Нанотехнологии в строительстве - что день грядущий нам готовит? Срд, Янв 26. 2011
Архитекторы любят экспериментировать с материалами. Как только новинка выходит из стен лаборатории, ее тут же используют в строительстве. Белоснежный бетон, самоочищающееся стекло, углестеклопластик – сооружения из этих материалов уже стоят в наших городах...
![]() |
Ослепительную белизну церкви Dives in Misericordia в Риме обеспечивают наночастицы диоксида титана |
Туристов, посещающих Рим, наряду с известнейшими старинными памятниками архитектуры привлекает необычное здание в духе постмодернизма – церковь Dives in Misericordia («Щедрый в милосердии»). Это белое сооружение из сборного железобетона и стекла состоит из трех изогнутых конструкций, напоминающих раковины или лепестки цветка. Церковь возведена в 2003 г. по проекту американского дизайнера Ричарда Мейера, а осуществить его замысел помогла итальянская компания Centro Technico di Gruppo. Проект церкви требовал особых технологий: ее стены должны быть белоснежными и как можно дольше сохранять свою чистоту. Для решения этих задач специалисты компании выбрали цемент, изготовленный ими по новой технологии TX Active®: в его состав входят наночастицы диоксида титана (TiO2).
Благодаря фотокатализу поверхность из такого цемента может сама собой очищаться. Происходит это так: когда солнечные лучи касаются стен здания, диоксид титана, входящий в их состав, действует как катализатор и ускоряет химическую реакцию. Загрязнения самой различной природы – бактерии, споры бактерий, плесень, которыми покрыты стены любого здания, – просто разлагаются на воду, кислород и соли в присутствии катализатора.
Кроме того, цемент с наночастицами сам себя моет. Известно, что практически любая твердая поверхность отталкивает воду. Степень отталкивания зависит от угла между краем капли и твердым телом. Обычно угол смачиваемости равен порядка 80 градусов. После того как солнечные лучи попадают, например, на бетонную стену дома, в состав которой входит диоксид титана, угол уменьшается до 0 градусов. В это время поверхность становится восприимчивой к смачиванию – гидрофильной, т.е. вместо образования капель вода равномерно по ней растекается. В течение последующих 1–2 дней гидрофильность сохраняется, а затем угол смачиваемости начинает постепенно увеличиваться, пока не достигнет снова 80 градусов. Поверхность становится водоотталкивающей, а накопившаяся за это время вода скатывается с нее, увлекая за собой частички грязи.
Церковь, построенная из белого бетона и стекла, буквально «светится», что особенно заметно на фоне окружающих ее жилых построек 1970-х гг. Новые строительные материалы помогли воплотить в жизнь замысел Ричарда Мейера, считающего, что «свет является средством, с помощью которого мы способны испытывать то, что называется божественным».
Строительный сектор имеет дело с огромным количеством сырья и различные инновационные материалы уже находят применение в современном строительстве и начинают вносить свою долю в формирование архитектуры будущего.
Но пока фактическое использования нанотехнологий в строительстве является довольно ограниченным, поскольку инновационные идеи в большинстве своем ориентированы на поверхностные эффекты, а не на формирование новых структур строительных матералов. Тем не менее, достижения фундаментальных исследований в области нанотехнологий постепенно находят свой путь в строительную отрасль.
Уже получены конструкционные композиционные материалы с уникальными прочностными характеристиками, новые виды арматурных сталей, уникальные нанопленки для покрытия светопрозрачных конструкций, самоочищающиеся и износостойкие покрытия, паропроницаемые и гибкие стекла.
Фантастически выглядят перспективы дальнейшего развития. Например:
- основания зданий с саморегулирующей системой компенсации усадок грунтов;
- несущие 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. passive house) 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.
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.
Это не в последнюю очередь объясняется спецификой самой строительной отрасли, которая должна создавать безопасные долговечные объекты с наименьшими производственными и эксплуатационными затратами. Консерватизм, отсутствие производственных мощностей, кадры и пр.
Нанокирпичики для строительства
Основными строительными материалами, в производстве которых в настоящее время наиболее широко используются нанотехнологические подходы, являются:
- Цементы и бетоны
- Керамика
- Изоляционные материалы
- Стекло
- Краски
- Арматура
Цементы и бетоны
Инновационный бетон, который изготовляется по нанотехнологии из специального цемента, сможет быть более пластичным и успешнее противостоять изгибам и трещинам. Это сделает его использование в строительстве еще более популярным. Дороги, при возведении которых будут использоваться бетоны будущего или цемент с удивительными характеристиками, будут способствовать строительству зданий непривычных очертаний округлой формы или напротив, сооружений неправильной формы.
Керамика
При изготовлении керамики нанопорошки и наночастицы используются в основном для придания керамическим материалам определенных функциональных свойств. Наиболее часто используются наночастицы диоксида титана (ТiO2), серебра (Ag) и оксида алюминия (Al2O3). Уникальные свойства приобретает облицовочная керамика с покрытиями, содержащими диоксид титана, которые придают керамике стерилизующие и самоочищающиеся свойства. Фотокатализатор способствует выделению активного кислорода из воды или воздуха, который окисляет и расщепляет органические материалы, а под действием света наноструктурированная оксидом титана поверхность керамики постепенно становится супергидрофильной и вода легко стекает с нее, увлекая загрязнения.
Изоляционные материалы
Чтобы осветить вектор будущего развития теплоизоляционных технологий представляем вашему вниманию высокотехнологичный материал под названием аэрогель, так же известный, как «твердый воздух» и «замороженный дым» или «голубой дым».
Подобные имена ему присвоены благодаря молекулярной структуре, по сути, это губка с открытыми нано-порами. Такую структуру получили достаточно просто: смешав диоксид силикона и Н2О, под высоким давлением заменили молекулы воды на молекулы сжиженного газа (СО2), после возвращения нормального атмосферного давления газ полностью испаряется, оставляя после себя те самые нано- поры, размером с молекулу. Таким образом получилась практически идеальная структура для теплоизоляции, коме того аэрогель прозрачен, очень тверд, очень легок (самая низкая плотность из твердых материалов) и очень хрупок.
Специально для каркасного строительства предлагается материал Spaceloft. Он представляет из себя «сплав» стеклоткани и аэрогеля толщиной 5 и 10 мм, с рекордными показателями теплопроводности 0,015 Вт/мК. Не трудно рассчитать, что 10 мм такой теплоизоляции заменит 42 мм стандартной минеральной ваты.
Стекло
В ближайшем будущем окна смогут не только спасать своих владельцев от жары и холода. В конце 2009 года эстонские ученые разработали оконные стекла, прозрачность которых можно менять нажатием одной кнопки. Описать ноу-хау можно в нескольких словах: в обычном состоянии стекло матовое, поэтому находящихся за ним людей можно увидеть только в виде расплывчатых контуров. Но стоит нажать на выключатель – и стекло становится прозрачным. На него нанесены сверхтонкие прозрачные слои оксидов индия и олова (то есть соединения этих элементов с кислородом). Между ними находится особый гель. При нажатии выключателя на слой оксидов подается ток, и частицы геля выстраиваются таким образом, что стекло становится прозрачным. Когда электрическое напряжение снимают, стекло снова становится матовым.
Арматура
Привычная арматура, в будущем, изменит многие свои характеристики. Арматура будущего будет легкой и гибкой, максимально устойчивой к окислению и другим неблагоприятным внешним воздействиям. То, что раньше демонстрировалось в фантастических фильмах, станет реальностью. Арматура может стать «умной» и запоминать различные формы и менять свои характеристики в зависимости от температурных или других воздействий.
В чем особенность применения нанотехнологий в строительстве?
Юрий Баженов
заведующий кафедрой
технологии вяжущих веществ и бетона МГСУ, президент Ассоциации ученых и специалистов в области строительного материаловедения, академик РААСН, заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор
С одной стороны, нанотехнологии в строительстве существовали давно, просто об этом не говорили и особенно не использовали, с другой стороны, не было технических возможностей для глубокого изучения процессов, которые происходят на наноуровне, для получения и применения каких-то материалов. Когда мы говорим о нанотехнологиях в строительстве, это не означает, что мы изготавливаем плиту целиком из наночастиц. У нас в строительстве широко используются строительные композиты, мы их называем бетонами гидратационного твердения. Вяжущее вещество смешивается с водой и добавками и постепенно твердеет. Полученная структура в процессе физико-химических воздействий изменяется, упрочняется, преобразуется, то есть ведет себя почти как живой организм. Одновременно идут процессы ее улучшения, но могут идти и, наоборот, процессы разрушения. Здесь важную роль начинают играть наноматериалы. Почему? Потому что большинство процессов происходит по поверхности твердых фаз – заполнителей, цементов, а на поверхностные явления наноматериалы могут оказывать значительное влияние. Добавив немного специально приготовленных наноматериалов, мы получаем композиты с другими свойствами: с повышенной долговечностью, морозостойкостью, прочностью. Ученые сегодня разрабатывают разные структуры таких добавок, которые позволяют подбирать нужные свойства бетонов. В частности, в сооружениях в Санкт-Петербурге строители использовали пластификаторы с фуллеренами в бетоне, за счет чего повысили эффективность добавок. Выпускают нанокремнеземы и наносиликаты. Без таких добавок сегодня не получить бетоны ультравысокой прочности.
За последние годы мы значительно продвинулись в этом направлении. Пятьдесят лет назад лучшая марка бетонов имела прочность около 50 МПа. Сегодня мы используем в строительстве более прочные бетоны, например, Москва-Сити строили из бетона с прочностью около 100 МПа, но с обычными добавками. Когда мы начинаем применять нанодобавки, то прочность бетонов вырастает до 200 МПа, а у специальных композитов – до 850 МПа, судя по лабораторным данным. Порошковые бетоны с наноэлементами намного прочнее стали. За рубежом уже продают такие смеси с прочностью в 250–300 МПа. Зачем же нам такие прочные бетоны? С их помощью мы сможем заменить наши громоздкие железобетонные конструкции на очень тонкие и даже ажурные, создать новые формы сооружений, снизить вес и уменьшить материалоемкость конструкций. Я думаю, что следующие поколения конструкций будут гибридного типа, когда в одном материале содержатся разные вещества: металл, бетон, полимеры с различными нанодобавками.
Давайте представим, как выглядит наш цементный камень с наноразмерными элементами. Так называемый цементный гель имеет размеры 5–8 нм, в процессе твердения его структура укрупняется, но появляются более крупные кристаллы. Поэтому в технологии важны методы активации материала, особенно на первой стадии. Надо постараться сохранить в структуре наноразмерные элементы, увеличить их количество – что улучшает свойства материалов. Активация наноэлементов помогает более эффективно управлять процессом создания материалов и конструкций.
Бетон – капиллярно-пористый материал. В его поры попадает вода и другие агрессивные вещества, что снижает его долговечность. Поэтому еще одно из направлений, которыми мы занимаемся, – пропитка бетонов. Его пористую структуру мы заполняем другим материалом, например полимером, и получаем практически непроницаемый бетон с высокой морозостойкостью. При этом образуются фибры наноразмеров, которые резко повышают прочность бетона. И если бетон до пропитки обладал прочностью в 20 МПа, то после пропитки? 200 МПа.
Такая обработка, кроме того, защищает материал от агрессивного воздействия, позволяет получать большую гамму новых высокоэффективных материалов: электротехнических, декоративных и специальных бетонов и композитов.
Насколько использование нанотехнологий удорожает процесс строительства?
Напротив, даже удешевляет, потому что резко снижается его материалоемкость. Мы применяем более прочные материалы и можем уменьшить сечение конструкций, снизить объемы материалов.
Почему нас прельщают наноматериалы? Потому что мы их используем как добавки в небольших количествах. Их не надо производить сотнями тонн, как цемент, щебень. Материалов мало, денег не так много, а результат удивительный. Поэтому нам очень интересно заниматься такими веществами.
Источник(и):
www.assnab.ru
Nanorf.ru
Похожие статьи и новость:
Нет комментариев.
Warning: Smarty error: unable to read resource: "file:trackbacks.tpl" in /home/gornes1052885/www/a-h.by/s153/bundled-libs/Smarty/libs/Smarty.class.php on line 1093