Материал: Химия, физика и механика материалов. Рудаков О.Б., Перцев В.Т
нанометрового размера, созданных водно-цементная химическая реакция. По-
скольку эти наноразмерные поры контролируют свойства силиката кальция,
процесс гидратации, который является основным связующим звеном, удержи-
вающим бетон вместе, и поэтому мы можем сказать, что бетон каким-то обра-
зом связанных с наноразмерным материалом. Использование анализа атомной реверберации приводит к лучшему пониманию того, что происходит на по-
верхности конкретной молекулы по мере гидратации, что приводит к упорядо-
чиванию правил для смешивания и отверждения бетона.
Цемент, модифицированный нанодобавками. Получается в результате комбинации нанокремнезема, алюмината натрия и гидроксида натрия. Сниже-
ние выбросов углекислого газа наряду с обеспечением высокой прочности на сжатие (замена 50% наноцемента вместе со строительным раствором дает прочность до 86,97 Н/мм2 в конце 21 дня) и предотвращение воздушных зазо-
ров благодаря большой удельной поверхности площадь (3582400 см2 / г) – вот некоторые из свойств, предлагаемых добавлением наноцемента в строительные материалы.
Уменьшение проникновения воды, заполнение воздушных пространств,
увеличение прочности на сжатие в течение длительного периода времени – вот некоторые из положительных результатов, полученных при смешивании нано-
частиц, таких как УНТ и композиты, в обычном цементе. Высокая прочность на растяжение и изгиб, достаточная для того, чтобы выдерживать вибрации из-за землетрясений с длительным сроком службы в сочетании с устойчивостью к коррозии, химическим веществам, проникновению воды, достигается за счет включения волокон модифицированного цемента в материалы со сверхвысоки-
ми характеристиками.
Бетон. Бетон – один из самых распространенных и широко используемых строительных материалов. Нанотехнология широко используется для изучения ее свойств, таких как реакция гидратации, реакция щелочного силиката (ASR) и
реакционная способность летучей золы. Щелочно-силикатная реакция возника-
ет из-за содержания щелочи в цементе и кремнеземе, присутствующих в реак-
60
Химия, физика и механика материалов. Выпуск № 1 (28), 2021
тивных заполнителях, таких как кремня. Использование пуццолона в бетонной смеси в качестве частичной замены цемента может снизить вероятность воз-
никновения ASR, поскольку они снижают щелочность поровой жидкости. Зола не только улучшает долговечность и прочность бетона, но, что важно для устойчивости, снижает потребность в цементе. Однако процесс отверждения такого бетона замедляется из-за добавления измельчённой золы, а прочность на ранней стадии остаётся низкая по сравнению с нормальной.
Добавление нанокремнезема приводит к уплотнению микро- и нано-
структуры, что приводит к улучшенным механическим свойствам.
С добавлением нано-SiO2 количество цемента может быть уменьшено, но плотность и прочность зольного бетона улучшаются, особенно на ранних ста-
диях. Для бетона, содержащего большой объем измельчённой золы, SiO2 может улучшить распределение пор по размерам, заполняя поры между крупной из-
мельчённой золой и частицами цемента в наномасштабе. Дисперсия / суспензия аморфного нано-SiO2 используется для улучшения устойчивости к сегрегации самоуплотняющегося бетона.
Добавление небольшого количества углеродных нанотрубок (1%) по весу может увеличить прочность как на сжатие, так и на изгиб. Это также может улучшить механические свойства образцов, состоящих из основной фазы порт-
ландцемента и воды. Окисленные многостенные нанотрубки (MWNT) показывают лучшие улучшения как по прочности на сжатие (+ 25Н/мм2), так и по прочности на изгиб (+8Н/мм2) по сравнению с контрольными образцами без армирования
[7,8].
Растрескивание – серьезная проблема для многих конструкций. Универ-
ситет штата Иллинойс в Урбане-Шампейн работает над «лечебными полимера-
ми», которые включают микрокапсулированный лечебный агент и каталитиче-
ский химический триггер. Когда микрокапсулы разрушаются трещиной, зажив-
ляющий агент выделяется в трещину и контактирует с катализатором. Проис-
ходит полимеризация и скрепляет поверхности трещин. Самовосстанавливаю-
щийся полимер может быть особенно применим для устранения микротрещин в
61
опорах и колоннах мостов. Но это требует дорогостоящих инъекций эпоксид-
ной смолы. Исследования показали, что анаэробный (не нуждающийся в кисло-
роде) микроорганизм, включенный в воду для смешивания бетона, приводит к увеличению прочности на 25 % за 28 дней. Микроорганизм Shewanella исполь-
зовался в концентрации 105 клеток/мл, и наблюдение в наномасштабе показало,
что на его поверхности имеется отложение песчано-цементной матрицы. Это привело к росту наполнителя в порах матрицы цементного песка и привело к увеличению прочности.
Отменим, что сегодня довольно распространено обертывание бетона во-
локнами для увеличения прочности уже существующих бетонных конструк-
тивных элементов. Прогресс по этой методике включает использование воло-
конного листа (матрицы), содержащего наночастицы кремнезема и отвердите-
ли. Эти наночастицы проникают и закрывают небольшие трещины на поверх-
ности бетона, а при армировании матрицы образуют прочную связь между по-
верхностью бетона и волокнистой арматурой [1-4,7,8].
Нанотехнологии для покрытий и оклейки. Нанотехнологии применяются к краскам, чтобы гарантировать коррозию. защита под изоляцией, так как она гидрофобна и отталкивает воду от металлическая труба, а также может защи-
тить металл от воздействия соленой воды. Другие приложения относятся к по-
крытиям, которые обладают способностью к самовосстановлению в процессе
«самосборки». В дополнение к самоочищающимся покрытиям, упомянутым выше для глазури, замечательные свойства наночастиц TiO2 используются в ка-
честве материала покрытия на дорогах в испытаниях по всему миру.
Структурные композиты. Сталь - основной строительный материал. В 1992 году FHWA совместно с Американским институтом железа и стали и ВМС США разработали новую низкоуглеродистую высокоэффективную сталь
(HPS) для мостов с более высокой коррозионной стойкостью и свариваемостью за счет включения наночастиц меди на границах стальных зерен [1-4,9].
Sandvik NanoflexTM – это новая нержавеющая сталь, разработанная
Sandvik Nanoflex Materials Technology. Благодаря своим высоким характеристи-
62
Химия, физика и механика материалов. Выпуск № 1 (28), 2021
кам она подходит для приложений, требующих легких и жестких конструкций.
Её хорошая коррозионная стойкость, формуемость и износостойкость позволя-
ют снизить эксплуатационные расходы.
MMFX2– это наноструктурно модифицированная сталь, производимая
MFX Steel Corp, США. По сравнению с обычной сталью, она имеет принципи-
ально другую микроструктуру – слоистую решетчатую структуру, напоминаю-
щую «фанеру». Благодаря модифицированной наноструктуре сталь MMFX
имеет превосходные механические свойства. Например, более высокая проч-
ность, пластичность и сопротивление усталости по сравнению с другими высо-
копрочными сталями. Эти свойства материала могут привести к увеличению срока службы в агрессивных средах и снижению стоимости строительства.
Сталь MMFX2 имеет такую же коррозионную стойкость, что и нержавеющая сталь, но при гораздо более низкой стоимости. На данный момент сталь MMFX
получила сертификат для использования в строительстве на всей территории США.
Нанометаллы. Обладая легким весом, самовосстановлением, т. е. прояв-
ляющими различные свойства, а именно: мягкий или твердый, когда возникает необходимость, механически прочнее и долговечнее по сравнению с микроско-
пическими частицами, благодаря чему нанометаллы, такие как наносеребро,
находят применение в электрических контактах, в целях внутренней изоляции зданий, тогда как другие находят применение в качестве частей печатных плат.
Покрытия. Покрытия, включающие определенные наночастицы или нанослои, были разработаны для определенных целей, включая: защитные или антикоррозионные покрытия для компонентов; самоочищающиеся, терморегу-
лирующие, энергосберегающие, антибликовые покрытия для стекол / окон;
легкоочищаемые антибактериальные покрытия рабочих поверхностей; и более стойкие краски и антиграффити покрытия для зданий и сооружений. Например:
Самоочищающиеся окна были разработаны и продаются компаниями
Pilkington, St. Gobain Co. и другими. Это покрытие работает в два этапа.
63
1) С помощью «фотокаталитического» процесса наноразмерные частицы
TiO2 в покрытии реагируют с ультрафиолетовыми лучами естественного днев-
ного света, разрушая и разлагая органические загрязнения.
2) Поверхностное покрытие является гидрофильным, что позволяет дож-
девой воде равномерно распределяться по поверхности и «скользить» по стек-
лу, смывая разрыхленную грязь. Таким образом, при нанесении на наружные поверхности он может уменьшить переносимые по воздуху загрязнители. По-
крытие 7000 м2 дорожного покрытия таким материалом в Милане в 2002 году привело к снижению концентрации оксидов азота на уровне улиц на 60%.
Специальные покрытия также могут сделать нанесенную поверхность гидрофобной и олеофобной одновременно. Их можно использовать для по-
верхностей, защищающих от граффити, ковров, защитной одежды и т. д. Ис-
следователи из Мексики успешно разработали новый тип краски для защиты от граффити DELETUM, функционализировав наночастицы и полимеры с образо-
ванием покрытия, отталкивающего воду и масло одновременно.
В результате поверхность с покрытием становится антипригарной, ее очень легко чистить и она способна противостоять повторяющимся атакам граффити. Кроме того, наноструктурированные покрытия могут использоваться для избирательного отражения и пропускания света в различных диапазонах волн. Исследования сосредоточены на умных и отзывчивых материалах, способ-
ных воспринимать окружающую среду и изменять ее внешний вид, например,
чей цвет изменяется в зависимости от температуры, и облицовке, которая реаги-
рует на тепло и свет, чтобы минимизировать потребление энергии в зданиях.
Паркетные покрытия на основе неизоцианатных полиуретанов. Цикло-
карбонаты – это новый класс соединений, вызывающий большой технический интерес в связи с их потенциальным использованием в получении «зеленых»,
непористых и нечувствительных к влаге неизоцианатных полиуретанов и ги-
бридных полимеров. HNIPU образуются в результате реакции между олигоме-
рами циклокарбоната и олигомерами первичных аминов без использования
64