Биобетон. Номинация современные материалы и их использование учащийся 8 в класса Шардин Матвей
 Скачать 42.08 Kb.
|
|
Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа № 61» г. Перми БИО-БЕТОН. Номинация: современные материалы и их использование. Выполнил: учащийся 8 «в» класса Шардин Матвей Руководитель: учитель технологии Спирин А.В. г. Пермь, 2018 г. Содержание
ВВЕДЕНИЕ Вертикальные сады – популярное направление озеленения густо застроенных городских территорий. Самый простой сад – это плющ, карабкающийся по стенам. Красиво, но есть ограничения. Корням растения нужен грунт, поэтому высокие стены для плюща недоступны. Другой способ – посадка растений в емкости с грунтом на крышах, балконах и прочих архитектурных элементах. Такой метод позволяет поднять растения на высоту, однако требует дополнительных усилий, связанных с гидроизоляцией конструкций и обслуживанием растений. Исследователи из Политехнического университета Каталонии предложили собственное решение – биологический бетон. Почему бетон биологический? Потому что не борется, а напротив, поощряет развитие растений и грибов в теле строительных конструкции. Изобретение испанских ученых заключается в замене портландцемента, основы всех бетонов, цементом на основе фосфата магния. Можно много рассуждать об отличиях свойств, обусловленных применением фосфатного цемента, но в данном случае существенно, что внутри био-бетона образуется не щелочная, а кислотная среда. Если значение pH обычного бетона составляет около 8 единиц, то биологический бетон слегка кислый. Это отличие означает, что био-бетон – благоприятная среда для развития определенных микроорганизмов, таких как микроводоросли, грибы, лишайники и мхи. Считается, что главное назначение вертикальных садов из мха – декоративное. Однако «шуба», покрывающая стены будет играть и роль термоизолятора, защищая здание от воздействия солнечных лучей и способствуя экономии энергии, расходуемой на кондиционирование. Не следует забывать и о новой роли мхов, недавно открытой учеными из Института Макса Планка. Невзрачные растения удаляют из атмосферы и связывают колоссальные объемы углекислоты, внося свой посильный вклад в борьбу с глобальным потеплением и делая воздух чище. РЕШАЕМАЯ ЗАДАЧА Производство цемента является наиболее вредным для экологии. Цементный завод вред для окружающей среды наносит своими выбросами: выбросы из труб пыли и быстро испаряющихся компонентов; выбросы из тех же труб газообразных вредных компонентов: окисей углерода, серы, азота. Также попадают в атмосферу фураны, диоксины, тяжелые металлы, опасные органические вещества; кроме того есть выбросы грязной воды, кучи отходов, много шума и не приятного запаха. Мировые производители цемента только лишь наращивают опасное производство цемента. Установлено, что при технологических процессах в атмосферу попадают таллий и ртуть. Концентрация их напрямую зависит от состава сырья, а вот утилизировать эти опасные вещества очень трудно. Попав в воздух, вдыхаемый человеком, они до 80% накапливаются в нашем организме с последующими негативными последствиями. Цементный завод вред наносит человеку выбрасываемой пылью. Она является сильнейшим аллергеном. При этом пыль цементных производств попадает в организм человека и животных в процессе дыхания и поглощения пищи. Попавшая к нам пыль ослабляет иммунитет и обладает канцерогенными свойствами, изменяет безвозвратно ткани органов дыхания, приводя к хроническим опасным заболеваниям. Щелочная основа цементной пыли постоянно раздражает горло и гортань. Многолетние изучения показали, что рабочие цементных производств и проживающие жители регионов, где расположены цементные заводы, подвержены в большей степени раку гортани и горла. Загрязненная производством цемента вода попадает к нам в дом. Постоянное употребление такой воды приводит к постоянным раздражениям слизистых оболочек желудка и двенадцатиперстной кишки, что чревато гастритами и язвами. Накопившиеся за многие годы жизни в организме тяжелые металлы отравляют нас, почки и печень перестают нормально функционировать, поражаются сердце и сосуды, опорно-двигательный аппарат, нервная система и другие ткани и органы организма. Такие заболевания не излечимы и приносят только страдания. Цементный завод вред наносит и окружающим растениям. Попадая в почву, отбросы производства уничтожают корневую систему растений. Почва становится не безопасной в плане накопления плодами растений ядовитых веществ. Почва мало пропускает воздуха к корням, покрывается прочной коркой. Уменьшить вред цементных заводов призваны ученые с новыми системами производства цемента и утилизации отходов. Руководители этих производств должны с полной ответственность относиться к загрязняющим факторам для окружающей среды и обеспечить ее и работников современными защитными средствами. В застывшем состоянии цемент – это бетон. Бетон есть в каждом кирпичном доме, и считается абсолютно безвредным. Но цементная пыль, которая присутствует на каждой стройке, вредна и для человека, и окружающей среды. В составе цемента обычно содержатся примеси, представляющие собой различные химические соединения. Эти примеси и определяют в значительной степени вредное воздействие цемента и его пыли на наш организм, пыль проникает в организм с вдыхаемым воздухом. Для решения подобных проблем, которые происходят с организмом человека и окружающей средой учёные из Политехнического университета Каталонии (Universitat Politècnica de Catalunya) придумали простое альтернативное решение. Антонио Агуадо (Antonio Aguado) и его коллеги разработали "биологический бетон", который является одновременно строительным материалом и субстратом для вертикального сада. Для этого исследователи заменили вяжущее вещество портландцемент, которое входит в состав строительной смеси, на фосфат магния. Он не только прекрасно выполняет скрепляющую функцию, но и подкисляет среду, делая её пригодной для роста водорослей, грибов, лишайников и мхов. ОПИСАНИЕ МАТЕРИАЛА Стены домов, увитые изумрудными зарослями зеленого плюща, создающего дополнительную тень и прохладу, выглядят эстетично и уютно. Однако для конструкционных материалов корни растений, проникшие в структуру несущих поверхностей, представляют серьезную угрозу, поскольку активизируют их разрушение. Подобных минусов лишены современные вертикальные сады, однако технология их создания очень сложна, а эксплуатационные издержки достаточно велики. Отличной альтернативой таким системам возведения фитостен стал биологический бетон — новый материал, изобретенный не так давно испанскими учеными. Этот особый субстрат изначально создавался специально для обустройства вертикальных садов. Его конкурентными преимуществами является простота и высокая скорость монтажа, а также отсутствие необходимости в специальном обслуживании. Одна из особенностей био-бетона – его состав. Вместо традиционного портландцемента, являющегося основой современных бетонов, в нем применяется цемент на базе фосфата магния. Это позволяет создать внутри био-бетона не щелочную, а кислотную среду, оптимальную для активного развития некоторых микроорганизмов, включая мхи, микроводоросли и лишайники. Стимулируют их рост также пористость материала и шероховатость внешней поверхности. Биологический бетон является базовым материалом для производства многослойных панелей, из которых затем обустраивают систему вертикальных садов. Каждый из трех слоев панели отличается своей структурой и эксплуатационными свойствами. Первый слой, обращенный внутрь здания (строящегося вновь или реконструируемого), должен быть водонепроницаемым. Это обеспечит защиту строительных конструкций. Следующий, пористый слой необходим для удержания влаги, требуемой растениям. И наконец, внешний, защитный слой пропускает влагу в одном направлении, внутрь панели, но препятствует ее выходу наружу. Таким образом, система не требует никакого вмешательства в процессе эксплуатации. После постройки панели постепенно накапливают дождевую воду и становятся идеальной средой для развития мхов и лишайников. По мнению разработчиков, на появление первых всходов понадобится около года. Со временем мох будет разрастаться, меняя цвет и узор на поверхности панели. К основным достоинствам данного био-бетона специалисты относят: более высокие теплосохраняющие свойства, чем у обычного; высокие эстетические качества; наличие защитного слоя из растений в зданиях, построенных из био-бетона, что создает особый микроклимат. В виду чего специалисты предсказывают необыкновенную популярность био-бетона в будущем, особенно в высокоразвитых странах. В ситуациях, когда бетонное строение испытывает серьезные нагрузки, например, землетрясения, существует серьезный риск разрушения сооружения. Сегодня специалистами уже разработан способ укрепления зданий, расположенных в сейсмоопасных районах. Способ этот заключается в том, что придать большую устойчивость зданиям помогут специальные микроорганизмы, превращающие почву в бетон. Профессор Карлос Сантамарина (Carlos Santamarina) из Технологического института Джорджии утверждает, что использование бактерий для преобразования почвы является одной из самых перспективных строительных технологий XXI века Технологию укрепления почвы с помощью живых микроорганизмов разработала группа ученых из Калифорнийского университета под руководством профессора Джейсона Дейона (Jason DeJong). Согласно проведенным исследованиям, бактерия Bacillus pasteuri, добавленная во влажную землю, способствует слипанию содержащихся в ней твердых частиц. Bacillus pasteurii обладают способностью повышать щелочность воды, в результате чего она начинает активно растворять кальций и карбонаты, соли угольной кислоты. В растворе они реагируют друг с другом, образуя кристаллы карбоната кальция: именно это вещество является цементом, который связывает частицы природного песчаника и строительного бетона – кристаллы карбоната кальция заполняют промежутки между песчинками и заставляют их слипаться друг с другом. Подобному грунту не страшны ни оползни, ни землетрясения. Помимо высоких эстетических характеристик, ради которых в первую очередь и разрабатывались панели из био-бетона, эти инновационные конструкции обладают и рядом полезных свойств. Растительные образования со временем образуют своеобразную «шубу», играющую роль весьма эффективного терморегулятора. Защищая стены здания от воздействия палящих солнечных лучей, эти наросты позволяют существенно сократить затраты на электроэнергию, необходимую для обеспечения функционирования системы кондиционирования. Кроме того, мхи поглощают из атмосферы немалый объем углекислого газа, что положительно сказывается на экологии. Биологический бетон только начинает свое шествие по строительным площадкам мира. Однако, учитывая возрастающую популярность принципов «зеленого строительства», можно предсказать новому материалу высокую востребованность в наиболее развитых странах Также есть Экспериментальный бетон, который способен самостоятельно заделывать возникающие в нем трещины, пройдет испытания на открытом воздухе. Данный бетон содержит бактерии производящие известняк, которые активируются коррозийной дождевой водой, проникающей внутрь. Этот материал может продлить срок службы бетона, позволяя сэкономить значительные средства. Эта работа проводится в Делфтском техническом университете, Нидерланды. Данная идея зародилась у микробиолога Хенка Джонкерса и специалиста по технологии бетона Эрика Шлангена. Если все пойдет так, как задумано, то коммерциализация системы начнется через 2-3 года. Бетон является самым широко применяемым строительным материалом в мире. Но он предрасположен к трещинам, поэтому структуры требуется укреплять с помощью стали. "Микротрещины" являются ожидаемым результатом процесса затвердевания и не приводят напрямую к потере прочности. Трещины размером около 0,2 мм находятся в рамках дозволенных норм в бетонной индустрии. Но с течением времени, вода, а также растворенные в ней агрессивные химикаты, попадают в них, и разъедают бетон. "Для продления срока службы бетонных конструкций, важно заделать эти микротрещины", - сказал Джонкерс. Споры бактерий и нужные им питательные вещества добавляются в виде гранул в бетонную смесь. Но для начала процесса роста, этим микроорганизмам требуется вода. Эти споры активируются только при попадании дождевой воды в трещины, после чего эта безвредная бактерия, принадлежащая к роду Бацилл (Bacillus genus), начинает потреблять питательные вещества и производить известняк. Еда для бактерий - это компонент молока под названием лактат кальция. Микроорганизмы в гранулах спокойно переносят высокощелочную среду бетона. "В лаборатории нам удалось показать, что этот бетон самовосстанавливается даже при величине трещин в 0,5 мм, что в три раза превышает норму", - пояснил Джонкерс. "Теперь мы расширяемся. Мы должны произвести самовосстанавливающийся агент в больших количествах для начала тестов на открытом воздухе с различными конструкциями, различными типами бетона, что позволит проверить эту идею на практике". В данный момент команда работает над снижением стоимости данного процесса. Они ожидают, что улучшенная система будет готова через полгода. Потребуется проводить наблюдения за бетоном на протяжении как минимум двух лет, чтобы окончательно убедиться в работоспособности этой идеи. "После этого, при условии хороших результатов, мы можем начать коммерциализацию продукта", - говорят исследователи. Даже если восстанавливающий агент увеличивает цену бетона на 50%, это составит всего 1-2% от общей стоимости строительства. Содержание и техническое обслуживание - составляет львиную долю от общей стоимости, поэтому ученые ожидают большой экономии средств от продления долговечности бетона. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ Безусловно, биобетон применяют в основном в строительстве и декоре, но по словам автора проекта, несмотря на дороговизну, испытания будут вестись в реальных условиях, поскольку перед группой поставлена задача наладить массовое производство биобетона. Однако новый материал пока нельзя применять с некоторыми видами строительных смесей, покрытий и красок. Бактерии также восприимчивы к экстремальным погодным условиям. В настоящее время голландские исследователи пытаются разрешить все эти вопросы. В течение двух лет ученые будут следить за «поведением бетона» в реальных условиях. Новый строительный материал может поступить в продажу вскоре после завершения испытаний. Био-бетон будет стоить дороже традиционного бетона, но учитывая его эксплуатационные характеристики, со временем он полностью окупит себя. Панели из биобетона монтируются на фасад здания и призваны выполнять следующие функции. Декоративную. Здание, декорированное такими панелями, естественным образом окрашивается в натуральные природные цвета. Термо и шумоизоляционную. Слой растений на биопанели представляет собой хороший изолятор. Экологическую. Растения, занимающие достаточно большую площадь, активно поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Это весьма актуально в условиях современных больших городов. ПЕРСПЕКТИВЫ ТЕХНОЛОГИИ Изобретение биобетона открывает новые перспективы в строительстве бетонных домов. Здания, сооруженные из самовосстанавливающегося бетона, могут десятилетиями не нуждаться в ремонте. Заключенные в капсулы бактерии вместе с лактатом кальция вводятся в раствор во время замеса. При этом не требуется соблюдать сложный температурный режим или особым образом настраивать миксеры: микрокапсулы не повреждатся. В спящем состоянии бактерии могут провести долгие годы. Для людей и животных они совершенно безвредны. Многие крупные строительные компании уже заинтересовались изобретением. Так что вскоре появятся коттеджные поселки и многоквартирные дома из биобетона. Технология будущего позволит создавать практически вечные постройки, а со временем, возможно, даже выращивать их на особом каркасе. Ученые предложили добавлять в железобетон на стадии его производства смешанные с молочнокислым кальцием бактерии рода Bacillus, которые живут в камнях около активных вулканов и щелочных озер. Когда в трещины попадает вода, она пробуждает бактерии от спячки, и те начинают поглощать cоль, выделяя кальцит (одна из форм карбоната кальция), отложения которого и заполняют образующиеся в бетоне щели. Кроме того, новую технологию можно применить для ремонта уже построенных зданий и дорог: распылить жидкость с бактериями над трещинами. Изобретатель Хендрик Мариус Йонкерс (Hendrik Marius Jonkers) из Дельфтского технологического университета планирует наладить выпуск такого спрея. «Биобетон идеально подходит для строений, к которым люди имеют ограниченный доступ — шоссе, подземным сооружениям, буровым вышкам. Бактерии отлично приспособлены к высокой щелочности среды и могут пребывать в спячке внутри бетона долгие годы», — отметил ученый. ВЫВОДЫ Биологические технологии являются одним из основных общемировых направлений научно-технического прогресса, обеспечивающих прорыв к получению новых материалов, обладающих уникальными свойствами, которое представляет собой интегрированное использование биохимии, микробиологии и инженерных наук для обеспечения возможности технологического (промышленного) применения микроорганизмов. Материалы, получаемые посредством биотехнологий имеют высокий инновационный потенциал и к настоящему времени уже востребованы во многих отраслях промышленности, в том числе и в строительной. Биологический бетон является базовым материалом для производства многослойных панелей, из которых затем обустраивают систему вертикальных садов ХХI столетие – время небывалого технического прогресса, изменившего образ жизни и мышления общества. В строительной отрасли ушедший век можно по праву назвать веком бурного развития технологии бетона. Начиная с античных времен, и по сей день бетон, пожалуй, является одним из самых лучших строительных материалов, когда-либо созданных человеком для построения домов, мостов, дорог и других сооружений. Это объясняет его огромную популярность во всем мире. Главным недостатком материала является его хрупкость, что в результате износа приводит к возникновению трещин и повреждений, требующих дополнительного технического обслуживания. Кроме того имеет место такой процесс, как биокоррозия, который приводит к разрушению бетона, вызванного заселением и развитием бактерий, грибов, актиномицетов. Как известно множество строительных материалов (бетон, кирпич, дерево и т.д.), потенциально являются благоприятной средой обитания для микроорганизмов (бактерий, грибов, лишайников и т.д.), что оказывает влияние как на прочностные, декоративные свойства материала, так и на срок их службы. Благодаря «биологический» бетону в будущем здания в городах будут покрыты растениями, и это придаст красивый, необычный внешний вид и улучшит экологию. Кроме прекрасно украшенных фасадов зданий, био-бетон будет полностью восстанавливать свою поверхность, тем самым снижая затраты по эксплуатации зданий. |