НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Статьи/СТРОИТЕЛЬНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ

СТРОИТЕЛЬНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ

Нанотехнологии (НТ) должны стать мощным импульсом для развития научно-технического прогресса во всем мире. Уже сейчас ученые создают прорывные технологии, а промышленники приступают к производству материалов с недоступными до сих пор свойствами. Предприятиям стройиндустрии удалось добиться серьезных успехов в изготовлении новых строительных материалов на основе портландцемента: бетона, железобетона, пенобетона, сухих строительных смесей.

Основные понятия нанотехнологий были представлены в статье "Близкое нанобудущее" (см. журнал "Руководитель строительной организации", 2011, N 1). Напомним, что началом интенсивного развития НТ считают 1984 г., когда был открыт фуллерен - новая форма существования углерода, самая знаменитая до настоящего времени наночастица (НЧ). Открывшие ее ученые были удостоены Нобелевской премии. Возможно, в скором времени первое место по известности займет другая НЧ, точнее наноструктура, - графен, за открытие которого в 2010 г. тоже была присуждена Нобелевская премия.

В 1991 г. был открыт еще один вид углеродных НЧ - нанотрубки, совокупность выдающихся свойств которых превзошла таковую для фуллерена. В эти же годы стал известен вид углеродных НЧ, получивших название "наноалмазы детонационного синтеза". В настоящее время основным видом НЧ, используемых для наномодифицирования изделий из портландцемента, являются их углеродные представители (кроме наноалмазов).

В индивидуальном виде и фуллерен, и нанотрубки - очень дорогие вещества, строителям они не по карману. Однако благодаря усилиям российских ученых удалось получить так называемые фуллероиды - НЧ значительно более дешевые, но почти столь же эффективные, как фуллерен. Их использование позволяет получать цементные изделия с лучшими показателями при меньшей стоимости.

При изготовлении современных наноматериалов на основе портландцемента (бетона, железобетона, пенобетона, сухих строительных смесей) введение в исходные цементные смеси очень небольшого количества наночастиц различных веществ способно заметно улучшить показатели свойств изделий. Такие НЧ получили название наномодификаторов (НМ), а их использование - наномодифицирования.

Государственная корпорация "Российская корпорация нанотехнологий" (РОСНАНО) с 2008 г. ежегодно организует международные форумы, посвященные НТ, а в их рамках - выставки конкретных достижений в этой сфере. В ноябре 2010 г. был проведен уже третий такой форум. Ниже будут описаны наиболее яркие отечественные экспонаты, разработанные для строительной отрасли.

Нанобетон с наноармированием

Первых успехов наномодифицирования бетонов добился исследователь из Санкт-Петербурга А.Н. Пономарев с сотрудниками. Им был создан водорастворимый аналог фуллерена "Астрален-С", специально предназначаемый для цементных материалов. Он представляет собой порошок с насыпной плотностью 600 - 900 кг/куб. м. Каждая его крупинка является кластером, построенным из наночастиц. Средний размер кластеров 300 нм.

Введение "Астралена-С" в цементные смеси в количестве 0,15% от массы цемента позволяет повысить их подвижность от П1 до П5, заметно увеличив прочность.

На основе "Астралена-С" был разработан "Астрофлекс-РК" - наноструктурированный неорганический ремонтный композит на водной основе. Его предназначение - быстрый ремонт взлетных полос аэродромов, железнодорожных железобетонных шпал, путей метрополитена, а также других подобных объектов.

Через два часа после использования прочность "Астрофлекса-РК" достигает 20 +/-2МПа, через 12 часов - 30 +/-5МПа, через 36 часов - 40 +/-5МПа.

Петербургские разработчики создали также "Астрофлекс ГП-1" - материал, проявляющий свойства гиперпластификатора. Производится он в виде порошка и 30%-ного водного раствора. Вводить его надо в количестве 0,15% от массы цемента. Подвижность смеси при этом повышается от П1 до П5. Увеличивается также прочность, снижается водопроницаемость изделий, изготовленных из смесей с этой добавкой. "Астрофлекс ГП-1" предназначен для использования в гидротехнических, дорожных и самоуплотняющихся бетонах, в том числе в железобетоне заводского изготовления и цементно-песчаных смесях.

Очень интересной разработкой А.Н. Пономарева является модифицированная астраленами базальтовая микрофибра (МФ), предназначенная для дисперсного армирования бетонов вместо прутковой стальной арматуры или дисперсного армирования стальной фиброй.

Введение МФ позволяет получить двойной эффект. Во-первых, МФ становится дисперсной арматурой для бетона, а дисперсное армирование эффективнее традиционного - прутковой арматуры. Во-вторых, с помощью МФ легче равномерно распределять в бетонной смеси НЧ астраленов.

С использованием такой микрофибры уже уложены сотни кубометров бетонных смесей различного назначения, в частности при строительстве моста через Волгу в г. Кимры Тверской области. Бетон там использован легкий (плотность 1,6 т/куб. м, но прочность его была высокой: на сжатие до 60, на растяжение до 6 МПа). Морозостойкость также высокая (F300). Великолепны и водопроницаемость (W16 - 20), и водопоглощение (менее 1%).

Возможной областью строительства, где применение модифицированной базальтовой МФ и водорастворимых астраленов окажется эффективным и масштабно востребованным, станет производство наноструктурированных пено- и газобетонов. Эксперименты с такими материалами показали, что при изготовлении из них блоков стандартного размера будут достигнуты следующие результаты:

заметное увеличение выхода годных блоков вследствие повышения трещиностойкости и прочности на сжатие;
сокращение производственного цикла;
снижение плотности на 8 - 10% при одновременном повышении технико-экономических показателей.

Заметных успехов в наномодифицировании бетонов добилась и другая группа исследователей из Санкт-Петербурга под руководством профессора Ю.В. Пухаренко. Ею разработан эффективный наномодификатор, позволяющий при расходе 1,4 кг на 1 куб. м бетонной смеси увеличить подвижность последней на 20 - 25%, повысить морозостойкость и водонепроницаемость бетонов до полутора раз и снизить стоимость бетона на 200 руб. за 1 куб. м.

Модификатор "Таунит"

Еще одним экспонатом выставки был наномодификатор "Таунит" (Тамбовский университет), разработанный и запущенный в промышленное производство совместными усилиями сотрудников Тамбовского государственного технического университета, ООО "Тамбовский инновационно-технологический центр машиностроения", ОАО "Тамбовский завод "Комсомолец" им. Н.С. Артемова". Производителем "Таунита" в настоящее время является ООО "НаноТехЦентр", г. Тамбов.

Получают "Таунит" каталитическим пиролизом углеводородов, при этом образуются твердые углеродные наномасштабные нитевидные образования преимущественно цилиндрической формы с внутренним каналом. Установлено, что добавление сверхмалых (0,001 - 0,0001%) доз "Таунита" в цементные смеси позволяет в полтора раза повышать прочность бетонов. Эффективен "Таунит" и как модификатор полиэтилена, полипропилена, полиуретана, фторопласта (в 1,5 - 3 раза повышает прочность этих полимеров), клеев, лакокрасочных материалов (увеличивает адгезионную прочность, теплостойкость), гальванических, хромовых, цинковых покрытий (повышает твердость, износостойкость, снижает пористость).

Ныне всем известно о негативном влиянии на человека электромагнитных излучений. Введение "Таунита" в материалы, предназначаемые для поглощения этих излучений, позволяет усилить экранирующую способность.

"Таунит" понравился даже японцам, которые являются лидерами в нанотехнологической гонке. Одна из японских фирм закупила у тамбовчан реактор синтеза "Таунита". Еще один такой реактор закупила Украина, а в России второй реактор смонтирован в г. Владимире.

Простое повышение прочности

Необычные НЧ создали инженеры из Научно-образовательного центра химической физики и мезоскопии Удмуртского научного центра Уральского отделения РАН, Ижевского государственного технического университета и ОАО "Завод "Купол". Эти частицы представляют собой металлы (железо, кобальт, медь, никель), включенные в оболочку углерода. Такие НЧ оказались особенно эффективными для нанобетонов: повышают в два раза их прочность и трещиностойкость, снижают усадку. А вводить их надо в количестве 0,001 - 0,01% по отношению к цементу.

НПО "Стеклопластик" из Московской области разработало бетон, получаемый из портландцемента, традиционных заполнителей и наномодификатора (его суть - ноу-хау), добавляемого в количестве 0,01 - 0,02% к массе цемента, и воды, но не обычной, а структурированной ультразвуковой обработкой.

Такой бетон уже в семисуточном возрасте приобретает прочность 47 - 50 МПа. Окончательная его прочность - около 100 МПа против 50 - 60 МПа для бетона того же состава, но приготовленного без наномодификатора и на обычной воде.

В Военно-инженерном институте (г. Санкт-Петербург) с использованием там же изобретенных наномодификаторов удалось создать ремонтный бетонный состав, набирающий необходимую прочность уже через 8 - 10 часов.

Примечание. Быстрый набор прочности цементными смесями особенно важен при необходимости аварийно-восстановительных работ на местах, взлетно-посадочных полосах аэродромов, развязках на автомобильных дорогах. Чем быстрее здесь будут проведены работы и чем раньше на восстановленные покрытия можно будет дать эксплуатационную нагрузку, тем меньшими будут экономические потери, величина которых не сопоставима со стоимостью затрачиваемых материалов.

Серьезной проблемой для России в настоящее время является разрушение мраморных скульптур, изваяний под воздействием кислотных дождей, отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Особенно остро эта проблема стоит для Санкт-Петербурга, где мраморных скульптур великое множество. Видимо, поэтому наиболее совершенный на сегодня способ защиты мраморных изделий от разрушения под воздействием атмосферных факторов разработали петербургские ученые. Он заключается в том, что на предварительно очищенную от загрязнений поверхность наносят суспензию фуллероидов в воде, а затем - кремнийорганический гидрофобизатор. Подложка из фуллероидов ингибирует разрушение гидрофобизирующей пленки, происходящее под воздействием солнца, и срок ее службы возрастает в несколько раз.

Теплоизоляционные бетоны

В рамках Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова создан НИИ "Наносистемы в строительном металловедении", который уже выдал "на-гора" немало новинок в сфере наноматериалов строительного предназначения.
Одной из наиболее интересных среди них является гранулированный наноструктурирующий заполнитель, предназначаемый для производства конструкционных бетонов, обладающих повышенными теплоизоляционными свойствами.
Использование таких заполнителей позволяет получать легкие бетоны с плотностью 1100 - 1400 кг/куб. м общей пористостью до 85%, причем 75 - 80% пор являются закрытыми, то есть не поглощающими воду. Поэтому, несмотря на существенное уменьшение плотности, водопоглощение бетона снизится в два раза по сравнению с бетонами на основе традиционных легких заполнителей.
Наряду с этим заполнитель, почему он и называется наноструктурирующим, активно воздействует на цементную матрицу, увеличивая долю наночастиц в продуктах гидратации цемента.

Разнообразные свойства микрокремнезема

Наряду с углеродными НЧ в последние годы при производстве материалов на основе портландцемента во всевозрастающих объемах стали использовать НЧ диоксида кремния. Эти НЧ несколько менее активны, чем углеродные, зато они несравненно дешевле. Более того, одна из разновидностей данных НЧ - микрокремнезем (МК) - образуется как побочный продукт при производстве элементного (металлического) кремния и ферросилиция. Хотя в основном этот продукт состоит из частиц, размеры которых лежат в коллоидном диапазоне, в нем немало и частиц наноразмерного диапазона.
За рубежом МК используют уже около 30 лет, прежде всего при сооружении высотных зданий. В России с недавнего времени после обстоятельных исследований, проведенных в Научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона (г. Москва), МК также начали применять в заметных объемах. Его рекомендовано использовать по следующим наиболее рациональным направлениям:

при изготовлении несущих и ограждающих конструкций для транспортного, промышленного и гражданского строительства, в том числе подземных и гидротехнических сооружений;
при возведении монолитных железобетонных массивов с модулем поверхности менее трех, к которым предъявляются требования по обеспечению пониженной кинетики тепловыделения;
при строительстве конструкций из бетонов низкой проницаемости (марок по водонепроницаемости W16 - W20), повышенной коррозионной стойкости (без вторичной защиты) и морозостойкости при одновременном обеспечении высокой прочности;
при изготовлении конструкций из бетонов высокой (классы В45 - В60) и сверхвысокой (классы выше В60) прочности, изделий из пластичных бетонных смесей;
при необходимости обеспечения высокой ранней прочности (на уровне 25 - 30 МПа в возрасте 1 - 2 суток), достаточной для распалубки конструкций и их нагружения;
при возведении специальных конструкций с использованием высокопластичных нерасслаивающихся бетонных смесей;
при возведении преднапряженных железобетонных конструкций с учетом возможностей ранней передачи напряжений с арматуры на бетон;
при устройстве высокоплотных и прочных защитных покрытий способом пневмобетонирования ("мокрого" торкретирования) и при ремонтно-восстановительных работах на ответственных сооружениях;
при возведении уникальных конструкций и сооружений из высокопрочного и сверхвысокопрочного дисперсно-армированного бетона (фибробетона);
при устройстве сооружений из бетона сверхнизкой проницаемости для консервации и захоронения отходов, в том числе радиоактивных.

Отметим, что использование этого наноматериала позволяет получить бетон с расходом цемента 200 - 450 кг/куб. м и следующими характеристиками: марочная прочность М300 - М1000, водонепроницаемость W12 - W16, морозостойкость F200 - F600 и даже F1000, коррозионная стойкость не ниже чем у сульфатостойкого цемента.
При использовании МК появляется возможность экономить до 25% цемента в бетонах без потери их технологических свойств.

Средство против трещин

Еще более эффективным, чем МК, наномодификатором бетонов на основе портландцемента является кремнезоль (КЗ). Он представляет собой водный коллоидный раствор диоксида кремния. Другими словами, это взвесь в воде частиц диоксида кремния.

Исследованиями, проведенными в Университете путей сообщений (г. Санкт-Петербург), установлено, что введение КЗ в количестве 1% от массы цемента позволяет повысить прочность при сжатии и изгибе до 50%, а также долговечность изделий.

Установлено, что КЗ оказывает на цемент тройное воздействие - усиливает гидратацию, блокирует поры, то есть снижает водопроницаемость, увеличивает клеящую способность.

Исследования по ГОСТ 5802-86 показали, что водопоглощение при возрастании в бетоне количества КЗ от 0 до 0,45% снижается с 23 до 2,5%. При этом, как установлено с помощью прибора "ВидеоТест", уменьшается размер пор.
Физико-химическими методами исследования определено, что в присутствии КЗ повышается глубина гидратации цемента, а с помощью дифференциально-термического анализа установлено, что в присутствии указанной добавки количество химически связанной воды увеличивается на 26%. Этот вывод подтверждают данные калориметрических исследований, показавшие, что общее количество теплоты, выделяющееся за 72 часа, с КЗ на 17% выше.
Исследование трещиностойкости производилось по косвенной оценке - отношению прочности при изгибе к прочности при сжатии. Установлено, что для всех видов цемента в присутствии 0,3% КЗ происходит повышение прочности и при сжатии, и при изгибе.

В Санкт-Петербурге КЗ, производимый ООО "НПП Голдтар" под названием "Укрепляющая пропитка "Голдтар", уже давно используют для укрепления поверхностного слоя пористых каменных материалов (бетона, кирпича, штукатурки, шифера). Установлено, что одновременно повышается стойкость поверхности изделий к кислотам, абразивному износу, газовой коррозии. Используют КЗ и для устройства бетонных промышленных полов, взлетных полос аэродромов, причалов, тоннелей.
Предварительное пропитывание кремнезолем поверхности старого бетона перед нанесением свежего способствует повышению адгезионной прочности, а обработка им поверхности свежего бетона предотвращает образование микротрещин в процессе твердения. Обработка же зрелого бетона позволяет устранить уже образовавшиеся трещины.

Самоочищающиеся бетонные поверхности

К сожалению, наша страна, несмотря на вышеописанные примеры достижений в области нанобетонов, несколько отстала в этой сфере от зарубежья. Так, в Европе 1 декабря 2007 г. был дан старт амбициозному исследовательскому проекту "UNACON" стоимостью 1,1 млрд евро, целью которого является разработка многофункциональных нанодобавок для бетонов. С этой целью сформирован синдикат научных и производственных предприятий. Координацию работ осуществляет "SF-Kooperation" из города Бремена. Партнерами синдиката являются два НИИ из Германии, университет из Австрии. Производственные предприятия представлены Европейским союзом малых и средних предприятий.
Одним из необычных направлений в исследованиях этого синдиката является создание бетонов с самоочищающимися поверхностями, чего предполагается достичь с помощью наноразмерного диоксида титана рутильной модификации, который является фотокатализатором, способным окислять до углекислого газа и воды на своей поверхности при освещении солнечным светом частицы органических веществ, составляющих загрязнения, обычно оседающие на фасадах зданий.
Фотокатализатор способен окислять и молекулы таких веществ, как пары бензина, оксид углерода, альдегиды, - то, что выбрасывает в воздух автомобильный двигатель, и разрушать тела микроорганизмов. Таким образом, бетонная стена, содержащая наночастицы фотокатализатора, будет не только самоочищаться, но и оздоравливать воздух в населенном пункте.
На ряде европейских заводов производство бетонных изделий с фотокатализатором уже начато. Отметим, что в России с использованием таких фотокатализаторов налажено производство бытовых очистителей и обеззараживателей воздуха.

Автор:		В.А.Войтович
		К. т. н., заместитель генерального директора Нижегородского регионального центра наноиндустрии

Источник:		Журнал "Руководитель строительной организации", 2011, N 2

Опубликовано 21.09.2011

последние изменения от 21.09.2011

СТЕКЛА "УМНЫЕ" И ДАЖЕ "ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ"

При использовании материалов данной статьи ссылка на сайт обязательна.

Нижегородские строители