Строительный сектор имеет дело с огромным количеством сырья, и различные инновационные материалы уже находят применение в современном строительстве и начинают вносить свою долю в формирование архитектуры будущего.
Но пока фактическое использования нанотехнологий в строительстве является довольно ограниченным, поскольку инновационные идеи в большинстве своём ориентированы на поверхностные эффекты, а не на формирование новых структур строительных материалов. Тем не менее достижения фундаментальных исследований в области нанотехнологий постепенно находят свой путь в строительную отрасль.
Уже получены конструкционные композиционные материалы с уникальными прочностными характеристиками, новые виды арматурных сталей, уникальные наноплёнки для покрытия светопрозрачных конструкций, самоочищающиеся и износостойкие покрытия, паропроницаемые и гибкие стёкла.
Фантастически выглядят перспективы дальнейшего развития. Например:
– основания зданий с саморегулирующей системой компенсации усадок грунтов;
– несущие конструкции зданий, осуществляющие мониторинг собственного напряжённо-деформированного состояния;
– ограждающие конструкции и кровли, аккумулирующие энергию солнца;
– покрытия, реагирующие на психофизическое состояние людей;
– фотокаталитические и другие функциональные покрытия.
Несмотря на то, что новые технологии и материалы уже внедряются в строительную отрасль, их доля ещё достаточно мала – менее 1% в общем объёме материалов строительного сектора.
Строительную отрасль отличает очень низкий уровень инвестиций в научно-исследовательские работы. Она, скорее, пытается использовать разработки и изобретения, созданные в других отраслях науки и промышленности, чем создавать их внутри себя. Поэтому основными предпосылками развития строительного материаловедения являются результаты исследований в смежных областях.
Несмотря на эти объективные трудности, перечень основных научно-исследовательских работ в областиsingapore_bite строительных наноматериалов и нанотехнологий, выполняемых в настоящее время в России и за рубежом, достаточно широк.
Исследования ведутся в области наноструктурной модификации 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.
Также в арсенале исследователей: функциональные тонкие плёнки и нанопокрытия, многократно повышающие качества материалов – оптические и тепловые свойства, долговечность, истираемость, сопротивляемость воздействиям, обеспечивающие самоочищаемость, препятствующие нанесению надписей на стенах и т. д. Стоит упомянуть и изолирующие аэрогели, эффективные фильтры/мембраны и катализаторы, самозалечивающиеся материалы, датчики, устройства и быстродействующие приборы, обеспечивающие улучшенный контроль состояния конструкций и условий окружающей среды, новые топливные ячейки, энергоэффективное освещение, специальная изоляция и застекление, самоочистка, самовосстановление и т. д.
Наука о нанотехнологиях весьма молода, хотя 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.
Сегодня самые прогрессивные достижения – это синтез новых форм углерода: фуллерен (С60) и углеродные нанотрубки. Изменения свойств за счёт применения наномодификаторов делают возможным успешное развитие улучшенной каталитической способности, регулируемой чувствительности к определённой 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 суперплас-тичность, 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.
В ближайшие годы можно ожидать развития новых нанотехнологий и нанопродуктов, относящихся к технологии бетонов:
– Катализ для синтеза и ускорения гидратации обычных цементов.
– Добавки для супертонкого помола и механохимической активации цементов.
– Вяжущие с наночастицами, наностержнями, нанотрубками (включая одностенные нанотрубки), наноамортизаторами, наносистемами или нанопружинами.
– Вяжущие с улучшенными наномоделированными внутренними связями между продуктами гидратации.
– Вяжущие, модифицированные наночастицами полимеров, их эмульсиями или полимерными наноплёнками.
– Биоматериалы (включая имитирующие структуру и свойства раковин моллюсков).
– Композиты на основе цемента, армированные новыми волокнами с нанотрубками, а также волокнами с нанооболочками (для улучшения связей, коррозионной стойкости, придания новых свойств материалу, таких как электропроводности и т. п.).
– Новое поколение суперпластификаторов для «абсолютного контроля подвижности» и резкого снижения расхода воды.
– Материалы на основе цемента с чрезвычайно высокой прочностью, тягучестью и твёрдостью.
– Вяжущие с контролируемой степенью увлажнения и контролируемым процессом образования мик-ротрещин.
– Материалы на основе цемента с модифицированной нано- и микроструктурой, демонстрирующие чрезвычайно высокую долговечность.
– Экологические вяжущие, модифицированные наночастицами и произведённые при значительном сокращении объёма портландцементной компоненты (до 10–15%) или вяжущие на основе альтернативных систем (MgO, фосфаты, геополимеры, гипс).
– Материалы, способные самовосстанавливаться, и технологии ремонта с применением нанотрубок и химических добавок.
– Материалы с контролируемой электропроводностью, свойствами деформации, безусадочные материалы и материалы с низким температурным расширением.
– Высокотехнологичные материалы, такие как материалы с сенсорикой и заданными реакциями на температурные воздействия, влажность, напряжение.
Нанотехнологии в строительстве: в вопросах и ответах
По материалам двух Международных научно-практических online-конференций (Организаторы: интернет-журнал «Нанотехнологии в строительстве», интернет-портал NanoNewsNet).
Есть информация о чудо-краске, обладающей сверхтермоизолирующими свойствами и к тому же ещё и шумопоглощением, а также разгромная критика данного строительного материала. Реально ли достижение значительных градиентов падения температуры в таких тонких слоях? Действительно ли они существуют и работают?
Действительно, такие материалы были разработаны в рамках космической программы NASA. 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 ёмкости 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. По их данным, термокраски можно использовать в строительстве для окраски фасадов, интерьеров и крыш, термоизоляции внутри и снаружи зданий, при этом сокращение расходов на отопление и кондиционирование зданий составляет около 30%.
В своё время много говорилось о самоочищающихся покрытиях для текстиля, стекла, камня и т. п. Действительно ли они оправдывают заявленные характеристики?
На текущий момент 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:
Нанесение плёнки оксида титана в процессе изготовления стекла. Достоинством данного метода является высокая прочность покрытия – срок его службы совпадает со сроком службы стекла. Кроме того, метод позволяет защищать активный слой оксида титана от возможного отравления катионами щелочных металлов путём нанесения промежуточного слоя оксида кремния. Следует отметить, что слой оксида кремния сам по себе может производить позитивный эффект. Кроме того, 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%.
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. Основными требованиями являются устойчивость покрытия к механическим и химическим воздействиям и время эффективной эксплуатации покрытия.
Следует отметить, что рассматривать описанные выше технологии как конкурирующие представляется нецелесообразным.
Сейчас широко рекламируется использование нанотехнологий в дорожном строительстве. В частности, когда в производстве используется мелкодисперсные порошки резины, можно ли отнести такие балк-технологии к нанотехнологиям?
Все без исключения продукты отнести к нанотехнологиям нельзя. Но некоторые ими всё же являются. Например, основной компонент модификатора «Унирем», разработанного при поддержке ГК «РОСНАНО» – активный порошок дискретно девулканизированной резины – получают путём переработки изношенных автопокрышек и/или отходов резинотехнических изделий методом высокотемпературного сдвигового измельчения (ВСИ) в специализированных установках – роторных диспергаторах. При этом материал полностью разрушается и превращается в высокодисперсный порошок, характеризующийся высокой химической активностью, развитой поверхностью частиц и их мелкоблочной структурой.
Выполненные коллективом учёных ИХФ РАН исследования позволили установить, что процесс сдвигового измельчения полимерных материалов, в том числе грубогетерогенных смесей (полимер-полимерные смеси, смеси термопластов с каучуками и т. д.) сопровождается смешением компонентов смеси на микро- и наноуровне. В результате образуются порошковые композиты с очень высокой однородностью. Было установлено, что в полученных квазигомогенных смесях (полиэтилен – полипропилен, сэвилен – бутадиеновый каучук и т. д.) размер неоднородностей (агрегатов дисперсной фазы) не превышает 20–35 нм1,2. Всё это выгодно сказывается на характеристиках модификатора «Унирем». В 2005–2008 гг. его использовали на асфальтобетонных заводах для модификации асфальтобетонов (тип А и ЩМА) «сухим способом» (т. е. на этапе смешения битума с минеральными компонентами асфальтобетонной смеси, минуя стадию растворения модификатора в битуме). При этом необходимости применения других модификаторов, используемых обычно при производстве ЩМА, не возникало.
Асфальтобетон резко меняет свойства при воздействии температуры. В летний период интенсивность движения транспорта выше средней за год, а температура воздуха достигает наибольшего значения. При этом за счёт поглощения тепла поверхность дорожного покрытия прогревается до 60-70оС. Поэтому свободный, неструктурированный битум начинает плавиться и покрытие размягчается.
Ставший пластичным асфальтобетон деформируется от воздействия колес автомобилей. Размеры и вид деформаций зависят от температуры, времени воздействия деформирующих нагрузок, их интенсивности и величины.
А так как асфальтобетон способен накапливать деформации, то в результате длительных временных воздействий нагрузок при соответствующих температурных условиях на покрытиях появляются продольные колеи и поперечные волны. При отрицательной температуре асфальтобетон становится упругим и даже хрупким. При быстрых переходах от положительной температуры к отрицательной в нём возникают растягивающие напряжения, и если скорость перепада превосходит скорость релаксации напряжений, то возникают поперечные трещины, число которых со временем увеличивается. Эти трещины располагаются поперёк проезжей части через 6–8 м по длине дороги.
В 2005 г. модификатор асфальтобетона «Унирем» был использован при ремонте дорожного покрытия на автомагистрали М-10 «Россия» (Москва – С.-Петербург). В течение 2006–2008 гг. проводили исследования состояния покрытия на этих участках и на расположенных рядом контрольных участках, где при укладке асфальтобетона модификатор «Унирем» не использовали.
В результате обследования в 2008 г. было установлено, что на участках, изготовленных с использованием модификатора «Унирем», после 3 лет эксплуатации трассы разрушения покрытия в виде продольных трещин, сеток трещин, просадок, проломов, выбоин, волн, сдвигов, шелушения и выкрашивания, а также образования колеи выявлено не было, в то время как на всех контрольных участках дороги, отремонтированных в 2005–2006 г. без применения модификатора «Унирем», выявлены существенные дефекты покрытия, в т. ч. наличие колеи глубиной до 8–9 см.
Стоимость единицы площади дорожного покрытия увеличивается, но не критично. Это увеличение многократно компенсируется более длительным сроком эксплуатации.
А банальное добавление резиновой крошки к битуму к не имеет никакого отношения «нано» и может привести к негативным последствиям.
На сегодняшний день проблема борьбы с разного вида вирусами и бактериями приобрела глобальный характер. Существуют ли специальные нанокраски и нанопокрытия с антибактериальным эффектом?
Наиболее часто применяют материалы с антибактериальным действием на основе фотокаталитического диоксида титана. После открытия в 1972 году фотосенсибилизирующего эффекта TiO2 в процессах электролиза воды с образованием H2 и O2 фотокатализ TiO2-наночастицами изучают с точки зрения превращения солнечной энергии в химическую. Одна из главных целей использования этого эффекта – уничтожение вредных веществ и микроорганизмов в воде и атмосфере. В этом смысле наночастицы TiO2 из-за своей химической стабильности, нетоксичности, высокой реакционной способности представляют собой практически идеальные высокоэффективные фотокатализаторы. Фотообразованные электроны и «дырки» в присутствии О2 и Н2О генерируют активные кислородсодержащие частицы – О2- и ОН-радикалы соответственно.
TiO2-фотокатализаторы обладают значительным потенциалом в окислении широкого ряда органических материалов, включая хлорированные органические соединения, в том числе диоксины, причём в процессах образуются безвредные соединения, такие как СО2 и Н2О. При поглощении солнечной энергии или УФ-излучения такие системы эффективны даже при разбавленных концентрациях токсичных реактантов в атмосфере и воде, в том числе по отношению к микроорганизмам. К настоящему времени достигнут большой прогресс при разработке строительных материалов, содержащих добавки TiO2-наночастиц, таких как краски, специальные цементы, строительные растворы, самоочищающиеся керамические плитки, материалы и конструкции, дорожные покрытия, воздухо-очищающие материалы и конструкции, антибактериальные материалы и конструкции, составы и отделочные материалы для наружных и внутренних работ и т. д.
В качестве ещё одного примера можно привести применение наночастиц серебра, обладающих уникальными бактерицидными свойствами. Наночастицы серебра имеют размеры от 10 до 30 нм. Как показали исследования, в течение 30 мин. они убивают до 150 видов бактерий и других микроорганизмов.
Специалисты НПО «Фалько» и Института электрохимии им.
А. П. Фрумкина РАН проводили работы по применению нанокомпозитов в производстве лакокрасочных материалов. Установлено, что добавление композиционных материалов с наночастицами серебра в водоэмульсионную краску повышает ее биоактивность. На поверхностях, окрашенных такой краской, быстро снижается (до полной гибели в течение не более четырех часов) концентрация бактерий кишечной палочки и легионеллы.
Что можно сказать о применении наномодификаторов в бетонных композициях, керамических и силикатных материалах?
В подавляющем большинстве керамические материалы, как безвод-ные, сформированные при высоких температурах, так и бетоны, синтезируемые в гидротермальных условиях, имеют гетерогенную структуру с дисперсностью фаз, характеризующуюся размерами от десятков до тысяч нанометров.
Поэтому при наличии фантазии и материаловедческой грамотности возможно, получив любое изделие, отнести его к нанотехнологиям.
Является ли такая технология действительно инновационной, прорывной, ключевой в своей области – вопрос открытый. Только понимание направленного синтеза материала с комплексом заданных свойств на всех этапах и уровнях синтеза – от сырья и до готового изделия и от атома до конечного продукта – действительно позволяет достичь инновационного или нанотехнологического уровня.
Если рассматривать вопросы синтеза силикатных материалов с точки зрения материаловедения, то в последнее время найден ряд решений, позволяющий управлять процессами структурообразования гетерогенных систем на уровне сотен, десятков и даже единиц нанометров.
В этом смысле действительно можно говорить о наномодификаторах, обладающих способностью управлять процессами фазообразования на наноуровне, которые при небольших добавках на определённых стадиях синтеза способствуют получению материалов с уникальным комплексом свойств.
При таком подходе разработаны материалы и соответствующие им технологии, позволяющие, например, добиться прочности бетонов на 1,5–2 порядка выше, чем при обычной технологии.
В течение ближайших 5 лет может быть достигнута прочность порядка 300 МПа. Это почти в 10 раз превышает среднюю прочность конструкционных бетонов. По долговечности можно предположить показатели по морозостойкости более 3000 циклов замораживания и оттаивания. Такие бетоны с минимальной пористостью даже в морской воде могут прослужить более 100 лет.
В прошлом году был представлен проект по производству теплоизоляции на основе вспененного стекла, о котором г-н А. ЧУБАЙС упоминал как о прорывном в области строительных материалов. Но ведь технология пеностекла известна давно. В чем нанотехнологическая составляющая проекта и вообще зачем снова «открывать» известный материал?
Действительно, пеностекло как материал известно ещё с 30-х годов двадцатого века. Новая технология принципиально отличается от известной классической прежде всего тем, что на поверхность частиц стекла наносится плёнка реагентов толщиной в десятки (примерно до 100 – 120 нм) нанометров. Эта плёнка приводит к схватыванию, отверж-дению массы порошка – аналогично цементной массе. В полученной монолитной массе плёнка между частицами стекла не только удерживает их, как в жёстком каркасе, но и при нагревании выделяет газообразные компоненты, формируя пеностекло. Таким образом, плёнка, имеющая наноразмерную величину, придаёт материалу два новых свойства – способность к схватыванию и газовыделение при повышенных температурах. Это позволило осуществить действительно качественный прорыв в технологии пеностекла – существенно улучшить экономические показатели технологии, разработать целый ряд новых продуктов и применять в качестве сырья обычный несортовой стеклобой.
Автор публикации
