Бетон.ру

Оксид кремния (SiO2 ) – это часть стандартной бетонной смеси. Исследования наноструктуры материала показали, что использование наночастиц оксида кремния приводит к существенным изменениям в упаковке вещества – значительному уплотнению бетона и соответственному улучшению его механических свойств (повышению прочности на сжатие в 3–6 раз). Кроме того, модификация материала наночастицами оксида кремния стабилизирует важнейшие валентные взаимодействия Ca – Si – H, ответственные за связность бетона, уменьшая вымывание кальция и увеличивая его влагоустойчивость.

Другое соединение, активно используемое как добавка к бетонным смесям, – диоксид титана (TiO2). Наночастицы диоксида титана уже получили весьма широкое распространение в современной промышленности – из-за высоких отражающих свойств материала, особенно в ультрафиолетовом спектре, их используют в солнцезащитных кремах, а способность расщеплять различные органические соединения, в том числе летучие, делает такие частицы важной добавкой к бетону, оконному стеклу и лакокрасочным покрытиям, уменьшающей уровень загрязнителей воздуха в здании и вокруг него. Кроме того, диоксид титана обладает ярко выраженной гидрофильностью, что придает содержащим его материалам способность к самоочистке – капельки воды конденсируются на поверхности и, стекая, увлекают за собой частицы грязи. На сегодняшний день уже налажен широкий выпуск белого бетона с добавкой диоксида титана, обеспечивающего зданиям более эстетичный вид.

Исследователи уделяют также много внимания взаимодействию бетона с углеродными нанотрубками. Добавка небольшого количества (~ 1 вес. %) окисленных многослойных углеродных нанотрубок к традиционным маркам, например портландцементу, приводит к значительному улучшению прочности материала на сжатие (+ 25 Н/мм2) и изгибной прочности (+ 8 Н/мм2). Однако применение углеродных нанотрубок в качестве наполнителя того или иного материала имеет один важный недостаток: нанотрубки «любят» слипаться за счет взаимодействия графеновых листов, образуя крупные кластеры, что приводит в итоге к потере когезии с материалом-носителем. Поэтому для достижения высоких характеристик композиционного материала необходимо проводить дополнительные процедуры с целью разделения и однородной дисперсии нанотрубок. Один из обнаруженных на сегодня способов – предварительное смешивание углеродных нанотрубок с гуммиарабиком, но необходимы дальнейшие исследования, чтобы подобрать оптимальный состав такого композита.

Углеродные нанотрубки обладают целым набором уникальных свойств; возможно, в самом ближайшем будущем их будут широко применять при создании вычислительной техники, в авиастроении, в различных биомедицинских приложениях. С одной стороны, высокая популярность нанотрубок делает их одним из наиболее изучаемых материалов, и строительная индустрия может косвенно выиграть от открытий, сделанных в других областях, а с другой – значительный спрос определяет высокую цену на нанотрубки, ограничивая экономический эффект их применения.

Интересную работу проводят ученые из Горно-технологической школы Южной Дакоты, разрабатывающие биогерметик бетона на основе карбоната кальция, произведенного генетически модифицированными почвенными бактериями. Полученный материал будут использовать в качестве уплотнителя, препятствующего также зарождению и распространению трещин. Предварительные результаты показывают, что существует прямая зависимость между прочностью модифицированного бетона и концентрацией выращенных микроорганизмов в нем. Это исследование имеет и важную экологическую составляющую – увеличение времени жизни снижает общее количество используемого материала, снижая тем самым нагрузку на природные ресурсы планеты в его производстве. Сейчас уже можно говорить о целом направлении в современном материаловедении – создании самозалечивающихся материалов. Так, в Университете Иллинойса, США, создан ряд полимерных композиционных материалов, содержащих нанокапсулы, раскрывающиеся на границе трещины и останавливающие ее развитие.

Следует также упомянуть самокомпактирующийся бетон, не требующий вибрационного воздействия для консолидации состава. Его использование значительно уменьшает энергетические и трудовые расходы. Исходный материал, содержащий высокодисперсные наночастицы поликарбоксилата, ведет себя как густая жидкость при небольшом соотношении цемент-вода. При высыхании набухающие частицы пластификатора препятствуют образованию пустот и трещин. Самокомпактирующийся бетон обладает еще одним важным преимуществом. Обычный пластифицированный бетон медленно схватывается в зимнее время, что приводит к необходимости дополнительной парообработки конструкций. Наночастицы поликарбоксилата значительно уменьшают количество используемой воды и время засыхания материала, делая необязательной стадию парообработки.

Отметим, наконец, технику нанесения волокнистых покрытий на поверхность формируемых бетонных структур, включающую в себя использование волокнистого углеродного композита с наночастицами оксида кремния. Наночастицы заполняют трещинки на поверхности засыхающего бетона и связывают прочно его с материалом-усилителем. Волокна углерода играют важную роль в замедлении трещино-образования, увеличении времени жизни бетонных структур во влажных условиях и устойчивости к царапинам.

Производство химических добавок постепенно выделяется в самостоятельную отрасль промышленности строительных материалов. И в настоящее время в России количество модифицированных бетонов составляет 60–70 % от общего выпуска. Однако по этому показателю мы заметно отстаем от большинства развитых стран, где он достигает 85–95 %.

Строительная индустрия, представляющая гигантское поле деятельности с точки зрения применения нанотехнологий, весьма раздроблена: 97 % строительных фирм в Европе насчитывает персонал не более 20 человек. Именно этот фактор ограничивает финансирование направленной научно-исследовательской работы, которая концентрируется на решении конкретных задач из области создания тех или иных конструкций или конструкционных материалов. На сегодняшний день развитие строительного материаловедения определяется во многом успехами в исследованиях смежных дисциплин (например, автомобиле- и авиастроение). Небольшими размерами строительных фирм обусловлен также и их относительный консерватизм – сравнительно медленное внедрение новых материалов, связанное с неспособностью к крупным инновационным капиталовложениям. Однако даже небольшие изменения в эффективности используемых в строительстве материалов и технологий оборачиваются чрезвычайно большим экономическим, экологическим, энергетическим эффектом. Поэтому обязательной становится выработка рациональной политики государства, направленной на поддержку инновационного развития строительных предприятий.

Перечисленные выше технологии уже находят свое применение в строительной индустрии. Заглянем, однако, немного дальше – на 10–15 лет вперед. Сегодня мы наблюдаем изменение размеров различных сенсоров, способных к автономной работе и к объединению в беспроводные сети. А теперь представьте подобную сеть, внедренную в дорожное покрытие, конструкцию здания или моста. Подобные «умные» конструкции будут способны осуществлять самомониторинг – нанодатчики температуры, давления, механических напряжений вовремя сообщат в эксплуатационные службы о развитии трещин в материале, позволяя сэкономить большое количество трудо-дней обслуживающего персонала и значительно увеличить безопасность конструкций. Нанодетекторы способны не только контролировать состояние самой конструкции, но и ее окружения. Дома, способные «чувствовать» присутствующих в них людей, или дороги, определяющие нарушение скоростного режима движущегося по ним транспорта, могут послезавтра стать нашей реальностью.