Применение нанотехнологий и наноматериалов в строительстве. Рубрика в журнале - Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал
Влияние высокодисперсного порошка смеси Wc и TiC на свойства композиционных материалов
Статья научная
Введение. Исследование направлено на изучение влияния высокодисперсного порошка смеси WC, TiC, полученного в результате рециклинга твердосплавных изделий группы ТК (титановольфрамовые сплавы), на изменение структурных и физико-механических свойств цементных материалов. Материалы и методы исследования. Порошок WC, TiC (размер частиц 20-150 нм, агломератов 300 нм - 1,5 мкм) добавляли в цементный раствор путем частичной замены цемента в различных концентрациях 0%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5 % по массе. Основные физико-механические показатели цементной пасты и полученных цементных материалов изучали в соответствии со стандартными методиками, с учетом требований нормативной документации российских и зарубежных стандартов. Также были применены термокинетический, рентгенофазовый анализ, сканирующая электронная микроскопия с интегрированной системой энергодисперсионного анализа. Результаты и обсуждение. Установлено, что добавление высокодисперсного порошка WC, TiC в цементные материалы приводит к увеличению плотности, растекаемости теста, сокращению времени схватывания, снижению водопоглощения, пористости, повышению прочностных характеристик как в ранние, так и в более поздние сроки твердения. Добавление высокодисперсной добавки способствует более ранней гидратации. Структура цементного образца с добавлением порошка более плотная во все рассматриваемые сроки твердения по сравнению с контрольным образцом. Заключение. Полученные результаты исследования представляют важное значение для понимания механизмов действия высокодисперсных частиц WC, TiC на цементные материалы, что в дальнейшем может быть использовано для улучшения свойств композиционных материалов на основе цемента различных областей применений.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Проблему увеличения эксплуатационной стойкости асфальтобетонного покрытия автомобильных дорог в полной мере не решает использование традиционных решений за счет улучшения подбора состава и совершенствования процесса изготовления композиций битумных вяжущих и минеральных наполнителей. Одним из наиболее перспективных способов повышения работоспособной долговечности асфальтобетона является комплементарная модификация битумов и дорожно-бетонных нанокомпозиций термопластичными и эластичными полимерами. Методы и материалы. Битумные вяжущие оцениваются соответствующими методами определения технологических показателей: растяжимости, температуры размягчения и хрупкости, эластичности и др. Асфальтены битумных вяжущих являются важнейшим структурообразующим компонентом и формируют ассоциированные нанокластеры размерами 15-200 нм. Термопластичные блок-сополимеры вводят в состав битумных вяжущих в гранулированном виде (крошки) или расплава, а для улучшения совместимости комплементарных сополимеров в битумной вяжущей используют компатибилизаторы. На качество готовой асфальтобетонной композиции существенно влияют характеристики основных компонентов: минерального порошка, песка, щебня, битумной вяжущей и макромолекулярных нанодобавок, а также оптимальные режимы технологического процесса: температура перемешивания и др. Результаты. Комплементарное взаимодействие супрамолекулярных ассоциаций асфальтенов и фрагментов макромолекул полимерных нанокомпозитов обеспечивает формирование Ван-дер-Ваальсовых связей за счет пространственного взаимного соответствия. Введение полимерных наномодификатов приводит к увеличению температуры размягчения и снижению температуры хрупкости битумных вяжущих за счет образования достаточно устойчивых надмолекулярных комплексов. Обсуждение. Синергетические нанодобавки макромолекул в битумное вяжущее обеспечивают увеличение адгезии битумной композиции к минеральным компонентам в несколько раз, а также заметное увеличение температурного интервала пластичности и деформируемости. Асфальтобетонные покрытия с полимерно-битумными вяжущими увеличивают работоспособность дорожного полотна автодорог и устойчивость к образованию пластических деформаций (сдвигов, колей) в условиях высоких и низких температур. Заключение. Битумные вяжущие дорожных асфальтобетонов, модифицированные полимерными нанокомпозитами, имеют более высокую адгезию, расширенный диапазон термопластичности и водостойкости.
Бесплатно
Композиционные строительные материалы на основе наномодифицированных цементных систем
Статья научная
Введение. В работе исследовалось совместное влияние наноразмерного диоксида кремния (нано-SiO2), углеродных нанотрубок и поверхностно-активных веществ на структурно-технологические характеристики цементных композиций. Материалы и методы исследования. В работе представлены результаты исследования влияния различных методов диспергирования углеродных нанотрубок (УНТ) в поверхностно-активных веществах (механическое диспергирование, обработка ультразвуком, комбинированный метод) на равномерность распределения УНТ в пластификаторе и в цементной системе, а также на физико-механические характеристики цементного камня и бетона. Проведены дифференциально термический и электронно-микроскопический анализ водных дисперсий УНТ и затвердевшего активированного наномодифицированного цементного камня. Результаты и обсуждение. Экспериментально доказано, что перемешивание нанотрубок в цементе в сухом виде не позволяет равномерно распределять УНТ по объему смеси. При использовании углеродных нанотрубок максимальный эффект достигается при введении их в водные дисперсии пластификаторов. Процентное соотношение пластификатора составляло 1%, УНТ 0,1% на 1 литр воды. Наиболее эффективный способ диспергирования УНТ в пластификаторе - комбинированный. Полученные результаты были использованы при приготовлении составов цементного камня и бетона. Заключение. Результаты показывают, что комплексные добавки, состоящие из нано-SiO2 и водных дисперсий УНТ, положительно влияют на физико-механические и структурно-технологические свойства цементного камня и бетона. Показаны графические зависимости, свидетельствующие об эффективности использования комплексных добавок в производстве цементных композитов.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Разработка методических инструментариев мониторинга для генерации внедрения строительных наноматериалов в производство является составным элементом проектирования механизма эффективного управления развитием бизнес-структур. Университетское предпринимательство и научно-образовательные центры в экосистемном тренде рассматриваются в качестве центральных акторов в процессе создания инструментов вузовского трансфера нановяжущих строительного назначения. Методы и материалы. Процесс формирования цифровых компетенций у студентов и преподавателей в процессе коммерциализации научных разработок строительного вуза (института, факультета, кафедры) целесообразно рассматривать как результат фрактальных взаимодействий. Развитие инновационной экосистемы университета достигается эффективной реализацией процесса трансфера результатов интеллектуальной деятельности по создания гипсовых и керамических нанокомпозитов, востребованных региональной стройиндустрией. Результаты. Интеллектуально-технологический потенциал университетов, готовящих бакалавров и магистрантов для стройиндустрии, определяют в инновационном обществе перспективы успешного развития отрасли. Ускоренное продвижение инвестиционных разработок, востребованных нанотехнологий университетов обеспечивает вузы дополнительным внебюджетным финансированием. На примере разработки технологии получения мелкоштучных стеновых и перегородочных изделий на базе наноструктурированных гипсовых вяжущих были апробированы в опытно-промышленных условиях. Обсуждение. Эффективными методологическими инструментариями трансфера нанотехнологических вузовских разработок в стройиндустрию являются: создание базовых кафедр на предприятиях и успешное функционирование научно-образовательных центров, участие работодателей в учебно-производственной практике и др. С точки зрения трудоемкой коммерциализации и трансфера научных разработок эффективным путем от идеи до широкого внедрения наукоемкой продукции служит реальное приложение интеллектуального потенциала профессорско-преподавательского состава вуза, института, кафедр. Заключение. Разработка методологического инструментария надежного мониторинга привлекательности региональной предпринимательской экосистемы для генерации и развития процессов трансфера востребованных наноматериалов является составным элементом проектирования механизма эффективного управления бизнес-структурами в строительстве. Благодаря формированию инновационной экосистемы университета достигается эффективная реализация процесса коммерциализации результатов интеллектуальной деятельности в сфере нанотехнологий, которые востребованы строительной отраслью региона.
Бесплатно
Нанопокрытия в современном строительстве
Статья научная
В обзоре проанализировано состояние рынка нанопокрытий, приведены основные их виды, а также драйверы и барьеры их разработки и применения. Современный прогресс в области нанотехнологий позволяет отнести нанопокрытия к высокотехнологичным материалам, структура и свойства которых могут быть «запроектированы» по специфическим функциональным критериям и уровню воздействия на окружающую среду. Они обладают уникальными характеристиками по сравнению с обычными покрытиями, применяемыми в строительстве. Масштабные планы правительства по введению в эксплуатацию нового жилья и созданию дорожной инфраструктуры, амбициозные проекты освоения Арктики и обеспечения национальной безопасности должны привести к росту индустрии в целом, а также к повышению спроса на более эффективные, инновационные строительные материалы, включая нанопокрытия и нанокраски.
Бесплатно
Особенности формирования пленок оксида кремния, модифицированных наночастицами металла
Статья научная
Введение. Пленочные покрытия на основе оксида кремния обладают уникальными свойствами и широко распространены в различных областях промышленности, в том числе в строительстве. В работе представлены результаты по получению пленки из полиалкилгидроксисилоксановой жидкости в присутствии наноразмерных частиц металлического висмута. Материалы и методы исследования. Для получения наночастиц висмута использовали метод лазерной абляции металлического висмута в водной среде. Обработка поверхности мишени лазерным лучом производилась на рабочей станции иттербиевого импульсного волоконного лазера. Размер частиц и электрокинетические свойства коллоидных золей висмута определяли методом динамического рассеяния света. После высушивания порошок Bi добавляли в полиалкилгидроксисилоксановую жидкость. Методом окунания на стеклянные подложки нанесены тонкие пленки, отвержденные при разных режимах термообработки. Полученные пленки были оценены с помощью СЭМ, а также с использованием рентгенофазового анализа и ИК-Фурье спектроскопии. Результаты и обсуждение. В работе обсуждаются электрокинетические свойства коллоидных золей висмута. Лазерная абляция висмутовой подложки приводит к увеличению электропроводности и возникновению двойного электрического слоя в коллоидном золе. Показано влияние температуры отверждения на свойства покрытия. Установлено, что малое содержание наночастиц висмута в полиалкилгидроксисилоксановом покрытии (3% масс.) не приводит к образованию кристаллических фаз. При этом состав пленки и режим термической обработки влияют на ближний порядок молекулярных связей. Повышение содержания наночастиц висмута в покрытии до 10% масс. способствует появлению в системе микрокристаллических фаз силикатов висмута. Заключение. Полученные в ходе исследования результаты дополняют сведения о получении наночастиц висмута методом лазерной абляции и имеют большое значение в практике создания композиционных пленок.
Бесплатно
Оценка долговечности наноструктуры волокон минеральной ваты с применением теории химической коррозии
Статья научная
Введение. Минеральная вата является одним из наиболее востребованных материалов в строительной индустрии. С этим связана и широкая номенклатура технологий и конструкций с применением минеральной ваты: вентилируемые фасады зданий, фасады, выполненные по технологии СФТК, утепление кровель и чердаков и многое другое. Методы и материалы. В разных условиях долговечность наноструктуры волокон минеральной ваты будет значительно изменяться. В настоящее время нет научно-обоснованных методов оценки долговечности наноструктуры волокон минеральной ваты. Результаты. В статье предлагается проводить оценку долговечности наноструктуры волокон минеральной ваты на основании разработанного метода химической деструкции строительной керамики. Приводятся методики лабораторного анализа долговечности материала строительной керамики и их модернизации для волокон минеральной ваты. Обсуждение. По результатам проведенных экспериментальных исследований установлено, что процесс коррозии внутри материала минеральной ваты происходит по механизму реакции гидроксидов щелочных металлов с оксидами кремния и алюминия в материале минеральной ваты, выводя их в раствор и приводя к химической деструкции материала, что в целом аналогично изученному процессу деструкции материала стеновой керамики. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что процесс химической деструкции минеральной ваты имеет большую зависимость от температуры и меньшую зависимость от концентрации гидроксидов, чем процесс деструкции материала кирпича. Заключение. Результаты проведенных исследований позволяют выполнить расчеты температурного коэффициента скорости процесса деструкции в формуле Вант-Гоффа, коэффициентов в уравнении Аррениуса и значения энергии активации процесса деструкции. Приведены примеры натурных исследований.
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
Статья научная
Введение. В настоящее время популярным становится применение в строительстве полимерных покрытий при защите металлических материалов и конструкций. Особенно важным является получение наноструктурированных полимерных изолирующих материалов, обладающих высокими антикоррозионными свойствами, с целью обеспечения срока службы оборудования топливно-энергетического комплекса. Технологическое оборудование при добыче, транспортировке, переработке нефтехимического сырья подвержено регулярному воздействию агрессивных сред. Повреждение производственного оборудования ежегодно наносит экологический ущерб на окружающую среду, и здоровье человека, и материальную нагрузку на предприятие. Введение гетероатомов в структуру молекулы полимера способствует улучшению физико-химических характеристик полимерных покрытий, в частности, повышения защитных свойств, так как природные и синтетические полимерные соединения представляют собой большой кластер образований надмолекулярного строения, находящихся в определенной последовательности. Методы и материалы. Предложена новая эффективная схема технологии получения азотсодержащих полимерных наноструктур. Синтезированные образцы показали высокую антикоррозионную активность. Рассмотрена возможность применения их в качестве наноструктурирующей добавки к смазочным покрытиям, что позволит повысить устойчивость металлоконструкций к воздействию агрессивных сред в различных областях промышленности, в том числе и в строительстве. Полученные алкенилсукцинимидсодержащие образцы испытаны согласно техническому условию на сукцинимидную присадку С-5А (ТУ 38101247-77), все образцы соответствуют нормам. Результаты и обсуждения. В ходе исследования разработана ресурсосберегающая безотходная технология получения наноструктурированной полимерной добавки, имеющей в своей структуре полиамины как наноструктурирующую основу, обеспечивающую антикоррозионный эффект. Заключение. Полученные нанополимерные соединения на основе триэтилентетрамина, тетраэтиленпентамина, алкенилянтарного ангидрида предлагается реализовывать на рынке в качестве эффективных полимерных антикоррозионных добавок при обработке металлических материалов и конструкций в строительной отрасли.
Бесплатно
Рентгеноспектральные методы измерения степени упорядоченности углеродных наночастиц
Статья научная
В работе рассмотрены методы количественной оценки содержания упорядоченных структур в продуктах синтеза фуллероидных материалов, по спектрам характеристического рентгеновского излучения и дифракции рентгеновского излучения. Во введении показано, что применение углеродных фуллероидных материалов (фуллерены, фуллеренолы и их соединения, фуллероидные наночастицы) в качестве модификаторов свойств различных конструкционных материалов и пластификаторов бетонных смесей является в настоящее время одним из наиболее динамично развивающихся направлений в области нанотехнологий в строительстве. Методы и материалы. В настоящей работе применены следующие методы аналитического контроля: растровая микроскопия, локальный рентгеноспектральный анализ и рентгеновская дифрактометрия. Проводились исследования продуктов синтеза фуллероидных материалов: образцов фуллеренсодержащей сажи, собранной на разном расстоянии от зоны дугового синтеза. Результаты. Приведены растровые изображения продуктов синтеза с различными увеличениями, а также спектры рентгеновской флуоресценции и элементный состав продуктов синтеза. Проведен рентгенофазовый анализ продуктов синтеза. Показано, что анализ аморфной составляющей состава, которая является одним из продуктов выхода, позволит контролировать синтез на каждой стадии и при различных условиях его проведения. Обсуждение. Установлено, что однозначного ответа структурные и флуоресцентные спектры по составу продуктов синтеза не дают, так как процесс синтеза продуктов различной структуры обладает свойствами нелинейных динамических систем, которые характеризуются временной нелокальностью, немарковостью, эредитарностью и эргодичностью. Анализ нелинейной динамической системы. Для построения аттрактора динамической системы рассчитана корреляционная размерность, размерность фазового пространства и фрактальная размерность исследуемого процесса. Корреляционная размерность и размерность фазового пространства рассчитана по методу Такенса. Фрактальная размерность вычислена с помощью показателя Херста. Выводы. Для исследования динамики химических реакций, протекающих при дуговом синтезе, применена система дифференциальных уравнений Ресслера. Получено решение этой системы - аттрактор Ресслера - притягивающее множество траекторий на фазовом пространстве, которое по своему виду идентично изучаемому процессу, что позволяет оценить, опираясь на аттракторы, характерные для каждого образца (материала синтеза), на какой стадии находится процесс синтеза, и, построив дифференциальную модель, осуществлять управление для повышения качества продуктов выхода. Таким образом показана возможность оценки эффективности процесса синтеза фуллероидов, применяемых для модификации строительных материалов.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Разработка вспененных экологичных гипсовых нанокомпозитов, обладающих низким удельным весом, высокими теплоизоляционными, эксплуатационными и технико-экономическими характеристиками, остается актуальной задачей. Контролируемое твердение пеногипсовых нановяжущих с использованием сухих пеноообразователей является перспективным направлением в технологии производства теплоизоляционных стройматериалов. Методы и материалы. Изготовление пеногипсовой композиции осуществляли в эжекторно-турбулентном смесителе перемешиванием гипсового нановяжущего с функциональными пенообразующими нанодобавками. В качестве вяжущего в работе использовался строительный гипс Г-5БII; поризацию гипсовых композиций осуществляли с использованием адсорбированного пенообразователя ПБНС. Результаты. Трансформация жидкофазных пенообразователей в твердофазные связыванием воды позволяет изготавливать пеногипсовые композиции из сухих смесей, что дает высокую точность дозирования, хорошую степень гомогенизации компонентов и устойчивые характеристики вспененных гипсовых нанокомпозиций. В производственных условиях с использованием опытно-промышленного 3D-принтера АМТ S1160 построен одноэтажный мало- габаритный павильон, в котором вертикальные ограждающие конструкции заполнены вспененным теплоизоляционным наноструктурированным пеногипсом. Монолитный пеногипсовый наноматериал плотностью 300-400 кг/м3 был использован для утепления и звукоизоляции чердачных перекрытий при капитальном ремонте исторического здания госпиталя ветеранов в г. Уфе. Обсуждение. Разработка технологии получения пеногипса из сухих смесей базируется на преимуществе изготовления и применения теплоизоляционных нанокомпозиций, что позволяет обеспечить значительную пунктуальность дозирования и устойчивые характеристики пеногипсовых стройматериалов. Поверхностно активные пенообразователи оказывают существенное влияние на кинетику структурообразования пеногипсовой нанокомпозиции и замедляют коалесценцию воздушных пузырьков. Заключение. Нанопористый пеногипсобетон, полученный в результате контролируемого твердения, с плотностью 400 кг/м3 имеет теплопроводность 0,12 Вт/(м•оС) и прочность при сжатии 1,4 МПа. Прочность на сжатие вспененного пеногипса с использованием сухого пенообразователя на сорбентах на 17% выше прочности тепло- изоляционного наноматериала, приготовленного по традиционной технологии.
Бесплатно
