Строительство
При реконструкции моста через реку Вятка был использован легкий нанобетон. Мост принят в эксплуатацию в 2008 году.
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.
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
Нанотехнологии в мировом строительстве.
Мировое строительство и нанотехнологии.
В настоящее время нанотехнологии являются причиной сильнейшего прорыва во многих сферах науки. В нашей жизни масса продуктов, в изготовлении которых применяют нанотехнологии. Мы сталкиваемся с ними ежедневно: телекоммуникации, бытовая техника, медицина и пр. Не удивительно, что сегодня нанотехнологии применяют в производстве строительных материалов . В Японии, США, Китае и странах Европы, порядка 20% строительных компаний используют материалы, в производстве которых применяли нанотехнологии. Посмотрим, что же могут нам представить западные производители, можно ли эти материалы использовать в строительстве в нашей стране и какие успехи у Российских ученых в изучении и внедрении нано.
Материалы будущего прямо сейчас
Применяемые нанотехнологии меняют стандартные свойства стройматериалов , улучшая их качество и структуру.
Для изготовления высокопрочного и долговечного бетона применяют ультрадисперсные, наноразмерные частицы. Исследования и разработка в данной области является наиболее актуальной в наши дни. Крупнейшие фирмы-производители работают над этим материалом: «Майти» (Япония), BASF (Германия), «Зика» (Швейцария), «Элкем» (Норвегия).
Срок службы бетона с наночастицами предположительно составляет 500 лет. Такой материал используют для строительства атомных реакторов, защитных оболочек, большепролетных мостов , небоскребов и прочих массивных и капитальных сооружений.
Ученые создали высокопрочную сталь, такой прорыв в наномодификации сделал значительный шаг вперед, ведь на сегодняшний день нет более прочного материала, с подобными показателями вязкости. Высокопрочная сталь идеальна для сооружения гидротехнических и дорожных объектов. Увеличивают службу таких конструкций полимерные и композитные нанопокрытия. Они повышают коррозийную стойкость покрываемых материалов, и увеличиваю их срок службы, независимо от окружающей среды.
«Самой главной задачей для удовлетворения потребителей и строителей – создание новых материалов и конструкций для строительной области. Материалы, созданные с использованием нанотехнологии, выходят на первый план, строительные компании и мастера все чаще прибегают к использованию именно этих материалов. Лаки, краски , смеси для отделки помещений , теплоизоляционные материалы и прочее – это небольшой перечень «наноматериалов».
Конструкционные композиты заслуживаю особого внимания. Это конструкционные материалы с металлической, керамической или полимерной матрицей, широкого класса. Углепластик – это типичный пример таких материалов, который изготовлен с полимерной матрицей и углепластиком», — поделился С. Калюжный, директор Департамента научно-технической экспертизы ГК «Роснано», на конференции «Применение нанотехнологий».
Вильгельм Бартлотт, немецкий ботаник, в 1990 году открыл всему миру «эффект лотоса». В цветке лотоса есть железы, которые вырабатывают воскообразно вещество, которым покрыты лепестки цветка. Цветок, покрытый таким веществом, неуязвим для влаги и воды. Ученые Китая взялись за разработки подобного нанопокрытия. После долгих годов совершенствования они добились успеха в изучении «эффекта лотоса» и начали производить этот материал. В Пекине, при строительстве большого национального театра, было использовано это вещество. Яйцеобразный купол, что возвышается над театром, изготовлен из стекла и титана. Его покрыли наноматериалом. Благодаря чему он не подвержен воздействию воды, влаги и не загрязняется.
Водонепроницаемые, фасадные краски – это материалы, которые в ближайшее время будут иметь колоссальный спрос в строительной отрасли, считают эксперты в области нанотехнологий.
Заместитель начальника производственно-технического отдела СК «КварталСтрой», Владимир Николаенко, сказал: «Перед введением нового наноматериала на производственную ленту ученые проводят ряд испытаний и экспериментов. Проверяют их эксплуатационные показатели, прочность, износостойкость и безопасность для человека. Многие продукты, которые изготавливают в лабораториях не проходят проверки для использования в реальной жизни. Важным остается работа ученых в команде со строителями , которые могут делиться опытом и поведением материала. В области строительства ученые сделали огромный шаг вперед. Новые дома, в строительстве которых применяют нанотехнологии, будут служить порядка 400 лет».
Экономия с наноматериалами.
Энергосбережение – еще одно направление в развитии и применении нанотехнологии. В Шанхайском центре науки и технологии был разработан весьма интересный продукт. Полупрозрачное покрытие, которое накапливает солнечную энергию. Такую пленку наносят на стенды зданий, окна и двери, одновременно украшая поверхность зданий, покрытие выполняет работу накопительной батареи (солнечной), и помогает экономить электроэнергию.
В тихоокеанском колледже, в Стоктоне (штат Калифорния), американский ученый Сэмюэль Кистлер, в начале ХХ века сделал невероятное открытие – прозрачный наногель (аэрогель). Свойства этих материалов удивляют и сейчас, их активно используют в энергосберегающих кровельных системах. Наногель и аэрогель обладает высокими тепло- и звукоизоляционными характеристиками .
Инновационное покрытие Cool-Colors создано для защиты цветных окон из ПВХ от инфракрасных (тепловых) излучений. Такая пленка обладает особым пигментом и она способна «отбивать» порядка 80% инфракрасных лучей, тем самым не дает конструкции перегреться.
«В ясный день, при температуре +25°С, цветное окно может нагреться до 50°С. К деформации и разгерметизации оконной системы может привести такой перегрев светопрозрачных конструкций под солнечными лучами» — сказал Л. Минуллин, директор по развитию компании PROPLEX (первый и крупнейший российский разработчик и производитель оконных систем ПВХ по австрийским технологиям).
Такая пленка защитит любое помещение от перегрева, а сами окна от воздействия солнечных лучей. Срок службы окна значительно увеличивается, и снизятся затраты на кондиционирование помещений .
Компания PROPLEX активно занимается разработкой оттенков этой пленки и ее реализацией. На данный момент компания может предоставить модельный ряд из шести оттенков ПВХ-профиля: махагони, болотный дуб и золотой. Для изготовления профиля «серебристый металик» используют инновационную пленку. Визуальный 3-D эффект придается оконной системе после ламинации пленки на профиле. Бриллиантовые краски, которые входят в состав пленки, придают такой эффект. Такие краски имеют уникальные свойства, под разным углом освещения меняется цвет и колер краски чистый и насыщенный. Инновационная пленка воссоздает шлифованную поверхность металлического цвета, имитируя серебро, а сама оконная рама имеет трехмерный вид.
Поверхность окна на ощупь напоминает шагрень за счет используемых бриллиантовых красок. На поверхности пленки образуются микропоры. В ходе ламинации ПВХ-профиля пленка полностью покрывает конструкцию, повторяя сложные геометрические формы продукта.
Нанотехнологии в России.
В России пока немного достижении в области нанотехнологий, несмотря на большую популярность этой темы во всем мире. Основные разработки в прикладном строительстве и нанотехнологий, за рубежом, базируются на исследованиях крупнейших научных центров. Строительные компании РФ не в состоянии профинансировать исследования самостоятельно. Государственную корпорацию «Роснано» создали для финансирования научных разработок, прикладных проектов, изучения нанотехнологий.
Нанокомпозитные трубы – проект, который разработан в России. Успешный проект, продукт которого можно использовать в системах отопления , газоснабжения и водоснабжения . Совместно с учеными МГТУ имени Баумана, компания «Экструзионные машины» занимается разработкой нанокомпозитных труб. Такие трубы в десятки раз выше по техническим и эксплуатационным характеристикам, чем их аналоги. Новые трубы также отличаются своей невысокой стоимостью.
Направление, которое также стоит отметить – разработка и производство стеклопластиковой композитной арматуры. Такой продукт может стать альтернативой традиционному для многих стальному аналогу. Компания «Компарм» является лидеров по производству стеклопластиковой композитной арматуры. Инновационный материал прошел ряд тестов, ученые выявили ряд уникальных свойств данного материала. Небольшой вес (в 5 раз мене чем сталь), химическая стойкость и высокая прочность. Новый металл является диэлектриком, имеет низкую теплопроводность и не подвергается коррозии. В любом виде строительства можно использовать новый нано-продукт.
Результаты изучения и разработки в области нанотехнологий удивляют своим многообразием. Новые виды труб, бетона, стали, инновационные самоочищающиеся покрытия, нано-пленки для прозрачных конструкций – это все успешно используют в современном строительстве.
Россия, страна, которая не отстает от зарубежных коллег в области внедрения нанотехнологий в строительство. Ученые РФ предлагают новые разработки, власти стали уделять больше внимания сегменту научных разработок и развитию прикладных нанотехнологий, инвестируя проекты.
Аспирант Воронежского государственного университета, Александр Герасимов считает: «Для грамотного развития и внедрения нанотехнологий с строительстве необходимы квалифицированные специалисты . Для их подготовки необходимо изменить процесс образования.
Очень динамично стали развиваться нанотехнологии и стали нести междисциплинарный характер. Нашей стране необходимо бесперебойное обучение специалистов в этой области. Вариантом решения такой проблемы может стать создание открытой сети дистанционного обучения.»
Чтобы Россия преодолела отставание в области развития и применения нано, необходимо максимально быстро принять нововведения.