Пять инновационных материалов, которые могут изменить конструкцию зданий

Какой материал в мире наиболее широко используется человеком? Он окружает вас днем и ночью - когда вы работаете, когда развлекаетесь и когда спите.

Ответ - цемент.

Цемент, наряду с другими распространенными строительными материалами, такими как кирпич, дерево, сталь и стекло, почти повсеместно используются в строительстве. Эти популярные строительные материалы стали вездесущими во многом благодаря их универсальности, низкой стоимости и практичности. Тем не менее, у них есть свои пределы. Например, согласно исследованию 2017 года, мировое производство цемента ежегодно составляет около 5 процентов от выбросов CO2, производимых человеком. Производство кирпича также причиняет вред - включая деградацию почвы из-за источников сырья. И, конечно же, сжигание древесины, ржавчины и изготовление стекла.

В ответ на эти недостатки инженеры, ученые и стартапы предлагают альтернативные материалы, которые, по их мнению, могут помочь улучшить существующие элементы зданий. Здесь мы рассмотрим пять самых интригующих.

1. 3D-печать биопластика

Отходы являются серьезной проблемой в строительной отрасли. Различные исследования приводят к тому, что количество строительных материалов, которые в конечном счете попадают в промежуток от 20 до 30 процентов, представляет огромные экологические и экономические затраты.

Именно здесь голландская фирма Aectual считает, что ее биопластичные конструкции могут реально изменить ситуацию. Фирма использует большие 3D-принтеры для создания сложных конструкций, от полов до фасадов, лестниц и даже целых зданий. Помимо использования 3D-принтеров для строительства зданий, использование биопластиков является особенно инновационным с точки зрения устойчивости и сокращения отходов.

Фирма заявляет, что биопластики, используемые в ее 3D-принтерах, сделаны из 100-процентных возобновляемых растительных полимеров и могут также использовать переработанные пластики (следует отметить, что производство биопластов все еще требует крупномасштабного производства культурных растений, таких как кукуруза) , Более того, если принтер совершит ошибку, пластик можно просто измельчить и вернуть в смесь, что приведет к созданию проектов без каких-либо потерь - по крайней мере, в теории.

2. «Программируемый» цемент

Когда цемент (заполнитель из различных материалов) смешивают с водой, песком и камнем и оставляют сохнуть, он образует бетон - основу подавляющего большинства современных зданий. Но бетон пористый, пропускает воду и химикаты. Это ухудшает сам бетон и может привести к ржавчине в любых стальных опорах, заключенных в него. Проблема в том, что на молекулярном уровне бетонные частицы образуются случайным образом, создавая пространства, через которые проходят жидкости и другие соединения.

Ученые из Университета Райса, штат Техас, обнаружили метод «программирования» молекулярной структуры бетона в том виде, в котором он задан, то есть строители могут «сказать» цементу сформироваться в более плотно упакованные кубы, сферы или ромбовидные структуры. Например, команда этих же ученых обнаружила, что, добавляя отрицательно и положительно заряженные поверхностно-активные вещества (соединения, которые снижают поверхностное натяжение) к цементной смеси, они могли контролировать форму, которую частицы цемента принимали в качестве цементного раствора.

С практической точки зрения это будет означать бетон, который затвердевает, с менее пористой и более прочной структурой бетона. Более того, ученые предполагают, что для формирования прочных структур потребуется меньше бетона.

3. Гидрокерамика

Представьте себе жаркий летний день в душном офисе. Решение: включить кондиционер. Особенно в теплых климатических условиях системы кондиционирования воздуха увеличивают счета за электроэнергию. Итак, что, если здания могут быть спроектированы с использованием материалов, которые вместо этого управляют этими температурами?

Это было целью недавнего проекта в архитектурной школе IAAC в Барселоне. Исследователи разработали прототип материала - продукта, который они называют гидрокерамикой, - который пассивно охлаждает здания и может снизить внутреннюю температуру на целых 5°С по сравнению с внешним уровнем.

По сути, материал представляет собой своего рода фасад, выполненный из керамических панелей, пропитанных гидрогелем, нерастворимым полимером, который может поглощать до 500 раз больше своего веса в воде. Применительно к зданиям это имеет довольно интригующие возможности. Поскольку гидрогель встроен в керамический фасад здания, он способен впитывать влагу из воздуха. В жаркие дни вода, содержащаяся в полимере, начинает испаряться, что оказывает охлаждающее воздействие на здание - IAAC описывает это как «дыхание» здания через испарение и потоотделение. Исследователи предполагают, что здания, обшитые этим материалом, будут на 5–6°C холоднее, чем температура наружного воздуха, и могут снизить расходы на кондиционирование воздуха на 28 процентов.

4. Кирпичи биомазон

Триллионы кирпичей производятся каждый год и большинство из них нагревают до чрезвычайно высоких температур в печах, что является частью процесса - и все это требует большого количества энергии. И именно здесь компания BioMASON в Северной Каролине надеется что-то изменить.

Стартап нашел способ выращивания бетонных кирпичей при текущей температуре окружающей среды, что исключает необходимость их обжига. Вдохновленная образованием кораллов – естественного происхождения, но твердого вещества - фирма разработала метод выращивания цементного кирпича. BioMASON помещает песок в прямоугольные формы, а затем вводит бактерии, которые обертывают песчинки. Затем они «кормят» эту смесь богатой питательными веществами водой в течение нескольких дней.

В результате образуются кристаллы карбоната кальция, которые «растут» вокруг каждой песчинки и образуют твердое, похожее на камень вещество всего за несколько дней. BioMASON заявляет, что ее продукты соответствуют стандартным кирпичам, но для их создания требуется значительно меньше энергии, что означает, что они намного более экологичны.

5. Панели Alusion

Разнообразие материалов, используемых для потолков, полов и облицовки, часто ограничивается кирпичом, листовым металлом, бетоном или окрашенной штукатуркой. ALUSION, продукт канадской фирмы Cymat Technologies, стремится предоставить архитекторам и дизайнерам нечто большее.

Материал считается универсальным и подходит для покрытия зданий, дверей, полов и многого другого. Бизнес в Торонто открыл способ впрыскивать воздух в расплавленный алюминий, который образует пузырьки благодаря дисперсии керамических частиц в смеси - мало чем отличается от того, как пузырьки воздуха образуются в плитке шоколада.

Помимо создания уникального материала для дизайна, ALUSION предлагает преимущества снижения шума, на 100% пригоден для повторного использования, прочен и не горюч.

Хотя несомненно, что популярные строительные материалы и сегодня будут использоваться десятилетиями, если не веками, а разработка альтернатив, безусловно, является многообещающим.

Это ничто иное, как возможность иметь доступ к более широкому спектру исходных материалов, который обеспечит строительному сектору прочный «фундамент».

Первоисточник электронный журнал The Institution of Engineering and Technology. By Len Williams: https://eandt.theiet.org/content/articles/2019/01/five-innovative-materials-that-could-change-construction/