Нанотехнологическое завтра бетонов

Заведующий лабораторией физики и химии горения Андрей Крауклис.

Для получения бетонов с улучшенными эксплуатационными характеристиками Институтом тепло- и массообмена НАН Беларуси совместно с кафедрой «Строительные материалы и изделия» БНТУ проводятся научные исследования «Разработка бетонов нового поколения, модифицированных углеродными материалами». Заглянуть в нанотехнологическое завтра предлагает заведующий лабораторией физики и химии горения Андрей Крауклис.
- Особой необходимости в применении новых технологий до недавнего времени не было, так как почти 90% всего бетона выпускалось с прочностью до 30 МПа, что можно получить на «классических» бетонах (цемент, песок, щебень, вода) с использованием цементов общестроительного назначения и заполнителей, отвечающих требованиям
ГОСТов. В «классическом» составе бетона прочность обеспечивалась расходом цемента, водоцементным отношением и рационально подобранным соотношением заполнителей.

В последние годы подходы к разработке и назначению составов бетона изменились.

При разработке составов бетона класса В25 и выше получили распространение многокомпонентные составы бетона, где кроме цемента и заполнителей в бетонную смесь вводят различные активные минеральные химические добавки типа пластификаторов, ускорителей твердения, воздухововлекающих и др.

Выполненные нашей лабораторией исследования показали перспективность применения в качестве модифицирующих добавок для бетонов углеродных наночастиц. Вводимые в бетонную смесь тонкодисперсные добавки за счет изменения энергии взаимодействия на межфазных границах существенно модифицируют структуру цементного камня и его контактные зоны с наполнителем.

- Почему в качестве модификаторов выбраны именно углеродные наночастицы?

- Углеродные наноматериалы обладают целым рядом уникальных физических свойств и во всем мире ведутся работы по использованию их в качестве добавок в различные пластмассы, резины для создания новых композиционных материалов. Наночастицы углерода при введении в бетоны на основе цементных вяжущих улучшают их физико-механические характеристики: повышение прочности, ударной вязкости и значительное повышение энергии, нужной для разрушения. Они позволяют придать новые свойства цементному камню и бетону в целом, существенно повысить его показатели. Есть и еще одно значимое свойство добавок: при производстве цемента значительная часть энергозатрат уходит на помол клинкера (сырья для получения цемента). Небольшие добавки углеродных наночастиц существенно уменьшают время помола.

- В какой степени повышаются физико-механические характеристики?

- Мы проводили исследование «Влияние добавок углеродных наноматериалов на свойства цемента», результаты которого показали, что эффективность от введения в цемент углеродной «нанодобавки» проявляется в росте прочности цементного камня до 20% в проектном возрасте, оптимум дозировки составляет 0,05% от массы цемента.

В присутствии нанодобавки отмечается усиление эффекта действия ускорителя твердения, но не установлено усиление действия пластифицирующей добавки. И, наконец, введение нанодобавки в сухом виде затруднено: велика вероятность неравномерного распределения ее вещества в объеме цемента (и в еще большей степени - бетона). Поэтому целесообразно апробировать другие способы введения добавок, например в виде суспензии.

- Как получают углеродные наночастицы?

- В мире углеродные наноматериалы получают разными способами: в электрической дуге, лазерным или солнечным испарением, пиролизом, химическим осаждением паров. В нашей лаборатории (все эксперименты проводятся совместно с кафедрой «Строительные материалы и изделия» БНТУ в лаборатории модифицированного бетона. - Прим. авт.) этот материал получают обработкой газовой плазмой электрического разряда смеси воздуха и углеводородов.

Методика является универсальной, так как в качестве источников углеводорода могут служить природный и сжиженный газ, жидкие углеводороды (спирт, керосин и т.п.). Себестоимость получаемого продукта составляет в настоящее время около $0,5 за грамм.

- Существуют ли пути удешевления процесса?

- Этот вопрос является очень актуальным на данный момент. Мы работаем в этом направлении, ищем новые технологические подходы в получении материала, способов его очистки и введения в бетоны.

- Имеет ли место внедрение разработок на практике?

- В ближайших планах - проект внедрения по упрочнению ячеистого бетона на ОАО «Забудова».

Особые надежды для регулирования свойств бетонов возлагаются на мелкодисперсные наноуглеродные добавки  с характерными размерами нановолокон диаметром 50-100 нм.

- С какими трудностями вы сталкиваетесь при проведении научных исследований?

- К сожалению, проблемы есть. В Беларуси не предусмотрена система, благодаря которой разрабатывались бы готовые к производству технологии. Обязательно следует затронуть и материальную сторону, поскольку средств на исследования не хватает, а выработка технологий требует значительных затрат.