Строительство и архитектура /4. Современные строительные материалы

К.т.н. Кондратьева Н.В.

«Украинский государственный химико-технологический университет», Украина

Тенденции развития нанотехнологий в строительном материаловедении

В настоящее время идеи наноструктурного материаловедения интенсивно развиваются, и их успех неразрывно связан с достижениями в области химии, физики, математики, техники, медицины. Ежегодно возрастает количество проводимых по этой тематике международных конференций, опубликованных научных монографий, публикаций, сборников трудов, учебных пособий. Более 50 стран ведут разработки в этом направлении, в некоторых из них (США, Япония, Китай) исследования в области нанотехнологий объявлены высшими национальными приоритетами [1].

Для решения многоплановых и междисциплинарных проблем строительного наноматериаловедения возникают такие формы организационного сотрудничества, как консорциумы, например, NANOCOM (Шотландский центр нанотехнологий строительных материалов, Шотландия - www.nanocom.org), NANOCEM (Европейский научно-исследовательский концорциум по изучению нано- и микромаштабных явлений в цементе и бетоне - http://nanocem.org), «Наносистемы в строительном материаловедении» (Россия).

Фундаментальные исследования по проблемам нанотехнологий ведутся и в Украине. Утверждена концепция государственной целевой научно-технической программы «Нанотехнологии и наноматериалы» на 2010 - 2014 гг., создан научно-учебный центр «Наноэлектроника и нанотехнологии», основная цель которого – создание в Украине наноиндустрии путем использования результатов прикладных исследований, а также подготовка высококвалифицированных научных и инженерных кадров.

Основная масса строительных материалов является наносистемами, поскольку формирование прочностных свойств, отражающих эксплуатационные характеристики композиционных материалов, например, бетона, происходит именно на наноразмерном уровне при гидратационном (композиционные материалы) или высокотемпературном (керамические материалы) минералоообразовании и переходе в кристаллическое состояние матрицы композита. Так при гидратации строительного гипса взаимодействии с водой начинается с образования кластеров - зародышей кристалликов из нескольких десятков атомов кальция, кислорода, водорода и серы, которые по своим размерам являются типичными наночастицами. Последующие взаимодействия этих кластеров между собой и окружающим веществом приводят к образованию новых структурных элементов. Аналогичный механизм характерен и для гидратации минералов портландцемента. Это типичные формы нанотехнологических процессов, т.к. они проходят на атомно-молекулярном уровне и в значительной степени зависят от температуры, тонкости помола, щелочности жидкой фазы, времени, вида и количества добавок.

Процессы, протекающие в вяжущих, влияние факторов, обеспечивающих формирование требуемой микроструктуры твердеющих вяжущих веществ, влияние на гидратацию различных минеральных добавок изучены на основе понятий макро- и микропереноса. Используя эти знания и дополняя их исследования на наноуровне, возможно более полное раскрытие этих механизмом и способов управления свойствами композиций на основе вяжущих материалов. В настоящее время эти процессы изучают с помощью растровой электронной микроскопии и других подобных методов, обеспечивающих более достоверную информацию о структуре гидратных новообразований на наноуровне. С помощью ядерного магнитного резонанса можно проследить взаимодействие частиц цемента вплоть до расположения атомов. Можно зафиксировать образовавшиеся в ходе реакции различные поверхностные слои [2].

Таким образом, нанотехнология является необходимым инструментом для понимания различных процессов, протекающих при гидратации вяжущих материалов, - развития микроструктуры, взаимодействия минеральных и химических добавок с цементосодержащими материалами и гидратными новообразованиями [2], возможна разработка молекулярных моделей гидратации продуктов.

Основные тенденции развития нанотехнологий в области строительства направлены на разработку новых продуктов с улучшенным качественными и функциональными характеристиками, повышения эффективности использования уже существующих материалов [3]. Благодаря своим уникальным оптическим, электрическим, тепловым и магнитным свойствами наноматериалы могут совершить революцию во многих отраслях производства строительных материалов [1]. С помощью наночастиц можно изменять цвет искусственного покрытия, создавать функции самоочищения, формировать специальный антибактериальный слой или проводящее покрытие, обеспечивать ультрафиолетовую защиту, повышать свойства антистарения и предотвращать появление желтизны.

Исследования также связаны с изучением, описанием и моделированием наноструктур, применением наночастиц, углеродных нанотрубок с целью направленного управлениями свойствами вяжущих материалов, проблемами безопасности и влияния на окружающую среду [4].

Результаты исследований, представленные в научных публикациях, позволяют утверждать, что введение наночастиц и нанотрубок, в первую очередь, увеличивает прочностные показатели вяжущих материалов, изменяет морфологию кристаллогидратов с формированием контактных зон повышенной плотности по поверхности твердой фазы, при этом повышается прочность и трещиностойкость изделий из модифицированного бетона, которые определяют его долговечность [5].

Углеродные наноструктуры нашли применение и при изготовлении сухих строительных смесей, их введение позволило улучшить физико-механические характеристики. Механизм влияния на структуру и свойства ССС заключается в ускорении коагуляции частиц твердой фазы, уменьшении расклинивающего действия воды. Нанотрубки в растворе вяжущего ведут себя как «зародыши» кристаллов, но поскольку они имеют не точечную форму, а протяженную, кристаллы образуются вытянутые. Разрастаясь, кристаллы переплетаются, частично прорастают друг в друге, образуют пространственную сеть, пронизывающую и связывающую в единое весь цементный камень [6].

Представляет интерес изучение механизмов воздействия нанодобавок на минеральные вяжущие: оптимизация структуры контактной зоны между цементным камнем и заполнителем, повышение прочности цементных продуктов, модификация пластификаторов с целью управления реологическими свойствами бетонных смесей. Нанотехнологии позволят расширить спектр добавок-модификаторов, довести их размеры до наноуровня с целью получения еще большего эффекта их применения в виде получения новых высоких свойств материалов.

Авторами [7] в результате испытаний установлено, что введение даже сравнительно небольших количеств наномодифицирующих добавок резко (до нескольких раз) усиливает прочностные характеристики бетонов и одновременно кардинально уменьшает водопоглощение. Причем эффект модифицирования возрастает с ростом вводимых концентраций нанодобавок. Установлено, что суспензии разнообразных фуллероидов обеспечивают стабильный эффект во времени и в широком диапазоне внешних условий эффект повышения эффективности большинства промышленных пластификаторов бетонных смесей [4]. Модифицирование пластификаторов позволяет увеличить возможности создания высококачественных бетонов с максимально высокими характеристиками. Наночастицы фуллероидного типа влияют на процесс гидратации, улучшают потребительские свойства пластификаторов, повышая пластифицирующий эффект от 30 до 100%.

Проведенный анализ показал, что решение задач в области нанотехнологий требует проведения фундаментальных исследований и высокотехнологического оборудования, результаты исследований нанотехнологий в строительных материалах могут стать основой внедрения в практику принципиально новых материалов, обладающих уникальными физико-механическими свойствами и эксплуатационными характеристиками.

Литература

1. Ковтун Г.Л. Наноматериалы: технологии и материаловедение: Обзор / Г.Л. Ковтун, А.Л. Веревкин. - Харьков: ННЦ ХФТИ, 2010. – 73 с.

2. Middendorf B. Singh N.B. Исследование и технология цемента и материалов на его основе на наноуровне // Строительные материалы. - 2007. №1.- С. 50 - 51.

3. Влияние углеродных наночастиц на свойства прессованных цементно-песчаных бетонов / Беличенко Е.А., Толмачев С.Н., Мисько Т.М., Дука А.Г// Бетон и железобетон в Украине, - 2011, №6. - С. 2 – 8.

4. Фиговский О.Л., Бейлин Д.А., Понамарев А.Н. / Успехи применения нанотехнологий в строительных материалах // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. 2012. № 3. С. 6 - 18. URL: http://www.nanobuild.ru

5. Инновационные технологии и материалы в строительной индустрии. Учебное пособие / Алексеева Л.Л. Ангарская государственная техническая академия. – Ангарск: АГТА, 2010, 104 с.

6. Кривцов Е.Е., Никулин Н.М., Ясинская Е.В. / Исследование характеристик наномодифицированных сухих строительных смесей // Инженерно-строиттельный журнал, №2, 2011. - С. 29 - 32.

7. Золотарев А.А., Скачков С.В., Лушин А.И., Намазбаев В.И., Рахимова О.В., Семенов К.Н., Чарыков Н.А. Бетон, структурированный водорастворимыми фуллеренолами // IV Всероссийская конференция по наноматериалам.  - Москва. 01 - 04 марта 2011 г. / Сборник материалов. – М.: ИМЕТ РАН, 2011. - С. 522.