Нанотехнологии в строительстве. Нанотехнологии в строительстве
 Скачать 36.48 Kb.
|
|
Нанотехнологии в строительстве. Нанонаука и нанотехнология в настоящее время - наиболее бурно развивающиеся сферы человеческой деятельности. На основании теоретических предпосылок нанонауки сейчас в мире инструментами нанотехнологий производят цемент, керамику, металлические сплавы, пластмассы, лакокрасочные и многие другие материалы с уникальными свойствами Среди нанотехнологий и наноматериалов, пригодных для использования в строительстве и ЖКХ, можно отметить следующие. Наноструктурированные металлы с повышенной прочностью и твердостью. Объем производства и продаж поворотных резцов с наноструктурированными твердосплавными наконечниками для фрезерования асфальтобетонов. Применение взамен обычных ламп накаливания желтых и синих светодиодов, имеющих время наработки на отказ десятки тысяч часов, уменьшает энергопотребление в 5-7 раз. При переходе на такие источники освещения за год экономится столько энергии, сколько необходимо для того, чтобы не строить новые электростанции в течение 30 лет. Покрытия из наноструктурированных материалов, обладающие способностью к самоочищению под действием солнечного излучения, что открывает перспективы производства самоочищающихся строительных материалов. Высокопрочные высокопроводные Cu-Nb провода с уникальным сочетанием свойств: прочностью от 800-900 МПа при электропроводности 80-85% IACS до 1100-1500 МПа при 55-75% IACS (IACS - Международный стандарт отожженной меди, где 100% IACS=1,7241 мкОм-см). Нанокомпозиты твердых веществ с повышенной способностью аккумулирования водорода и высокой проводимостью ионов, что важно для миниатюризации батарей, источников электропитания и развития водородной энергетики. Фильтры из нановолокон и нанотрубок, с высокой эффективностью очищающие воду от бактериофагов (вирусов). Жидкости, содержащие наночастицы металлов и обладающие намного большей теплопроводностью, что позволяет их использовать в качестве теплоносителей в системах охлаждения Использование нанотехнологий позволяет придавать обычным строительным материалам невиданные ранее свойства. Одно из направлений разработок - применение ультрадисперсных, наноразмерных частиц при создании высокопрочных долговечных бетонов. Бетон с применением наночастиц отличается сроком службы до 500 лет. Использование в технологии приготовления строительных материалов на основе портландцемента различных добавок на основе нанокомпозитов, активно влияющих на формирование структуры и свойств цементной матрицы в процессе гидратации и твердения цемента. Результаты исследований микроструктуры пенобетона показывают, что введение углеродных нанотрубок стабилизирует его структуру и устраняет перфорацию стенок пор. Стабилизация структуры пенобетона происходит за счет армирующего эффекта при добавлении фибриллярных структур и упрочнения вследствие формирования надмолекулярных структур в цементных стенках пор. Распределяясь в объеме цементного пенобетона, нанотрубки играют роль центров направленной кристаллизации, что приводит, с одной стороны, к появлению фибриллярной структуры в стенках пор, обеспечивая ее непрерывность и сплошность, а с другой - к появлению упрочняющей структурно-ориентированной надмолекулярной оболочки вокруг нанотрубки. При этом достигается повышение прочности пенобетона и снижение теплопроводности изделий из пенобетона. Таким образом, использование наноматериалов ведет к эффективному решению многих проблем. В данном случае не только повышает качество строительных материалов, но и дает экономическую независимость от производителей цемента, диктующих цены. Строительство сооружений в большинстве случаев начинается с котлована. Чтобы стенки его не осыпались, их необходимо делать пологими, что легко выполнимо в условиях «чистого поля». Вместе с тем при рытье котлована почти впритык к существующему зданию (в городах такие ситуации очень часты) для наклонных стенок места нет. В этом случае решить проблему помогает технология «стена в грунте», реализовывать которую можно с помощью наноструктурированного природного материала – бентонита. По периметру котлована роется траншея, ширина которой равна толщине стенки фундамента. Она заполняется суспензией бентонита, образующей за счет тиксотропных свойств этого минерала псевдотвердое тело, предотвращающее обрушение стенок котлована. При создании стены в нее вводится стальная арматура и заливается бетонная смесь. В результате бентонитовая масса вытесняется и собирается для повторного использования, а на ее месте формируется настоящая железобетонная стена. Бентонит образует тиксотропное тело с достаточно высокой прочностью, поскольку подобно графиту он построен из слоев (пластин) наноразмерной толщины со сравнимыми по величине расстояниями между ними. Однако в отличие от гидрофобного графита, бентонит – высокогидрофильное вещество, с большим количеством гидроксильных групп в молекуле, за счет образования водородных связей между которыми и образуется псевдотвердое тело. Без бентонита затруднено также микротуннелирование – прокладка трубопроводов под землей продавливанием труб, позволяющая вести такие работы под зданиями без нарушения их функционирования и под дорогами, не останавливая движения транспорта. В этом случае бентонит используется в виде водной суспензии для смазывания наружной поверхности продавливаемой трубы, что предотвращает налипание на нее грунта. Бентонитовая смазка используется и для снижения трения изделий при вдавливании их в грунт, например, при сооружении колодцев из бетонных колец. Еще один пример использования бентонита – закрепление грунтов струйной цементацией, основанное на одновременном разрушении структуры грунта и его перемешивании высоконапорной струей цементного раствора, что позволяет создавать цилиндрические колонны диаметром до 2,5 м. Для этого на заданной глубине проводится бурение «лидерной» скважины, причем для удаления разбуриваемой породы и облегчения процесса используется подаваемый в скважину буровой раствор – водная суспензия бентонита. Известно, что после сооружения фундамента в подземное пространство здания нередко попадает вода. С этим можно бороться, используя специальные жидкости, например, водоотталкивающую пропитку «Голдтар» – водную суспензию наноразмерных (около 15 нм) силиконовых частиц, которую рекомендуется применять для устранения протечек в недавно сооруженных, а также при ремонте старых, давших течь, подвалов. Ранее нередко возникала ситуация, когда грунт на строительной площадке был настолько слаб, что не мог выдерживать расчетную нагрузку от проектируемого здания, и требовался перенос строительства на новый участок с более прочным грунтом. В настоящее время благодаря использованию ряда веществ стройка может вестись в соответствии с генеральным планом, поскольку грунт удается упрочнять с помощью жидкого стекла – взвеси в воде наночастиц кремнекислородных кластеров лития, калия или натрия. Способ заключается в том, что жидкое стекло закачивается в грунт через перфорированные трубы на заданную глубину. Одновременно через расположенные между ними другие трубы вводится водный раствор хлорида кальция. Эти вещества, вступая в химическую реакцию, образуют клейкие наночастицы кремниевой кислоты, скрепляющие частицы грунта. Скорость и прочность закрепления грунта можно повысить при использовании более прогрессивного нановещества – жидкого стекла, совмещенного с полиизоцианатом. Современное строительство – это и использование строительной техники, эксплуатируемой при интенсивном абразивном воздействии частиц грунта, песка, цемента. Надежность и долговечность машин и механизмов в конечном счете зависят от свойств их деталей и компонентов, значительная часть которых – узлы трения. Технический прогресс неизбежно предполагает рост удельных нагрузок, скоростей и рабочих температур трущихся поверхностей, ведущий к интенсивному износу, за которым следуют повышенный расход смазки, усиление вибрации, снижение КПД и ресурса механизма. Возможно и разрушение такого узла. Один из способов повышения эффективности строительной техники – применение в качестве присадок к смазочным материалам наночастиц. Это позволяет уменьшить износ трущихся деталей. Еще один класс нановеществ для трибологических целей – синтезируемые фторированием сажи фторуглероды, которые можно использовать в виде сухой смазки, не текущей на холоде и имеющей более низкий, чем аналоги, коэффициент трения. Они также могут применяться в качестве присадок к смазочным маслам. К числу наиболее эффективных фторорганических веществ из предназначенных для введения в смазки, а также для других целей, относятся производимые в России эпиламы – поверхностно-активные вещества (ПАВ) с наиболее высокой среди таких соединений поверхностной активностью, обеспечивающей их сорбируемость на поверхности различных твердых тел с образованием исключительно высокопрочной пленки толщиной 0,2–20 нм, способной снижать коэффициент трения более, чем на порядок, а усилие, необходимое для трогания из состояния покоя – на три порядка. Еще в первой половине 70-х годов прошлого столетия было замечено, что при бурении скважин в серпентинитах узлы трения бурового инструмента, охлаждаемого взвесью в воде выбуриваемой породы, не изнашиваются. Изучение этого эффекта привело к разработке ремонтно-восстановительных составов (РВС), получаемых тонким измельчением серпентинита или аналогичных ему по структуре и составу слоистых минералов. В результате добавления РВС к смазочному маслу на поверхности за счет энергии трения образуется «залечивающий» дефекты керамометалл. (У РВС существу- ет и другое название – геоактиваторы.) Один из первых российских РВС представляет собой сухую смесь минеральных частиц, главным образом серпентинита, нефрита, шунгита размером 1–10 мкм с рядом функциональных добавок. Состав безвреден. Компоненты такого РВС в смазочном масле не растворяются и в химическую реакцию не вступают, причем, поскольку он вводится в небольшом количестве, вязкость масла не меняется. Во время работы выступы микрорельефа на поверхности трения измельчают минеральные частицы до наноразмеров, активизируя их. В результате происходит замещение магния, присутствующего в молекулах серпентинита, на железо, приводящее к образованию новых веществ, заполняющих объем дефекта, причем коэффициент термического расширения нового по структуре, очень стойкого к износу металлокерамического слоя, такой же, как у стали. Еще один препарат, позволяющий восстанавливать изношенные узлы и механизмы в режиме штатной эксплуатации – антифрикционная ресурсовосстанавливающая композиция (АРВК) – суспензия серпентинита в виде порошка с размером частиц 1–5 мкм в базовой жидкости. Высокоэффективным РВС является также препарат «Practiex» – силикатно-керамическая композиция, позволяющая предотвратить контакт «металл-металл» в результате синтеза в таких местах слоя металлокерамики и до трех раз увеличивающая срок службы агрегатов и механизмов. За счет повышения компрессии при использовании данного препарата в цилиндрах мощность двигателей внутреннего сгорания возрастает на 10–15%. На такую же величину снижается расход топлива, а срок службы масла увеличивается минимум в два раза. Перечисленные выше технологии уже находят свое применение в строительной индустрии. Сегодня мы наблюдаем изменение размеров различных сенсоров, способных к автономной работе и к объединению в беспроводные сети. Подобную сеть можно внедрить в дорожное покрытие, конструкцию здания или моста. Подобные «умные» конструкции будут способны осуществлять самомониторинг - нанодатчики температуры, давления, механических напряжений вовремя сообщат в эксплуатационные службы о развитии трещин в материале, позволяя сэкономить большое количество трудодней обслуживающего персонала и значительно увеличить безопасность конструкций. Нанодетекторы способны не только контролировать состояние самой конструкции, но и ее окружения. Дома, способные «чувствовать» присутствующих в них людей, или дороги, определяющие нарушение скоростного режима движущегося по ним транспорта. Подводя итог, можно сказать, что новейшие строительные технологии и материалы могут предложить существенные преимущества в строительной промышленности для многочисленных проектов. Причем речь идет не только об укреплении материалов и повышении уровня их качества, но и, например, самоочищающихся окнах, которые будут весьма кстати для высотных зданий и небоскребов. Сейчас основная ставка делается на прочные строительные материалы, которые будут безопасны для здоровья человека и окружающей среды. Применение нанотехнологий позволит совершить целую революцию в промышленном и гражданском строительстве. С их помощью можно не только значительно улучшить качество и свойства различных материалов, но и создавать совершенно новые, невиданные ранее по своим характеристикам и способам применения вещества. Начиная от усиления арматуры, стали и бетона и заканчивая антисептическими свойствами. Уже в скором будущем мы сможем делать строительные материалы, которые не будут подвластны огню и воде, то есть с повышенным коэффициентом защиты от внешних воздействий. И это далеко не все. С помощью нанотехнологий можно значительно увеличить эффективность солнечных батарей, создать стекло, неподвластное воздействию пыли и грязи, краску, которая будет самостоятельно восстанавливать свое покрытие при повреждении, препятствовать коррозии. И даже стены, которые будут сами восстанавливать трещины - все это возможно. Многолетняя работа ученных в области нанотехнологии в строительстве уже принесла плоды. Были созданы наноматериалы которые намного улучшили качество строительных работ: высокопрочный бетон, высокопрочная сталь, конструкционные композиты, нанопокрытия, инновационная пленка, нанокомпозитные трубы, стеклопластиковая композитная арматура. И это еще не весь список. Междисциплинарный характер нанотехнологий и динамичность развития дают основания надеяться, что Россия сможет преодолеть отставание в области применения нано. |