Основные достижения и перспективы развития нанотехнологий в строительстве (12 Сентября 2012) Обзоры строительной отрасли
При исследовании различных материалов учеными было доказано, что измельчение веществ до уровня атомов и молекул в пределах от 1 нанометра (10-9 м) до 100 нанометров резко изменяет их свойства. Исследования материалов таких размеров проводятся с помощью зондовых микроскопов, у которых в качестве зонда используется тонкая игла с радиусом острия 10 нанометров. Таким зондом можно не только захватывать и перемещать атомы, но и проводить сборку молекул, синтезируя новые вещества с уникальными свойствами. Помимо синтеза активно ведутся работы по наноструктурировнию, которое может быть поверхностным (нанопокрытия) и объемным (легирование нанопорошками). Несмотря на то, что нанотехнологии являются новыми инновационными разработками, многие из них уже используются в различных областях, таких, как химическая и нефтехимическая промышленность, металлургия, медицина, электроника, электротехника и телекоммуникации. Нанотехнологии открывают большие перспективы и для строительства. Новые конструкционные, строительные и отделочные материалы, в составе которых присутствуют наночастицы, отличаются от традиционных материалов повышенной прочностью, легкостью и термостойкостью.
Наномодифицированный бетон. Одним из достижений науки, как отечественной, так и зарубежной, является бетон с ноночастицами, введение которых придает ему определенные свойства. Так, добавки в основу бетона наночастиц на основе углерода даже в малых количествах способны повысить его прочность и ударную вязкость. В качестве углеродсодержащих наночастиц могут быть использованы отходы алмазодобывающей промышленности или мелкодисперсные частицы (углеродные нанотрубки и фуллерены), полученные физико-химическими методами обработки газовой смеси углеводородов с воздухом или другими физико-химическими способами, например, осаждением из газовой фазы. Исследование свойств бетона в результате введения добавок наночастиц диоксида титана показали его высокую прочность и антибактерицидные свойства. В условиях уличного загрязнения такой бетон долго сохраняет свои свойства (цвет, прочность, устойчивость к трещинообразованию). Это происходит благодаря тому, что под действием солнечного света бетон взаимодействует с воздухом и способствует образованию активного кислорода, который уничтожает бактерии и разлагает органические соединения. Так происходит самоочищение бетона. Перспективным является бетон, модифицированный частицами диоксида кремния. Равномерное распределение частиц армирует его, повышая прочность. Введение наночастиц изменяет структуру бетона, при этом для вяжущей составляющей требуется намного меньше воды, а значит, и его вес намного меньше. Кроме того, такой бетон более плотный, с низкой пористостью, процент которой можно заранее прогнозировать, и, следовательно, регулировать свойства. В зависимости от состава, формы и количества нанодобавок можно регулировать (уменьшать или увеличивать) время, в течение которого бетон затвердеет, формировать его структуру и плотность. Каждый вид наномодифицированного бетона имеет свою область применения. Для внутренних перегородок помещений используют легкий бетон, бетон средней плотности используется в строительстве мостов и дорожных покрытий, а сверхпрочный бетон используется при изготовлении несущих конструкций. Так, в России при реконструкции моста через реку Волга (г. Кимры Тверской области) был использован легкий нанобетон. Его применили при изготовлении дорожной плиты. В качестве легирующих добавок были использованы базальтовые волокна с углеродным нанопокрытием. Аналогичный бетон был использован при формировании дорожной подушки моста через реку Вятка (г. Вятка) при его реконструкции.
Нанопокрытия, краски, гели и лаки. Покрытия для конструкций из камня, бетона, стекла и дерева играют огромную роль. Их назначение может быть самым разным. В зависимости от состава покрытий их свойства могут быть защитными (влагостойкими, грязезащитными, для защиты от обледенения), теплоизоляционными, отделочными (краски, лаки), энергосберегающими, антивандальными (защита от граффити и механических повреждений). Так, например, защитные покрытия стальных конструкций (полимерные или композитные) позволяют повысить их стойкость в агрессивных средах.
Защитный механизм покрытий основан на эффекте лотоса (лепестки лотоса покрыты тонкой воскообразной пленкой, благодаря которой поверхность не смачивается водой). Использование такого покрытия для защиты сооружений от воздействия осадков значительно продлевает срок их службы. Так, в Пекине был построен Большой Национальный театр, который представляет собой сплошной застекленный титановый каркас в форме эллипсоида. Общая площадь поверхности - 149,5 тысяч квадратных метров. Использование нанопокрытия для защиты поверхности этого удивительного сооружения от осадков позволяет надежно защитить его от загрязнений. Такой же эффект имеют фасадные водонепроницаемые краски. Помимо стойкости к воде и загрязнениям, они эластичны, с высоким уровнем прочности сцепления с основой. Аналогичные покрытия разработаны для плитки и душевых кабин. Не менее перспективными являются полупрозрачные энергосберегающие покрытия, которые наносятся на поверхность зданий (окна или стены) и аккумулируют солнечную энергию, проводя обогрев здания и снижая уровень расхода электроэнергии; прозрачные наногели, которые применяют для теплозащиты и звукоизоляции кровельной системы освещения. Большое значение имеют защитные покрытия цветных окон ПВХ, которые в жаркую солнечную погоду могут нагреваться до температуры, в два раза большей, чем окружающая среда. Такие температуры могут привести к значительным деформациям рам и разгерметизации системы окон. Разработанные и с успехом применяемые инновационные цветные пленки защищают окна, а также и помещение от перегрева, приводят к экономии электроэнергии в случае применения системы кондиционирования.
Перспективы развития нанотехнологий в строительстве. Развитие нанотехнологий для строительства направлено на создание материалов с новыми свойствами для реализации проектов «умного дома» и экологически чистого «пассивного дома» (полностью энергонезависимого).
В настоящее время проводятся исследования по изменению структуры уже существующих строительных материалов для придания им новых, уникальных (прогнозируемых) свойств. Работы по наноструктурной модификации конструкционных, композиционных, керамических и полимерных материалов направлены на улучшение их прочностных свойств. Интересные исследования ведутся в области придания материалам эффекта самозалечивания. Работы ведутся в области создания новых изоляционных материалов, материалов с эффектом самоочистки, энергосберегающих стекол и разработки новых эффективных покрытий и пленок.
Кроме того ведутся работы по созданию систем и датчиков, способных регулировать усадку грунта, компенсировать напряжения и диагностировать состояние несущих конструкций.
Большое внимание уделяется созданию энергосберегающих и энергоаккумулирующих систем для «пассивного дома», которое должно максимально снизить энергопотребление и сделать дом энергонезависимым. Для этого разрабатываются аккумуляторные системы, которые могут не только накапливать, но и трансформировать энергию в тепловую и световую. Работы по созданию солнечных батарей всегда привлекали внимание ученых разных стран. Последние исследования направлены на придание солнечным батареям функций кровли и стен, так что стены и крыша будут еще и обогревать дом. Наиболее перспективными являются работы по переводу солнечной энергии в электрическую.
Ведущие отечественные и зарубежные предприятия, работающих в области нанотехнологий.
За рубежом исследования по созданию нанотехнологий для строительства ведутся такими предприятиями, как:
«Sika» (Швейцария) – входит в 50 лучших торговых марок Швейцарии. Благодаря тому, что Швейцария является мировым лидером в создании нанотехнологий и оборудования для него, компания успешно разрабатывает различные добавки и присадки к бетонам, клеи, герметики и гидроизоляционные пленки.
BASF (Германия) – активно ведет работы в области неорганической химии и полимеров, специалистами разрабатываются технологии ремонта бетона и железобетона, а также ведутся работы по исследованию влияния наноматериалов на человека.
Национальный институт материаловедения (Япония)– его совместные работы с другими известными фирмами направлены на создание сверхлегких и сверхпрочных материалов. Кроме того, благодаря достижениям в области нанотехнологии, разработан способ, позволяющий разжижать металл, которым затем пропитывается ткань.
Компания «Akatec AS» (Норвегия) – ведет работы в области нанотехнологии по разработке солнечных панелей, которые способны снизить себестоимость солнечной энергии в два раза и сделать ее рентабельней, чем ископаемые энергоносители.
Шанхайский центр науки и нанотехнологий (Китай) – проводит работы по созданию полупрозрачных нанопокрытий, способных накапливать солнечную энергию.
В России исследования непосредственно в области строительных технологий не ведутся. Как правило, внедрение новых инновационных технологий сюда приходит благодаря достижениям в смежных областях науки. Финансированием проектов по исследованию нанопроцессов и разработке технологий руководит ОАО «РОСНАНО». Основные исследования ведутся в стенах учебных и научно-исследовательских институтов. Так, совместно с МГТУ им. Н.Э. Баумана, компания «Экструзионные машины» при финансовой поддержке ОАО «РОСНАНО» завершили работы по созданию нанокомпозитных труб. Ученые Института материаловедения и эффективных технологий ведут работы по производству цемента путем нанокапсуляции. Разработаны и активно внедряются наноматериалы для строительства - нанобетоны. Кроме того, большое внимание сейчас уделяется подбору высококвалифицированных кадров по исследованию, разработке и внедрению новых инновационных технологий.
