Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) в сотрудничестве с коллегами из Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления (ВСГУТУ) разработали сверхпрочный карбоновый бетон, способный проводить электричество. Его можно применять для специального строительства, автоматического мониторинга деформаций и ремонта сооружений, производства незамерзающих взлетно-посадочных полос, дорожных покрытий, а также поверхностей, от которых прямо на ходу будут подзаряжаться электроавтомобили и другая техника. Статья об этом опубликована в Magazine of Civil Engineering.
По итогам проведенных испытаний зафиксировано, что новый бетон не только может проводить электричество, но и на 30-35 процентов прочнее, чем гостовские образцы. Часть цемента в новом бетоне заменили на зольные и шлаковые отходы энергетических производств и отходы обработки гранита, поэтому его производство экономичнее и экологичнее, чем обычных бетонов и существующих аналогов. Для электропроводимости вместо дорогих карбоновых нанотрубок в смесь добавили обычные и очень доступные карбоновые наночастицы. Они стали побочным продуктом переработки угля электрическими разрядами в плазменном реакторе по технологии, разработанной профессором Сергеем Буянтуевым из ВСГУТУ.
«Карбоновые наночастицы действуют как центры кристаллизации в процессе застывания смеси. В результате структура нового бетона более плотная по сравнению с контрольными образцами. За счет меньшей пористости он пропускает меньше воды, пара и более долговечен, — объясняет подполковник Роман Федюк, профессор Военного учебного центра Дальневосточного федерального университета (ДВФУ), победитель XIII Всероссийского конкурса «Инженер года-2018. — Использовать «электрический» бетон можно для производства специальных поверхностей-обогревателей, которыми могут выступать стены гаражей, парковок, бетонный пол, тротуарная плитка. Можно даже возводить самовосстанавливающиеся конструкции, где поверхность будет выступать одновременно сенсором влаги, огня и деформаций, а повреждения будут устраняться за счет воздействия электромагнитного поля».
Роман Федюк рассказал, что, хотя карбоновые частицы, как и металлы, могут проводить электричество, при работе с ними возникают трудности. Например, в большом количеств они сильно ухудшают характеристики бетона.
Ученые ДВФУ и ВСГУТУ определили, что бетонная смесь приобретает оптимальные механические характеристики и возможность проводить ток, когда доля карбоновых наночастиц в ней достигает всего 0,01 — 0,1 процента от общей массы. Таким образом, инженеры подтвердили предположение, что нанодобавки максимально эффективны лишь при малых концентрациях. В концентрациях от 1 процента они наоборот ухудшают характеристики бетона.
В перспективе из бетона, обладающего свойствами электрической проводимости, можно делать дорожное полотно, от которого автомобили и электромобили будут получать энергию бесконтактным образом. По такому же принципу подзаряжаться можно будет и от других поверхностей. Чтобы осуществить эти планы, ученым еще предстоит решить задачу стабильности карбоновых частиц в бетонной смеси.
В Военном учебном центре ДВФУ под руководством профессора Романа Федюка действует научная школа по разработке интеллектуальных композитов для специальных сооружений и гражданского строительства. В основе подхода — принцип природоподобия искусственных материалов, который разрабатывается современной наукой геоникой (геомиметикой). Ее основы заложены профессором Валерием Лесовиком из БГТУ им. В.Г. Шухова, членом-корреспондентом Российской академии архитектуры и строительных наук, и развиваются учеными-инженерами в Москве, Казани и на Дальнем Востоке.
Направление Material Science, включающее исследования в области новых технологий и материалов, определено в Дальневосточном федеральном университете как одно из приоритетных и ориентировано на решения принципиально новых научно-технологических задач, которые находятся на переднем крае современной науки. Исследования в области материаловедения являются важным аспектом в реализации стратегической цели по развитию университета как лидера в научно-образовательный и технологической деятельности на российском Дальнем Востоке, центра трансфера технологий и инновационной в Азиатско-Тихоокеанском регионе.