CC BY
41Применение нанотехнологичного материала при проектировании зданий и сооружений
Гусейнов Аслан Муслум оглы
магистрант, ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет», aslan_guseynov@list.ru
Гасанов Хаял Джанполад оглы
магистрант, ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет», gasanov-hayal@yandex.ru
Гутман Илья Геннадиевич
бакалавр, ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет», gutmanilia@gmail.com
Малый Артем Вадимович
магистрант, ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет», malyart96@yandex.ru
Таранков Михаил Сергеевич
магистрант, ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет», t.mischa2015@yandex.ru
В данной статье рассматривается актуальность нанотехно-логии в области проектирования в строительстве, проблематика внедрения нанотехнологий в нашей стране, возможность улучшения конструкции ограждающей стены и покрытия за счет применения нанотехнологичного материала. Был произведен теплотехнический расчет с применением нано-технологичного утеплителя, а также произведено сравнение с традиционно используемыми теплоизоляционными материалами. Результаты исследования привели к выводу, что, применение такого нанотехнологичного материала имеют ряд плюсов, однако производство в настоящее время дорогостоящее. Исходя из высокой стоимости собственно нано-технологичных материалов должен быть выработан эффективный экономический подход к областям техники, где несмотря на эти ограничения, использование этих материалов будет экономически оправдано. Стоимость возведения объектов с применением нанотехнологий незначительно превышают стоимость применяемых в настоящее время технологий строительства. Высокотехнологичные материалы дороже, но окупаются в процессе эксплуатации здания, позволяя существенно снизить эксплуатационные расходы за счет применения износоустойчивых материалов. Решение этих проблем напрямую влияет на скорость внедрения новых нанотехнологий в строительстве.
Ключевые слова: Проектирование, нанотехнологии, строительство, ограждающая конструкция, утеплитель, эксплуатация, теплоизоляция, экология, безопасность строительства.
Нанотехнологии активно врываются в нашу жизнь. Если раньше такие технологии считались чем-то невозможным, то сегодня они активно применяются в различных сферах деятельности, а строительная отрасль тому не исключение [1].
Почему же нанотехнологичные материалы становятся столь популярны в наше время? Все потому, что они имеют лучшие характеристики по сравнению с традиционно используемыми материалами. В итоге, все это для изобретения преимущественно прибыльного, безвредного для людей, а также для окружающей среды и экологически чистого материала. 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.
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.
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.
Нанотехнология — область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами [2].
В техническом комитете ISO/ТК 229 (International Organization for Standardization) под нанотехнологиями подразумевается следующее:
• знание и управление процессами, как правило, в масштабе 1 нм, но не исключающее масштаб менее 100 нм, в одном или более измерениях, когда ввод в действие размерного
х
X
о го А с.
X
го m
о
ю 5
М О
to
О)
о
сч
m
OI
О Ш
m х
<
m о х
X
эффекта (явления) приводит к возможности новых применений;
• использование свойств объектов и материалов в нанометровом масштабе, которые отличаются от свойств свободных атомов или молекул, а также от объемных свойств вещества, состоящего из этих атомов или молекул, для создания более совершенных материалов, приборов, систем, реализующих эти свойства. На-номатериал - это твердый или жидкий материал, полностью или частично состоящий из структурных элементов, размер которых хотя бы по одному измерению находится в нанодиапазоне [3]. Нанодиапазон - это диапазон линейных размеров приблизительно от 1 до 100 нм. Верхнюю границу этого диапазона принято считать приблизительной, так как, в основном, уникальные свойства нанообъектов за ней не проявляются. Нижнее предельное значение в этом определении (приблизительно 1 нм) введено для того, чтобы исключить из рассмотрения в качестве нанообъектов или элементов наноструктур отдельные атомы или небольшие группы атомов. Нанотехнологическое производство - преднамеренный синтез, изготовление или управление свойствами наноматериалов или отдельные этапы процесса изготовления в нанодиапазоне для коммерческих целей.
Важнейшей отраслью в нанотехнике являются наноматериалы. Немалая часть деятелей науки по всему миру вкладываются в их изобретение [1]. На сегодняшний день внимание к новому классу материалов уверенно растет в области как фундаментальной, так и прикладной науки. Это обусловлено такими причинами:
- особые характеристики наноматериалов;
- потребность создания и введения новых материалов с количественно и качественно новыми свойствами;
- формирование технологических методов, опирающиеся на принципах самоорганизации и самосборки;
- практическое внедрение современных приборов исследования и контроля наноматериалов;
- введение и прогресс новых технологий.
В ближайшем будущем объем разработок в сфере нанотехнологий в мире должен превысить 1 трлн долларов, что создаст более 2 млн новых рабочих мест [2].
Отличительной чертой нынешнего этапа зарубежной науки о нанотехнологии являются тщательная характеристика полученных веществ по составу и структуре, высокий технологический уровень исследований, защита поверхности наночастиц от примесей, обеспечение высокой селективности по размеру наночастиц.
Известно, что организация учебных дисциплин и планов является ведущей предпосылкой внедрения нанотехнологий, которые в дальнейшем смогут подготовить новое поколение инженеров, профессионалов и рабочих, способных выполнять работу в новой сфере техники и науки [2]. За предыдущие 15 лет продвигающаяся нанотехнология исследует проектирование новейших материалов из молекул и атомов [3].
На сегодняшний день существует такой на-нотехнологичный теплоизоляционный материал как аэрогель. Он представляет собой гель, где жидкая фаза заменена газообразной. Способ получения аэрогеля основан на удалении жидкости из геля при температуре и давлении выше критических.
Достоинства аэрогеля состоят в его энергосберегающих свойствах и абсолютной безвредности для человека и окружающей среды. Благодаря тому, что материал является пористым, существенно снижается шум окружающей среды. Основные характеристики аэрогеля приведены в таблице 1, сравнение значений теплопроводности минеральной ваты, пенополисте-рола и аэрогеля - в таблице 2 [7].
Таблица 1
Характеристика Примечание
Прозрачен (хорошая светопроницаемость), стоек к радиации Прозрачен, поскольку размер неодно-родностей в аэрогеле много меньше длины волны видимого света [8]; Имеет голубоватый оттенок (данное явление, как и цвет неба, объясняется рэлеевским рассеянием света [10]); Хорошо поглощает инфракрасное излучение [8, 9]
Гидрофобен Способен отталкивать воду и поэтому конденсат на стеклах никогда не образуется [9]
Сверхлегкий материал с хорошей звукоизолирующей способностью Аэрогель на 99,8 % состоит из воздуха [10]; Самая малая плотность у твердых тел — 1,9 кг/м3 [11]
Относительно высокая прочность Аэрогель выдерживает нагрузку в две тысячи раз больше, чем его собственный вес [8]
Не горюч, низкая теплопроводность Значение теплопроводности достигает 0,016 Вт/м*°С [10].
Не содержит опасных веществ и вдыхаемых волокон За незначительность ущерба окружающей среде, наносимого их производством, аэрогели уже успели получить от McDonough Braungart Design Chemistry серебряный сертификат «Cradle-to-Cradle»
Произведя теплотехнический расчет ограждающей конструкции здания, выясняется, что, используя нанотехнологичный материал мы получаем сокращение толщины рассчитываемой конструкции, что приводит к снижению нагрузки на несущие конструкции. Но, стоит заметить, что цена на нанотехнологичный утеплитель выше цен традиционно используемых материалов. Однако, аэрогель имеет срок службы 75 лет, тогда как минеральная вата - 25 лет. Тем самым, произведя несложные подсчеты, можно
сказать, что в долгосрочной перспективе применение нанотехнологичного утеплителя будет выгоднее, чем применение традиционно используемого при проектировании утеплителя. [45]
Таблица 2
Теплопроводность различных теплоизоляционных мате-
Материал Теплопроводность (Вт/м* °С)
Минеральная вата 0,07-0,08
Пенополистирол 0,038-0,041
Кварцевый аэрогель 0,015
В нашей стране пока мало результатов в области нанотехнологий, вопреки высокой актуальности этой темы за рубежом. Чтобы справиться с отставанием в сфере нано, следует предельно быстро принять нововведения. Хоть и в наше время существуют нанотехнологичные материалы, которые применяются при проектировании зданий и сооружений, но их доля не велика по сравнению с общим объемом капитального строительства, так как эти материалы дороже традиционно используемых материалов при проектировании. Произведя теплотехнический расчет ограждающей конструкции стены и покрытия здания, я выяснил, что, используя на-нотехнологичный материал, мы получаем значительное сокращение толщины рассчитываемой конструкции, что приводит к снижению нагрузки на несущие конструкции. [6-7]
Однако на сегодняшний день цена на нано-технологичный утеплитель является значительно выше цены традиционно используемой при проектировании утеплителя. Удорожание же проекта единовременно в сумме составило 16,3% при использовании аэрогеля, а при использовании пеностекла - на 4,9%. Возможно и существенная разница, однако стоит заметить, что, применяя нанотехнологичный материал в качестве утеплителя мы получаем:
- экологически чистый материал;
- абсолютно гидрофобный материал, при этом являясь паропроницаемым и дышащим материалом. Это позволяет поддерживать конструкции в сухом состоянии и избегать появления плесени, в отличии от своего собрата, мин.ваты, который утрачивает свои характеристики во влажной среде;
- материал, который относится к группе горючести Г1 (слабогорючие). По европейской классификации его класс горючести A2, si, -d0, что означает - негорючий, не образующий токсичных газов и не поддерживающий распространение пламени;
- малая толщина изоляции и высокая плотность упаковки позволяют значительно снизить расходы на транспортировку и хранение в сравнении с жесткими материалами, имеющими определенную форму;
- долговечный материал, сохраняющий свои свойства на протяжении многих лет. А, следовательно, применение при проектировании нано-технологичного материала в долгосрочной перспективе выходит выгоднее.[8-9]
Исходя из высокой стоимости собственно на-нотехнологичных материалов должен быть выработан эффективный экономический подход к областям техники, где несмотря на эти ограничения, использование этих материалов будет экономически оправдано.
Как показывает практика, существует целый ряд проблем применения нанотехнологичного материала при проектировании:
• отсутствие опыта применения конструкционных материалов с нанокомпонентами в проектных организациях;
• слабая информированность застройщиков о наличии различных технологий с использованием нанокомпонентов для строительной отрасли;
• недостаточная степень мотивации к применению современных конструкционных материалов со стороны государственных заказчиков;
• низкий технологический уровень производств конструкционных материалов, существующих в России;
• низкий уровень технологической дисциплины на стройплощадках.
Стоимость возведения объектов с применением нанотехнологий незначительно превышают стоимость применяемых в настоящее время технологий строительства. Высокотехнологичные материалы дороже, но окупаются в процессе эксплуатации здания, позволяя существенно снизить эксплуатационные расходы за счет применения износоустойчивых материалов. Решение этих проблем напрямую влияет на скорость внедрения новых нанотехнологий в строительстве. [10-11]
Со временем, инновационные материалы, не доступные в массовом строительстве будут использоваться повсеместно. Можно только догадываться, как в будущем будет развиваться архитектура, и какую роль сыграют нано-материалы и инновационные технологии. Опыт уникального строительства сегодня станет основой развития массовой архитектуры в будущем.
Литература
1. О.Л. Фиговский. Нанотехнологии для новых материалов // Инженерный вестник Дона, 2012, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive /n3y2012/1048.
2. Societal Implications of Nanoscience and Nanotechnology. Eds.M. C. Roco, W. S.Bainbridge Dordrecht: Kluver Acad. Publ., 2001, p. 34.
3. Гусев А. И. Наноматериалы и нанотехнологии. // Газета "Наука Урала", 2002. №24, С. 822.
х х О го А С.
X
го m
о
ю 5
M О
to
4. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления развития // Под ред. М.К. Роко, Р.С. Уильямса и П. Аливисатоса: Пер. с англ. М.: Мир, 2002, С. 292.
5. Roco M. C. J. Nanoparticle Res., 2001, v. 3, №5-6, 2001, P. 353-360.
6. Олег Фиговский. От нанотехнологий к фем-тотехнологиям, далее везде... // Инженерный вестник Дона, 2011, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2011/408
7. Якубовский Ю. Е., Лобач И. А. Использование аэрогеля в качестве теплоизоляционного материала магистральных трубопроводов // Проблемы функционирования систем транспорта. Материалы международной научнопрактиче-ской конференции, 2010, С. 379-380.
8. Иванов Н.Н., Иванов А.Н. Теплоизоляционный аэрогель и пьезоактивная пленка PVDF -современные перспективные материалы для космической техники и космического приборостроения // Вестник «НПО им. С.А. Лавочкина», 2011, № 2, С. 46-52.
9. Комарова Н.Д., Есипова А.А., Комарова К.С. Нанотехнологии в строительной отрасли // Университетская наука. 2016. № 1. С. 29-31.
10. В.В., Ботаговский М.В. Инновационные ограждающие конструкции и материалы для реализации ресурсоэнергоэффективного строительства // Биосферная совместимость: человек, регион, технологии. 2015, № 4 (12), С. 3544.
11. Рыбакова О.А., Лысенко А.В., Алмаметов В.Б. Прочная невесомость или аэрогель // Труды международного симпозиума «Надежность и Качество». 2008. Том 2. С. 103-104.
o>
^
о
СЧ
to
Ol
Z
Ä
S
s
s
1—
о
ш
m
X
s
s
s
s
<
m
О
X
X
s
172
The use of nanotechnology material in the design of buildings and structures
Guseynov A.M., Gasanov Kh.Dzh., Gutman I.G., Malyy A.V., Tarankov M.S.
National Research Moscow State University of Civil Engineering This article examines the relevance of nanotechnology in the field of design in construction, the problem of introducing nanotechnology in our country, the possibility of improving the design of the enclosing wall and coating through the use of nanotechnological material. Thermal analysis was carried out using nanotechnological insulation, as well as a comparison with the traditionally used insulation materials. The results of the study led to the conclusion that the use of such a nanotechnological material has a number of advantages, but the production is currently expensive. Based on the high cost of nanotechnology materials proper, an effective economic approach should be developed to areas of technology where, despite these limitations, the use of these materials will be economically justified. The cost of building objects with the use of nanotechnology slightly exceeds the cost of the currently used construction technologies. High-tech materials are more expensive, but they pay off in the process of building operation, allowing to significantly reduce operating costs due to the use of durable materials. The solution of these problems directly affects the rate of introduction of new nanotechnologies in construction. Keywords: Engineering, nanotechnology, construction, cladding, insulation, maintenance, insulation, environment, safety construction.
Reference
1. O.L. Figovskiy. Inzenernyj vestnik Dona (Rus). 2012. №3.
URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive /n3y2012/1048.
2. Societal Implications of Nanoscience and Nanotechnology.
Eds.M. C. Roco, W. S.Bainbridge Dordrecht: Kluver Acad. Publ., 2001, p. 34.
3. Gusev A. Gazeta "Nauka Urala". 2002. №24, p. 822.
4. Nanotekhnologiya v blizhayshem desyatiletii. Prognoz naprav-
leniya razvitiya. [Nanotechnology in the next decade. Development direction forecast.] Pod red. M.K. Roko. R.S. Uiliamsa i P. Alivisatosa: Per. s angl. M.: Mir. 2002. p. 292.
5. Roco M. C. J. Nanoparticle Res., 2001, v. 3, №5-6, 2001, P.
353-360.
6. Oleg Figovskiy. Inzenernyj vestnik Dona (Rus). 2011. №2.
URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2011/408
7. Yakubovskiy Yu. E. Lobach I. A. Materialy mezhdunarodnoy
nauchnoprakticheskoy konferentsii. 2010. pp. 379-380.
8. Ivanov N.N., Ivanov A.N. Vestnik «NPO im. S.A. Lavochkina».
2011. № 2. pp. 46-52.
9. Komarova N.D.. Esipova A.A.. Komarova K.S. Universitet-skaya nauka. 2016. № 1. pp. 29-31.
10. Plotnikov V.V., Botagovskiy M.V. Biosfernaya sovmestimost: chelovek. region. tekhnologii. 2015. № 4 (12). pp. 35-44.
11. Rybakova O.A., Lysenko A.V., Almametov V.B. Trudy mezhdunarodnogo simpoziuma «Nadezhnost i Kachestvo», 2008, Tom 2, pp. 103-104.
