НАНОТЕХНОЛОГИИ —
В ПРОИЗВОДСТВО БЕТОНОВ
Разработки в сфере нанотехнологий ведутся не первый год в Белоруссии. Принята Государственная комплексная программа ориентированных фундаментальных исследований «Наноматериалы и нанотехнологий», которая рассчитана на гг. Она представлена шестью разделами: углеродные на-нотрубки и наноуглеродные частицы, сверхтвердые и тугоплавкие наноматериалы, магнитные наноматериалы, наноэлектроника и микросистемы, композиционные наноматериалы и физико-технологические основы систем с наноразмерным структурированием. В основе документа — исследования, научно-технические разработки, обучение работе с материалами на уровне нановеличин, управление производственными процессами и получение наноматериалов с заданными свойствами.
О разработках по использованию нанотехнологий в производстве бетонов рассказывает заведующий лабораторией физики и химии горения Института тепло- и массообмена НАН Андрей КРАУКЛИС.
Идеальными кандидатами для применения нанотехнологий являются бетоны. Частицы размером в диапазоне от 10 до 100 нанометров, или 0,1 микрона, — это эффективные минеральные добавки в цемент, которые обеспечивают повышение плотности бетона как основного конструкционного материала. Введение нанодоба-вок обеспечивает максимальную эффективность бетона.
Для получения бетонов с улучшенными эксплуатационными характеристиками Институт тепло - и массообмена Национальной академии наук Белоруссии совместно с кафедрой «Строительные материалы и изделия» Белорусского национального технического универ-
ния энергии взаимодействия на межфазных границах существенно модифицируют структуру цементного камня и его контактные зоны с наполнителем.
— Почему в качестве модификаторов выбраны именно углеродные наночастицы?
— Углеродные наноматериалы обладают целым рядом уникальных физических свойств, и во всем мире ведутся работы по использованию их в качестве добавок в различные пластмассы, резины для создания новых композиционных материалов. Наночастицы углерода при введении в бетоны на основе цементных вяжущих значительно улучшают их физико-механические характеристики: повышают прочность, создают ударную вязкость и при этом увеличивается энергия, необходимая для раз-
ющей добавки. И, наконец, введение нанодобавки в сухом виде затруднено: велика вероятность неравномерного распределения ее вещества в объеме цемента (и в еще большей степени — бетона). Поэтому целесообразно апробировать другие способы введения добавок, например, в виде суспензии.
— Как получают углеродные наночастицы?
— В мире углеродные наноматериалы получают разными способами: в электрической дуге, лазерным или солнечным испарением, пиролизом, химическим осаждением паров. В нашей лаборатории (все эксперименты проводятся совместно с кафедрой «Строительные материалы и изделия» БИТУ в лаборатории модифицированного бетона.) этот материал получают обработкой га-
ситета проводит научные исследования «Разработка бетонов нового поколения, модифицированных углеродными материалами».
Особой необходимости в применении новых технологий до недавнего времени не было, так как почти 90 процентов всего бетона выпускалось с прочностью до 30 Мпа, что можно получить на «классических» бетонах (цемент, песок, щебень, вода) с использованием цементов общестроительного назначения и заполнителей, отвечающих требованиям ГОСТов. В «классическом» составе бетона прочность обеспечивалась расходом цемента, водоцементным отношением и рационально подобранным соотношением заполнителей. В последние годы подходы к разработке и назначению составов бетона изменились. При разработке составов бетона класса В25 и выше получили распространение многокомпонентные составы бетона, где, кроме цемента и заполнителей, в бетонную смесь вводят различные активные минеральные химические добавки типа пластификаторов, ускорителей твердения, воздухововлекающих и другие.
Выполненные нашей лабораторией исследования показали перспективность применения в качестве модифицирующих добавок для бетонов углеродных наночастиц. Вводимые в бетонную смесь тонкодисперсные добавки за счет измене-
рушения. Они позволяют придать новые свойства цементному камню и бетону в целом, существенно повысить его показатели. Есть и еще одно значимое свойство добавок: при производстве цемента значительная часть энергозатрат уходит на помол клинкера (сырья для получения цемента). Небольшие добавки углеродных наночастиц существенно уменьшают время помола.
— В какой степени повышаются физико-механические характеристики?
— Приращение прочности композитов за счет введения наноуглерод-ных частиц практически не зависит от активности вяжущего и, как правило, составляет 10-15 Мп, а для цементного камня — 0,5-1 Мп. Для низкомарочных мелкозернистых бетонов это может соответствовать почти двукратному упрочнению, а для высокомарочных составляет 20-30 процентов от исходной прочности.
Мы проводили исследование «Влияние добавок углеродных наномате-риалов на свойства цемента», результаты которого показали, что эффективность от введения в цемент углеродной «нанодобавки» проявляется в росте прочности цементного камня до 20 процентов в проектном возрасте, оптимум дозировки составляет 0,05 процента от массы цемента. В присутствии нанодобавки отмечается усиление эффекта действия ускорителя твердения, но не установлено усиление действия пластифициру-
зовой 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.
— Существуют ли пути удешевления процесса?
— Этот вопрос является очень актуальным на данный момент. Мы работаем в этом направлении, ищем новые технологические подходы в получении материала, способов его очистки и введения в бетоны.
— Имеет ли место внедрение разработок в практику?
— В ближайших планах — проект по упрочнению ячеистого бетона на . Особые надежды для регулирования свойств бетонов возлагаются на мелкодисперсные наноуглеродные добавки с характерными размерами нановолокон диаметром 50-100 нм. Конечно, говорить о создании наноиндустрии еще рано. Однако мы надеемся, что вскоре применение материалов, уже содержащих наноуглеродную составляющую, будет активно внедряться для производства композиционных строительных материалов с уникальными свойствами.
Татьяна РЕУТ.
Минск.
