Нанотехнологии в строительстве
Анализ современных тенденций внедрения новых строительных технологий и материалов в экономически развитых странах мира позволяет утверждать, что основой динамичного внедрения в практику на ближайшие 10-20 лет станут материалы и технологии, полученные на основе достижений и разработок в области нанотехнологий. По прогнозам ученых-экономистов, к 2015 году стоимость нанотехнологической продукции в общемировом промышленном производстве должна составить 1 трлн. долларов. Бурное развитие нанотехнологий, с одной стороны, предполагает использование достигнутых результатов фундаментальных исследований в прикладных областях строительной науки, а с другой — само развитие нанотехнологий невозможно без новых подходов к проектированию и строительству объектов.
Действительно, производство нанотрубок или любых других нанообъектов невозможно разместить в зданиях, предназначенных для традиционных промышленных производств. Производственные нанотехнологии ставят специфические задачи перед проектировщиками и строителями всех специальностей. Строгие требования к параметрам воздушной среды, температурно-влажностному режиму, акустическим и антистатическим параметрам помещений, виброизоляции определяют новые требования к проектированию зданий, их конструктивному и объемно-планировочному решениям, а также к выбору материалов и технологий, применяемых при возведении зданий. Символично, что именно конструктивная схема архитектора Букминстера Фуллера, подсказавшая Гарольду Крото и Ричарду Смолли строение структуры знаменитого соединения углерода С60, положила начало широким исследованиям в области нанотехнологий.
Результаты использования в строительстве достижений фундаментальных исследований в области нанотехнологий уже сегодня выглядят впечатляюще. Это 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 покрытия, — все это должно стать основой современного "умного дома" нового поколения.
К сожалению, перспективы развития прикладной отечественной нанотехнологии могут быть не такими оптимистичными. И дело здесь не в отсутствии талантливых ученых или недостатке финансирования. Беда в том, что выделяемые российским бюджетом деньги могут быть в очередной раз использованы на фундаментальные разработки, плодами которых воспользуются другие государства. Чем отличается "утечка мозгов" из страны от утечки идей? Принципиально ничем. И в том и другом случае государство берет на себя самую трудную и дорогостоящую работу — подготовить специалиста или заложить теоретическую основу будущих практических успехов. А что дальше? Реальные практические результаты, воплощенные в виде конкретных технологий и материалов, в большинстве своем получены в зарубежных научных центрах, хотя и учеными с российскими фамилиями. Согласно информации ректора МГУ, академика В. А. Садовничего, подготовка одного специалиста в МГУ стоит 400 тыс. долларов. Только выпускники МГУ ежегодно "увозят" за границу 120 млн. долларов. И это не считая научных разработок. Стоимость "утечки мозгов" из России за последние 10 лет оценивается в несколько сот миллиардов долларов!
К сожалению, цепочка, обеспечивающая во всем мире успех реализации научных идей и разработок от ее рождения до воплощения в законченную технологию, у нас в России разорвана и заканчивается на стадии фундаментальных исследований или в лучшем случае — на стадии НИОКР. Это в полной мере относится и к строительной науке. Отрыв прикладной науки от фундаментальной и наоборот приводит к появлению популистских "новаций" в виде бетона, модифицированного нанопорошками, стоимостью в сотни долларов за грамм, производимого с использованием дорогостоящего оборудования, отличающегося при этом повышением прочности бетона всего на 30 процентов.
Между тем практическое использование достижений фундаментальной науки в области нанотехнологий для строительства является стратегическим направлением развития прикладной строительной науки. В данном случае показателен зарубежный опыт. Так, например, современное производство бетонов и строительных растворов в развитых странах мира ориентировано именно на применение модифицированных составов. В отдельных странах уровень использования модифицированных бетонов и растворов достигает 100 процентов. Применение модификаторов позволяет создавать бетоны и строительные растворы различного функционального назначения с широким спектром заданных свойств. Индустрия модификаторов на сегодняшний день является высокоинтеллектуальной отраслью строительного производства, своего рода хай-теком строительства. Новым направлением в модификации бетонов и строительных растворов является применение ультрадисперсных, наноразмерных частиц. Работы в данном направлении проводятся в крупнейших компаниях, таких, как "Зика" (Швейцария), BASF (Германия), "Майти" (Япония), "Элкем" (Норвегия). Анализ публикаций и материалов конференций и симпозиумов, проводимых за рубежом по проблемам практического применения наноматериалов и технологий в последние годы, показал, что данному направлению уделяется особое внимание. В российских источниках также большое внимание уделяется использованию наночастиц при производстве строительных материалов, в том числе бетонов и строительных растворов. Однако в публикациях рассматриваются составы бетонов модифицированных наночастицами, зачастую не имеющие перспектив практического применения в силу высокой стоимости наномодификаторов.
Ситуация, сложившаяся в России с прикладными исследованиями в области нанотехнологий, кардинально отличается от развитых зарубежных стран. Основной вклад в прикладные исследования в строительстве за рубежом вносят научные подразделения промышленных компаний, разработки которых базируются на фундаментальных исследованиях крупных научных центров. Отечественные строительные компании, хотя и понимают необходимость этого, не в состоянии финансировать научные исследования в одиночку. Поэтому стратегической задачей развития нанотехнологий в строительстве является создание доступной инфраструктуры как для разработчиков, так и для потребителей новых строительных материалов и технологий. С этой целью современные подходы к разработке строительных технологий и материалов требуют кардинальной модернизации материальной базы научных и прикладных исследований, применения новых научных методик и использования уникального, как правило, дорогостоящего, оборудования для получения новых научных знаний о процессах формирования и свойствах материалов, получаемых на основе нанотехнологий. С учетом современного состояния материальной научной базы большинства научно-образовательных организаций, занимающихся прикладными исследованиями в области строительства, можно сказать, что без концентрации финансовых средств и координации исследовательских и прикладных разработок достичь прогресса в данной области вряд ли возможно. Основой в данном направлении должны стать центры коллективного пользования и единая открытая научно-образовательная сеть, объединяющая ученых, занимающихся фундаментальными и прикладными исследованиями. Обеспечить все научные центры страны современным научным оборудованием вряд ли возможно даже в условиях благоприятной экономической ситуации, а вот обеспечить возможность доступа к современному оборудованию каждому ученому и дать возможность реализации свежих идей — это реально, и путь к этому — создание научно-образовательных инновационных центров с открытым доступом к их материально-технической базе. Любой желающий реализовать свои идеи и воплотить их в конечный реальный продукт должен иметь эту возможность, и задача таких центров — создать им все необходимые условия. Не секрет, что основной причиной "утечки мозгов" из страны является отсутствие возможности реализовать свои идеи в России. А причиной тому становится недоступность для многих ученых современной материальной базы, которая во многих случаях остается незагруженной и невостребованной внутри крупных научных центров.
Внедрение нанотехнологий в области строительства сдерживается также неготовностью специалистов-строителей воспринимать новый уровень развития строительных технологий и материалов. Это естественно. Без предварительной подготовки сложно понять, как при смешении разнородных и несовместимых на первый взгляд материалов в результате правильного структурирования получается материал со свойствами, нехарактерными для традиционных материалов. Без специально полученных знаний сложно разобраться, как ранее непроницаемые стекла оконных проемов способны пропускать пар или в зависимости от времени суток пропускать заданное количество света строго определенного спектра.
В данном случае неотъемлемым условием успешного внедрения нанотехнологий в строительстве является модернизация образовательного процесса в области строительства. Применение нанотехнологий в строительном производстве увеличивает потребность в высококвалифицированных видах труда. Междисциплинарный характер нанотехнологий и их динамичное развитие определяют новые подходы к образованию и в первую очередь предполагают его непрерывный характер и доступность, что в территориальных масштабах России невозможно без создания открытой сети дистанционного образования. Новые подходы соответственно требуют и новых образовательных стандартов, учебных программ и методик обучения, направленных в первую очередь на развитие системного междисциплинарного подхода. Реализация этих идей должна привести к нивелированию образовательных границ между очным, вечерним и заочным обучением и предоставить обучающимся свободный доступ к занятиям с лучшими преподавателями для любого гражданина России, независимо от его места проживания.
Реализация данных подходов в области строительных нанотехнологий предполагается на базе "Инновационного научно-образовательного центра", создаваемого в рамках инновационной образовательной программы МГСУ "Подготовка нового поколения специалистов в области строительства, создающих безопасную и комфортную среду жизнедеятельности". Основными задачами центра являются: создание общедоступной материально-технической базы коллективного пользования для проведения научных исследований и научного сопровождения инновационных строительных технологий и материалов; формирование открытой научно-образовательной сети в области строительства. И уже сегодня все заинтересованные предприятия и организации, ученые, преподаватели и студенты, работающие в области строительства, могут принять участие в формировании будущего российской строительной науки.
Рассматриваются возможные нанотехнологические приемы, позволяющие на атомно-молекулярном уровне управлять процессами структурообразования цементного камня и бетона с целью получения высококачественной продукции с заведомо заданными эксплуатационными свойствами.
Производство строительных материалов, отвечающих требованиям времени, в условиях жесточайшей конкуренции возможно только на основе современных технологий с учетом ранее достигнутых результатов.
Когда мы говорим о технологии, то следует помнить, что это не только совокупность методов обработки и изготовления продукции, это еще и наука, изучающая физико-химические, механические и другие закономерности с целью изменения потребительских свойств продукции, поиска наиболее эффективных и экономичных производственных процессов.
В последние годы не только в специальной научной литературе, но и в популярной, обращается внимание на развитие и перспективы нанотехнологии в разных отраслях промышленности и, в частности, в производстве строительных материалов, в которых компоненты имеют нанометрические масштабы. На этапе начального развития любой науки и технологии преобладает так называемое сравнительное изучение того или иного явления или процесса. Затем оно перерастает в форму прогнозирования, проектирования, дизайна и предначертанного создания нового. Так происходит и со строительным материаловедением.
Для появления новых знаний по тому или иному вопросу необходим новый уровень развития. Сегодня это уровень наномира, нанотехнологии. Новый уровень знаний появляется при сочетании определенных благоприятных экономико-политико-социальных условий, в том числе и ноосферы.
Нанотехнологии в строительстве - это новый виток, новый уровень развития научных достижений, опирающихся и на достижения прошлых лет. Здесь к месту будет высказывание академика, историка В. Каргалова: "Опыт предков - достояние потомков!"
Сегодня практике нужны материалы и изделия многофункционального назначения или такие, которые бы намного превосходили по своим свойствам уже известные. Для этого нужны "прорывные" технологии - технологии завтрашнего дня. На повестку дня поставлены нанотехнологии, позволяющие с меньшими человеко- и энергозатратами получать материалы и изделия не просто с улучшенными свойствами, а с намного превосходящими существующие, иногда и с непредсказуемыми. Сегодняшний девиз: "Получить то, что нужно!" Выполнить такую задачу можно только с помощью нанотехнологии.
Термин "нанотехнология" впервые употребил японский ученый Норио Танигут еще в 1974 году.
В научной литературе понятие "нанотехнология" имеет несколько толкований. Однако общим для всех случаев является "работа" с наночастицами.
Нанотехнология - это производство материалов и структур в масштабах до 100 нанометров.
Нанотехнология - это технология работ с отдельными атомами и молекулами и сборка из них чего-то нового.
Нанотехнология - это область прикладной науки, которая занимается созданием принципиально новых инструментов и материалов сверхмалых размеров, а также изучает свойства различных веществ на атомном и молекулярном уровне.
Говоря о нанотехнологии как таковой, подразумевается такая "тонкая" технология, которая позволяет управлять процессами получения материала на атомно-молекулярном уровне, т.е. с помощью атомно-молекулярного воздействия. А это означает, что уже можно говорить о "направленном" материаловедении, в том числе, и строительном материаловедении.
Для строителя-технолога, владеющего основами химической технологии, освоение приемов нанотехнологии не представляет особых трудностей. Получение наносистем и нанообъектов возможно несколькими способами. Один из таких способов заключается в целенаправленном ведении того или иного технологического процесса путем управления атомно-молекулярными процессами с целью получения компонентов системы не только в пределах наночастиц, но и в заданном сочетании их как по объему, так и по массе (числу).
Имеющиеся достижения в физикохимии, коллоидной химии, знания в области высокодисперсных систем и пленок, поразительных эффектов ПАВ, механо-химической активации твердых частиц и воды уже позволяют получать свойства материалов, ранее, казалось бы, невероятные.
Следует отметить, что нанотехнологии использовались еще в древней Греции и Египте при создании различных красителей. Ярким и давно известным подтверждением эффекта нанотехнологии является получение булата, когда удается получить сталь, сочетающую высокую твердость, остроту лезвия, вязкость внутренних слоев изделия и высокую упругость. Еще русский изобретатель П.П. Аносов (1797-1851 гг.) получил "русский булат" путем точных пропорций, качества материала и режимов технологических операций. Как он сам отмечал, основные свойства булатной стали напрямую зависят от химического состава, структуры, характера обработки, размера и формы кристаллов.
Все эти рекомендации в полной мере применимы и в технологии строительных материалов. Аналогичные технологические приемы используются при производстве минеральных вяжущих веществ, в том числе и при изготовлении портландцементного клинкера.
Изменяя температуру обжига и давление, мы получаем полуводный гипс α и β-модификаций, различающиеся размером кристаллов и свойствами. По данным многих исследователей α - и β-полугидраты не различаются по строению кристаллической решетки, но различаются по дисперсности кристаллов.
Изменяя и регулируя режимы обжига двуводного гипса, можно получить 8 модификаций полуводного и обезвоженного ангидрита с разным строением кристаллической решетки и разными свойствами.
С такими же явлениями мы сталкиваемся при получении строительной воздушной извести. Декарбонизация известняка при температурах 800...850 0С сопровождается образованием оксида кальция в виде губчатой структуры, состоящей из кристаллов размером 200...300 нм. Сама структура (наноструктура) пронизана капиллярами диаметром порядка 8 нм. Увеличение температуры обжига до 900... 1000°С приводит к образованию более крупных кристаллов оксида кальция: от 500 до 2000 нм. Это отрицательно сказывается на реакционной способности получаемого продукта. Обжиг при температуре 1300...1400°С способствует образованию кристаллов оксида кальция размером 10...2О мк. Это уже "пережог", характеризующийся медленным взаимодействием с водой.
Как видно из изложенного, качество строительной воздушной извести зависит как от содержания в ней гидрооксида кальция и магния, так и микроструктуры.
При этом следует отметить, что качество извести, а значит и размер кристаллов и внутренняя пористость конечного продукта зависят также и от наличия различных примесей. Так, например, железистые примеси провоцируют быстрый рост крупных кристаллов, что приводит к образованию "пережога" уже при 1300°С.
Нанотехнологические приемы используются и при производстве цементного клинкера путем регулирования температурного режима и применения минерализаторов-катализаторов с целью снижения температуры расплава. Как отмечает профессор И.Г. Лугинина: "В результате зона спекания во вращающейся печи из-за низкотемпературного появления расплава при добавлении плавикового шпата смещается к холодному концу и становится больше по протяженности ... и кристаллизация жидкой фазы проходит при более низкой температуре".
Гидратационные процессы клинкерных минералов также а значительной степени зависят от температуры твердения, тонкости помола цемента, щелочности жидкой фазы цементного камня, времени, вида и количества добавок и др. Сами физико-химические процессы образования продуктов гидратации - это типичные формы нанотехнологических процессов, т.к они проходят на атомно-молекулярном уровне.
В специальной литературе достаточно подробно описаны многие факторы, обеспечивающие формирование микро- и макроструктуры твердеющих вяжущих веществ. Однако многие значащие факторы и технологические приемы пока еще недостаточно осознаны и не всегда используются в практике.
Известно, что видом и составом продуктов гидратации цемента можно управлять. А это значит, что мы в силах получать новообразования разной и нужной нам основности, с различным содержанием гидратной воды, разного размера и формы кристаллов, что обеспечит нам нужную прочность, морозостойкость, воздухо- и агрессивную стойкость и другие свойства.
Эти технологические приемы согласуются с теоретическими положениями А.В Волженского о взаимосвязи строительных свойств цементного камня и бетона с условиями их изготовления.
Основная прочность цементного камня обеспечивается кристаллами и сростками кристаллов, образующихся гидратных новообразований, размеры которых находятся в пределах 10-7…10-9м. В промежутках между кристаллами размещаются продукты гидратации, размеры которых меньше 10-9м. Они закупоривают свободное пространство, "склеивают" все новообразования воедино.
Результат этого "склеивания" двоякий. Учитывая непрерывность гидратационных процессов, накопление мелких субмикрокристаллов, необходимо помнить о метастабильности образующейся структуры. В такой твердеющей системе отмечаются два процесса: создание структуры и ее разрушение с последующим "залечиванием". И все это совершается на атомно-молекулярном уровне.
Использование уже известных знаний о гидратационных процессах и связанных с ними процессах структурообразования на наноуровне, влияние различных модификаторов открывает возможность "легирования" цементосодержащих (и не только их) систем.
Легирование происходит от немецкого legiren - сплавлять и латинского ligo -связываю, соединяю и означает ввод в какую-либо систему легирующих элементов, в т.ч. и посторонних атомов для получения новых свойств.
Легирование цементных, гипсовых, известковых и смешанных композиций органоминеральными и химическими добавками, а также армирование тонкодисперсными фибрами и углеродными трубками часто приводит к возникновению бифуркационных процессов с образованием новых свойств материалов, ранее не характерных.
П.А. Ребиндер отмечал, что всякие приемы интенсификации технологических процессов в конденсированных дисперсных системах базируются на управлении свойствами структуры, образованной частицами системы. Основными параметрами, которые характеризуют структуру системы, являются: суммарная потенциальная энергия связей Uo, приходящаяся на одну частицу, и кинетическая энергия частиц 0. Следовательно, управление свойствами структуры есть не что иное, как варьирование параметра Uo/Θ.
Бетон, керамика, металлы, сплавы и др. относятся к свободнодисперсным и связанодисперсным системам и характеризуются коагуляционной и конденсационно-кристаллизационной структурой. По взглядам Ю.Г. Фролова: "Практически все вещества и материалы, с которыми приходится встречаться в повседневной жизни, представляют собой объекты коллоидной химии".
Производство многих строительных материалов (бетон, керамика, асбестобетон и др.) связано с процессами коагуляционно-кристаллизационного структурообразования. Как закономерности образования микро- и макроструктуры, так и способы управления этими процессами в композициях дисперсная фаза - жидкая среда остаются достаточно сложными. Объясняется это наличием происходящих фазовых переходов, что связано со значительным изменением не только дисперсности, но и формы дисперсной фазы.
Именно здесь помимо коагуляционной структуры возникает кристаллизационная. Сами же процессы достаточно сложного переформирования исходной коагуляционной структуры связаны с химическими процессами между твердой фазой дисперсной системы и жидкой фазой на уровне атомно-молекулярного взаимодействия, т.е. на уровне наночастиц.
Одним из широко применяемых сегодня приемов нанотехнологии в производстве бетонов, растворов, паст на основе минеральных вяжущих веществ является использование различных добавок, в том числе и ПАВ. Они во многом предопределяют заранее заданные свойства, а иногда и непредсказуемые.
Действие модифицирующих добавок проявляется через химические процессы на поверхности твердой, жидкой и газообразной фаз. Адсорбционные слои модификаторов на поверхности твердой частицы выполняют важные и разносторонние задачи задерживают рост кристаллов, влияют на их форму, габитус, модификацию, изменяют поверхностное натяжение, влияют на степень смачиваемости дисперсных частиц. И все это осуществляется на наноуровне.
В России еще в IX—X вв. при возведении кирпичных стен церквей, храмов, монастырей с успехом применяли в качестве модифицирующей добавки в известковые растворы белки куриных яиц. Это позволяло резко повысить прочность и атмосферостойкость этих сооружений.
Белки куриных яиц - это высокомолекулярные органические вещества, построенные из 20 аминокислот (мономерных звеньев), содержащих карбоксильные (-СООН) и аминогруппы (-NH2) и обладающие свойствами кислот и оснований.
Карбоксильная группа (-СООН) - одновалентная атомная группа, состоящая из карбонильной (=СО) и гидроксильной (-ОН), и обладающая свойствами кислот. Аминогруппа (-NH2) тоже одновалентная атомная группа, входящая в состав аминокислот и амидов органических и неорганических кислот, например, RCONH-, (RO)2P(O)NH3, где R -органический радикал.
Известно, что живые организмы "конструируют" необходимые продукты из белков, которые в свою очередь могут формировать регулярные наноструктуры в виде кристаллических решеток.
В рассматриваемом случае органические вещества (белки) оказываются совместимыми с неорганическим веществом (известковым раствором) в создании прочного и долговечного скрепляющего слоя кирпичной кладки. Этот и аналогичный примеры наталкивают ученых на мысль о конструировании из белков и неорганических соединений таких структур, которых нет в природе.
Процесс направленного изменения эксплуатационных свойств твердеющей системы приносит свои положительные плоды и в строительном материаловедении. Внедрение элементов нанотехнологии, и в целом нанотехнологии, в строительной индустрии, по всей вероятности, будет сопровождаться переходом от парадигмы исследования получаемых материалов путем различной комбинации отдельных компонентов в изучаемой системе к целенаправленной инженерии требуемых молекул, новообразований, наноструктур, наносистем и нанообъектов, т.е. переходом от микромира в наномир.
Развитие нанотехнологии - это не только прорыв в технике, экономике и безопасности, это еще и путь интеграции в систему промышленной цивилизации.