жк днепропетровская 37

Будущее обретает очертания (интервью с директором ООО «НТЦ прикладных нанотехнологий», проф. СПб ГПУ, руководителем секции «Нанотехнологии в строительном материаловедении» НОР А. Пономаревым)

Специалисты уверяют, что до создания стройной теории в разработке новых строительных конструкционных материалов еще далеко – в этой сфере пока накапливается эмпирический опыт. Но прикладные результаты уже есть.

В стройиндустрии начинают применять новые, уникальные по своим свойствам композиты. Принцип их создания основан на применении наномодификаторов, с помощью которых можно управлять процессами формирования мезоструктур на определенных стадиях производства.

Означает ли это, что разработчики выявили общие закономерности в создании новых материалов и к построению их структуры?

На эти вопросы отвечает Андрей Пономарев, директор ООО «НТЦ прикладных нанотехнологий», профессор кафедры технологии, организации и экономики строительства СПб ГПУ, руководитель секции «Нанотехнологии в строительном материаловедении» Нанотехнологиче­ского общества России.

– Андрей Николаевич, насколько близки сегодня исследователи к тому, чтобы, оперируя набором определенных наноразмерных структур, конструировать и производить строительный материал с заданными свойствами?

Пономарев.jpg– Ответить на этот вопрос можно двояко. С точки зрения физической теории методы индивидуальной сборки крупных объектов поштучно пока не имеют шансов, хотя такое мнение бытует в научной среде, и гипотетически это можно себе представить.

Проблема даже не в том, что складывать новый материал из отдельных нанокластеров, как из кубиков, было бы слишком долго при неизбежных погрешностях из-за размерных масштабов сборки.

Чтобы перейти к наноконструированию, следовало бы иметь технологию получения одинаковых наноразмерных объектов. Пока это удалось только лауреату Нобелевской премии по химии за исследования в области фуллеренов Ричарду Смолли, автору документа, который лег в основу Национальной нанотехнологической инициативы США.

Именно Ричарду Смолли мы обязаны термином «нанотехнология» и созданием лаборатории по производству так называемых трубок Смолли – однослойных нанотрубок с определенным видом спирали, или хиральностью.

Но даже в этой современнейшей лаборатории получают не более 10 г вещества в день, и пока это единственная в мире воспроизводимая технология получения унифицированного наноматериала. Изготовить такой материал в промышленных объемах с приемлемой стоимостью производства невозможно, по крайней мере сегодня.

То, что предлагают другие многочисленные производители во всем мире под названием нанотрубок, – это углеродные наноразмерные полые структуры, которые различаются по длине, толщине, хирально­сти, количеству слоев, а следовательно, различаются по своим свойствам.

Правда, любые материалы из углеродных нанотрубок обладают нестандартными электрическими и прочностными характеристиками, что делает их применимыми в самых различных областях.

Скажем, синтезированный с помощью специально созданного реактора в Тамбовском техническом университете таунит как раз представляет собой многослойные пакетированные полые образования поликристаллического графита. Как модифицирующая добавка в различные композиты он позволяет получать различные материалы с очень интересными свойствами.

Другое дело, что в строительном материаловедении, как и в разных отраслях, существует потребность в методах и инструментах влияния на компоновку мезоструктуры вещества, которые носили бы каталитический характер и задавали определенное направление процессам самоорганизации в создаваемом материале. Это достижимо уже сегодня.

Один из частных случаев – созданный в НТЦ астрален, представляющий собой углеродные многослойные торроидальные структуры фуллероидного типа. По сравнению с фуллереном С60, имеющим диаметр 1 нм, это довольно большой кластер – в среднем около 50 нм в диаметре.

В его составе не 60, а миллионы атомов и столько же делокализованных электронов, следовательно, его эффективность в среде, где рассеивается энергия возбуждения, гораздо больше, а из-за торроидальной структуры усиление электромагнитного поля и дисперсионные взаимодействия становятся гигантскими. Астралены выступают в качестве наномодификаторов для большинства разработок НТЦ прикладных нанотехнологий.

Но он не единственный углеродный нанокластер, применяемый в модификации различных материалов для получения необычных по своим физико-техническим свойствам материалов. Есть и другие примеры.

– То есть любой углеродный кластер может стать объектом для экспериментов по получению различных новых материалов? Как происходит их конструирование с использованием таких наномодифицированных структур?

– Мы находимся на стадии, когда в наших руках есть набор определенных инструментов для формирования новых материалов и понимание того, что именно эти инструменты могут дать разработчикам. Это уже позволяет «ваять» новые материалы с заданными свойствами.

Например, сейчас в НТЦ разрабатывается новый специализированный композиционный радиационно-защитный бетон, к которому предъявляется ряд очень специфических требований. Заявленных свойств можно достичь, меняя состав и сочетания наполнителей и модификаторов.

С этой целью был исследован широкий интервал концентраций четырех модификаторов в процентном соотношении к цементу, в соответствии с ГОСТом проведены испытания и измерены свойства образцов.

В результате получены зависимости характеристик бетонов от концентрации и состава высокодисперсных добавок, в том числе наномодифицированных. Полученные опытным путем кривые и есть тот самый инструмент для конструирования бетонов с заданными свойствами.

– То есть пока это сугубо экспериментальные исследования. Но есть ли удачные попытки поверить алгеброй гармонию?

– Да, сегодня идет накопление экспериментального материала. Но на протяжении всей истории человечества наука движется вперед одним и тем же путем – когда набирается эмпирическая база устойчиво воспроизводимых фактов, которые противоречат существующим моделям, возникает потребность объяснить это противоречие. Так рождается теория.

В этой сфере уже формируются независимые друг от друга научные школы, есть центры, где на высоком уровне ведутся экспериментальные исследования в области наноструктурированных композитов.

На базе кафедр МГСУ сформирован Научно-образовательный центр по нанотехнологиям. В Белгородском технологическом университете действует Инновационный научно-образовательный и опытно-промышленный центр наноструктурированных композиционных материалов. Исследования ведут специалисты НИИ ЖБ. В Петербурге есть компетентные ученые в ПГУПС, СПб ГАСУ.

– То есть уже есть результаты, но нет теории. Разве это не останавливает строителей и проектировщиков, которым приходится закладывать в проекты новые материалы и гарантировать их надежность?

– Сопротивление переменам, консервативность в восприятии нового есть не только в строительстве. Но для того чтобы сломать сложившиеся стереотипы, и существуют стандартные процедуры проверки новых материалов. Не важно, как они созданы, главное, чтобы они соответствовали требованиям ГОСТов.

Например, прежде чем применять российский наномодифицированный легкий бетон во Франции, его на протяжении двух лет испытывали в Национальном институте бетона и железобетона.

С другой стороны, современные сооружения, глубинные тоннели, высокие здания, арочные и сводчатые конструкции требуют материалов со специальными свойствами. Это должно заставлять строителей очень смело экспериментировать с новыми предлагаемыми материалами и технологиями. Кроме того, такие материалы уже работают, объекты построены, их можно исследовать.

Первый мост через Волгу в Кимрах, на строительстве которого были использованы легкие водонепроницаемые плиты из бетона, армированного наномодифицированным базальтовым волокном, эксплуатируется уже пятый год.

С тех пор построено еще пять аналогичных мостов, в том числе через Сайменский канал. Создан проект реконструкции Большого Москворецкого моста, который прошел очень сложную госэкспертизу, там предполагается использовать 9000 т легкого нанобетона.

Инициатива применить его в качестве верхних дорожных плит на мосту в Кимрах принадлежала проектному институту «Стройпроект». Сейчас по инициативе института на опытном участке КАД проходят испытания эпоксипана – эпоксидного полидисперсноармированного нанокомпозита.

Это полимерное покрытие с необычными свойствами: механической прочностью в 50 и более МПа, высокой адгезией (свыше 30 кг/кв. см), уникальной коррозионной стойкостью, которая позволяет ему в течение 8 часов кипятиться в 30%-й серной кислоте без потери свойств. Армирование базальтовым волокном придает материалу дополнительную тиксотропность. Применительно к дорожному полотну эпоксипан стал предметом экспертных оценок и апробации на участках деформационных швов.

При эксплуатации дорожного полотна деформационные швы из-за своей кон­струкции быстро приводят к появлению выемок. Но если в зоне деформационного шва нанести эпоксипан, он создаст очень прочное защитное покрытие, обладающее к тому же хорошим сцеплением с автомобильными шинами.

– То есть новые материалы выручают там, где не справляются традиционные бетоны или асфальты. Какие еще задачи смогут решать наномодифицированные материалы сегодня и каким образом это достижимо?

– Во всех материалах можно выделить четыре группы свойств: физико-механиче­ские, теплотехнические, оптические и электрофизические. В композиционных материалах, к примеру, уплотнение межфазных границ между связующим и наполнителем позволяет улучшить физико-механические и теплотехнические характеристики.

Для практического решения этой задачи оказывается эффективным применение терроидальных наноразмерных модификаторов астраленов, которые способны многократно усиливать электрические поля при ван-дер-ваальсовском взаимодействии. Нанесение частиц такого рода приводит к появлению мощного силового на поверхности наполнителей.

Под его действием сорбированный газ вытесняется с этих поверхностей, что традиционно достижимо только прессованием. В результате композитный материал как бы самоуплотняется и приобретает целый ряд многообещающих свойств, которые можно эксплуатировать по самым разным направлениям.

Например, эпоксипан с его высокой тиксотропностью можно использовать в качестве финишной отделки для отштукатуренных стен, в несколько раз увеличивая межремонтный срок фасадных работ. Кроме того, свойства, которые приобретает этот материал при дисперсном армировании, придает ему при напылении вид настоящей декоративной штукатурки.

Положительные результаты показал этот же материал на ремонте участка бетонного коллектора в качестве коррозионного защитного покрытия. Наконец, при производ­стве бетонных сэндвич-панелей внешний бетонный слой можно заменить более тонким слоем с использованием эпоксипана, нанося его прямо на пенополистирольный утеплитель.

– В чем экономическая целесообразность использования подобных материалов на современном этапе?

– Расширение масштабов использования этих новых материалов может удешевлять как производство стройматериалов, так и производ­ство строительных работ, поскольку снижает материалоемкость, позволяет при равной или большей прочности уменьшить сечение конструкций, сократить объемы материалов, продлить их ресурс.

Так, базальтопласты при обработке поверхностей бетонных изделий позволяют сделать их на порядок долговечнее по морозостойкости, доводя конструкционные бетоны класса F200 до класса F500.

К примеру, использование водонепроницаемых плит, изготовленных из легкого наноструктурированного бетона ТУ5789-035-23380399-2008 для покрытия полувантового моста через Волгу в Кимрах позволило снизить смету строительства вдвое, хотя материал вчетверо превышает стоимость плит из обычного бетона. Экономия происходит за счет уменьшения толщины плиты с 20 до 13 см, меньшей нагрузки на опоры, отсутствия необходимости в гидроизоляции.

Сравнительные расчеты, которые были сделаны на кафедре технологии, организации и экономики строительства СПб ГПУ для высотного здания из обычного и легкого наномодифицированного бетона, показали, что во втором случае общий вес конструкции получается меньше в 1,6 раза, фундамент обойдется дешевле в два раза, в системе армирования экономится 30% арматуры, объем бетона тоже снижается.

А с учетом затрат на укладку бетонной смеси на высоте начиная с 70 м для любого сооружения применение легкого конструкционного материала позволяет экономить 30% на каждые 30 м.

Если взять морозостойкость современных импортных штукатурных смесей, импегрированных латексом, порошковыми смолами и другими добавками, то она исчисляется несколькими десятками единиц. Эпоксипан при нанесении на обычную песчано-цементную смесь обеспечивает морозостойкость штукатурного покрытия на уровне дорожных бетонов – 300 циклов и больше.

При этом стоимость импортных смесей с производством работ обойдется в 700–800 рублей за кв. м поверхности. Квадратный метр песчано-цементной штукатурки с последующим нанесением эпоксипана укла­дывается в 550 рублей.

Сейчас такой вариант рассматривается как экономически выгодная альтернатива при проектировании жилого квартала в Красноярске, где изначально планировали отделку вентилируемыми фасадами.

Поэтому в целом материалы с применением наномодифицированных структур имеют свою экономически выгодную нишу в строительстве.

– Какими вам видятся перспективы в области получения и развития наномодифицированных строительных материалов?

– По-моему, это очень перспективное и быстроразвивающееся направление. Сегодня уже никого не удивят наномодифицированные бетоны – композиции на основе минеральных вяжущих с повышенными прочностью, водонепроницаемостью, морозостойкостью и другими исключительными эксплуатационными характеристиками. Но кто сказал, что они должны быть обязательно на минеральном вяжущем?

Пластификаторы, полимеры, модификаторы и другие добавки в конструкционных материалах занимают все больше и больше места. И если их связать друг с другом правильно, то можно получить огромный синергетический эффект.

Объединенные в одной конструкции бетон, арматура, полимерные покрытия как композитные гидрофильные, градиентные, без границ, без гидрофобных разрывов единые конструкции – это уже совершенно новое слово в строительных материалах.

Возможно, что следующие поколения материалов будут в одном композите объединять наноструктурированные металл, бетон, дерево, полимеры – и это будет ренессанс новых строительных конструкционных материалов с запредельными эксплуатационными свойствами.

Беседовала

Татьяна Рейтер

Похожие сообщения

X