39483

Использование наноматериалов в строительном материаловедении

Курсовая

Архитектура, проектирование и строительство

«Нано» (от греческого слова «nanos» – карлик) – это приставка, обозначающая одну миллиардную долю исходной единицы. Поскольку в СИ единицей длины является метр, то нанометр означает одну миллиардную долю метра или миллионную долю миллиметра

Русский

2017-09-27

1.34 MB

52 чел.

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: «Композиционные наноструктурированные вяжущие вещества »

на тему:«Использование наноматериалов в

            строительном материаловедении»

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ3

1 НАНОТЕХНОЛОГИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ4

2 КЛАССИФИКАЦИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ6

3 ОСНОВНЫЕ ВИДЫ СТРУКТУР НАНОМАТЕРИАЛОВ9

4 ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ11

4.1 Фуллерен13

4.2 Нанотрубки15

4.3 Астралены16

5 МИКРОКРЕМНЕЗЕМ18

6 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФУЛЛЕРЕНОВЫХ СТРУКТУР ДЛЯМОДИФИКАЦИИ БЕТОНА 20

7 ПЕНОГАЗОБЕТОН НА НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ ПАРООБРАЗОВАТЕЛЕ25

8 ПРИМЕНЕНИЕ МОДИФИЦИРОВАННОЙ АРМАТУРЫ27

9 ШУНГИТ29

10 НАНОКЕРАМИКА31

11 НАНОЧАСТИЦЫ В ЛАКОКРАСРЧНЫХ МАТЕРИАЛАХ34

12 НАНОСТРУКТУРИРОВАННАЯ ВОДА37

13 ЭКОНОМИЧНОСТЬ НАНОТЕХНОЛОГИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ40

14 ПЕРСПЕКТИВЫ СТРОИТЕЛЬНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ43

ЗАКЛЮЧЕНИЕ45

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК46

ВВЕДЕНИЕ

Нанонаука (НН) и нанотехнология (НТ) в настоящее время – наиболее бурно развивающиеся сферы человеческой деятельности. На основании теоретических предпосылок НН сейчас в мире инструментами НТ производят цемент, керамику, металлические сплавы, пластмассы, лакокрасочные и многие другие материалы с уникальными свойствами. В строительном материаловедении достижения фундаментальных исследований в области нанотехнологий уже сегодня выглядят впечатляюще. Это конструкционные композиционные материалы с уникальными прочностными характеристиками, новые виды арматурных сталей, уникальные нанопленки для покрытия светопрозрачных конструкций, самоочищающиеся и износостойкие покрытия, паропроницаемые и гибкие стекла и новые материалы на наноуровне. Нанотехнологии позволяют создавать сверхлегкие материалы. Использование наноструктур создает высокую однородность свойств любого материала. В результате появляются такие же массовые материалы, как сталь и бетон, но значительно более легкие.

1 НАНОТЕХНОЛОГИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

«Нано» (от греческого слова «nanos» – карлик) – это приставка, обозначающая одну миллиардную долю исходной единицы. Поскольку в СИ единицей длины является метр, то нанометр означает одну миллиардную долю метра или миллионную долю миллиметра. Это очень маленькая величина, но она не имеет никакого отношения, ни к молекулам, ни тем более к атомам. На атомном и молекулярном уровнях размеры измеряются в ангстремах. Ангстрем (10-10 м) является внесистемной единицей, которую давно пытаются отменить, но пока ничего не получается, так как она очень удобна для оценки размеров атомов, ионов и простых молекул. Сложные полимерные молекулы могут достигать в длину даже нескольких микронов, но их поперечные размеры все равно не превышают нескольких ангстрем.

Наноединица длины – нанометр (нм), равная 10-9 м, т.е. в 1000 раз меньше, чем микрометр.

Нанотехнологии – это исследования в области частиц и систем, имеющих размеры от 1 до 100 нм (нмк). Современные проводниковые и компьютерные технологии оперируют частицами в микромасштабе (10-6), т.е. в наиболее продвинутой части науки совершается переход от микромира в наномир (1 нм = 10-9 м). Для сравнения можно сказать, например, что частицы микрокремнезема находятся в пределах от 100 до 1000 нм, кристаллы Са(ОН)2 – порядка 10-4 нм, человеческий волос – от 10-4 нм до 10-3 нм и т.д.

Мы привыкли к тому, что вещество, имеющее кристаллическую или аморфную структуру, состоит из молекул, а молекулы из атомов. Во второй половине XX в. было установлено, что в некоторых случаях между молекулами и веществом могут присутствовать более сложные объекты, которые уже не

являются молекулами, но еще не характеризуются как вещество. Эти объекты имеющие размеры в нанометровом диапазоне, назвали молекулярными кластерами. Именно для молекулярных кластеров и предложены такие понятия и определения, как наномир, нанотехнологии, наномеханизмы.

Молекулярный кластер – это упорядоченная пространственная структура, связанная посредством сил молекулярного взаимодействия, состоящая из атомов одного химического элемента и имеющая размеры порядка нескольких нанометров. К настоящему моменту открыты только углеродные кластеры, но подобные структуры могут быть созданы и на основе кремния. Семейство углеродных кластеров достаточно обширно. Наиболее известными его представителями являются фуллерены.

Его история началась с осени 1985 года прошлого столетия. Американские ученые Ричард Смолли, Роберт Керл и британец Гарри Крото впервые сообщили миру об открытии фуллерена. Официально эта молекула была названа «бакминстерфуллереном» по имени американского архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера, его геодезические купола и навеяли геометрическую структуру новой молекулы.

А с присуждением им в 1996 году Нобелевской премии по физике началось и лавинообразное развитие нанотехнологий. Правда, сами пионеры нанонауки считают идеологом НТ Нобелевского лауреата, одного из самых авторитетных физиков прошлого столетия, Ричарда Фейнмана, который еще за 25 лет до открытия фуллерена произнес по поводу перспектив развития микроэлектроники поистине пророческие слова: «Там, внизу, еще много места».

2 КЛАССИФИКАЦИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Наноматериалы можно разделить на четыре основные категории (рис. 1).

Первая категория включает материалы в виде твердых тел, размеры которых в одном, двух или трех пространственных координатах не превышают 100 нм. К таким материалам можно отнести наноразмерные частицы (нанопорошки), нанопроволоки и нановолокна, очень тонкие пленки (толщиной менее 100 нм), нанотрубки и т.п.

Рис. 1 Классификация наноматериалов

Такие материалы могут содержать от одного структурного элемента или кристаллита (для частиц порошка) до нескольких их слоев (для пленки). В связи с этим первую категорию можно классифицировать как наноматериалы с малым числом структурных элементов или наноматериалы в виде наноизделий.

Вторая категория включает в себя материалы в виде малоразмерных изделий с характеризующим размером в примерном диапазоне 1 мкм…1 мм. Обычно это проволоки, ленты, фольги. Такие материалы содержат уже значительное число структурных элементов и их можно классифицировать как наноматериалов с большим числом структурных элементов (кристаллитов) или наноматериалы в виде микроизделий.

Третья категория представляет собой массивные (или иначе объемные) наноматериалы с размерами изделий из них в макродиапазоне (более нескольких мм). Такие материалы состоят из очень большого числа наноразмерных элементов (кристаллитов) и фактически являются поликристаллическими материалами с размером зерна 1…100 нм. В свою очередь третью категорию наноматериалов можно разделить на два класса.

В первый класс входят однофазные материалы (в соответствие с терминологией микроструктурно однородные материалы), структура и/или химический состав которых изменяется по объему материала только на атомном уровне. Их структура, как правило, находится в состоянии далеком от равновесия. К таким материалам относятся, например, стекла, гели, пересыщенные твердые растворы. Ко второму классу можно отнести микроструктурно неоднородные материалы, которые состоят из наноразмерных элементов (кристаллитов, блоков) с различной структурой и/или составом. Это многофазные материалы, например, на основе сложных металлических сплавов.

Вторая и третья категории наноматериалов подпадают под более узкие определения нанокристаллических или нанофазных материалов.

К четвертой категории относятся композиционные материалы, содержащие в своем составе компоненты из наноматериалов. При этом в

качестве компонентов могут выступать наноматериалы, отнесенные к первой категории (композиты с наночастицами и/или нановолокнами, изделия с измененным ионной имплантацией поверхностным слоем или тонкой пленкой) и второй категории (например, композиты упрочненные волокнами и/или частицами с наноструктурой, материалы с модифицированным наноструктурным поверхностным слоем или покрытием). Можно выделить также композиционные материалы со сложным использованием [1].

3 ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СТРУКТУР НАНОМАТЕРИАЛОВ

Свойства наноматериалов в значительной степени определяются характером распределения, формой и химическим составом кристаллитов (наноразмерных элементов), из которых они состоят. В связи с этим целесообразно классифицировать структуры наноматериалов по этим признакам (рис. 2).

Рис. 2 Основные виды структур наноматериалов

По форме кристаллитов наноматериалы можно разделить на слоистые (пластинчатые), волокнистые (столбчатые) и равноосные. Разумеется толщина слоя, диаметр волокна и размер зерна при этом принимают значения порядка 100 нм и менее[1]. Исходя из особенностей химического состава кристаллитов и их границ обычно выделяют четыре группы наноматериалов. К первой

относят такие материалы, у которых химический состав кристаллитов и границ раздела одинаковы. Их называют также однофазными. Примерами таких материалов являются чистые металлы с нанокристаллической равноосной структурой и слоистые поликристаллические полимеры. Ко второй группе относят материалы, у которых состав кристаллитов различается, но границы являются идентичными по своему химическому составу. Третья группа включает наноматериалы, у которых как кристаллиты, так и границы имеют различный химический состав. Четвертую группу представляют наноматериалы, в которых наноразмерные выделения (частицы, волокна, слои) распределены в матрице, имеющей другой химический состав. К этой группе относятся в частности дисперсно-упрочненные материалы.

4ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Применение наноматериалов в строительстве позволили сформулировать теоретические основы ряда направлений как фундаментального так и прикладного характера, которые явились основой для внедрения наноматериалов и наносистем при проектировании строительных материалов. В естественных условиях существование веществ в нанодисперсном состоянии весьма проблематично из-за их термодинамической нестабильности. Тем не менее, породы осадочного происхождения (глины, мел, диатомиты) содержат вещества, способные образовывать с водой нанодисперсные системы при переходе конденсационных структур в коагуляционные. Такой переход характерен для некоторых глин и глинистых минералов (аллофан, монтмориллонит, гидрослюды и др.).

Существенным недостатком искусственных методов получения нанодисперсных материалов является их весьма малая производительность, и поэтому широкое использование нанопорошков в строительных технологиях достаточно проблематично.

Так например, продолжительное механическое измельчение исходного сырья рассматривается как способ получения наноструктур. Однако электронно-микроскопическое исследование продуктов помола показывает, что механическое измельчение имеет границы, при переходе которых частицы измельчаемого вещества слипаются, сталкиваясь друг с другом, что приводит к динамическому равновесию размол агрегация с характерным микронным (субмикронным) размером частиц. Материалы с частицами нанодисперсного размера получают в основном следующими искусственными методами:

  • диспергированием твердой фазы при помоле в струйных и вибрационных мельницах;

  • распылением в пульверизаторах или на быстроврашающихся дисках золей или растворов солей;
  • плазмохимическим способом в процессе испарения и конденсации различных веществ;
  • электродуговым способом, сопровождающимся испарением и конденсацией веществ;
  • испарением и конденсацией с участием химических реакций при гидролизе и окислении летучих хлоридов с термическим разложением углеводородов и окислением металлов в газовых средах с образованием оксидного дыма;
  • осаждением золей, растворов солей растворами гидроксидов;
  • термическим разложением солей;
  • электрическим взрывом металлов и проводников [2].

Исключение составляют технологии, в которых нанодисперсные материалы образуются в качестве побочною продукта.

Принципиальным отличительным признаком нанообъекта (один из размеров которого не превышает 100 нм) является зависимость хотя бы одного его физического, химического или любого другого свойства от наноразмера.

Принципиально новые свойства наноматериалов связаны, прежде всего, с квантованием энергетического спектра квазичастиц в нанообъектах и структурах пониженной размерности, что особенно ярко проявляется в фундаментальном изменении свойств полупроводников, магнетиков, органических и углеродных материалов, молекулярных ансамблей. Многие кардинально отличные свойства наноматериалов в сравнении с объемными материалами того же химического состава обусловлены эффектами многократного увеличения доли поверхности нанозерен и нанокластеров (до сотен квадратных метров на грамм). С этим связаны новые свойства многих конструкционных и неорганических наноматериалов. Одним из перспективных направлений является использование наноуглеродных структур (углеродных

нанотрубок и фуллеренов) для осуществления направленного структурообразования строительных композитов. Их можно использовать не только как центры кристаллизации, но и как объекты, изменяющие направление и регулирующие скорость физико-химических процессов в твердеющих материалах.

Очевидно, что наибольший эффект от введения таких модификаторов можно ожидать при их однородном распределении в структуре композита, которое достигается только при совмещении наноуглеродных структур с жидкой фазой композита. Для материалов гидратного твердения это вода, являющаяся равноправным компонентом, свойства которого во многом определяют качество композитов [3].

Влияния нанотрубок и фуллеренов заключается в ускорении коагуляции частиц твердой фазы, уменьшении расклинивающего давления воды. При этом фуллерены образуют фрактальные перколяционные сетки, способствующие определенному структурообразованию воды. Такое воздействие приводит к образованию поверхностно-активных ионов, подщелачиванию раствора и росту эффективной концентрации пластификатора. Нанотрубки и фуллерены рассматриваются как центры направленной кристаллизации, что приводит к изменению кристаллического строения вяжущего вещества.

4.1 Фуллерен

Перспективным направлением является использование наноуглеродных структур (углеродных нанотрубок и фуллеренов) для осуществления направленного структурообразования строительных композитов. Их можно использовать не только как центры кристаллизации, но и как объекты, изменяющие направление и регулирующие скорость физико-химических процессов в твердеющих материалах.

Фуллерен – полая частица, похожая на оболочку футбольного мяча, состоящая из чередующихся 20 шестиугольных углеродных циклов и 12

пятиугольных с общим количеством атомов углерода, равным шестидесяти. Для его обозначения в текстах был предложен символ С60 (рис. 3).

Рис.3 Фуллерен

Термин «фуллерен» дан в честь знаменитого архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера, который первым начал использовать подобные сочетания пространственных связей в своих проектах (рис. 4, 5).

Рис.4 Биосфера Фуллера

Рис.5 Музей «Биосфера» в Монреале, Канада

Фуллерены в настоящее время находят применение во многих областях науки и техники, но в бетонах пока не используются и никакого отношения к понятию «нано-бетон» не имеют.

4.2 Нанотрубки

Менее известным семейством углеродных кластеров, но значительно более широко применяемым в нанотехнологиях, являются нанотрубки (рис. 6). Закрытая нанотрубка представляет собой полый объект в виде вытянутого в трубу тора, боковая поверхность которого сложена из шестиугольников (как в гексагональной кристаллической решетке графита), а торцы представлены половинками фуллеренов. В настоящее время разработана технология, позволяющая открывать концы нанотрубок и превращать их в миниатюрные капилляры. К данному времени открыто более 30 видов углеродных нанотрубок, большинство из которых может быть использовано для приготовления модифицированных бетонов [2].

Нанотрубки, как известно, были изобретены в Японии в 1991 году. Их прочность на разрыв, по некоторым данным, почти в 100 раз превосходит

прочность стали. Появление нанотрубок с такой прочностью, кстати, стимулировало создание международного проекта «Космический лифт», который находится ныне в стадии разработки под эгидой NASA. Но эти трубки, помимо высочайшей прочности, обладают и чрезвычайной устойчивостью к проявлениям коррозии, что также очень важно для конструкций из бетона.

Рис. 6 Схематическое изображение нанотрубки

Проведенные предварительные опыты показали, что введение даже сравнительно небольшого количества нанотрубок в качестве нанофибр оказывает положительный эффект на механические характеристики композита.

Можно использовать нанотрубки, синтезируемые по разработанной коллективом Г.И. Яковлева исследователей технологии, для приготовления цементных пенобетонов, поскольку это приводит к повышению физико-механических свойств, а затраты на добавку компенсируются возможностью экономить цемент.

4.3 Астралены

Третьим, значительно менее известным, семейством углеродных кластеров являются астралены, представляющие собой многослойные полиэдральные углеродные структуры фуллероидного типа [3]. Эти кластеры

могут иметь достаточно разнообразные сочетания геометрических форм, их размеры находятся в диапазоне от нескольких нанометров до десятков нанометров, а их поверхность представлена шестиугольными и пятиугольными ячейками. Астралены, как и нанотрубки, могут быть использованы для приготовления модифицированных бетонов [5], но механизм их влияния на процессы структурообразования бетона будет существенно отличаться.

Кроме трех вышеперечисленных основных видов углеродных кластеров существуют и другие, менее изученные фуллероидные структуры. Общим для них является наличие фрагментов смешанной решетки, состоящей из шестиугольников, чередующихся с пятиугольниками. Если мы видим углеродную структуру из одних шестиугольников, то это не молекулярные кластеры углерода, а графит, шунгит или другие, сходные с ними кристаллические или частично закристаллизованные минералы.

Фуллерены и другие фуллероидные структуры являются искусственными материалами. Для их получения нужны лабораторный или промышленный реактор, атмосфера инертного газа, мощные электромагнитные воздействия.

5МИКРОКРЕМНЕЗЕМ

Микрокремнезем – продукт, образующийся при получении ферросилиция в электродуговых печах. На 1т ферросилиция образуется 50–250 кг микрокремнезема с истинной плотностью 2200 кг/м-3 и удельной поверхностью до 40 м2/г [3]. Общий объем образующеюся микрокремнезема составляет до 25 тыс. т/год. Среднеповерхностный размер частиц микрокремнезема составляет 68 нм, при этом суммарная доля частиц с размером до 200 нм составляет 50 %, до 500 нм – 96 %. Уникальным свойством микрокремнезема является высокое значение полной свободной поверхностной энергии его. Особенности строения частиц микрокремнезема и избыток свободной поверхностной энергии обусловливают его высокую химическую активность. Например, реакция образования силикатов натрия из раствора гидроксида натрия и микрокремнезема интенсивно протекает при нормальных условиях с большим выделением тепла. Осуществление аналогичной реакции с природным кристаллическим кремнеземом возможно лишь при давлении 1–1,5 МПа и температуре 180–200 ºС. При образовании растворимого силиката натрия (жидкого стекла) происходит дополнительное диспергирование аморфного и кристаллического кремнезема до состояния высоко концентрированного лиозоля, являющегося нанодисперсной системой. Жидкое стекло является весьма перспективным сырьем для получения пеносиликатных негорючих теплоизоляционных материалов с жесткой структурой плотностью 80–300 кг/м3 прочностью 0,15–0,85 МПа с коэффициентом теплопроводности 0,04–0,08 Вт/(м·ºС). На основе жидкого стекла получают также вспененный гранулированный материал – силипор с коэффициентом теплопроводности 0,028–0.035 Вт/(м·ºС) и плотностью 10–60 кг/м [3]. Получение высокопористых материалов на основе жидкого стекла обусловлено чрезвычайно высокой

дисперсностью натрий-силикатных группировок в его составе, что позволяет формировать во вспененном материале межпоровые перегородки толщиной до 5–10 мкм.

Водные растворы жидкого стекла можно также использовать для получения высокодисперсных порошков методом осаждения раствором хлорида кальция или других солей. При взаимодействии силиката натрия с хлоридом кальция протекает обменная реакция с образованием гидросиликатов кальция и кремнегеля. Соотношение продуктов реакции определяется стехиометрическим соотношением исходных реагирующих веществ, а дисперсность – концентрацией исходных растворов. Если обменную реакцию осаждения проводить в присутствии растворимых солей Сu, Ni, Ре, Со. Сr, Мn, можно получать объемно-окрашенные порошки различного цвета. Получаемые таким образом порошки можно использовать в качестве добавок в сухие строительные смеси, поризованные и плотные бетоны, а также полимерные и силикатные краски.

В последнее время микрокремнезем все чаще используется при получении высокопрочных (до 140 МПа) бетонов. Высокая реакционная способность микрокремнезема позволяет осуществить связывание гидроксида кальция, в результате чего образуются более стабильные и менее растворимые в воде гидросиликаты кальция, что благоприятно сказывается на водонепроницаемости, морозостойкости и долговечности.

Такой же эффект достигается при введении в бетон небольших количеств жидкого стекла (0,25–0,5 % от массы цемента) использованию нанотехнологии при разработке строительных материалов нового поколения и модифицированию традиционных композитов весьма ограничены.

6 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФУЛЛЕРЕНОВЫХ СТРУКТУР ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ БЕТОНА

Применение наночастиц в количестве всего 2–3 % от общей массы бетона значительно улучшает прочностные характеристики, повышает общую плотность цементного камня и способствует улучшению всех свойств бетона.

В настоящее время есть несколько научных разработок, позволяющих качественно изменить структуру цементного камня и бетона путем добавления в его состав микродоз фуллероидных материалов. Термин «добавка» в данном случае не вполне адекватен, так как дозировка добавки обычно бывает не менее 0,1 % от расхода цемента. Скорее речь пойдет о присадке, так как фуллероидные материалы целесообразно вводить в бетон поистине в гомеопатических дозах, составляющих от одной тысячной до одной десятитысячной доли процента от расхода цемента. Даже такая микродоза фуллероидных материалов позволяет качественно изменить структуру цементного камня или существенно усилить водоредуцирующую способность пластифицирующей добавки [4].

Для улучшения структуры цементного камня, повышения его трещиностойкости и повышения динамической вязкости в состав бетона вводятся углеродные нанотрубки. Углеродные нанотрубки представляют собой полые трубки из одного или нескольких слоев атомов углерода. Они имеют диаметр от одного до нескольких нанометров и длину от нескольких диаметров до нескольких микронов. Таким образом, они по сути являются полыми волокнами, имеющими запредельную прочность, превышающую сотни гигапаскалей, и абсолютно инертны как по отношению к любым кислотам, так и к щелочам. Введенные в бетонную смесь, нанотрубки армируют цементный камень, превращая его в композиционный материал. Такой процент

армирования (1·10-5 %) кажется явно недостаточным, чтобы существенно повлиять на прочностные характеристики бетона. Тем не менее стойкий эффект присутствует, но возникает он не за счет непосредственного армирования, которое действительно ничтожно, а за счет направленного регулирования кристаллизационных процессов. Нанотрубки ведут себя в цементном растворе как «зародыши» кристаллов, но поскольку они имеют не точечную, а протяженную форму, кристаллы образуются вытянутые (рис. 7). Разрастаясь, кристаллы переплетаются, частично прорастают друг в друга и образуют пространственную сеть, пронизывающую и связывающую в единое целое весь цементный камень.

Рис. 7Электронно-микроскопическое изображение цементного камня при увеличении в 6 000 раз

а - обычного цементного камня

б - цементный камень после введения нанотрубки

Данный метод вмешательства в процессы структурообразования позволяет на 30–40 % усилить прочность цементного камня и почти в три раза увеличить работу, затрачиваемую на его разрушение. К сожалению, прочность бетона при этом увеличивается в меньшей степени (примерно на

10 %), так как армирование происходит на микроуровне, а на прочностные характеристики бетона куда существеннее влияет его структура на макроуровне.

Оказать существенное влияние на структуру бетона на макроуровне можно другим способом. Наномодификаторы можно вводить не непосредственно в воду затворения, как в предыдущем случае, а в состав пластифицирующей добавки. При таком методе введения наномодификатора эффективность пластифицирующей добавки резко возрастает. В этом случае в качестве наномодификатора используются уже не нанотрубки, а более дешевые астралены. Исследования, проведенные к.х.н. М.Е. Юдовичем и к.т.н. А.Н. Пономаревым, показали, что при модификации ряда пластифицирующих добавок десятитысячными долями процента астраленов расплыв конуса цементно-песчаной смеси увеличивается практически в два раза [5].

В результате такой модификации пластифицирующих добавок можно добиться фиксированного пластифицирующего эффекта при меньшем расходе пластификатора или снизить водоцементное отношение для увеличения прочности, водонепроницаемости и морозостойкости бетона.

Таким образом, вышеприведенные примеры успешной модификации структуры цементного камня и бетона микродозами наномодификаторов свидетельствуют, что нанотехнологии могут эффективно использоваться на различных стадиях формирования структуры бетона, но сам бетон при этом в нанобетон отнюдь не превращается. В его составе присутствуют молекулярные кластеры углерода, которые улучшили физико-механические и эксплуатационные свойства, структурные изменения произошли именно благодаря действию наномодификаторов. Но сами изменения в структуре затронули не только наноуровень, они произошли и на субмикроскопическом, и на микроскопическом уровнях. Частично изменилась даже макроструктура. Поэтому бетон стал модифицированным.

Углеродные волокна размером меньше 0,1 микрона – это еще и эффективный теплоизоляционный материал. Частицы размером в диапазоне

от 10 до 100 нанометра, или 0,1 микрона – это эффективные минеральные добавки, которые обеспечивают повышение плотности бетона как основного конструкционного материала.

Также направлением применения наночастиц является производство и железобетона. Благодаря нанометровым размерам стало возможным создание порошковых бетонов с прочностью 500–600 МПа, в десять раз превосходящих по этому показателю обычные бетоны, а также увеличение прочности фибробетонов на растяжение до 70–80 % против 10–15 % у обычных бетонов. В целом применение модификаторов позволяет создавать бетоны и строительные растворы различного функционального назначения с широким спектром заданных свойств.

На основании выше сказанного в настоящее время идет строительство новых лабораторных центров с уникальным оборудованием (где можно производить измерения геометрических размеров с точностью до 1 nm и изготавливать изделия толщиной до нескольких молекул и нескольких nm2 по площади) привлекает наиболее "продвинутых" заказчиков, проектировщиков и подрядчиков. Так, например, в США Национальный институт стандартов и технологий (NIST) завершил недавно строительство корпуса нанотехнологий с лабораторией измерений, который, по мнению проектировщиков, является зданием с наиболее контролируемой в мире внутренней средой. Колебания температуры внутреннего воздуха не превышают ±0,01 ºС, уровень вибраций не выходит за пределы 2500 нм/с, электропроводка в здании имеет особую изоляцию, предотвращающую воздействие .электрических токов на проводимые эксперименты с точностью до 1 nА и 1 nV, т.е. отсутствует электромагнитное загрязнение среды. Такие помещения получили название "clean rooms" (чистых помещений), и они становятся обязательной принадлежностью лабораторий, работающих на наноуровне.

На сегодня бетон является тем материалом, которому отдают предпочтение при сооружении чистых помещений.

В настоящее время в Калифорнийском университете Беркли такие

исследования ведутся, и в руках специалистов уже имеются определенные способы изменения демпфирующих свойств бетона за счет введения в него специальных добавок (стирол-бутадиеновых латексов и растительных масел), изменения В/Ц, микроструктуры, некоторых видов заполнителей и арматуры.

В современных конструкциях UHPC прочность бетона на сжатие в 200 Н/мм2 и выше достигается достаточно легко и надежно, однако прочность на растяжение не превышает величину порядка 15 Н/мм2, а прочность на растяжение при изгибе – 50 Н/мм2 при насыщении бетона до 2–3 % стальными или высокопрочными синтетическими фибрами. Преднапряженная арматура в конструкциях из UHPC создает столь высокое обжатие, что позволяет полностью исключить появление трещин при эксплуатационных нагрузках. Конструкции из UHPC имеют значительно меньшую площадь поперечного сечения, больший пролет и существенно большую долговечность. Последнее достоинство обеспечивается высокой плотностью бетона, что препятствует распространению коррозии, как самого бетона, так и стальной арматуры при действии различных агрессивных факторов, в том числе циклов замораживания–оттаивания [12].

7 ПЕНОГАЗОБЕТОН НА НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ ПОРООБРАЗОВАТЕЛЕ

Для создания пеногазобетона на нанокристаллическом порообразователе используется пенообразователь на основе лаурилсульфата натрия (C12H25SO4Na); газообразователь – алюминевая пудра и нанокристаллический поризатор (НП). НП представляет собой активированный алюминий в оболочке ПАВ, т.к. толщина оболочки нефексирована, гранулометрический состав НП был полидисперсным [6].

Приготовление пеногазобетона заключается в смешивании в сухом состоянии вяжущего и пенообразователя, затворении смеси водой и дальнейшем перемешивании с алюминиевой суспензии. На основе показаний экспериментальных испытаний установлено, что пеногазобетон на нанокристаллическом поризаторе имеет плотность 300 кг/м3 и прочность при сжатии 0,65 МПа (таблица 1).

Таблица 1

Структурно-топологические характеристики ячеистого бетона

Тип бетона

Плотность, кг/м3

Предел прочности при сжатии, МПа

Предел прочности при изгибе, МПа

Рассчитання

общая пористость, %

Пенобетон

335

0,2

0,1

0,8

Газобетон

348

0,45

0,2

0,79

Пеногазобетон на алюминиевой пудре

310

0,65

0,4

0,81

Пеногазобетон на НП

300

0,65

0,35

0,84

При высокой степени поризации качество пористой структуры приобретает определяющее значение для материала в целом. Результаты исследования показали, наиболее однородной структурой обладает

пеногазобетон на нанокристаллическом поризаторе. Величина усадки пеногазобетона на НП значительно меньше, чем образцов пенно- и газобетона. Пористая структура образцов пеногазобетона на алюминевой пудре неоднородна, а на поверхности образцов усадочные трещины, чего не наблюдается при использовании НП. Отсутствие линейной усадки и характер распределения твердой фазы полученного пеногазобетона обусловлено, вероятнее всего, ускорением схватывания за счет применения ВНВ (начало схватывания 10 мин) и особенностями НП, его полидисперсным составом и особенностями газообразующей способности. Выделение газа при использовании алюминиевой пудры проходит в течение 2,5 мин, характер течения реакции скачкообразный. НП показал более стабильные выделения газа в течении 6,5 мин. Таким образом НП приводит к более равномерному газовыделению в течение длительного времени без явных пиков. За счет медленного равномерного газовыделения НП формирование пористой структуры может идти одновременно с кристаллизацией. При этом газовыделение не нарушает пористую структуру и уплотняет межпоровые перегородки. В течение 10 мин до начала схватывания в смеси на поверхности частиц вяжущего начинает образовываться аморфный высокоалюминатный гель, по краям которого появляются зародыши эттрингита и синегита. Минералы имеют игольчатое и трубчатое строение соответственно. Реакция газовыделения протекает равномерно и заканчиватся до момента их кристаллизации, что приводит к отсутствию механических нарушений, а в следствии минералы эттрингита и синегита не разрушаются, обеспечивая более высокие прочностные показатели [6].

8 ПРИМЕНЕНИЕ НАНОДИСПЕРСНОЙ АРМАТУРЫ

Нанодисперсная арматура используется для повышения физико-механических свойств пенобетона безавтоклавного твердения. В качестве нанодисперсной арматуры могут использоваться природные материалы галлуазит и хризотил, а также синтетические углеродные нанотрубки.

Результаты исследований микроструктуры пенобетона показывают, что введение углеродных нанотрубок стабилизирует его структуру и ускоряет перфорацию стенок пор (рис. 8а). Стабилизация структуры пенобетона происходит за счет армирующего эффекта при добавлении фибриллярных структур и упрочнения вследствие формирования надмолекулярных структур в цементных стенках пор. Распределяясь в объеме цементного пенобетона, нанотрубки играют роль центров направленной кристаллизации, что приводит к появлению фибриллярной структуры в стенках пор, обеспечивая ее непрерывность и сплошность (рис. 8б) и к появлению упрочняющей структурно-ориентированной надмолекулярной оболочки вокруг нанотрубки (рис. 8в). При этом достигается повышение прочности пенобетона и снижение теплопроводности изделий из пенобетона.

Рис.8 Структура стенок пор в пенобетоне: а – без добавки нанотрубок (перфорирована);

б – стабилизированна при добавлении 0,05 % нанотрубок; в – скопления на поверхности поры регулярно ориентированных нанотрубок, покрытых продуктами твердения портланцемента

Введение в состав цементной смеси синтетических углеродных нанотрубок диаметром 40–60 нм с плотностью 0,086 г/см3 в количестве 0,05 % от массы исходной смеси обеспечивает повышение прочности пенобетона в 1,7 раза, снижение теплопроводности на 20 %, уменьшение его средней плотности, армирование стенок и стабилизацию размеров пор (таблица 2).

Таблица 2

Физико-механические характеристики цементного пенобетона

Содержание нанотрубок, % от массы состава

Средняя плотность

кг/м3

Предел прочности при сжатии,

МПа

Коэффициет теплопроводности

λ, Вт/м·ºС

Размер пор,

мкм

Состояние

стенок пор

0

330

0,18

0,07

40–600

перфорированные

0,05

309

0,306

0,056

60–150

однородные

Улучшение свойств пенобетона с углеродными трубками достигается также при большей средней плотности. Так, при 500 кг/м3 предел прочности при сжатии у модифицированного пенобетона увеличивается на 65 % и составляет 1,45 МПа против 0,87 МПа у бетона с той же плотностью без наноармирования [7].

Таким образом, использование углеродных нанотрубок при изготовлении цементных пенобетонов позволяет повысить их физико-механические свойства, улучшить теплофизические характеристики и снизить расход цемента при сохранении проектной прочности пенобетона.

9ШУНГИТ

Шунгит – природный минерал, содержащего в своем составе фуллереноподобные наночастицы (рис. 9). Они придают шунгиту способность поглощать электромагнитные и даже ионизирующие излучения. Наряду с этим шунгит проявляет себя и как сильный бактерицид, так что изделия, изготовленные из материалов, содержащих этот минерал, стойки против биопоражений. Будучи электропроводным, шунгит препятствует возникновению электростатических зарядов.

Рис.9 Шунгит

Опираясь на это свойство шунгита, Н.И. Александров с коллегами разработал рецептуру бетонной смеси, из которой получается камень, стойкий к γ-лучам. В такой смеси в качестве воздухововлекающей добавки использовалась смола древесная омыленная, образующая в бетоне

наноразмерные пузырьки воздуха. Такой бетон рекомендован исследователями для изготовления хранилищ радиоактивных отходов и отработанного ядерного топлива [8].

На гипсовых заводах Нижегородской области налажено производство пазогребневых гипсовых плит, содержащих шунгит, для устройства радионепрозрачных перегородок.

Также изготавливаются сухие строительные смеси, предназначенные для изготовления штукатурок и покрытий пола, предохраняющих от проникновения в помещения или из него электромагнитных излучений.

10 НАНОКЕРАМИКА

Нанокерамику можно определить как керамический материал, получаемый спеканием глин или порошков неорганических веществ, размеры кристаллитов которых имеют размеры менее 100 нм. Отдельные образцы нанокерамики – прочной, хорошо проводящей тепло и стойкой к резкому перепаду температур можно уже сейчас увидеть на нагреваемой поверхности домашней электроплиты.

Обычно производство керамики методом наноструктурной самосборки требует формирования первичной подложки, которую обычно делают на основе полимеров. Однако это связано с рядом технологических трудностей, учесть которые достаточно сложно, поэтому керамика зачастую получается с дефектами наноструктурного порядка организации материала.

Патрик Мэйленфант и Джулин Вон из General Electric (GE) предложили новый, более простой и производительный метод формирования полимерной матрицы, на которой происходит самосборка нанокерамики.

Суть нововведения состоит в создании гибридного неорагнически-органического сополимера, который сразу же формирует готовый «шаблон» для дальнейшего производства керамики. Результат – наноструктурированная керамика может выдерживать нагрев до 1400 ºС. В дальнейшем можно ожидать широкого применения подобных систем в различных технических системах [9].

Наноструктура керамики формируется, когда при спекании обеспечены условия гомогенной нуклеации с большим числом субмикронных зародышей. Поэтому важно сохранить наноструктуру прессовки перед спеканием и предотвратить пластическую деформацию [11].

Традиционные методы формования керамических порошков различными способами шликерного литья приводят к потере размерных

свойств наночастиц и не обеспечивают формирования наноструктуры в спекаемой керамике.

Разработанные методы ультразвуковой обработки, сухого ультразвукового компактирования нанопорошков, а также коллекторного прессования ориентированы на применение серийного ультразвукового, прессового оборудования со специальной оснасткой (ультразвуковыми коллекторными пресс-формами).

Характеристики материалов на основе нанопрошоков:

  • в конструкционной керамике Y-ЦТП из нанопорошков диоксида циркония: зернистость 20–500 нм, прочность до 800 МПа, твердостью 12 ГПа, относительной плотностью до 99 %;
  • в пьезокерамике ЦТС Pb(Zr,Ti)O3: зернистость 5–10 мкм; механическая добротность, коэффициент электромеханической связи, превышающие параметры промышленной керамики ЦТС-19;
  • в сегнетокерамике (Ba,Sr,Ca)TiO3, электрокерамике (Ba,W)TiO3: плотность 99 %, размер зерен и пор 200–500 нм с их равномерным распределением;
  • в высокотемпературной сверхпроводящей текстурированной керамике YBa2Cu3O7-x: плотность 98 %, зернистость 10–100 мкм, критическая температура 95 К, плотность критического тока 1 кА при 77 К.

Изготовления изделий из нанокерамики и нанокомпозитов основана на новых способах сухого компактирования изделий сложной формы из нанопорошков керамических составов с применением методов регулирования сил трения в прессуемом порошке, в том числе под ультразвуковым воздействием при прессовании. Способы обеспечивают равномерное распределение плотности и минимальные градиенты внутренних напряжений в прессовках сложной формы, что обеспечивает спекание качественных керамических изделий требуемого состава и заданной геометрии с высокой точностью типоразмеров [11].

Преимущества компактирования нанокерамики и нанокомпозитов:

  • позволяет создавать порошковые изделия сложной формы с равномерной плотностью по объёму и минимальной концентрацией макродефектов;
  • повышает качество и эксплуатационные характеристики изделий (прочность, пластичность, износостойкость, равномерность плотности, электрофизические свойства и т.п.) вследствие формирования наноструктуры в спечённой керамике, исключения в технологии пластификаторов как потенциальных примесей;
  • повышает экономичность технологического процесса за счёт применения серийного оборудования, сокращения числа операций, энерго- и трудоёмкости процесса.

11 НАНОЧАСТИЦЫ В ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРАИЛАХ

Использование нанотехнологий дает возможность получать покрытия, одновременно сочетающие такие свойства, как эластичность и высокую твердость, получать материалы, стойкие к большинству агрессивных сред и в то же время обладающие высокой гидрофобностью. При этом возможно контролировать гомогенность распределения органических и неорганических частиц на молекулярном уровне. Неорганическими компонентами таких материалов являются нанопорошки металлов, диоксида кремния, диоксидов титана, сульфата бария, оксидов алюминия, циркония. В качестве наполнителей могут использоваться полимерные порошки, равномерно распределенные в пленкообразующем веществе. В отличие от других форм углерода фуллерены растворимы в органических растворителях, образуя истинные растворы. На основании фуллеренов возможно создание покрытия с высокими физическими свойствами, снижающими массу покрытий в 10 раз и более.

У фуллеренов есть одно свойство, которое позволяет создавать лакокрасочные материалы, которые образуют самоочищающиеся покрытия. Суть этого свойства проста – генерация на поверхности фуллеренов под действием ультрафиолетовых лучей, в частности тех, которые входят в солнечный спектр, свободных радикалов, способных окислять органические соединения до воды, углекислого газа и к тому же уничтожать микроорганизмы. А именно органические соединения, находящиеся, например, в городской пыли, и предопределяют прилипание грязи.

Впервые такая фотокаталитическая активность была обнаружена на наночастицах (размер 10–15 нм) диоксида титана анатазной модификации. С использованием таких частиц, которые (будучи сорберами ультрафиолетовых-лучей) прозрачны для видимого света, уже производят в

мире не только фасадные краски, но и лаки, которыми в тех же целях окрашивают оконные стекла.

Наночастицы диоксида титана начали использовать и для защиты от воздействия солнечного света изделий из древесины, а для защиты изделий из этого материала от биопоражения предложено использовать наноэмульсии биоцидов, нерастворимых в воде. Биоциды в такой форме, проникая в древесину, обратно из нее уже не вымываются в отличие от водорастворимых [10].

Немецкий лакокрасочный завод «Аллигатор» разработал и внедрил новый материал на основе применения нанотехнологий – силикатно-дисперсионная краска Кизелит-Фузион. Ингредиенты с наноструктурой намного легче могут вступать в прочное соединение с основанием. Подобный материал единственный в своем роде и характеризуется рядом отличительных особенностей: материал С наноструктурой обеспечивает очень высокую адгезию покрытия не только к минеральным типам подложек, но и к органическим основаниям; грязь на такой окрашенной поверхности распадается под воздействием света – возможно благодаря уникальной комбинации пигментов-наполнителей в сочетании с микроструктурной поверхностью. Сочетание новой микроструктуры и светостойких пигментов обеспечивает как высокую насыщенность цвета, так и УФ-устойчивость покрытия в целом, что позволяет фасаду сохранять первозданный внешний вид в течение долгого времени. Низкий коэффициент влагопоглощения гарантирует защиту от дождя. Краска имеет низкий коэффициент паропроницаемости, что обеспечивает максимальную степень «дыхания» стен, полностью поддерживая естественный влажностный режим здания. Благодаря наличию альгицидных и фунгицидных добавок краска противостоит поражению поверхностей грибком и плесенью. Она отличается высокой СО2-проницаемостью, что крайне необходимо для процессов карбонизации извести. Это свойство нанотехнологий обеспечивает беспрепятственный набор прочности и сохранение известковых штукатурок, а также старых кладочных растворов, что позволяет использовать этот

инновационный материал в реставрации.

Достижения в области нанотехнологий позволили внедрить в молекулярную структуру связующего средства лака частицы керамики, размер которых менее одной миллионной доли миллиметра. Эти частицы сначала беспорядочно плавают в жидком лаке, а в процессе высушивания в лакокрасочном цеху образуют структурную сетку. При этом на поверхности лакового покрытия образуется очень плотная сетчатая структура. Наночастицы повышают прочность лака в три раза и обеспечивают более интенсивный блеск покрытия.

В Германии разработаны «неорганоорганические гибридные полимеры», которые при использовании их в качестве пленкообразователей лакокрасочных материалов (для обеспечения высоких защитных свойств) достаточно наносить нанослоем. Подробная химическая природа пленкообразователя не раскрывается. Специалисты лишь отмечают, что он –  «продукт силикатной и уретановой структуры с короткой цепью».

Лакокрасочные материалы, способные образовывать покрытия, превращаются при пожаре в толстый слой негорючей пены с низкой теплопроводностью. Их еще называют интумесцентными, или вспучивающимися. Такие покрытия способны на десятки минут замедлить процесс нагревания строительной конструкции до критической для нее температуры. Иными словами, они оттянут время начала пожара.

Однако недостатком ряда таких красок является малая адгезионная прочность образующейся пены по отношению к черному металлу. Поэтому некоторые российские специалисты предлагают вводить в эти краски фуллерены в количестве до 0,7 %, что оказывает структурирующее воздействие на формирующийся при горении пенококс и способствует сохранению адгезии.

12НАНОСТРУКТУРИРОВАНАЯ ВОДА

Структурированная вода, как показывают результаты экспериментальных исследований, существенно влияет на различные свойства. Структура воды и её свойства определяются взаимосвязями и формой кластеров, в которые объединяются атомы воды под влиянием внешних активирующих воздействий. По размерам атома (0,3 нм) и кластеров воды (несколько нм) технологии производства и использования структурированной воды следует отнести к классу нанотехнологий.

Вода представляет собой сложный объект, состояние которого не является строго детерминированным, а зависит от целого ряда внешних физических факторов. Под их воздействием вода способна проявлять такие уникальные кооперативные свойства, как трансформация и накопление рассеянной энергии в виде ее высокоэнергетических форм (химической, электромагнитной, магнитной, электрической и др.), испускание и поглощение когерентных электромагнитных волн нетепловой интенсивности, трансляция энергии возбуждения по координатной сетке водородных связей и другие.

Все эти свойства воды могут проявляться только тогда, когда структура воды представляет собой гетерогенную систему, имеющую в своем составе жидкокристаллические образования (ион-кристаллические ассоциаты), обладающие свойствами сверхпроводников и гексагонально-клатратные ассоциаты, позволяющие транслировать энергетическое возбуждение по водородным связям структурного каркаса свободной воды [7].

Знание физических основ энергетических процессов, протекающих в водных структурах при воздействии внешних физических факторов, позволяет определить пути и технологии управления энергетическим состоянием водных систем – их активацией.

Под термином «активация» следует понимать процесс изменения

структурно-физических, энергетических и магнитно-электрических свойств гетерофаз связанного состояния вещества (гетерофаза – метастабильная фаза с двумерной организацией структуры) в составе жидкофазных систем, включая воду, водные растворы, жидкие кристаллы, аморфные материалы, полимеры под действием физических полей. Это открывает широкие возможности для изменения свойств производимых материалов путем активации различных жидкофазных систем используемого сырья.

Технология управления структуро-физическими свойствами жидкофазных систем включает три основные стадии:

  1. фазовое разделение униполярных ион-кристаллических ассоциатов;
  2. активация;
  3. информационное форматирование ассоциатов.

Процесс активации воды осуществляется последовательно-параллельным воздействием электрического, магнитного и электромагнитного полей и/или полем продольных электромагнитных волн, кавитации воды, излучения монополярного генератора или каким-либо иным методом [7].

Наноструктурирование воды затворения наномодификатором на основе фуллероидных материалов приводит к снижению вязкости цементного теста в 1,4–1,7 раза. При этом в смесях без наномодификатора зафиксирована тенденция к повышению вязкости через 50–55 мин от начала затворения. Вязкость цементного теста, изготовленного на наномодифицированных затворителях, после достижения минимальных значений не изменяется на протяжении всего дальнейшего периода испытаний, что свидетельствует о лучшей сохраняемости свойств композита и большей эффективности вводимых пластификаторов.

Обобщение результатов поисковых экспериментов по влиянию активированной воды на прочность бетонов свидетельствует о возможности повышения прочности при сжатии бетонов на 20–35 % и пенобетонов – на 50 % по сравнению с образцами, затворенными обычной неактивированной водой. Оценки показывают, что предлагаемые инновации обеспечат снижение масс-

строящихся домов и нагрузок на фундаменты на 10 – 20 %.

Следует также отметить, что в экспериментах при использовании активированной (структурированной) воды наблюдалось сокращение сроков набора бетонами распалубочной прочности. Это открывает широкие перспективы для сокращения сроков, уменьшения энергозатрат и стоимости строительства особенно при монолитном домостроении в зимних условиях. Весьма перспективным представляется совместное использование нескольких нанотехнологий, например, активированной воды, высокодисперсных исходных материалов и нанодисперсной арматуры [4].

13 ЭКОНОМИЧНОСТЬ НАНОТЕХНОЛОГИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Для экономии цемента применяется его домол перед его использованием до наноразмерных частиц. У такого цемента будет значительно большей доля вещества, вступающего в реакцию с водой (у обычного ПЦ, удельная поверхность которого около 3000 кв. см/г, в реакцию вступает лишь третья часть объема его частиц, преимущественно с поверхности, остальной объем выполняет в готовом изделии функцию инертного заполнителя).

У домолотого цемента частицы реагируют с водою на 80–90 % их объема. Следовательно, на получение заданного изделия цемента потребуется меньше. Домолотый цемент обеспечивает получение более прочных бетонных изделий. Это обстоятельство позволяет еще более снизить расход цемента.

Второе направление, позволяющее экономить цемент – добавление в него нанодисперсных модификаторов, особенно таких, которые являются отходами. Источником нанодисперсного кремнезема становятся геотермальные воды, которые в нашей стране начинают использовать для теплоснабжения. Использовать микрокремнезем, образующийся непосредственно в цементных смесях при введении в них поливинилацетатной дисперсии, в которую, в свою очередь был введен этилсиликат-32 или этилеиликат-40. При этом способе реализуется золь-гель технология получения наночастиц, причем с удельной поверхностью 900 кв. м/г, не достижимой другими способами, и не возникает проблем с их введением.

В.И. Корнев, И.Н. Медведева, А.Г. Ульянов получили прочный бетон от введения в цемент наночастиц гидроксида алюминия [7].

А.Н. Пономарев разработал технологию изготовления микрофибры базальтовой, модифицированной фуллерен о подобными частицами – астраленами, и показал, что при введении ее прочность бетона как на сжатие,

так и на растяжение может быть заметно повышена.

Наномодификатором, причем опять-таки отходом, является гальваношлам – продукт, образующийся при обработке известью сточных вод гальванического производства.

Экономичность оценивается на основе обобщения результатов исследований использования нанотехнологий производства строительных материалов с применением углеродных нанотрубок и структурированной воды.

Стоимость очищенного однородного углеродного материала (фуллерены, тубулены, волокно, аморфный углерод) колеблется в пределах от 8 до 15 USD (США) за грамм на мировом рынке; 2–5 USD (США) за грамм в России (уровень чистоты неприемлемо низок). Себестоимость 1 грамма продукции Астраханского Госуниверситета составляет 0,91 RUR. Конкурентоспособная рыночная цена – 27 RUR за грамм (прим. 1 USD) [9].

Для приближенной экономической оценки нанотехнологии изготовления бетонов в качестве исходных данных можно принять следующие:

  • в 2–3-этажных домах расход цемента на 1 м2 общей площади составляет около 140 кг, а в 22-этажных – 400 кг;
  • промышленное использование омагниченной (структурированной) воды на одном из московских заводов экономит 10 % цемента;
  • стоимость структурированной воды определяется стоимостью установки (несколько тысяч USD) и стоимостью затраченной электроэнергии, которую вследствие её малости можно не учитывать;
  • стоимость нанотрубок – 27 руб/г;
  • стоимость цемента – 3000 руб/т.

Расчеты показывают, что экономия на цементе при использовании структурированной воды составит 42 руб/м2 в 2–3-этажныхдомахи 120 руб/м2 – в 22-этажных. Следовательно, применение структурированной воды представляется экономически оправданным.

Применение нанотрубок при минимальной стоимости 27 руб/г и введении их в размере 0,05 % от массы состава при принятых исходных данных

представляется экономически неоправданным, т. к. увеличивает стоимость строительства. Однако в особых случаях (уникальные сооружения, слабые грунты и т. п.), учитывая возможность снижения массы возводимого сооружения, удорожание строительства за счет применения нанотехнологий будет оправданным.

Полученные результаты предопределяют необходимость поиска более эффективных нанотехнологий и более дешевых способов изготовления нанотрубок. Этот вывод основывается на экспериментальных данных, которые свидетельствуют о высокой чувствительности получаемых результатов к изменению определяющих параметров исследуемых технологий. Так, применение механоактивированного в течение 3 минут водного раствора суперпластификатора С-3 в количестве 0,05 и 0,008 % по сухому веществу от массы цемента повышает пределы прочности при сжатии на 30 % и при изгибе – на 43 %. Однако при механоактивации в течение 5 минут наблюдается существенное ухудшение свойств исследуемых бетонов. К этому следует добавить, что введение 0,05 % нанотрубок увеличивает прочность материала в 1,9 раза, а в количестве 3 % не оказывает видимого эффекта. Более того, повторяемость результатов зависит от температуры смеси и свойств воды. Использование водопроводной воды из различных источников, содержащей различное количество примесей и солей, дает отклонение результатов [14].

14ПЕРСПЕКТИВЫ СТРОИТЕЛЬНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ

На рынке строительных материалов присутствует широкий ассортимент лучших по соотношению цена/качество радиционных изделий. Кроме того, для этого рынка характерен высокий процент «псевдо» нанопродукции, т. е. товаров, которые получили определение «нано» в маркетинговых целях, хотя были произведены без использования нанотехнологий.

На строительном рынке, по аналогии с нанорынком в целом, можно выделить группу хорошо известных материалов, которые производятся с использованием нанотехнологий. Они, как правило, не отличаются от товаров заменителей, не имеющих отношения к нано, причем как по форме, так и по своим свойствам. К товарам этой группы относятся, например, краски, производимые на основе нанопорошков или суперконцентраты для полимеров на основе нанопорошков металлов, керамики и наноглин. Куда больший интерес представляет продукция, созданная на основе наноматериалов, которые значительно улучшают свойства конечных изделий. К ним, например, относятся углеродные нанотрубки, фуллерены, астралены, наночастицы металлов (оксид серебра) и др.

Один из наиболее популярных строительных материалов, подвергающийся модификации, – бетон. Специальные нанодобавки увеличивают механическую прочность бетона в 2,5 раза, морозостойкость – в 1,5 раза. При этом общий вес конструкции снижается в 6 раз по сравнению с использованием обычного бетона, что делает этот материал незаменимым для производства реконструкционных работ. Нанобетон использовался в работах по реконструкции мостов через Волгу в районе города Кимры и Вятку. В мировой практике широкое распространение получили покрытия на основе наночастиц диоксида титана. Добавка диоксида титана дает возможностьуменьшить объемы в окружающей среде оксидов азота, серы, аммиака, диоксида углерода, летучих органических соединений, что благоприятно сказывается на чистоте окружающего воздуха и способствует решению проблемы городского смога. Цемент, содержащий диоксид титана, был использован при строительстве Центра искусств и музыки в Шамбери, школы в Мортаре.

Первые исследования в области улучшения характеристик металлов были предприняты еще на заре эры нанотехнологий. Основные разработки были связаны с отраслями, где применяются материалы с высокой добавленной стоимостью: производство космических аппаратов, самолетов, автомобилей, огнестрельного и ракетного оружия. Между тем широкого распространения нанотехнологии этой группы в областях массового потребления, к которым в частности относится и строительное материаловедение. В металлическом строительстве нанотехнологии и наноматериалы потенциально могут использоваться для модификации металлов, а также для разработки различных покрытий. Первое направление будет в создание металломатричных композитов. В их производстве, в основном, используются металлы небольшой плотности. Например, в университете Милуоки был получен композитный алюминий с добавлением керамических наночастиц. Новый материал в 10 раз прочнее обычного алюминия, что в перспективе позволит снизить общий вес конструкции ферм, фасадных кассет, подвесных потолков [13].

Но уровень научных достижений в области строительства несопоставим, к сожалению, с достижениями в других областях науки и техники. Основным барьером инноваций в строительном материаловедении являются слишком высокие риски вложений в строительную науку и такого рода технологии. По некоторым данным среднемировые расходы на исследования и разработки в строительстве на порядок ниже, чем по промышленности в целом, и на два порядка ниже, чем в полупроводниковой промышленности. Это подтверждает закономерность заметного отставания достижений в строительном материаловедении от разительных, буквально революционных достижений во многих других областях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нанотехнологии позволяют создавать сверхлегкие материалы. Использование наноструктур создает высокую однородность свойств любого материала. Это очень важно с точки зрения абсолютно всех направлений техники и материалов. С использованием достижений нанотехнологии, уже применяемых в других отраслях науки и промышленности, в структуру бетона могут быть введены наночастицы для увеличения плотности, а вяжущее усовершенствовано на квазиатомном уровне, что придаст бетону новые, совершенно уникальные свойства, в том числе, таким образом, создаются так называемые бездефектные бетоны.

Нанотехнологии могут создать совершенно новые свойства материала, которые не всегда еще можно прогнозировать. Ученые утверждают, что с помощью нанотехнологий можно изменить не только качественные характеристики объектов строительства, но и их конструктивные особенности. Новые свойства материалов позволяют строить дома практически любых конфигураций, которые самостоятельно будут приспосабливаться к нуждам и потребностям жильцов, а также к климатическим условиям – летом самоохлаждаться, а зимой за счет теплоизоляции на основе нановолокон накапливать и хранить тепло. Они будут оборудованы кровлями, аккумулирующими энергию солнца, фасадами, реагирующими на психофизическое состояние людей, а также оконными стеклами, способными в зависимости от времени суток пропускать заданное количество света строго определенного спектра.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

  1. Алымов М.И., Зеленский В.А. Методы получения и физико-механические свойства объемных нанокристаллических материалов. – М.: МИФИ, 2005. – 52 с.
  2. Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. М.: Техносфера, 2003. – 336 с.
  3. Лесовик В.С. О развитии научного направления «Наносистемы в строительном материаловедении» // Строительные материалы, 2006. – № 28. – С. 18 – 20
  4. Елецкий А.Н. Углеродные нанотрубки.// Успехи физических наук. Т. 167, № 9. – М: РТЦ «Курчатовский институт», 1997.
  5. Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. – М.: Изд-во «Машиностроение –1», 2003. – 112 с.
  6. Строкова В. В., Бухало А. Б. Пеногазобетон на нанокристаллическом порообразователе // Строительные материалы. – 2008. – № 1. С. 38 – 39
  7. Родионов Р. Б. Инновационный потенциал нанотехнологий в производстве строительных материалов // Строительные материалы, оборудование, технологииXXI века. – 2006. – № 8 – С. 72 – 75
  8. Синицын Н., Дубровская Л. Прекрасный век для нано-тэк. // «Вестник строительного комплекса», 2007. – № 8. – С. 50–51
  9. Коренькова С.Ф. Нанотехнологический материал для структурных фасадных покрытий // Строительные материалы, оборудование, технологииXXI века. – 2008. – № 8 – С. 60 – 61
  10. http://CNews.ru
  11. http://www.nanometer.ru
  12. http://nanobeton-mify-i-realnost.ru
  13. http://www.stroidelo.net.ru/stroitelnaya-nauka/zolotoi-nanovek
  14. http://popnano.ru


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

56006. At the Shopping Centre 137 KB
  It’s Saturday afternoon and Tina and Tim are shopping with their mother. They go to a big shopping centre. The shopping centre is a big building outside the town. It has got many different types of shops.
56007. SHOPPING 31.5 KB
  You task was to revise the new words and prepare some information about shopping in Great Britain, Ukraine and other counties. You were divided into some groups. So, please at first let’s remind our words, look and try to match.
56008. Shops and Shopping 500.5 KB
  Hello, girls and boys! Nice to meet you how are you feeling today? I hope you are fine and ready to work. Let’s start the class. Today’s lesson will be devoted to shops and shopping.
56009. SHOPS AND SHOPPING 46 KB
  Text, exercises are aimed at learning new vocabulary. Pupils are offered to complete the chart, find true or false sentences, give short answers, put questions to the statements, find the odd word, make up sentences with words, find and correct the mistakes.
56011. Шкідливі та корисні звички 664.49 KB
  Кожен із нас мріє прожити щасливе життя, мати міцне здоров’я, багато друзів, знаходити взаєморозуміння між членами родини і нашого суспільства, досягти успіху в роботі, навчанні. Але, на жаль, наші сподівання не завжди справджуються.
56012. Кохання та одруження 62.5 KB
  The topic of our lesson today is Love and Marriage. Let’s start our lesson from the small episode about a person who had all kinds of love in her life: people love, mother’s love, the love of the nation and who was a beloved woman.
56013. Запорізька Січ 70.5 KB
  Мета: зясувати становище Запорізької Січі у складі Гетьманщини ознайомити із життям та діяльністю І.Сірка та економічним розвитком Запорізької Січі ІІ половини XVII ст. Мета нашого уроку:зясувати становище Запорізької Січі у складі Гетьманщини ознайомитись з життям та діяльністю Івана Сірка та економічним розвитком Запорізької Січі цього періоду. Ми наближаємося до Запорізької Січі.