Технический прогресс промышленного производства неразрывно связан с разработкой и использованием новейших материалов, создание и использование которых невозможно без знаний химических свойств, состава, строения и структуры веществ.
Термин «нанотехнология» произошел от слова «нанометр», или миллимикрон – единица измерения длины, равная одной миллиардной доле метра.
Одна из отраслей промышленности, где нанотехнологии развиваются достаточно интенсивно – это строительство. Естественно, что основные разработки в этой области должны быть направлены на создание новых, более прочных, легких и дешевых строительных материалов, а также улучшение уже имеющихся материалов: металлоконструкций и бетона за счет их легирования нанопорошками.
В настоящее время в строительстве под нанотехнологией понимают использование нанодобавок и нанопримесей, то есть нанообъектов в виде специально сконструированных наночастиц, частиц наномасштаба с линейным размером менее 100 нм
Свойства наноматериалов определяются природой исходных молекул, размером наночастиц (степенью диспергирования) и средой диспергирования.
В строительстве под нанотехнологией понимают использование нанодобавок и нанопримесей, то есть нанообъектов в виде специально сконструированных наночастиц, частиц наномасштаба с линейным размером менее 100 нм.
Более приемлемыми для модифицирования технологии и свойств строительных композитов оказываются наночастицы и нанопорошки, такие как, например:
углеродные нанотрубки;
шунгит;
серпентинитовые и магнезиальные породы;
таурит;
диоксиды металлов.
Для цементных композитов нанообъектами первого уровня являются частицы с размером от 1 до 20 нм, и второго уровня – от 21 до 100нм.
Для наномодифицированных керамзитобетонов характерно:
-сверхвысокая прочность при сжатии;
-низкая проницаемость;
-повышенная коррозионная стойкость;
-долговечность;
-низкая плотность;
-высокая морозостойкость;
-высокая огнестойкость.
Особенно эти свойства важны при использовании наномодифицированного керамзитобетона в несущих элементах зданий и сооружений.
Первые промышленные опыты производства наномодифицированных керамзитобетонных смесей приведены в таблице 1.
Таблица 1
Сравнительные характеристики бетонных смесей и бетонов
|
Характеристики состава |
Осадка конуса, см |
Предел |
||||||||||||||||||
|
Марка |
бетонной смеси (В/Ц = |
прочности |
||||||||||||||||||
|
через |
||||||||||||||||||||
|
№ |
бетонной |
0,45) |
при |
|||||||||||||||||
|
состава |
смеси и |
сжатии в |
||||||||||||||||||
|
Расход |
Вид и |
|||||||||||||||||||
|
класс |
возрасте |
|||||||||||||||||||
|
цемента |
количество |
0 ч |
1 ч |
3 ч |
||||||||||||||||
|
бетона |
28 сут., |
|||||||||||||||||||
|
(ПЦ500 |
добавки, |
|||||||||||||||||||
|
3 |
МПа |
|||||||||||||||||||
|
Д0), кг/м |
масс. % |
|||||||||||||||||||
|
1 |
П4, В30 |
405 |
Лигнопан |
18,0 |
16,0 |
12,0 |
38,7 |
|||||||||||||
|
Б1, 1,1 |
||||||||||||||||||||
|
2 |
П4, В30 |
370 |
18,0 |
16,5 |
14,0 |
39,0 |
||||||||||||||
|
Muraplast |
||||||||||||||||||||
|
3 |
П4, В30 |
370 |
Расплыв конуса 50см |
42,0 |
||||||||||||||||
|
FK-63, 0,4 |
||||||||||||||||||||
|
4 |
П4, В30 |
315 |
19,0 |
18,0 |
16,0 |
40,0 |
||||||||||||||
Примечание: бетонные смеси составов 1 и 2 приготовлены на воде без наномодификатора; бетонные смеси составов 3 и 4 приготовлены на наноструктурированной воде.
Из таблицы 1 следует, что бетон с применением наномодификаторов позволяет: снизить расход цемента; уменьшить расход добавки; увеличить время сохранения подвижности бетонной смеси.
Если наночастицы использовать с ПАВ, эффект модификации усиливается. Это позволяет сократить не только количество цемента, но и концентрацию наномодификаторов и пластификаторов
Таблица 2
Составы наномодифицированных керамзитобетонов [3]
|
Класс |
Расходы компонентов |
Фактическая марка |
||||||||||||||||||||||||
|
бетона по |
Суперплас |
По |
По |
|||||||||||||||||||||||
|
прочноти |
||||||||||||||||||||||||||
|
Портланд |
тификатор |
Крупный |
Мелкий |
водонеп |
||||||||||||||||||||||
|
морозо- |
||||||||||||||||||||||||||
|
на сжатие |
Вода л/м3 |
|||||||||||||||||||||||||
|
цемент |
, % от |
заполните |
заполните |
рони- |
||||||||||||||||||||||
|
стойкост |
||||||||||||||||||||||||||
|
(Марка по |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
массы |
ль кг/ м |
3 |
ль кг/ м |
3 |
цаемост |
|||||||||||||||||||
|
и |
||||||||||||||||||||||||||
|
подвижно |
||||||||||||||||||||||||||
|
цемента |
и |
|||||||||||||||||||||||||
|
сти) |
||||||||||||||||||||||||||
|
В30 (П4) |
380 |
165 |
1,00 |
1060 |
800 |
W8 |
F300 |
|||||||||||||||||||
|
340 |
155 |
0,40 (с |
1100 |
820 |
W12 |
F400 |
||||||||||||||||||||
|
Н.М.) |
||||||||||||||||||||||||||
|
415 |
170 |
1,10 |
1070 |
760 |
W10 |
F300 |
||||||||||||||||||||
|
В35 (П4) |
||||||||||||||||||||||||||
|
380 |
160 |
0,40 (с |
1090 |
790 |
W14 |
F400 |
||||||||||||||||||||
|
Н.М.) |
||||||||||||||||||||||||||
|
450 |
165 |
1,10 |
1080 |
730 |
W12 |
F400 |
||||||||||||||||||||
|
В40 (П4) |
||||||||||||||||||||||||||
|
415 |
150 |
0,42 (с |
1120 |
750 |
W16 |
F600 |
||||||||||||||||||||
|
Н.М.) |
||||||||||||||||||||||||||
Из таблицы 2 видно, что при использовании наномодификатора, количество используемого цемента и пластификатора значительно уменьшается, что непосредственно ведет к немалой экономии. К тому же повышается марки по водонепроницаемости и морозостойкости.
В качестве примера возьмём «Нанобетон лёгкий» ТУ-5789-027-23380399. Он обладает следующими характеристиками:
- плотность бетона, ρ, 1,2-1,6 [т/м3];
- прочность на сжатие, 30-60 [мпа];
- прочность на растяжение при изгибе,4-8 [мпа];
- теплопроводность – менее 0,2 – 0,4 вт/(м·к);
- водопоглощение не более 0,4%;
- водонепроницаемость – w20;
- огнестойкость – более 780ºс;
- морозостойкость – f300 – f350 [4].
По своим прочностным свойствам «нанобетон лёгкий» соответствует бетону В30…В40, ρ, 2,4 [т/м3]
«Наночастицы получаются в реакторе и имеют пяти- шестигранную поверхность. В зависимости от структуры их называют фуллеренами, кластерами и нанотрубками. Ведутся разработки по получению кремнеземистых и глиноземистых наночастиц. Углеродные наночастицы готовят в лабораториях газопламенным способом при температурах (650º-750ºC)».
Вводить наномодификаторы можно как в бетонную смесь, так и в пластифицирующие добавки, что существенно увеличит их эффективность.
В данной работе рассмотрены зависимости прочностных характеристик от конкретных минеральных добавок к бетону, а также влияния на другие свойства бетона.
1. Золь-гель как добавка в керамзитобетон
Суть золь-гель метода заключается в процессе образовании геля или порошковых дисперсий через стадию золя, при этом возможно получение кремнеземистых наночастиц. Структуру золя используют для создания дополнительного упрочняющего структурного элемента в бетонной смеси, который получается из жидкого натриевого стекла и предтавляет собой наночастицу кремния, которая переходит при реакции с Ca(OH)2 в гидросиликат кальция. Это существенно сокращает количество пор больше 1 нм.
2. Нанодисперсный кремнезем
Свойства нанодисперсного кремнезема:
Увеличивает прочность до 2,5 раз;
Снижает усадку и водопоглощение в 1,5-2 раза;
Повышает марку по морозостойкости в 2-2,5 раз;
Снижает расход цемента на 25-30% без потери прочности;
Снижает энергоёмкость производства бетонов на 15-20%;
Ускоряет введение конструкций в эксплуатацию.
MБ-01
Модификатор бетона МБ-01 (модификатор МБ-01) представляет собой порошкообразный продукт на органо-минеральной основе, содержащий в своем составе микрокремнезем конденсированный и пластификатор I группы по ГОСТ 24211 – пластификатор С-3
Рис. 1. Прочность бетона с MБ-01 при сжатии в 28 суток нормального твердения
- Микросферы
Применение микросфер позволяет получить составы с плотностью до 800 кг/м3, и при этом прочностные характеристики сильно могут достигать показателей 40-45 МПа. Если модифицировать микросферу с помощью наноразмерных добавок можно увеличить удельную прочность бетонов до 85%. В таблице приведены значения удельной прочности с использованием наночастиц в сочетании с микросферами.
Таблица 4
Удельная прочность наномодифицированных легких бетонов
|
№ п/п |
Наименование модификатора |
Rуд, МПа |
|
1 |
Углеродные нанотрубки |
50,1 |
|
2 |
Астралены |
40,8 |
|
3 |
Золь гидроксида железа |
45,4 |
|
4 |
Комбинированный модификатор на основе золь гидроксида железа и золь кремниевой кислоты |
48,9 |
Из таблицы 4 следует, что значительное увеличение удельной прочности позволяет классифицировать керамзитобетоны на полых стеклянных микросферах как особовысокопрочные легкие бетоны. Использование карбоновых нанотрубок в качестве армирующего материала позволяет переместить укрепляющие характеристики с макроскопического на наноскопический уровень.
Вывод
- С помощью наномодифицированных добавок можно управлять важнейшими свойствами бетона, такими как: прочность, плотность, пластичность, морозостойкость, проницаемость.
- Себестоимость бетона с использованием наномодифицированных добавок дороже обычного, но за счёт его низкой плотности при достаточно высокой прочности можно уменьшать себестоимость возводимых сооружений.
- Экономия также проявляется и в сокращении количества используемого цемента и пластификаторов
- Применение наноразмерных добавок уже распространено и в России. Но все ещё необходимы дополнительные многостадиальные исследования по многовариантному использованию наномодифицированных добавок к бетону в строительстве.
Литература:
- Пономарев А.Н. Высококачественные бетоны. Анализ возможностей и практика использования методов нанотехнологии // Инженерно-строительный журнал. 2009. №6. С. 25–33.
- Ковалева А. Ю., Беляева Ж. В., Аубакирова И. У, Староверов В. Д. Опыт промышленного применения наномодифицированных бетонных смесей [Электронный ресурс] // Весь бетон, 22.10.2008 URL: http://www.allbeton.ru/article/265/18.html (дата обращения: 25.02.2014).
- Коррозионностойкие наномодифицированные цементные бетоны / Пухаренко Ю. В., Аубакирова И. У., Староверов В. Д., Гюннер Т. В., Кудобаев М. К. // Технологии бетонов. 2010. № 7/8. С. 24-27.
- Иноземцев А.С, Королев Е.В. Основы разработки наномодифицированных высокопрочных легких бетонов // Нанотехнологии в строительстве, 2013. Том.23. №1. 24 с.
