Перспективы развития нанотехнологий в строительстве

Новости компании

В настоящее время модифицированных бетонов стало великое множество, как и наномодификаторов. Поэтому об альтернативе можно поставить вопрос о применении композиционных материалов на основе не минеральных вяжущих, а полимерных связующих — которых тоже много различных видов, точно также, как и много модифицирующих связующих наноразмерных добавок. Для понятия слова «Нано» которое происходит от греческого слова «nanos» - карлик - это приставка, обозначающая одну миллиардную долю исходной единицы. В СИ единицей длины является метр, значит нанометр означает одну миллиардную долю метра или миллионную долю миллиметра. Это очень маленькая величина, и как не странно она не имеет никакого отношения ни к молекулам, ни тем более к атомам. На атомном и молекулярном уровнях размеры измеряются в ангстремах. Ангстрем это 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, но не будем отходить от темы.))

(Добавки) или правильно присадки так как дозировка добавки обычно бывает не менее 0,1% от расхода цемента которые входят в основу модифицированного бетона на основе углерода даже в малых количествах способны повысить его прочность и ударную вязкость. В качестве углеродсодержащих наночастиц могут быть применены отходы алмазодобывающей промышленности или мелкодисперсные частицы (углеродные нанотрубки и фуллерены), полученные физико-химическими методами обработки газовой смеси углеводородов с воздухом или другими физико-химическими способами, например, осаждением из газовой фазы. 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. С точки зрения здравого смысла, такой малый процент армирования 1 х 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. Разрастаясь, кристаллы переплетаются, частично прорастают друг в друга и образуют пространственную сеть, пронизывающую и связывающую в единое целое весь цементный камень. 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.

Исследование свойств бетона в результате введения добавок наночастиц диоксида титана показали его высокую прочность и антибактерицидные свойства. В условиях уличного загрязнения такой бетон долго сохраняет свои свойства (цвет, прочность, устойчивость к трещинообразованию). Это происходит благодаря тому, что под действием солнечного света бетон взаимодействует с воздухом и способствует образованию активного кислорода, который уничтожает бактерии и разлагает органические соединения. Так происходит самоочищение бетона. Одним из перспективным является бетон, модифицированный частицами диоксида кремния. Равномерное распределение частиц армирует его, повышая прочность. Ввод наночастиц изменяет структуру бетона, при этом для вяжущей составляющей требуется намного меньше воды, а значит, и его вес намного меньше. Кроме того, такой бетон более плотный, с низкой пористостью, процент которой можно заранее прогнозировать, и, следовательно, регулировать свойства. В зависимости от состава, формы и количества нанодобавок можно регулировать (уменьшать или увеличивать) время, в течение которого бетон затвердеет, формировать его структуру и плотность. Каждый вид наномодифицированного бетона имеет свою область применения. Для внутренних перегородок помещений может использоваться легкий бетон. Бетон средней плотности используется в строительстве мостов и дорожных покрытий, а сверхпрочный бетон используется при изготовлении несущих конструкций.

В одним из первых объектов реконструкции в России стал мост через реку Волга г. Кимры Тверской области где был использован легкий нанобетон бетон 1300…1500 кг/м3, где предел прочности при сжатии составил до 70 МПа, а коэффициент теплопроводности менее 0,6 Вт/м∙К так и водопоглощение составило менее 1% и предел прочности при растяжении на изгиб до 8,5 МПа. Что является серьезным показателем в улучшении физико-механических свойств бетона.

В ближайшем будущем, а это примерно 3-4 года может быть войдут модифицированные бетоны в наше строительство, которые будут достигать своей прочности порядка 300 МПа. Это почти в 10 раз превышает среднюю прочность существующих конструкционных бетонов. По долговечности и по морозостойкости можно будет предположить более 4000 циклов замораживания и оттаивания. Такие бетоны с минимальной пористостью даже в морской воде могут прослужить более 100 и более лет.

На текущее время проводятся исследования по изменению структуры уже существующих строительных материалов для придания им новых, собственно уникальных или прогнозируемых свойств, а именно работы по наноструктурной модификации конструкционных, композиционных, керамических и полимерных материалов направлены на улучшение их прочностных свойств. Интересные исследования ведутся в области придания материалам эффекта самозалечивания.

В России исследования непосредственно в области строительных технологий не ведутся. Как правило, внедрение новых инновационных технологий сюда приходит благодаря достижениям в смежных областях науки. Ученые Института материаловедения и эффективных технологий ведут работы по производству цемента путем нанокапсуляции. Разработаны и активно внедряются наноматериалы для строительства - нанобетоны. Финансированием проектов по исследованию нанопроцессов и разработке технологий руководит ОАО «РОСНАНО».

За рубежом исследования по созданию нанотехнологий для строительства ведутся такими крупными предприятиями, как: «Sika» (Швейцария) – которая входит в 50 лучших торговых марок Швейцарии. «Sika» является мировым лидером в создании нанотехнологий и оборудования для него.
BASF (Германия) – активно ведет работы в области неорганической химии и полимеров, специалистами разрабатываются технологии ремонта бетона и железобетона, а также ведутся работы по исследованию влияния наноматериалов на человека.
Национальный институт материаловедения (Япония)– ведет совместные работы с другими известными фирмами направлены на создание сверхлегких и сверхпрочных материалов. Кроме того, благодаря достижениям в области нанотехнологии, разработан способ, позволяющий разжижать металл, которым затем пропитывается ткань.
Компания «Akatec AS» (Норвегия) – ведет работы в области нанотехнологии по разработке солнечных панелей, которые способны снизить себестоимость солнечной энергии в два раза и сделать ее рентабельней, чем ископаемые энергоносители. Шанхайский центр науки и нанотехнологий (Китай) – проводит работы по созданию полупрозрачных нанопокрытий, способных накапливать солнечную энергию.

По прогнозам аналитических агентств, только в США объем реализации наноматериалов и нанотехнологий в строительстве в 2012 г. достиг более 100 млн долларов, а к 2025 г. возрастет до 1,9 млрд долларов, прежде всего, за счет применения покрытий, композитов, адгезивов, нанодобавок для цементов и бетонов, красок, стекол и т.д. Индикаторы развития 23 лидирующих промышленно-финансовых групп, включая Bayer, Cabot, DuPont, Elementis, Nanocor, Pilkington и др., только подтверждают эту тенденцию. Однако трудно, конечно, ожидать, что в строительстве грядет «нанотехнологическая революция» Строительная отрасль по своей природе заметно отличается от иных областей человеческой деятельности и в достаточной степени консервативна.