CC BY
2
УДК 574
doi: 10.48612/dnitii/2024_52_42-46
ИННОВАЦИОННЫЕ ПОДХОДЫ К РАЗРАБОТКЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
О. Б. Ляпидевская
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), г. Москва
Аннотация
Статья посвящена анализу инновационных подходов к разработке строительных материалов нового поколения. Рассматриваются современные технологические решения и материалы, обладающие улучшенными эксплуатационными характеристиками, такими как прочность, долговечность, энергоэффективность и экологичность. В статье акцентируется внимание на использовании нанотехнологий, композитных материалов, а также внедрении методов 3D-печати в строительной индустрии. Особое внимание уделяется исследованиям в области разработки экологически безопасных и энергоэффективных материалов, направленных на снижение углеродного следа и повышение устойчивости зданий к внешним воздействиям. Представлены перспективы дальнейшего развития и применения данных технологий в строительной отрасли.
Ключевые слова
Инновационные строительные материалы, нанотехнологии, композитные материалы, 3В-печать, энергоэффективность, экологичность, устойчивость, строительная индустрия, новые технологии, снижение углеродного следа.
Дата поступления в редакцию
23.09.2024
Дата принятия к печати
01.10.2024
Современная строительная отрасль переживает значительные изменения, связанные с внедрением инновационных технологий и материалов, которые позволяют не только улучшить качество и долговечность построек, но и существенно снизить их негативное воздействие на окружающую среду. Традиционные строительные материалы, такие как бетон и сталь, несмотря на свою популярность, имеют ограничения по энергоэффективности и экологической безопасности, что требует поиска новых решений[5].
Инновационные подходы к разработке строительных материалов нового поколения направлены на решение нескольких ключевых задач: повышение прочностных характеристик, снижение веса конструкций, улучшение теплоизоляционных свойств и долговечности. Важную роль в этом процессе играют нанотехнологии, композитные материалы и цифровизация производства, включая 3Б-печать. Эти технологии открывают новые горизонты для строительства, позволяя создавать материалы с уникальными свойствами, которые раньше считались невозможными.
В условиях ускоряющейся урбанизации и роста мирового населения, вопросы ресурсосбережения и экологии становятся всё более актуальными. Разработка строительных материалов, которые не только улучшают эксплуатационные характеристики зданий, но и способствуют снижению углеродного следа, является одним из приоритетных направлений развития строительной индустрии [2].
Современные технологические решения и материалы, обладающие улучшенными эксплуатационными характеристиками, представляют собой инновационные разработки, которые значительно превосходят традиционные строительные материалы по ряду ключевых параметров, таких как прочность, долговечность, энергоэффективность и экологичность. Эти материалы создаются с использованием передовых технологий и направлены на повышение качества строительства, а также снижение воздействия на окружающую среду.
Наноматериалы играют важную роль в развитии строительной индустрии, открывая новые горизонты для создания высокоэффективных строительных материалов. Эти материалы разрабатываются на основе нанотехнологий, что позволяет управлять их физическими и химическими свойствами на уровне наночастиц — мельчайших единиц, размеры которых не превышают нескольких нанометров (1 нанометр равен одной миллиардной метра). Использование наноматериалов в строительстве направлено на улучшение эксплуатационных характеристик, таких как прочность, долговечность, стойкость к воздействиям окружающей среды и энергоэффективность.
Одним из наиболее распространённых применений нанотехнологий в строительстве является использование наночастиц в цементных и бетонных смесях. Введение наночастиц оксида кремния (8Ю2), оксида алюминия (А1203) или оксида титана (ТЮ2) в цементные композиции позволяет значительно улучшить их механические свойства. Наночастицы действуют как микроскопические наполнители, заполняя микропоры в структуре бетона, что увеличивает его плотность и, соответственно, прочность. Это также снижает водопроницаемость бетона, что делает его менее подверженным коррозии и разрушению под воздействием влаги [4].
Наноматериалы также применяются для создания строительных покрытий с уникальными свойствами, например, самоочищающимися и антимикробными покрытиями. Наночастицы оксида титана (ТЮ2) обладают фотокаталитическими свойствами, благодаря которым под воздействием ультрафиолетового излучения они разрушают органические загрязнители на поверхности материалов. Это позволяет создавать фасады зданий, которые остаются чистыми даже в условиях загрязнённой городской среды, а также строительные покрытия, препятствующие размножению бактерий и грибков.
Использование нанотехнологий позволяет создавать эффективные теплоизоляционные материалы. Например, аэрогели на основе нанопористых структур обладают крайне низкой теплопроводностью, что делает их одними из лучших теплоизоляционных материалов на рынке. Несмотря на их лёгкость и пористость, аэрогели обеспечивают превосходную теплоизоляцию, что особенно важно для создания энергоэффективных зданий, где снижение теплопотерь имеет первостепенное значение [3].
Важной задачей для строительных материалов является повышение их огнестойкости. Нано-технологии позволяют создавать материалы, которые обладают высокой устойчивостью к воздействию огня. Например, введение наночастиц глины в полимерные композиты значительно улучшает их огнеупорные характеристики. Это открывает новые возможности для использования наноматериалов в строительстве высоких зданий, где особенно важны требования пожарной безопасности.
Композитные материалы представляют собой одно из самых перспективных направлений в разработке строительных материалов нового поколения. Эти материалы состоят из двух или более компонентов с различными свойствами, которые в совокупности обеспечивают улучшенные эксплуатационные характеристики. Композиты часто превосходят традиционные материалы по прочности, лёгкости, устойчивости к коррозии и воздействию агрессивных сред. Развитие композитных материалов откры-
03
г
м О
-I
м
Э СО
х
1
.о
ш н
О
а н
и
ш х н о ю га а т га а
х
а о х а о с
ш
2
К <
*
и ш
Ш
^ о
С 5 * £
■ о
ш I
■ I О 5
вает новые возможности для создания более долговечных, прочных и экономичных строительных конструкций.
В композитных материалах сочетаются два основных компонента: матрица и наполнитель. Матрица представляет собой связующее вещество, которое объединяет частицы наполнителя и распределяет нагрузки по материалу. В строительных композитах матрица может быть представлена различными материалами, такими как полимеры, металлы или цементные составы. Наполнителем же обычно служат волокна (стеклянные, углеродные, базальтовые и др.), частицы керамики или металлические порошки.
Несмотря на многочисленные преимущества композитных материалов, их массовое применение в строительстве ограничивается относительно высокой стоимостью производства. Однако, по мере совершенствования технологий и увеличения объёмов производства, стоимость композитных материалов постепенно снижается. Важно также отметить необходимость разработки стандартов и нормативных актов для регулирования использования композитов в строительной отрасли, что обеспечит их безопасность и долговечность [5].
Будущее композитных материалов в строительстве связано с развитием новых технологий, таких как нанокомпозиты и биоразлагаемые композиты, которые могут ещё больше улучшить эксплуатационные характеристики строительных конструкций и снизить их воздействие на окружающую среду.
Таким образом, композитные материалы представляют собой ключевую инновацию в строительной индустрии, предлагая высокие показатели прочности, долговечности и устойчивости при значительно меньшем весе и сниженных затратах на эксплуатацию.
Высокопрочные бетоны (ВПБ) и ультравысокопрочные бетоны (УВПБ) представляют собой новое поколение строительных материалов, которые значительно превосходят традиционные бетонные смеси по своим механическим характеристикам. Эти материалы разрабатываются с учётом растущих требований к современным строительным конструкциям, которые должны выдерживать более высокие нагрузки, обеспечивать долговечность и устойчивость к неблагоприятным внешним условиям. Применение ВПБ и УВПБ позволяет создавать более тонкие и лёгкие конструкции, которые остаются прочными и устойчивыми, что открывает новые возможности для архитектурного и инфраструктурного строительства.
Несмотря на текущие ограничения, перспективы использования высокопрочных и ультравысокопрочных бетонов весьма обширны. Развитие технологий, направленных на удешевление производства этих материалов, а также внедрение инновационных добавок и улучшение качества компонентов, может сделать ВПБ и УВПБ более доступными для массового строительства. Кроме того, дальнейшие исследования в области нанотехнологий и микроармирования могут привести к созданию бетонов с ещё более высокими характеристиками, которые будут использоваться в самых сложных и ответственных строительных проектах.
Фазопереходные материалы (PCM — Phase Change Materials) активно используются для повышения энергоэффективности и комфорта зданий. Фазопереходные материалы работают на основе фазового перехода между твёрдым и жидким состоянием. Когда температура окружающей среды превышает определённое значение (температуру фазового перехода), PCM поглощает избыток тепла и плавится, переходя в жидкое состояние. Когда температура снижается, материал затвердевает, высвобождая накопленное тепло. Этот процесс позволяет PCM поддерживать стабильную температуру в пределах определённого диапазона, что способствует созданию комфортного микроклимата в помещениях [4].
Цифровое проектирование и моделирование стали неотъемлемой частью современного строительства. Внедрение этих технологий позволяет улучшить точность проектирования, оптимизировать процесс строительства и повысить эффективность управления проектами [3].
Озеленение крыш и фасадов зданий не только улучшает эстетический вид, но и способствует повышению энергоэффективности, снижению тепловых потерь и увеличению изоляции. Такие решения
также способствуют улучшению качества воздуха, уменьшению эффекта городских островов тепла и созданию комфортных микроэкосистем.
ИИ-технологии позволяют анализировать огромные объемы данных, полученных в процессе проектирования, чтобы оптимизировать архитектурные и инженерные решения[5]. Алгоритмы машинного обучения могут предсказывать потенциальные проблемы и предлагать эффективные решения, что снижает риск ошибок и упрощает процесс проектирования. ИИ может обрабатывать большие массивы данных, собранных из различных источников, таких как результаты симуляций, данные о материалах и информация о прошлых проектах. Это позволяет выявлять закономерности и тренды, которые могут быть использованы для улучшения проектирования и принятия более обоснованных решений.
Системы на базе ИИ могут создавать проектные решения на основе заданных параметров и требований. Это включает в себя автоматическое создание планов зданий, выбор оптимальных материалов и технологий, а также расчет затрат и сроков выполнения.
Роботы и автоматизированные системы могут выполнять широкий спектр строительных задач, таких как кладка кирпичей, монтаж конструкций, сварка и покраска. Роботизация помогает повысить точность и скорость выполнения работ, а также снизить риск травм и ошибок.
Дроны используются для мониторинга строительных площадок, создания подробных карт и 3Б-моделей, а также для инспекции труднодоступных участков. Беспилотные технологии помогают проводить более точные замеры и наблюдения, а также обеспечивают более эффективное управление строительными проектами. Использование автоматизированных систем управления строительной техникой, таких как экскаваторы и краны с автоматическим управлением, позволяет повысить точность и эффективность выполнения работ, а также снизить затраты на трудозатраты и управление.
Внедрение новых технологий и материалов обеспечивает повышение качества строительства, улучшение эксплуатационных характеристик и снижение негативного воздействия на окружающую среду. Инновации в этой области способствуют созданию более устойчивых, энергоэффективных и безопасных зданий и инфраструктур. Использование технологий БИМ, автоматизированных систем и дронов позволяет оптимизировать проектирование, сократить время строительства и улучшить управление проектами. Эти технологии способствуют более эффективному распределению ресурсов и повышению безопасности на строительных площадках.
ИИ и автоматизированные системы помогают прогнозировать риски, оптимизировать использование ресурсов и автоматизировать рутинные задачи, что ведет к повышению эффективности и снижению затрат. Умные системы управления зданиями способствуют созданию более комфортной и энергоэффективной среды. Продолжение исследований и разработок новых материалов и технологий, развитие этических норм и стандартов, а также увеличение доступности инновационных решений будут способствовать дальнейшему развитию строительной отрасли и достижению более высоких стандартов устойчивого и эффективного строительства.
Библиографический список
1. Липина С. А., Агапова Е. В., Липина А. В. Развитие зеленой экономики в России: возможности и перспективы. М.: ЛЕНАНД, 2019. 328 с.
2. Лунева Д. А., Кожевникова Е. О., Калошина С. В. Применение 3-Б печати в строительстве и перспективы ее развития // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. 2017. Т. 8, № 1. С. 90 - 101.
03
г
м О
-I
м
Э СО
х
I
.о
ш н
О
а н
и
ш х н о ю га а т га а
х
а о
2 § и
са ®
ш "О
^ о
С 5 * £
■ о
ш I
■ I О 5
3. Разумная Е.А., Абакумов Р.Г. Инновационные инструменты расширенного воспроизводства доступного жилья в регионах // Инновационная экономика: перспективы развития и совершенствования. 2016. № 1 (11). С. 220 - 225.
4. Wang Xi. An analysis of capital works project management from a low-carbon economy point of view / Wang Xi // Green and environmentally friendly building materials. 2021(06). P. 162 - 163.
5. Li Yanli. Intensive countermeasures to control the cost of construction enterprises / Li Yanli // Collective economy of China. 2021(18). Р. 148 - 150.
6. Zhang Xingdong. Measures to manage construction costs and control facilities / ZhangXingdong // World of Real Estate. 2021(11). Р. 58 - 60.
INNOVATIVE APPROACHES TO THE DEVELOPMENT OF NEW GENERATION BUILDING MATERIALS
O. B. Lyapidevskaya
Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow
Abstract
The article is devoted to the analysis of innovative approaches to the development of new generation building materials. Modern technological solutions and materials with improved performance characteristics such as strength, durability, energy efficiency and environmental friendliness are considered. The article focuses on the use of nanotechnology, composite materials, as well as the introduction of 3D printing methods in the construction industry. Special attention is paid to research in the field of the development of environmentally friendly and energy-efficient materials aimed at reducing the carbon footprint and increasing the resistance of buildings to external influences. The prospects of further development and application of these technologies in the construction industry are presented.
The Keywords
Innovative building materials, nanotechnology, composite materials, 3D printing, energy efficiency, environmental friendliness, sustainability, construction industry, new technologies, carbon footprint reduction.
Date of receipt in edition
23.09.2024
Date of acceptance for printing
01.10.2024
Ссылка для цитирования:
О. Б. Ляпидевская. Инновационные подходы к разработке строительных материалов нового поколения. — Системные технологии. — 2024. — № 3 (52). — С. 42 - 46.
