Развитие нанотехнологий в строительстве -актуальнейшая задача ученых и инженеров

МОДИФИКАЦИЯ АНГИДРИТОВЫХ КОМПОЗИЦИЙУЛЬТРА- И НАНОДИСПЕРСНЫМИ ДОБАВКАМИ

Актуальность работы

При современных требованиях к качеству строительных материалов возникает потребность в материалах с относительно низкой себестоимостью, с невысокими затратами на производство, по качеству не уступающих существующим аналогам. Также большое внимание уделяется вопросу экологичности применяемых при строительстве материалов. Так, при производстве цементных вяжущих происходит существенный

А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров выброс углекислого газа в атмосферу. Кроме того, применение вяжущих на основе ангидрита, как природного, так и техногенного происхождения, позволяет снизить энерго- и трудозатраты на производство композиционных строительных материалов.

Существует целый спектр дисперсных материалов, которые могут быть использованы в качестве добавок, обладающих модифицирующими свойствами и позволяющих значительно улучшить структуру и физико-технические свойства традиционных вяжущих. Такими современными модификаторами являются ультрадисперсные порошки различного генезиса, а также углеродные структуры нанометровых размерностей, природа влияния которых на минеральные вяжущие композиции недостаточно изучена.

Поэтому разработка ангидритовых композиций, модифицированных ультра- и нанодисперсными системами, способствующими повышению физико-механических свойств, является актуальной научной и прикладной задачей.

Диссертационная работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009–2010 гг.), проект ВНП-Я/09 «Научные основы структурообразования и исследование физико-технических свойств композиционного материала на основе ангидритового вяжущего, модифицированного углеродными наносистемами» регистрационный номер 2.1.2/1542.

Целью диссертационной работы является исследование процессов структурообразования и свойств ангидритовых композиций, модифицированных ультра- и нанодисперсными системами. Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• 1.    проанализировать известные способы активации ангидритового вяжущего, использующиеся в стране и за рубежом, выбрать оптимальный метод активации ангидрита с известным минералогическим составом;

• 2.    обосновать закономерности структурной организации в процессе гидратации ангидритовых композиций, модифицированных ультра-дисперсными порошками и углеродными наносистемами;

• 3.    исследовать процессы стабилизации углеродных наноструктур и их взаимодействие с вяжущим на основе ангидрита с последующей

• 4.    подобрать оптимальные ультра- и нанодисперсные модификаторы структуры ангидритовых вяжущих;

• 5.    исследовать структуру и свойства ангидритовых вяжущих, модифицированных ультра- и нанодисперсными системами, методами физико-химического анализа;

• 6.    разработать составы на основе модифицированного ангидритового вяжущего для практического использования.

А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров разработкой технологии получения суспензий и дисперсий для введения их в состав ангидритовых композиционных материалов, обеспечивающих равномерное распределение в объеме композита;

Научная новизна

• 1.    Установлен механизм направленного формирования морфологических изменений новообразований ангидритового камня под воздействием ультра- и нанодисперсных систем, обеспечивающих структурную организацию кристаллогидратов с повышенной плотностью структуры. Структурообразование ангидритовых вяжущих матриц обеспечивается за счет формирования пленочных новообразований по поверхности добавок, придающих ангидритовому камню повышенную прочность.

• 2.    Установлено, что эффективность структурирования повышается с понижением степени дисперсности от ультрадисперсных (ниже 10 мкм) до нанодисперсных образований (1015 нм), при этом оптимальное содержание ультрадисперсных добавок составляет 7%, наноди-сперсных – 0,0024% от массы ангидритового вяжущего.

• 3.    Исследована квантово-химическая модель, доказывающая возможность углеродных наносистем трансформировать кристаллогидраты ангидритового вяжущего в новообразования с новой морфологией.

• 4.    Обоснована зависимость физико-технических характеристик ангидритовой композиции от морфологии малодефектных кристаллогидратных новообразований, формирующихся при модификации вяжущей матрицы сверхмалыми (0,0024%) количествами многослойных углеродных нанотрубок, обеспечивающих создание ангидритовой матрицы повышенной плотности и прочности.

А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров

Практическая значимость работы

• 1.    Разработаны составы с активатором твердения природного и техногенного ангидрита на основе сульфатно-щелочной активации, включающим гидросульфит натрия, портландцемент (соответственно 1% и 2% от массы вяжущего).

• 2.    Разработана методика получения дисперсий с использованием гидродинамической кавитации водного раствора суперпластификатора С-3 с многослойными углеродными нанотрубками диаметром 1015 нм.

• 3.    Предложены составы ангидритовых композиций, модифицированные введением ультрадисперсных добавок, такими как глиноземистая смесь, шунгит, карфосидерит, обожженая глина, рубленое супертонкое базальтовое волокно.

• 4.    Впервые предложены составы ангидритовых композиций, модифицированные нанодисперсными добавками в виде углеродных пластинчатых нанообразований (графены), многослойных углеродных нанотрубок.

• 5.    Предложен способ диспергации углеродных наноструктур методом гидродинамической кавитации в сочетании с поверхностно-активными добавками, обеспечивающими стабильность получаемых дисперсий при хранении в течение длительного времени, до 7 суток, без коагуляции нанодисперсных модифицирующих добавок.

Достоверность результатов исследований обеспечена использованием действующих государственных стандартов, нормативных документов и поверенного оборудования, применением современных методов исследования (химического, рентгенофазового, дериватографического, оптико- и электронно-микроскопического анализов), физико-механическими испытаниями и воспроизводимостью результатов при большом объеме экспериментов.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены и доложены на международных и российских конференциях и семинарах: на XVI, XVII Международной конференции «Ibausil» по строительным материалам (Германия, Веймар, 2006, 2010 гг.); на 59, 60 Республиканской научной конференции КГАСУ

А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров

(Казань, 2007–2008 гг.); на Юбилейной научно-технической конференции «Стройкомплекс–2008», «Стройкомплекс–2010» (Ижевск, 2008, 2010 гг.); на II Международной конференции «Nanotechnology for green and sustainable construction» (Египет, Каир, 2010 г.); на XV Академических чтениях РААСН, Международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии», где стала лауреатом Конкурса молодых ученых (Казань, 2010 г.); на V Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий» (Казань, 2010 г.); на II и III Международном форуме по нанотехнологиям RUSNANOTECH (Москва, 2009 г., 2010 г.).

Публикации

Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 17 научных публикациях, из них 3 – в рецензируемых научных журналах и изданиях по списку ВАК РФ.

Маева Ирина Сергеевна. Модификация ангидритовых композиций ультра- и нанодисперсными добавками: дис.... канд. техн. наук. Казань: Казан.гос. архитектур.-строит. ун-т. 2010. 154 с.

А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров

НАНОСТРУКТУРИРОВАННОЕ ПЕРЛИТОВОЕ ВЯЖУЩЕЕ И ПЕНОБЕТОН НА ЕГО ОСНОВЕ

Актуальность работы

Наиболее распространенным типом вяжущего на протяжении последнего столетия является цемент, который служит основным компонентом при производстве самого широкого спектра строительных материалов. Но, в связи с постоянным ростом цен и отрицательным влиянием его производства на экологию, возникает необходимость в переходе на использование бесцементных вяжущих негидратационного типа твердения на основе доступных сырьевых компонентов. Также достаточно актуальными являются проблемы энергосбережения и развития технологий по созданию эффективных теплоизоляционных материалов и конструкций.

Одним из путей решения данного комплекса проблем является переход на производство новых наноструктурированных вяжущих (НВ) и теплоизоляционных материалов на их основе.

Специфика наноструктурированных безклинкерных вяжущих негидратационного типа твердения позволяет использовать в качестве основного сырьевого компонента широкий спектр кремнеземсодержащих пород, что дает возможность адаптировать технологию получения вяжущего в различных регионах. Перспективными, с точки зрения сырья для производства НВ, являются эффузивные породы, изначально обладающие избыточным запасом внутренней энергии и, как следствие, высокой химической активностью.

Работа выполнялась в рамках: гранта Президента РФ для поддержки молодых российских ученых МД-2906.2007.8 «Методологические принципы проектирования композиционных вяжущих при использовании нанодисперных модификаторов с учетом типоморфизма сырья» на 2007–2008 гг.; программы «У.М.НИ.К.» по теме «Разработка теплоизоляционного материала на основе наноструктурированного вяжущего» при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере; тематического плана г/б НИР № 1.1.07 «Разработка фундаментальных основ получения композиционных вяжущих с использованием наносистем» на 2007–2011 гг.

А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров

Цель работы: разработка наноструктурированного перлитового вяжущего (НПВ) негидратационного твердения и теплоизоляционного пенобетона на его основе. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• •    разработка состава и оптимизация процесса получения НПВ;

• •    подбор комплексного пенообразователя с учетом особенностей вяжущего и разработка составов пенобетона на основе НПВ;

• •    подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований в производственных условиях.

Научная новизна

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения бесцементного наноструктурированного вяжущего на основе эффузивных кремнеземсодержащих пород кислого состава. Алюмосиликатное аморфизованное вещество с повышенным содержанием воды при минимальных энергозатратах позволяет синтезировать при мокрой механохимической активации вяжущие системы, имеющие высокую седиментационную устойчивость. Это возможно за счет содержания нанодисперсного компонента и формирования при помоле золя, а затем геля алюмокремниевой кислоты, с последующим структурообра-зованием по полимеризационно-поликонденсационному механизму.

Установлена возможность получения наноструктурированных вяжущих перлитового состава с необходимым разжижением системы на стадии помола, что позволяет повысить эффективность процесса минерализации при получении пенобетона. Вяжущее обладает тиксотропным характером течения, переходящим в ньютоновское без дополнительного комплексного модифицирования. Данное явление обусловлено формированием саморегулирующейся системы за счет присутствия в сырье, наряду с кремнеземом, минеральных фаз, содержащих ионы щелочных металлов и глинозем.

Предложен механизм оптимизации НПВ при введении рационального количества лимонной кислоты, заключающийся в гидрофилизации поверхности частиц вяжущего и снижении потенциала в присутствии модификатора за счет наличия полярных групп, что сопровождается снижением поверхностного натяжения на границе раздела фаз и пеп-

А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров тизацией до первичных агрегатов. Снижение энергии коагуляционного контакта до величины, сравнимой с энергией теплового движения, приводит к повышению агрегативной устойчивости системы, изменению реологического характера течения со структурированного на ньютоновский.

Выявлена корреляция между уровнем шума, издаваемого мельницей при производстве НВ, и кинетикой помола сырья, заключающийся в том, что установившийся уровень шума соответствует режиму неэффективного помола. Этот факт позволяет регулировать время загрузки материала, что обеспечивает снижение энергозатрат на производство вяжущего, уменьшает технологический период перехода на новый вид сырья, а также дает возможность осуществлять контроль технологического процесса.

Практическое значение

Разработаны составы для производства седиментационно-устойчивого наноструктурированного вяжущего на основе перлитовых пород методами мокрого механохимического синтеза и суспендирования. Установлено рациональное количество добавки лимонной кислоты 0,0025–0,01%.

Разработана система мониторинга и поддержки принятия решения процесса производства НВ на основе анализа шума, издаваемого мельницей, с целью регулирования кинетики получения вяжущего на основе различных сырьевых компонентов и управления технологией производства НВ, что позволяет снизить энергозатраты на 15–20%.

Разработан состав комплексного пенообразователя, составными частями которого являются протеиновый (Green Froth – 0,12–0,39%) и синтетический (Ареком-4 0,21–0,28%) пенообразователи, концентрация которых варьируется в зависимости от требуемых характеристик пенобетона на основе НПВ и технологии получения вяжущего.

Предложены составы пенобетона на основе разработанного вяжущего, позволяющие получать теплоизоляционный пенобетон с плотностью 300–500 кг/м3, пределом прочности при сжатии 1–2,5 МПа, теплопроводностью 0,08–0,1 Вт/(моC).

Предложена технология производства НПВ и пенобетона на его основе.

( к содержанию з

А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров

Внедрение результатов исследований

Апробацию полученных результатов в промышленных условиях осуществляли на предприятии ООО «Буржелезобетон» республики Бурятия.

Для внедрения результатов научно-исследовательской работы разработаны следующие нормативные документы:

• •    рекомендации по применению наноструктурированного перлитового вяжущего для производства пенобетона по СТО 02066339-0042010;

• •    стандарт организации СТО 02066339-004-2010 «Наноструктури-рованное перлитовое вяжущее и теплоизоляционный пенобетон на его основе»;

• •    технологический регламент на производство пенобетонных блоков на основе наноструктурированного перлитового вяжущего для стеновых конструкций в индивидуальном жилищном домостроении. Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», специализации «Наносистемы в строительном материаловедении», а также магистров по направлению 270100.68 «Строительство» и по магистерской программе «Технология строительных материалов, изделий и конструкций» (Наносистемы в строительном материаловедении). Результаты были использованы при подготовке лекционного курса и лабораторных занятий для слушателей образовательной программы профессиональной переподготовки, ориентированной на инвестиционные проекты ГК «РОСНАНОТЕХ» по теме «Производство бесцементных наноструктурированных вяжущих негидратационного твердения и композиционных материалов строительного и специального назначения на их основе» № 1/10 от 11.01.2010.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы представлены на: Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество,

А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров энерго- и ресурсосбережение» (Якутск, 2008, 2009); XIII Международном научном симпозиуме им. академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр: комплексное использование минерального сырья» (Томск, 2009); XV Академических чтениях РААСН (Казань, 2010); Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов» (Белгород, 2010); «Селигер–2010», смене «Инновации и техническое творчество» (Тверская обл., 2010).

Публикации

Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 10 научных публикациях, в том числе 2 статьи – в научных журналах по списку ВАК РФ. Подана заявка на патент № 2008142460 и получено положительное решение о выдаче патента от 04.06.2010. На сырьевую смесь для изготовления пенобетона на нанострукгурированном перлитовом вяжущем подана заявка на пат. № 2010140241(057709), приоритет от 04.10.2010.

Мирошников Евгений Владимирович. Наноструктурированное перлитовое вяжущее и пенобетон на его основе: дис.... канд. техн. наук. Белгород: гос. технол. ун-т им. В.Г. Шухова. 2010. 155 с.

Редакция Интернет-журнала «Нанотехнологии в строительстве» предлагает кандидатам и докторам наук опубликовать результаты своих исследований в издании по следующей тематике [2]:

• •    разработка теории формирования прочности и проницаемости наноструктурированных систем;

• •    математические квантовые и другие виды моделей для исследования свойств наноматериалов;

• •    проблемы применения наноматериалов и нанотехнологий в строительстве и строительных материалах;

• •    технологические принципы создания наноструктур (расплавы, золь-гелевый синтез и др.);

• •    создание новых функциональных материалов в строительстве;

• •    разработка принципов перехода «беспорядок-порядок» при создании композитов с использованием синергетики и других подходов;

• •    изучение различных технологических принципов при создании наносистем в промышленном производстве;

• •    диагностика наноструктур и наноматериалов строительных систем;

• •    проблемы получения высокоплотных и высокопрочных строительных материалов (бетоны, керамика и др.);

• •    технологии измельчения минеральных частиц до наноразмер-ных уровней;

• •    технология перемешивания смесей с нанодисперсными частицами и методы их активации;

• •    гидродинамические и другие методы активации водных суспензий и растворов;

• •    модификация водных растворов различных наноразмерных добавок, используемых в строительстве;

• •    исследование в области токсичности порошковых наноматериалов;

• •    металлическая арматура, модифицированная в процессе изготовления наноразмерными материалами;

• •    волокна углеродные, базальтовые, арамидные и другие малых диаметров с наноразмерными структурными характеристиками;

• •    цементные и другие вяжущие с минеральными и органическими добавками;

• •    бетоны и растворы, модифицированные наноразмерными добавками;

• •    суспензии минеральных частиц, используемые для лаков, красок, а также модификаторов к бетонам и растворам, свойства, технология их приготовления и живучесть;

• •    дисперсии органических материалов, используемые для изготовления лаков и красок, а также добавок для бетонов и растворов, методы их активации и живучесть;

• •    применение нанопорошков различной природы для модификации свойств строительных материалов;

• •    новые свойства строительных материалов на основе наносистем;

• •    модифицирование строительных материалов нановолокнами;

• •    дисперсные композиционные материалы с нанопокрытием;

• •    формирование наноструктурных покрытий лазерным напылением;

• •    разработка методов исследования наноструктуры материалов на основе дисперсных систем, в том числе исследования нанообъектов пустоты в пористых системах;

• •    технологии исследования свойств наноматериалов;

• •    системы преподавания основ нанотехнологий.

Тематика статей может быть и иной, прямо или косвенно свя занной с перечисленными выше направлениями.

Уважаемые коллеги!

При использовании материала данной статьи просим делать библиографическую ссылку на неё:

Карпов А. И. Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. М.: ЦНТ «НаноСтроительство». 2013, Том 5, № 1. C. 42–55. URL: (дата обращения: ______________).

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format:

Karpov A.I. Development of nanotechnologies in construction – a task which is of great importance for scientists and engineers. Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal, Moscow, CNT «NanoStroitelstvo». 2013, Vol. 5, no. 1, pp. 42–55. Available at: (Accessed _____________). (In Russian).