CC BY
13Ямб Эммануэль, д-р философии Университет Дуала, Камерун Юрьев А.Г., акад. РАЕ, д-р техн. наук, проф., MICE (Великобритания),
Панченко Л.А., канд. техн. наук, доц. Серых И.Р., канд. техн. наук, доц. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г.Шухова
НОВЫЕ ПОДХОДЫ К ФОРМИРОВАНИЮ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОСИСТЕМ
уашЬ [email protected]
Углеродные и углепластиковые волокна способны не только поставлять информацию о поведении конструкции, но и придавать ей новые качества кинематического характера, а также повысить ее несущую способность.
Ключевые слова: углеродные наносистемы, интеллектуальная структура, несущие конструкции.
Углеродные наносистемы состоят из миллиардов мельчайших волокон,
объединяемых в пучки или жгуты. Они могут найти эффективное использование в интеллектуальных структурах, возбудителях, несущих конструкциях.
Интеллектуальная структура должна получать информацию о своем поведении, быть способной к изменению своего состояния. Под изменением внешних условий подразумевается изменение природных условий, условий эксплуатации, а также характера закрепления конструкции. Её реакцией является изменение функциональных характеристик устройства. Совершенные технические средства позволяют производить это в автоматическом режиме.
Углеродные волокна изменяют
механическое сопротивление под влиянием деформации. Это свойство используют для контроля уровня напряженно-
деформированного состояния в углепластиках. Хотя такого рода датчики допускают некоторый разброс характеристик, они поставляют полезную качественную информацию, анализ которой дает представление о состоянии структуры.
Резисторные полимерные нити дают аналогичную информацию о состоянии несущих конструкций. Полимерные нити вводятся в ткани и с помощью множества электродов на концах волокон образуют сенсорную систему, которую можно приклеивать к конструкции любой формы. Чувствительные полимерные волокна можно вводить и в волокнистые композиты типа углепластиков. Однако в этом случае температура отверждения полимерной матрицы должна быть такова, чтобы не
испортилось чувствительное полимерное волокно [1].
Такие датчики по своему действию напоминают биологические сенсоры. В отличие от оптоволоконных датчиков, которые после калибровки имеют одинаковые характеристики, свойства каждой ткани индивидуальны и ее нужно калибровать. В целях уточнения информации требуется установка
дополнительных сенсоров для контроля основных параметров в отдельных точках конструкции.
Полученная информация используется для возможного преобразования конструкции с целью улучшения ее эксплуатационных качеств. В отдельных случаях это достигается на кинематическом уровне.
Углеродные нановолокна могут выполнять роль искусственного мускула, т. е. преобразовывать электрическую энергию в механическое движение. В противоположность относительно слабым волокнам естественного мускула новые возбудители состоят из углеродных нанотрубок, механические свойства которых подобны свойствам алмаза [2].
В связи с высокой прочностью углеродных нанотрубок и достигаемого тем самым уровня механического движения новые возбудители имеют потенциал, соответствующий более высоким напряжениям, чем в случаях имеющихся в распоряжении возбудителей. Из-за особой жаростойкости углерода новый тип мускула можно использовать при температуре до 1000°С, что опять-таки дает ему преимущество перед предшествовавшими возбудителями.
В настоящее время кремний является не только фундаментом электроники, но и
предпочтительным материалом в
микромеханике. Углерод до сих пор исследовался в основном в рамках органической химии. Только в последние годы чистые модификации углерода привлекли внимание материаловедов. С появлением углеродных нанотрубок открываются варианты
использования графитообразного углерода.
Углеродные нанотрубки имеют поперечное сечение, измеряемое малым числом нанометров. В то же время их длина может достигать нескольких микрометров или миллиметров. Они могут применяться в системах
наноструктурированных транзисторов с эффективными полями или электронных транзисторов. Нанотрубки обладают также высокой адсорбционной способностью.
Посредством рентгеновских анализов установлено, что решетчатая структура графита подвергается растяжению при электрическом заряде. Квантовохимические расчеты показывают, что этот эффект присущ и нанотрубкам - при изменении числа электронов они растягиваются. Такое явление использовано при создании возбудителей нового типа.
Возбудитель - часть робота, производящая движение и являющаяся таким образом искусственным мускулом. Преимуществом углеродных нанотрубок в этом процессе является высокая степень их растяжимости.
Моделью возбудителя могут служить две полосы, состоящие из пучков нанотрубок и наклеенные на противоположные поверхности нейтральной полосы. Обе полосы получают электрохимические заряды: одна
положительный, другая отрицательный. При этом положительно заряженная полоса вытягивается сильнее, чем отрицательно заряженная. В результате структура изгибается, подобно поведению мускула руки человека при соответствующей манипуляции.
Внедрением углеродных волокон можно значительно повысить качество бетона. Имея большую прочность и абсолютную инертность по отношению к любым щелочам и кислотам, нанотрубки позволяют улучшить структуру цементного камня, а следовательно, повысить его трещиностойкость и динамическую вязкость.
Попадая в состав бетона путем введения наномодификаторов в процессе затворения, нанотрубки армируют цементный камень. В цементном растворе они создают основу для роста кристаллов. Благодаря вытянутой форме нанотрубок кристаллы образуются тоже вытянутыми. Они растут, переплетаются и даже
частично прорастают друг в друга. Таким путем образуется сеть из множества кристаллов, которая пронизывает цементный камень вдоль и поперек, образуя с ним единое целое. Данный процесс происходит на микроуровне, в связи с чем влияние на прочность бетона оказывается меньше, чем на прочность самого цементного камня.
Чтобы повысить прочность бетона, следует оказывать влияние на его структуру на макроуровне. Этого можно достичь путем введения наномодификатора в состав пластифицирующих добавок [3]. В этом случае в качестве наномодификатора используются уже не нанотрубки, а более дешевые астралены. Исследования показали, что при модификации ряда пластифицирующих добавок
десятитысячными долями процента астраленов расплыв конуса цементно-песчаной смеси увеличивается практически в два раза.
Таким образом, возможности
нанотехнологий позволяют достаточно эффективно воздействовать на структуру цементного камня и бетона, улучшая их физико-механические и эксплуатационные свойства. Эти изменения в структуре затронули не только наноуровень, они произошли и на субмикроскопическом и на микроскопическом уровнях. Частично изменилась даже макроструктура. Бетон стал
модифицированным.
Перспективным направлением является подкрепление изгибаемых элементов
пластинками или полосами из углепластика [4]. Оно представляется особенно актуальным при реконструкции зданий и сооружений благодаря легкости установки подкрепляющих деталей и незначительным структурным изменениям.
Внешнее армирование углепластиком в основном ориентированно на восстановление утраченной в ходе эксплуатации несущей способности конструкций. Это показали результаты экспериментов на железобетонных балках длиной 1,1 м, имеющих ширину сечения 0,15 м и высоту 0,2 м [5].
Первую балку довели до образования трещин шириной 0,5 - 0,6 мм, а затем ее разгрузили. После инъекции эпоксидного компаунда в трещины на балку наклеили два слоя углеродной ленты. Затем балку вновь довели до предельного состояния. На растянутую грань второй балки до ее испытания наклеили два слоя углеродной ленты.
В процессе испытания первой балки при нагрузке 50 кН было отмечено образование нормальных трещин шириной до 0,08 мм. При
повторном испытании, после усиления, раскрытие старых и появление новых трещин началось при нагрузке 70 кН. Предельное состояние балки наступило при нагрузке 153 кН. Оно сопровождалось разрушением сжатой зоны, текучестью растянутой арматуры, разрывом и отслоением углепластика.
При испытании второй балки появление нормальных трещин было зафиксировано при нагрузке 60 кН, а разрушение - при нагрузке 150 кН, то есть фактически такой же, как и для первой, усиленной балки. Не изменился и характер разрушений.
Важным результатом испытаний является доказательство адекватности поведения балки, получившей усиление после ее эксплуатации, и балки, имевшей изначальное такого же рода усиление.
Что касается продуктивности самого усиления, то это обнаруживается на сопоставлении с поведением балки без усиления. В последней появление нормальных трещин было зафиксировано при нагрузке 50 кН, а разрушение ее произошло при 130 кН. Усиление балки привело к увеличению несущей способности на 15 %.
Нанотехнологии позволят контролировать и управлять процессом структурообразования, начиная с наноразмерного уровня, создать материалы с прогнозируемыми, наперед заданными свойствами, имеющими
однородность структуры, приближающейся к однородности металлов. Такого рода композиционные материалы не будут нуждаться
в традиционном, стержневом и сетчатом, армировании, являющемся сложным
технологическим процессом.
Применение нанотехнологий в
строительном материаловедении приведет к получению 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.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Уорден К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение / К.Уорден. - М.: Техносфера, 2006. - 224 с.
2. Roth S. Künstliche Muskeln aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen / S.Roth, A.Trepte // Max Planck Forschung. - 1999. - № 1. - S. 6-8.
3. Юдович М.Е. Наномодификация пластификаторов. Регулирование их свойств и прочностных характеристик литых бетонов. / М.Е.Юдович, А.Н.Пономарев. - «СтройПРОФИль». - 2007. - № 6. - С. 49-51.
4. Юрьев А.Г. Волокнистые композиты в строительных конструкциях / А.Г.Юрьев, Л.А.Панченко, Р.В.Лесовик. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2006. - 90 с.
5. Хаютин Ю.Г. Применение углепластиков для усиления строительных конструкций. - Бетон и железобетон. - 2003. - № 1. -С. 25-29.
