Инфраструктурното строителство обхваща транспортна инфраструктура и съоръженията към нея, мрежи и съоръжения за пречистване, водоснабдяване и канализация, електропренос и електроснабдяване, хидромелиоративни, брегоукрепителни и геозащитни строежи, както и съоръжения и инсталации за третиране на отпадъци.

Общото между тях е, че са подложени на комплекс от природни, механични, химични и специфични експлоатационни въздействия. Това изисква оптимизиране на конструктивните решения, използваните материали и технологията на изпълнение. При транспортната инфраструктура например има циклични въздействия от преминаването на превозни средства, което може да доведе до изчерпване на якостта и на умора на материалите. Към тях често има и допълнителни изисквания – якост на опън при огъване, мразоустойчивост, изтриваемост и др. При хидротехническите и хидромелиоративните съоръжения има постоянно или периодично действие на вода, понякога под налягане, което налага осигуряване на определена водонепропускливост.

Температурните промени, слънчева радиация, вятър, валежи и циклично замръзване –размръзване – влияе върху всички строежи, но при инфраструктурните негативният ефект е по-изразен. Различни агресивни среди могат да предизвикат корозия и налагат мерки за първична защита чрез избор на материали и конструктивни решения, както и за вторична антикорозионна защита. Съоръженията могат да бъдат подложени и на биологична корозия – от растения, микроорганизми, водорасли и мъхове.

Тези въздействия могат да предизвикат повреди и разрушения, намаляване на носимоспособността, неприемливи деформации, недопустими пукнатини, ускорено стареене и влошаване на експлоатационните показатели. Ключов остава въпросът за осигуряване на възможности за адекватна поддръжка и планиран ремонт, за да се избегнат възможно най-дълго рехабилитация, реконструкция или усилване.

Сравнението между България и страните от Европейския съюз показва, че страната ни инвестира около 1,2% от БВП в инфраструктура, докато в ЕС този процент е между 3% и 4%. Качеството и ефективността на инфраструктурата също изостават от средното ниво в ЕС. Въпреки че инфраструктурните инвестиции в България са силно зависими от европейското финансиране, у нас решенията все още се обосновават предимно с технико-икономически анализ, докато в ЕС все по-голямо значение има оценката на жизнения цикъл на строежите, тъй като над 30% от екологичния отпечатък в ЕС се дължи на строителството.

Основните използвани конструктивни материали са бетон и стомана. Около 8% от глобалните CO₂ емисии идват от производството на портландцимента. Характерен е и високият дял на използваните минерални ресурси. Типично за инфраструктурните проекти е, че от 40% до 60% от емисиите се генерират още през първите два етапа на жизнения цикъл – производството на строителни продукти и строителството.

Изводът е, че усилията трябва да бъдат насочени към нови решения, високоефективни и „умни“ материали и технологии, базирани на иновации и най-добри световни практики. Те трябва да отговорят на предизвикателствата и да позволят наваксване на изоставането в качеството на инфраструктурата в България.

Прилагане на високоефективни материали с по-нисък екологичен отпечатък

Водещите тенденции в световен мащаб са свързани с приложението на високоефективни материали, които притежават необходимите експлоатационни показатели. Те най-често са и ресурсно ефективни, тъй като позволяват с по-малко количество материал да бъдат постигнати сходни или по-добри параметри на конструкцията. В много случаи осигуряват и по-голяма дълготрайност на строежите.

Такъв е супервисокоякостният бетон (UHPC) – композитен материал от финодисперсна матрица и микростоманени влакна, чиято якост на натиск надхвърля 200 MPa, а якостта на опън при огъване е над 30 MPa. Тези характеристики позволяват постигане на по-тънкостенни конструктивни сечения, подобно на стоманените конструкции. Приложението на UHPC в инфраструктурното строителство е обусловено и от неговата изключителна дуктилност и мразоустойчивост, както и висока устойчивост на агресивни среди. Това го прави подходящ материал при изграждането на мостове, тръбопроводи и защитни съоръжения. 

Сухи смеси от високоякостни микробетони, армирани със стоманени фибри – HPFRCC, се предлагат и у нас. Техните якостни показатели са по-ниски от тези на UHPC, но също притежават дуктилност и повишена дълготрайност, което ги прави подходящи за реконструкция и усилване на сгради и съоръжения. HPC системите се използват за усилване на стоманобетонни плочи, колони, греди и възли. 

Конструкциите от вълнообразна стомана се използват широко за изграждане на водостоци, малки тунели, пешеходни подлези и надлези. Те представляват ефективна алтернатива на решенията от монолитен бетон. Основното им предимство е високата конструктивна ефективност, благодарение на взаимодействието между стоманената конструкция и околния земен насип. Тези решения се вписват и в концепцията за устойчиво строителство, тъй като имат по-нисък въглероден отпечатък, позволяват бърз монтаж, осигуряват дълъг експлоатационен живот и предполагат минимална поддръжка. 

Интензивните валежи и изменението на климата поставят нови изисквания към управлението на повърхностните води. Подземните резервоари от вълнообразна стомана представляват ефективна алтернатива на традиционните стоманобетонни конструкции – с оптимизирана конструкция, по-ниско потребление на материали, бърз монтаж и възможност за рециклиране. 

Друга алтернатива за намаляване на екологичния отпечатък на бетона и стоманобетона е използването на нискоклинкерни цименти и геополимери. Геополимерните свързващи вещества са на базата на алумосиликати, често с отпадъчен произход, и алкален активатор. Те могат да притежават повишени якости, особено в ранна възраст, и по-висока устойчивост на агресивни въздействия. Приложенията им се свързват с настилки, предварително изготвени конструктивни елементи, ремонтни дейности и материали за противопожарна защита.

Геосинтетичните материали също осигуряват повишена надеждност при по-малко потребление на естествени материали. Геомрежите за армиране на слаби земни основи и за усилване на асфалтови настилки позволяват по-добро разпределение на натоварванията и намаляване на деформациите. Така се редуцира дебелината на пътната конструкция, удължава се експлоатационният живот и се понижават разходите за поддръжка.

Дренажните геокомпозити представляват комбинация от геотекстил и дренажно ядро. Те служат за ефективно отвеждане на водата, като заместват традиционно дебели дренажни пластове от чакъл. Освен икономия на инертен материал и намалени въздействия от транспорт, тези решения позволяват по-малки изкопни работи, по-нисък разход на строителна техника, по-бърз монтаж и по-ниска енергийна консумация.

Циментовите геокомпозитни мембрани (GCCM) са иновативен материал, който при контакт с вода хидратира и образува здрав и водонепропусклив слой. Те се използват успешно при облицовка на канали, защита на откоси и хидротехнически съоръжения. Основните им предимства са бързият и лесен монтаж, високата устойчивост на механични въздействия и ерозия, както и дълготрайност и стабилност при различни климатични условия.

Бентонитовите/монтморилонитовите геосинтетични мембрани (GCL) са изградени от слоеве геотекстил със слой силно водоустойчив бентонит между тях, който, при контакт с вода набъбва и образува високоефективна хидроизолационна бариера.

Умни материали и дигитализация

Фотохроматичните материали променят цвета или прозрачността си при излагане на светлина, а термохроматичните – при промяна на температурата. Това ги прави интересни за приложения в пътното и транспортното строителство, особено за подобряване на безопасността и адаптивността на инфраструктурата: фотохроматични пигменти могат да се добавят към пътни бои при аварийни ленти, велосипедни алеи и пешеходни пътеки. Комбинацията на фотохроматични и термохроматични материали (променящи се при промяна на температурата им) може да служи за сигнализиране за прегряване на асфалта, високо UV натоварване и деградация на настилката. Фотолуминисцентните маркировки намаляват енергопотреблението и подобряват безопасността.

Като част от концепцията за „умни настилки“ е и използването на материали с висока отразяваща способност (албедо) за пътно покритие, при което температурата на настилката е по-ниска спрямо стандартен асфалт.

Друго направление в умните технологии е вграждането на пиезоелектрични елементи в настилките, които позволяват да се генерира електрическа енергия чрез преобразуване на механичните деформации и вибрациите в електричество. Възможните приложения на генерираната енергия са за LED пътно осветление, осветяване на пътни знаци, работа на сензори за трафик и малки устройства.

Пиезоелектрични сензори се използват и в системи за самодиагностициране на конструкцията. Те могат да измерват деформации, вибрации, натоварване на настилката и поява на пукнатини, което позволява ранна диагностика на повреди. Прилагат се и при интелигентните транспортни системи за автоматично събиране на данни и адаптивно управление на трафика.

Съвременната инфраструктура се превръща не само в обект, но и в участник в интелигентните системи за управление, мониторинг и свързаност – Интернет на нещата (IoT). Сензорите, комуникационните технологии и платформите за анализ на данни и изкуствен интелект са трите основни компонента на IoT. Приложенията в инфраструктурното строителство са свързани с мониторинга на състоянието, управлението на трафика/експлоатацията и интелигентното управление на поддръжката и ремонтите. 

Сред умните материали, които вече се прилагат в инфраструктурното строителство, е самовъзстановяващият се бетон (self-healing concrete), при който микропукнатини до около 0,4 mm могат да се запълват сами с водонеразтворими продукти. Те са или резултат от химична реакция с циментовия камък на вещества, които са били предварително заложени в микрокапсули, или от метаболитната активност на бактерии, които образуват карбонати. 

Доц. д-р инж. Румяна Захариева е ръководител на катедра „Строителни материали и изолации“. Основните области на научен и професионален интерес са
устойчивото строителство, иновативни строителни материали и технологии и оценката на жизнения цикъл на строителните продукти.
 Има широка експертиза в сертификацията на строителни продукти, разработването, изпитването и подготовката на документация за нови строителни материали. Има практически опит в дейностите по надзора и одита в строителството на големи международни инфраструктурни проекти в България, Румъния и Молдова.