Нанотехнологии позволяют контролировать свойства материалов и вмешиваться в них на наноуровне и, следовательно, на молекулярном уровне. Нанотехнологии — это развивающаяся область науки, связанная с пониманием и контролем материи на наноуровне, то есть при размерах примерно от 1 до 100 нм. На наноуровне уникальные явления позволяют находить новые применения. Нанотехнологии охватывают науку о наноразмерных объектах, инженерию и технологии, которые включают визуализацию, измерение, моделирование и манипулирование материей в этом масштабе длины.
Они все еще находятся на уровне фундаментальных исследований и, следовательно, ограниченного практического развития, с чрезвычайно обнадеживающими результатами в том, что касается улучшения некоторых или всех свойств бетона:
- механические и электрохимические свойства (прочность, пластичность, электропроводность, ингибирование коррозии)
- долговечность бетона (водонепроницаемость)
- защита поверхности арматуры путем нанесения поверхностных покрытий (наномодифицированная арматура)
- технология производства бетона (технологичность)
- долгосрочное техническое обслуживание и мониторинг (самовосстанавливающиеся микротрещины, возможность поиска и определения присутствия влаги, температуры, напряжения).
Бетон, самый распространенный материал в мире, представляет собой наноструктурированный многофазный композитный материал, который со временем стареет. Он состоит из аморфной фазы, кристаллов размером от нанометра до микрометра и связанной воды. Свойства бетона существуют в различных масштабах (от нано до микро и макро), где свойства каждого масштаба являются производными от свойств следующего, меньшего масштаба, и механизмы деградации проявляются в них. Наноинженерия бетона может осуществляться в одном или нескольких из трех мест, таких как (а) в твердых фазах, (б) в жидких фазах или (в) на границах раздела жидкость–твердое вещество и твердотельно–твердое вещество.
Механическое поведение бетонных материалов в значительной степени зависит от структурных элементов и явлений, которые эффективны на микро- и наноуровнях. Размер фазы гидрата силиката кальция (C-S-H), основного компонента, ответственного за прочность и другие свойства в цементирующих системах, находится в диапазоне нескольких нанометров (Taylor, 1997). Структура C-S-H во многом напоминает глину: тонкие слои твердых частиц разделены гелевыми порами, заполненными промежуточным слоем и адсорбированной водой. Это оказывает значительное влияние на эксплуатационные характеристики бетона, поскольку структура чувствительна к перемещению влаги, что иногда приводит к усадке и последующему растрескиванию, если не учитывать размеры элементов. Следовательно, нанотехнологии могут обладать потенциалом для создания бетона с превосходными свойствами за счет оптимизации поведения материала и эксплуатационных характеристик, необходимых для значительного улучшения механических характеристик, долговечности и экологичности.
Биргиссон и др. (2010) выделили следующие ключевые прорывы в технологии производства бетона, которые, скорее всего, станут результатом использования нанотехнологий:
- Разработка высокоэффективных цементных и бетонных материалов, оцениваемых по их механическим свойствам и долговечности;
- Разработка экологически чистых бетонных материалов и конструкций с учетом различных неблагоприятных условий окружающей среды, снижение энергопотребления при производстве цемента и повышение безопасности;
- Разработка интеллектуальных бетонных материалов путем интеграции материалов с самочувствием и автономным питанием на основе нанотехнологий и технологий киберинфраструктуры;
- Разработка новых бетонных материалов с помощью инновационной переработки цемента и цементного теста на основе нанотехнологий; и
- Разработка фундаментальной многомасштабной модели (моделей) бетона посредством расширенной характеристики и моделирования бетона на нано-, микро-, мезо- и макроуровнях.
Последние разработки Нанотехнологии в бетоне
На рынок поступили продукты на основе нанотехнологий для снижения проницаемости бетона за счет добавления наноматериалов в виде раствора. Благодаря немедленному улучшению характеристик материала в процессе эксплуатации (стабильность цвета, устойчивость к образованию грибка на поверхности, долговечность), эти продукты предназначены для применения в конструкциях и архитектуре (бетонные блоки, брусчатка, строительные растворы). Ожидается, что огромное развитие в этой области, без сомнения, также повлияет на строительную индустрию и, следовательно, на цемент и бетон. Некоторые из разработок обсуждаются ниже.
Нанодым — новая ультрадисперсная порошкообразная добавка аморфного SiO2, получаемая из золы-уноса, использовалась для приготовления высокопрочного бетона на основе обычного портландцемента.
Частицы франклинита нанометрового размера, полученные в электродуговой печи, показали превосходную прочность бетона по сравнению с бетоном, изготовленным только из портландцемента.
Органо-модифицированные частицы монтмориллонита, которые являются гидрофобными, показали немедленную прочность и коммерческий коэффициент снижения проницаемости цементного раствора и бетона.
Наноцемент портландцемент — композиция, содержащая наночастицы на основе силиката кальция, полученные методом газопламенного распыления, показала десятикратное увеличение начальной реакционной способности по сравнению с обычным портландцементом.
Углеродные нанотрубки – они используются в качестве наноструктур в материалах на основе цемента, обладающих необычайной прочностью с модулями упругости порядка TPa и пределом прочности при растяжении в диапазоне GPa.
Было установлено, что нанопористая тонкая пленка – ее наносят на поверхность заполнителя перед замешиванием бетона, что является эффективным способом улучшения межфазной переходной зоны и тем самым повышения эксплуатационных характеристик бетона.
Самовосстанавливающиеся полимеры — к ним относятся микрокапсулированный заживляющий агент и каталитический химический триггер, добавленные в цементный раствор, продемонстрировали заживление микротрещин в бетоне.
Наночастицы диоксида кремния – повышают механическую прочность арматуры (в бетоне); охлаждающую жидкость, светопропускание и огнестойкость (в керамике); огнестойкость и антибликовое покрытие (в окнах).
Наночастицы диоксида титана – обладает такими замечательными свойствами, как быстрое увлажнение, повышенная степень гидратации и самоочищение (в бетоне); супергидрофильность, защита от запотевания и загрязнения (в окнах); выработка электроэнергии без использования коммунальных услуг (в солнечных элементах).
Наночастицы оксида железа – используются для повышения прочности бетона при сжатии и стойкости к истиранию.
Наночастицы меди – они обеспечивают свариваемость, коррозионную стойкость и формуемость стали.
Наночастицы серебра – хорошо подходят для применения в покрытиях и красках с биоцидной активностью.
Квантовые точки – это эффективный электронный посредник в солнечных элементах.
Потребность в нанотехнологиях
Нанотехнологии найдут применение в строительной отрасли, и их следует рассматривать не только для улучшения свойств и функций материалов, но и в контексте энергосбережения. Это особенно важная перспектива, поскольку высокий процент всей используемой энергии потребляется коммерческими зданиями и жилыми домами для таких целей, как отопление, освещение и кондиционирование воздуха.
Наночастицы TiO2, Al2O3 или ZnO наносятся в качестве конечного покрытия на строительную керамику, чтобы придать этим свойствам поверхности. TiO2 используется из-за его способности разрушать грязь под воздействием ультрафиолетового излучения, а затем смывать ее дождевой водой с таких поверхностей, как плитка, стекло и сантехника. ZnO используется для придания стойкости к ультрафиолетовому излучению как в покрытиях, так и в красках. Наноразмерные частицы Al2O3 используются для придания поверхностям устойчивости к царапинам. Эти поверхности также предотвращают / замедляют образование неприятных запахов, грибка и плесени.
“Нанотехнологии могут позволить разрабатывать материалы с лучшими изоляционными свойствами, интеллектуальные структуры, способные оптимизировать использование энергии. С помощью достижений в области нанотехнологий были разработаны новые изоляционные материалы. К таким изоляционным материалам относятся: нанопена, наноструктурированные аэрогели и панели с вакуумной изоляцией (VIPS).
Заключение
Сообщалось об огромных достижениях в области внедрения нанотехнологий в устойчивое строительство, но предстоит изучить гораздо больше того, что уже достигнуто. Некоторые из достижений в области внедрения нанотехнологий в устойчивое строительство включают улучшение реологических, прочностных и долговечностных свойств бетона, что, как было доказано, зависит от наноскопических характеристик его составляющих. Любая модификация на наноскопическом уровне бетона и его составляющих влияет на его поведение, включая характеристики прочности и долговечности. Таким образом, прогнозируется, что характеристики бетона и экологически чистых строительных материалов в будущем будут значительно улучшены за счет применения нанотехнологий для манипулирования атомами и молекулами этих материалов и их составляющих на наноуровне.