Нанотехнологии в строительстве

Нанобетон – прогрессивное направление в технологии строительства.

Российские ученые создали новый супербетон: сверхлегкий, особо прочный и стойкий к перепадам температур. Механическая прочность нанобетона на 150 % выше прочности обычного, морозостойкость выше на 50 %, а вероятность появления трещин в три раза ниже. Вес конструкции, изготовленной из такого бетона, меньше в шесть раз.

Наноструктурами (НС) называют объекты (тела), у которых хотя бы один из размеров в любом направлении имеет величину от одного до ста нанометров (нм). 1 нм равен 10—9 м.

Использование планетарных мельниц домола портландцемента до наночастиц можно считать первым способом получения нанобетона. Второй способ – введение в цементные смеси так называемых наномодификаторов используется в строительстве уже в заметных объемах.

Наиболее широко применяется наномодификатор – микрокремнезем (МК). Одним из направлений использования такой смеси является сооружение высотных зданий. В МК есть заметное количество наноразмерных частиц, хотя в основном это продукт с частицами, размер которых лежит в коллоидном диапазоне (10—5 … 10—7 м). На второе место по объемам использования для производства нанобетонов можно поставить фуллерены и фуллероиды.

Фуллероиды – фуллереноподобные вещества, значительно более дешевые, чем фуллерены, применяются уже достаточно широко. Учитывая это, было организовано производство модифицированной базальтовой микрофибры. В России активно исследуют способы повышения качества арматуры из базальтовых волокон.

Знаменитый минерал шунгит, который стали называть национальным камнем России, содержит в своем составе фуллерен. Это побуждает исследователей изучать его в качестве наномодификаторов бетона. Наряду с этим, шунгит проявляет себя как сильный бактерицид, так что изделия, изготовленные из материалов, содержащих этот минерал, стойки против биопоражений. Будучи электропроводным, шунгит препятствует возникновению электростатических зарядов.

Профессор П. Г. Комохов разработал рецептуру и технологию нанобетоноконсерванта с использованием шунгита, предназначенного для изготовления емкостей, в которых радиоактивные отходы должны храниться не менее 30 лет. Особым требованием к стенкам емкостей из такого бетона является проницаемость для газообразных продуктов, образующихся при радиолизе воды, находящейся в этих отходах, в сочетании с абсолютной водонепроницаемостью. Наряду с этим, бетон должен иметь в своей структуре центры сорбции, способные захватывать и удерживать радионуклиды. Для повышения пластичности этой бетонной смеси, а также вовлечения в нее наноразмерных пузырьков воздуха проф. П. Г. Комоховым была использована смола древесная омыленная, представляющая собой эмульсию полимерных наночастиц в воде.

Усиление металлических и каменных конструкций углеволокном

Нетрадиционный способ усиления строительных конструкций появился благодаря такому высокотехнологичному изобретению, как искусственное углеродное волокно (углеволокно).

Это высокопрочный, высокомодульный, линейно упругий материал. Он применяется в виде холстов (wraps), а также лент или ламинатов (laminats). Усиление углепластиком относят к внешнему армированию, поскольку материалы крепятся на конструкции с помощью монтажного клея (эпоксидного, эпоксиполиуретанового или полимерцементного). Они эффективно реагируют на приращение деформаций конструкции, в них возникают большие приращения усилий.

Монтажу холста или ленты из углеволокна обычно предшествует очистка поверхности металлоконструкции (например, пескоструйная обработка) и нанесение адгезионного слоя – монтажного эпоксидного клея. Холсты или ленты из углеволокна устанавливаются симметрично относительно центра тяжести сечения, однако возможно их несимметричное расположение при восстановлении сечения, поврежденного коррозией.

Внешнее армирование из углеволоконных материалов гораздо эффективнее традиционных способов усиления каменных столбов, пилонов, простенков с помощью стальных обойм. Элементы внешнего армирования из углеволокна дают возможность в широких пределах регулировать усилия в каменной конструкции и при этом сводить к минимуму нарушения ее целостности. Современный способ усиления стен с помощью углеволоконных холстов и лент позволяет избежать установки точечных анкеров, вовлечь больший объем материала в работу отдельного элемента, реализовать имеющиеся резервы конструкции, при этом бережно отнестись к неповрежденным участкам.

Приготовление легкого бетона на древесном заполнителе

Суть способа приготовления легкого бетона на древесном заполнителе (рис. 1.5) заключается в последовательности введения компонентов в бетонную смесь. Все компоненты вводятся в процессе перемешивания смеси. Вначале древесный заполнитель из щепы смешанных пород смачивают 1/4 частью приготовленного раствора хлорида железа (ρ= 1,06 г/см³), после чего вводят тонкомолотый порошок известняка и половину приготовленного раствора хлорида железа, а затем добавляют цемент и оставшуюся часть раствора хлорида железа. Технический результат: предлагаемый способ позволяет увеличить прочность легкого бетона по сравнению с прототипом в возрасте 1 и 28 суток соответственно в 3,7 и 1,3 раза без привлечения внешних энергетических источников и упрощает технологию изготовления бетона (табл. 1.2).

Таблица 1.2. Сравнительный анализ бетонов

Рис. 1.5. Легкий бетон на древесном заполнителе

Усиление деревянных конструкций углехолстами

Углехолсты эффективны на участках, где действуют главные растягивающие напряжения и имеется опасность раскалывания вдоль волокон. Также целесообразно их приклеивание на гибкие фанерные стенки в зоне действия поперечной силы.

Эти элементы внешнего армирования обычно либо приклеиваются к поверхности, либо вклеиваются в предварительно подготовленные пропилы. Второй вариант предпочтителен, когда необходимо сохранить первоначальный вид балок и сделать незаметным само усиление. Незаметность наряду с технологической простотой и высокой скоростью монтажа относят к основным преимуществам армирования деревянных конструкций углеволоконными элементами.

Прозрачные наногели (аэрогели) и термопена для теплоизоляции стен и крыш зданий

Наногелъ (или наноаэрогелъ) – это новаторское решение для теплоизоляции стен и крыш зданий, дающее беспрецендентную естественную инсоляцию помещений с рассеивающим световым эффектом и высококачественными теплоизоляционными, а также акустическими свойствами.

Достоинства наногеля состоят в его энергосберегающих свойствах и абсолютной безвредности для человека и окружающей среды.

Наногель является светопроницаемым теплоизоляционным материалом нового поколения, который обладает комплексом полезных функций.

Уникальность пористых гранул, из которых состоит наногель, заключается в том, что они способны регулировать теплопотери, обеспечивать естественную инсоляцию зданий. В конечном итоге, все это влияет на расход электричества, а значит, и на снижение объема выбросов С0₂, создает защиту от внешних шумов. Светопроводящие частицы аэрогеля пропускают свет и в то же время являются высокоэффективным теплоизоляционным материалом.

Материал можно применять при создании или реконструкции зданий: школы и музеи, музыкальные холлы, театры, частные дома, спортивные центры и бассейны, вокзалы, станции, аэропорты. Это могут быть световые окна-крыши и стены объектов, таких как склады, производственные комплексы, теплицы, фасады зданий.

Пористая структура материала существенно замедляет скорость звука в пространстве, тем самым существенно (в 2–3,5 раза) снижает шум.

Размер частиц наногеля в среднем от 0,5 до 4 мм; диаметр пор – 20 нмм; пористость составляет более 90 %; высокая теплопроводность – 0,018 Вт/мК; светопроводимость более 80 % на 1 см²; малый вес материала, 60–80 кг/м³.

Материал водоотталкивающий: высокая сопротивляемость конденсату сводит на нет развитие грибка в закрытой полости между стеклами.

Наногель позволяет существенно снизить затраты на потребление энергии на отопление, вентиляцию, кондиционирование воздуха.

Если сравнить теплоизоляционную панель толщиной 25 мм, наполненную наногелем, с другими материалами такой же толщины, то она будет эффективнее изолировать тепло, чем минеральная вата той же толщины в 1,5 раза, стекловата, роквул, перлит – в 2 раза.

Термопена – превосходный теплоизоляционный материал из пеноизола. Для получения пеноизола могут использоваться различные карбамидные смолы, пенообразователи и кислоты. Эти компоненты при помощи специальной установки перемешиваются, превращаясь в густую пену, которой и заполняются полости и пустоты зданий, сооружений.

Теплая, белая, негорючая гелеобразная масса выходит из заливочного рукава установки в готовом объеме, которой на 100 % заполняется воздушный зазор конструкции. Термопена останавливает конвекцию воздуха, но при этом позволяет стене «дышать», не накапливая при этом влагу. Что делает абсолютно безопасным использование пеноизола не только в кирпичных, но и деревянных конструкциях.

Теплоизоляционная эффективность заливочного пенопласта (рис. 1.6) выше, чем при использовании готовых плит, т. к. сокращаются тепловые потери через многочисленные мостики холода (пустоты, раковины, воздушные прослойки, возникающие, например, из-за неплотного прилегания плит друг к другу и к несущему каркасу).

Рис. 1.6. Использование заливочного пенопласта

Более того, если суммировать все расходы на покупку, транспортировку, погрузку, складирование, монтаж, то заполнение воздушного зазора пеноизолом обойдется в 2 раза дешевле. Помимо того позволит сэкономить время, избежать многих хлопот и получить качественную теплоизоляцию с гарантией на 25 лет.

Эта технология применима и к старым домам, где ранее заложенный утеплитель уже сгнил, осыпался и превратился в труху. Технология заливки пеноизола в этом случае удобна еще и тем, что не приходится разрушать кирпичную кладку, при этом благодаря низкой плотности материала дополнительная нагрузка на обветшалые несущие конструкции старых зданий минимальна.