Об использовании нанотехнологий и наноматериалов в строительстве часть 1

Строительная отрасль по своей природе заметно отличается от иных областей человеческой деятельности. Общепризнанно, что она скорее пытается использовать разработки и изобретения, созданные в других отраслях науки и промышленности, чем создавать их внутри себя. Частично это обусловлено специфическими характеристиками ее «продукта» – зданий и сооружений, поскольку, помимо очень высокой комплексности, этот продукт рассчитан на весьма продолжительный жизненный цикл, в отличие, например, от микроэлектроники, информационных технологий или даже автомобильной промышленности, где обновление происходит значительно быстрее. Исторически строительство отличает очень низкий уровень инвестиций в научно-исследовательские работы (не более 0,2–0,4% от объема продаж при среднем уровне 3,5–4,5% для экономики в целом), что не только затрудняет создание новых технических решений, но и адаптацию уже существующих. И, наконец, очень высокий уровень начальных инвестиций, несомненно, сдерживает развитие наноматериалов и нанотехнологий в строительстве, если принять во внимание, что в этом секторе представлен в основном мелкий и средний бизнес. Так, например, только 4% строительного рынка «интернациональны», и работа большинства его участников носит весьма локальный характер.

Все это предопределяет желание строительного сообщества максимально сократить инновационный цикл и немедленно получить конкретный результат – новый материал, новую технологию, новое решение, связанное с обеспечением безопасности и охраной окружающей среды.

Несмотря на эти вполне объективные трудности, перечень основных научно-исследовательских работ в области строительных наноматериалов и нанотехнологий, выполняемых в настоящее время в России и за рубежом, достаточно широк и включает:

• •    высокотехнологичные конструкционные материалы –нанострук-турная модификация стали/металлов, керамики/стекла, полимеров, цемента/бетона, композитов через управление производственным процессом или использование наночастиц, нанотрубок и нанодобавок;

• •    понимание явлений в наношкале – наноструктуре и их проявления в отношении макросвойств (например, в гидратации, усадке, старении и т.д.) с использованием новых методов;

В.Р. ФАЛИКМАН Об использовании нанотехнологий и наноматериалов в строительстве. Часть 1

• •    функциональные тонкие пленки/покрытия, многократно повышающие качества материалов, например, их оптические, тепловые свойства, долговечность, истираемость, сопротивляемость воздействиям, обеспечивающие самоочищаемость, препятствующие нанесению надписей на стенах и т.д.;

• •    новые многофункциональные материалы и компоненты – изолирующие аэрогели, эффективные фильтры/мембраны и катализаторы, самозалечивающиеся материалы;

• •    новые датчики, устройства и быстродействующие приборы, обеспечивающие улучшенный контроль состояния конструкций и условий окружающей среды, а также способность самоприведения в действие;

• •    энергетика для устойчивого развития, обеспечивающая охрану окружающей среды – новые топливные ячейки, энергоэффективное освещение, специальная изоляция и застекление, очистители загрязнений и т.д.

Хорошо известно, что в строительстве использование современных конструкционных материалов обычно ограничивается тем, что увеличение их прочности приводит к снижению пластичности. Данные по нанокомпозитам (из которых наиболее изученной на сегодня является нанокерамика) показывают, что уменьшение размеров структурных элементов, образование специфических непрерывных нитевидных структур, формирующихся в результате трехмерных контактов между наночастицами разных фаз, ведет к коренному улучшению их эксплуатационных характеристик.

Так, использование наносиликатов с удельной поверхностью не менее 180 м2/г, на порядок превышающей удельную поверхность микрокремнезема, и новых диспергаторов-гиперпластификаторов на основе поликарбоксилатов специального молекулярного дизайна обеспечивает достижение кардинально новых прочностей и структур цементного камня, создавая предпосылки дальнейшего развития ультравысо-копрочных бетонов с прочностью на сжатие свыше 250 МПа, а также реактивных порошковых композитов с прочностью на сжатие около 800 МПа и прочностью на растяжение при изгибе около 100 МПа.

Применение наносиликатов в бетоне позволяет не только заметно улучшить упаковку его составляющих – цемента, наполнителей, заполнителей, снизить пористость и значительно (иногда – в несколько раз) повысить прочность, но и контролировать реакции образования и

В.Р. ФАЛИКМАН Об использовании нанотехнологий и наноматериалов в строительстве. Часть 1 превращения гидросиликатов кальция C – S – H, ответственных за обеспечение долговечности цементного камня, а также определяющих ряд строительно-технических характеристик бетона (например его усадку и ползучесть).

Дополнительный потенциал для развития намного более прочных, более жестких и более долговечных конструкционных материалов предоставляют другие наночастицы: углеродные нанотрубки и нановолокна, которые сегодня производятся в промышленном масштабе большим количеством компаний. На этом пути сохраняются, как минимум, две проблемы – повышенная склонность углеродных материалов к агломерации и, как следствие, трудности равномерного распределения такой «нанофибры» по композиту, а также недостаточно высокое сцепление нанотрубок с матрицей. Это не позволяет полностью использовать их высокий модуль упругости (в 5 раз выше стали) и прочность (в 8 раз выше стали) при очень низкой плотности.

Цементные композиты, модифицированные наноуглеродными материалами

Переход на нанометрический уровень феноменологического анализа дает принципиально новые возможности поромеханического изучения цементных систем (глобулы геля C–S–H, включая внутриглобуляр-ную и межглобулярную пористость).

Под термином «поромеханика» обычно понимают изучение пористых материалов, на механическое поведение которых значительное влияние оказывает поровая жидкость. На наноуровне, который для цементных материалов располагается сразу за атомным, физическая хи-

В.Р. ФАЛИКМАН Об использовании нанотехнологий и наноматериалов в строительстве. Часть 1 мия прямо встречается с механикой – здесь свойства материала определяются физико-химическими параметрами процесса формирования последнего.

С точки зрения поромеханики, глобулы геля C–S–H, в которых заключено 18% внутренних нанопор, заполненных структурной водой, являются «элементарной твердой фазой» (ЭТФ) любого материала на основе цемента. Эта твердая фаза имеет характеристические размеры порядка 5,6 х 10–9 м и ответственна за все пороупругие свойства. В зависимости от типа упаковки ЭТФ различают гели низкой плотности – LDG (37% пор) и высокой плотности – HDG (24% пор). Пороупругие константы и тех и других являются универсальными величинами, предопределяя в совокупности поведение цементных материалов при высушивании, под нагрузкой и при старении. Таким образом, понимание этих механизмов открывает возможности направленного регулирования структуры и свойств вновь создаваемых цементных композитов.

Знаковые изменения произошли в сфере разработки и применения нового поколения самоочищающихся покрытий. Важно, что последние рассматриваются сегодня в общем контексте борьбы за кардинальное снижение затрат и рабочего времени на обслуживание, ремонт и восстановление конструкций сложных объектов. Среди выпускаемых рядом немецких и испанских фирм с конца 90-х годов продуктов, получаемых на основе нанотехнологий, выделяются покрытия для полной гидрофо-бизации поверхностей, для предотвращения ущерба от граффити, для ликвидации потенциальных источников биоповреждений – плесеней, грибов, мхов, лишайников.

Специальное покрытие. Памятник жертвам Холокоста в Берлине

Обычная загрязненная поверхность

Защищенная поверхность типа «лотос»

В.Р. ФАЛИКМАН Об использовании нанотехнологий и наноматериалов в строительстве. Часть 1

Особую группу составляют высокопрочные, высокоэластичные и ударостойкие покрытия, которые одновременно стойки к химическим воздействиям и защищают конструкции от коррозии.

В массовом масштабе освоен выпуск суперпрочных, водостойких, многократно используемых клейких лент для промышленного применения. Их «конструкция» подсмотрена в живой природе и воспроизводит присоски гекконов.

Суперпрочная, водостойкая, многократно используемая клейкая лента для промышленного применения

Природа предоставляет безграничные возможности для совершенствования строительных материалов. Так, например, добавление в бетон с водой затворения определенного вида анаэробных микроорганизмов (типичный нанообъект) позволяет резко снизить проницаемость цементно-песчаной матрицы за счет кольматации пор продуктами их жизнедеятельности и до 25% повысить ее прочность. Недалек день, когда реализуется «голубая мечта» всех исследователей, работающих в области строительного материаловедения – за счет направленной кристаллизации кальциевых солей из органоминерального геля будут получены гибридные биоматериалы, имитирующие раковины моллюсков.

Нанотехнологии играют все большую роль в решении многих проблем, связанных с охраной окружающей среды.

Так, интересен уже достаточно богатый опыт применения сенсибилизированного на основе нанотехнологий диоксида титана. Под воздействием ультрафиолета модифицированный TiO2 работает как фотокатализатор, выделяя атомарный кислород из паров воды или атмосферного кислорода. Выделенного активного кислорода достаточно для окисления и разложения органических загрязнений, дезодорирования помещений, уничтожения бактерий.

Это обусловливает все большее практическое применение фотокатализаторов на основе нано-TiO2 в самых различных областях, в част-