НАНОТЕХНОЛОГИИ в строительном материаловедении. Достижения, задачи и перспективы ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» НИУ Докладчик: Е.В. Королев, д.т.н., профессор, директор НОЦ НТ Москва, 2013 г.

1. Общие знания

Физические причины повышения свойств наноматериалов

Поверхностное натяжение Уравнение Гиббса-Толмена-Кенига-Бафа

Температура плавления Зависимость температуры плавления наночастиц алюминия от их радиуса Взято из Lai et al. (Applied Physics Letters, 1998, v. 72: ). - При уменьшении диаметра наночастиц олова до 8 нм их температура плавления снижается на 100 о С (от 230 о С до 130 о С). - Самое большое снижение температуры плавления (более чем на 500 о С ) обнаружено у наночастиц золота.

Прочность поликристаллического материала

Смачиваемость поверхности Уравнение Венцеля – Дерягина

Размерный эффект слабые эффекты, или размерные эффекты I рода (более 10 нм), когда при увеличении удельной поверхности (или уменьшении размера частиц) физико- химические свойства вещества изменяются не сильно, а все наблюдаемые изменения можно объяснить влиянием поверхностных эффектов на общие свойства кристалла. сильные эффекты, или размерные эффекты II рода (менее 10 нм), когда наблюдаются кардинальные изменения свойств вещества, которые невозможно интерпретировать в рамках обычных поверхностных явлений. Nn 0lim N N N ~1000 0

2. Дефиниции

Технология (от греч. techne – искусство, мастерство, умение и...логия), совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства продукции; научная дисциплина, изучающая физические, химические, механические и другие закономерности, действующие в технологических процессах. Приставка «нано» – первая составная часть наименований единиц физических величин, служащая для образования наименований дольных единиц, равных миллиардной доле исходных единиц. Нанотехнология – это совокупность методов получения продукции (изделий) посредством организации вещества на атомно-молекулярном уровне.

Мифы нанотехнологии Безотходность технологии Наномашины и нанороботы «Серой слизи» Наноробот Наноструктурированныйматериала

Нанотехнологии в строительном материаловедении

Стратегии наномодифицирования строительных материалов Введение в материал синтезированных нанообъектов Синтез нанообъектов в материале в процессе его изготовления

Примеры реализации первой стратегии (углеродные наноструктуры) Наноструктурированный легкий бетон:Наноструктурированный легкий бетон: - плотность – кг/куб.м; - прочность на сжатие – МПа; - прочность на изгиб – 4-8 МПа; - теплопроводность – менее 0,2-0,4 Вт/(м*К); - водопоглощение – не более 0,4 %; - водонепроницаемость – W20; - огнестойкость – более 780 о С; - морозостойкость – F300-F350 Композиционные материалы –Композиционные материалы – модифицирующая добавка УНТ повышает прочность (в 1,5-3 раза), электропроводность, теплопроводность, изменяет структуру композитов на основе полиэтилена, полипропилена, фторопластов, полиуретана и др. Строительные материалы и дорожные покрытия –Строительные материалы и дорожные покрытия – применение сверхмалых добавок (0,001-0,0001%) в бетоны повышает в 1,2-2 раза их прочность, температуроустойчивость, снижает трещинообразование. Источник: Статья «Перспективы применения нанобетона в монолитных большепролетных ребристых перекрытиях с постнапряжением» авторов: Е.В. Кишеневская, Н.И. Ватин, В.Д. Кузнецов (Журнал Инженерно-строительный журнал, 2, 2009.

Влияние УНД на прочность бетона Источник: А.Н. Слижевский, Самуйлов Ю.Д., Батяновский Э.И. О Влиянии углеродных наноматериалов на свойства цемента и цементного камня

F – эффект от введения первичного наноматериала ( F max = 300 %) С f – концентрация первичного наноматериала (С max = 0,1 %) Эффективность введения нанодобавок в различные материалы

Задачи стратегии 1 Однородность распределения наноразмерных модификаторов по объему материала Выбор вспомогательных веществ, обеспечивающих агрегативную устойчивость коллоидных систем и удаляющихся для реализации потенциала наночастиц

Проблемы однородного распределения нанообъектов k волновое число; Е средняя по времени плотность энергии акустического поля;ρ плотность среды; ρ f плотность вещества модификатора колебательная скорость; φ сдвиг фаз пульсации частиц; h расстояние между частицами Сила Бернулли Сила Бьеркнеса

состав: астралены – 0,005%, сульфанол – 0,01% t, мин Дисперсный состав астраленов после УЗО

Гипсометрическое распределение Лапласа

Теория Смолуховского μ – вязкость среды-носителя; n о – общее количество частиц Уравнение Гиббса При T>X При T

Влияние ПАВ Энергетический потенциал: σ – поверхностное натяжение; r – радиус наночастицы; k – постоянная Больцмана; T ­– температура; C – концентрация вакансий в макротеле; C r – концентрация вакансий в наночастице V – изменение объема кристалла при замене атома на вакансию E = r 2 + kT(C r C ) C r = C exp VkT r 2

Примеры реализации второй стратегии Наноструктурные композиты на основе взаимопроникающих полимерных сеток Нанокомпозиты на основе гибридной органосиликатной матрицы Полимерные нанокомпозиты с очень низкой проницаемостью и высоким сопротивлением агрессивным средам

Наномодификатор для пенобетонов Модель наномодификатора Пенообразователь Значение Характеристики пен Пенообразующая способность, % Устойчивость, % Пеностром Контрольный46078,49 1,246087,83 1, ,00 1, ,00 1,546096,81 Ареком Контрольный46080,23 1,246084,88 1, ,00 1,546097,83 Характеристика пен Структура пенобетона Размер нанообъектов модификатора – 6,5…7,5 нм

Общие задачи нанотехнологии Разработка инструментария для оценки эффективности принимаемых рецептурных и технологических решений Разработка методики оценки технико- экономической эффективности нанотехнологии в строительстве

Рецептурно-технологический дуализм Потенциал вещества материала I m RтRт Потенциал технологии I t RjRj R max,j

Развитие технологии цементных бетонов

Значения потенциала Φ mt для различных технологических способов повышение активности портландцемента; 2 - применение подготовленных заполнителей; 3 - снижение начального водосодержания посредством введения пластифицирующих добавок; 4 - введение неорганических добавок, способствующих повышению плотности структуры; 5 - введение полимерных веществ, уплотняющих структуру; 6 - применение виброактивации цемента, обеспечивающее дезагрегацию цементных флоккул и уплотнение цементного геля; 7 - Интенсификация процесса уплотнения жестких смесей; 8 - применение вакуумирования, центрифугирования, фильтрационного прессования; 9 - пропитка поровой структуры бетона органическими веществами или серой; 10 - применение сухого формования;11 - применение водопоглощающих перегородок

Условия оптимизации композита на масштабных уровнях от микро- до макроуровня Условия оптимизации композита на наномасштабном уровне - П m – пористость, образующаяся в результате некачественного уплотнения бетонной смеси; - [Са(ОН) 2 ] – концентрация Са(ОН) 2 ; - В/Ц – водоцементное отношение - σ f – внутренние напряжения на границе раздела фаз; - χ m – трещиностойкость тоберморита и подобных материалов; - [C–S–H] – концентрация тоберморита и подобных материалов Реализация нанотехнологии должна проводиться только после исчерпания возможностей макро- и микротехнологии Критерием для оценки целесообразности перехода на наномасштабный уровень является размер массового дефекта в материале. Основной принцип реализации нанотехнологии

Критерий экономической эффективности q i – расход ресурса на изготовление изделия; t i – продолжительность эксплуатации q p – расход ресурса на поддержание изделия в работоспособном состоянии t p – продолжительность межремонтного периода q e – энергопотребление в процессе эксплуатации изделия

ТБ – тяжелый бетон (М400); ВПБ – высокопрочный бетон ( М600); ОВПБ – особовысокопрочный бетон ( М1000); ЛБ – легкий бетон (М250); ВПЛБ – высокопрочный легкий бетон ( М400) Удельная прочность бетонов

ГодСтрана Прочность при сжатии, МПа Средняя плотность, кг/м 3 Удельная прочность, МПа 1999Кувейт ,4 2002Германия 14… ,5… Бразилия 40…501450… ,5…30,5 2003Турция 30…401800… ,1…22,2 2004Япония 47…541800… ,5…30,0 2007Россия 46… ,5…33,8 2007Россия 42…481600… ,4…28,7 Мировой опыт создания прочных легких бетонов

Физико-механические свойства ВПЛБ

Наномодифицированный высокопрочный легкий бетон Кварцевый песок Микросферы Увеличение 200х Кварцевый песок Микросферы Увеличение 100х Свойства: –Средняя плотность – 1300…1500 кг/м 3 –Прочность при сжатии – 40…65 МПа –Удельная прочность – 35…55 МПа –Коэффициент теплопроводности – не более 0,6 Вт/(мК) –Удельная теплоемкость – 0,8…1,15 кДж/(кгК)

низкая средняя плотность, позволяющая уменьшить вес изделий (конструкции, сооружения); высокая прочность, обеспечивающая конструкционные качества; низкая теплопроводность, снижающая теплоизоляционные затраты. Конкурентные преимущества Башня Петронас Малайзия, Куала-Лумпур 375 м – 88 этажей 525 м – 123 этажа ВПБ ВПЛБ 44,5 % Экономический эффект – 44,5 % Экономия бетона Экономия металлической арматуры 30% Экономический эффект – не менее 30%

Область применения нано- модифицированного высокопрочного легкого бетона

ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» Научно-образовательный центр «Нанотехнологии» тел. (499) Единственным пределом наших завтрашних свершений станут наши сегодняшние сомнения. Единственным пределом наших завтрашних свершений станут наши сегодняшние сомнения. Франклин Рузвельт