Нанобетон с наноармированием

Первых успехов наномодифицирования бетонов добился исследователь из Санкт-Петербурга А.Н. Пономарев с сотрудниками. Им был создан водорастворимый аналог фуллерена "Астрален-С", специально предназначаемый для цементных материалов. Он представляет собой порошок с насыпной плотностью 600 - 900 кг/м³. Каждая его крупинка является кластером, построенным из наночастиц. Средний размер кластеров 300 нм.

Введение "Астралена-С" в цементные смеси в количестве 0,15% от массы цемента позволяет повысить их подвижность от П1 до П5, заметно увеличив прочность.

На основе "Астралена-С" был разработан "Астрофлекс-РК" - наноструктурированный неорганический ремонтный композит на водной основе. Его предназначение - быстрый ремонт взлетных полос аэродромов, железнодорожных железобетонных шпал, путей метрополитена, а также других подобных объектов.

Через два часа после использования прочность "Астрофлекса-РК" достигает 20 +/-2МПа, через 12 часов - 30 +/-5МПа, через 36 часов - 40 +/-5МПа.

Петербургские разработчики создали также "Астрофлекс ГП-1" - материал, проявляющий свойства гиперпластификатора. Производится он в виде порошка и 30%-ного водного раствора. Вводить его надо в количестве 0,15% от массы цемента. Подвижность смеси при этом повышается от П1 до П5. Увеличивается также прочность, снижается водопроницаемость изделий, изготовленных из смесей с этой добавкой. "Астрофлекс ГП-1" предназначен для использования в гидротехнических, дорожных и самоуплотняющихся бетонах, в том числе в железобетоне заводского изготовления и цементно-песчаных смесях.

Очень интересной разработкой А.Н. Пономарева является модифицированная астраленами базальтовая микрофибра (МФ), предназначенная для дисперсного армирования бетонов вместо прутковой стальной арматуры или дисперсного армирования стальной фиброй.

Введение МФ позволяет получить двойной эффект. Во-первых, МФ становится дисперсной арматурой для бетона, а дисперсное армирование эффективнее традиционного - прутковой арматуры. Во-вторых, с помощью МФ легче равномерно распределять в бетонной смеси НЧ астраленов.

С использованием такой микрофибры уже уложены сотни кубометров бетонных смесей различного назначения, в частности при строительстве моста через Волгу в г. Кимры Тверской области. Бетон там использован легкий (плотность 1,6 т/м³, но прочность его была высокой: на сжатие до 60МПа, на растяжение до 6 МПа). Морозостойкость также высокая (F300). Великолепны и водопроницаемость (W16 - 20), и водопоглощение (менее 1%).

Возможной областью строительства, где применение модифицированной базальтовой МФ и водорастворимых астраленов окажется эффективным и масштабно востребованным, станет производство наноструктурированных пено- и газобетонов. Эксперименты с такими материалами показали, что при изготовлении из них блоков стандартного размера будут достигнуты следующие результаты:

· заметное увеличение выхода годных блоков вследствие повышения трещиностойкости и прочности на сжатие;

· сокращение производственного цикла;

· снижение плотности на 8 - 10% при одновременном повышении технико-экономических показателей.

Заметных успехов в наномодифицировании бетонов добилась и другая группа исследователей из Санкт-Петербурга под руководством профессора Ю.В. Пухаренко. Ею разработан эффективный наномодификатор, позволяющий при расходе 1,4 кг на 1 куб. м бетонной смеси увеличить подвижность последней на 20 - 25%, повысить морозостойкость и водонепроницаемость бетонов до полутора раз и снизить стоимость бетона на 200 руб. за 1 м³.

Модификатор "Таунит"

Наномодификатор"Таунит" (Тамбовский университет), разработанный и запущенный в промышленное производство совместными усилиями сотрудников Тамбовского государственного технического университета, ООО "Тамбовский инновационно-технологический центр машиностроения", ОАО "Тамбовский завод "Комсомолец" им. Н.С. Артемова". Производителем "Таунита" в настоящее время является ООО "НаноТехЦентр", г. Тамбов.

Получают "Таунит" каталитическим пиролизом углеводородов, при этом образуются твердые углеродные наномасштабные нитевидные образования преимущественно цилиндрической формы с внутренним каналом. Установлено, что добавление сверхмалых (0,001 - 0,0001%) доз "Таунита" в цементные смеси позволяет в полтора раза повышать прочность бетонов. Эффективен "Таунит" и как модификатор полиэтилена, полипропилена, полиуретана, фторопласта (в 1,5 - 3 раза повышает прочность этих полимеров), клеев, лакокрасочных материалов (увеличивает адгезионную прочность, теплостойкость), гальванических, хромовых, цинковых покрытий (повышает твердость, износостойкость, снижает пористость).

Ныне всем известно о негативном влиянии на человека электромагнитных излучений. Введение "Таунита" в материалы, предназначаемые для поглощения этих излучений, позволяет усилить экранирующую способность.

"Таунит" понравился даже японцам, которые являются лидерами в нанотехнологической гонке. Одна из японских фирм закупила у тамбовчан реактор синтеза "Таунита". Еще один такой реактор закупила Украина, а в России второй реактор смонтирован в г. Владимире.

Простое повышение прочности

Необычные НЧ создали инженеры из Научно-образовательного центра химической физики и мезоскопии Удмуртского научного центра Уральского отделения РАН, Ижевского государственного технического университета и ОАО "Завод "Купол". Эти частицы представляют собой металлы (железо, кобальт, медь, никель), включенные в оболочку углерода. Такие НЧ оказались особенно эффективными для нанобетонов: повышают в два раза их прочность и трещиностойкость, снижают усадку. А вводить их надо в количестве 0,001 - 0,01% по отношению к цементу.

НПО "Стеклопластик" из Московской области разработало бетон, получаемый из портландцемента, традиционных заполнителей и наномодификатора (его суть - ноу-хау), добавляемого в количестве 0,01 - 0,02% к массе цемента, и воды, но не обычной, а структурированной ультразвуковой обработкой.

Такой бетон уже в семисуточном возрасте приобретает прочность 47 - 50 МПа. Окончательная его прочность - около 100 МПа против 50 - 60 МПа для бетона того же состава, но приготовленного без наномодификатора и на обычной воде.

В Военно-инженерном институте (г. Санкт-Петербург) с использованием там же изобретенных наномодификаторов удалось создать ремонтный бетонный состав, набирающий необходимую прочность уже через 8 - 10 часов.

Примечание. Быстрый набор прочности цементными смесями особенно важен при необходимости аварийно-восстановительных работ на местах, взлетно-посадочных полосах аэродромов, развязках на автомобильных дорогах. Чем быстрее здесь будут проведены работы и чем раньше на восстановленные покрытия можно будет дать эксплуатационную нагрузку, тем меньшими будут экономические потери, величина которых не сопоставима со стоимостью затрачиваемых материалов.

Серьезной проблемой для России в настоящее время является разрушение мраморных скульптур, изваяний под воздействием кислотных дождей, отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Особенно остро эта проблема стоит для Санкт-Петербурга, где мраморных скульптур великое множество. Видимо, поэтому наиболее совершенный на сегодня способ защиты мраморных изделий от разрушения под воздействием атмосферных факторов разработали петербургские ученые. Он заключается в том, что на предварительно очищенную от загрязнений поверхность наносят суспензию фуллероидов в воде, а затем - кремнийорганический гидрофобизатор. Подложка из фуллероидов ингибирует разрушение гидрофобизирующей пленки, происходящее под воздействием солнца, и срок ее службы возрастает в несколько раз.

Теплоизоляционные бетоны

В рамках Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова создан НИИ "Наносистемы в строительном металловедении", который уже выдал "на-гора" немало новинок в сфере наноматериалов строительного предназначения.

Одной из наиболее интересных среди них является гранулированный наноструктурирующий заполнитель, предназначаемый для производства конструкционных бетонов, обладающих повышенными теплоизоляционными свойствами.

Использование таких заполнителей позволяет получать легкие бетоны с плотностью 1100 - 1400 кг/куб. м общей пористостью до 85%, причем 75 - 80% пор являются закрытыми, то есть не поглощающими воду. Поэтому, несмотря на существенное уменьшение плотности, водопоглощение бетона снизится в два раза по сравнению с бетонами на основе традиционных легких заполнителей.

Наряду с этим заполнитель, почему он и называется наноструктурирующим, активно воздействует на цементную матрицу, увеличивая долю наночастиц в продуктах гидратации цемента.