Применение нанотехнологий в строительстве

Косолапов А.В.

Применение нанотехнологий в строительстве

Нанотехнологии в строительстве проявляются, в основном, в создании наноматериалов. Главным направлением в этой области является создание различных материалов со сложной структурой и уникальными прочностными или температурными свойствами, а также процессы самоорганизации веществ на атомно-молекулярном уровне, позволяющие создавать объекты без внешнего влияния. И уже в настоящее время планируются и проводятся теоретические и экспериментальные исследования, направленные на разработку методов наноструктурного модифицирования материалов, изучение количественных и качественных изменений их важнейших свойств и разработку технологических процессов получения различных видов строительных материалов, изделий и конструкций с улучшенными по сравнению с аналогами физико-механическими характеристиками.

Несмотря на то, что новые технологии и материалы уже внедряются в строительную отрасль, их доля еще достаточно мала — менее 1% в общем объеме материалов строительного сектора. В России применяются в основном импортные полимерные композиционные материалы (ПКМ). По потреблению ПКМ на душу населения мы отстаем от США почти в 20 раз.

Использование нанотехнологий в строительстве позволяет добавлять к традиционным строительным материалам определенные свойства, достижение которых еще недавно считалось небывалым. Так, одним из актуальных разработок последнего времени является создание долговечного и высокопрочного бетона.

Согласно расчетам, такой бетон может без проблем просуществовать до 500 лет. Для создания высокопрочного бетона применяются ультрадисперсные, наноразмерные частицы. Данные свойства наноматериалов позволяют использовать высокопрочный бетон для строительства небоскребов, большепролетных мостов, защитных оболочек атомных реакторов и тому подобного.

Недавно создано антибактериальное стекло, которое способно убивать попадающие на него микробы и грибки. Происходит это за счет внедрения в поверхностные слои стекла ионов серебра, которые, контактируя с микроорганизмами, разрушают их метаболизм.

Исследования показали, что такое стекло убивает 99,9% попадающих на его поверхность бактерий, устойчивых к действию антибиотиков, причем с течением времени антибактериальные свойства стекла не теряются. Предлагается использовать его в больницах, а также в ванных комнатах жилых домов.

Еще одно применение наностекла. Если нанести на поверхность флоат-стекла (стекла, полученного с помощью флоат-метода, при котором стекло при выходе из печи плавления выливается на поверхность расплавленного олова, а затем поступает через зону охлаждения на дальнейшую обработку) при его изготовлении методом пиролиза тонкий слои из оксидов металла In-SnO2, то коэффициент теплопередачи его снижается на 70-80 %, а теплопроводность стеклопакета с его использованием – в 2-2,5 раза. Если же на поверхность еще не остывшего флоат-стекла напылить специальный состав с наночастицами ТiO2, который после остывания стекла образует с ним единое целое, то такое покрытие обеспечивает нейтрализацию органических соединений на поверхности стекла и полную его гидрофилизацию, то есть вода вместе с грязью стекает со стекла. Такие стекла массово производятся в Европе, хотя их производство пока что недешево.

Ученые предложили покрывать специальным составом фасады зданий и окна. Компоненты состава под действием солнечного света разлагают органические составляющие оседающей на поверхностях грязи, благодаря чему неорганические элементы теряют сцепление с поверхностью и легко смываются дождем. Покрытие защищает фасады не только от грязи, но и от плесени, мха, грибка и ультрафиолетового излучения.

Отдельно хочется обратить внимание на конструкционные композиты, которые представляют собой широкий класс конструкционных материалов, имеющих полимерную, металлическую или керамическую матрицу. Наиболее типичным примером таких композитов являются углепластики - это композиты с углеволокнами и с полимерной матрицей.

На сегодняшний день уже существует проект здания, часть потребностей в электроэнергии которого обеспечивается установленными на нем ветровыми турбинами.

Чтобы повысить их эффективность, архитекторы придали зданию специальную форму, благодаря чему скорость ветра рядом с турбинами вырастает вдвое. Использованная для облицовки дома керамическая глазурованная плитка позволяет снизить трение воздушного потока о фасад. В итоге мощности турбин хватит, чтобы полностью обеспечить электричеством 40 из 66 квартир.

В нашей стране уже начали применять нанокомпозитные трубы: они предназначены для систем водоснабжения, отопления и газоснабжения. Нанокомпозитные трубы в несколько десятков раз превосходят свои привычные аналоги по эксплуатационным свойствам, а также отличаются невысокой стоимостью.

Перспективной альтернативой привычному стальному аналогу, специалисты считают строительную, стеклопластиковую композитную арматуру. Такой наноматериал имеет целый ряд уникальных свойств. Так, стеклопластиковая композитная арматура обладает малым уделенным весом, который в 4 раза меньше, чем у стали, химической стойкостью и высокой прочностью. При этом композитная арматура относится к диэлектрикам, имеет низкую теплопроводность и не подвержена коррозии. Такой материал можно использовать в любом виде строительства.

Для того, чтобы все нововведения попали на стройки, вкладываются немалые средства. Но крупные строительные организации уверены - они обязательно окупятся, благодаря своим уникальным свойствам - прочности, долговечности, энергосбережению и так далее. Исследования строительных нано - технологий финансируются самыми различными организациями, конечная цель которых одна - создать еще более выгодное и экологически чистое жилье, безопасное для человека и окружающей среды. Чтобы не потерять тепло от нагрева дома солнцем, его можно запасать в теплохранилище. Разработана система, которая дает возможность аккумулировать тепло в хранилище из пористого бетона. Структура материала позволяет накапливать и пропускать через него большое количество нагретой воды — заполняя поры, она может занимать до 85% всего объема хранилища.

Достоинство такого устройства в том, что вода прогоняется через бетон напрямую, без использования отдельной трубопроводной системы. Это обеспечивает максимально быструю передачу тепла от воды к бетону и обратно, повышая эффективность системы.

Поскольку материал может поставляться с завода в виде блоков, монтируется хранилище быстро, без использования специальной строительной техники.

Построенное таким образом, оно фактически позволяет отказаться от других источников отопления и сэкономить на электроэнергии.

Перспективными наноэлементами для строительной отрасли являются фуллерены и нанотрубки. Фуллерены после обработки в водной среде становятся гидратированными и удерживают на своей поверхности слой ориентированных молекул воды толщиной 20-80 нм. Это значительно повышает подвижность и прочность бетона. Однако стоимость нанотрубок и фуллеренов очень высока (один грамм чистого фуллерена С60 стоит 100 долларов), а удешевить их производство пока невозможно без резкого падения их полезных свойств.

В разработке проекты строений необычных конструкций, самостоятельно реагирующих на климатические изменения: силу ветра, смену температур и времени суток. В ряде стран (Израиль, США, Ватикан, Швеция, и др.) такие здания уже отлично функционируют. В Китае всегда был вкус к изобретениям. Пекинскому Дворцу Спорта нанотехнологическое покрытие потолка позволило получить великолепную шумоизоляцию и увеличило прочность конструкции купола. Отличным примером использования нанотехнологий явился столичный Центр Искусств. Абсолютно прозрачный купол благодаря сверхплотности частиц не задерживает на себе молекулы воды, пыли – любой грязи, как лепестки лотоса.

Среди реестра строительных материалов наибольшим спросом пользуются самоочищающиеся нанопокрытия и удивительные краски для окрашивания стен, которые кроме долгой и безупречной устойчивости к климатическим перепадам, обладают способностью со временем их усиливать. При обещанном сроке в два десятилетия, нанокраска практически вечная, ибо способна восстанавливать сама нанесенные повреждения. В Китае же ( г. Шанхай) впервые на окнах домов появились нанопленки, умеющие накапливать энергию Солнца днём, и вечером отдавать её как бесплатное и экономное освещение.

В настоящее время выдающиеся свойства наноматериалов позволяют применять в строительстве новые теплоизоляционные материалы, краски, эмали, лаки и многое другое. Большим достижением в области нанопокрытий стала имитация эффекта лепестков лотоса, которые совершенно неуязвимы для воды. В результате в Пекине появилось здание Большого национального театра, огромный яйцеобразный купол которого, созданный из стекла и титана, обработан нанопокрытием, которое не подвержено загрязнению и смачиванию осадками.

По мнению специалистов, внедрение нанотехнологий в строительство в ближайшем будущем создаст настоящий бум по использованию таких наноматериалов как фасадные водонепроницаемые краски. Также одним из актуальных направлений применения наноматериалов является энергосбережение.

Например, полупрозрачные нанопокрытия обладают свойством накапливать солнечную энергию. Данные пленки предназначены для применения их на окнах и стенах зданий: нанопленки придадут фасадам стильный вид, и в тоже время будут работать как солнечные батареи, значительно снижающие расходы на электрическую энергию.

Интересные свойства имеют такие наноматериалы как прозрачные наногели (аэрогели). Они обладают высокими звуко- и теплоизоляционными характеристиками, и в настоящее время их начинают применять в энергосберегающих кровельных системах с верхним светом.

Настоящим открытием в строительной индустрии стали свойства наноматериалов – инновационной пленки, предназначенной для защиты цветных пластиковых окон от инфракрасного (теплового) излучения. Инновационные пленки имеют особые пигменты, позволяющие отражать до 80% инфракрасных лучей и не позволяющие конструкциям перегреваться. В результате данная пленка защищает как окна, так и само помещение от перегрева, продлевая этим срок службы конструкции и снижая затраты на кондиционирование.

При этом цветная инновационная пленка, которая наносится при ламинации на профиль, способна придавать раме визуальный 3D-эффект. Это происходит благодаря использованию особого компонента пленки – бриллиантовых красок. Также такие краски на поверхности пленки создают микропоры, которые дают покрытию ощущение шагрени. В ходе ламинации инновационная нанопленка способна полностью покрыть сложные по геометрии ПВХ-профили и в точности повторить их формы.

В шанхайском музее Науки - нанопленкой, по несколько иной технологии, строители обработали стены, обеспечив «эффект термоса». Энергосберегательная способность наноплёнки оказалась ошеломляющей и шанхайский опыт решено распространить во многих компаниях по строительству. Причем, многократно улучшается экология местности.

Также в строительстве могут применяться разного вида наночастицы и нанопорошки. Они могут выполнять роль адсорбентов, катализаторов и модификаторов химических реакций, технологических и конструктивных свойств изготовляемых с их применением материалов.

Исследования ученых в области наномодификаций металлов и их сплавов позволили получить высокопрочную сталь, которая не имеет в настоящее время аналогов по параметрам прочности и вязкости. Применение таких наноматериалов самым идеальным образом подходит для строительства различных гидротехнических и дорожных объектов.

При этом нанотехнологии в строительстве позволяют создать на стальных конструкциях полимерные и композитные нанопокрытия: они в десятки раз повышают стойкость стали от коррозии и в несколько раз увеличивают срок службы металла, даже если ожидается работа в агрессивных средах.

В металлургии нанопорошки, по мнению специалистов, помогут повысить механические характеристик сталей. Существуют различные методы их введения в металл: компактирование и спекание нанопорошков в порошковой металлургии, интенсивная пластическая деформация, обработка заготовок потоком высокоэнергетических частиц, нанесение упрочняющих металлических покрытий, кристаллизация наночастиц из аморфного состояния и внесение наночастиц-модификаторов в исходный расплав.

Металлы и их сплавы, используемые в строительстве – предмет пристального внимания и удачных решений наноисследователей других стран. Совместные разработки ученых Норвегии, Швейцарии и других государств подарили миру сталь такой необыкновенной вязкости и прочности, что та, которой пользуются сегодня, кажется глиной. Сфера её использования – строительство железных и автодорог в сложных условиях, строительство конструкций на воде.

Фантастически выглядят перспективы дальнейшего развития. Например: основания зданий с саморегулирующей системой компенсации усадок грунтовнесущие конструкции зданий, осуществляющие мониторинг собственного напряженно-деформированного состояния ограждающие конструкции и кровли, аккумулирующие энергию Солнца покрытия, реагирующие на психофизическое состояние людей фотокаталитические и другие функциональные покрытия - все это должно стать основой современного «умного дома» нового поколения.

Без применения нанотехнологий невозможна и полноценная реализация проектов энергонезависимого «пассивного дома». Основной особенностью «пассивного дома» (экодома, англ. passivehouse) является малое энергопотребление и почти полная энергонезависимость, что обеспечивается использованием всего спектра возможностей сохранения тепла и самопроизводства энергии.

Будущее строительного материаловедения во многом связано с применением нанотехнологических подходов — внедрения процессов формирования структуры современных строительных материалов, предусматривающих их сборку или самосборку «снизу-вверх», то есть дизайн материала или изделия, который заключается в контролируемом и управляемом воздействии на процесс структурообразования, начиная с наноразмерного уровня. Результатом такого подхода будет получение 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.

Среди анонсированных технологий ведения дорожных работ можно назвать способ укладки холодного асфальта, укладку литого асфальта и многие другие. Одним из перспективных направлений считается создание нанопленки для дороги. Речь идет об особой эмульсионно-минеральной смеси, в состав которой входит мелкая фракция щебня, битумная эмульсия и минеральные наполнители. Полученная холодная смесь наносится на поверхность асфальта, при этом образуется довольно прочный верхний слой износа.Смесь можно изготавливать прямо на месте строительства с помощью самоходной или прицепной смесительно-распределительной установки. В машине происходит быстрое смешивание дробленого щебня, битумной эмульсии, воды и минеральных наполнителей. После этого «нанопленка» наносится на дорогу. Поскольку смесь застывает очень быстро, движение на ремонтируемом или вновь созданном участке дороги может открываться буквально через несколько часов после произведенной операции. К достоинству покрытия относится то, что ее можно использовать даже на влажной поверхности, исключением являются скопления жидкости.

Однако смесь имеет несколько существенных для нашей страны недостатков. Во-первых, ее нельзя применять, если температура воздуха опустилась ниже 15°С. При несоблюдении технологии качество покрытия значительно снижается. Во-вторых, с помощью смеси нельзя ремонтировать дороги, которые имеют значительные поверхностные разрушения.

Основное предназначение смеси – сохранение существующего асфальтного покрытия. Защищая дорогу от климатического воздействия и перепадов температуры, покрытие продлевает срок эксплуатации дороги до пяти лет. Влага, механическое воздействие, которому подвержена дорожная поверхность при разгоне или торможении автомобилей, не оказывают разрушительного влияние на поверхность дороги, обработанной «нанопленкой».Также для увеличения срока эксплуатации асфальтобетонного покрытия дорожные службы начали использовать рулонный материал, имеющий ячеистую структуру. Называется материал геосеткой.

Геосетка помогает предотвратить возникновение и развитие трещин асфальтобетонного покрытия, смещение слоев покрытия, которые влекут за собой разрушение дороги.

Эффективной современной технологией является применение георешеток с различными размерами ячеек. Решетку растягивают, а затем фиксируют с помощью анкеров по краю дороги. Посредством производственногостеплера осуществляется прошивка элементов георешетки. После этих подготовительных работ ячейки георешетки заполняются особой песчано-гравийной смесью. После разравнивания наполнителя в ячейках, грунт уплотняется катком.

Одним из важнейших критериев оценки перспективности внедрения нанотехнологических инноваций в строительную отрасль служит их конечная себестоимость. Наномодификаторы для бетона и строительных растворов по цене 100 долларов за грамм — при том, что их прочностные качества вырастают на 30%, вряд ли будут востребованы.

Наномодефицырованые бетоны на нынешнее время определяются как очень перспективное направление. По уверению специалистов, в ближайшие пять лет благодаря различным наноструктурирующим добавкам прочность бетонов может достигнуть от 300 до 600 МПа, что почти в десять раз выше средних показателей, морозостойкость может превысить 3000 циклов замораживания-оттаивания, долговечность даже в морской воде перешагнет 100-летний рубеж. При этом наномодифицирующие добавки составляют не более 2-3% от общей массы бетона.

Сегодня насчитывается множество разновидностей наноразмерных добавок и — соответственно — наномодифицированных цементов и бетонов. Эти модификаторы различаются механизмами действия, что связано с их пространственно-геометрическими параметрами, термодинамическими и кинетическими, кристаллохимическими и технологическими аспектами. Возможности реализации механизмов модифицирования определяются видом, характеристиками и дозировкой наноразмерных частиц.

С сожалением приходится констатировать, что в реальной практике строительства примеров использования нанобетонов, мягко говоря, не слишком много.

Эксперты считают, что наноструктурировать следует материалы массового применения — бетон, металл, композиционные материалы на основе волокон. С точки зрения массового строительства из технологий предпочтительными оказываются химические процессы типа «золь-гель» и технологии, использующие механические принципы и методы микровзрыва, в то время как вакуумные, лазерные, криогенные технологии, несмотря на всю их перспективность, являются более дорогостоящими.

Другой ресурс снижения себестоимости связан с эффектом реализации гигантских резонансов усиления поля на поверхности наночастиц, следствием чего оказывается крайне высокий уровень значений дисперсионных сил и — соответственно — чрезвычайно малое количество требуемого «исходного материала». Речь идет о так называемых астраленах — многослойных углеродных наночастицах фуллероидного типа тороидальной формы, вводимых в композиты.

Российские ученые разработали новый способ борьбы с коррозией. Применять их достижения можно во многих областях — от автопрома до жилищно-коммунального хозяйства. Новые технологии теперь позволяют выпускать металл, который будет служить на порядок дольше современных образцов. Люди науки говорят, что они свою задачу почти выполнили. Теперь дело за производителями. Некоторые крупные предприятия уже сегодня используют в производстве эти разработки. На их основе выпускаются специальные составы, которые применяются для, скажем, пассивации металлов, для обработки различных систем водоснабжения, водоохлаждения.

Новое покрытие, созданное на основе нанотехнологий, защищает металл от вредного воздействия окружающей среды в десятки раз лучше, чем, например, обычная полимерная краска. Пленка, которая покрывает металл, настолько тонкая, что ее невозможно увидеть невооруженным глазом.

К примеру, металлическая водопроводная или канализационная труба в земле быстро изнашивается. Десяток лет — и, по-хорошему, такой трубопровод нужно заменять. Но труба, которую покрыли защитной пленкой на основе наноматериалов, сохранится на порядок дольше. Значит, и течь давать будет реже.

К применению новых антикоррозионных материалов нужно привыкнуть, говорят ученые. Это потребует переоборудования производства, но результат не заставит себя ждать. Ведь сегодня, рассказывают ученые, в развитых странах ущерб экономике от коррозии составляет более 5% от валового национального продукта. 


Возврат к списку

© Национальная Ассоциация Алмазной Резки и Сверления, 2014
Создание сайтов: eFuture Web Services