Перспективы применения наноструктурированного бетона в строительстве

Казахстан, г. Астана 010000

Евразийский национальный университет им Л.Н Гумилева

Архитектурно-строительный факультет

Автор:Жумаханов Орак Жумаханович

Технологии, которые можно использовать с применением наночастиц в наноструктурированных бетонах:

I - домол цемента перед его использованием до наноразмерных частиц;

II - введение в бетон нанодобавок полифункционального действия.

Первое направление - технология домола цемента перед его использованием до наноразмерных частиц. У такого цемента будет значительно большей доля вещества, вступающего в реакцию с водой (у обычного цемента, удельная поверхность которого около S=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) [1].

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 цементосодержащих структур.

При производстве цемента значительная часть энергии уходит на помол клинкера (сырья для получения цемента). Небольшая добавка углеродных наномодификаторов существенно уменьшает время помола[6].

Второе направление - модифицирование строительных материалов осуществляется путем введения наномодификаторов. В качестве наномодификаторов применяют следующие добавки: углеродные астралены (С), углеродные фуллероны (С), углеродные нанотрубки (С), серебро (Ag), медь (Cu), диоксид титана (TiO2), диоксид кремния (SiO2) из отходов, диоксид кремния (SiO2) синтезированый, оксид железа III (Fe2O3), оксиды других металлов, известь (CaCO3), полимерные наночастицы, нанопленки, нановолокна [9, 10].

Началом развития нанотехнологии следует считать открытие фуллерена. Фуллерен — полая частица, похожая на оболочку футбольного мяча, состоящая из 20 шестиугольных углеродных циклов и 12 пятиугольных с общим количеством атомов углерода, равным шестидесяти. Для обозначения в текстах был предложен символ С60 [1].

Наномодификаторы в весьма малых концентрациях способствуют улучшению физико-механических характеристик бетона: повышению прочности и величины модуля упругости, повышению водонепрони¬цаемости и морозостойкости, снижению значений предельной деформации усадки. Использование нанотехнологий дает возможность получения заданных свойств цементных бетонов и других строительных материалов [4 - 12].

Для цементных бетонов интересна возможность управления структурой цементного камня.

По данным Института Химии Силикатов РАН углеродсодержащие наномодификаторы ускоряют процесс гидратации портландцемента, повышают прочность цементного камня и другие эксплуатационные характеристики [5].

Значительный интерес для конструкторов представляют углеродные нанотрубки. Связи между атомами углерода в графитовом листе являются самыми сильными среди известных, поэтому бездефектные углеродные трубки на два порядка прочнее стали и приблизительно в четыре раза легче.

Значительный интерес представляет подготовка компонентов для приготовления более прочной системы цементосодержащих структур (СЦС), например, структурирование воды затворения наномодификатором [3, 4], разработка суперпластификаторов [9].

В работе [8, 13] приведены данные исследований изменения воды при введении углеродных наномодификаторов. Происходит изменение рН величины водородного показателя: наблюдается сдвиг в кислотную область (рис1).

Объяснить данный эффект можно только с позиций изменения ионного произведения воды, вызванного специфической сорбцией гидроксильных групп ОН- на поверхности введенных в жидкость углеродных наномодификаторов, сопровождающейся образованием ионов водорода Н+ и оксония Н3О+.

Углубление данного процесса приводит к возникновению вторичной наноструктуры — фрактальной объемной сетки, которая располагается во всем объеме воды и локально изменяет концентрацию гидроксильных групп, что приводит к объемному изменению рН.

Выявленное подкисление суспензии благоприятно сказывается на особенностях реологии цементной системы и на процессах формирования системы цементосодержащих структур.

Следует отметить, что аддукты фуллероидных нанокластеров углерода сами по себе не являются пластифицирующими добавками. При их введении в бетонную смесь без пластифицирующей добавки подвижность не изменяется [4].

Добавление микродозы раствора углеродных нанокластеров в смеси с пластифицирующей добавкой различной химической природы существенно повышает пластифицирующую и водоредуцирующую эффективность пластификаторов. Суперпластификаторы превращаются в гиперпластификаторы. Углеродные нанокластеры фактически являются присадкой к пластифицирующей добавке, дозировать их следует от расхода пластификатора. С учетом экономической и технологической точек зрения, количество присадки должно составлять 2 % от сухого остатка пластифицирующей добавки, что не превышает 10 г/м3 бетона [12].

В аспекте современности в технологии системы цементосодержащих структур (СЦС) очень важно правильно оценивать функциональные требования к заполнителям и наполнителям, которые по своей индивидуальности и структуре являются очень ответственными сложными составляющими СЦС. Как правило, для нанотехнологии природа наполнителя и заполнителя должна быть одинаковой. Критерий качества системы цементосодержащих структур будет определять реакционная способность кремнезема в заполнителе [5].

Рис. 1. Ориентация молекул воды вокруг фуллерена С60

Принципиально важное значение при структурообразовании системы цементосодержащих структур на границе контакта: цементная матрица — заполнитель принадлежит химии поверхности последнего и их центров активности с определенными показателями кислотности и основности.

Развивая идеи нанотехнологии на уровне современных знаний, задача повышения качества системы цементосодержащих структур может быть решена, в том числе, и за счет максимального использования энергетических возможностей цемента, резервы которого, как правило, используются не полностью в силу возникающих в твердеющей системе внутренних напряжений, ограничивающих его расход в структуре СЦС. Решение этой проблемы может быть достигнуто использованием добавок определенной природы, которые препятствовали бы возникновению внутреннего напряжения в твердеющей системе при повышенном расходе цемента.

Улучшение свойств цементных бетонов за счет решения проблемы внутренних напряжений, возникающих в твердеющем бетоне, может быть решено за счет модификаторов определенной природы - золей, имеющих коллоидный (нано) размер частиц (1...100нм) и характеризующихся особыми свойствами поверхности - высокой поверхностной энергией. Коллоидный кремнезем (наночастицы диоксида кремния SiO2) со временем в результате реакции с Са(ОН)2 переходит в гидросиликат кальция и способствует сокращению количества пор от размера 1 нм и выше [5, 6].

Нанотехнология изучает методы более экономичного получения наномодификаторов и более эффективные способы их введения в состав системы цементосодержащих структур, поскольку стоимость добавки очень высока, несмотря на то, что требуется мизерное количество наномодификатора.

Существуют разнообразные методы получения наномодификаторов: использование природных наноструктурированных материалов (шунгит, геотермальные воды и др.), применение отходов производств, специально измельченные или синтезированные наночастицы [4 - 12].

Среди перспективных нанотехнологий для производства строительных материалов, наибольший интерес представляют нанотехнологии, обеспечивающие [5]:

- получение эффективных наномодификаторов;

- активирование (структурирование) воды;

- измельчение исходных материалов и сырья;

- изготовление нанодисперсной арматуры;

Особо следует выделить перспективы совместного использования нескольких нанотехнологий, например: использование эффективных наномодификаторов + активирование воды; применение высокодис¬персных исходных материалов + применение дисперсной арматуры.

Следует отметить перспективы внедрения цементных бетонов, изготовленных с использованием наночастиц и нанотехнологий.

В России разработан и широко применяется в мостостроении бетон легкий наноструктурированный с такими параметрами:

- прочность на сжатие, МПа, не менее 45... 55;

- прочность на растяжение при изгибе, МПа, не менее 6.8;

- водонепроницаемость, W, не менее 14.20;

- морозостойкость, циклов, не менее 350;

- удобоукладываемость П4... П5;

- плотность, кг/м3, не более 1500.1600.

Одним из примеров эффективного использования нанотехнологий можно привести строительство автодорожного моста через р. Волга, введённого в эксплуатацию в 2007 г. Дорожные плиты выполнены из легкого конструкционного фибробетона на основе базальтовой микрофибры, модифицированной нанокластерами углерода. Это позволило снизить собственный вес покрытия более, чем на треть [10].

По расчетным данным [7] использование легкого наномодифи- цированного бетона весьма перспективно в монолитных конструкциях для специальных объектов: в высотном строительство (уменьшение собственного веса позволит существенно уменьшить объемы фундаментных работ и самого каркаса здания); в подземном строительстве (водонепроницаемость W20 позволяет избежать работ, связанных с защитой сооружения от воды и влаги); в большепролетных конструкциях (уменьшение собственного веса с одновременным увеличением прочности бетона позволяют увеличивать пролеты); строительство в сейсмоопасных районах (уменьшение собственного веса снижает инерционные нагрузки на здания и позволяет частично компенсировать мероприятия, направленные на защиту зданий от землетрясений).

В работе [10] легкий наноструктурированный бетон в сейсмостойком строительстве рекомендуется применять за счет особых свойств бетона: высокой трещиностойкости и диссипирующей способности этого материала по отношению к энергии внешнего воздействия, а также резко повышенной работы полного разрушения, превышающей показания классических конструкционных марок (В25 - В45) обычного тяжелого бетона (2,45 т/м3) не менее, чем вдвое.

ВЫВОДЫ

1. Освоение нанотехнологий в любой отрасли науки и производства для цивилизованной страны - это прорыв в бедующее. Сегодня к этим странам относятся США, Япония, Китай, Россия и др., которые имеют возможность включать для исследований значительные ресурсы страны.

2. В Украине разработана программа на 2010-2014 гг. «Нанотехнологп та наноматер1али» c выделением государственного финансирования таким отраслям: наноэлектроника, наноинженерия в машиностроении и металлургии, наномедицина и нанобиология.

3. По данным зарубежных исследований применение нанотех- нологий открывает широкие возможности целенаправленного управления экономическими, технологическими и физико-механическими свойствами строительных материалов, в том числе бетонов.

4. Перспективным для Украины является разработка нового поколения строительных материалов путем исследования более экономичных технологий получения наномодификаторов, поиска наноматериалов за счет природных месторождений сырья и отходов промышленных производств.

ЛИТЕРАТУРА

1. Войтович В.А. Нанонаука, нанотехнологии, строительные наноматериалы / Войтович В. А. - Режим доступа к журн.: http ://interlibrary.narod.ru/GenCat/GenCat.Scient.Dep/GenCatArch).

2. Про затвердження Державно! цшьово! науково-техшчно! програми "Нанотехнологп та наноматер1али" на 2010-2014 роки: постанова Кабшету Мшюгрш Укра!ни в1д 28 жовтня 2009 р., N 1231.

3. Нанотехнологии. Азбука для всех / ред. Ю.Д. Третьякова. — М.: Физмат- лит, 2008. — 368 с.

4. Nanotechnology in Construction / Edited by Y. de Miguel, A. Porro and P.J.M. Bartos. — 2006. — 416 р. - Режим доступа к журн.: http://www.rilem.net/proContents.php?pro=pro045.

5. Nanotechnology in Construction 3 / [Zdenek Bittnar, Peter J.M. Bartos, Jfri N"eme"cek, Vit Smilauer, Jan Zeman (Eds.)] // Proceedings of the NICOM3 ABC: Springer, 31 may- 2 june, 2009. — 432 p.

6. Yanki Kele§ / Yanki Kele§, ObservatoryNano // Economical Assessment. Construction sector, Final report, June, 2009. — 43 р.

7. Surinder Mann. Nanotechnology and Construction / Surinder Mann // European Nanotechnology Gateway, November 2006. - Режим доступа к журн.: http://nanoforum.org/.

8. Potential Application of Nanotechnology on Cement Based Materials / [R. Panneer Selvam, Vikramraja J. Subramani, Shanique Murray and Kevin Hall] // MBTC DOT 2095/3004 August 06, 2009. — 156 р.

9. Report of the Workshop on Nanotechnology for Cement and Concrete / [Peter Taylor, Krishna Rajan, Bjorn Birgisson, Tom Cackler] // Sponsored by The National Concrete Pavement Technology Center and the National Science Foundation, in Cooperation with the Nanoscale Science, Engineering, and Technology (NSET) Subcommittee of the U.S. National Science and Technology Council, through the National Nanotechnology Coordination Office, September 5, 2007 — 80 р.

10. Нанотехнологии в строительстве // научный Интернет-журнал. - Режим доступа к журн.:www.nanobuild.ru.

11. Нанотехнологии для экологичного и долговечного строительства = Nanotechnology for Green and Sustainable Construction // сб. тр. II Межд. конф. (14-17 марта, 2010 г.). - Ижевск: ИжГТУ, 2010. - 102 с.

12. Erik Bakker. Nanotechnology and human health in the construction industry / Erik Bakker. — AMSTERDAM: IVAM UvA, April 2008. — 31 р.

13. Nanoparticle technology handbook / [Masuo Hosokawa, Toyokazu Yokoyama, Kiyoshi Nogi, Makio Naito]. — Amsterdam, Boston, Heidelberg, London, New York, Oxford, Paris, San Diego, San Francisco, Singapore, Sydney, Tokyo: Elsevier B.V., 2007. — 645 р.