DARPA ищет «биологический» способ восстановления бетона

Американское агентство перспективных разработок DARPA занялось вопросами восстановления и поддержания инфраструктуры. С прошлого года ведутся работы по программе BRACE, в ходе которой планируют найти принципиально новые способы восстановления и ремонта бетонных и железобетонных конструкций. Рассматриваются «биологические» технологии, способные решать поставленную задачу без необходимости демонтажа конструкций или замены ее элементов.

Проблема деградации

Бетон и железобетон являются одними из основных современных строительных материалов и самым широким образом используются при строительстве военной и гражданской инфраструктуры. Однако, при всех своих преимуществах, они могут деградировать с негативными последствиями.Под воздействием внешних факторов, а также из-за неправильного состава, несоблюдения технологий строительства и т.д. в бетоне появляются трещины, и затем он начинает крошиться. Внешняя влага приводит к коррозии металлических элементов, что сокращает прочность конструкции, а также создает дополнительные внутренние напряжения. Прочность конструкции постепенно падает, вплоть до полного ее разрушения.Как сообщает агентство DARPA, к настоящему времени вооруженные силы США в полной мере столкнулись с проблемой деградации бетонных сооружений. В эксплуатации остается масса объектов разного назначения, построенных еще в середине XX в. В силу возраста и внешних факторов, их состояние оставляет желать лучшего и требует внимания.

Пока американским военным строителям приходится использовать "обычный" бетон

Далеко не все такие объекты можно или целесообразно ремонтировать либо сносить и строить заново. В связи с этим предложено разработать новые технологии ремонта, позволяющие восстановить целостность строительных материалов и конструкций без значительного внешнего воздействия.В марте 2022 г. агентство DARPA объявило о старте новой научно-исследовательской программы под названием Bio-inspired Restoration of Aged Concrete Edifices («Биологически вдохновленное восстановление старых бетонных сооружений») или BRACE (звучит как «Скоба» или «Распорка»).В рамках новой программы планируется вновь изучить процессы деградации и разрушения бетона и железобетона в разных условиях и в течение разного времени. На основании собранной информации попытаются создать новую технологию ремонта и/или поддержания целостности конструкции.В рамках BRACE агентство DARPA предлагает любопытную концепцию восстановления повреждений. Нужны некие средства, которые смогут создавать на поврежденном участке или в толщине бетона сеть тонких каналов, подобных кровеносным сосудам или грибнице. По этой сети к поврежденному участку оптимальным способом должны доставляться материалы для ремонта. Попав в нужный участок, частицы материала будут встраиваться в существующую структуру и упрочнять ее.В режиме ремонта сеть каналов должна будет обеспечить быструю доставку большого количества строительного материала к поврежденному участку для заполнения образовавшихся пустот. Профилактика будет заключаться в аналогичном заполнении мелких дефектов до того, как они увеличатся и начнут представлять угрозу. Кроме того, DARPA хотело бы использовать сеть каналов для диагностики материала и сигнализации о повреждениях.

Вдохновлено природой

Как именно будут создаваться каналы, предстоит определить организациям-участникам программы. Возможно применение неких химических, биологических и иных средств. При этом сечение и конфигурация сети «сосудов» не должны негативно влиять на прочность восстанавливаемой конструкции, и без того ослабленной.Программа разделяется на две т.н. технические области (Technical Areas), имеющие близкие, но отличающиеся цели. Задачей первой «области» TA1 является собственно создание новой технологии. В рамках направления TA2 будут разработаны методы применения новых средств, а также испытательные комплексы и модели для проверок. В дальнейшем появится новая задача – предстоит разработать быстродействующий вариант технологии. С его помощью планируют ремонтировать мелкие повреждения построек, аэродромов и т.д.Программа BRACE стартовала в марте прошлого года, и на ее выполнение отводится четыре с половиной года. Это означает, что новые технологии должны появиться до конца 2026 ф.г. Сроки появления новых материалов в инженерных и строительных структурах пока назвать не могут. В неопределенном будущем не исключается перевод новых разработок в гражданскую сферу, где им тоже найдут широкое применение.

Исследователи и исполнители

Год назад DARPA запустило программу BRACE, а также открыло сбор заявок от организаций, желающих поучаствовать в ней. 23 марта 2023 г. агентство сообщило о завершении подготовительной части программы и выборе ее участников.Полноценной разработкой новых технологий займутся три американские организации. Это Ливерморская национальная лаборатория им. Э. Лоуренса, Университет Колорадо и Мемориальный институт Баттеля. Они представили свои собственные идеи и наработки по «биологическому» восстановлению бетона.

Трехмерная печать здания из цементного раствора

К сожалению, подробности предварительных проектов от организаций-участников BRACE пока не сообщаются. В официальных сообщениях упоминается, что все они соответствуют основным требованиям заказчика и основываются на идее сети каналов внутри материала. При этом общая концепция может реализовываться разными способами.Как сообщает DARPA, все три участника программы будут работать в обеих «технических областях». Им предстоит разработать новые технологии, а также адаптировать их к применению на практике. Комплекс мер и средств для испытаний тоже создадут участники.

Сферы применения

Основной этап программы BRACE только начался, и ее результаты придется ждать еще несколько лет. Кроме того, пока нет никаких гарантий, что участники исследований справятся с поставленными задачами. Однако агентство DARPA уже указывает возможные сферы применения новых технологий и ожидаемый эффект.В распоряжении Пентагона имеется масса военной инфраструктуры разного рода, при строительстве которой использовались бетон и железобетон. Это разнообразные здания и постройки, взлетно-посадочные полосы аэродромов, причалы портов и даже шахтные пусковые установки для ракет стратегического назначения. Значительная часть таких бетонных / железобетонных сооружений была построена в отдаленном прошлом, и ее состояние постепенно ухудшается.При помощи разрабатываемых средств в будущем планируют ремонтировать поврежденные объекты и их элементы. Кроме того, не исключается их использование на стадии строительства, что предотвратит дальнейшую деградацию конструкций. В итоге старые объекты смогут оставаться в эксплуатации дольше, а вновь построенные будут изначально иметь повышенный ресурс. В обоих случаях будет получена известная экономия.

Также планируется создать средства для быстрого ремонта. С их помощью собираются бороться с боевыми повреждениями аэродромов и разных построек. Такое применение предъявляет к средствам ремонта особые требования, но дает очевидные преимущества.В дальнейшем технологии BRACE смогут перейти в гражданскую сферу и в области двойного назначения. Бетонные конструкции используются практически везде, в т.ч. на объектах критического значения. Внедрение перспективных средств ремонта и профилактики позволит относительно быстро и с минимальными затратами восстанавливать поврежденные объекты и сооружения, а также продлевать их эксплуатацию. Кроме того, появится возможность быстрого ремонта с практически полным восстановлением прочности.Очевидно, что новые технологии от DARPA и подрядчиков обязательно найдут своего заказчика в гражданской сфере. В последнее время в США наблюдаются серьезные проблемы с инфраструктурой. По ряду причин, износ различных объектов в сфере транспорта, энергетики, промышленности и т.д. не получает должного внимания. Профилактика в полном объеме не проводится, что приводит к различным авариям. Возможно, появление и широкое распространение технологий BRACE позволит снизить подобные риски, хотя и не исключит их полностью.

Сложные задачи

Таким образом, агентство DARPA запускает полномасштабные исследования в рамках очередной перспективной программы двойного назначения. Целью программы BRACE является создание принципиально новых технологий в области материаловедения и строительства. Если участники программы справятся со своей работой, то у американских военных и гражданских строителей появятся новые особые возможности.Однако перед участниками BRACE поставлены весьма сложные задачи. Им предстоит найти средства с особыми функциями и возможностями, а также обеспечить их применение на практике. Удастся ли получить все желаемые результаты, станет известно уже через несколько лет. Пока же Пентагону предстоит проводить ремонты обычным образом или сносить и строить объекты заново – со всеми затратами времени и денег.