Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ»

КАФЕДРА ТЕХНИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИКИ И РОБОТОТЕХНИКИ

РЕФЕРАТ

НАНОТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

по дисциплине: МИКРО И НАНОТЕХНОЛОГИИ

Е.О. Ширяева

Руководитель Д.А.Волков

Санкт-Петербург 2015

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В СТРОИТЕЛЬНОМ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ

2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЧНОГО СЫРЬЯ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ ИНДУСТРИИ

3. НАНОКРАСКИ

4. САМООЧИЩАЮЩИЕСЯ ПОКРЫТИЯ

5. НАНОГЕЛИ

6. НАНОГВОЗДИ

7. НАНОБЕТОН

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Главным и перспективным направлением в развитии строительной индустрии являются разработки и внедрение достижений нанотехнологий. Ученые-теоретики и специалисты-практики утверждают, что нанотехнологии в ближайшее время могут значительно изменить современные технологии индустрии строительных материалов.

Промышленность строительных материалов и строительство, несмотря на их определенно консервативный характер, вынуждены все чаще сталкиваться с нанотехнологиями, которые называют «индустриальной революцией XXI века». Новые закономерности, новые методы испытаний и исследований создают значительный потенциал для создания высокотехнологичных продуктов и процессов, отличающихся гарантированными показателями надежности, развивают принципы получения современных «суперматериалов» - наноматериалов [1, 2].

1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В СТРОИТЕЛЬНОМ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ

Понимание явлений в наношкале. Без четкого понимания структуры и свойств новых материалов на наноуровне, а также влияния наноструктуры на макросвойства (например, в гидратации, усадке, старении, пластичности и т.д.) невозможно создавать инновационные строительные материалы с заданными и прогнозируемыми свойствами.

Создание высокотехнологичных конструкционных материалов. Исследования ведутся в области наноструктурной модификация традиционных и новых строительных материалов: стали и других металлов, керамики и стекла, полимеров, цементов и бетонов, а также композитных материалов. Модификация материалов проводится через управление самим производственным процессом изготовления или посредством использования различных наночастиц, углеродных нанотрубок, нанопорошков и других нанодобавок.

Разработка нанопокрытий различного функционального назначения. В арсенале исследователей: функциональные тонкие пленки и нанопокрытия, многократно повышающие качества материалов -- оптические и тепловые свойства, долговечность, истираемость, сопротивляемость воздействиям, обеспечивающие самоочищаемость, препятствующие нанесению надписей на стенах и т.д.

Новые многофункциональные материалы и компоненты

Изолирующие аэрогели, эффективные фильтры/мембраны и катализаторы, самозалечивающиеся материалы.

Системы диагностики. Новые датчики, устройства и быстродействующие приборы, обеспечивающие улучшенный контроль состояния конструкций и условий окружающей среды.

Сегодня особое значение приобрели вопросы сейсмостойкости, способность выдерживать различные природные катаклизмы. Важное направление работ -- мониторинг зданий и конструкций на предмет их стойкости и долговечности.

Экология, безопасность, энергосбережение и комфорт

Направления исследований: новые топливные ячейки, энергоэффективное освещение, специальная изоляция и застекление, самоочистка, и самовосстановление [3].

2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЧНОГО СЫРЬЯ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ ИНДУСТРИИ

Наука о нанотехнологиях молода, однако, сами агрегаты и объекты, имеющие наноразмеры, существовали на Земле столько же, сколько существует на планете жизнь. Так, было доказано, что исключительные механические свойства таких биоматериалов, как кости или раковины моллюсков объясняются присутствием нанокристаллов соединений кальция. Например, нанокомпозитный по своей сути материал раковин моллюсков, называемых морскими ушками, состоит из наноразмерных частиц карбоната кальция, связанных между собой клеящим составом на основе смеси белков. Этот тип наноструктур обеспечивает чрезвычайно высокую прочность и ударную вязкость, которой отличаются раковины моллюсков благодаря взаимосвязанным наноблокам карбоната кальция, обеспечивающим блокирование трещин и рассеивание энергии. С давних времен человечество пользовалось наноматериалами при производстве стекла.

Самые прогрессивные последние достижения -- это синтез новых форм углерода: фуллерен (С60) и углеродные нанотрубки. Изменения свойств за счет применения наномодификаторов делают возможным успешное развитие улучшенной каталитической способности, регулируемой чувствительности к определенной длине волны, разработку улучшенных пигментов и красок со свойствами самоочищения и самовосстановления. Наночастицы используют для улучшения механических свойств пластиков и резин, они помогают достичь повышения прочности режущих инструментов и повышения гибкости керамических материалов.

Например, была зафиксирована гибкость нанофазовой керамики -- титановой и алюминиевой, полученной путем консолидации керамических наночастиц. Новые наноматериалы на основе металлов и оксидов кремния и германия демонстрируют суперпластичность, выдерживая растяжение от 100 до 1000% до разрыва. Наночастицы диоксида кремния (нанокремнезем) можно использовать как добавку для высокопрочного и самоуплотняющегося бетона, значительно улучшая его удобоукладываемость и прочность. Одна из первых коммерческих нанодобавок для бетона -- Гаиа (Gaia), была разработана компанией «СиТехКогносибль» (SciTechCognoscible) с целью заменить микрокремнезем. Этот продукт поступает на рынок в жидком виде, что помогает обеспечить однородное распределение наночастиц SiO2 в бетоне. Его применение при дозировке 1,3% (по массе в сухом состоянии) обеспечивает повышение прочности бетона на сжатие в возрасте от 7 до 28 суток примерно в два раза.

3. НАНОКРАСКИ

В рамках космической программы Национального управления США по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) в Научно-исследовательском центре им. Эймса разработаны электропроводящие нанокраски. Они представляют собой продукты на основе сложной смеси стеклянных (натриево-боросиликатных) или керамических огнеупорных микросфер, наполненных инертным газом или вакуумированных в процессе производства. Микросферы с толщиной стенки 1/10 их диаметра, которые выглядят, как тончайшая мука или тальк (их размер сравним с толщиной человеческого волоса -- 50-100 мкм), негорючи, имеют исключительную химическую устойчивость, прочность на сжатие около 30 МПа и температуру размягчения около 1800°С.

Фактически микросферы представляют собой высокоэффективный «мини-термос». Отсюда их основные области применения -- термоизоляция, повышение огнестойкости и коррозионной стойкости в сильноагрессивных средах. Чаще всего используют композитную керамическую краску, с помощью которой можно термоизолировать емкости и терминалы с нефтепродуктами, обеспечить тепло- и влагоизоляцию теплопроводов, трубопроводов, теплопунктов, технологического оборудования.

Покрытия применяются также для отделки фасадов и стен внутри помещений. После нанесения материала поверхность при толщине покрытия 0,3 мм имеет высокий коэффициент отражения в низкотемпературной инфракрасной области и в области видимого излучения.

Сегодня на базе микросфер многие компании производят продукцию общегражданского назначения: готовые к применению термокраски, мелкоштучные изделия для облицовки и футеровки, добавки для ряда строительных материалов.

4. САМООЧИЩАЮЩИЕСЯ ПОКРЫТИЯ

Наиболее распространённым материалом для изготовления самоочищающихся покрытий является оксид титана.

Механизм самоочищения базируется на двух явлениях:

1) Высокой фотокаталитической активности оксида титана, приводящей к окислению органических соединений и монооксида азота, адсорбированных на поверхности оксида титана;

2) Высоких гидрофильных свойствах оксида титана, наблюдающихся при его облучении. В результате вода с минеральными примесями не задерживается на поверхности стекла и удаляется (скатывается) что также приводит к наблюдаемому эффекту самоочищения.

В настоящий момент активно развиваются две технологии нанесения оксида титана:

1) Нанесение плёнки оксида титана в процессе изготовления стекла. Достоинством данного метода является высокая прочность покрытия -- срок его службы совпадает со сроком службы стекла. Метод позволяет защищать активный слой оксида титана от возможного отравления катионами щелочных металлов путём нанесения промежуточного слоя оксида кремния. Также преимуществом данного способа является возможность нанесения других слоёв, позволяющих улучшить свойства стекла, например, уменьшить теплопроводность. Себестоимость стекла при использовании этого метода увеличивается приблизительно на 30%.

2) Нанесение слоя оксида титана с помощью реагентов (жидких), содержащих диспергированные наночастицы оксида титана. Преимуществом этого метода является возможность наносить покрытие не только на поверхность стекла, но также и на другие твёрдые поверхности. В настоящее время выпускают составы, предназначенные для нанесения на фасады домов, тротуары, изделия из пластмассы и т. д. Основные требования - это устойчивость покрытия к механическим и химическим воздействиям и время эффективной эксплуатации покрытия.

Представленные технологии нацелены на разные секторы рынка -- первый метод перспективен только для производства стекла, второй -- для защиты других материалов.

5. НАНОГЕЛИ

Появление наногеля совершило настоящую революцию в строительном мире. Хотя он изобретён давно, в 1931 году Самелем Кистлером, именно он представил материал - наногель. Материал на 97% состоящий из газа и имеющий вес 75 г/ литр обладает довольно высокой твёрдостью (2 грамма геля способны выдержать груз весом до 2 кг). Наногель, или аэрогель, представляет собой наноструктуированную пенку на основе силикона. Разрабатывется как теплоизоляция, обладающая высокой светопроводностью. Например, в стеклопакете с наногелем, потери тепла ниже в десять раз, чем в стеклопакете с воздухом или наполненном газом., и дневной свет рассеивается равномерно в глубь помещения, аэрогель при этом не нагревается, что повышает энергоэффективность конструкции. Такая теплоизоляционная характеристика, стеклопакетов, наполненных наногелем, позволяет им стоять в одном ряду с такими материалами как кирпич и бетон, при этом помогая снизить потребление электроэнергии для освещения помещения, за счёт прозрачности. Однако, технология производства стеклопакетов с наногелем пока не самоокупаемая.

6. НАНОГВОЗДИ

Наногвозди внешне похожи на ультрамикроскопические кремниевые структуры, которые по форме напоминают обычные гвозди, отсюда и возникло такое название данного материала. Наногвозди могут менять свои гидрофильные и гидрофобные (отталкивающие) свойства под действием электрического тока. По мнению разработчиков, наногвозди могут быть применены для создания самоочищающихся поверхностей и поверхностей, устойчивых к загрязнению. Применение нового материала может также способствовать уменьшению сопротивления при движении различных жидкостей в трубопроводах.

7. НАНОБЕТОН

нанотехнологический строительный материаловедение сырье

Недавно появившийся на рынке новый материал нанобетон мало чем отличается от обычных бетонных смесей. В его составе есть минеральное вяжущее, заполнитель и вода. Только в качестве пластификаторов применяются наноинициаторы, представляющие собой микроскопические полые трубки в несколько атомарных слоев углеродных полимеров. Диаметр этих нанотрубок - всего несколько единиц микрон, но их прочность больше ста гигапаскалей. Их достоинством является невосприимчивость к щелочам и кислотам. Когда наноинициаторы взаимодействуют с цементом, они кристаллизуются, армируя бетон и на молекулярном уровне изменяя его структуру.

Нанобетон устойчив к высоким температурам, свои характеристики он сохраняет при температуре до 800 °С. Использование в бетоне наноинициаторов улучшает физико-механические характеристики материала, повышая прочность на 150%, а морозоустойчивость - на 50%. Нанотрубки, находящиеся в структуре облицовочных плиток из нанобетона, выделяют под воздействием кислорода атомарный кислород, имеющий бактерицидные свойства.

Так как изменение физической структуры нанобетона резко снижает потребность вяжущего составляющего в воде, это позволяет в шесть раз уменьшить вес бетонных конструкций и вероятность появления трещин. Внутреннее молекулярное армирование снижает потребность в армировании бетонной конструкции.

Наноинициаторы повышают сцепление бетона с металлом, при этом они на молекулярном уровне взаимодействуют даже со слоями, подвергшимися коррозии.

Рекомендуется использовать нанобетон при строительстве железобетонных конструкций от 74 м и при возведении объектов с повышенными требованиями к пожаробезопасности и сейсмоустойчивости. Благодаря плотной легкой однородной структуре, нанобетон не нуждается в гидроизоляции, а высокая прочность материала позволяет уменьшить объемы укладки нанобетона на 30%.

Так как готовые сооружения из нанобетона имеют меньший вес, чем конструкции из обычного бетона, для них не требуется мощный фундамент, а это позволят сократить стоимость строительства и трудозатраты.

Нанобетон со своими высокими физико-механическими характеристиками открывает новые возможности для проектирования и строительства. Этот строительный материал, изготовленный на основе прогрессивных нанотехнологий, отличающийся прочностью, легкостью, стойкостью к термическим перепадам, позволяет удешевить строительство новых объектов и облегчить реставрацию старых конструкций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Как показывает практика, существует целый ряд проблем:

1) отсутствие опыта применения конструкционных материалов с нанокомпонентами в проектных организациях;

2) слабая информированность застройщиков о наличии различных технологий с использованием нанокомпонентов для строительной отрасли;

3) недостаточная степень мотивации к применению современных конструкционных материалов со стороны государственных заказчиков;

4) низкий технологический уровень производств конструкционных материалов, существующих в России;

5) низкий уровень технологической дисциплины на стройплощадках.

Решение этих проблем напрямую влияет на скорость внедрения новых нанотехнологий в строительстве.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

[1] Гусев Б.В. Проблемы создания наноматериалов и развития на- нотехнологий в строительстве // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. М.: ЦНТ «НаноСтроительство». 2009. №2. С. 5-10. URL: http // www.nanobuild.ru (дата обращения: 15.01.2010).

[2]. Ивасышин Г.С. Научные открытия в микро и нанотрибологии. Феноменологические основы квантовой теории трения // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. М.: ЦНТ «НаноСтроительство». 2010. № 4. С. 70-86. Гос. регистр. № 0421000108. URL: http://www.nanobuild.ru (дата обращения: 22.10.2010).

[3]. Фаликман В.Р., действительный член РИА, профессор МГСУ// http://www.rusnanonet.ru

Размещено на Allbest.ru