Нанотехнологии в строительстве
В последние годы нанотехнологии стали составляющей прорыва во многих сферах жизни — от телекоммуникаций до медицины. Нашлось им применение и в строительстве. Так использование нанотехнологий позволяет строить дома, которые могут простоять 300-400 лет.
Почти пятая часть строительных компаний в развитых странах мира используют в своей работе материалы, полученные с применением нанотехнологий. Интересно проанализировать «наноарсенал» зарубежных девелоперов и возможности применения этих инноваций в российской строительной отрасли.
Использование нанотехнологий позволяет придавать обычным строительным материалам невиданные ранее свойства. Одно из направлений разработок — применение ультрадисперсных, наноразмерных частиц при создании высокопрочных долговечных бетонов. Бетон с применением наночастиц отличается сроком службы до 500 лет. Такие материалы предназначены для строительства большепролетных мостов, небоскребов, защитных оболочек атомных реакторов и др. Исследования ученых в области наномодификации металлов и сплавов позволили получить высокопрочную сталь, не имеющую аналогов по показателям прочности и вязкости. Материал подходит для возведения дорожных и гидротехнических объектов. Композитные и полимерные нанопокрытия стальных конструкций значительно повышают стойкость к коррозии и продлевают срок службы даже в агрессивных средах.
К числу современных материалов, созданных с применением нанотехнологий и применяемых в строительстве, относятся и теплоизоляционные материалы, и новые лаки, краски, эмали. Особого внимания заслуживают конструкционные композиты — материалы с полимерной, металлической или керамической матрицей. Примером композитов являются углепластики — композиты с полимерной матрицей и углеволокнами.
Немецкий ботаник Вильгельм Бартлотт обратил внимание на то, что лепестки лотоса покрыты воскообразным веществом, которое вырабатывается растением, делая его неуязвимым для воды. Китайские ученые сымитировали этот эффект при помощи нанопокрытия, которое использовали при возведении здания Большого национального театра в Пекине. Яйцеобразный купол из стекла и титана благодаря этому покрытию не смачивается осадками и не подвергается загрязнению. Фасадные водонепроницаемые краски с применением нанотехнологий будут пользоваться в ближайшие годы особым спросом в строительстве, считают эксперты.
Актуальное направление использования наноматериалов в строительстве — энергосбережение. Полупрозрачные нанопокрытия, созданные в Шанхайском центре науки и нанотехнологий, могут накапливать солнечную энергию. Пленки, нанесенные на окна и стены здания, работают как солнечные батареи, снижая расходы на электроэнергию. Интересные свойства имеют прозрачные наногели (аэрогели), открытые Сэмюэлем Кистлером. Материалы обладают высокими тепло- и звукоизоляционными характеристиками и широко применяются в энергосберегающих кровельных системах верхнего света.
Еще одна инновация — покрытие Cool-Colors для защиты цветных окон из ПВХ от инфракрасного излучения. Благодаря особым пигментам пленка отражает до 80% тепловых лучей и препятствует перегреву конструкции и помещения, продлевая срок службы рамы, снижая затраты на кондиционирование.
Одним из успешных проектов, реализованных в России, является создание нанокомпозитных труб для инженерных систем, которые не только превосходят аналоги по эксплуатационным характеристикам, но и отличаются невысокой стоимостью.
Стоит отметить и производство строительной стеклопластиковой композитной арматуры, перспективной альтернативы стальному аналогу. Материал имеет малый удельный вес (в 4-5 раз меньше, чем у стали), высокую прочность и химическую стойкость. Композитная арматура является диэлектриком, не подвержена коррозии и имеет низкую теплопроводность.
Результаты разработок в области нанотехнологий — новые виды сталей, бетонов, инновационные покрытия для светопрозрачных конструкций и самоочищающиеся покрытия — успешно применяются в современной строительной отрасли. Междисциплинарный характер нанотехнологий и динамичность развития дают основания надеяться, что Россия сможет преодолеть отставание в области применения нано.
При подготовке частично использованы материалы пресс-службы Проплекс
XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2019
НАНОМАТЕРИАЛЫ В СОВРЕМЕННОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Новейшие строительные материалы могут предложить существенные преимущества в строительной промышленности для многочисленных проектов. Причем огромная роль отводится безопасности материалов для здоровья человека и окружающей среды. Необходимость разработки и использования наноматериалов в строительстве очевидна, так как позволит решить многие проблемы: воздействие огня и воды, грязи и пыли, времени.
Рассмотрим наноматериалы, которые уже применяются в современном строительстве и намного улучшили качество строительных работ.
Н анобетон. Использование нанотехнологий в строительстве позволяет добавлять к традиционным строительным материалам определенные свойства, достижение которых еще недавно считалось небывалым. Так, одним из актуальных разработок последнего времени является создание долговечного и высокопрочного бетона.
Согласно расчетам, такой бетон может без проблем просуществовать до 500 лет. Для создания высокопрочного бетона применяются ультрадисперсные, наноразмерные частицы. Данные свойства наноматериалов позволяют использовать высокопрочный бетон для строительства небоскребов, большепролетных мостов, защитных оболочек атомных реакторов и тому подобного.
Наносталь. Исследования ученых в области наномодификаций металлов и их сплавов позволили получить высокопрочную сталь, которая не имеет в настоящее время аналогов по параметрам прочности и вязкости. Применение таких наноматериалов самым идеальным образом подходит для строительства различных гидротехнических и дорожных объектов. При этом нанотехнологии в строительстве позволяют создать на стальных конструкциях полимерные и композитные нанопокрытия: они в десятки раз повышают стойкость стали от коррозии и в несколько раз увеличивают срок службы металла, даже если ожидается работа в агрессивных средах.
К онструкционные композиты. Отдельно хочется обратить внимание на конструкционные композиты, которые представляют собой широкий класс конструкционных материалов, имеющих полимерную, металлическую или керамическую матрицу. Наиболее типичным примером таких композитов являются углепластики — это композиты с углеволокнами и с полимерной матрицей.
Антибактериальное стекло. Наностекло способно убивать попадающие на него микробы и грибки. Происходит это за счет внедрения в поверхностные слои стекла ионов серебра, которые, контактируя с микроорганизмами, разрушают их метаболизм.
Исследования показали, что такое стекло убивает 99,9% попадающих на его поверхность бактерий, устойчивых к действию антибиотиков, причем с течением времени антибактериальные свойства стекла не теряются. Предлагается использовать его в больницах, а также в ванных комнатах жилых домов.
Существует еще одно применение наностекла. Если нанести на поверхность флоат-стекла (стекла, полученного с помощью флоат-метода, при котором стекло при выходе из печи плавления выливается на поверхность расплавленного олова, а затем поступает через зону охлаждения на дальнейшую обработку) при его изготовлении методом пиролиза тонкий слои из оксидов металла In-SnO2, то коэффициент теплопередачи его снижается на 70-80 %, а теплопроводность стеклопакета с его использованием – в 2-2,5 раза. Если же на поверхность еще не остывшего флоат-стекла напылить специальный состав с наночастицами ТiO2, который после остывания стекла образует с ним единое целое, то такое покрытие обеспечивает нейтрализацию органических соединений на поверхности стекла и полную его гидрофилизацию, то есть вода вместе с грязью стекает со стекла. Такие стекла массово производятся в Европе, хотя стоимость их достаточно высокая.
Ученые предложили покрывать специальным составом фасады зданий и окна. Компоненты состава под действием солнечного света разлагают органические составляющие оседающей на поверхностях грязи, благодаря чему неорганические элементы теряют сцепление с поверхностью и легко смываются дождем.
Н анопокрытия. В настоящее время выдающиеся свойства наноматериалов позволяют применять в строительстве новые теплоизоляционные материалы, краски, эмали, лаки и многое другое. Большим достижением в области нанопокрытий стала имитация эффекта лепестков лотоса, которые совершенно неуязвимы для воды. В результате в Пекине появилось здание Большого национального театра, огромный яйцеобразный купол которого, созданный из стекла и титана, обработан нанопокрытием, которое не подвержено загрязнению и смачиванию осадками. Также одним из актуальных направлений применения наноматериалов является энергосбережение.
Например, полупрозрачные нанопокрытия обладают свойством накапливать солнечную энергию. Данные пленки предназначены для применения их на окнах и стенах зданий: нанопленки придадут фасадам стильный вид, и в тоже время будут работать как солнечные батареи, значительно снижающие расходы на электрическую энергию.
Интересные свойства имеют такие наноматериалы как прозрачные наногели (аэрогели). Они обладают высокими звуко- и теплоизоляционными характеристиками, и в настоящее время их начинают применять в энергосберегающих кровельных системах с верхним светом.
Среди реестра строительных материалов наибольшим спросом пользуются самоочищающиеся нанопокрытия и удивительные краски для окрашивания стен, которые кроме долгой и безупречной устойчивости к климатическим перепадам, обладают способностью со временем их усиливать. При обещанном сроке в два десятилетия, нанокраска практически вечная, ибо способна восстанавливать сама нанесенные повреждения. В Китае же (г. Шанхай) впервые на окнах домов появились нанопленки, умеющие накапливать энергию Солнца днём, и вечером отдавать её как бесплатное и экономное освещение.
И нновационная пленка. Настоящим открытием в строительной индустрии стали свойства наноматериалов – инновационной пленки, предназначенной для защиты цветных пластиковых окон от инфракрасного (теплового) излучения. Инновационные пленки имеют особые пигменты, позволяющие отражать до 80% инфракрасных лучей и не позволяющие конструкциям перегреваться. В результате данная пленка защищает как окна, так и само помещение от перегрева, продлевая этим срок службы конструкции и снижая затраты на кондиционирование.
При этом цветная инновационная пленка, которая наносится при ламинации на профиль, способна придавать раме визуальный 3D-эффект. Это происходит благодаря использованию особого компонента пленки – бриллиантовых красок. Также такие краски на поверхности пленки создают микропоры, которые дают покрытию ощущение шагрени. В ходе ламинации инновационная нанопленка способна полностью покрыть сложные по геометрии ПВХ-профили и в точности повторить их формы.
Н анокомпозитные трубы. В нашей стране уже начали применять нанокомпозитные трубы: они предназначены для систем водоснабжения, отопления и газоснабжения. Нанокомпозитные трубы в несколько десятков раз превосходят свои привычные аналоги по эксплуатационным свойствам, а также отличаются невысокой стоимостью.ким образом,
Таким образом, несмотря на то, что новые материалы уже внедряются в строительную отрасль, их доля еще достаточно мала менее 1% в общем объеме материалов строительного сектора. Исследования строительных нано – технологий финансируются самыми различными организациями, конечная цель которых одна — создать еще более выгодное и экологически чистое жилье, безопасное для человека и окружающей среды.
В настоящее время в прогрессивных странах мира более 20% строительных компаний активно применяют в своей работе различные материалы, созданные с использованием нанотехнологий.
Материалы и методы нанотехнологий, Ремпель А.А., Валеева А.А., 2015. – 279с.
Наноструктуры и наноматериалы. Синтез, свойства и применение. Цао Гочжун, Ин Ван. – 2012. – 327с.
Фолимагина О. В., Гарькин И. Н. Нанотехнологии в производстве строительных материалов // Региональная архитектура и строительство- Пенза: ПГУАС. – № 1(6).2009– С.111–112.
Фадеева Г. Д. Рентабельное использование нанотехнологий в строительных материалах / Г. Д. Фадеева, К. С. Паршина, И. В. Маркелова // Молодой ученый. – 2013. – №12. – С. 187-188.
Строительство
Углепластиковый мост у художественного музея г. Сочи. Прозрачные поручни моста включают наноалмазы, износостойкое покрытие содержит углеродные волокна и нанокарбиды. Мост — подарок фирмы «АпАТэК» будущей олимпийской столице.
Нанотехнологии в строительстве
Строительный сектор имеет дело с огромным количеством сырья и различные инновационные материалы уже находят применение в современном строительстве и начинают вносить свою долю в формирование архитектуры будущего.
Но пока фактическое использования нанотехнологий в строительстве является довольно ограниченным, поскольку инновационные идеи в большинстве своем ориентированы на поверхностные эффекты, а не на формирование новых структур строительных матералов. Тем не менее, достижения фундаментальных исследований в области нанотехнологий постепенно находят свой путь в строительную отрасль.
Уже получены 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 и другие функциональные покрытия
— все это должно стать основой современного «умного дома» нового поколения.
Без применения нанотехнологий невозможна и полноценная реализация проектов энергонезависимого «пассивного дома». Основной особенностью «пассивного дома» (экодома, англ. passive house) является малое энергопотребление и почти полная энергонезависимость, что обеспечивается использованием всего спектра возможностей сохранения тепла и самопроизводства энергии.
Будущее строительного материаловедения во многом связано с применением нанотехнологических подходов — внедрения процессов формирования структуры современных строительных материалов, предусматривающих их сборку или самосборку «снизу-вверх», то есть дизайн материала или изделия, который заключается в контролируемом и управляемом воздействии на процесс структурообразования, начиная с наноразмерного уровня. Результатом такого подхода будет получение новых по составу и качественно отличающихся по структуре и свойствам конструкционных, теплоизоляционных, отделочных и других материалов, в полной мере отвечающих современным тенденциям развития архитектурных форм, конструктивных решений и технологии возведения объектов промышленного и гражданского назначения.
И уже в настоящее время планируются и проводятся теоретические и экспериментальные исследования, направленные на разработку методов наноструктурного модифицирования материалов, изучение количественных и качественных изменений их важнейших свойств и разработку технологических процессов получения различных видов строительных материалов, изделий и конструкций с улучшенными по сравнению с аналогами физико-механическими характеристиками.
Несмотря на то, что новые технологии и материалы уже внедряются в строительную отрасль, их доля еще достаточно мала — менее 1% в общем объеме материалов строительного сектора.
Материалы раздела Нанотехнологии в строительстве
Строительную отрасль отличает очень низкий уровень инвестиций в научно-исследовательские работы. Она скорее пытается использовать разработки и изобретения, созданные в других отраслях науки и промышленности, чем создавать их внутри себя. Поэтому основными предпосылками развития строительного материаловедения являются результаты исследований в смежных областях.
Совершенно естественно, что для создания и отработки нанотехнологий требуются новейшие лабораторные корпуса и испытательные центры с уникальным оборудованием, где можно производить измерения геометрических размеров с точностью до нм и изготавливать изделия толщиной до нескольких молекул и площадью несколько нм 2 .
Научный Интернет-журнал «Нанотехнологии в строительстве» (www.nanobuild.ru) совместно с Интернет-порталом NanoNewsNet (www.nanonewsnet.ru) провели II Международную научно-практическую online-конференцию «Применение нанотехнологий в строительстве».
Научный Интернет-журнал «Нанотехнологии в строительстве» и интернет-портал NanoNewsNet провели I Международную научно-практическую online-конференцию «Применение нанотехнологий в строительстве». Предлагаем посетителям ознакомиться с ответами на вопросы участников конференции.
Государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» (РОСНАНО), выступая соинвестором в нанотехнологических проектах со значительным экономическим или социальным потенциалом, уже утвердила и реализует несколько проектов, продукция которых может использоваться в строительной отрасли.