CC BY
42Нелюбова В.В., аспирант Бухало А.Б., аспирант Анищенко Т., студент Сумин А., студент
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ МОДИФИКАТОРОВ
С УЧЕТОМ ИХ СВОЙСТВ
Описаны некоторые аспекты применения наномодификаторов в строительных материалах. Показано, что введение небольшого количества наномодификаторов существенно повышают эксплуатационные характеристики материалов.
Ключевые слова: наномодификатор, строительные материалы, цемент
Анализ современных тенденций внедрения нанотехнологий в строительной отрасли показал, что в настоящий момент с одной стороны, необходимо использование достигнутых результатов фундаментальных исследований в прикладных областях строительной науки, а с другой - само развитие нанотехнологий в строительной отрасли невозможно без новых подходов к проектированию и строительству объектов.
В последнее время в связи с развитием нанотехнологий и созданием наноматериалов раз-
личного состава широкое распространение получило использование наноразмерных добавок для осуществления направленного структурооб-разования строительных композитов (рис 1). Их можно использовать не только как центры кристаллизации, но и как объекты, изменяющие направление и регулирующие скорость физико-химических процессов в твердеющих материалах, придающие материалам целый ряд принципиально новых свойств.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ДОБАВОК В КОМПОЗИТАХ СТРОИТЕЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Композиты с компонентами И1 наноматериалов
1 Нанопорошки (гальваношлам;_дефекаг; н:шодясперсныи кремнезем: шунгит; шунгизит!
2 Нанопроволоки
3 НансЕолокна
4 Тонкие пленки
5 Нано трубки
6 Фуллерены
/ С ммкрокомпоментамип
1 С нанаструкгурными волокнами я/кли частицами
(Еемит; Корунд. ТЮ3, ТМЦ; НДМ но методу БКВС)
2 С наноотруктурными покрытиями
\ШШ СЛОЯМ__у)
Гп-
(_.о сложным
сочетанием
компонентов
1
V
Природные наномат ериалы
и дно фазные
•Стекла •Гели
•Пресыщенные твердые растворы
Мног о ф аз ны е
Сложные сплавы * ерамики 9
Рис. 1. Использование наноразмерных и нанокристаллических добавок в композитах строительного назначения.
Известно, что ввиду многокомпонентности бетона серьезно усложняется исследование каждого из компонентов на условия синтеза новообразований формирования структуры материала в целом, потому введение в столь сложную систему наноразмерных компонентов является сложнейшим процессом, связанным с комплексом явлений физического и химического характера.
На данный момент самыми перспективными и массовыми направлениями применения наночастиц в строительстве является производство бетонов и стальных конструкций. Благодаря нанометровым размерам стало возможным создание порошковых бетонов с прочностью 500 - 600 МПа, в десять раз превосходящих по этому показателю обычные бетоны, а также увеличение прочности фибробетонов на растяжение до 70 - 80 % против 10 - 15 % у обычных бетонов. В целом применение модификаторов позволяет создавать бетоны и строительные растворы различного функционального назначения с широким спектром заданных свойств.
Наиболее востребованными в России в ближайшие 5 - 10 лет будут нанотехнологии, направленные на получение минеральных вяжущих веществ и, в первую очередь, портландцемента, так как из-за изношенности оборудования цементная промышленность не может увеличивать производство портландцемента в тех объемах, какие нужны для интенсивно развивающихся потребностей в нем. Наиболее эффективно эта проблема решается путем домола цемента. У такого цемента будет значительно большей доля вещества, вступающего в реакцию с водой, тогда как у обычного ПЦ, удельная поверхность которого около 300 м2/кг, в реакцию вступает лишь третья часть объема его частиц, преимущественно с поверхности, остальной объем выполняет в готовом изделии функцию инертного заполнителя.
Разные фракции цементного порошка по-разному влияют на прочность цемента при твердении, а также на скорость твердения. В связи с этим ряд исследователей рекомендует характеризовать цементы не только по удельной поверхности порошка, но и по зерновому составу. Чрезмерное измельчение продукта не всегда целесообразно, так как частички 1 - и даже 5 мкм быстро гидратируются влагой воздуха уже при кратковременном хранении цементов, что значительно снижает активность материала.
Второе направление, позволяющее экономить цемент, - добавление в него нанодисперс-ных модификаторов, особенно таких, которые являются отходами. В мире уже около 30 лет
используют микрокремнезем, образующийся как отход при получении индивидуального кремния и ферросилиция. Его введение в цементные смеси позволяет повысить прочность бетонов.
Необычным источником нанодисперсного кремнезема становятся геотермальные воды, которые в нашей стране начинают использовать для теплоснабжения. Однако в них много минеральных компонентов и особенно кремнезема. В. В. Потапов с сотрудниками разработал способ выделения кремнезема из этих вод и установил его эффективность как упрочнителя бетона [1].
Еще одним эффективным наномодифика-тором является гальваношлам - продукт, образующийся при обработке известью сточных вод гальванического производства. Авторами и многими другими исследователями показана его эффективность в составе цементных смесей [2].
Быстро развивающимся направлением в России является использование в производстве строительных материалов шунгита - природного минерала, содержащего в своем составе фул-лереноподобные наночастицы. Они придают шунгиту способность поглощать электромагнитные и даже ионизирующие излучения. Наряду с этим шунгит проявляет себя и как сильный бактерицид, так что изделия, изготовленные из материалов, содержащих этот минерал, стойки против биопоражений. Будучи электропроводным, шунгит препятствует возникновению электростатических зарядов.
Опираясь на это свойство шунгита, Н.И. Александров с коллегами разработал рецептуру бетонной смеси, из которой получается камень, стойкий к у-лучам [3]. Интересно отметить, что в этой смеси в качестве воздухововлекающей добавки использовалась смола древесная омыленная, образующая в бетоне наноразмерные пузырьки воздуха. Такой бетон рекомендован исследователями для изготовления хранилищ радиоактивных отходов и отработанного ядерного топлива [4].
Следует отметить, что и до этого значительное внимание уделялось возможности улучшения функциональных и технологических свойств строительных композитов различного рода добавками, в том числе ультра- и нанодис-персными, которые чаще всего получают обычным продолжительным механическим измельчением исходного сырья. Однако при получении наночастиц необходимо учитывать их неустойчивость и реакционную способность, которые могут привести к агрегации наночастиц, потере необходимых свойств при взаимодействии с окружающей средой, изменению структу-
ры наночастиц. Кроме того, создание высококачественных строительных материалов нового поколения с использованием нанодобавок увеличивает их стоимость.
Хотя в настоящее время, не смотря на высокую стоимость композитов с использованием так называемых искусственно получаемых на-номатериалов есть целый ряд разработок подтверждающих актуальность данного направления.
Так, Г. И. Яковлев с коллегами рекомендует использовать нанотрубки, синтезируемые по разработанной этим коллективом исследователей технологии, для приготовления цементных пенобетонов, поскольку это приводит к повышению физико-механических свойств, а затраты па добавку с лихвой компенсируются возможностью экономить цемент [5].
В.И. Корнев, И.Н. Медведева, А.Г. Ульянов получили прочный бетон от введения в цемент наночастиц гидроксида алюминия [6].
А.Н. Пономарев разработал технологию изготовления микрофибры базальтовой, модифицированной фуллерен о подобными частицами — астраленами, и показал, что при введении ее прочность бетона как па сжатие, так и на растяжение может быть заметно повышена [7].
Решить эту проблему можно введением в формовочную смесь определенного количества молотых кремнеземистых добавок (обычно 5-18 %), например наноструктурированных модифи-
аТ
каторов, полученных методом мокрого помола. Их можно применять для производства бетонов, в том числе и ячеистых.
В системе наномодификатора в результате механохимической активации основной твердой фазы уже на стадии помола формируется около 1-3 % частиц наноразмерного уровня [8].
В ранее опубликованных работах [9] было установлено, что введение 10% НМ, полученного по технологии
высококонцентрированных вяжущих систем (ВКВС), существенно улучшает свойства готовых силикатных изделий. Однако, область использования наноструктурированных
модификаторов на этом не ограничена. Это обусловлено тем, что данный материал имеет химическое и минералогическое сродство с сырьевыми компонентами большинства строительных материалов: цементных, бесцементных, автоклавных.
Все это особенно актуально и для поробетонов, где за прочность всего массива композита отвечают достаточно малые по размерным соотношениям межпоровые перегородки, состоящие из вяжущего, в отличие от мелозернистого бетона, так как что в данной системе на прочность композита оказывает влияние не только вяжущее, но и заполнитель и контактная зона, в отличие от поробетона (рис. 2)
л
с; ш
х
с;
о с: го о
□ поробегон
□ мелкозернистый бетон
Факторы оказывающие влияние на прочность композита под нагрузкой
Рис. 2. Факторы влияющие на качество поробетонов При этом при введении наноразмерного модификаторов в столь сложнокомпонентную систему весьма трудно отследить весь процесс взаимодействия компонентов на микроуровне, и тем более на наноуровне. Поведение компонентов в системе зачастую при введении наномодификаторов становиться не стабильным
неавтоклавного твердения и мелкозернистых бетонов. и необъяснимым. Да и, тем более что упрочнение наноразмерными компонентами целесообразно с экономической точки зрения лишь в том случае, когда нет возможности произвести упрочнение композита с помощью традиционных методов. Так в случае мелкозернистого бетона существует целый ряд
вариантов упрочнения как на уровне матрицы вяжущего, так и контактной зоны и заполнителя, в отличие от поризованного композита который упрочнить известными способами не всегда возможно.
Из всего выше изложенного можно сделать вывод о том, что основными проблемами, стоящими на пути к модифицированию бетона на наноуровне являются сохранение реакционной способности и химических свойств наноразмер-ных модификаторов и добавок в процессе производства строительного композита, равномерное распределение наноразмерных модификаторов по всему объему материала, обеспечение стабильности работы наноразмерного модификатора в столь сложнокомпонентной системе как бетон.
Библиографический список
1. Потапов В.В. Разработка способов использования геотермального кремнезема для повышения прочности бетона / В.В. Потапов, И.Б. Слов-цев, В.Н. Нечаев // Химическая технология. - 2004. -№ 2.
2. Войтович В.А.. Утилизация гальванош-ламмов / В. А. Войтович, Л.И. Фирсов // Обезвоживание. Реагенты. Техника. - 2005. - № 13-14. - С. 4345
3. Комохов П.Г. Нанотехнологии радиационного бетона П.Г./ Комохов // Строительные мате-
риалы, оборудование, технологии XXI века. - 2006. -№5. -
С. 22-23
4. Гольдшмидт Ю.М. Высокоэффективный древесносмолянные добавки для бетонов / Ю.М. Гольдшмидт, М.З. Дубиновский, В. А. Войтович и др. // Материалы международной конференции «Химические добавки в бетоны». - Хортица, 2002. - С. 17.
5. Яковлев Г.И. Нанодисперсная арматура в цементном пенобетоне / Г.И. Яковлев, В. И. Кодо-лов, В. Д. Крутиков, Т. А. Плеханова, А.Ф. Бурьянов, Я. Керене // Технологии бетонов. - 2006. - № 3. - С. 68-71.
6. Корнеев В.И. Ускорители схватывании и твердения портландцемента на основе оксидов и гидроксидов алюминия / В.И.Корнеев, И.Н.Медведева, А..Г. Ильясов // Цемент и его применение. - 2003. - №2. - С. 40-42.
7. Пономарев А..Н. Синергизм нанострук-турирования цементных вяжущих и анизотропных добавок / А..Н. Пономарев // Индустрия. - 2005. - № 2. С. 7-8.
8. Пивинский Ю.А. Керамическое вяжущее и керамобетоны / Ю.А. Пивинский. - М.: Металлургия, 1970. - 270 с.
9. Нелюбова В.В. Повышение эффективности производства силикатных автоклавных материалов с применением нанодисперсного модификатора. / Нелюбова В.В. // Строительные материалы. - 2008 - № 9 - С. 89 - 92
