Развитие нанотехнологий в строительстве - актуальнейшая задача ученых и инженеров

НАНОМОДИФИЦИРОВАННЫЕ КОМПОЗИТЫ СТРОИТЕЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭПОКСИДИАНОВОЙ СМОЛЫ

Актуальность работы

В настоящее время эпоксидные связующие и композиты применяются в строительной промышленности в качестве клеевых, изолирующих, ремонтных и защитных материалов, а также в качестве связующих полимербетонов. В то же время существуют факторы, сдерживающие их широкое использование в строительных технологиях, связанные с недостаточной устойчивостью и стабильностью свойств, высокими

А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров токсическими характеристиками в неотвержденном состоянии, низкой экологичностью, связанной с миграцией не полностью прореагировавших мономеров и летучих продуктов и некоторые другие факторы.

Перспективным направлением повышения устойчивости и качества эпоксидных связующих и наполненных композитов является способ структурной модификации малыми добавками мономолекулярных и олнгомерных соединений эпоксидного связующего, поскольку свойства наполненных композитов, в основном, определяются свойствами связующей полимерной матрицы. Улучшение экологических характеристик эпоксидных связующих и композитов холодного отверждения связано с выбором нетоксичного отвердителя.

Данная работа посвящена разработке новых эффективных экологически безопасных эпоксидных связующих и композитов холодного отверждения с улучшенными эксплуатационными свойствами на основе эпоксидианового олигомера (ЭД-20), экологически безопасного отвердителя на основе льняного масла (Л-20) и комплексной модифицирующей кремнийсодержащей добавки – полиэтиленсилоксан + нанодисперсный пирогенный аморфный кремнезем (ПЭС-5 + НДК), предназначенных для реставрации, ремонта и защиты от коррозии металлических, бетонных, железобетонных и прочих строительных конструкций, а также для изготовления наполненных строительных композитов.

Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 гг.» по программе «Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и формированию научно-технического задела в области создания и обработки полимеров и эластомеров» (№ 2009-03-1.3.26-01-114).

Цель работы — разработка нетоксичных эпоксидных связующих и композитов ремонтного и защитного назначения и наполненных строительных материалов с улучшенными экологическими и эксплуатационными характеристиками и повышенной коррозионной устойчивостью. Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

• •    разработка составов модифицированных эпоксидных связующих и композитов для строительных работ с улучшенными экологическими свойствами, повышенными физико-механическими харак-

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

теристиками и стойкостью к окислительной деструкции, к химически и биологически агрессивным средам;

• •    разработка способа структурной модификации эпоксидного связующего с помощью комплекса микродобавок кремнийсодержаших соединений с целью регулирования надмолекулярной структуры и снижения ее дефектности;

• •    выявление механизма влияния модифицирующих кремнийсодер-жаших добавок на свойства связующих и композитов и установление зависимостей в ряду состав–структура–свойства на комплекс характеристик эпоксидных связующих и наполненных строительных композитов;

• •    исследование физико-механических, физико-химических, эксплуатационных характеристик, биологической стойкости, токсических характеристик разработанных новых составов модифицированных эпоксидных связующих и композитов;

• •    разработка новой и модернизация существующих технологий получения эпоксидных связующих и наполненных строительных композитов на их основе с учетом предложенных модификаций. Разработка соответствующей нормативной документации – технологического регламента и рекомендаций по использованию модифицированных эпоксидных связующих и композитов.

Научная новизна

Установлен механизм формирования упрочненной структуры эпоксидного (ЭД-20 + Л-20) связующего в присутствии наноструктурирующей комплексной микродобавки, заключающийся в том, что органоминеральная кремнийсодержащая добавка за счет физико-химического взаимодействия функциональных полярных групп и развитой поверхности нанодисперсного пирогенного аморфного кремнезема регулирует структуру эпоксидного связующего, меняет соотношение гетерогенных фаз, увеличивает устойчивость системы, влияет на пространственную ориентацию макромолекул в процессе полимеризации. Это способствует формированию более упорядоченной надмолекулярной структуры с меньшим количеством дефектов.

Выявлены закономерности влияния малых количеств кремнийсодержащих микродобавок на параметры формирования структуры

А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров и свойства эпоксидного связующего и наполненных композитов на его основе. Модификация эпоксидиановой смолы комплексной наноструктурирующей кремнийсодержащей добавкой в количествах от 0,5 до 2,5 мас.% повышает прочностные и улучшает эксплуатационные характеристики связующего и наполненных композитов в среднем на 15– 25% за счет регулирования надмолекулярной структуры, уменьшения количества дефектов и снижения внутренних напряжений.

Доказано, что токсичность разработанного модифицированного связующего снижается, как за счет использования экологически безопасного отвердителя, так и за счет уменьшения дефектности структуры и пористости, уменьшения миграции во внешнюю среду не прореагировавших компонентов связующего и продуктов деструкции.

Практическая значимость работы

Разработаны составы не токсичных и экологически безопасных связующих и композитов для ремонта металлических, бетонных и железобетонных строительных конструкций на основе модифицированной эпоксидиановой смолы ЭД-20 и отвердителя Л-20, отличающиеся использованием в качестве модифицирующей комплексной наноструктурирующей кремнийсодержащей микродобавки ПЭС-5 и НДК. При этом экспериментально доказано, что введение указанных добавок в эпоксидное связующее в установленном оптимальном количестве 0,5–2,5 мас.% позволяет улучшить комплекс характеристик композита и продлить сроки эксплуатации строительных изделий и конструкций.

Для производства ремонтных и профилактических работ с целью защиты строительных конструкций от коррозии апробированы и внедрены в производство: технологический регламент, рекомендации по использованию и составы модифицированных эпоксидных связующих и наполненных композитов с улучшенными токсическими и экологическими свойствами, повышенными физико-механическими, физикохимическими характеристиками, повышенной биостойкостью.

Установлено, что в кислых и щелочных средах химическая стойкость модифицированных эпоксидных связующих и наполненных композитов увеличивается за счет снижения коэффициентов сорбции, диффузии и проницаемости, в среднем, на 10–15% и увеличивается их биологическая стойкость за счет формирования более совершенной (ме-

А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров нее дефектной) и более упорядоченной структуры и повышения гидрофобности поверхности.

Результаты проведенных исследований позволили апробировать и внедрить в производство следующие технологии:

• •    ремонта и реставрации бетонных и железобетонных строительных конструкций с помощью модифицированных эпоксидных составов;

• •    ремонта и антикоррозионной защиты металлических деталей и поверхностей конструкций витрин холодильных установок.

Для масштабного внедрения результатов работы в строительные технологии разработаны следующие нормативные документы:

• 1.    Технологический регламент на производство ремонтных работ и антикоррозионную защиту металлических конструкций холодильных установок.

• 2.    Рекомендации по использованию антикоррозионных составов для защиты бетонных и железобетонных конструкций от коррозии и биоповреждений.

Эффективные антикоррозионные и ремонтно-реставрационные составы на основе модифицированных эпоксидных олигомеров и технологические регламенты на приготовление и применение указанных составов внедрены на предприятиях г. Белгорода: ООО «Айсберг», ООО «Литье Белогорья», а также использованы при выполнении реставрационных работ в БГТУ им. В.Г. Шухова.

Теоретические положения диссертационной работы и результаты экспериментальных исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям 270106, 270114 и 290300 – Промышленное и гражданское строительство, 290500 – Городское строительство и хозяйство, что отражено в учебных программах дисциплины «Строительные материалы и изделия» и «Защита строительных конструкций от коррозии» в БГТУ им. В.Г. Шухова и БИЭИ (Белгородском инженерно-экономическом институте).

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных, научно-технических и научно-практических конференциях: Международной научно-практической конференции

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

РАЕ «Современные наукоемкие технологии» (Испания, о. Тенерифе, 2007 г.); 4-й Международной заочной научно-практической конференции «Составляющие научно-технического прогресса» (Тамбов, 2008 г.); Международной научно-практической конференции «Новые энерго-и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов» (Пенза, 2008 г.); III Международной научной конференции «Фундаментальные исследования» (Доминиканская Республика, апрель, 2008 г.); Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Молодые исследователи – регионам» (Вологда, 2009 г.); Научной сессии Третьих Воскресенских чтений «Полимеры в строительстве» (Казань, 2009 г.).

Публикации

Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 9 научных публикациях, в том числе 1 статья – в издании, рекомендованном ВАК РФ для соискателей ученых степеней по данной специальности. На композитное связующее подана заявка на патент № 2010103944/04(005557) приоритет от 08.02.2010.

Чеботарева Екатерина Геннадьевна. Наномодифицированные композиты строительного назначения с использованием эпоксидиановой смолы : дис.... канд. техн. наук. Белгород: Белгород. гос. тех-нол. ун-т им. В.Г. Шухова. 2010. 189 с.

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

ПЕНОБЕТОНЫ НЕАВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯНА ОСНОВЕ ДОБАВОК НАНОРАЗМЕРА

Актуальность работы

Актуальность работы связана с необходимостью повышения основных технико-эксплуатационных характеристик неавтоклавных пенобетонов: прочности, категории качества, теплозащищенности и долговечности, которые взаимосвязаны со свойствами пен, такими, как устойчивость.

Среди идей повышения качества пенобетона могут быть выделены следующие: стабилизация пены с использованием добавок – стабилизаторов пены, а также обработка поверхности готовых пенобетонных изделий веществом, взаимодействующим с составляющими пенобетонного камня. В этой связи применение неорганических добавок наноразмера обосновано тем, что суммарная удельная поверхность их частиц наиболее близко соответствует толщине пленки пены, что важно и при стабилизации, и при обработке поверхности готовых пенобетонных изделий. Предлагаемая работа посвящена исследованию влияния стабилизации пены и обработки поверхности пенобетона добавками наноразмера на свойства пенобетонов и выполнена в продолжение и развитие современных трудов ученых отечественных школ Санкт-Петербурга, Белгорода, Воронежа, Уфы, Ростова-на-Дону, Пензы, Москвы, Екатеринбурга, Магнитогорска, зарубежных – Алма-Аты и др.

Работа выполнена при поддержке гранта № 3.13/04-05/022 Правительства Санкт-Петербурга.

Цель работы состояла в повышении физико-механических и физико-технических свойств неавтоклавных пенобетонов путем стабилизации пены и обработки их поверхности добавками наноразмера. Для достижения поставленной цели следовало решить следующие задачи:

• •    исследовать физико-механические и физико-технические свойства пенобетонов на основе стабилизированной пены и добавок-активаторов твердения;

• •    дать теоретическое обоснование стабилизации пены при использовании добавок наноразмера;

• •    дать теоретическое обоснование и исследовать физико-механиче-

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

ские свойства неавтоклавного пенобетона при обработке его поверхности добавками наноразмера;

• •    произвести апробацию полученных результатов исследования в промышленных условиях, осуществив выпуск опытно-промышленных партий пенобетона.

Научная новизна

Теоретически обоснована и экспериментально доказана эффективность стабилизации пены на протеиновой основе добавками наноразмера за счет образования пространственных кремне- и железопротеиновых комплексов, увеличивающих толщину пленки пены. Экспериментально доказано, что в случае стабилизации возрастает устойчивость пены, а также коэффициент стойкости пены в цементом тесте, что позволяет использовать добавки-ускорители без ее разрушения.

Установлено, что в присутствии стабилизированной пены отсутствует осадок пенобетонной смеси. Это позволяет получить теплоизоляционный пенобетон средней плотности D200 с пониженным коэффициентом теплопроводности.

Экспериментально доказано, что применение добавок-ускорителей – фторида натрия NaF, хлорида натрия NaCl и комплексной добавки на их основе – позволяет значительно улучшить прочность на сжатие и растяжение при изгибе, морозостойкость, теплопроводность, усадку при высыхании, а также категорию качества получаемых изделий из пенобетона средней плотности D400…D600 на основе стабилизированной пены. Установлено, что значения этих характеристик соответствуют нижней границе свойств автоклавных пенобетонов.

Экспериментально доказано, что в основе повышения категории качества пенобетонных изделий при обработке их поверхности добавками наноразмера лежит увеличение твердости поверхности, связанное со взаимодействием составляющих каменного скелета пенобетона с вводимыми добавками наноразмера.

Практическая ценность

• 1.    В результате теоретических и экспериментальных исследований были получены теплоизоляционные и теплоизоляционно-конструкци-

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

• 2.    Установлены границы концентраций используемых добавок наноразмеров, при которых устойчивость полученной пены возрастает до четырех раз, а коэффициент стойкости пены в цементном тесте – до 0,98. При приготовлении теплоизоляционного пенобетона средней плотности D200 на основе стабилизированной пены осадок смеси снижается до нуля, при этом значение коэффициента теплопроводности пенобетона составляет 0,04 Вт/(м^оС).

• 3.    Установлено, что стабилизированная пена не разрушается в пенобетонной смеси при применении добавок – электролитов и комплексной добавки на их основе. При этом, в возрасте 28 суток прочность на сжатие пенобетона средней плотности D400…D600 повышается до 50%, прочность на растяжение при изгибе – более, чем на 60%, марка по морозостойкости повышается до F35, количество выпускаемой продукции первой категории качества увеличивается на 23%, значение коэффициента теплопроводности снижается на один класс по средней плотности.

• 4.    Установлены границы концентраций используемых добавок наноразмеров, при которых обработка поверхности изделий из пенобетона средней плотности D400…D600 приводит к росту твердости поверхности до 29% и росту количества получаемых изделий первой категории качества – до 20%, за счет улучшения геометрии пенобетонных изделий.

• 5.    Внедрение результатов предложенной работы осуществлено на мини-заводах по производству неавтоклавного пенобетона в г. Старый Оскол, ООО «Пенобетонные технологи СОТИМ» и в г. Старая Русса, ООО «Декор-Строй». На территории этих заводов выпущены опытные партии неавтоклавного пенобетона различных средних плотностей на основе стабилизированной пены, а также изделия с обработанной добавками наноразмера поверхностью. Акты испытаний приведены в диссертации. Новизна решений диссертации защищена 4 патентами РФ, материалы диссертации используются в учебном курсе для строительных специальностей, по материалам диссертации создан проект ТУ.

онные пенобетоны средних плотностей D200, D400…D600 на основе стабилизированной пены с улучшенными физико-механическими и физико-техническими свойствами.

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

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Пенобетон 2007» (СПб, ПГУПС, июнь 2007 г.), на научно-технических конференциях «Неделя науки 2008, 2009 гг. «Шаг в будущее» (СПб, ПГУПС, 2008–2009 гг.), на XII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах» (май 2008 г.), на III Международной научнопрактической конференции «Популярное бетоноведение» (СПб, 2009), на IV Международной научно-технической конференции «Композиционные материалы», посвященной 80-летию чл.-корр. АН Украины Пащенко А.А. (Киев, май 2009 г.), на XVII Международной конференции IBAUSIL (Германия, Веймар, сентябрь 2009 г.), на I Международной научно-технической конференции НОР секция «Нанотехнологии в строительном материаловедении» (СПб, 2009 г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 20 научных работ в международных и отраслевых журналах и изданиях, в том числе 3 – по списку, рекомендуемому ВАК РФ, 4 патента РФ и одна монография.

Елисеева Наталья Николаевна. Пенобетоны неавтоклавного твердения на основе добавок наноразмера : дис.... канд. техн. наук. С.-Петерб.: гос. архитектур.-строит. ун-т. 2010. 178 с.

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

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, № 2. C. 43–54. 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. 2, pp. 43–54. Available at: (Accessed _____________). (In Russian).