Нанобетон: технологии 21 века
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.
- Модифицированная базальтовая микрофибра (МБМ);
- 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.
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.
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.
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.
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.
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.
На заметку: замешивать ее можно небольшими порциями уже после добавления воды, но лучше заранее смешать с сухой цементной смесью.
- 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.
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.
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.
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.
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:
Основные преимущества:
- 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.
- Уменьшается нагрузка на фундамент, что позволяет делать его не таким массивным. Увеличивается количество вариантов для реконструкции зданий без изменения их оснований.
- 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.
- Общая экономия при строительстве из БЛН, достигается за счет упрощения и ускорения работ при возведении крупных сооружений, а также снижения затрат на транспортировку, опалубку.
Область применения
Бетон легкий наноструктурированный, разрабатывался в первую очередь для применения в строительной промышленности, и соответствует всем нормам СанПиН для строительных материалов.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
