Нанобетон: технологии 21 века



Нанотехнологии придают строительным материалам удивительные прочностные характеристики
Нанотехнологии придают строительным материалам удивительные прочностные характеристики

Нанотехнологии придают строительным материалам удивительные прочностные характеристики Под нанобетоном понимают материал, преобразованный тем или иным способом с применением нанотехнологий.

Наиболее распространены следующие варианты:

  • Добавление особых компонентов в состав бетона.
  1. Модифицированная базальтовая микрофибра (МБМ);
  2. Сухая смесь готовых добавок (ССГД).
  • Обработка специальными покрытиями уже существующих конструкций.
  • Использование в железобетоне модифицированной арматуры.

На заметку: специалисты не приемлют термин «нанобетон», несмотря на то, что он основательно прижился в народе. Нано – это все-таки что-то очень маленькое, а точнее, размером в одну миллиардную долю метра. И бетон, в его строительных объемах – никак не подходит под это определение. Наиболее корректным будет название: «Наномодифицированный бетон».

Принцип работы наночастиц в бетоне

Экспериментировать с нанодобавками к строительным материалам начали в конце 20 века. Было замечено, что при вмешивании в состав углеродных нанотрубок в количестве от 0,001 до 0,0001% от доли расхода связующего вещества, прочностные и другие характеристики полученного материала повышаются до 40%, а по некоторым параметрам — и в 2-3 раза.

Углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки

Происходит это за счет того, что нанодобавки провоцируют рост кристаллов в минеральном веществе, и их лучи, разрастаясь и переплетаясь между собой, придают материалу более высокую прочность. Этот процесс назвали дисперсным самоармированием.

При этом прочность цементного камня увеличивалась до 40%, а бетона – всего на 10%. Это потому, что для него важнее макроармирование, нежели на микро- и тем более наноуровне.

На заметку: цементный камень – это затвердевшее цементное тесто, без добавок и наполнителей. Соответственно, в бетоне – помимо воды и цемента присутствуют различные дополнительные компоненты.

 

На изображении: а – структура обычного цементного камня; б – камень, после добавления нанотрубок
На изображении: а – структура обычного цементного камня; б – камень, после добавления нанотрубок

Вторая проблема была в том, что непосредственное введение водной суспензии с нанотрубками неприемлемо для открытого производства. Так как этот способ изготовления требует лабораторных условий, при которых обеспечивается равномерное распределение микропорции наноматериала в заданной параметрами среде. В противном случае, все это может выпасть в бесполезный осадок.

Микрофотография явления агломерации астраленов на углеродных нанотрубках
Микрофотография явления агломерации астраленов на углеродных нанотрубках

Это интересно: прочность и устойчивость к коррозии, модифицированному камню придает именно сильнейшая взаимосвязь наночастиц между собой. Такая, что для разрушения ее требуется только интенсивное и длительное внешнее воздействие ультразвуком. Вдобавок, образованные связи химически устойчивы, и не реагируют ни на щелочи, ни на кислоты.

Лаборатория по производству нанотрубок в Новосибирске, Россия.
Лаборатория по производству нанотрубок в Новосибирске, Россия.

Тогда отказались от водной суспензии, и попробовали нанести наноинициаторы самоармирования непосредственно на твердый наполнитель:

  • Сначала экспериментировали на песке. Результат оказался лучше: структура бетона отчасти стала меняться на макроуровне, но материал все равно был недостаточно прочным для своей себестоимости.
  • Следом, вместо песка, испытали базальтовую микрофибру. Технические характеристики полученного камня превзошли все ожидания. Также выяснилось, что для такого метода можно использовать более дешевые наночастицы (астралены).
  • В итоге, был разработан высококачественный прочный бетон, имеющий умеренную стоимость для применения его в строительной промышленности.

На заметку: подробнее разобраться в тонкостях нанотехнологий поможет видео в этой статье.

Модифицированная базальтовая микрофибра

Армирование бетона фиброволокном позволяет повысить прочность, устойчивость к агрессивным средам и перепадам температур, и улучшить другие характеристики. Оптимальным волокном для этих целей является базальтовое.

Оно легче стального, не вызывает коррозии, и цена существенно ниже. Также во многом превосходит полипропиленовые и стеклянные микрофибры.

Имеет высокие показатели:

  • прочности на разрыв;
  • адгезии;
  • упругости;
  • термостабильности;
  • истираемости;
  • химстойкости.
Базальтовое фиброволокно
Базальтовое фиброволокно

С появлением наномодификации, и без того выигрывающее почти по всем позициям базальтовое волокно обзавелось еще несколькими преимуществами:

  • Улучшена механика работы его в материале;
  • Расширен диапазон климатических условий применения.
  • Модификация заключается в том, что на волокно нанесены наночастицы (углеродные астралены).

Химические процессы, ими инициированные, приводят к усилению взаимодействия микрофибры с окружающими веществами, крепко «сцепляя» весь материал между собой в единое целое.

В таблице приведено сравнение экспериментальных данных образца бетона с добавлением обычной базальтовой фибры (1) и модифицированной (2).
В таблице приведено сравнение экспериментальных данных образца бетона с добавлением обычной базальтовой фибры (1) и модифицированной (2).

На заметку: замешивать ее можно небольшими порциями уже после добавления воды, но лучше заранее смешать с сухой цементной смесью.

Месторождение базальта с характерной столбчатой структурой
Месторождение базальта с характерной столбчатой структурой
  • Исследование проводилось для горнодобывающей промышленности, с целью понять преимущества применения нового материала. Главным критерием оценки был показатель усадки.
  • При этом испытании выяснилось, что относительная деформация усадки образца, с наномодифицированной фиброй меньше на 50%. Это значит, что конструкция, в которой использована данная модификация – будет менее подвержена изменению формы при застывании и высыхании бетонной смеси.
  • Также в ходе эксперимента зафиксировано, что в течение 10-15 минут перемешивания модифицированных фиброволокон, в смеси все еще наблюдались их сгустки и комки. То есть, длительность этой процедуры лучше увеличить — для обеспечения наиболее равномерного распределения волокон в объеме.

По сути, это единственный минус: в сравнении с обычной базальтовой фиброй, нет экономии времени.

Характеристики

Модифицированная базальтовая микрофибра для дисперсного армирования материалов на полимерных и минеральных вяжущих, выпускается по ТУ 5761-014-13800624-2004.

Основные характеристики МБМ
Основные характеристики МБМ

Стройматериалы, изготовленные с ее применением, обладают следующими преимуществами:

  • Увеличение прочности на сжатие, разрыв, изгиб, растяжение, а также усталостной и ударной, вне зависимости от температуры среды (рабочий диапазон применения МБМ от -260°С до +750°С).
  • Минимальные деформации при усадке.
  • Улучшение свойств водонепроницаемости и морозостойкости, а также устойчивости к агрессивным средам и механическим воздействиям.
  • Увеличивается срок службы.
Разлом фиброармированного камня
Разлом фиброармированного камня

Область применения

Область применения микрофибры базальтовой модифицированной, во многом диктуется ее размером – длина волокон менее 0,5 мм. Это позволяет использовать ее не только при изготовлении пено- и газобетонов, тротуарной плитки, кирпича, материалов для торкретирования (декоративные штукатурки и пр.), но и покрытий, наносимых при помощи пневмонабрызга.

Дозировка МБМ согласно ТУ 5761-014-13800624-2004
Дозировка МБМ согласно ТУ 5761-014-13800624-2004

Получается, что основным применением нанотехнологий в сфере строительства, является изобретение микрофибры базальтовой модифицированной, а нанобетон — это одна из областей ее использования.

Наномодифицированный бетон

В цементные смеси, для улучшения качественных характеристик готовых изделий, можно добавлять непосредственно модифицированную базальтовую фибру вместе с другими компонентами. Однако, в 2008 году (после успешного завершения реконструкции моста, см. фото ниже) разработана и запатентована оптимальная рецептура сухой смеси готовых добавок к основному составу цемент-песок-вода.

В 2007 году была завершена реконструкция моста через р. Волга в г. Кимры, где впервые в промышленных масштабах применяли БЛН
В 2007 году была завершена реконструкция моста через р. Волга в г. Кимры, где впервые в промышленных масштабах применяли БЛН

Характеристики

Бетон, изготовленный с использованием этой добавки, называется: бетон легкий наноструктурированный (БЛН) – конструкционный строительный материал, обладающий при этом малым весом. Особых условий для применения ССГД не требуется.

Высокотехнологичный прочный нанобетон может быть изготовлен своими руками непосредственно на рабочей площадке, путём добавления ССГД в автомиксер согласно инструкции.

Основные параметры полученного таким способом стройматериала варьируются в следующих диапазонах:

Физико-механические показатели легкого наноструктурированного бетона в возрасте 28 дней согласно ТУ 5789-035-23380399-2008.
Физико-механические показатели легкого наноструктурированного бетона в возрасте 28 дней согласно ТУ 5789-035-23380399-2008.

Основные преимущества:

  1. За счет повышенной несущей способности, при сравнительно малом весе конструкции, снижаются расходы по армированию на 30% и более. Потому как требуемый диаметр стержней будет меньше, а также меняется и схема армирования.
  2. Уменьшается нагрузка на фундамент, что позволяет делать его не таким массивным. Увеличивается количество вариантов для реконструкции зданий без изменения их оснований.
  3. Сооружения, построенные из БЛН, не требуют дополнительной гидроизоляции. Имеют низкую пожарную опасность. А за счет своей структуры, получаемой посредством микродисперсного армирования, значительно повышается трещиностойкость и упругость материала, и в целом надежность зданий. Рекомендовано для использования на сейсмоопасных территориях.
  4. Общая экономия при строительстве из БЛН, достигается за счет упрощения и ускорения работ при возведении крупных сооружений, а также снижения затрат на транспортировку, опалубку.
Работы по реконструкции моста в г. Кимры
Работы по реконструкции моста в г. Кимры

Область применения

Бетон легкий наноструктурированный, разрабатывался в первую очередь для применения в строительной промышленности, и соответствует всем нормам СанПиН для строительных материалов.

Пример рецептуры с добавлением ССГД и полученные технические характеристики бетона
Пример рецептуры с добавлением ССГД и полученные технические характеристики бетона

С учетом существенной стоимости БЛН, экономически целесообразно использовать его:

  • При строительстве высотных сооружений;
  • В мостостроении, дорожных работах и при возведении гидротехнических объектов;
  • На сейсмоактивных территориях, вне зависимости от климатического районирования.

Но при желании, применять можно и в частном строительстве, и в быту. Например, высокий показатель удобоукладываемости позволяет создавать изделия путем литья и другими способами. Так, этот материал начали использовать для изготовления оригинальных предметов интерьера, а также столешниц, моек и других изделий.

Композиционные покрытия

После освоения МБМ в 2004 году, апробировали и испытали легкий наномодифицированный бетон в 2008 г., а в 2009 г. стали пробовать применять накопленный опыт в создании покрытий. Результатом работы стало «Самоуплотняющееся многослойное композиционное противовандально-декоративное и антикоррозионно-гидроизолирующее покрытие ЭпоксиПАН», выпускаемое по ТУ 23 1253-053-91957749-2011.

Водоотталкивающая способность строительного блока, обработанного покрытием с нанодобавками
Водоотталкивающая способность строительного блока, обработанного покрытием с нанодобавками

Это интересно: покрытие не токсично и применимо для конструкций, контактирующих с питьевой водой

Характеристики

В его состав, помимо эпоксидных и других компонентов, входит и модифицированная микрофибра, и отдельные углеродные наночастицы. За счет этих нанодобавок, при нанесении покрытия начинают происходить те же процессы микродисперсного самоармирования, в результате чего поверхность основания уплотняется, и приобретает все новые свойства, присущие наноструктурированному материалу.

Чтобы покрытие проникло на большую глубину – предварительно наносят слой соответствующей грунт-пропитки. А для подготовки металлических изделий, используется специальный праймер. Таким образом, граница раздела между основанием и покрытием практически отсутствует, обработанная конструкция ведет себя как единое целое, при этом исключаются возможные локальные отшелушивания и отслоения.

Нанесение покрытия пневмонабрызгом
Нанесение покрытия пневмонабрызгом

Обработанные конструкции приобретают множество полезных свойств, некоторые из них:

  • Трещиностойкость, адгезия к бетону более 3 МПа, к металлу – 5 Мпа;
  • Морозостойкость не менее F450;
  • Водонепроницаемость от W18;
  • Стойкость к агрессивным средам и коррозии свыше 15 лет;
  • Прочность на сжатие не менее 60 МПа, а также ударопрочность;
  • Повышается пожаробезопасность;
  • Температура нормальной эксплуатации от -80°С до +180°С;
  • Устойчивость к ультрафиолету.

Сейчас на рынке практически не найти схожих по техническим характеристикам нанопокрытий других производителей — по крайней мере, в заданном ценовом диапазоне.

Область применения

Обработка таким способом, может успешно применяться для конструкций, эксплуатирующихся в агрессивной среде, например, канализации. Металл перестаёт ржаветь, а бетон – разрушаться.

В покрытие можно добавить колер и использовать для декоративной отделки, одновременно придавая строению гидроизоляционные и антикоррозийные свойства, повышая его износостойкость.

Наномодифицированный бетонный пол на крытой парковке
Наномодифицированный бетонный пол на крытой парковке

Обратите внимание! Отлично подходит для поверхностей подверженных истиранию – например, пола крытых парковок, торговых центров, муниципальных учреждений и др. Если обработать им стены сооружений из пористых пено- или газобетонов, находящихся в черте города, то они приобретает антивандальную, и в целом устойчивость к городской среде. Также может выступать в роли клея и применяться для многих других целей.

Нанотехнологичные материалы уже возможно использовать для частного строительства и в быту
Нанотехнологичные материалы уже возможно использовать для частного строительства и в быту

Арматура композитная наномодифицированная

Композитная арматура медленно, но верно вытесняет собой стальную. Это обусловлено рядом преимуществ, таких как: высокая коррозионная стойкость, долговечность, меньший вес и другие характеристики. Однако существует и ряд проблем при ее использовании. Одна из которых – низкие свойства адгезии с бетоном.

Чтобы повысить их – применяют несколько методов, например, рифление поверхности или напыление на нее песка, но это помогает лишь отчасти. Более эффективно решению проблемы способствует добавление углеродных нанокомпонентов в состав арматуры, которые увеличивают ее сцепляющие свойства с бетоном.

Применение наномодифицированной композитной арматуры
Применение наномодифицированной композитной арматуры

Заключение

Главная слабость бетона – самого распространенного строительного материала, в том, что изделие уже на стадии изготовления приобретает микротрещины. А в процессе эксплуатации, под нагрузками, они только развиваются и сильнее раскрываются. Применение технологий наноструктурирования бетона, как раз препятствует возникновению трещин на наноуровне, а использование базальтовой фибры – на микроуровне.

Футуристическая архитектура уже доступна для воплощения
Футуристическая архитектура уже доступна для воплощения

Если же еще добавить и макроармирование отдельными стержнями, сетками или каркасами – в результате получится очень прочная, с высокими показателями трещиностойкости конструкция. Таким образом, использование нанотехнологий в строительной промышленности открывает новые горизонты для самых смелых архитектурных решений. Надеемся, что наша инструкция помогла читателю разобраться, что такое нанобетон.






Добавить комментарий
Подпишитесь на новости
И будьте всегда в курсе всех строительных новинок. Следите за предложениями заводов, успевайте заключить самые выгодные контракты