RSS

Нанобетон - в дорожное строительство

11.03.2015

Совершенно очевидно, что про­гресс строительной индустрии воз­можен только на базе современных высокоразвитых технологий, обеспе­чивающих высокое качество продук­ции, ее экологическую безопасность и экономию ресурсов. Создание наукоемких и высоких технологий возможно только с использовани­ем последних достижений физики, химии и других фундаментальных наук. На текущий момент наиболее перспективными являются нанотех­нологии.

В странах с развитой наукой и эко­номикой — в США, Японии, России, Европе и Китае — исследования в области нанотехнологий объявлены высшим национальным приоритетом.

Существует ряд областей, где уже используются нанотехнологии, напри­мер, в наномедицине, наноэлектрони­ке, генной инженерии (нанобиологии). Исследования передовых ученых в об­ласти нанотехнологий в строительной отрасли представлены в многочислен­ных монографиях и статьях в научных журналах. Перспективы исследований и внедрения нанотехнологий в об­ласти строительных материалов намечены в «Дорожной карте в стро­ительстве» на период до 2025 года, утвержденной учеными всего мира. Однако применение нанотехнологий в строительстве находится пока еще в начальной стадии.

Первые успешные результаты в разработке нанобетона группой рос­сийских ученых под руководством А. Н. Пономарева из Санкт-Петербурга были получены в 1993 году. На данный момент в работе над созданием новых строительных материалов на основе нанотехнологий задействованы «На­ноцентр» МЭИ, ООО «Нанотроника» из Москвы, НПО «Синтетика-Строй» из Новочеркасска и петербургский НТЦ «Прикладные технологии».

DSC_2896.JPG  9.JPG

На сегодняшний день существует два технологических варианта при­менения наночастиц в наноструктурированных бетонах. Первый из них — технология домола цемента перед его использованием до наноразмерных частиц. У такого цемента значи­тельно возрастает доля вещества, вступающего в реакцию с водой. Если у обычного цемента, удельная по­верхность которого около 3000 см2/г, в реакцию вступает лишь третья часть объема его частиц, преимуще­ственно с поверхности, а остальной объем выполняет в готовом изделии функцию инертного заполнителя, то у домолотого цемента частицы реаги­руют с водою на 80...90 процентов их объема. Следовательно, на получение заданного изделия цемента потребу­ется меньше. Домолотый цемент обе­спечивает получение более прочных цементосодержащих структур. При производстве цемента значительная часть энергии уходит на помол клин­кера (сырья для получения цемента). Небольшая добавка углеродных наномодификаторов существенно уменьшает время помола.

Второй вариант — модифициро­вание строительных материалов. Оно осуществляется путем введения наномодификаторов. В качестве наномодификаторов применяют сле­дующие добавки: углеродные астра- лены (С), углеродные фуллероны (С), углеродные нанотрубки (С), серебро (Аg), медь (Сu), диоксид титана (ТiO2), диоксид кремния (SiO2) из отходов, диоксид кремния (SiO2) синтезированный, оксид железа III (Fе2O3), оксиды других металлов, известь (СаСОэ), по­лимерные наночастицы, нанопленки, нановолокна.

Наномодификаторы в весьма ма­лых концентрациях способствуют улучшению физико-механических ха­рактеристик бетона: повышению проч­ности и величины модуля упругости, повышению водонепроницаемости и морозостойкости, снижению значений предельной деформации усадки.

В последнее время значительный интерес для исследователей пред­ставляют углеродные наночастицы и нанотрубки. Теория их применения основана на том, что применение таких частиц способствует уплотне­нию структуры бетона на субмикро- и микроуровне, что приводит к увели­чению плотности и прочности всего композита. Кроме того, углеродные наночастицы — готовые центры кристаллизации. Все это приводит к получению принципиально новых свойств бетонов и повышению их долговечности.

По данным Института химии си­ликатов РАН, углеродсодержащие наномодификаторы ускоряют процесс гидратации портландцемента, повы­шают прочность цементного камня и другие эксплуатационные характери­стики. Наноразмерные частицы могут являться наиболее перспективными модификаторами структуры цемент­ного камня и бетонов на его основе, так как являются центром кристал­лизации новой фазы, проявляют высокую химическую активность и обеспечивают снижение внутренних напряжений в системе, тем самым по­вышая прочность и долговечность ма­териала. Углеродные наноматериапы имеют свободные химические связи, вследствие чего они могут обеспечить улучшение сцепления бетонной сме­си и заполнителя и, как следствие, повышение прочности материала.

Нановолокна и наноматериалы могут играть роль армирующего материала благодаря высокой прочности и повы­шенному модулю упругости.

В мире углеродные наноматериа­лы получают разными способами: в электрической дуге, лазерным или солнечным испарением, пиролизом, химическим осаждением паров. Как правило, предлагаемые исследова­телями способы синтеза углеродных наночастиц сложны, требуют дорого­стоящего специального оборудования и специального сырья, из которого получают наночастицы. Однако уже найдены новые технологические под­ходы — относительно более дешевые способы получения углеродных на­номатериалов.

В лаборатории Института тепло- и массообмена НАН Беларуси совмест­но с кафедрой «Строительные мате­риалы и изделия» БНТУ этот мате­риал получают обработкой газовой плазмой электрического разряда смеси воздуха и углеводородов. Методика является универсальной, так как в качестве источников угле­водорода могут служить природный и сжиженный газ, жидкие угле­водороды (спирт, керосин и т. п.). Себестоимость получаемого про­дукта составляет в настоящее время около 0,5 доллара за грамм.

Группа ученых Украинского го­сударственного научно-исследо­вательского углехимического ин­ститута (УХИН) под руководством В. М. Шмалько показала, что уголь и продукты его термической пере­работки (продукты коксования), в частности коксовая пыль, содержат наночастицы. Коксовая пыль пред­ставляет собой побочный продукт коксования углей. Такое сырье для синтеза наночастиц является доступным, рентабельным и не­дорогим. Одна коксовая батарея выделяет 710 тонн в год побочного продукта в виде коксовой пыли. Содержание наноразмерных частиц в коксовой пыли достигает 3 про­центов от общей массы. Стоимость одной тонны пыли составляет около 200 условных единиц. Авторами установлено, что одним из способов получения углеродных наночастиц является ультразвуковое диспер­гирование коксовой пыли в воде. Однако концентрация углеродных наночастиц в таких золях не превы­шает 3 процентов.

В России разработан и широко применяется в мостостроении бетон легкий наноструктурированный. Одним из примеров эффективного использования такого материала может являться строительство авто­дорожного моста через реку Волгу, введенного в эксплуатацию в 2007 году. Его дорожные плиты выпол­нены из легкого конструкционного фибробетона на основе базальтовой микрофибры, модифицированной нанокластерами углерода. Это по­зволило снизить собственный вес конструкции более чем на треть.

Из последних разработок в этой об­ласти можно отметить модификатор прочности бетона НПЦ «КВАДРА» (г. Москва), действующим веществом которого являются углеродные на­нотрубки. Модификатор может при­меняться в любых типах бетонов на основе портландцемента. Рекомен­дуемая концентрация модификатора в рецептуре бетона — 0,5 процента. Применение модификатора позво­ляет достичь увеличения прочности бетонов на сжатие до 45 процентов, на изгиб — до 28 процентов и увели­чение морозостойкости бетонов до 39 процентов.

Практический интерес представляет эффективность использования углеродных наночастиц при изготовлении малоразмерных дорожно- строительных изделий. Начиная с 1 2011 года, на заводе ООО «Геомакс» (г. Харьков), изготавливающем дорожные бетонные смеси и изделия, при научном сопровождении сотрудников кафедры технологии дорожно-строительных материалов Харьковского национального автомобильно-дорожного университета выпускали малоразмерные элементы обустройства дорог (бортовой камень и тротуарную плитку) из бетона, в состав которого вводили углеродные наночастицы.

Эксплуатационные свойства бе­тонных изделий с углеродными наночастицами, изготовленных на заводе ООО «Геомакс», существенно отли­чаются от изделий без них: прочность бетона с наночастицами возрастает в 1,5 раза, а морозостойкость увеличивается на 1-2 марки по сравнению с контрольным составом. Введение углеродных наночастиц в состав бетонной смеси для малоразмерных дорожных изделий приводит к уве­личению срока службы в 1,5 раза. За счет повышения прочности изделий расход цемента может быть снижен до 20 процентов, что позволит полу­чить годовой экономический эффект при годовой производительности 5000 м3 изделий в размере более 1млн. рублей.

Таким образом, нанобетон со свои­ми высокими физико-механическими характеристиками открывает новые возможности для проектирования и строительства. Это материал будуще­го, который станет в скором времени достойной заменой традиционным бетонным смесям.

Рауф ЮСИФОВ, кандидат технических наук (Мосгосстройнадзор, ГБУ «ЦЭИИС»).

Если вы нашли ошибку: выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

Сообщение об ошибке

Неверно заполненное поле
Неверно заполненное поле
Неверно заполненное поле
Неверно заполненное поле
Неверно заполненное поле
Неверно заполненное поле
Неверно заполненное поле
Неверно заполненное поле
*
CAPTCHA Обновить код
Play CAPTCHA Audio

Версия для печати