НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ В БЕТОННЫХ СМЕСЯХ

Нанотехнологии обладают огромным потенциалом и способностями контролировать мир материалов, включая материалы на основе цемента. Это наука о чрезвычайно крошечных частицах, которая занимается изучением и использованием материалов и устройств, которые работают в невообразимом нанометровом масштабе, т.е., нанометр настолько мал, что мы не можем видеть что-либо такого размера без использования мощных микроскопов.

Развитие нанотехнологий позволяет решить ряд задач строительного материаловедения такие как: повышение прочности, долговечности, износостойкости и коррозионной стойкости, что определяет эксплуатационную надежность строительных конструкций. Как правило, это достигается за счет наночастиц, которые изменяют структуру и свойства существующих материалов или изделий. Теоретически и экспериментально доказано, что модифицированная вода обладает большей активностью вследствие изменения ионного состава, влияющего на рН уровень и другие параметры. Проведены эксперименты по изучению влияния наночастиц кремнезема, распределенных в объеме жидкости с помощью ультразвуковой обработки на характеристики цементно-песчаного раствора и тяжелого бетона. Установлено влияние нанодобавок на плотность, скорость развития прочности, конечную прочность при сжатии материалов на основе цемента в зависимости от массовой доли добавки.

Исследование внутренних характеристик в нано масштабе вещества, с целью получения исключительных свойств и характеристик материалов, является одним из наиболее активных направлений исследований современности. Потенциал применения нанотехнологий в материалах на цементной основе огромен. В настоящее время изучаются возможности применения нанотехнологий в цементных смесях. Нанотехнологии обладают огромным потенциалом для создания нового поколения бетона, более прочного и долговечного, с желаемыми характеристиками, и возможно, со всем спектром вновь вводимых свойств [1, с. 320].

Материалы с диапазоном размеров от 100 Нм до атомного уровня могут иметь различные или улучшенные свойства по сравнению с теми же материалами при больших размерах. Двумя основными причинами изменения поведения являются увеличение относительной площади поверхности и доминирование квантовых эффектов [2, с. 212-215]. Увеличение площади поверхности приведет к соответствующему увеличению химической реактивности и сделает некоторые наночастицы полезными в качестве катализаторов.

Поскольку размер материи уменьшается до десятков нанометров или меньше, квантовые эффекты могут начать играть определенную роль, и это может значительно изменить оптические, магнитные или электрические свойства материалов [4, с. 98–119].

Углеродные нанотрубки сегодня являются одними из наиболее широко исследованных наноматериалов. УНТ – трубчатые структуры диаметра нанометра с большим коэффициентом сжатия. Данные трубки привлекают много внимания в последние годы не только  из-за их небольших размеров, но также из-за их потенциальных применений в различных областях. Один лист графита называется графемой. УНТ могут быть произведены путем завивания листа графита. Листы углерода могут также скручиваться несколькими способами. УНТ можно рассматривать как самое главное волокно углерода.

Добавление небольшого количества (1% по массе) УНТ может улучшить механические свойства, состоящие из основной фазы портландцемента и воды. УНТ имеют превосходную гибкость. Они, по существу, свободны от дефектов. Нанотрубки обладают высокой устойчивостью к химическому воздействию и высокой прочностью к весу 1,8 г/см³ для MWNTs (многослойные) и 0,8 г/см³ для SWNTs (однослойные). УНТ имеет максимальное напряжение около 10%, которое выше, чем любой другой материал. Электропроводность УНТ на шесть порядков выше, чем у меди, следовательно, они имеют очень большую пропускную способность по току. Следовательно, углеродные нанотрубки обладают отличным потенциалом для использования в цементных смесях.

Нанотехнологии используются для создания новых материалов, устройств и систем на молекулярном, нано - и микроуровне [3, с. 16-27]. Интерес к концепции нанотехнологий для портландцементных композитов неуклонно растет. Наиболее известные научные работы, касающиеся применения нанотехнологий в материалах на основе цемента, связаны с повышением механических и электрических свойств. Некоторые из широко известных наночастиц в цементно-бетонных отраслях промышленности – это диоксид титана (TiO2), диоксид кремния (SiO2), оксид алюминия (Al2O3), углеродные нанотрубки (УНТ) и др. В настоящее время наиболее активными областями исследований, касающимися цемента и бетона, являются: понимание гидратации частиц цемента и использование наноразмерных ингредиентов, таких как частицы глинозема и кремнезема [5, с. 280].

Средний размер частиц портландцемента составляет около 50 мкм. В применениях, которые требуют более тонких конечных продуктов и более быстрого времени твердения. Знание на наноуровне структуры и характеристик материалов будет способствовать разработке новых приложений и новых продуктов для ремонта или улучшения свойств строительных материалов. Например, структура основного кальций-силикат-гидрата (C-S-H) геля, который отвечает за механические и физические свойства цементных паст, включая усадку, ползучесть, пористость, проницаемость и эластичность. Гель C-S-H можно доработать для того, чтобы получить лучшую стойкость. Материалы на основе цемента, содержащие углеродные нанотрубки, могут быть использованы как для упрочнения, так и для повышения электрических и электронных свойств бетона помимо их механических свойств. Разработка умного бетона с использованием углеродных нанотрубок будет проще. Если наноцементные частицы могут быть обработаны нанотрубками и наноразмерными частицами кремнезема, то проводящие, прочные, жесткие, более гибкие композиты на основе цемента могут быть разработаны с улучшенными свойствами для электронных применений и покрытий.

Нанобетон определяется как бетон, изготовленный из частиц портландцемента размером от нескольких нанометров до максимум около 100 микрометров [3, с. 16-27]. Нано ингредиенты – это ингредиенты, с хотя бы одним размером нанометра. Поэтому размер частиц должен быть уменьшен, чтобы получить нано-портландцемент. Если частицы нано-цемента можно обрабатывать с нанотрубками и реактивными частицами кремнезема нано-размера; то проводные, жесткие, более гибкие, основанные на цементной смеси, можно начать с увеличенными свойствами, для электронных применений и покрытий. Если цемент с наноразмерными частицами может быть изготовлен и обработан, это откроет большое количество возможностей в области композитов на основе цемента. Текущая исследовательская деятельность в бетоне с использованием наноцемента и нанокремнезема включает:

•  характеристика гидратации цемента;
•  влияние добавления наноразмерного кремнезема в бетон;
• синтез цемента с использованием наночастиц и покрытий (применяется для защиты бетона).

Нанобетон, содержащий углеродные нанотрубки, может использоваться как для укрепления, так и для создания электрических цепей.

Исследователи NIST (Национальный институт стандартов и технологий США) утверждали, что срок службы бетона может быть удвоен с помощью наноразмерной добавки, которая замедляет агрессивный транспорт ионов в бетоне. Вместо того, чтобы изменять размер и плотность пор в бетоне, нужно лучше изменить вязкость раствора в бетоне, чтобы уменьшить скорость, с которой хлориды и сульфаты попадают в бетон.

Основой является – «плавание в бассейне с мёдом занимает больше времени, чем плавание в бассейне с водой». Исследователи NIST продемонстрировали, что нанотехнологические добавки могут быть смешаны непосредственно в бетоне с текущими химическими примесями, тем самым лучшая производительность достигается при смешивании добавок в бетоне путем насыщения абсорбента легким песком [6].

Было заявлено, что все образцы показали уникальную наносигнализацию для материала C-S-H независимо от происхождения образца. Известно как геномный код материала и означает, что прочность цементной пасты не зависит от конкретных минералов, а связана с тем, как расположены наночастицы. «Если все зависит от организационной структуры наночастиц, которые составляют бетон, а не от самого материала, можно предположительно заменить его материалом, который имеет другие характеристики бетона – прочность, долговечность, массовую доступность и низкую стоимость, но не выделяет так много CO2 в атмосферу во время производства» [7].

Еще одним крупным объемным применением нано-порошка в цементных материалах является область покрытий. Установлено, что привлекательная окраска на древних чешских стеклах содержит наночастицы. Это показывает, что нанотехнология использовалась для покрытия поверхностей, т.е. распыления и придания изделию привлекательного вида с древних времен. Изменение в свойствах причиняет улучшенную каталитическую способность, настраиваемую длин волн-воспринимая способность и лучше конструированные пигменты, и краски с само-чисткой и само-восстанавливаемой характеристикой.

Основной задачей является производство наноразмерных цементных частиц. Для нанопокрытий свойства самих покрытий нуждаются в обширном исследовании. Стойкость покрытий под различными условиями выдержки, сопротивлением, сопротивлением трением, высокотемпературным сопротивлением, режимами отказа, и электрическими характеристиками требуют проведение экспериментов. Кроме того, необходимо огромное количество расходов для оборудования, для изучения поведения наноцемента и нанодобавки в цементных материалах.

Широкий простор для пользы нанотехнологий включая нано ингредиенты улучшения механических и электрических свойств, как прочность, гибкость, стабильность, проводимость. Проблемы также огромны, что включает в себя опасность для здоровья при работе с сухими наночастицами, огромные расходы на закупку оборудования для исследования на нано-уровне.

В настоящее время ограниченная доступность / отсутствие наноцемента, песка и т.д. – сложно применять данную технологию в цементных материалах. Текущие исследования в основном ограничиваются лабораторной стадией. Поэтому, прежде чем применение нанотехнологий станет жизнеспособным и экономичным способом повышения важных свойств материалов на цементной основе, требуются гораздо более обширные исследования.

Список литературы:

1. Drexler K. Eric, «Engines of Creation» Anchor Book Edition, N.Y., 1986. – 320.
2. Deb Bennet-Woods, 212–215.  «Nanotechnology: Ethics and Society». Taylor and Francis Group, N.Y, 2008. – 212-215.
3. Balaguru, P. and Chong, K. «Nanotechnology and concrete: Research opportunities». Proceedings of ACI Session on «Nanotechnology of Concrete: Recent Developments and Future Perspectives» Denver, USA, 2006. – 16-27.
4. Kahn, J. (2006). «Nanotechnology». National Geographic 2006 (June), 2006. –  98–119.
5. Wiley J. «Engineering Mechanics», New York, 2002. –  280.
6. Nanotechnology Webcast, ASME [Электронный ресурс]. — Режим доступа. — URL:  www.asme.org/nanowebcast (дата обращения: 16.04.2019)
7. ФГБУ «Федеральный институт промышленной собственности». Информационно-поисковая система патентов. ASME [Электронный ресурс]. — Режим доступа. — URL:  http://www1.fips.ru/wps/wcm/connect/content_ru/ru/inform_resources/inform_retrieval_system/ (дата обращения: 6.05.2019)