Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал @nanobuild
Статьи журнала - Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал
Все статьи: 1080
Применение наноразмерных компонентов в многослойных композиционных материалах
Статья научная
Введение. Композиционные материалы для создания деталей и элементов конструкций в строительной индустрии в нашей стране распространены недостаточно. Композитные материалы это многослойные структуры из армирующих волокон, пропитанные связующим полимерным веществом, которое является одновременно клеем. Прочностные свойства слоистых конструкционных материалов достигаются за счет использования различных армирующих наполнителей и клеящих связующих. Широкое распространение в качестве слоистых материалов получили как тканые материалы из стекловолокон и углеволокон, так и сами волокна. В качестве связующих компонентов применяются различные термореактивные смолы (эпоксидные, фенолоальдегидные, полиэфирные, полиимидные, полиамидоимидные, полиамидные и др.). Среди них широкое распространение получили эпоксидные смолы, обладающие высокой прочностью, смачиваемостью и адгезией к различным материалам. Из слоистых композитных материалов (СКМ) изготавливают полимерную арматуру для армирования бетонных конструкций, различные трубы, каркасы-оболочки, для усиления существующих металлических и железобетонных сооружений, несущие элементы в малонагруженных конструкциях мостов и переходов. Однако они в то же время имеют существенный недостаток низкую межслойную прочность (склонность к расслаиванию). В результате чего нарушается связь между слоями, что приводит к значительному снижению жесткости и прочности конструкции. Данное явление распространяется на все типы тканей и волокон. Наиболее часто дефекты в виде расслоений образуются при воздействии ударных нагрузок. Для повышения эксплуатационных характеристик таких материалов в настоящее время начали применять различные наполнители порошки микрои наноразмеров, вводимые в связующие составы. Основная часть. Анализ научной литературы показал, что повысить межслойную прочность в элементах конструкций из СКМ возможно за счет применения нанонаполненных связующих и за счет введения в межслойное пространство слоистых материалов нанодобавок. В статье в реферативной форме проводится обзор изобретений: России, США и др., которые могут быть использованы в строительной индустрии с применением нанодисперсных компонентов. При широком применении представленных материалов (в мостах, пешеходных мостах и мостовых настилах и др.) можно обеспечить значительные эксплуатационные преимущества по сравнению с материалами, традиционно применяемыми в строительной индустрии.
Бесплатно
Статья научная
Введение. В последние годы в нефтегазовой отрасли и эненргетике стало уделяться внимание нанотехнологиям как эффективному средству улучшения показателей бурения и увеличения производительности скважин, особенно в осложненных условиях, таких как сверхглубокие, геотермальные, наклонные и горизонтальные скважины, зоны высоких давлений/температуры (ВДВТ). В таких условиях возникает множество экономических, технических и эксплуатационных проблем, а также проблем в области охраны труда. Они требуют решения. В частности, операции по цементированию в сложных условиях играют важную роль, поскольку цементная оболочка служит барьером, отвечающим различным условиям эксплуатации скважины, включая давление, температуру и поток жидкостей или газов. Считается, что использование нанотехнологий позволит улучшить свойства цемента и его эксплуатационные характеристики в сложных условиях. Методы и материалы. В исследовании представлен анализ влияния давления и температуры на поведение и сложность операций цементирования в скважинах с высоким давлением. Представлены аналитические показатели основных характеристик наноглины (структурные и механические) и ее влияние на долговечность и прочность цементного раствора при строительстве скважин. Результаты и обсуждения. Результаты исследования позволяют сделать вывод о широком использовании наноглины в качестве добавки для повышения долговечности и свойств материалов на основе цемента в сложных условиях.
Бесплатно
Применение поливинилхлорида для нанокомпозитов (анализ и оптимизация показателей качества)
Статья научная
Введение. Применение нанокомпозитов в различных отраслях промышленности в последние годы увеличилось благодаря их уникальным свойствам и эксплуатационным характеристикам. Однако оптимизация качественных показателей нанокомпозитов остается сложной задачей из-за сложного взаимодействия между компонентами. В работе представлен обзор методов, используемых для анализа и расчета показателей качества нанокомпозитов с использованием ПВХ в качестве основного материала. Методы и материалы. Для математического расчета технологических параметров, не поддающихся прямому измерению, были проведены анализ литературных источников по рассматриваемому процессу и установление соответствующих зависимостей между эмпирическими данными в соответствии с основными закономерностями термодинамики и процессов массообмена. В ходе исследования применен метод нейронных сетей для того, чтобы описать процесс полимеризации винилхлорида, осуществленного суспензионным методом. Для решения данной проблемы была применена каскадная сеть, имеющая прямое распространение сигнала и обратное распространение ошибки. Состав сети: в скрытом слое - десять сигмоидных нейронов, в выходном слое - два линейных нейрона. Результаты и обсуждения. В ходе проведения исследований было установлено, что при полимеризации тепловой поток изменяется с течением времени в зависимости от уровня концентрации инициатора. В дальнейшем полученные зависимости могут использоваться при регулировании расхода хладагента в охлаждающую рубашку реактора, для обеспечения изотермического выполнения всего процесса. Было установлено, что, изменяя частоту вращения мешалки, можно изменять размер частиц и, следовательно, молекулярно-массовое распределение поливинилхлорида. Разработанная нейронная сеть была протестирована. Полученные результаты имеют минимальную погрешность и близки к реальным значениям, из чего можно сделать вывод, что сеть обучена правильно и зависимость между данными найдена.
Бесплатно
Применение полисульфида кальция для повышения коррозионной стойкости крепи скважин
Статья научная
Цементные растворы, применяемые при креплении скважин, должны обеспечить герметичность крепи и защитить обсадную колонну от агрессивных пластовых флюидов. При этом для цементирования используются растворы на основе цемента и воды, при водоцементном отношении 0,45-0,9, что предопределяет их высокую пористость и низкую коррозионную стойкость. Технологии повышения долговечности бетонов, применяемые в строительной практике, при креплении скважин не приемлемы. Одним из наиболее агрессивных компонентов пластовых флюидов является сероводород, который в зависимости от термодинамических условий может находиться как в растворенном, так и газообразном состоянии. Анализ различных видов коррозии цементного камня показывает, что кинетика многих из них определяется диффузией агрессивных ионов внутрь камня. Для снижения пористости цементного камня предложено применение полисульфида кальция, который может осаждаться в порах камня при твердении цементного раствора, кольматируя поры, уменьшая их размер, замедляя скорости диффузии агрессивных ионов внутрь цементного камня. Кроме того, полисульфид кальция, адсорбируясь в порах на продуктах твердения цемента, будет обеспечивать ингибирование порового пространства. Было опробовано три способа введения полисульфида кальция в цементный раствор: в жидкость затворения (воду), непосредственно в приготовленный цементный раствор и сухой способ, через порошок цемента, подвергаемый впоследствии дезинтеграторной обработке. Результаты экспериментов показали, что полисульфид кальция не оказывает влияния на реологические свойства и прокачиваемость тампонажных растворов, повышая прочность полученного камня и снижая его проницаемость. Стойкость камня в кислой среде оценивалась по его коррозии одномолярной соляной кислоте. Глубина коррозии камня с повышением концентрации ПСС снизилась от 30 до 6 мм за 21 сутки. При испытании цементного камня под действием растворенного сероводорода в течение 45 суток было показано, что увеличение концентрации полисульфида кальция от 0 до 5% снизило глубину коррозии от 5,0 до 0,3 мм, в зависимости от технологии ввода добавки. Микрофотографии образцов цементного камня подтвердили, что полисульфид кальция, распределяясь в поровом пространстве, блокирует их поверхность, ограничивая контакт агрессивных ионов с продуктами твердения.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассмотрены состав и структурные свойства аморфного, некристаллизирующегося, фуллереноподобного (содержание фуллеренов до 0,01 масс.%) углеродсодержащего природного минерала — шунгита из Зажогинского месторождения в Карелии (РФ), обладающего высокой адсорбционной, каталитической и бактерицидной активностью. Приводятся данные о наноструктуре, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии, и физико-химических свойствах этого минерала. Показаны перспективы использования шунгита в строительстве и строительных технологиях.
Бесплатно
Применение статистических методов для решения задач строительного материаловедения
Статья научная
В областях науки, связанных со строительным материаловедением, наиболее перспективным для решения является комплекс вопросов, связанный с изучением влияния условий формирования структуры материала, в том числе и возможностей ее самоорганизации, на его свойства. Химико-физические аспекты этого влияния изучаются на микроуровне, с применением всего комплекса «тонких» исследований. При этом существуют методики, позволяющие оценить возможность возникновения наноэффектов в условиях экспериментов, реализуемых на макроуровне: на производстве или в лаборатории. Одной из подобных методик является методика, изложенная в статье. Основные положения методики сформированы на основе статистических методов проведения эксперимента и исследования технологических процессов. Эта методика позволяет значительно сократить количество проводимых опытов при сохранении адекватности полученных результатов и делает возможной дальнейшую аналитическую оптимизацию результатов и их инженерную интерпретацию. В частности с применением этой методики появляется возможность оценки совместного влияния варьируемых факторов на результат, что делает возможным выявление синергетических и антагонистических эффектов с последующей их проверкой на микроуровне с помощью исследования наноструктуры материалов. В статье в качестве примера рассмотрена технология бетона, ориентированная на утилизацию бетонного лома в качестве заполнителя или наполнителя в строительных материалах различного назначения. Приводятся результаты научных исследований по разработке составов композиционного вяжущего на основе тонкомолотых отходов бетонного лома, минерального вяжущего, синтетических волокон и полимеров, отверждаемых в результате химического взаимодействия с компонентами бетонной смеси. Это вяжущее может быть использовано для изготовления различных стеновых элементов зданий.
Бесплатно
Статья научная
Используя метод Г.А. Зисмана, рассчитаны значения критического поверх- ностного натяжения жидкости (растворы этанола с различным содержанием воды) на границе с дисперсной системой (фракции песчаного грунта, измельченные до микро - и наноразмерного состояния). Показана целесообразность применения сложной постоянной Гамакера А* и критического значения поверхностного натя- жения к в качестве критериев процесса формирования поверхности дисперсного сырья и характеристики ее энергетического состояния.
Бесплатно
Статья научная
Введение. На сегодняшний день все более существенную роль в мировом балансе углеводородов играют карбонатные коллекторы. Большая часть открытых в последние годы месторождений относится к трещиноватым карбонатным коллекторам. Перспективы эффективного освоения карбонатов связаны с развитием и внедрением новых высокотехнологичных методов и передовых технологий бурения скважин. В статье освещены проблемы освоения продуктивных отложений в палеозойском фундаменте месторождений Томской области, представленных трещиноватыми карбонатными коллекторами. Рассмотрены горно-геологические условия залегания карбонатных коллекторов в палеозойском фундаменте и проблемы, возникающие при использовании традиционных технологий бурения. Представлены результаты аналитического обзора по применению передовых технологий бурения скважин с горизонтальным окончанием. Освещены некоторые аспекты применения нанобуровых растворов для условий низкопроницаемых карбонатных коллекторов. Материал статьи подготовлен на основе авторских исследований и анализа опубликованных открытых источников литературы. Методы и материалы. Работа выполнена на основе обобщения, систематизации и анализа фактического материала, научных публикаций, результатов аналитических исследований.
Бесплатно
Проблемы микро- и наномодифицирования швов при сварке строительных металлоконструкций
Статья научная
Рассмотрены проблемы модифицирования металла шва при сварке плавлением. Дан анализ причин снижения эффективности модификаторов в сварочной ванне. Обосновано применение наномодификаторов в комплек- се с макрочастицами, выполняющими роль микрохолодильников.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Использование наноматериалов и применение нанотехнологий является одним из важнейших направлений эффективного мирового научного и технологического развития. Нанотехнологии предполагают контролируемое регулирование свойств объектов на молекулярном и надмолекулярном уровне, определяющих большинство фундаментальных параметров и свойства физических объектов, на основе целенаправленного манипулирования их атомами и молекулами. В гидротехническом строительстве это использование наноматериалов и технологий, которые улучшают свойства строительных материалов и конструкций, повышают их долговечность и устойчивость к внешним воздействиям. Методы и материалы. Новосибирское водохранилище является уникальным водным объектом комплексного назначения. Уже более 60 лет оно интенсивно используется в народнохозяйственных целях – является источником водоснабжения, основной зоной рекреации жителей г. Новосибирска, Новосибирской области и Алтайского края, эксплуатируется для судоходства и рыбного хозяйства. В двухкилометровой зоне прибрежной полосы водохранилища расположен 41 населенный пункт, в том числе города Камень-на-Оби, Бердск, Искитим, Ордынское. Прибрежная облесенная территория служит местом расположения оздоровительных учреждений, коттеджных, дачных поселков и садоводческих обществ, местом кратковременного отдыха населения. В связи с этим рекреационная нагрузка на береговую зону водохранилища находится на очень высоком уровне, в том числе по причине обрывистости берегов. Для расчетного обоснования берегоукрепительных гидротехнических сооружений на водоемах используются различные методы, которые учитывают, в первую очередь, природные условия и особенности участка береговой линии водного объекта. Результаты расчетов проводятся и уточняются на основе натурных исследований, а также при необходимости лабораторных испытаний и экспериментов. Результаты. В работе представлены расчеты для определения расчетных параметров сооружения, таких как: высота ветрового нагона, высота наката волны, отметка верха сооружения, размыв перед каменным банкетом, расчетный состав каменного банкета, параметры каменного банкета. Обсуждение. В настоящее время существует множество разновидностей наноразмерных добавок и наномодифицированных материалов. Возможности реализации механизмов модифицирования определяются видом, характеристиками и дозировкой наноразмерных частиц. В качестве предложения авторы предлагают обратить внимание на применение георешеток с различными размерами ячеек и наномодифицированых бетонов. Однако стоит отметить, что в настоящее время даже при низком необходимом содержании наномодифицирующих добавок (2–3% от общей массы бетона) добавление таких добавок существенно увеличит себестоимость материала. Сравнение же технико-экономических показателей в таком случае однозначно укажет на этот недостаток и, как следствие, невозможность применения такого варианта по экономическим причинам. Выводы. Одним из важнейших критериев оценки перспективности внедрения нанотехнологических инноваций в строительную отрасль служит их конечная себестоимость. Наномодификаторы для бетона и строительных растворов по цене 100 долларов за грамм — при том, что их прочностные качества вырастают на 30%, вряд ли будут востребованы. Большинство экспертов сходятся во мнении, что наноструктурировать следует материалы массового применения: бетон, металл, композитные материалы на основе волокон. Применять данные прорывные технологии можно во многих областях, в том числе и в гидротехническом строительстве, укрепляя бетонные основания ГТС, создавая гибкие пластичные георешетки, подбирая и создавая новые качественные заполнители для них и пр. Также, благодаря новым наноматериалам, можно выпускать металл, который будет служить на порядок дольше современных образцов. Научных разработок в данной области достаточно. Теперь необходимо найти им практическое применение. Но данный вектор развития влечет за собой потребность в переоборудовании производства, обучении персонала и прочее.
Бесплатно
Проблемы размещения промышленных отходов на полигонах в индустриальном городе
Статья научная
В статье показано, что антропогенное преобразование окружающей среды усиливается при размещении отходов производства и потребления на полигонах. Гигиеническое состояние территорий с высокой плотностью населения и развитой промышленностью определяется увеличивающимся количеством бытовых и промышленных отходов, преимущественно депонируемых на многочисленных полигонах. Данная ситуация изучена на примере полигонов для захоронения промышленных отходов предприятий ПАО «Газпром нефтехим Салават» и ОАО «Салаватстекло», расположенных в городе Салават Республики Башкортостан. Проведен анализ промышленных источников загрязнения г. Салават. Отмечено, что градообразующим предприятием является ПАО «Газпром нефтехим Салават», на долю которого приходится до 80% отходов от общего вала образованных отходов в городе за год. Другое предприятие, которое вносит тоже большой вклад в образование отходов - ОАО «Салаватстекло». Для изучения возможной миграции загрязнителей в водоносный горизонт выполнена наблюдательная скважина на территории полигона. По результатам исследований воды наблюдательной скважины полигона выявлены превышения предельно допустимых концентраций по химическому потреблению кислорода (ХПК), фенолу и нефтепродуктам. Изучены формы залегания грунтовых вод. Выявлена миграция химических веществ, содержащихся в теле полигона, в подземные воды, что приводит к загрязнению поверхностных водоемов. Проведены лабораторные исследования воды объектов, находящихся в зоне влияния полигона промышленных отходов в Ромадановском карьере. Выявлено, что превышения предельно допустимых концентраций по бензолу, а также присутствие толуола, свинца, фенола свидетельствуют о загрязнении подземных вод веществами, складируемыми на полигонах Ромадановского карьера, как путём их инфильтрации и последующего переноса подземными водами смежных горизонтов, так и за счёт поверхностного смыва и инфильтрации с талыми и дождевыми водами.
Бесплатно
Проблемы создания наноматериалов и развития нанотехнологий в строительстве
Статья научная
Редакция электронного издания «Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал» предлагает авторам дискуссию о проблемах создания и особенностях наноструктурированных материалов.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Снижение плотности, повышение прочности и других физико-технических характеристик легких бетонов являются актуальными задачами современного строительного материаловедения. Для их решения необходимо рассмотреть новые подходы к разработке составов цементных систем с использованием эффективных пористых заполнителей, вяжущих веществ, химических и минеральных добавок, в том числе наномодификаторов различной природы (углеродные нанотрубки, фуллерены, наночастицы SiO2, Al2O3, Fe2O3 и др.). Сложность проектирования модифицированных цементных бетонов во многом обусловлена их многокомпонентностью и большим количеством параметров, влияющих на ключевые характеристики материала. Качественное решение подобных многокритериальных задач возможно при комплексной реализации рациональных физических и вычислительных экспериментов с использованием математического моделирования и компьютерных технологий. С развитием методов машинного обучения появляются новые возможности в моделировании процессов структурообразования и прогнозировании свойств многокомпонентных строительных материалов. Целью данного исследования являлась разработка алгоритмов машинного обучения, способных эффективно устанавливать количественные зависимости прочности при сжатии модифицированных легких бетонов от их состава, а также выявление на основе полученных многофакторных моделей оптимальных диапазонов варьирования рецептурных параметров для достижения требуемого уровня контролируемой механической характеристики. Методы и материалы. Обработка и анализ результатов экспериментальных исследований проводились с применением современных методов машинного обучения с учителем, используемых в задачах восстановления регрессии, извлечения знаний и прогнозирования. Реализация разработанных алгоритмов осуществлялась на языке программирования Python с применением библиотек NumPy, Pandas, Scikit-learn, Matplotlib, Seaborn. Результаты и обсуждение. Установлено, что среди полученных моделей машинного обучения наиболее точной является модель градиентного бустинга, характеризуемая следующими метриками качества: R2 = 0,9557; MAE = 2,4847; MSE = 12,7704; RMSE = 3,5736; MAPE = 11,1813%. По результатам анализа данной многофакторной модели выявлены оптимальные дозировки пуццоланового и расширяющего модификаторов, составляющие 4,5+6,0 и 6,0+7,5% от массы вяжущего (портландцемент + модификатор) соответственно, обеспечивающие достижение требуемого уровня прочности при сжатии (40+70 МПа) легких бетонов в возрасте 28 суток при сниженной на 3+10% плотности материала (рассматриваемый диапазон 1200+1900 кг/м3). Заключение. Таким образом, итоги выполненных исследований показали перспективность применения методов машинного обучения для проектирования составов и прогнозирования свойств многокомпонентных цементных систем.
Бесплатно
Программе российский строительный Олимп 15 лет!
Краткое сообщение
Юбилейная церемония награждения лауреатов состоится 25 мая 2011 г. в Москве, в конференц-зале Государственной Третьяковской галереи
Бесплатно
Другой
Бесплатно
Другой
Бесплатно
Другой
Бесплатно
Производство наноструктурного модификатора битумов при переработке автомобильных покрышек
Статья научная
Введение. Инновационными наносвязующими для устройства асфальтобетонных покрытий являются полимерно-битумные вяжущие. Введение полимерного модификатора улучшает характеристики битума и асфальтобетона. Применение резины отработанных покрышек для модификации битума считалось экологически чистым решением, но ограничено вследствие плохой совместимости резины с битумом. Для преодоления этого ограничения известны различные методы, основанные на активации поверхности резины, диспергировании резины до наноразмерных частиц и термохимических превращениях резины до индивидуальных органических соединений. Методы и материалы. Предложено использовать метод совместного с кислородсодержащим маслом пиролиза резины под давлением для преобразования в наноструктурный модификатор битумов. Полученный продукт исследован методами термогравиметрии, ЯМР-спектроскопии, хроматомасспек-трометрии, сканирующей электронной микроскопии и растворимости в толуоле. Результаты и обсуждение. Установлено, что резина при совместном пиролизе подвергается девулканизации, крекингу и диспергированию до наноразмерных частиц, в результате чего продукт оказывается совместимым с битумом. Термохимическую переработку автомобильных покрышек можно рассматривать как перспективный метод производства наноструктурного модификатора битумов. Заключение. Использование термохимической обработки под давлением резины отработанных покрышек в присутствии кислородсодержащего масла позволяет получить наноструктурированный продукт, совместимый с битумом для дальнейшего использования полученного модификатора в производстве асфальтобетона
Бесплатно
Прочность и деформативность цементного камня и порошково-активированных бетонов. Часть I
Статья научная
Введение. В процессе эксплуатации зданий и сооружений железобетонные конструкции подвержены воздействию различных нагрузок, которые вызывают деформации и разрушения. Прочностные и упруго-пластические свойства, долговечность современных бетонов регулируются с помощью суперпластификаторов, нанодобавок, наполнителей и заполнителей. Показана перспективность использования наногидросиликатных технологий. Статья посвящена изучению физико-механических свойств цементного камня и порошково-активированных бетонов – одной из разновидностей бетонов нового поколения. Материалы и методы. В качестве структурообразующих факторов для цементного камня рассматривались влияние В/Ц-отношения, наличие в составе карбоксилатного суперпластификатора и модифицирующей добавки, а для бетонов – влияние В/Ц-отношения, модифицирующей добавки, суперпластификатора, тонкодисперсного наполнителя, реологического и реакционного наполнителей. Результаты. Приводятся результаты исследования, устанавливающие взаимосвязь почности цементного камня и порошково-активированных бетонов с показателями пористости и прочности при статических и динамических нагрузках. Рациональные составы разработанных композитов характеризуются комплексом улучшенных физико-механических показателей. Установлено, что повышение В/Ц-отношения с 0,267 до 0,35 обусловливает снижение прочности цементного камня на сжатие, растяжение при раскалывании на 22–30%. Добавление суперпластификатора «Melflux 1641F» привело к значительному уменьшению водоцементного отношения – с 1,56 раза по сравнению с составом нормальной густоты и в 2,04 раза – по сравнению с составом с повышенным В/Ц-отношением, а также соответствующему повышению прочностных свойств на сжатие в 1,20 раза и в 1,72 раза – на растяжение при изгибе. Заключение. Установлено, что введение тонкодисперсных наполнителей в состав песчаного бетона привело к росту прочности на сжатие, при изгибе и на растяжение при раскалывании от 1,62 до 2,55 раза, что объясняется более плотной упаковкой кварцевого заполнителя, вызывающего увеличение плотности таких образцов на 9,5%, пластифицирующего эффекта микрокварца, и высокой активностью микрокремнезема. Исследована ударная прочность цементного композита. Установлено, что высокие значения максимальной контактной силы, продолжительности контакта и величины импульса показали пластифицированные высоконаполненные составы нового поколения. У композита, имеющего в своем составе микрокварц, кварцевый наполнитель и мелкий заполнитель, а также суперпластификатор «Melflux 1641F», показатель максимальной контактной силы составляет 4530 Н против аналогичного показателя состава цементного камня из теста нормальной густоты – 2073 Н. При этом примерно в два раза выше показатели продолжительности контакта и величина импульса ударника. К еще более высоким результатам привело введение в высоконаполненные составы микрокремнезема. Максимальная контактная сила, при которой происходило разрушение образцов, составила 4530 Н. Это более чем в два раза больше, чем у цементного камня на основе теста нормальной густоты.
Бесплатно
