Нанобетон

Нанобетон. Следует остановиться на терминологии. Получившее широкое распространение в рекламных изданиях и довольно часто употребляемое в научной литературе словосочетание «нанобетон» не следует понимать буквально. Оно не означает, что в таком бетоне упрочняющим наполнителем цементного камня служат дисперсные частицы нанометрового диапазона размеров. В нанобетоне присутствуют наночастицы, однако в концентрации до 10 г на 1 т цемента, что не позволяет рассматривать их в качестве наполнителя. Вводимые в состав бетона наночастицы служат инициаторами формирования структуры цементного камня, которая модифицируется путем самоорганизации его структурных составляющих на наноуровне. Технико-экономический эффект введения в бетон нанодобавок позволил реализовать преимущества уникальных свойств наноразмерного состояния вещества в производстве крупнотоннажной продукции. Это дает основание считать правомерным использование термина «нанобетон», которого придерживаются сами авторы данной разработки. Хотя семантически более предпочтителен термин «наномодифицированный бетон».

Коллективу разработчиков под руководством генерального директора «НТЦ прикладных нанотехнологий» кандидата технических наук А. Н. Пономарева удалось преодолеть научно-технические ограничения технологических работ с наноразмерными частицами и создать промышленное производство нанобетона различных марок и назначения. Одним из примеров практического применения разработанного авторами нанобетона в ответственных сооружениях может служить использование его при реконструкции моста через Волгу в городе Кимры Тверской области. Повышенные прочностные свойства нанобетона позволили резко снизить материалоемкость сооружения: мостовые конструкции облегчены в 4 раза.

С использованием нанодобавок получают нанобетоны разной плотности: легкие с плотностью 0,4... 1,0 т/м3, средней плотности до 2,0 т/м3 и высокоплотные с плотностью 2,5 т/м3. Легкие бетоны предназначены для индивидуального строительства, средней плотности — для сооружения мостов, аэродромных покрытий и др. Плотный бетон обладает высокой прочностью, его предел прочности при растяжении составляет 150 МПа. Он рекомендуется для высотного строительства и может использоваться для возведения пуленепробиваемых сооружений.

В процессе разработки технологии нанобетона предложены оригинальные решения технико-экономических проблем, неизбежных при работе с наноразмерными частицами.

Технологической проблемой при введении в материал нанораз- мерных частиц является их равномерное распределение в объеме материала. Для решения этой проблемы астралены (отметим, что их технология также является оригинальной разработкой авторов нанобетона) предварительно наносили на поверхность базальтовой микрофибры, диаметр волокон которой достигает 10 мкм, а длина — 100 мкм при насыпной плотности 0,8 т/м3. Был выявлен синергизм совместного упрочняющего влияния астраленов с базальтовой микрофиброй, что послужило научной основой для организации промышленного производства модифицированной астра- ленами базальтовой микрофибры, названной авторами «астро- флекс-МБМ».

Экономическая целесообразность использования нанобетонов характеризуется следующими цифрами. Нанобетон дороже традиционного бетона до 20%, но превосходит его по потребительским свойствам в 5 раз. Это обусловлено низким содержанием астраленов в нанобетоне: для многократного улучшения свойств бетона достаточно ввести в него в зависимости от целевого назначения конечного продукта не более 0,002% наночастиц.

Модифицирующее действие наноразмерных частиц на процесс формирования цементного камня имеет свои особенности. Наличие наночастиц приводит к формированию в цементе фибриллярных образований многомикронной длины. Предполагают, что ненасыщенные связи поверхностного слоя наночастиц, которые расположены на поверхности фрагментов наполнителя, направленно воздействуют на процесс гидратации минеральных вяжущих. Однако детальный механизм данного процесса не совсем ясен и требует дополнительных исследований.

Другой особенностью воздействия сверхмалых добавок наноразмерных дисперсных частиц на процессы физико-химических превращений при технологическом использовании цемента, также не имеющей убедительного научного объяснения, является их вляние на вязкость смеси цемента с наполнителем. Добавка наночастиц в цементно-песчаную смесь в количестве 1 • 10_7% к цементу снижает ее вязкость в 1,5 раза, что существенно повышает ее удо- боукладываемость, одновременно повышая прочность и снижая водопроницаемость изделий из бетона.

Полной реализации эффекта влияния нанодобавок на вязкость цементной смеси в случае углеродных наночастиц препятствует их гидрофобность. Использование углеродных наночастиц в виде коллоидных растворов приводило к их седиментации. Использование поверхностно-активных веществ наряду с усложнением технологического процесса уменьшало остроту проблемы, но не решало проблему окончательно. Авторы разработали кардинальное решение проблемы путем создания гидрофильных кластеров углерода.

Максимальный эффект суммарного воздействия наномодификаторов как на вязкость цементой смеси, так и на прочность бетона достигается при введении их в бетоны с максимальным содержанием цемента. Поэтому основные усилия разработчиков направлены на создание технологии ячеистого нанобетона с плотностью до 0,8 т/м3.

В заключение отметим, что в технологию бетона привносятся идеи самозаживления конструкции, разрабатываемые в настоящее время применительно к наноматериалам для авиационной промышленности. В случае бетона реализацию идеи предполагается выполнить следующим образом. Под воздействием внешней силовой нагрузки в наиболее нагруженных участках бетонной конструкции наночастицы способствуют превращению бетона в жидкотекучую массу, которая затем проникает в образовавшиеся трещины и там затвердевает, скрепляя разрушенную часть детали. Предполагают, что такая технология позволит восстанавливать аварийные объекты без остановки их эксплуатации, повысить сейсмостойкость зданий и сооружений, а также снизить скорость разрушения аэродромных покрытий, автомобильных дорог и бетонных железнодорожных шпал.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >