Бетоны нового поколения

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТарГУ им.М.Х.Дулати

Бетоны нового поколения

Бапанова Ж.Ж., Мурзабаева К.С., Испанова Э.Ш.

Нанотехнология -- это область науки и техники, связанная с разработкой устройств размером порядка нанометра (одной миллиардной доли метра) т.е. устройств составляющих от нескольких десятков до нескольких тысяч атомов. Основное назначение таких устройств -- работать с отдельными атомами и молекулами (межатомные расстояния в биологических молекулах измеряются десятыми долями нанометра).

При помощи применения нанотехнологии и небольших добавок наночастиц в состав различных традиционных строительных материалов строительная наука получила возможность модернизировать их производство и улучшить полезные свойства. Таким образом, напрашивается однозначный вывод: будущее строительства - за комбинированными и сложными материалами [1].

Сегодня нанотехнологии начинают все активнее применяться в строительстве, хотя стоит признать, что они применялись и прежде. Просто тогда они еще не назывались этим новомодным термином. Приведу конкретный пример: цемент, проходя систему гидратации, имеет отчасти размеры наночастиц, и, соответственно, - приобретает их свойства.

Сегодня у науки появились новые возможности для изучения подобных явлений, поскольку исследовательская техника постоянно совершенствуется [3].

В настоящее время в прогрессивных странах мира более 20% строительных компаний активно применяют в своей работе различные материалы, созданные с использованием нанотехнологий. Ученые в этой области трудятся уже довольно долго. В результате их кропотливого труда сейчас в строительстве используют высокопрочную сталь, разнообразные нанопокрытия, высокопрочный бетон…

В соответствии с результатами испытаний, проводимых по специальным методикам, было выявлено, что срок службы зданий, построенных с применением нанотехнологий, превышает в 2-5 раз срок службы самых прочных построек конца 20 начала 21 века. Так, к примеру, современные сооружения возводимые большинством столичных и региональных строительных фирм рассчитаны на вековой срок службы. В то время как постройки городов будущего, отстроенные с использованием нанотехнологий, способны простоять до 500 лет.

Строительные компании все чаще начинают задумываться о целесообразности использования новых материалов, поскольку функциональных возможностей и особенностей классических материалов не всегда хватает для выполнения самых распространенных задач. Именно поэтому сегодня все чаще можно слышать о применении нанобетона, в основе которого лежат самые современные и уникальные технологии производства. Модифицированные добавки, которые входят в состав этого строительного материала, обладают повышенными свойствами и устойчивостью к воздействию разных негативных факторов [3].

Физико-механические свойства этого материала не вызывают никаких вопросов или нареканий. Основные достоинства нанобетона заключается в том, что он может похвастаться легким весом, высокой устойчивостью к разным воздействиям, а также позволяет значительно сократить финансовые расходы на выполнение основной части строительных работ.

Первые модификации нанобетона начали появляться в далеком 1997 году, когда специалисты из Санкт-Петербургского университета начали заниматься соответствующими разработками. Как только удалось доказать, что этот материал может похвастаться уникальными свойствами, его разработкой и внедрением уже начали заниматься специалисты из других городов, поскольку это привело бы к возникновению огромного спроса. Одновременно шли работы по разработке нанодобавок к такому бетону, которые могли бы значительно улучшить его свойства и характеристики [2].

Нанобетон, разработанный российскими учеными, при нанесении на железобетонную конструкцию имеет свойство заполнять даже ее микропоры, при этом данный стройматериал полимеризуются и восстанавливает прочность конструкции. Кроме того, новое вещество может вступать в реакцию с коррозийным слоем проржавелой арматуры и восстанавливать ее сцепление с бетоном. Другим немаловажным преимуществом российского нанобетона перед зарубежными аналогами является более низкая стоимость [3]. строительный нанопенобетон нанобетон добавка

Отходы химической промышленности и песок с водой - основные ингредиенты, которые разбавляются определенными материалами, состав которых зачастую держится производителями в секрете. Это позволяет им привлекать огромное внимание заинтересованных покупателей. Нанобетон может поставляться в различных объемах, но все же лучше заранее определиться с нужным его количеством. Несмотря на достаточно высокую стоимость этого материала, спрос на него постоянно растет. Именно поэтому у производителей нет «спокойных» дней, в которые они не занимались бы разработкой новой уникальной формулы для производства бетона.

В индивидуальном строительстве и для сооружения не несущих перегородок в помещениях различного назначения используют лёгкие нанопенобетоны. Среднеплотные нанобетоны обладают повышенной прочностью, которая делает их перспективным материалом для сооружения мостовых конструкций, покрытий дорог и аэродромов. Наноматериалы с высокими и сверхвысокими прочностными характеристиками находят своё применение при строительстве шахт лифтов, разнообразных несущих конструкций в сооружениях промышленного, гражданского и жилищного назначения [3].

При использовании нанобетонов можно выделить два основных направления, это - реконструкция разрушенных сооружений и возведение новых зданий.

При реставрационных мероприятиях добавление вновь разработанных составов к разрушенным железобетонным элементам обеспечивает заполнение всех пор и микротрещин и полимеризацию с восстановлением прочности сооружения. Нанобетон, нанесенный на разрушенную коррозией арматуру, вступает во взаимодействие с окисленным слоем, заменяет его, восстанавливая сцепление строительной смеси и металла арматуры.

Использование группы нанометодов и широкого спектра наноматериалов в различных сочетаниях дает возможность управлять свойствами строительных смесей на основе минеральных вяжущих, которые не обязательно относятся к цементам.

Общим признаком нанобетонов является обладание определенными преимуществами благодаря специальной структуре, задаваемой на наноуровне.

Чтобы получить новые свойства материала, в состав бетона добавляются наночастицы оксида кремния, поликарбоксилата, диоксида титана, углеродные нанотрубки и фуллерены. Сейчас успешно развивается производство бетона с добавками базальтового фиброволокна и углеродными нанокластерами.

Введение специальных добавок - наноинициаторов - позволяет значительно улучшить физико-механические характеристики бетона, повысив его прочность на 150%, морозоустойчивость - на 50%, снизив в три раза вероятность трещинообразования. Бетоны с нанодобавками могут выдерживать температуру до 800°С. Изготовленные из этого материала облицовочные плитки содержат в своей структуре нанотрубки, которые под воздействием кислорода выделяют атомарный кислород, обладающий бактерицидными свойствами. Вес конструкции из такого бетона в шесть раз меньше аналогичного показателя традиционного материала [4].

К нанообразованиям относят: фуллерены, многоатомные молекулы углеродных полимеров типа С60, С70 и нанотрубки - молекулы, содержащие миллионы атомов углерода.

Введение в бетонные смеси коротких углеродных нанотрубок и наночастиц фуллероидного типа - астраленов в количестве менее, чем 10-3 % приводит к росту в составе цементного камня протяженных структур длиной в сотни мкм. Наличие таких образований является ничем иным, как микродисперсным самоармированием цементного камня, что приводит к соответствующему упрочнению бетонов на основе таких нанодобавок.

Эти молекулы можно увидеть при использовании суперсовременных атомно-силовых и туннельных микроскопов.

Фуляроиды и нанотрубки производят с помощью вольтовой дуги или лазера. Нанообразованиям придают необходимую ориентацию, которая обеспечивает им свойства полупроводников, проводников, сверхпроводников, высочайшую прочность и другие полезные качества.

С помощью нанотехнологий целесообразно регулировать не только прочность бетона, которая в современном строительстве и так находится на высоком уровне, а уделять внимание другим свойствам, например, долговечности. В первую очередь, актуальным является решение проблемы длительного хранения сухих строительных смесей без снижения потребительских характеристик [4].

Нанобетон значительно отличается по своим свойствам от бетона обычного, в частности, он более легкий - почти в 1,5 раза и более прочный -- примерно в 2,5 раза.

Нанобетон изготавливается на основе стандартной смеси для бетона, в которую вносят нанодобавку из песка. Такая технология также позволяет увеличить энергосберегающие свойства бетона.

Применение нанобетона в строительстве еще только начинается - его можно использовать как обычный строительный материал, который при всех своих положительных чертах еще и имеет достаточно низкую стоимость. Также нанобетон можно использовать для восстановления конструкций, которые потеряли свою прочность со временем или в результате коррозии. Так как данный материал способен проникать в самые мелкие трещины и щели, заполнять их, а затем восстанавливать единую прочную структуру строения.

Интересным направлением использования структурирующих наноинициаторов бетонных смесей является предварительное их нанесение на твердые носители и использование сухих комбинированных добавок. В качестве микрофибры-носителя наноинициаторов используют высокомодульные базальтовые микроволокна длиной 100-500 мкм, волокна. Такой метод можно определить, как динамическое дисперсное самоармирование бетона.

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.

Введение в бетонные смеси микрокремнезия для рационального использования в количестве не менее, чем 3-10 % можно использовать бетон в следующих направлениях строительной индустрии:

· 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 сооружений.

Кремнезоль (КЗ) 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.

Кремнезоль оказывает на цемент тройное воздействие:

1. усиливает гидратацию

2. блокирует поры, то есть снижает водопроницаемость

3. увеличивает клеящую способность.

Наномодификатор "Таунит" получают 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).

Керамический наноцемент, или фосфатная керамика, - это порошкообразная смесь фосфата и оксида металла, при соединении с водой образующий пастообразный цементный раствор. Такой материал обладает высокой прочностью и огнестойкостью, устойчивым сопротивлением химическому разложению и замерзанию. В отличие от традиционного бетона, он отвердевает даже под водой. Новый бетон можно применять в строительстве мостов, плотины, разных гидростроительных сооружений. По своим свойствам фосфатная керамика превосходит привычный цемент. Применение наноматериалов, в частности даже обыкновенной сажи, в количестве всего 0,001-0,1% способствует значительному повышению эксплуатационных свойств пенобетона (снижение усадки, однородная ровная поверхность, более полное заполнение пустот) при минимальной плотности пенобетона (марки D250-300). Также обеспечивается повышение прочности и трещиностоикости пенобетона и других бетонных изделий в 1,6-2 раза при улучшении теплоизоляционных свойств в 1,2 раза. Дополнительным преимуществом разработки является уменьшение содержания собственно цемента в пенобетоне при неизменной прочности [4].

В настоящее время находят достаточно широкое применение технологии, основанные на практическом реализации "лотос-эффекта", особенно в строительной индустрии.

Другое направление практического применения нанотехнологии в строительстве - различного рода отделочные и защитные покрытия, основанные на реализации эффекта лотоса и биоцидные материалы. К таким нано открытиям относятся "Самоочищающиеся бетонные поверхности".

Одним из необычных направлений в исследованиях многофункциональных нанодобавок для бетонов 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 очищать воздух в населенном пункте [5].

Литература

1. Юдович М.Е., Понамарев А.Н. Регулирование свойств пластичности и прочностных характеристик литых бетонов // Строительные материалы, № 1/2007.

2. Батраков В.Г. модифицированные бетоны. М., 1990.

3. Гранквист Р.В. Будущее строится сегодня // Буклет ЛенСпецСМУ. СПб, 2003.

4. Понамерев А.Н. Нанобетон - концепция и проблемы. 1. Синергизм наноструктурирования цементных вяжущих и армирующей фибры // Строительные материалы, № 6/2007.

5. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии [Текст]: учеб.-монография / Ч. Пул, Ф. Оуэнс. М.: Техносфера, 2007. 376 с.

Размещено на Allbest.ru