Ученые Донского государственного технического университета разработали универсальные алгоритмы для определения и прогнозирования прочности вариатропных бетонов, у которых плотность, прочность и пористость плавно меняются по сечению изделия. Методы работают для любых строительных материалов, изделий и конструкций: эксперименты подтвердили, что несущая способность зданий и сооружений растет.
Современные технологии и материалы помогают не только укладываться в сроки, но и строить здания сверхпрочными. Вариатропный бетон получают с помощью центрифугирования — способа уплотнения бетонной смеси. Такие материалы прочнее и долговечнее обычного бетона и в итоге обходятся дешевле.
За рубежом их изучают в рамках концепции умных материалов — с упором на экологичность и цифровое проектирование. В России этой темой занимаются НИИ строительной физики РААСН, МГСУ и СПбГАСУ. Они исследуют структуру материалов на микро- и наноуровнях, что очень важно для понимания вариатропных бетонов.
В ДГТУ пошли дальше и разработали собственные методы расчета железобетонных конструкций из вариатропных бетонов: и теоретическую базу, и практические инструменты. Их эффективность подтвердили экспериментами. Проектом «Исследование взаимосвязи состава, физики процесса уплотнения, микроструктуры и свойств вариатропных бетонов с улучшенными характеристиками» занимается команда ученых. В ее составе — заведующий кафедрой «Инженерная геометрия и компьютерная графика» Евгений Щербань, академик РААСН профессор Левон Маилян, профессора Алексей Бескопыльный и Александр Евтушенко.
Параллельно ученые разработали алгоритмы компьютерного зрения на основе сверточных нейросетей — они предсказывают прочность бетона и выявляют дефекты с точностью 89%. В перспективе эта технология позволит оценивать бетон разных видов, быстро и эффективно подбирать состав и контролировать производство.
«Мы учли особенности вариатропного бетона, поэтому добились высокой прочности и точности его прогнозирования. Это наше главное преимущество. Прогнозировать свойства таких бетонов с помощью интеллектуальных методов очень перспективно», — пояснил руководитель проекта Евгений Щербань.
Свойства и структуру вариатропных бетонов ученые исследовали экспериментально: доработали установку для получения бетонных элементов, настроили ее режимы, нашли скрытые резервы прочности и определили оптимальные параметры. Результаты уже применяют для создания новых продуктов — например, вариатропного бетона с добавкой микрокремнезема или с комбинированным наполнителем.
Разработка ДГТУ дает конкретный результат: повышение несущей способности конструкций до 15% при том же расходе материалов — или, наоборот, расход материалов снижается до 15% при той же прочности. Скорость монтажа увеличивается до 24%, затраты на персонал строительно-монтажных организаций падают до 28%, количество брака сокращается, а надежность и безопасность строящихся объектов растет до 12%.
Также специалисты подобрали составы бетонных смесей для разных технологий — вибрирования, центрифугирования и виброцентрифугирования — и оценили их эффективность. Лучшую прочность дал бетон, полученный виброцентрифугированием (сочетанием вибрации и вращения). Трубобетонные пустотелые колонны из такого бетона выдерживают нагрузку на 13% больше, чем полнотелые.
«Методики, технологии, продукты и рекомендации, разработанные в рамках проекта ДГТУ, позволят сэкономить время на внедрение и успешный запуск партий вариатропных бетонных изделий для широкого потребления. Кроме того, уменьшение материалоемкости таких изделий при сохранении требуемых характеристик по сравнению с аналогами приведет к экономической эффективности и целесообразным срокам окупаемости первоначальных затрат», — считает заместитель директора ООО «Реопласт Центр» Сергей Иванченко.
Разработанные вариатропные бетоны и усовершенствованные технологии их производства позволяют значительно повысить несущую способность конструкций. При этом экономятся материальные, трудовые и временные ресурсы, а это существенный вклад в развитие строительной отрасли.
Сейчас в планах ученых — изучить, как формируется структура наномодифицированного вариатропного бетона на микро- и макроуровнях, понять природу наномодифицирующих добавок и на этой основе уточнить расчеты железобетонных конструкций.
Исследование проведено при поддержке Российского научного фонда (проект № 23-79-10289) и в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (национальный проект «Молодежь и дети»).
