Коллектив ученых из Южно-Уральского государственного университета и Чжэцзянского университета (Китай) разработал технологию укрепления известкового песка с помощью ферментов, кокосового волокна и карбоната кальция. Такой материал до пяти раз прочнее при динамических нагрузках и безопасен для экологии. Результаты опубликованы в международном журнале Sustainability.
При строительстве на островах и рифах инженеры сталкиваются с проблемой: местный известковый песок – пористый и хрупкий, легко разрушается даже при небольших нагрузках. Привозить обычный песок с материка дорого и сложно. Традиционные способы укрепления грунта – цементирование или химические смолы – наносят вред экологии. Челябинские и Чжоушаньские ученые предложили альтернативу: добавлять в обычный песок карбонат кальция (EICP), который получают ферментативным осаждением сыпучего стройматериала (возникает путем дробления и просеивания горных пород).
Как работает технология? Из соевых бобов выделяют фермент уреазу (энзим), смешивают с раствором мочевины и хлорида кальция. Фермент расщепляет мочевину, ионы кальция соединяются с карбоксил-ионом – образуется карбонат кальция (тот же известняк), который и склеивает песчинки. Весь процесс идет при комнатной температуре, без вредных выбросов. Для большего усиления структуры в смесь ученые добавляют кокосовое волокно – оно работает как микроарматура, не давая материалу разрушаться при ударах.
В лаборатории исследователи изготовили образцы с разным соотношением мелкого и крупного укрепленного песка (0,5-1 мм и 1-2 мм), разным содержанием кокосового волокна (0%, 0,2%, 0,4% от массы образца) и разным количеством циклов обработки (2-4). Лучший результат дала смесь с равным содержанием мелкого и крупного песка и 0,4% кокосового волокна.
Образцы испытали на статическую прочность (сжатие) и динамическую – с помощью установки Сплит-Гопкинсона, которая имитирует ударную нагрузку. Выяснилось, что динамическая прочность всегда выше статической при одинаковом содержании карбоната кальция, и разница может достигать 2,5 МПа (мегапаскаль). То есть, чем больше в составе карбоната кальция, тем прочнее материал. Оптимальная смесь показала высокую устойчивость даже при сильных ударах.
«Кокосовое волокно играет ключевую роль: оно армирует материал, это как арматура в бетоне, – пояснила профессор кафедры строительных материалов и изделий ЮУрГУ Тамара Черных. – При динамических нагрузках – например, при ударе волны или посадке самолета – оно не дает укрепленному бетону разрушаться. Образцы без волокна разрушались полностью, а с волокном сохраняли целостность. Это принципиально важно для островных аэродромов и причалов».
Сравнение с аналогами показало, что новая разработка превосходит известные решения по прочности при том же содержании карбоната. Авторы подчеркивают, что это первое научное систематическое сравнение статической и динамической прочности для укрепленного EICP известкового песка с разным гранулометрическим составом и содержанием волокна.
Технология может применяться для укрепления грунтов под взлетно-посадочными полосами, причалами, волноломами и другими сооружениями в прибрежных и островных зонах. Она экологична, использует местные материалы и не требует высокотемпературного обжига, как цемент, а значит, почти не дает выбросов углекислого газа.
Исследование выполнено при поддержке Национального фонда естественных наук Китая.