CC BY
329
СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 666.97 + 620.3
Ю.М. Баженов, В.Р. Фаликман, Б.И. Булгаков
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ В СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ БЕТОНОВ
Проникновение исследователей на наноуровень уравнивает бетон с высокотехнологичными материалами, структура которых может быть «запроектирована» по специфическим функциональным критериям: прочности, долговечности, пониженному уровню воздействия на окружающую среду. Это позволит бетону остаться основным конструкционным материалом и в обозримом будущем.
Ключевые слова: наноматериалы, нанотехнологии, высокотехнологичные материалы, структурообразование, структурированный С-Б-И гель, наночастица, гиперпластификатор, самоуплотняющиеся и самовыравнивающиеся бетонные смеси, реактивный порошковый бетон, фотокатализатор, бетон.
Последние десятилетия ознаменовались значительными достижениями в технологии бетона. В эти годы появились и получили широкое распространение новые эффективные вяжущие, модификаторы для вяжущих и бетонов, активные минеральные добавки и наполнители, армирующие волокна, новые технологические приемы и методы получения строительных композитов. На рубеже прошлого столетия существенно обогатились представления о структуре и свойствах бетона, о процессах структуроо-бразования, на новый уровень вышли физико-химические исследования, появилась возможность прогнозирования свойств и активного управления характеристиками материала, успешно развивается компьютерное проектирование бетона и автоматизированное управление технологическими процессами.
Бетоны представляют собой композиционные материалы, структура которых включает гидратные фазы цемента с размером частиц 1...100 нм, зерна исходного цемента, химические и минеральные добавки, наполнители и заполнители. Уменьшение размеров структурных элементов, образование специфических непрерывных нитевидных структур, формирующихся в результате трехмерных контактов между наночастицами разных фаз, ведет к коренному улучшению их эксплуатационных характеристик [1, 2].
При переходе от макро- к наноразмерам происходят значительные изменения в электронной проводимости, оптическом поглощении, химической реакционной способности и в механических свойствах, в значениях поверхностной энергии и морфологии поверхности композитов. Разработка соответствующих методов контроля свойств и реакций наноструктур может привести к созданию новых материалов, технологий и устройств.
Большинство недавних исследований по использованию принципов нанотехноло-гий в бетоне было сосредоточено на попытках структурирования цементных материалов и изучении механизмов их разрушения [3—9].
С помощью нового инструментария стало возможным наблюдать структуру цементных композитов на уровне атома и определять прочность, твердость и другие основные свойства материалов в микро- и нанофазах. Так, например, применение атомной силовой микроскопии для исследований «аморфного» геля С-8-Н позволило обнаружить, что на наноуровне этот продукт обладает высокоупорядоченной структурой [6].
Атомная микроскопия гладкой поверхности гидратированного алита показывает, что элементы дисперсной фазы (насыщенный известковый раствор является дисперсионной средой) существуют в виде агрегированных наночастиц С-Б-Н. Гель С-Б-Н гидратированного цементного теста состоит из сети пластинок наночастиц, размер которых по результатам атомной микроскопии составляет 60x30 нм2, а толщина — 5 нм.
С помощью ядерного магнитного резонанса можно зафиксировать образующиеся в ходе реакции гидратации различные поверхностные слои. Так, поверхностный слой толщиной в 20 нм работает как полупроницаемая мембрана, которая позволяет воде проникать внутрь частицы цемента и выщелачивать ионы кальция. Однако более крупные силикатные ионы новообразований «улавливаются» этой мембраной, под поверхностным слоем при отсутствии ионов Са2+ образуются полимеризованные силикатные тетраэдры в виде геля, что, в свою очередь, вызывает набухание цементных частиц и приводит к разрушению поверхностного слоя. Это разрушение позволяет поглощать силикатные ионы и формировать С-Б-Н-гель, который связывает частицы цемента и отвечает за прочность бетона.
Методом просвечивающей электронной микроскопии было исследовано строение С-Б-Н как в «наружном», так и во «внутреннем» продуктах гидратации. Оказалось, что С-Б-Н «внутреннего» продукта, образованный из больших частиц С3Б, морфологически сложен из плотных мелких почти округлых частиц размером 4...6 нм. Волокна С-Б-Н «внешнего» продукта, по-видимому, состоят из большого числа длинных тонких частиц, расположенных вдоль одной оси. Минимальный диаметр этих частиц, также как частиц «внутреннего» продукта, составляет около 3 нм, однако их длина может составлять от нескольких до многих десятков нанометров.
С-Б-Н можно лишь условно рассматривать как гель: в нем наблюдается определенный ближний порядок. В пользу его кристаллитного состояния свидетельствует наличие гало на дифрактограммах, которое всегда заметно, если С-Б-Н получен при гидратации силикатов кальция в системе СаО-БЮ2 из водной суспензии. Уширение дифракционных линий на дифрактограмме связано с малым размером упорядоченных участков, с наличием микродефектов, либо с взаимодействием обоих этих факторов.
Переход на нанометрический уровень феноменологического анализа дает принципиально новые возможности поромеханического изучения цементных систем (глобулы геля С-Б-Н, включая внутриглобулярную и межглобулярную пористость).
С точки зрения поромеханики глобулы геля С-Б-Н, в которых заключено 18 % внутренних нанопор, заполненных структурной водой, являются «элементарной твердой фазой» (ЭТФ) любого материала на основе цемента. Эта твердая фаза имеет характеристические размеры порядка 5,6 х 10-9 м и ответственна за все пороупругие свойства. В зависимости от типа упаковки ЭТФ различают гели низкой плотности (37 % пор) и высокой (24 % пор). Пороупругие константы и тех, и других являются универсальными величинами, предопределяя в совокупности поведение цементных материалов при высушивании, под нагрузкой и при старении [1, 2].
«Базовые блоки» цементного камня на наноуровне — гидросиликаты кальция С-Б-Н образованы «самосборкой» глобул двух структурно различающихся, но химически идентичных фаз, каждая из которых имеет максимально допустимую плотность сферической упаковки — 64 % для геля низкой плотности и 74 % — для геля высокой плотности.
Ползучесть бетона сегодня связывают с перегруппировкой наноразмерных частиц С-Б-Н с изменением их плотности: одни из них становятся более «рыхлыми», а другие — более плотно упакованными. Третья, более плотная, фаза С-Б-Н может быть получена при тщательном и умелом управлении приготовлением бетонной смеси с микрокремнеземом, который заполняет пространство между наногранулами
С-Б-Н, обычно заполненное водой. Это приводит к повышению плотности С-Б-Н-геля до 87 %, что, в свою очередь, в значительной степени препятствует перемещению глобул С-Б-Н с течением времени. Таким образом, при рассмотрении поведения цементного камня с микрокремнеземом становится понятным, почему добавление микрокремнезема снижает ползучесть бетона, что, в свою очередь, открывает путь к получению высокоупакованных материалов с медленной ползучестью. Понимание этих механизмов открывает возможности направленного регулирования структуры и свойств вновь создаваемых цементных композитов.
Управление наноструктурой уравнивает бетон с высокотехнологичными материалами, структура которых может быть «запроектирована» по специфическим функциональным критериям: прочности, долговечности, пониженному уровню воздействия на окружающую среду [1, 2].
Установлено, что введение в бетонную смесь наноразмерных частиц (обычно диаметром около 100 нм) оказывает существенное влияние на свойства бетона. Так, использование наносиликатов с удельной поверхностью не менее 180 м2/г, на порядок превышающей удельную поверхность микрокремнезема, и новых диспергаторов-ги-перпластификаторов на основе поликарбоксилатов специального молекулярного дизайна обеспечивает достижение кардинально новых прочностей и структур цементного камня, создавая предпосылки дальнейшего развития реактивных порошковых композитов с прочностью на сжатие около 800 МПа и прочностью на растяжение при изгибе около 100 МПа [6].
Применение наносиликатов в бетоне позволяет не только заметно улучшить упаковку его составляющих: цемента, наполнителей, заполнителей, снизить пористость и значительно (иногда — в несколько раз) повысить прочность, но и контролировать реакции образования и превращений гидросиликатов кальция С-Б-Н, ответственных за обеспечение долговечности цементного камня, а также определяющих ряд строительно-технических характеристик бетона: усадку, ползучесть [5].
При применении наночастиц БЮ2 значительно повышается пуццолановая активность золы уноса, что ведет к увеличению как ранней, так и марочной прочности бетона с высоким содержанием золы уноса [7—9].
Введение нанокремнезема позволяет получить более связанные самовыравнивающиеся бетонные смеси, снизить водоотделение и расслоение при весьма незначительном влиянии на потерю подвижности [3].
Наночастицы Fe2O3, как было установлено, придают бетону свойства «самозондирования», а также повышают его прочность на сжатие и растяжение. Объемное электрическое сопротивление цементных растворов с наночастицами Fe2O3 изменяется при приложении нагрузки, в результате растворы с нано-Ре203 могут регистрировать собственные сжимающие напряжения. Такая чувствительность неоценима для ведения оперативного мониторинга состояния конструкций и для создания «умных» конструкций без закладки или прикрепления специальных сенсоров [4, 8, 9].
Исследования, проведенные с помощью сканирующего электронного микроскопа, продемонстрировали, что наночастицы Ре203 и БЮ2 заполняют поры и одновременно уменьшают содержание Са(0Н)2 в ходе процесса гидратации. Это приводит к улучшению механических свойств цементных растворов с наночастицами. Прочность на сжатие и растяжение цементных растворов с наночастицами была выше, чем прочность растворов с микрокремнеземом [7—9].
Наночастицы А1203 значительно увеличивают модуль упругости (до 143 % при дозировке 5 %), однако ограниченно влияют на прочность при сжатии [8, 9].
Наночастицы глин оказывают влияние на механические характеристики, сопротивление проникновению хлоридов, снижают проницаемость и усадку бетона, а также широко используются в самоуплотняющихся бетонных смесях. Сами частицы
природных глин имеют микронные и субмикронные размеры, и в основе их структуры лежат слои алюмосиликатов толщиной около 1 нм. Отшелушенные слои фактически представляют собой истинные наночастицы [8, 9].
Обычно частицы глин гидрофильны. Уменьшение их водопотребности достигается использованием катионного обмена, при котором катионы натрия или кальция заменяются органическими катионами между слоями, снижая гидрофильность глин. Химическая «прививка» полимеров к отшелушенным слоям глин позволяет получить «сшитые» частицы, которые при введении в цементные системы заметно улучшают их свойства. Кроме того, немодифицированные наноразмерные частицы глинистых пород действуют как затравки для формирования С-Б-Н [7—9].
Таким образом, на основании имеющихся данных, положительное воздействие наночастиц на микроструктуру и свойства цементных материалов может объясняться следующими факторами:
тонкодисперсные наночастицы увеличивают вязкость жидкой фазы, повышая устойчивость смеси к расслоению и улучшая удобоукладываемость системы;
наночастицы заполняют пустоты между гранулами цемента, что приводит к связыванию свободной воды («эффект наполнителя»);
тонкодисперсные наночастицы выступают в качестве центров кристаллизации гидратов цемента, ускоряя тем самым процесс гидратации;
наночастицы оказывают благоприятное воздействие на формирование мелких алюмоферритных кристаллитов и повышают однородность гидросиликатов С-Б-Н;
наночастицы БЮ2 принимают участие в пуццолановых реакциях, что приводит к связыванию Са(ОН)2 и формированию «дополнительного» количества С-Б-Н; наночастицы улучшают структуру контактной зоны заполнителя; уменьшение трещинообразования (диссипация энергии разлома) и эффект взаимного связывания между плоскостями скольжения, обеспечиваемые наночастица-ми, повышают твердость, сопротивление сдвигу и прочность на изгиб материалов на основе цемента.
Дополнительный потенциал для развития намного более прочных, более жестких и более долговечных конструкционных материалов предоставляют углеродные наночастицы, нанотрубки и нановолокна, которые сегодня производятся в промышленном масштабе большим количеством компаний. На этом пути, правда, сохраняются по меньшей мере две проблемы — повышенная склонность углеродных материалов к агломерации и, как следствие, трудности равномерного распределения такой «нанофибры» по композиту, а также недостаточно высокое сцепление на-нотрубок с матрицей, что не позволяет полностью использовать их высокий модуль упругости (в 5 раз выше, чем у стали) и прочность (в 8 раз выше стали) при очень низкой плотности [4, 7—9].
При введении нанотрубок с диаметром, близким к толщине слоев С-Б-Н, в цементную матрицу наблюдается заметное изменение ее свойств, прежде всего, прочности при сжатии и растяжении, но это увеличение не столь существенно, если принять во внимание высокую стоимость нанотрубок. Значительно более важным является снижение трещинообразования, особенно в поверхностных слоях высокофункциональных цементных композитов [8, 9].
В последние годы в строительной практике при изготовлении бетонов нового поколения все большее применение находят высокоэффективные поликарбоксилатные суперпластификаторы. Они интенсивно исследуются многими ведущими фирмами, уже выпускающими в промышленных масштабах целый ряд подобных добавок, получивших коммерческое название «гиперпластификаторы», поскольку реальные возможности снижения водоцементного отношения (до 40 %) и разжижения бетонной смеси у них значительно выше, чем у традиционных полиметиленнафталинсульфо-натов и полиметиленмеламинсульфонатов [8—10].
В основу молекулярного дизайна при создании высокоэффективных водорастворимых карбоцепных суперпластификаторов положена такая химическая модификация карбоксилсодержащих полимеров, которая позволяет ввести в эти макромолекулы длинные боковые олигоалкиленоксидные цепи через образование соответствующих сложноэфирных или амидных групп. Это обеспечивает практически неограниченные возможности контроля химического и физического поведения полимеров и их взаимодействия с цементными частицами посредством изменения длины основной и боковой цепи, электрических зарядов, плотности боковых цепей, свободных функциональных групп.
Оптимизация химической структуры эфиров поликарбоксилатов за счет применения нанотехнологий (сборки молекул заданного строения) обеспечивает лучшее использование всего вводимого количества суперпластификаторов, что заметно снижает их дозировку, а также позволяет минимизировать их чувствительность по отношению к химическому составу цемента. Так, например, уменьшение водопотребности бетонной смеси определяется электрическими зарядами и боковыми цепями, сохраняемость, связанная со скоростью адсорбции полимеров на частицах цемента, — функциональными мономерами, а развитие ранней прочности бетона — формой (конфигурацией) полимерной молекулы, в целом.
В частности, особую роль эти суперпластификаторы приобрели при изготовлении самоуплотняющихся и самонивелирующихся бетонных смесей, реактивных порошковых бетонов, которые открывают новый и весьма перспективный этап в технологии бетонов. Собственно, лишь с появлением поликарбоксилатных суперпластификаторов стало реальным широкое производство и применение этих модифицированных бетонов.
Важно подчеркнуть, что поликарбоксилаты адсорбируются преимущественно на гидросульфоалюминатах, но дальнейшее фазообразование приводит к практически полному подавлению пластифицирующего действия за счет перекрывания зон стерических эффектов. Таким образом, при проектировании молекулы суперпластификаторов важно учесть конкурентные скорости адсорбции и гидратации-фазообра-зования для того, чтобы обеспечить необходимую продолжительность их действия и, следовательно, сохраняемость бетонных смесей. Поэтому современные продукты содержат, как правило, молекулы нескольких типов, действие каждого из которых начинается в строго определенное время.
В настоящее время для контроля скорости выделения суперпластификатора в бетон в качестве основы пытаются использовать слоистые органические добавки, структура которых подобна слоистым гидроксидам, например, гидратам трехкаль-циевого алюмината и четырехкальциевого алюмоферрита [8, 9].
Знаковые изменения произошли в сфере разработки и применения нового поколения самоочищающихся покрытий по бетону. Важно, что последние рассматриваются сегодня в общем контексте борьбы за кардинальное снижение затрат и рабочего времени на обслуживание, ремонт и восстановление конструкций сложных объектов. Среди выпускаемых рядом немецких и испанских фирм с конца 1990-х гг. продуктов, получаемых на основе нанотехнологий, выделяются покрытия для полной гидрофо-бизации поверхностей, для предотвращения ущерба от граффити, для ликвидации потенциальных источников биоповреждений: плесени, грибов, мхов, лишайников.
Особую группу составляют высокопрочные, высокоэластичные и ударостойкие покрытия, которые одновременно стойки к химическим воздействиям и защищают железобетонные конструкции от коррозии [6, 7].
Интересен уже богатый опыт применения сенсибилизированного на основе на-нотехнологий диоксида титана. Как известно, под воздействием ультрафиолета модифицированный ТЮ2 работает как фотокатализатор, выделяя атомарный кислород
из паров воды или атмосферного кислорода. Выделенного активного кислорода достаточно для окисления и разложения органических загрязнений, дезодорирования помещений, уничтожения бактерий [6—9, 11].
К настоящему времени строительные материалы, содержащие добавки ТЮ2 — наночастиц, широко применяются в цементных красках, специальных цементах, строительных растворах, дорожных покрытиях, как бетонных, так и битумных, самоочищающихся и воздухоочищающих антибактериальных материалах и конструкциях, составах и отделочных материалах для наружных и внутренних работ.
Особенно распространено применение таких светочувствительных катализаторов при формировании самоочищающихся поверхностей бетона за счет открытого явления супергидрофильности, что позволяет поддерживать эстетический вид построенных объектов неизменным в течение продолжительного времени.
Цементные материалы, содержащие ТЮ2, интересны не только из-за своих свойств самоочищения. Проводимые исследования показывают, что такие материалы имеют хороший потенциал при контроле городского загрязнения. Фотокаталитической системой ТЮ2/цемент могут быть уничтожены N0^ БОх, №Н3, СО, летучие органические углеводороды, такие как бензол и толуол, органические хлориды, альдегиды и конденсированные ароматические соединения [7—9, 11].
В ближайшие годы благодаря быстроразвивающимся нанотехнологиям можно также ожидать развития следующих нанопродуктов, относящихся к технологии бетона:
катализаторы для синтеза и ускорения гидратации обычных цементов; добавки для супертонкого помола и механохимической активации цементов; новое поколение суперпластификаторов для «абсолютного контроля подвижности» и резкого снижение расхода воды;
вяжущие с наночастицами, наностержнями, нанотрубками (включая одностен-ные нанотрубки), наноамортизаторами, наносистемами или нанопружинами;
вяжущие с улучшенными/наномоделированными внутренними связями между продуктами гидратации;
вяжущие, модифицированные наночастицами полимеров, их эмульсиями или полимерными нанопленками;
вяжущие с контролируемой степенью увлажнения и контролируемым процессом образования микротрещин;
экологические вяжущие, модифицированные наночастицами и произведенные при значительном сокращении объема клинкера (до 10.15 %), или вяжущие на основе альтернативных систем (М^О, фосфаты, геополимеры, гипс);
биоматериалы (включая имитирующие структуру и свойства раковин моллюсков); композиты на основе цемента с чрезвычайно высокой долговечностью, прочно -стью, тягучестью и твердостью;
материалы, способные к самовосстановлению, и новые технологии ремонта; материалы с контролируемыми электропроводностью и деформативностью, безусадочные материалы и материалы с низким температурным расширением;
«умные» материалы, такие как материалы с сенсорикой и заданными реакциями на температурные воздействия, влажность, напряжения.
Выводы. 1. Очевидно, что нанотехнологии уже изменили и будут продолжать менять наши взгляды, ожидания и возможности в области контроля материального мира. Подобные изменения определенно оказывают влияние на строительство и промышленность строительных материалов.
2. Современный прогресс в области нанотехнологий позволяет надеяться, что уже в наступившем десятилетии многие задачи, на сегодня представляющиеся фантастическими, будут успешно решены.
3. Нанотехнологии все еще находятся на пути от фундаментальной науки к промышленным предприятиям. Сегодня их полномасштабное практическое применение, в особенности в строительстве, чрезвычайно ограничено. Однако высочайший потенциал нанотехнологий, с точки зрения улучшения свойств обычных материалов и процессов, является чрезвычайно перспективным.
4. Портландцемент, один из самых широко потребляемых человечеством материалов, имеет огромный, но не до конца исследованный потенциал. Более глубокое понимание и точный инжиниринг свойств чрезвычайно сложной структуры цемент-содержащих материалов на наноуровне, безусловно, приведет к рождению нового поколения бетонов — высокотехнологичных, эффективных и экологичных.
Библиографический список
1. Баженов Ю.М. Технология бетона. М. : Изд-во АСВ, 2011. 528 с.
2. БаженовЮ.М., ДемьяноваВ.С., КалашниковВ.И. Модифицированные высококачественные бетоны. М. : Изд-во АСВ, 2006. 368 с.
3. Баженов Ю.М. Нанотехнологии в строительстве и производстве строительных материалов // Наносистемы в строительстве и производстве строительных материалов : сб. докл. участников круглого стола. М. : МГСУ, 2007. С. 12—16.
4. Баженов Ю.М., Королев Е.В. Нанотехнология и наномодифицирование в строительном материаловедении. Зарубежный и отечественный опыт // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2007. № 2. С. 16—19.
5. Баженов Ю.М. Использование наносистем в строительном материаловедении // Вопросы применения нанотехнологий в строительстве : сб. докл. участников круглого стола. М. : МГСУ,
2009. С. 4—8.
6. Фаликман В.Р. Анализ и разработка концепции развития работ в области применения на-номатериалов и нанотехнологий в строительстве // Наносистемы в строительстве и производстве строительных материалов : сб. докл. участников круглого стола. М. : МГСУ, 2007. С. 104—114.
7. Фаликман В.Р. Об использовании нанотехнологий и наноматериалов в строительстве // Нанотехнологии в строительстве : научный Интернет-журнал. 2009. № 1, 2. Режим доступа: http//www.nanobuild.ru. Дата обращения: 15.08.12.
8. Фаликман В.Р., Соболев К.Г. «Простор за пределом», или как нанотехнологии могут изменить мир бетона. Часть 1 // Нанотехнологии в строительстве : научный Интернет-журнал.
2010. № 6. С. 17—31. Режим доступа: http // www.nanobuild.ru. Дата обращения: 10.02.11.
9. Фаликман В.Р., Соболев К.Г. «Простор за пределом», или как нанотехнологии могут изменить мир бетона. Часть 2 // Нанотехнологии в строительстве : научный Интернет-журнал.
2011. № 2. С. 21—31. Режим доступа: http // www.nanobuild.ru. Дата обращения: 03.03.11.
10. Фаликман В.Р. Новое поколение суперпластификаторов в современной технологии бетона-поликарбоксилаты // Вопросы применения нанотехнологий в строительстве : сб. докл. участников круглого стола. М. : МГСУ, 2009. С. 111—119.
11. Фаликман В.Р., Вайнер А.Я. Фотокаталитически активные строительные материалы с наночастицами диоксида титана — новая концепция улучшения экологии мегаполисов// Вопросы применения нанотехнологий в строительстве : сб. докл. участников круглого стола. М. : МГСУ, 2009. С. 35—49.
Поступила в редакцию в сентябре 2012 г.
Об авторах: Баженов Юрий Михайлович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии вяжущих веществ и бетонов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (495) 287-49-14 (31-03), zavkaf@list.ru;
Фаликман Вячеслав Рувимович — кандидат химических наук, профессор кафедры технологии вяжущих веществ и бетонов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (495) 287-49-14 (31-01), vfalikman@yandex.ru;
Булгаков Борис Игоревич — кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры технологии вяжущих веществ и бетонов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строи-
тельный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(495) 287-49-14 (31-01), fakultetst@mail.ru.
Для цитирования: Баженов Ю.М., Фаликман В.Р., Булгаков Б.И. Наноматериалы и на-нотехнологии в современной технологии бетонов // Вестник МГСУ 2012. № 12. С. 125—133.
Yu.M. Bazhenov, V.R. Falikman, B.I. Bulgakov
NANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGIES IN THE PRESENT-DAY CONCRETE TECHNOLOGY
Advancements in the field of nanotechnologies have converted the concrete into a high-tech material; its structure may be "tailored" to specific functional criteria, including strength, durability, and reduced environmental impacts. This feature will help keep the concrete as the main structural material in the foreseeable future.
Nanotechnologies are still on the way from the pool of basic sciences to industrial enterprises. Today full-scale practical application of nanotechnologies in the construction industry is extremely limited for the reason of high costs of their implementation. However, the strongest potential of nanotechnologies is concentrated in the improvement of the properties of conventional materials and processes. Recent progress of nanotechnologies prompts us that many of the problems that are now considered as fantastic will be successfully resolved in the coming decade.
Portland cement is one of the most widely used materials; it has a huge though underexplored potential. A better understanding and precise identification of the engineering properties of the complex structure of cement materials in the nanoscale science will give way to a new generation of concrete.
Key words: nanomaterials, nanotechnology, high-tech materials, structure formation, structural C-S-H-gel, nanoparticles, hyper-plasticizers, self-compacting and self-leveling concrete mixtures, reactive powder concrete, photo-catalyst.
References
1. Bazhenov Yu.M. Tekhnologiya betona [Technology of Concrete]. Moscow, ASV Publ., 2011, 528 p.
2. Bazhenov Yu.M., Dem'yanova V.S., Kalashnikov V.I. Modifitsirovannye vysokokachestvennye betony [Modified High-quality Concretes]. Moscow, ASV Publ., 2006, 368 p.
3. Bazhenov Yu.M. Nanotekhnologii v stroitel'stve i proizvodstve stroitel'nykh materialov [Nanotechnologies in Construction and Production of Building Materials]. Roundtable Discussion "Nanosistemy v stroitel'stve i proizvodstve stroitel'nykh materialov [Nanosystems in Construction and Production of Building Materials]. Collected Reports. Moscow, MGSU Publ., 2007, pp. 12—16.
4. Bazhenov Yu.M., Korolev E.V. Nanotekhnologiya i nanomodifitsirovanie v stroitel'nom materialo-vedenii. Zarubezhnyy i otechestvennyy opyt. [Nanotechnology and Nano-modification in the Construction Material Science. Foreign and Domestic Experience]. Vestnik BGTU im. V.G. Shukhova [Proceedings of Voronezh State University of Civil Engineering]. 2007, no. 2, pp. 16—19.
5. Bazhenov Yu.M. Ispol'zovanie nanosistem v stroitel'nom materialovedenii [Using Nano-scale Systems in the Construction Material Science]. Voprosy primeneniya nanotekhnologiy v stroitel'stve [Issues of Application of Nanotechnologies in Civil Engineering]. Collected reports. Moscow, MGSU Publ., 2009, pp. 4—8.
6. Falikman V.R. Analiz i razrabotka kontseptsii razvitiya rabot v oblasti primeneniya nanomateri-alovi nanotekhnologiy v stroitel'stve [Analysis and Development of the Concept of Further Actions in the Application of Nano-scale Materials and Nanotechnologies in Civil Engineering]. Roundtable Discussion "Nanosistemy v stroitel'stve i proizvodstve stroitel'nykh materialov [Nanosystems in Construction and Production of Building Materials. Collected Reports]. Moscow, MGSU Publ., 2007, pp. 104—114.
7. Falikman V.R. Ob ispol'zovanii nanotekhnologiy i nanomaterialov v stroitel'stve [Using Nanotechnologies and Nano-scale Materials in Civil Engineering]. Nanotekhnologii v stroitel'stve: nauch-nyy Internet-zhurnal [Nanotechnologies in Civil Engineering: Scientific Internet Journal]. 2009, no. 1, 2. Available at: http//www.nanobuild.ru. Date of access: 15.08.12.
8. Falikman V.R., Sobolev K.G. «Prostor za predelom», ili kak nanotekhnologii mogut izmenit' mir betona. Chast' 1 ["The Space beyond the Limits", or How Nanotechnologies Can Change the World of Concrete. Part 1]. Nanotekhnologii v stroitel'stve: nauchnyy Internet-zhurnal [Nanotechnologies in Civil Engineering: Scientific Internet Journal]. 2010, no. 6, pp. 17—31. Available at: http // www.nanobuild.ru. Date of access: 10.02.11.
9. Falikman V.R., Sobolev K.G. «Prostor za predelom», ili kak nanotekhnologii mogut izmenit' mir betona. Chast' 2 ["The Space beyond the Limits", or How Nanotechnologies Can Change the World of Concrete. Part 2.]. Nanotekhnologii v stroitel'stve: nauchnyy Internet-zhurnal [Nanotechnologies in Civil Engineering: Scientific Internet Journal]. 2011, no. 2, pp. 21—31. Available at: http // www.nanobuild.ru. Date of access: 03.03.11.
10. Falikman V.R. Novoe pokolenie superplastifikatorov v sovremennoy tekhnologii betona-polikarboksilaty [New Generation of Super-plasticizers in the Present-day Technology of Concrete: Polycarboxylates]. Voprosy primeneniya nanotekhnologiy v stroitel'stve [Issues of Application of Nanotechnologies in Civil Engineering]. Collected reports. Moscow, MGSU Publ., 2009, pp. 111—119.
11. Falikman V.R., Vayner A.Ya. Fotokataliticheski aktivnye stroitel'nye materialy s nanochas-titsami dioksida titana — novaya kontseptsiya uluchsheniya ekologii megapolisov [Photocatalytically Active Construction Materials That Contain Nanoparticles of Titanium Dioxide as the New Concept of Improvement of the Ecological Environment of Megalopolises]. Voprosy primeneniya nanotekhnologiy v stroitel'stve [Issues of Application of Nanotechnologies in Civil Engineering]. Collected reports. Moscow, MGSU Publ., 2009, pp. 35—49.
About the authors: Bazhenov Yuriy Mikhaylovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Chair, Department of Technology of Binders and Concretes, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe Shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; zavkaf@list.ru; +7 (495) 287-49-14, ext. 31-03;
Falikman Vyacheslav Ruvimovich — Candidate of Chemical Sciences, Professor, Department of Technology of Binders and Concretes, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe Shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; vfalikman@yandex.ru; +7 (495) 287-49-14, ext. 31-01;
Bulgakov Boris Igorevich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Professor, Department of Technology of Binders and Concretes, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe Shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; fakultetst@mail.ru; +7 (495) 287-49-14, ext. 31-01.
For citation: Bazhenov Yu.M., Falikman V.R., Bulgakov B.I. Nanomaterialy i nanotekhnologii v sovremennoy tekhnologii betonov [Nanomaterials and Nanotechnologies in the Present-day Concrete Technology]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 12, pp. 125—133.
