Термин «нанобетон» в последние годы прочно вошел в строительный лексикон для обозначения бетона, при производстве которого используются наноматериалы и нанотехнологии. Речь, как правило, идет либо об измельчении основных компонентов – цемента и наполнителей, либо о введении добавок. Рассмотрим несколько примеров успешного применения этих материалов

Строительство – это сфера деятельности, где преимущества новых технологий проявляются особенно зримо, поскольку воплощены в уже построенных зданиях и сооружениях. В качестве примера можно привести мост через Волгу в городе Кимры Тверской губернии, введенный в эксплуатацию в конце 2007 г. Это первый в мире автодорожный мост, дорожная плита которого была выполнена из легкого конструкционного фибробетона на основе базальтовой микрофибры, модифицированной нанокластерами углерода. Один из участников проекта, генеральный директор ООО «НТЦ прикладных нанотехнологий» А.Н. Пономарев рассказывает: «При реконструкции моста строители столкнулись с острой необходимостью обеспечить выравнивание дорожной плиты в условиях обязательного повышения судоходности за счет увеличения пролетной части. Принятое решение о применении легкого конструкционного бетона с отказом от выполнения утяжеляющей гидроизоляции было экспериментальным шагом, но практически единственным». Это позволило снизить собственный вес покрытия более чем на треть.

Фибробетон – это разновидность бетона, в котором достаточно равномерно распределены волокна (фибры) из металла, стекла, полимера или другого материала. Фиброволокно выполняет функции армирующего компонента, способствуя снижению удельного веса бетона при повышении его трещино-стойкости и устойчивости к деформациям. В данном случае было использовано базальтовое фиброволокно, на поверхность которого наносились углеродные нанокластеры. Опыты показали, что добавление углеродных нанокластеров даже в количестве менее 0.001 % заметно улучшает свойства бетона. Существенно увеличивается прочность и ударная вязкость, меняется и характер кристаллизации цементного камня – происходит направленная кристаллизация соединений кальция на углеродных нанотрубках.

В ходе работ по реконструкции моста встал вопрос о создании производства наноструктурированных сухих добавок к цементу в условиях действующих бетонных заводов. В 2008 г. в Санкт-Петербурге ввели в эксплуатацию полуавтоматическую линию мощностью до 800 т добавок в год. Это позволило начать работы на следующем объекте, которым стал мост через реку Вятка, также сданный в 2008 г. Сейчас проходят государственную экспертизу еще два крупных проекта.

Добиться упрочения бетона можно и по-другому, используя измельченный песок. Оказалось, что максимально заполнить пустоты в бетонном камне можно при использовании трех фракций наполнителя: Н1 = 6–7 мкм, Н2 = 0.6–0.7 мкм, Н3 = 50–90 нм. При этом эффект упрочения достигается не только за счет заполнения пор, на поверхности частичек песка под электронным микроскопом отчетливо видны игольчатые наросты длиной 0.1–0.3 мкм. Их наличие может свидетельствовать об увеличении прочностных характеристик материала, т.к. они выполняют ту же роль, что и металлическая арматура. Это позволило в лабораторных условиях при введении нанодисперсных составляющих в количестве до 30 кг/м3 или 2–3 % от массы цемента получить бетон с прочностью при сжатии в 3–4 раза больше обычного. И это еще не предел. По мнению специалистов, в течение ближайших 5 лет за счет применения нанотехнологий прочность бетона может быть доведена до 300 МПа, что почти в 10 раз превышает среднюю прочность современных бетонов. Такие материалы должны выдерживать более 3000 циклов замораживания и оттаивания и даже в морской воде служить более 100 лет.

Еще одну возможность для упрочения бетона подсказала природа. Оказалось, что добавление в бетон анаэробных микроорганизмов определенного вида позволяет повысить его прочность на 25 %, а также улучшить его гидроизолирующие свойства. Это происходит потому, что микроорганизмы, продолжая жить внутри гибридного биоматериала, заполняют поры продуктами своей жизнедеятельности.

Конечно, способов создания высококачественных бетонов найдено уже довольно много, подходы эти весьма разнообразны, и они позволяют реализовать инновационные конструкторско-технологические решения, полезные для самых различных областей строительства.

Способы модификации бетона

Еще на одном применении нанотехнологий в области производства бетона, также уже использующемся на практике, нужно остановиться особо. В настоящее время добавки наночастиц TiO2 широко применяются в красках, специальных цементах и других строительных материалах. Дело в том, что под воздействием солнечного света наночастицы оксида титана работают как фотокатализатор, преобразуя атмосферный кислород и пары воды в атомарный кислород. Выделяющегося активного кислорода достаточно для окисления и разложения органических загрязнений, дезодорирования помещений, уничтожения бактерий.

Особенно часто применяются такие светочувствительные катализаторы для самоочищения поверхностей, что позволяет сохранять внешний вид построенных объектов неизменным в течение длительного времени. Ведь главная причина изменения цвета цементных материалов, представляющих собой пористое тело, состоит в накоплении окрашенных органических соединений в их поверхностном слое. Здания из цементных композитов с наночастицами TiO2 сохраняют свой цвет в течение длительного времени даже под воздействием агрессивного городского окружения.

Цементы, модифицированные наночастицами оксида титана, стали применяться с середины 90-х годов прошлого века, когда итальянской фирмой Italcementi был разработан цемент марки Bianco TX Millennium для строительства церкви Dives in Misericordia в Риме. В последующие годы эти цементы были использованы в ряде европейских архитектурных проектов: Cite Musique в Шамбери, Hotel de Police в Бордо, а также других общественных зданиях во Франции, Италии и Бельгии.

Цементные материалы, содержащие TiO2, интересны не только из-за своих свойств самоочищения. Исследования, проводимые в рамках проекта Canyon Main Street (Техас, США), показывают, что такие материалы могут успешно бороться с загрязнениями воздуха в городах. Среди загрязнителей, которые могут быть ими уничтожены, – самые главные «отравители» воздуха в городах: NOx, SOx, NH3, CO, летучие органические углеводороды, такие как бензол и толуол, органические хлориды, альдегиды и конденсированные ароматические соединения. Самыми подходящими местами для использования фотокаталитических цементных материалов являются улицы, перекрестки и площади с интенсивным движением, а также автозаправки. Последние представляют наибольшую опасность, поскольку на их территории в процессе испарения топлива образуется много летучих органических соединений, а их реакции с окислами азота приводят к образованию особо агрессивных веществ. Поэтому в Японии, Италии, Франции, Бельгии и Голландии были проведены многочисленные испытания дорожных покрытий из бетона с добавлением нанокатализаторов. Измерения у шоссе близ Милана при интенсивности дорожного движения 1200 транспортных единиц в час показали, что в безветренную погоду это покрытие способно поглощать до 65 % диоксида азота и монооксида углерода. При этом активность покрытия сохранялась и через год после его укладки. Результаты проверки были подтверждены Национальным исследовательским советом Италии. Поэтому не удивительно, что в Италии уже в 2006 г. общая площадь фотоактивных цементных поверхностей составляла примерно 400 000 м2. Уже упомянутая выше итальянская компания Italcementi несколько лет назад начала продажу цемента с фотокаталитической активностью TX Active®, способного поглощать до 40 % вредных газов, содержащихся в воздухе. Разработан и европейский проект PICADA (Photocatalystic Innovative Coverings Applications for Depollution Assessment), определяющий стратегию снижения загрязнения окружающей среды за счет использования строительных материалов на основе наночастиц TiO2.

В нашей стране также возрастает интерес к подобным строительным материалам. Так, Российской инженерной академией по заказу Правительства Москвы реализуется проект «Разработка составов, технологии изготовления экологически чистых отделочных материалов (плиты, покрытия, штукатурки) на основе гипсоцементных смесей, содержащих адсорбционно-каталитические нанокомпоненты, исследование их строительно-технических свойств и разработка нормативно-технической документации на их применение». Цель проекта – создание составов и отделочных материалов, модифицированных фотокаталитическим диоксидом титана (гипсоцементных, цементно-известковых смесей, полимерцементных растворов и др.). Использование этих материалов должно улучшить экологическую обстановку в зданиях, помещениях, на подземных автостоянках и в автомобильных туннелях. Опытные образцы составов и отделочных материалов будут выпускаться на предприятиях компании MC Bauchemie – Russia. Их применят начиная с 2010 г. на объектах, возводимых организациями, входящими в состав Комплекса архитектуры, развития и реконструкции города Москвы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. http://www.vestnik.info/…icle329.html
2. http://www.nanobuild.ru/…d_3_2009.pdf
3. http://www.nanobuild.ru/…d_4_2009.pdf
4. http://engstroy.spb.ru/…nomarev.html
5. http://www.nanobuild.ru/…d_1_2009.pdf

Александр Данилов

Журнал «Российские нанотехнологии» № 1–2 2010 год.