Проблемы создания наноматериалов и развития нанотехнологий в строительстве

Б.В. ГУСЕВ Проблемы создания наноматериалов и развития нанотехнологий в строительстве

Общеизвестно, что при производстве наноструктурированных материалов изменяются параметры кристаллической решетки, температура плавления, многие механические и физико-химические характеристики. Главная причина такого явления – резкое увеличение соотношения площади поверхности к объему наночастиц, при этом возрастает число контактов и физико-химических взаимодействий между частицами.

В настоящее время существенно возросло количество публикаций, связанных с нанотехнологиями. В статье приводятся только ссылки на монографии отечественных ученых, что позволяет более оперативно начать дискуссию о проблемах и особенностях не типичных наноматериалов, а наноструктурированных многотоннажных материалов. В этом случае наноструктуры охватывают не весь объем материалов, а как бы образуют наноструктурный каркас. Поэтому нельзя ожидать получения эффекта максимальной теоретической прочности в массивных материалах, а только существенное увеличение их технических свойств в 2–3 раза.

Природная молекулярная нанотехнология собирала системы «снизу-вверх», чем обеспечила многообразие мира и само существование высшей формы материи – «живых организмов».

Искусственная нанотехнология создает наносистемы как «снизу-вверх», так и «сверху-вниз». Уже сейчас известны явления самоорганизации, однако при этом предварительно надо получить наноразмерные частицы [1, 2, 3].

Химические и физические технологии, безусловно, являются основными при получении нанодисперсных частиц (процессы растворения и поликонденсации, криогенные технологии, плазменный способ и многие другие) [4, 5, 6, 7]. По степени дисперсности предложено классифицировать сверхмелкозернистые материалы в зависимости от среднего размера зерен в нм следующим образом [5]: – тонкодисперсные материалы – 104–103;

– ультрадисперсные материалы – 103–102;

– наноматериалы – менее 102.

С точки зрения производительности и стоимости процесса производства многотоннажных материалов особое место занимают методы механического и механохимического измельчения, которые пока в промышленных масштабах позволяют получать тонкодисперсные частицы.

Б.В. ГУСЕВ Проблемы создания наноматериалов и развития нанотехнологий в строительстве

В настоящее время широкий спектр оборудования для измельчения, сепарации, перемешивания и деаэрации предлагает группа фирм Netzsch. Активные исследовательские работы проводят институты СО РАН [3].

В моей вступительной статье к электронному изданию «Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал» №1/2009 были перечислены некоторые основные направления развития нанотехнологий. Однако основной поток статей пока посвящен проблеме цементных бетонов. В связи с этим целесообразно попытаться сформулировать дискуссионную основу, рассматривая в качестве примера наноструктури-рованный мелкозернистый бетон.

В журналах «Промышленное и гражданское строительство», «Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века» были опубликованы материалы по силовым методам уплотнения мелкозернистых бетонов (вибропрессование, роликовое формование), которые обеспечивают прочность таких бетонов порядка 70 МПа.

В настоящее время завершаются исследования по использованию тонкомолотых наполнителей и наночастиц измельченного песка для обеспечения высокой плотности и прочности наноструктурированно-го бетона. Физическая модель такого бетона представлена на рис. а, в верхней и нижней части которого номером (1) обозначены частицы песка. Далее под номером (2) условно представлены частицы цемента, под номером (3) – тонкодисперсный наполнитель размером 0,5–1 мкм, а под номером (4) – наночастицы размером <  100 нм.

б)

а)

Наноструктурирование мелкозернистых бетонов

а) фрагмент наноструктурирования: 1 – частицы песка; 2 – частицы цемента;

3 – тонкомолотые частицы песка; 4 – измельченные частицы нанопеска б) фрагмент наноструктуры пространства между частицами цемента

^^^^^^^м 7

к содержанию 1

Б.В. ГУСЕВ Проблемы создания наноматериалов и развития нанотехнологий в строительстве

Количественное содержание наночастиц составляет порядка 5– 7 кг/м3. Не исключено использование наночастиц цемента вместо наночастиц песка. Как известно, тонкая дисперсность цемента приводит к высоким усадочным явлениям, однако сверхтонкое измельчение будет не для всего количества цемента (Ц = 400 кг/м3), а только для его ничтожной части. Поэтому вряд ли следует ожидать усадочных явлений, тем более величина В/Ц принимается менее 0,3.

Незавершенный эксперимент специально публикуется для того, чтобы положить начало дискуссии по основным подходам к наноструктурированию массивных систем. Конечно, задача изменится, если будут рассматриваться пленочные покрытия.

Еще раз хотелось бы подчеркнуть необходимость публикаций в увязке с нанотехнологиями, наноразмерными частицами. Это позволит приблизиться к созданию наноматериалов, решению важнейшей задачи – наноструктурированию систем. Для создания теории наноструктурирования хотелось бы также рекомендовать к использованию работы [8, 9].