Наноматериалы в строительстве это

Нанотехнологии активно проникают в нашу жизнь. Если десять лет назад подобные разработки считались чем-то фантастическим, то теперь они широко используются в самых различных отраслях. Так, нанокерамика Ceramic Pro применяется для создания защитного покрытия на поверхностях автомобилей, которое способно отталкивать пыль, воду и грязь. Довольно широко используются нанотехнологии в медицине, обеспечивая производство протезов и имплантатов. Передовым направлением в наше время является использование нанотехнологий в строительной сфере.

Основные перспективы применения наноматериалов в строительстве

Несмотря на то что развитие технологий в строительной сфере направлено в первую очередь на повышение функциональных характеристик здания, а не на внедрение новых строительных материалов, нанотехнологии нашли своё применение в данной отрасли. На данный момент инженеры и учёные видят следующие перспективы использования наномолекулярных материалов в строительстве:

• создание фундамента с саморегуляцией усадки грунта;
• разработка конструктивных элементов, реагирующих на повреждения или деформацию;
• применение солнечных батарей в качестве ограждающих конструкций;
• изобретение покрытий, восприимчивых к психическому и физическому состоянию людей;
• создание функциональных покрытий;
• увеличение показателей прочности и надёжности зданий.

Основные виды строительных наноматериалов

Наиболее широко используемыми материалами, созданными на основе нанотехнологий, являются:

Лекция 4.3. Что такое наноматериалы | Наноматериалы | Михаил Астахов | eNANO | Лекториум

• нанобетон;
• наносталь;
• нанопокрытия.

Нанобетон отличается высокой прочностью и огромным сроком службы, который, по утверждению специалистов, может составлять до 500 лет. Этот материал активно используется для возведения небоскрёбов, больших мостов, куполов над атомными объектами и т. д. Наносталь также широко применяется в строительстве ввиду своей особой прочности и стойкости. Что же касается нанопокрытий, то они обрели большую популярность. Такие разновидности, как ceramic pro, активно применяются в автомобильном тюнинге. Если говорить о строительной сфере, то нанопокрытия используются для защиты зданий от внешних воздействий.

Источник: mastrerkon.ru

Нижегородские строители

Нанотехнологии (НТ) должны стать мощным импульсом для развития научно-технического прогресса во всем мире. Уже сейчас ученые создают прорывные технологии, а промышленники приступают к производству материалов с недоступными до сих пор свойствами. Предприятиям стройиндустрии удалось добиться серьезных успехов в изготовлении новых строительных материалов на основе портландцемента: бетона, железобетона, пенобетона, сухих строительных смесей.

Основные понятия нанотехнологий были представлены в статье «Близкое нанобудущее» (см. журнал «Руководитель строительной организации», 2011, N 1). Напомним, что началом интенсивного развития НТ считают 1984 г., когда был открыт фуллерен — новая форма существования углерода, самая знаменитая до настоящего времени наночастица (НЧ). Открывшие ее ученые были удостоены Нобелевской премии. Возможно, в скором времени первое место по известности займет другая НЧ, точнее наноструктура, — графен, за открытие которого в 2010 г. тоже была присуждена Нобелевская премия.

Наноматериалы в строительстве

В 1991 г. был открыт еще один вид углеродных НЧ — нанотрубки, совокупность выдающихся свойств которых превзошла таковую для фуллерена. В эти же годы стал известен вид углеродных НЧ, получивших название «наноалмазы детонационного синтеза». В настоящее время основным видом НЧ, используемых для наномодифицирования изделий из портландцемента, являются их углеродные представители (кроме наноалмазов).

В индивидуальном виде и фуллерен, и нанотрубки — очень дорогие вещества, строителям они не по карману. Однако благодаря усилиям российских ученых удалось получить так называемые фуллероиды — НЧ значительно более дешевые, но почти столь же эффективные, как фуллерен. Их использование позволяет получать цементные изделия с лучшими показателями при меньшей стоимости.

При изготовлении современных наноматериалов на основе портландцемента (бетона, железобетона, пенобетона, сухих строительных смесей) введение в исходные цементные смеси очень небольшого количества наночастиц различных веществ способно заметно улучшить показатели свойств изделий. Такие НЧ получили название наномодификаторов (НМ), а их использование — наномодифицирования.

Государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» (РОСНАНО) с 2008 г. ежегодно организует международные форумы, посвященные НТ, а в их рамках — выставки конкретных достижений в этой сфере. В ноябре 2010 г. был проведен уже третий такой форум. Ниже будут описаны наиболее яркие отечественные экспонаты, разработанные для строительной отрасли.

Нанобетон с наноармированием

Первых успехов наномодифицирования бетонов добился исследователь из Санкт-Петербурга А.Н. Пономарев с сотрудниками. Им был создан водорастворимый аналог фуллерена «Астрален-С», специально предназначаемый для цементных материалов. Он представляет собой порошок с насыпной плотностью 600 — 900 кг/куб. м. Каждая его крупинка является кластером, построенным из наночастиц. Средний размер кластеров 300 нм.

Введение «Астралена-С» в цементные смеси в количестве 0,15% от массы цемента позволяет повысить их подвижность от П1 до П5, заметно увеличив прочность.

На основе «Астралена-С» был разработан «Астрофлекс-РК» — наноструктурированный неорганический ремонтный композит на водной основе. Его предназначение — быстрый ремонт взлетных полос аэродромов, железнодорожных железобетонных шпал, путей метрополитена, а также других подобных объектов.

Через два часа после использования прочность «Астрофлекса-РК» достигает 20 +/-2МПа, через 12 часов — 30 +/-5МПа, через 36 часов — 40 +/-5МПа.

Петербургские разработчики создали также «Астрофлекс ГП-1» — материал, проявляющий свойства гиперпластификатора. Производится он в виде порошка и 30%-ного водного раствора. Вводить его надо в количестве 0,15% от массы цемента. Подвижность смеси при этом повышается от П1 до П5. Увеличивается также прочность, снижается водопроницаемость изделий, изготовленных из смесей с этой добавкой. «Астрофлекс ГП-1» предназначен для использования в гидротехнических, дорожных и самоуплотняющихся бетонах, в том числе в железобетоне заводского изготовления и цементно-песчаных смесях.

Очень интересной разработкой А.Н. Пономарева является модифицированная астраленами базальтовая микрофибра (МФ), предназначенная для дисперсного армирования бетонов вместо прутковой стальной арматуры или дисперсного армирования стальной фиброй.

Введение МФ позволяет получить двойной эффект. Во-первых, МФ становится дисперсной арматурой для бетона, а дисперсное армирование эффективнее традиционного — прутковой арматуры. Во-вторых, с помощью МФ легче равномерно распределять в бетонной смеси НЧ астраленов.

С использованием такой микрофибры уже уложены сотни кубометров бетонных смесей различного назначения, в частности при строительстве моста через Волгу в г. Кимры Тверской области. Бетон там использован легкий (плотность 1,6 т/куб. м, но прочность его была высокой: на сжатие до 60, на растяжение до 6 МПа). Морозостойкость также высокая (F300). Великолепны и водопроницаемость (W16 — 20), и водопоглощение (менее 1%).

Возможной областью строительства, где применение модифицированной базальтовой МФ и водорастворимых астраленов окажется эффективным и масштабно востребованным, станет производство наноструктурированных пено- и газобетонов. Эксперименты с такими материалами показали, что при изготовлении из них блоков стандартного размера будут достигнуты следующие результаты:

• заметное увеличение выхода годных блоков вследствие повышения трещиностойкости и прочности на сжатие;
• сокращение производственного цикла;
• снижение плотности на 8 — 10% при одновременном повышении технико-экономических показателей.

Заметных успехов в наномодифицировании бетонов добилась и другая группа исследователей из Санкт-Петербурга под руководством профессора Ю.В. Пухаренко. Ею разработан эффективный наномодификатор, позволяющий при расходе 1,4 кг на 1 куб. м бетонной смеси увеличить подвижность последней на 20 — 25%, повысить морозостойкость и водонепроницаемость бетонов до полутора раз и снизить стоимость бетона на 200 руб. за 1 куб. м.

Модификатор «Таунит»

Еще одним экспонатом выставки был наномодификатор «Таунит» (Тамбовский университет), разработанный и запущенный в промышленное производство совместными усилиями сотрудников Тамбовского государственного технического университета, ООО «Тамбовский инновационно-технологический центр машиностроения», ОАО «Тамбовский завод «Комсомолец» им. Н.С. Артемова». Производителем «Таунита» в настоящее время является ООО «НаноТехЦентр», г. Тамбов.

Получают «Таунит» 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).

Ныне всем известно о негативном влиянии на человека электромагнитных излучений. Введение «Таунита» в материалы, предназначаемые для поглощения этих излучений, позволяет усилить экранирующую способность.

«Таунит» понравился даже японцам, которые являются лидерами в нанотехнологической гонке. Одна из японских фирм закупила у тамбовчан реактор синтеза «Таунита». Еще один такой реактор закупила Украина, а в России второй реактор смонтирован в г. Владимире.

Простое повышение прочности

Необычные НЧ создали инженеры из Научно-образовательного центра химической физики и мезоскопии Удмуртского научного центра Уральского отделения РАН, Ижевского государственного технического университета и ОАО «Завод «Купол». Эти частицы представляют собой металлы (железо, кобальт, медь, никель), включенные в оболочку углерода. Такие НЧ оказались особенно эффективными для нанобетонов: повышают в два раза их прочность и трещиностойкость, снижают усадку. А вводить их надо в количестве 0,001 — 0,01% по отношению к цементу.

НПО «Стеклопластик» из Московской области разработало бетон, получаемый из портландцемента, традиционных заполнителей и наномодификатора (его суть — ноу-хау), добавляемого в количестве 0,01 — 0,02% к массе цемента, и воды, но не обычной, а структурированной ультразвуковой обработкой.

Такой бетон уже в семисуточном возрасте приобретает прочность 47 — 50 МПа. Окончательная его прочность — около 100 МПа против 50 — 60 МПа для бетона того же состава, но приготовленного без наномодификатора и на обычной воде.

В Военно-инженерном институте (г. Санкт-Петербург) с использованием там же изобретенных наномодификаторов удалось создать ремонтный бетонный состав, набирающий необходимую прочность уже через 8 — 10 часов.

Примечание. Быстрый набор прочности цементными смесями особенно важен при необходимости аварийно-восстановительных работ на местах, взлетно-посадочных полосах аэродромов, развязках на автомобильных дорогах. Чем быстрее здесь будут проведены работы и чем раньше на восстановленные покрытия можно будет дать эксплуатационную нагрузку, тем меньшими будут экономические потери, величина которых не сопоставима со стоимостью затрачиваемых материалов.

Серьезной проблемой для России в настоящее время является разрушение мраморных скульптур, изваяний под воздействием кислотных дождей, отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Особенно остро эта проблема стоит для Санкт-Петербурга, где мраморных скульптур великое множество. Видимо, поэтому наиболее совершенный на сегодня способ защиты мраморных изделий от разрушения под воздействием атмосферных факторов разработали петербургские ученые. Он заключается в том, что на предварительно очищенную от загрязнений поверхность наносят суспензию фуллероидов в воде, а затем — кремнийорганический гидрофобизатор. Подложка из фуллероидов ингибирует разрушение гидрофобизирующей пленки, происходящее под воздействием солнца, и срок ее службы возрастает в несколько раз.

Теплоизоляционные бетоны

В рамках Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова создан НИИ «Наносистемы в строительном металловедении», который уже выдал «на-гора» немало новинок в сфере наноматериалов строительного предназначения.
Одной из наиболее интересных среди них является 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.

Разнообразные свойства микрокремнезема

Наряду с углеродными НЧ в последние годы при производстве материалов на основе портландцемента во всевозрастающих объемах стали использовать НЧ диоксида кремния. Эти НЧ несколько менее активны, чем углеродные, зато они несравненно дешевле. Более того, одна из разновидностей данных НЧ — микрокремнезем (МК) — образуется как побочный продукт при производстве элементного (металлического) кремния и ферросилиция. Хотя в основном этот продукт состоит из частиц, размеры которых лежат в коллоидном диапазоне, в нем немало и частиц наноразмерного диапазона.
За рубежом МК используют уже около 30 лет, прежде всего при сооружении высотных зданий. В России с недавнего времени после обстоятельных исследований, проведенных в Научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона (г. Москва), МК также начали применять в заметных объемах. Его рекомендовано использовать по следующим наиболее рациональным направлениям:

• 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.

Отметим, что использование этого наноматериала позволяет получить бетон с расходом цемента 200 — 450 кг/куб. м и следующими характеристиками: марочная прочность М300 — М1000, водонепроницаемость W12 — W16, морозостойкость F200 — F600 и даже F1000, коррозионная стойкость не ниже чем у сульфатостойкого цемента.
При использовании МК появляется возможность экономить до 25% цемента в бетонах без потери их технологических свойств.

Средство против трещин

Еще более эффективным, чем МК, наномодификатором бетонов на основе портландцемента является кремнезоль (КЗ). Он 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.

Установлено, что КЗ оказывает на цемент тройное воздействие — усиливает гидратацию, блокирует поры, то есть снижает водопроницаемость, увеличивает клеящую способность.

Исследования по ГОСТ 5802-86 показали, что водопоглощение при возрастании в бетоне количества КЗ от 0 до 0,45% снижается с 23 до 2,5%. При этом, как установлено с помощью прибора «ВидеоТест», уменьшается размер пор.
Физико-химическими методами исследования определено, что в присутствии КЗ повышается глубина гидратации цемента, а с помощью дифференциально-термического анализа установлено, что в присутствии указанной добавки количество химически связанной воды увеличивается на 26%. Этот вывод подтверждают данные калориметрических исследований, показавшие, что общее количество теплоты, выделяющееся за 72 часа, с КЗ на 17% выше.
Исследование трещиностойкости производилось по косвенной оценке — отношению прочности при изгибе к прочности при сжатии. Установлено, что для всех видов цемента в присутствии 0,3% КЗ происходит повышение прочности и при сжатии, и при изгибе.

В Санкт-Петербурге КЗ, производимый ООО «НПП Голдтар» под названием «Укрепляющая пропитка «Голдтар», уже давно используют для укрепления поверхностного слоя пористых каменных материалов (бетона, кирпича, штукатурки, шифера). Установлено, что одновременно повышается стойкость поверхности изделий к кислотам, абразивному износу, газовой коррозии. Используют КЗ и для устройства бетонных промышленных полов, взлетных полос аэродромов, причалов, тоннелей.
Предварительное пропитывание кремнезолем поверхности старого бетона перед нанесением свежего способствует повышению адгезионной прочности, а обработка им поверхности свежего бетона предотвращает образование микротрещин в процессе твердения. Обработка же зрелого бетона позволяет устранить уже образовавшиеся трещины.

Самоочищающиеся бетонные поверхности

К сожалению, наша страна, несмотря на вышеописанные примеры достижений в области нанобетонов, несколько отстала в этой сфере от зарубежья. Так, в Европе 1 декабря 2007 г. был дан старт амбициозному исследовательскому проекту «UNACON» стоимостью 1,1 млрд евро, целью которого является разработка многофункциональных нанодобавок для бетонов.

С этой целью сформирован синдикат научных и производственных предприятий. Координацию работ осуществляет «SF-Kooperation» из города Бремена. Партнерами синдиката являются два НИИ из Германии, университет из Австрии. Производственные предприятия представлены Европейским союзом малых и средних предприятий.
Одним из необычных направлений в исследованиях этого синдиката 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 оздоравливать воздух в населенном пункте.
На ряде европейских заводов производство бетонных изделий с фотокатализатором уже начато. Отметим, что в России с использованием таких фотокатализаторов налажено производство бытовых очистителей и обеззараживателей воздуха.

Источник: nizstroy.ru

Нанотехнологии в строительстве

История и основные этапы процесса развития наноотрасли, ее современное состояние и достижения, оценка дальнейших тенденций и перспектив. Практическое использование нанотехнологий в строительном материаловедении, принципы реализации самомониторинга.

Рубрика	Строительство и архитектура
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	02.10.2014
Размер файла	19,6 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Анализ современных тенденций внедрения новых строительных технологий и материалов в экономически развитых странах мира позволяет утверждать, что основой динамичного внедрения в практику на ближайшие 10-20 лет станут материалы и технологии, полученные на основе достижений и разработок в области нанотехнологий. Нанотехнологии — предвестники новой научно-технической революции. Они обещают кардинально изменить к лучшему жизнь человечества и уже сейчас позволяет коренным образом совершенствовать процессы во многих отраслях экономики

Приставка «нано» показывает, что исходная величина должна быть уменьшена в миллиард раз, т.е. поделена на единицу с девятью нулями — 1 000 000 000. Чтобы представить себе, насколько мал 1 нм, выполним следующий мысленный эксперимент. Если мы уменьшим диаметр нашей планеты (12 750 км = 12,75 Ч 10 6 м ? 10 7 м) в 100 миллионов (10 8 ) раз, то получим примерно 10- 1 м. Это размер, приблизительно равный диаметру футбольного мяча (стандартный диаметр футбольного мяча — 22 см, но в наших масштабах такая разница несущественна; для нас 2,2 Ч 10- 1 м ? 10- 1 м). Теперь уменьшим диаметр футбольного мяча в те же 100 миллионов (10 8 ) раз, и вот только теперь получим размер наночастицы, равный 1 нм.

1. История развития наноотрасли

Примечательно, что приставка «нано» использовалась в научной литературе довольно давно, но для обозначения далеко не нанообъектов. В частности для объектов, размер которых в миллиарды раз превышает 1 нм — в терминологии динозавров. Нанотиранозаврами (nanotyrranus) и нанозаврами (nanosaurus) называются карликовые динозавры, размеры которых составляют соответственно 5 и 1,3 м.

Очень часто считается, что начало нанотехнологической эре положил в 1959 г. Ричард Фейнман в лекции «There’s Plenty of Room at the Bottom» («Там внизу — много места»). Фейнман говорил, что с помощью определенных устройств можно сделать еще меньшие по размеру устройства, которые в свою очередь способны сделать еще меньшие устройства, и так далее вплоть до атомного уровня, т.е. при наличии соответствующих технологий можно манипулировать отдельными атомами.

Справедливости ради, однако, следует отметить, что Фейнман не первый это придумал. В частности, идея создания последовательно уменьшающихся в размере манипуляторов была высказана еще в 1931 г. писателем Борисом Житковым в его фантастическом рассказе «Микроруки». Не можем удержаться и не привести небольшие цитаты из этого рассказа, чтобы дать читателю самому по достоинству оценить прозрение писателя:

«Я долго ломал голову и вот к чему пришел: я сделаю маленькие руки, точную копию моих — пусть они будут хоть в двадцать, тридцать раз меньше, но на них будут гибкие пальцы, как мои, они будут сжиматься в кулак, разгибаться, становиться в те же положения, что и мои живые руки. И я их сделал…

Но мне вдруг ударила в голову мысль: а ведь я могу сделать микроруки к моим маленьким рукам. Я могу для них сделать такие же перчатки, как я сделал для своих живых рук, такой же системой соединить их с ручками в десять раз меньше моих микрорук, и тогда… у меня будут настоящие микроруки, уже в двести раз они будут мельчить мои движения. Этими руками я ворвусь в такую мелкоту жизни, которую только видели, но где еще никто не распоряжался своими руками. И я взялся за работу…

Я хотел сделать истинные микроруки, такие, которыми я мог бы хватать частицы вещества, из которых создана материя, те невообразимо мелкие частицы, которые видны только в ультрамикроскоп. Я хотел пробраться в ту область, где ум человеческий теряет всякое представление о размерах — кажется, что уж нет никаких размеров, до того всё невообразимо мелко».

Но дело не только в литературных предсказаниях. То, что теперь называют нанообъектами, нанотехнологиями, если угодно, человек давно использовал в своей жизни. Один из наиболее ярких примеров — это разноцветные стекла.

Не случайно одной из начальных вех появления нанотехнологий считается изобретение М. Кноллем и Э. Руска в 1931 г. электронного микроскопа. Только после этого человечество смогло «видеть» объекты субмикронных и нанометровых размеров.

Следующий шаг был сделан в 1981 г. — Г. Бинниг и Г. Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп, что дало возможность не только получать изображения отдельных атомов, но и манипулировать ими. То есть была создана технология, о которой говорил в своей лекции Р. Фейнман. Вот именно тогда и наступила эра нанотехнологий.

Одним из важнейших событий в истории нанотехнологии 4 и развития идеологии наночастиц явилось также открытие в середине 80-х — начале 90-х годов ХХ века наноструктур углерода — фуллеренов и углеродных нанотрубок, а также открытие уже в XXI веке способа получения графена.

Но вернемся к определениям.

В 2003 г. правительство Великобритании обратилось в Royal Society 6 и Royal Academy of Engineering 7 с просьбой высказать свое мнение о необходимости развития нанотехнологий, оценить преимущества и проблемы, которые может вызвать их развитие. Такой доклад под названием «Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties» появился в июле 2004 г., и в нем, насколько нам известно, впервые были даны отдельно определения нанонауки и нанотехнологий:

Нанонаука — это исследование явлений и объектов на атомарном, молекулярном и макромолекулярном уровнях, характеристики которых существенно отличаются от свойств их макроаналогов.

Нанотехнологии — это конструирование, характеристика, производство и применение структур, приборов и систем, свойства которых определяются их формой и размером на нанометровом уровне

Позднее были даны определения нанообъекта и наноматериала:

Нанообъектами (наночастицами) называются объекты (частицы) с характерным размером в 1-100 нанометров хотя бы по одному измерению.

Наноматериалами называются материалы, структурными единицами которых являются нанообъекты (наночастицы).

2. Практическое использование нанотехнологий в строительном материаловедении

Нанонаука (НН) и нанотехнология (НТ) в настоящее время — наиболее бурно развивающиеся сферы человеческой деятельности. На основании теоретических предпосылок НН сейчас в мире инструментами НТ производят цемент, керамику, металлические сплавы, пластмассы, лакокрасочные и многие другие материалы с уникальными свойствами

Среди нанотехнологий и наноматериалов, пригодных для использования в строительстве и ЖКХ, можно отметить следующие.

Наноструктурированные металлы с повышенной прочностью и твердостью. Объем производства и продаж поворотных резцов с наноструктурированными твердосплавными наконечниками для фрезерования асфальтобетонов (разработчик ИЦ РИА «Передовые технологии») за последние годы достиг 90 млн. руб. только по России и СНГ.

Применение взамен обычных ламп накаливания желтых и синих светодиодов, имеющих время наработки на отказ десятки тысяч часов, уменьшает энергопотребление в 5-7 раз. При переходе на такие источники освещения за год экономится столько энергии, сколько необходимо для того, чтобы не строить новые электростанции в течение 30 лет.

Покрытия из наноструктурированных материалов, обладающие способностью к самоочищению под действием солнечного излучения, что открывает перспективы производства самоочищающихся строительных материалов.

Высокопрочные высокопроводные Cu-Nb провода с уникальным сочетанием свойств: прочностью от 800-900 МПа при электропроводности 80-85% IACS до 1100-1500 МПа при 55-75% IACS (IACS — Международный стандарт отожженной меди, где 100% IACS=1,7241 мкОм-см).

Нанокомпозиты твердых веществ с повышенной способностью аккумулирования водорода и высокой проводимостью ионов, что важно для миниатюризации батарей, источников электропитания и развития водородной энергетики.

Фильтры из нановолокон и нанотрубок, с высокой эффективностью очищающие воду от бактериофагов (вирусов). Жидкости, содержащие наночастицы металлов и обладающие намного большей теплопроводностью, что позволяет их использовать в качестве теплоносителей в системах охлаждения

Использование в технологии приготовления строительных материалов на основе портландцемента различных добавок на основе нанокомпозитов, активно влияющих на формирование структуры и свойств цементной матрицы в процессе гидратации и твердения цемента.

Яковлев Григорий Иванович — доктор технических наук, профессор разработал способы модификации пенобетона. Добавив в обычный пенобетон всего одну тысячную процента наноматериала, он получил материал нового поколения, который обладает значительно большей прочностью и долговечностью, хотя внешне ничем не отличается от пенобетона, полученного обычным способом.

Результаты исследований микроструктуры пенобетона показывают, что введение углеродных нанотрубок стабилизирует его структуру и устраняет перфорацию стенок пор. Стабилизация структуры пенобетона происходит за счет армирующего эффекта при добавлении фибриллярных структур и упрочнения вследствие формирования надмолекулярных структур в цементных стенках пор.

Распределяясь в объеме цементного пенобетона, нанотрубки играют роль центров направленной кристаллизации, что приводит, с одной стороны, к появлению фибриллярной структуры в стенках пор, обеспечивая ее непрерывность и сплошность, а с другой — к появлению упрочняющей структурно-ориентированной надмолекулярной оболочки вокруг нанотрубки. При этом достигается повышение прочности пенобетона и снижение теплопроводности изделий из пенобетона. Таким образом, использование наноматериалов ведет к эффективному решению многих проблем. В данном случае не только повышает качество строительных материалов, но и дает экономическую независимость от производителей цемента, диктующих цены.

3. Перспективы развития нанотехнологий в строительном материаловедении

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 трудодней 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.

наноотехнология материаловедение строительный самомониторинг

Подводя итог, можно сказать, что новейшие строительные технологии и материалы могут предложить существенные преимущества в строительной промышленности для многочисленных проектов. Причем речь идет не только об укреплении материалов и повышении уровня их качества, но и, например, самоочищающихся окнах, которые будут весьма кстати для высотных зданий и небоскребов. Сейчас основная ставка делается на прочные строительные материалы, которые будут безопасны для здоровья человека и окружающей среды.

Как говорят многие известные ученые, применение нанотехнологий позволит совершить целую революцию в промышленном и гражданском строительстве. С их помощью можно не только значительно улучшить качество и свойства различных материалов, но и создавать совершенно новые, невиданные ранее по своим характеристикам и способам применения вещества.

Начиная от усиления арматуры, стали и бетона и заканчивая антисептическими свойствами. Уже в скором будущем мы сможем делать строительные материалы, которые не будут подвластны огню и воде, то есть с повышенным коэффициентом защиты от внешних воздействий. И это далеко не все. С помощью нанотехнологий можно значительно увеличить эффективность солнечных батарей, создать стекло, неподвластное воздействию пыли и грязи, краску, которая будет самостоятельно восстанавливать свое покрытие при повреждении, препятствовать коррозии. И даже стены, которые будут сами восстанавливать трещины — все это возможно.

Многолетняя работа ученных в области нанотехнологии в строительстве уже принесла плоды. Были созданы наноматериалы которые намного улучшили качество строительных работ: высокопрочный бетон, высокопрочная сталь, конструкционные композиты, нанопокрытия, инновационная пленка, нанокомпозитные трубы, стеклопластиковая композитная арматура. И это еще не весь список.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Нанотехнологии как мощный импульс для развития научно-технического прогресса в мире. Анализ эффекта «термоса». Знакомство с особенностями развития наноматериалов в строительстве. Рассмотрение наиболее известных мировых нанотехнологических разработок.

сочинение [14,3 K], добавлен 16.03.2015

Анализ развития строительной отрасли в России и в республике Хакасия. Сравнительная характеристика, история и этапы развития, анализ и оценка современных тенденций и перспектив данной сферы деятельности в Российской Федерации и строительства за рубежом.

контрольная работа [98,5 K], добавлен 19.10.2012

Понятие и история развития строительных смесей, их классификация, оценка преимуществ и недостатков их сухой формы. Исследование качественных показателей различных образцов. Положение на современном российском рынке и анализ его дальнейших перспектив.

презентация [926,2 K], добавлен 22.06.2014

Понятие кондиционирования воздуха, основные этапы развития и современные достижения в данной области. Применяемое оборудование для кондиционирования воздуха, его использования. Использование концепции механико-химического охлаждения с помощью хладагентов.

реферат [20,6 K], добавлен 25.02.2011

Проектирование ресурсосберегающего технологического варианта строительства коттеджа. Достижения науки и техники в строительном производстве. Технико-экономическое обоснование возведения коробки здания и устройства крыши. Определение расхода материалов.

курсовая работа [99,5 K], добавлен 10.10.2013

История строительных алюминиевых сплавов, их физико-механические свойства, сортаменты, средства соединения. Основные принципы проектирования алюминиевых конструкций в строительстве. Особенности сварочных, заклепочных, болтовых и клеевых соединений.

курсовая работа [1,8 M], добавлен 13.12.2011

Методика и этапы вынесения на местность точки методом прямоугольных координат, ее сущность и особенности, практическое применение в строительном деле. Составление картограммы земляных работ по данным схемы нивелирования, перенесение ее на миллиметровку.

Источник: otherreferats.allbest.ru

Нанотехнологии в области производства строительных материалов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Моисеева В.И., Пирогова Я.В., Тюменцев М.Е., Паньков П.А.

Сегодня нанотехнологии одна из самых активно развивающихся сфер науки и полезного применения, постепенно сформировавших ее в последние два десятилетия. Последние исследования в области наноматериалов и нанотехнологий выявили потенциал использования этих материалов в различных областях, таких как медицина, строительство , автомобильная промышленность, энергетика, телекоммуникация и информатика.

Это связано с особыми характеристиками материалов возникающими на наноуровне. Было продемонстрировано, что нанотехнологически созданные продукты обладают уникальными характеристиками и могут решить многие проблемы в полевых условиях. Изменение свойств строительных материалов является одной из основных областей применения этих исследований, которая позволит улучшить характеристики строительных материалов , таких как бетон, сталь, стекло и изоляционные материалы и т.д. Многие текущие проблемы строительства могут быть решены с помощью нанотехнологий . Использование наноматериалов в составе некоторых композитных материалов, таких как цемент, приводит к значительному снижению загрязнения CO2, а использование в составе теплоизоляционных материалов приводит к энергосбережению. Таким образом, применение нанотехнологий в промышленности, строительстве , строительных материалах занимает важное место.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Моисеева В.И., Пирогова Я.В., Тюменцев М.Е., Паньков П.А.

Гомогенизация наномодифицированных цементных систем и подбор параметров их обработки в установках с вихревым слоем

Текст научной работы на тему «Нанотехнологии в области производства строительных материалов»

Нанотехнологии в области производства строительных материалов

Моисеева Валерия Ивановна

Пирогова Яна Викторовна

Тюменцев Максим Евгеньевич

Паньков Павел Андреевич

Сегодня нанотехнологии — одна из самых активно развивающихся сфер науки и полезного применения, постепенно сформировавших ее в последние два десятилетия. Последние исследования в области наноматериалов и нанотехнологий выявили потенциал использования этих материалов в различных областях, таких как медицина, строительство, автомобильная промышленность, энергетика, телекоммуникация и информатика.

Это связано с особыми характеристиками материалов возникающими на наноуровне. Было продемонстрировано, что нанотехнологически созданные продукты обладают уникальными характеристиками и могут решить многие проблемы в полевых условиях.

Изменение свойств строительных материалов является одной из основных областей применения этих исследований, которая позволит улучшить характеристики строительных материалов, таких как бетон, сталь, стекло и изоляционные материалы и т.д. Многие текущие проблемы строительства могут быть решены с помощью нанотехнологий. Использование наноматериалов в составе некоторых композитных материалов, таких как цемент, приводит к значительному снижению загрязнения С02, а использование в составе теплоизоляционных материалов приводит к энергосбережению. Таким образом, применение нанотехнологий в промышленности, строительстве, строительных материалах занимает важное место.

Ключевые слова: Нанотехнологии, Наноматериалы, Строительство, Строительные Материалы.

Нанотехнология связана с объектами размером от 1 до 100 нм. 1 Нанометр = 1х10-9м. Нанотехнология требует передовых методов визуализации для изучения и улучшения поведения материала, а также для разработки и производства очень мелких порошков, жидкостей или твердых веществ из материалов с размером частиц от 1 до 100 нм, известных как наночастицы.

Свойства наноматериалов могут очень отличаться от свойств тех же материалов в микро- (10-6 м) или макро- масштабах (10-6. 10-3 м). Нанонаука представляет собой изучение явлений и использование материалов на наноуровне и является продолжением общих наук на наноуровне.

Нанотехнологии — это создание материалов путем регулирования материей на уровне атомов, молекул и надмолекулярных (наноразмерных) структур. Другими словами, это использование очень мелких частиц материалов для создания новых крупномасштабных материалов. Нанотехнологии-это проектирование функциональных систем на молекулярном уровне.

Нанотехнология — это использование очень мелких частиц материала, либо использование их объединений для создания новых крупномасштабных материалов. Нанотехнологии не являются новой наукой и технологией. Это скорее продолжение науки и технологии.

Технология позволяет нам разрабатывать материалы с улучшенными свойствами или может быть использована для производства совершенно нового материала. Нанотехнология-имеет дело с частицами на наноуровне, т. е. 10-9 м. На «наноуровне» мир отличается от «макроуровня», например, гравитация становится неважной, электростатические силы берут верх и возникают квантовые эффекты.

По мере того, как частицы становятся наноразмерными, доля атомов на поверхности увеличивается относительно тех, что находятся внутри, что приводит к «наноэффектам», которые в конечном итоге определяют все свойства, с которыми мы знакомы в нашем «макромасштабе», и именно здесь вступает в силу нанотехнология. Ниже приведены основные области применения нанотехнологий в области (1) наномеди-цины, (2) окружающей среды, (3) энергетики, (4) наноэле-ментах, (5) информации и связи, (6) тяжелой промышленности и т.д. В последние годы нанотехнологии также набирают популярность в сфере строительства. В статье рассматривается современное состояние применения нанотехнологий в строительных материалах. Целью статьи является информирование о потребностях, связанных с нанотехнологиями, поддержка и доведение этих вопросов нанотехнологической науки до заинтересованных сторон и общественности.

Материал и методология

Нанотехнологии во всем мире считаются передовыми технологиями для инноваций и технологического прогресса практически во всех отраслях экономики. Нанотехнологии относятся к целевому ориентированному техническому использованию объектов и структур размером в диапазоне от 1 до 100 нм. Применение нанотехнологий в строительстве весьма разнообразно.

Некоторые аспекты применения подробно описаны ниже. Нанотехнологии-это инженерная конвергенция биологии, химии и информатики на наноуровне, то есть с использованием материалов, измеряемых в миллиардных долях метра. Продукты этих сочетаний называются наноматериалами, состоящими из на-ночастиц (имеющих один или несколько размеров от 1 до 100 нанометров) и группирующих эти частицы в структуры, которые могут быть крупнее наноразмерных. Наноразмер-ные материалы растворяются по-разному, приобретают различные магнитные свойства, по-разному реагируют на химические вещества или отражают свет иначе, чем при нормальном размере.

Использование наноматериалов в строительной отрасли ограничено по следующим причинам: 1) отсутствие знаний о подходящих наноматериалах для строительства и их поведении; 2) отсутствие конкретных стандартов проектирования и исполнения элементов конструкции с использованием наноматериалов; 3) снижение предложения нанопродуктов; 4) отсутствие подробной информации о содержании нанопродуктов; 5) высокие затраты; 6) неизвестные риски для здоровья, связанные с наноматериалами.

Наноматериалы для строительства зданий

Нанотехнологии могут генерировать продукты со многими уникальными характеристиками, позволяющие улучшить текущие строительные материалы: более легкие и прочные конструкционные композиты, низкие эксплуатационные расходы покрытий, лучшие цементные материалы, более низкая скорость теплопередачи огнезащитных и изоляционных, лучшее звукопоглощение акустических поглотителей и лучшую отражательную способность стекла. Поскольку размер частиц является критическим фактором, свойства материала существенно отличаются на наноуровне от свойств материала в больших масштабах.

Ниже граничного предела физические явления начинают происходить по-другому: гравитация становится неважной, начинают преобладать электростатические силы и квантовые эффекты. При этом доля атомов на поверхности увеличивается относительно тех, что находятся внутри, создавая так называемый «наноэффект». Все эти наносвойства фактически влияют на поведение материалов в макромасштабе, и с этого момента подчеркивается значимость нанотехнологий: если элементы правильно использовать на наноуровне, макро-свойства затрагиваются, и новые материалы и процессы могут быть разработаны. В статье приведены некоторые важные наноматериалы, которые могут быть использованы в строительстве.

Нанотехнологии для бетона

Бетон-это макроматериал, на который сильно влияют его наносвойства. Добавление нанокремнезема (ЭЮ2) к цементным материалам может контролировать деградацию реакции кальций-силикатгидрат, вызванной выщелачиванием кальция в воде, блокируя проникновение воды и приводя к повышению долговечности. Добавление небольших количеств (1%) углеродных нано-трубок позволяет улучшить механические свойства смеси образцов портландцемента и воды. Окисленные

многостенные нанотрубки показывают лучшие улучшения как в прочности на сжатие, так и в прочности на изгиб по сравнению с эталонными образцами. Добавление наноразмерных материалов в цемент может улучшить его производительность. Использование папо-ЭЮ2 может значительно повысить сжимаемость бетона, содержащего золу-унос большого объема, в раннем возрасте и улучшить распределение пор по размерам путем заполнения пор между крупными частицами золы-уноса и цемента на наноуровне. Дисперсия аморфного нанокремнезема используется для повышения сопротивления сегрегации самоуплотняющегося бетона. Также сообщалось, что добавление небольшого количества углеродной трубки (1%) по весу может увеличить как прочность на сжатие, так и на изгиб.

Нанотехнологии для стали

Сталь является основным строительным материалом. Свойства стали такие как прочность, коррозионная устойчивость, и способность сварки, очень важны для проектирования конструкций. Это позволило разработать новую, низкоуглеродистую, сталь высокой эффективности (НЛВД).

Новая сталь была разработана с более высокой коррозионной стойкостью и способностью к сварке путем включения наночастиц меди с границ зерен стали. Добавление наночастиц меди уменьшает неравномерность поверхности стали, что затем ограничивает количество стояков напряжения и, следовательно, усталостное растрескивание, приводящее к повышению безопасности, уменьшению необходимости в мониторинге и более эффективному использованию материалов в строительстве, подверженных усталостным проблемам. Наночастицы ванадия и молибдена улучшают проблемы замедленного разрушения, связанные с высокопрочными болтами, уменьшая эффекты водородного охрупчивания и улучшая микроструктуру стали. Добавление наночастиц магния и кальция приводит к увеличению ударной вязкости сварного шва.

Нанотехнологии для древесины

Древесина состоит из нанотрубок или «нановолокон». Лигноцеллюлозные поверхности на наноуровне могут открыть новые возможности для таких вещей, как самостерилизующиеся поверхности, внутренний саморемонт, высокоэффективные водоотталкивающие покрытия, включающие наночастицы кремния и алюминия и гидрофобные полимеры, пригодные для использования в древесине.

Нанотехнологии для стекла

Применение наночастиц ТЮ2 к стеклам приводит к так называемой технологии самоочищения. Благодаря фотокаталитическим реакциям наночастиц происходит разложение органических загрязнителей, летучих органических соединений и бактериальных мембран. Кроме того, ТЮ2 является гидрофильным, его притяжение к воде образует капли, которые затем смывают частицы грязи, разложившиеся в предыдущем процессе. Огнезащитное стекло получают с использованием наночастиц дымчатого кремнезема (ЭЮ2) в виде прозрачной прослойки, зажатой между двумя стеклянными панелями, которая при нагревании превращается в жесткий и непрозрачный огнезащитный экран.

Нанотехнологии для покрытий

Нанотехнология применяется к краскам для обеспечения защиты от коррозии во время изоляции, поскольку она гидрофобна и отталкивает воду от металлических труб, а также защищает металл от воздействия соленой воды. Если рассматривать покрытия, которые имеют

возможности самовосстановления через процесс «самосборки». В дополнение к самоочищающимся покрытиям, упомянутым выше для остекления, замечательные свойства наночастиц ТЮ2 используются в качестве материала покрытия на дорогах в испытаниях по всему миру (использовано для того чтобы покрыть застеклять из-за своих стерилизуя и анти-пакостя свойств. ТЮ2 сломает вниз и дезинтегрирует органическую грязь через мощную каталитическую реакцию. Кроме того, он является гидрофильным, что позволяет воде равномерно распределяться по поверхности и смывать грязь, ранее разрушенную. Также были разработаны другие специальные покрытия, такие как анти-фраффити, термоконтроль, энергетическая распиловка, антибликовое покрытие.

Нанотехнологии для теплоизоляции

Микро- и нанопористые аэрогелевые материалы подходят в качестве основных материалов вакуумных изоляционных панелей, однако они чувствительны к влаге. В качестве возможного средства защиты была изготовлена ультратонкая стеновая изоляция, которая использует гидрофобную нанопористую структуру аэрогеля. Другое применение аэрогелей — продукты на основе кремнезема для прозрачной изоляции, что приводит к возможности создания сверхизолирующих окон. Микро- или наноэлектромеханические системы предоставляют возможность мониторинга и контроля внутренней среды зданий, что может поспособствовать экономии энергии.

Нанотехнологии для противопожарной защиты

Огнестойкость стальных конструкций часто обеспечивается покрытием, полученным методом цементного напыления. Наноцемент, изготовленный из наноразмер-ных частиц, способен создавать прочные, долговечные, высокотемпературные покрытия. Это достигается путем смешивания углеродных нанотрубок (УНТ) с цементирующим материалом для изготовления волокнистых композитов, которые могут приобретать некоторые полезные свойства нанотрубок, такие как прочность. Полипропиленовые волокна также рассматриваются как метод повышения огнестойкости, и это более дешевый вариант, чем обычная изоляция.

Нанотехнологии для очистки воды

При очистке воды с использованием нанотехнологий используются наноскопические материалы, такие как углеродные нанотрубки и глиноземные волокна, для нано-фильтрации. Также используется наличие аноскопиче-ских пор в цеолитных фильтрационных мембранах, а также нанокатализаторов и магнитных наночастиц.

При использовании нанотехнологий концентрация адсорбции хлора намного выше, чем при обычном способе очистки. Адсорбция хлора различными средами, например, на основе нанопроволок из оксида титана или наночастиц палладия, используется для аналитического обнаружения загрязнений в пробах воды. Может использоваться для удаления отложений, химических стоков, заряженных частиц, бактерий и других патогенных микроорганизмов. Считается, что будущие поколения устройств для очистки воды на основе нанотехнологий будут использовать свойства новых наноразмерных материалов.

Нанотехнологии в геотехнической сфере

На наноуровне взаимодействие между частицами приобретает актуальность. Наноматериалы обладают очень высокой удельной поверхностной активностью и химической активностью, которая зависит от удельной

поверхности. Высокая удельная поверхность означает высокую адсорбционную способность и высокую чувствительность наноразмерных частиц к специфическим адсорбированным материалам. Характеристики поро-вой жидкости влияют на самосборку нанокомпонентов и их долговременную стабильность. Строительство глиняных вкладышей, глиняных кернов и грунтовых оснований с использованием сконструированных минеральных частиц с большой площадью поверхности, уплотненных из контролируемых самоорганизующихся глинистых агрегатов, для получения макромасштабного поведения, обусловленного исключительными механическими свойствами (например, очень высокой пластичностью); внешний контроль трения для облегчения уплотнения при одновременном повышении долговременной прочности, чувствительных к жидкости пористых мембран, а также особых и уникальных химических свойств (например, видоселективной диффузии); измененное фазовое равновесие для жидкостей в небольших порах; и определенные электрические свойства (например, исключительные магнитные и полярные свойства) являются областями, в которых нанотехнология поддерживает много преимуществ. Наночастицы также могут быть сконструированы таким образом, чтобы они действовали в качестве функциональных наносенсоров и устройств, которые могут быть экстенсивно перемешаны в массе почвы или использованы в качестве интеллектуальных индикаторов для химического анализа на месте, определения характеристик потока подземных вод и определения связности трещин, среди других полевых применений.

Наносенсоры для структурного мониторинга

Датчики были разработаны и использованы в строительстве для мониторинга и/или контроля состояния окружающей среды и характеристик материалов / конструкций. Одним из преимуществ этих датчиков является их размер. Эти датчики могут быть встроены в конструкцию в процессе строительства.

Смарт-агрегат, недорогое многофункциональное устройство на основе пьезокерамики, применяется для мониторинга свойств бетона раннего возраста, таких как влажность, температура, относительная влажность и развитие прочности в раннем возрасте. Датчики также могут быть использованы для контроля коррозии и трещин бетона.

Интеллектуальный агрегат также можно использовать для мониторинга работоспособности структуры. Раскрытая система может контролировать внутренние напряжения, трещины и другие физические силы в конструкциях в течение срока службы конструкций. Он способен обеспечить раннее указание работоспособности конструкции до того, как может произойти сбой конструкции. Нано-датчики имеют большой потенциал для использования в бетонных конструкциях для контроля качества и контроля долговечности. (чтобы измерить плотность и вязкость бетона, контролировать отверждение бетона и измерить усадку или температуру, влажность, концентрацию хлора, рН, углекислый газ, напряжения, коррозию или вибрацию арматуры). Углеродные нанотрубки увеличивают прочность на сжатие образцов цементного раствора и изменяют их электрические свойства, которые можно использовать для контроля состояния здоровья и обнаружения повреждений.

Преимущества нанотехнологий в строительстве

Строительные нанотехнологии могут использоваться для проектирования и строительных процессов

Источник: cyberleninka.ru

Нанотехнологии – будущее строительной отрасли

Ученые всего мира единогласно называют нанотехнологии самым перспективным и многообещающим ноу-хау XXI века. Нанотехнологии, все увереннее вступают во все сферы деятельности человека.

В строительстве фактическое использования нанотехнологий пока является довольно ограниченным, поскольку инновационные идеи в большинстве своем ориентированы на поверхностные эффекты, а не на формирование новых структур строительных материалов. Это связано с тем, что хотя нанотехнологии в строительстве существовали давно, просто об этом не говорили и особенно не использовали, так как не было технических возможностей для глубокого изучения процессов, которые происходят на наноуровне, для получения и применения каких-то материалов. Тем не менее, достижения фундаментальных исследований в области нанотехнологий постепенно находят свой путь в строительную отрасль. Внедряемые инновационные решения уже дают свои ощутимые результаты.

Одним из актуальных направлений разработок является применение ультрадисперсных, наноразмерных частиц для создания высокопрочных и долговечных бетонов. Работы здесь проводят крупнейшие европейские компании – «Зика» (Швейцария), BASF (Германия), «Майти» (Япония), «Элкем» (Норвегия). В качестве нововведений выступают нанодобавки или способ измельчения наполнителей бетона.

За последние годы наблюдается значительное продвижение в этом направлении. Еще не так давно лучшая марка бетонов имела прочность около 50 МПа. Сегодня в строительстве используются более прочные бетоны, например, Москва-Сити строили из бетона с прочностью около 100 МПа, но с обычными добавками.

Когда же применяются нанодобавки, то прочность бетонов вырастает до 200 МПа, а у специальных композитов – до 850 МПа, судя по лабораторным данным. Порошковые бетоны с наноэлементами намного прочнее стали. Зачем же нужны такие прочные бетоны? Дело в том, что с их помощью можно заменить громоздкие железобетонные конструкции на очень тонкие и даже ажурные, создать новые формы сооружений, снизить вес и уменьшить материалоемкость конструкций.

И даже несмотря на относительно недавнее начало работ в этой области, уже сегодня можно говорить о том, что данные технологии не только способствуют появлению новых продуктов, но и повышают эффективность использования существующих материалов и, соответственно, качество жизни миллионов людей.

С появлением новых технологий, позволяющих создавать строительные материалы с заданными технологическими характеристиками, у архитекторов и проектировщиков появилась возможность воплощать самые смелые идеи по строительству сложных конструкций, а так же небоскребов. Кроме того, данные технологии производства бетонов, будут очень полезны для ведения строительства в сейсмически опасных районах, для строительства в подземных условиях и других сложных условиях.

В настоящее время выдающиеся свойства наноматериалов позволяют применять в строительстве новые теплоизоляционные материалы, краски, эмали, лаки и многое другое.

Большим достижением в области нанопокрытий стала имитация эффекта лепестков лотоса, которые совершенно неуязвимы для воды: капли, как шарики ртути, скатываются с поверхности листа, сохраняя его всегда чистым и сухим, смывая одновременно всю грязь и никогда не оставляя следов. В результате в Пекине появилось здание Большого национального театра, огромный яйцеобразный купол которого, созданный из стекла и титана, обработан нанопокрытием, которое не подвержено загрязнению и смачиванию осадками. По мнению специалистов, внедрение нанотехнологий в строительство в ближайшем будущем создаст настоящий бум по использованию таких наноматериалов как фасадные водонепроницаемые краски.

Одним из актуальных направлений применения наноматериалов также является энергосбережение. Полупрозрачные нанопокрытия, разработанные в Шанхайском центре науки и нанотехнологий, могут накапливать солнечную энергию. Эта полупрозрачная пленка, обладает высокими изоляционными свойствами и способна обеспечить так называемый «эффект термоса».

Эти пленки наносятся на окна и стены зданий, придавая им стильный вид и одновременно работая как солнечные батареи, тем самым снижая расходы на электроэнергию. По замыслу создателей, изобретение предполагается использовать в основном в крупномасштабном строительстве. Однако специалисты считают, что уже в самом ближайшем будущем наноизоляционные покрытия будут использоваться и в жилом секторе, обеспечивая дополнительную экономию энергии и защиту окружающей среды.

Интересные свойства имеют прозрачные наногели (аэрогели), открытые еще в начале ХХ века американским ученым Сэмюэлем Кистлером в Тихоокеанском колледже в Стоктоне (штат Калифорния). Эти материалы обладают высокими тепло- и звукоизоляционными характеристиками, и сейчас их активно используют в энергосберегающих кровельных системах верхнего света.

Настоящим открытием в строительной индустрии стали свойства наноматериалов – инновационной пленки, предназначенной для защиты цветных пластиковых окон от инфракрасного излучения. Инновационные пленки имеют особые пигменты, позволяющие отражать до 80% инфракрасных лучей и не позволяющие конструкциям перегреваться. В результате данная пленка защищает как окна, так и само помещение от перегрева, продлевая этим срок службы конструкции и снижая затраты на кондиционирование.

Сегодня и в нашей стране тема нанотехнологий популярна как никогда, однако, реальных достижений в этой области пока немного. Дело в том, что за рубежом основной вклад в прикладные разработки в строительстве вносят научные подразделения промышленных корпораций, разработки которых базируются на исследованиях крупных научных центров. Российские строительные компании не в состоянии финансировать научные исследования в одиночку. Именно для финансирования подобных прикладных проектов в области нанотехнологий в 2007 году была создана госкорпорация «Роснано».

Одним из успешных проектов, который уже реализован в нашей стране, можно считать создание нанокомпозитных труб для систем отопления, водоснабжения и газоснабжения. Данной разработкой занимается компания «Экструзионные машины» совместно с учеными МГТУ им. Баумана. Они создали трубы, которые не только в несколько десятков раз превосходят аналоги по эксплуатационным характеристикам, но и отличаются невысокой стоимостью.

Еще одно направление, которое стоит отметить, – это производство строительной стеклопластиковой композитной арматуры, которую специалисты считают перспективной альтернативой привычному стальному аналогу. Лидером по выпуску данной продукции считается компания «Компарм». Такой наноматериал имеет целый ряд уникальных свойств.

Так, стеклопластиковая композитная арматура обладает малым уделенным весом, который в 4 раза меньше, чем у стали, химической стойкостью и высокой прочностью. При этом композитная арматура относится к диэлектрикам, имеет низкую теплопроводность и не подвержена коррозии. Такой материал можно использовать в любом виде строительства.

Результаты разработок в области нанотехнологий поражают воображение своим многообразием. Новые виды сталей, бетонов, инновационные покрытия для светопрозрачных конструкций и самоочищающиеся покрытия успешно используются сегодня в строительной отрасли.

При этом следует отметить, что использование нанотехнологий нисколько не ведет к удорожанию процесса строительства, а наоборот даже удешевляет, потому что резко снижается его материалоемкость. Применение более прочных материалов может уменьшить сечение конструкций, снизить объемы материалов.

Не надо забывать, что наноматериалы используются как добавки в небольших количествах. Их не надо производить сотнями тонн, как цемент, щебень. Материалов мало, денег не так много, а результат удивительный. Это немаловажный фактор, влияющий на то, что в последнее время отечественные ученые, да и власти уделяют повышенное внимание развитию прикладных нанотехнологий, инвестируя в реализацию новых проектов.

Источник: stroy-esp.ru