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
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
приносят отнюдь
не наноприбыль
В современном мире все чаще и чаще мы слышим о нанотехнологиях, применяемых в разных сферах жизни. Но в каких инновационных технологиях есть потребность у строительной отрасли? Сколько подобных проектов разрабатывалось на базе «РОСНАНО», где они были реализованы и что разрабатывается сейчас? Об этом и многом другом отраслевому журналу «Строительство» рассказали наши собеседники — сотрудники «РОСНАНО»
Закон на стороне инноваций
Сегодня существующая нормативная база в строительной отрасли в целом направлена на стимулирование применения современных материалов. Как на федеральном, так и на региональном уровнях нормативные базы меняются вслед за актуальными трендами отрасли, в том числе – применение инноваций в строительстве. Принцип преимущества инновационной продукции заложен в основу государственных и муниципальных закупок, при строительстве за счет бюджетных средств уже используются наиболее современные материалы.
Однако на практике реализовать принципы, заложенные нормативным регулированием, не всегда удается. На каждом этапе реализации проекта возникает конфликт между тем, как уложиться в смету и при этом соблюсти все предписанные нормы. При использовании бюджетных средств застройщик не имеет право выйти за пределы сметы, хотя в ней учитываются более дешевые, но уже устаревшие технологии и материалы.
Инновационные технологии эффективно внедряются, когда есть стимулы «снизу», а не «сверху». И, как считает заместитель директора департамента программ стимулирования спроса Фонда инфраструктурных и образовательных программ Максим Невесенко, госрегулирование, предписывающее использование определенных материалов, противоречит самому духу инноваций. Более осмысленные нормы рождаются внутри строительного сообщества, в рамках саморегулируемых организаций, проектировщиков и подрядчиков. Только рыночное сообщество может оценить, какие решения будут экономически эффективны. Любое принуждение к инновациям через административный ресурс не несет в себе экономических целей.
В последнее время много усилий направлено на то, чтобы в сферу ЖКХ привнести бизнес-подход, перевести ее на самоокупаемость. Бизнес на условиях концессии приходит сюда, постепенно меняет технологический уровень инфраструктуры, где это возможно, а внедрение современных материалов сразу дает существенную экономию.
Уже есть примеры, когда инновации выигрывают ценовую конкуренцию у традиционной продукции, очевидные преимущества и экономия операционных расходов проявляются на стадии эксплуатации. Государство пытается построить систему применения инноваций и вести строительство по контрактам жизненного цикла. В их основе лежит уже не стоимость закупки, а стоимость владения объектом на протяжении всего времени эксплуатации. Как отмечает Максим Невесенко, когда этот принцип удастся воплотить в жизнь, инновациям в строительной отрасли откроется более широкая дорога, чем сейчас.
Наноматериалы служат дольше
Некоторые уникальные материалы, созданные благодаря нанотехнологиям, уже широко распространены в жилищном строительстве. Повсеместное применение стало возможным, поскольку высокотехнологичную продукцию начали производить в России и замещать более дорогостоящие импортные материалы. Например, спустя 7 лет активного продвижения светодиодных технологий на российский рынок, в последние пару лет они стали распространенным способом освещения.
Популярность завоевывают композитные материалы, пришедшие на замену металлическим. Они применяются как при закладке фундамента, так и при возведении зданий. Композитная арматура используется, например, при литье блоков монолитного дома. По мнению Максима Невесенко, ключевое преимущество использования композитной арматуры – теплопроводные свойства конструкции. Ведь любое применение железа в строении – это мостик холода. Применяя композитный материал, мы избавляемся от него. Кроме того, композиты позволяют увеличивать срок службы любого строения, поскольку исключена коррозия.
Помимо нового строительства, композитные системы внешнего армирования позволяют укрепить строения, подверженные повышенному риску повреждений: на стены по периметру сооружения приклеивается лента, повышающая ключевые характеристики здания. Подобная практика уже доказала свою эффективность в сейсмонапряженных регионах России: на Дальнем Востоке удается обеспечить зданию сейсмоустойчивость даже сверх предусмотренных нормативов.
Композитную арматуру разных типов в России производят множество компаний, в том числе созданная при участии «РОСНАНО» проектная компания «Гален», и уже завоевавшие доверие «Рускомпозит», «Армастек», «Ростовкомпозит» и др.
Краска для здоровья
Отличительная особенность нанопродукции – это уникальные свойства. Например, в лакокрасочные материалы можно заложить антивандальные свойства, сохраняющие целостность покрытия, ЛКМ с эффектом лотоса. В медицинских учреждениях, особенно роддомах, высоко востребованы антибактериальные краски, эффект которых достигается за счет применения наночастиц серебра. Лаки и краски представлены в линейке нескольких российских предприятий: ГК «Стена» (Удмуртия), «Краски КВИЛ» (Белгородская область), «ЛКМ Повольжье» (Ульяновская область) и др.
Как рассуждает Максим Невесенко, наиболее прозорливые инвесторы при возведении новых многоквартирных домов понимают, что продавать квартиры нужно уже с какой-то «фишкой», за счет которой их ценность в глазах потребителя вырастет. И они уже сейчас используют инновации.
Экономика инноваций
Если «в лоб» сравнивать цены на традиционные и наноматериалы на единицу одинаковой продукции, то последние с большой вероятностью проиграют конкуренцию. Но сравнение будет некорректно из-за разницы в свойствах. Так, композитная арматура дороже металлической, если смотреть на один и тот же диаметр, а при одинаковых вводных подойдет композитная арматура меньшего сечения. В итоге стоимость материалов под конкретный проект окажется примерно равной, но в случае использования композитных прутьев появляется экономия на логистике.
Если взять пеностекольный щебень, его кубический метр обойдется дороже, чем столько же керамзита. Но пеностекла требуется меньше: если керамзита нужно засыпать 20 см, то пеностекла – 15 см. Экономия также возникает в стоимости владения: пеностекло служит 50 лет, переживает несколько циклов ремонта кровли.
В крупных инфраструктурных проектах экономические эффекты от применения нанотехнологий исчисляются десятками миллионов рублей, в том числе и средств федерального бюджета. Недавно композитная арматура была применена вместо стальной при реконструкции плотины в Ставропольском крае. Только на этапе закупки экономия составила более 20 млн руб.
Новые подходы к строительству дорог в рамках концессии также позволяют применять более долговечные наноматериалы. Проекты платных магистралей, как правило, предусматривают не только контракт на строительство, но и на последующую эксплуатацию. Подрядчику приходится учитывать и стоимость обслуживания, и долговечность материалов дорожного покрытия. На решение этих проблем направлены различные модификаторы для асфальтобетонной смеси — «Унирем» (производит НТС, портфельная компания «РОСНАНО») или АДМ. Применение модификаторов увеличивает прочность покрытия, уменьшает риски образования колей и трещин, повышает влаго- и морозостойкость. Их выгодно использовать, если контракт рассчитан на жизненный цикл дороги, когда концессионер заинтересован сокращать ремонтные периоды. Следующим шагом в развитии дорожного строительства должны стать контракты жизненного цикла для дорог федерального, регионального и муниципального значения.
Олимпийская демонстрация
Консервативная строительная отрасль изначально скептически настроена к инновациям. Производители в смежных отраслях должны на практике доказать экономическую эффективность тех или иных решений и вести активную просветительскую работу о возможностях применения современных технологий, включая наноматериалы.
Хорошими образцами для демонстрации возможностей нанотехнологий стали объекты Олимпиады в Сочи, получившие международные экологические сертификаты Breeam и LEED. В их числе стадион «Фишт», где в том числе применялось энергосберегающие низкоэмиссионное стекло производства Рilkington в России.
Областью применения инновационных материалов является и реконструкция старого жилья. ФИОП на регулярной основе проводит совместно с Ассоциацией региональных фондов капремонта вебинары, где предметно разбираются кейсы использования наноматериалов при проведении капремонта зданий. Определяется, насколько эффективно будут вложены обязательные платежи граждан, принесут ли они ощутимое повышение комфортного уровня проживания населения.
Насколько активно инновации будут применяться, зависит и от настроя руководства региона. Одним из последних ярких примеров стал проект по капремонту пятиэтажек серии 335 в Калужской области. После внедрения энерго- и ресурсосберегающих технологий жители домов получили экономию коммунальных платежей в размере 30%, а жилье внешне стало более привлекательным. Высоко оценила результаты проекта и председатель Комитета Госдумы по ЖКХ Галина Хованская, лично посетившая реконструированные дома.
Наработки ФИОПа по капремонту многоквартирных домов, показанные на примере Калужской, Белгородской и Томской областей, начали тиражировать другие регионы. Поддерживая подобное использование наноматериалов, регионы становятся локомотивом для изменений на строительном рынке в целом.
«РОСНАНО» облегчает стройку
«РОСНАНО» проинвестировало несколько знаковых продуктов и технологий, используемых при строительстве и эксплуатации как гражданских, так и промышленных объектов. Общая выручка подобных портфельных компаний «РОСНАНО» достигла 10 млрд руб. в 2016 г.
Наиболее крупный проект в сфере строительных материалов «РОСНАНО» — производство листового стекла компанией SP Glass. Завод в Раменском выпускает более 240 тыс. т стекла в год и занимает около 12% российского рынка. Несколько лет назад при финансовой поддержке «РОСНАНО» и ЕБРР компания установила линию нанесения нанопокрытий методом магнетронного напыления – финальная стадия создания полного цикла производства стекла различных видов, уникальные свойства которого достигаются за счет особого многослойного покрытия, каждый из которых имеет размер от 5 до 500 нанометров. Среди акционеров компании – изобретатель современного процесса производства стекла английская Pilkington, входящая в японскую группу NSG.
Как поясняет управляющий директор по инвестиционной деятельности «РОСНАНО» Дмитрий Лисенков, используемая технология — это передовой край науки, и данная линия является самой современной и производительной в России и одной из лучших мире. Обычные прозрачные стекла даже при использовании в двойном стеклопакете отличаются низкими энергосберегающими свойствами — львиная доля теплопотерь приходится на стеклопакет. Это, в свою очередь, ведет к высоким затратам на обогрев и охлаждение помещения. Применение энергосберегающего стекла с нанопокрытием в жилых и промышленных помещениях позволяет снизить теплопотери в холодное время года до 70%, а в жару такие стекла предохраняют здания от перегрева. При массовом производстве стоимость окон с энергосберегающим стеклом не намного выше стоимости окон с обычными стеклопакетами. При этом экономический эффект от применения низкоэмиссионного стекла оценивается в 30% — экономия на отоплении и электричестве, а в случае с мультифункциональным покрытием еще выше, т. к. дополнительная экономия достигается на кондиционировании и искусственном освещении помещения. Только в одной Москве эффект от применения энергосберегающего остекления составляет несколько десятков миллиардов рублей в год.
Листовое стекло покупают переработчики для изготовления стеклопакетов разных форматов под своими брендами. В контуре портфельной компании «РОСНАНО» SP Glass есть собственный переработчик – СТиС, который, несмотря на сложную ситуацию в строительной отрасли, смог за последние годы вывести и сделать стандартом на рынке ряд новых продуктов, основанных на принципах нанонапыления и повышенных характеристик, соответствующих или превышающих мировой уровень. Помимо резидентского остекления, SP Glass производит архитектурное стекло, используемое, как правило, для фасадов зданий. Современные стеклянные конструкции делают внешний облик зданий более привлекательным.
Вслед за кризисом в строительстве, российский оконный рынок упал на 40-50% за последние 4 года. На этом фоне показатели SP Glass остаются стабильными: стекло с нанонапылением оказалось востребовано и на экспортных рынках. В России компания меняет сам оконный рынок, предлагая потребителям новые характеристики стекол, соответствующие мировым тенденциям. По словам Дмитрия Лисенкова, у населения растет сознание того, что окно – это не «бычий пузырь» в оконном проеме, как сотни лет назад, а высокотехнологичный продукт, характеристики которого могут существенно повысить уровень жизни людей. Хочется и качественный материал, чтобы свет попадал, чтобы счета за электричество и тепло сокращались, чтобы меньше приходилось мыть самому, чтобы никто его не разбил, случайно или преднамеренно. На этом и построена функциональная концепция окон с нанопокрытием.
Если ориентироваться на тренды мирового рынка, то следующий шаг — электрохромные окна, которые позволяют управлять уровнем светопропускания из мобильного приложения.
Негорючая изоляция из отходов
Второй крупный проект «РОСНАНО» в сфере строительных материалов – российская компания «АйСиЭм Гласс Калуга». Она построила при финансовой и операционной поддержке «РОСНАНО» и частных инвесторов крупнейший в Европе завод по производству пеностекольных теплоизоляционных материалов нового поколения из обычного несортового стеклобоя, фактически из твердых бытовых отходов, вопрос с утилизацией которых сейчас стоит очень остро в Центральном регионе России. Запуск завода состоялся в декабре 2013 г., и в настоящий момент продукт массово востребован в гражданском и промышленном строительстве, используется при прокладке автодорог и железнодорожных путей, при капремонте и т.д. Всего выпускается до 300 тыс. кубометров теплоизоляции в год.
Пеностекло позволяет сэкономить при использовании и монтаже порядка 15-25% относительно других видов теплоизоляции. Его конкуренты – экструдированный пенополистирол и пенополиуретан. Их главный недостаток – горючесть, в результате чего возможны такие трагичные события, как в клубе «Хромая лошадь». Использование пеностекла исключает подобные ситуации.
Инновационный продукт оказался востребован: линейка расширяется до пеностекольной плиты, позволяющей более серьезные конструкционные задачи. Качество пеностекла подтверждает его использование на знаковых объектах, в том числе в парках «Зарядье» и «Патриот» и в здании Третьяковской галереи.
Что касается инноваций на строительном рынке в целом, «РОСНАНО» ожидает развития технологий, ориентированных на скорость и качество строительства, в том числе 3D-печать. Также остро будут стоять вопросы проблем безопасности и экологичности. В сфере базовых материалов продолжится развитие использования различных добавок, в том числе улучшающих свойства асфальта и бетона, облегчающих металлоконструкции, и создание различного рода новых композитных материалов в первую очередь с использованием одностенных углеродных нанотрубок, производимых портфельной компанией «РОСНАНО» OCSiAl.
Галина Крупен
Этот материал опубликован в ноябрьском номере Отраслевого журнала «Строительство». Весь журнал вы можете прочитать или скачать здесь.