Строительная энциклопедия

Комментариев: 0  (смотреть / добавить) |

« Назад 8 августа 2011

№6

Все будет НАНОшо

Давным-давно, еще в пятом столетии до нашей эры, в мудрую голову древнегреческого философа Демокрита пришла мысль о том, что все сущее в мире имеет в основе «…неделимую частицу — атом. Из сего первичного строительного материала воздвигнуто вселенское здание материи».

Прошло почти два с половиной тысячелетия, и мысль Демокрита получила развитие. Великие умы сообразили, что уж если материя состоит из набора атомов-кирпичей, то почему бы манипуляцией первичного строительного материала не сотворить нечто такое, чего не создал Творец? Так в мире появилась «нанотехнология».

Не всемогущество, но важность

Нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в данной области, ждут своего часа. Но это не мешает ученым прогнозировать ее процветание в не столь далеком будущем. Скорый приход нанотехнологии пророчат промышленному производству. А еще обещают, что в машиностроении полным ходом станут использоваться смазки, снижающие трение, ремонтно-восстановительные составы и нанопокрытия для режущего инструмента. Нанодобавки, улучшающие качества строительных материалов, широким потоком вольются в строительство.

Наиболее пылкие апологеты нанотехнологии уверяют, что она своей волшебной силой поможет решить многие социальные проблемы, в том числе проблему качественного и доступного жилья. Короче говоря, нас ожидает светлое будущее.

Однако на нынешнее время фактическое использования нанотехнологий в строительстве является довольно ограниченным, поскольку инновационные идеи в большинстве своем ориентированы на поверхностные эффекты. Доля новых технологий и материалов в строительной отрасли составляет менее 1% в общем объеме материалов строительного сектора.

А впрочем, достижения фундаментальных исследований в области нанотехнологий, хоть и постепенно, но все-таки находят свой путь в строительную отрасль: уже получены конструкционные композиционные материалы с уникальными прочностными характеристиками, новые виды арматурных сталей, уникальные нанопленки для покрытия светопрозрачных конструкций, самоочищающиеся и износостойкие покрытия, паропроницаемые и гибкие стекла.

Без применения нанотехнологий невозможна и полноценная реализация проектов энергонезависимого «пассивного дома», основной особенностью которого является малое энергопотребление и почти полная энергонезависимость, что обеспечивается использованием всего спектра возможностей сохранения тепла и самопроизводства энергии.

Будущее строительного материаловедения во многом связано с применением нанотехнологических подходов — внедрения процессов формирования структуры современных строительных материалов, предусматривающих их сборку или самосборку «снизу-вверх», то есть дизайн материала или изделия, который заключается в контролируемом и управляемом воздействии на процесс структурообразования, начиная с наноразмерного уровня. Результатом такого подхода будет получение новых по составу и качественно отличающихся по структуре и свойствам конструкционных, теплоизоляционных, отделочных и других материалов, в полной мере отвечающих современным тенденциям развития архитектурных форм, конструктивных решений и технологии возведения объектов промышленного и гражданского назначения.

Главное — снизить стоимость

Одним из важнейших критериев оценки перспективности внедрения нанотехнологических инноваций в строительную отрасль служит их конечная себестоимость. Наномодификаторы для бетона и строительных растворов по цене 100 долларов за грамм — при том, что их прочностные качества вырастают на 30%, вряд ли будут востребованы.

Эксперты считают, что наноструктурировать следует материалы массового применения — бетон, металл, композиционные материалы на основе волокон. С точки зрения массового строительства из технологий предпочтительными оказываются химические процессы типа «золь-гель» и технологии, использующие механические принципы и методы микровзрыва, в то Нанотехнологиявремя как вакуумные, лазерные, криогенные технологии, несмотря на всю их перспективность, являются более дорогостоящими.

Другой ресурс снижения себестоимости связан с эффектом реализации гигантских резонансов усиления поля на поверхности наночастиц, следствием чего оказывается крайне высокий уровень значений дисперсионных сил и — соответственно — чрезвычайно малое количество требуемого «исходного материала». Речь идет о так называемых астраленах — многослойных углеродных наночастицах фуллероидного типа тороидальной формы, вводимых в композиты.

Одним из перспективных направлений применения нанотехнологий в строительной отрасли признано армирование композитов углеродными нанотрубками. Однако их производство осложнено невысокими скоростями роста и высокими энергозатратами. Ресурсы снижения производственных затрат обнаружились также благодаря применению нанотехнологий при производстве пеностекла — материала, известного еще с 1930-х гг.

Смысл нового технологического подхода заключается в нанесении на поверхность частиц стекла наноразмерной пленки реагентов, которая придает ему два новых свойства — способность к схватыванию и газовыделение при повышенных температурах. Помимо повышения рентабельности и возможности использования стеклобоя это позволяет также расширить номенклатуру продуктов.

Понятно, что задачи, стоящие перед строительной отраслью в нанотехнологической сфере, не сводятся к экономическим. Главные цели заключаются в расширении ресурсных резервов наносырья за счет природных (например, высокопластичных глин) и техногенных (к примеру, шламовых отходов предприятий) источников; объединении усилий и возможностей науки и бизнеса; решении проблем нанобезопасности и наноэкологии помещений; исследовании влияния нанодефектов на разупрочнение и износ материалов и конструкций и др.

Нанобетоны как наиболее перспективное направление

Наномодефицырованые бетоны на нынешнее время определяются как очень перспективное направление. По уверению специалистов, в ближайшие пять лет благодаря различным наноструктурирующим добавкам прочность бетонов может достигнуть от 300 до 600 МПа, что почти в десять раз выше средних показателей, морозостойкость может превысить 3000 циклов замораживания-оттаивания, долговечность даже в морской воде перешагнет 100-летний рубеж. При этом наномодифицирующие добавки составляют не более 2-3% от общей массы бетона.

Сегодня насчитывается множество разновидностей наноразмерных добавок и — соответственно — наномодифицированных цементов и бетонов. Эти модификаторы различаются механизмами действия, что связано с их пространственно-геометрическими параметрами, термодинамическими и кинетическими, кристаллохимическими и технологическими аспектами. Возможности реализации механизмов модифицирования определяются видом, характеристиками и дозировкой наноразмерных частиц.

С сожалением приходится констатировать, что в реальной практике строительства примеров использования нанобетонов, мягко говоря, не слишком много.

«Поумневшие» окна

Разработка нового уникального покрытия стала результатом деятельности американских ученых. Особенность этого покрытия состоит в том, что оно обеспечивает доступ инфракрасного излучения при низких температурах, но меняет свои свойства и начинает отражать его, как только воздух за окном прогревается до определенного значения.

Процесс, который происходит с оксидом ванадия (III), называется фазовым переходом. Именно это вещество наносится на оконное стекло нанослоем — и тогда смена термодинамических фаз осуществляется при температуре 32°С. Дополнительное нанесение вольфрама или молибдена позволяет уменьшить температурную границу, выше которой покрытие начинает блокировать солнечное тепло.

Исследование проводит молодой химик из Университета Буффало Сарбаджит Банерджи. Он говорит, что именно нанотехнологии позволили приспособить оксид ванадия(III) для практического использования: если нанести это вещество толстым слоем, предотвращать доступ инфракрасного излучения оно сможет только тогда, когда температура достигнет 67°С.

Банерджи отмечает, что фазовый переход происходит под воздействием не одной лишь жары, но и электрического напряжения. Ранее он установил, что аналогичные свойства демонстрируют еще два синтетических вещества — ванадаты (соли ванадиевых кислот) меди и калия.

Идеями ученого заинтересовалась Национальная лаборатория возобновляемой энергии (NREL) при американском Минэнерго, так что энергоэффективные окна, отражающие солнечное тепло летом и пропускающие его зимой, вскоре могут появиться не только в лабораторной установке исследователя.

Нанотехнологии ударят по коррозии

А вот российские ученые разработали новый способ борьбы с коррозией. Применять их достижения можно во многих областях — от автопрома до жилищно-коммунального хозяйства. Новые Нанотехнологиятехнологии теперь позволяют выпускать металл, который будет служить на порядок дольше современных образцов. Люди науки говорят, что они свою задачу почти выполнили. Теперь дело за производителями. Некоторые крупные предприятия уже сегодня используют в производстве эти разработки. На их основе выпускаются специальные составы, которые применяются для, скажем, пассивации металлов, для обработки различных систем водоснабжения, водоохлаждения.

Новое покрытие, созданное на основе нанотехнологий, защищает металл от вредного воздействия окружающей среды в десятки раз лучше, чем, например, обычная полимерная краска. Пленка, которая покрывает металл, настолько тонкая, что ее невозможно увидеть невооруженным глазом.

К примеру, металлическая водопроводная или канализационная труба в земле быстро изнашивается. Десяток лет — и, по-хорошему, такой трубопровод нужно заменять. Но труба, которую покрыли защитной пленкой на основе наноматериалов, сохранится на порядок дольше. Значит, и течь давать будет реже.

К применению новых антикоррозионных материалов нужно привыкнуть, говорят ученые. Это потребует переоборудования производства, но результат не заставит себя ждать. Ведь сегодня, рассказывают ученые, в развитых странах ущерб экономике от коррозии составляет более 5% от валового национального продукта.

О других удобствах с нано

Среди наиболее продвинутых в смысле восприятия нанотехнологических инноваций значатся также стальные конструкции и арматурные стали. За ними следуют керамические и силикатные материалы, теплоизоляционные материалы, краски, лаки, эмали и др. Однако чаще всего пресса рассказывает о чудесах самоочищающихся покрытий, самовосстанавливающихся красок и бетонов, «зализывающих» возможные повреждения.

Мы же, в частности, кратко упомянем о последних нанотехнологических успехах китайских разработчиков, которые подошли к стадии внедрения целого ряда научных разработок. Кое-что уже реализовано. Например, нанопористое полупрозрачное покрытие для стен, создающее эффект термоса. Оно сохраняет тепло в помещении зимой и прохладу летом; им покрыты стены Шанхайского музея науки и технологий. Следующий этап — распространение новой технологии на сферу массового жилищного строительства. Еще один вид покрытия, призванный противостоять загрязняющим воздействиям, воспроизводит эффект лотоса, когда капли воды, подобно ртути, скатываются с поверхности листа, смывая всю грязь и не оставляя следов.

Эксперты уверены, что уже в ближайшем будущем можно ожидать проявление спецматериалов в производстве высококачественных ультра- и нанодисперсных порошков со стабильным химическим, фазовым и гранулометрическим составом, в разработке новых видов армирующих элементов (нитевидных кристаллов, волокон, микросфер, дисперсных частиц), в создании новых бездефектных особо высокопрочных реактивных порошковых бетонов, термостойких композиционных материалов, материалов с различной электропроводимостью, наносистем для вредных производств и ядерной энергетики, в развитии научных основ проектирования специализированного технологического оборудования с автоматизированными системами контроля качества цементных композитов. Не за горами также появление материалов с контролируемой электропроводностью, деформативными характеристиками и низким термическим расширением, «умных» материалов, например, датчиков для мониторинга температуры, влажности, напряжений.

Анастасия Палий

 

Журнал "Строительство и реконструкция"


« вернуться к списку



Отзывы

Нет отзывов. Ваш может быть первым.

Написать отзыв

Голосовать и оставлять отзывы могут только зарегистрированные пользователи. Войти или зарегистрироваться.



*