CC BY
91
УДК 691.1
И.Ю. Лагутина
студент,
кафедра «Гидротехника, теория зданий и сооружений», ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет»,
г. Владивосток
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬНОЙ СФЕРЕ: ИНДЕНТИРОВАНИЕ И ФОТОКАТАЛИЗ
Аннотация. Статья включает анализ сферы использования наночастиц для увеличения прочности и долговечности цементных композитов, фотокаталитическую активность наноматериалов и методы ее применения в строительной практике, в частности - индентирование.
Ключевые слова: наноматериалы, строительство, применение, фотокатализ, цемент, индентирование.
I.Yu. Lagutina, Far Eastern Federal University, Vladivostok
ADVANTAGES AND DISADVANTAGES OF THE USE OF NANOTECHNOLOGY IN THE CONSTRUCTION
INDUSTRY
Abstract. Article includes analysis of the scope of the use of nanoparticles to increase the strength and durability of cement composites, nanomaterials photocatalytic activity and its methods of application in the construction practice, in particular - indentation.
Keywords: nanomaterials, construction, use, photocatalysis, cement, indentation.
Нанотехнологии играют важную роль в строительном материаловедении. С помощью нанотехнологий становится возможным копирование на строительные материалы особенностей строения биологических систем, которые доводились до совершенства в течение миллионов лет. В данной статье рассматриваются современные знания о нанотехнологиях и нанома-териалах, используемых в строительной отрасли.
Считается, что начало эре нанотехнологий положил Ричард Фейнман, осветив эту тему в своей лекции «There's Plenty of Room at the Bottom/ An Invitation to Enter a New Field of Physics» («Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики»), прочитанной на собрании Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте в 1959 г. [1]. Термин «нанотехнология» был предложен в 1974 году профессором Норио Танигути. Он означает «процесс разделения, объединения и деформации материалов атом за атомом или молекула за молекулой» [2]. Более точное определение термину «ненотехнология» дал Эрик Дрекслер в 1986 году (это объект, размеры которого составляют от 0,1 до 100 нм) [3]. Термин «нанотехнология» подразумевает изучение на микроскопическом уровне (1нм =110-9м).
Практическое применение нанотехнологий в области потребления энергии относится к разработке наноматериалов с очень высокими показателями изоляции, к ним относится аэрогель. Этот материал был разработан НАСА в 1950-х годах и был известен как «твердый дым». Он состоит из воздуха (99,8%) и наночастиц диоксида кремния (0,2%) с самой низкой теплопроводностью (с 0,004 по 0,03 Вт/мК). Последние исследования велись с целью создания окон из аэрогеля для повышения показателей изоляции окон.
Бетон - это самый распространенный строительный материал на Земле, он обладает различными свойствами, одно из таких свойств - это степень водонепроницаемости. Вода и другие агрессивные элементы могут просачиваться сквозь материал, это приводит к карбонизации и нежелательному воздействию ионов хлоридов, которые порождают проблемы, связанные с коррозией. Таким образом, изучение продуктов гидратации в нанометровом диапазоне (C-S-H, гидроксид кальция, эттрингит, моносульфат, негидратные частицы и воздушные поры) - это способ решить проблему прочности материала, что является важным шагом в рациональном использовании бетона.
Последние годы ведутся исследования в этой области. Исследователи - Маджумдар и Раки
уже проанализировали нанофазные композиты силиката кальция, что понесет за собой дальнейшее развитие антикоррозийных и огнезащитных покрытий. До недавнего времени электронная микроскопия не способна была дать полное представление о морфологии, а также о составе продуктов гидратации. Однако в настоящее время использование нанотехнологий позволяет получить данные о модуле упругости с помощью испытания материала методом индентирования. Индентирование производится следующим образом: в образец вдавливается индентор с заданной силой, механические свойства индентора известны - форма, модуль упругости. Далее исследуется форма и размер пятна контакта или строится кривая зависимости положения индентора от нагрузки. Мондал применил индентор для цемента и получил следующие модули упругости: 35 МПа для фазы Ca(OH)2; 26 и 16 МПа для высокой и низкой плотности C-S-H и 10 МПа для пористой фазы. Авторы из MIT использовали нанотехнологии для разработки молекулярной модели продуктов гидратации портландцемента. Эти авторы подтверждают, что молекулярная модель схожа с экспериментальными значениями, полученными по методике индентирования.
Наиболее известное применение наноматериалов в строительной промышленности связано с фотокаталитической активностью полупроводниковых материалов. Некоторые полупроводниковые материалы, такие как TiO2, ZnO, Fe2O3, WO3 и CdSe, имеют фотокаталитическую активность. Однако, TiO2 наиболее используемый из них, так как устойчив и менее токсичен. Диоксид титана имеет три модификации - рутил, анатаз и брукит, он также является самым доступным (это 9-й по счету самый распространенный элемент в земной коре), и в настоящее время используется в качестве добавки в лакокрасочной промышленности.
Фотокатализ TiO 2 влияет на уменьшение угла контакта между каплями воды и поверхностью, что приводит к супер-гидрофильным поверхностям, увеличивая их способность к самоочищению. Водоотталкивающие поверхности - это одна из особенностей биологических систем, такую поверхность имеют листья лотоса, микроструктура которых позволяет поверхности самоочищаться. Чтобы оценить потенциал этой технологии достаточно представить, что японская корпорация TOTO Ltd уже подала 1200 международных патентных заявок в этой области. Более 500 из них были одобрены. Заявки, связанные с фотокатализом, охватывают пять групп: самоочищение, очистка воздуха, антибактериальная группа, антизапотевание и очистка воды. Учитывая затраты на очистку граффити (в городе Лос-Анджелес - это может стоить до 100 миллионов евро в год), вы можете представить, как огромен потенциал фотокаталитических наноматериалов.
Значительный потенциал нанотехнологий способствует большому развитию области строительства и строительных материалов. Несмотря на то, что подражание биологическим системам является одним из многообещающим направлений развития этой технологии, ученые до сих пор пытаются разобраться в их поразительной многогранности. Анализ продуктов гидротазии портландцемента в наномасштабе позволит достигнуть более прочного связующего вещества, но вопрос лишь в том, когда это произойдет. Тот факт, что наночастицы пока являются экономически невыгодными, не говорит о том, что в ближайшем будущем трудно будет достичь массового их применения. Фотокаталитическое применения наноматериалов - это уже реальность, однако требуется еще научные исследования, чтобы найти и другие полупроводниковые материалы помимо TiO2.
Список литературы:
1. Наноиндентирование [Электронный ресурс]. Электр. дан. Режим доступа: http://lkmprom.ru/clauses/entsiklopediya/nanoindentirovanie-/ (дата обращения: 03.01.2017).
2. Ruot B, Plassais A, Olive F, Guillot L, Bonafous L. TiO2-containing cement pastes and mortars: measurements of the photocatalytic efficiency using rhodamine B-based colorimetric test // Sol Eng. 2009. 83. P. 1794-801.
3. Yu Y., Zhang Q, Mu Q., Zhang B., Yan B. Exploring the immunotoxicity of carbon nano-tubes // Nanoscale Res Lett. 2008. 3. P. 271-277.
