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.
Сайт о нанотехнологиях #1 в России
Технологии во плоти
Архитекторы любят экспериментировать с материалами. Как только новинка выходит из стен лаборатории, её тут же используют в строительстве. Белоснежный бетон, самоочищающееся стекло, углестеклопластик — сооружения из этих материалов уже стоят в наших городах. Нанотехнологии дали зодчим новые материалы для воплощения их идей
.
Наряду с известнейшими старинными памятниками архитектуры, туристов, посещающих Рим, привлекает необычное здание в духе постмодернизма — церковь Dives in Misericordia («Щедрый в милосердии»). Это белое сооружение из сборного железобетона и стекла состоит из трёх изогнутых конструкций, напоминающих раковины или лепестки цветка. Церковь возведена в 2003 году по проекту американского дизайнера Ричарда Мейера, а осуществить его замысел помогла итальянская компания Centro Technico di Gruppo. Проект церкви требовал особых технологий: её стены должны быть белоснежными и как можно дольше сохранять свою чистоту. Для решения этих задач специалисты компании выбрали цемент, изготовленный ими по новой технологии TX Active®: в его состав входят наночастицы диоксида титана (TiO2).
Ослепительную белизну церкви Dives in Misericordia в Риме обеспечивают наночастицы диоксида титана
- Благодаря фотокатализу поверхность из такого цемента может сама собой очищаться. Происходит это так: когда солнечные лучи касаются стен здания, диоксид титана, входящий в их состав, действует как катализатор и ускоряет химическую реакцию. Загрязнения самой различной природы — бактерии, споры бактерий, плесень, которыми покрыты стены любого здания, — просто разлагаются на воду, кислород и соли в присутствии катализатора.
.
Кроме того, цемент с наночастицами сам себя моет. Известно, что практически любая твёрдая поверхность отталкивает воду. Степень отталкивания зависит от угла между краем капли и твёрдым телом. Обычно угол смачиваемости равен порядка 80 градусов. После того как солнечные лучи попадают, например, на бетонную стену дома, в состав которой входит диоксид титана, этот угол уменьшается до 0 градусов.
Стеклянный купол Большого национального театра в Пекине покрыт самоочищающейся плёнкой
- В это время поверхность становится восприимчивой к смачиванию — гидрофильной, то есть вместо образования капель вода равномерно по ней растекается. В течение последующих 1–2 дней гидрофильность сохраняется, а затем угол смачиваемости начинает постепенно увеличиваться, пока не достигнет снова 80 градусов. Поверхность становится водоотталкивающей, а накопившаяся за это время вода скатывается с неё, увлекая за собой частички грязи.
Церковь, построенная из белого бетона и стекла, буквально «светится», что особенно заметно на фоне окружающих её жилых построек 1970-х годов. Новые строительные материалы помогли воплотить в жизнь замысел Ричарда Мейера, считающего, что «свет является средством, с помощью которого мы способны испытывать то, что называется божественным».
.
Самоочищающийся вид цемента с диоксидом титана использовали и при строительстве памятника жертвам холокоста в Берлине в 2005 году — множество бетонных прямоугольных плит в центре города.
Памятник жертвам холокоста в Берлине не покроет плесень, потому что он построен из бетонных плит с наночастицами диоксида титана
- Ещё один экспериментальный проект — Большой национальный театр в Пекине. Его автор — француз Поль Андрё. Под сферической оболочкой из стекла и бетона расположены три самостоятельные площадки — оперный и концертный залы, театр. Здесь же — многочисленные выставочные павильоны, рестораны и магазины.
Архитектор Андрё назвал своё детище «Городом театров». Сооружение находится посреди искусственного озера, из-за формы купола и отражения в воде местные жители назвали театр «яйцом». Стеклянная поверхность купола всегда прозрачна, так как покрыта тонкой плёнкой из катализатора TiO2, благодаря которому под действием фотокатализа купол самоочищается. Через панели многослойного теплоизолирующего стекла можно наблюдать происходящее внутри.
.
Прозрачные поручни углестеклопластикового моста в центре Сочи включают наноалмазы, а покрытие – углеродные волокна
- Новые стройматериалы испытывают и в России. К примеру, в Сочи, как подарок к будущей Олимпиаде, построили мост из углестеклопластика. Он особенно красив вечером, когда включена подсветка. Мост городу презентовала компания ООО «НТИЦ АпАТэК-Дубна», которая производит конструкции из композитных материалов — углестеклопластика с добавками углеродных волокон, трубок, наномеди. В прозрачных поручнях моста есть включения наноалмазов, его износостойкое покрытие содержит углеродные волокна и нанокарбиды, а в состав материалов основного каркаса входят нанотрубки и медь. Медные нанопорошки придают им огнестойкость, углеродные трубки уменьшают деформацию, возникающую при остывании материала. Чего в этом мосте нет, так это железа, поэтому он не заржавеет. Конструкция из углестеклопластика такая лёгкая, что её смонтировали за 20 минут.
Обычные граждане тоже приобщаются к миру новейших наноматериалов. Пример показали пермяки — сотрудники компании «Пеноситал», выпускающей теплоизоляционный материал — пеностекло. Они утепляют им свои дома, гаражи, дачи. В отличие от пеностекла марки Foamglas корпорации Pittsburgh corning Europe, которым утеплены кровли Большого Кремлёвского дворца, спорткомплекса «Олимпийский» и стадиона «Лужники», отечественное пеностекло делают из стеклобоя — выгодно и экологично. Его смешивают с реагентами, измельчают до наноразмеров и нагревают, в результате чего на поверхности вспененного полуфабриката образуется плёнка толщиной 100–20 нм, это придаёт материалу особую прочность. Стекло ко всему прочему ещё и «дышит», как дерево, поэтому им можно утеплять стены и фасады домов.
статья опубликована в журнале «Российские нанотехнологии» № 1–2 2010 год