может помочь подавить ржавчину. Но до сих пор не хватает знаний об их составных качествах - например, в отношении изменений температуры, связанных с воздействием солнца.

Многие альтернативные материалы для армирования бетона, такие как нержавеющая сталь, алюминиевая бронза и волоконно-полимерные композиты, пока еще широко не используются. Доступность простой стальной арматуры привлекательна для разработчиков. Но многие планировщики и разработчики не учитывают расширенные расходы на техническое обслуживание, ремонт или замену.

Существуют технологии, которые могут решить проблему коррозии стали, такую как катодная защита, при которой вся структура связана с электрическим током, препятствующим коррозии. Существуют также интересные новые методы контроля коррозии электрическими или акустическими средствами.

Другим вариантом является обработка бетона с помощью ингибирующего ржавчину соединения, хотя они могут быть токсичными и неуместными для зданий. Существует несколько новых нетоксичных ингибиторов, включая соединения, экстрагированные из бамбуковых и бактериальных производных «биомолекул».

В принципе, ни одно из этих событий не может решить неотъемлемую проблему, заключающуюся в том, что стальное железо в бетоне разрушает его потенциально большую долговечность.

Экологические затраты на перестройку

Массовое использование железобетона имеет серьезные последствия для планеты. Бетон является третьим по величине источником выбросов углекислого газа, после автомобилей и угольных электростанций. Только производство цемента составляет примерно 5% глобальных выбросов CO2 . Бетон также составляет самую большую долю отходов строительства и сноса и составляет около трети всех отходов мусорных свалок.

Переработка бетона является сложной и дорогостоящей, снижает ее прочность и может катализировать химические реакции, которые ускоряют распад. Мир нуждается в сокращении производства бетона, но это невозможно без создания более долговечных конструкций.

В недавней статье мы предлагаем, чтобы широкое признание железобетона могло быть выражением традиционного, доминантного и в конечном счете разрушительного взгляда на вещество как инертного. Но железобетон не является действительно инертным.

Бетон обычно воспринимается как каменный, монолитный и однородный материал. Фактически, это сложная смесь приготовленных известняков, глинистых материалов и широкого спектра горных или песчаных заполнителей. Сам известняк представляет собой осадочную породу, состоящую из оболочек и кораллов, на формирование которых влияют многие биологические, геологические и климатологические факторы.

Это означает, что бетонные конструкции при всех их каменных поверхностных качествах фактически сделаны из скелетов морских существ, основанных на скале. Для этих морских существ миллионы и миллионы лет живут, умирают и превращаются в известняк. Эта временная шкала резко контрастирует с жизненными промежутками современных зданий.

Сталь часто воспринимается как инертная и упругая. Такие термины, как «Железный век», предполагают древнюю долговечность, хотя артефакты железного века сравнительно редки именно потому, что они ржавеют. Если строительная сталь видна, ее можно поддерживать -например, когда мост Харбор-бридж в Сиднее неоднократно окрашивается и перекрашивается.

Однако, когда она встроены в бетон, сталь скрыта, но скрытно активна. Влага, проникающая через тысячи мелких трещин, создает электрохимическую реакцию. Один конец арматуры становится анодом, а другой - катодом, образуя «батарею», которая обеспечивает превращение железа в ржавчину. Ржавчина может расширить арматуру до четырех раз ее размеров, увеличивая трещины и заставляя бетон разрушаться в процессе, называемом отслаивание, более широко известном как «бетонный рак».

Мы полагаем, что нам нужно изменить наше мышление, признать бетон и сталь как активные материалы. Это не случай изменения каких-либо фактов, а скорее переориентация того, как мы понимаем и действуем по этим фактам. Избежание отходов, загрязнение и ненужная перестройка потребуют много размышлений вне дисциплинарных концепций времени, и это особенно справедливо для строительной отрасли.

Обрушившиеся цивилизации прошлого показывают нам последствия краткосрочного мышления. Мы должны сосредоточиться на построении структур, которые выдерживают испытание временем - чтобы мы не оказались с неуклюжими, заброшенными артефактами, которые больше не подходят для их первоначальной цели, как статуи острова Пасхи.