CC BY
29УДК 691:620.18
Л.В. МАКАРОВА, Р.В. ТАРАСОВ, О.В. КОРОЛЕВА, Ю.В. ГРАЧЕВА, кандидаты техн. наук, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Выбор перспективных методов оптимизации свойств строительных материалов на основе критериального анализа*
В настоящее время возможности ученых-материаловедов по использованию нанотехнологий при разработке строительных материалов нового поколения и модифицированию традиционных композитов весьма ограничены. Кроме того, строительная отрасль со всей инфраструктурой может обеспечить производство строительных материалов только по «объемной» технологии.
Известно [1], что при создании материалов с разнообразными свойствами наноразмерные особенности структуры не всегда являются определяющим фактором. В большинстве материалов, особенно объемных, различные уровни структуры от нанометровых до миллиметровых тесно взаимосвязаны. В некоторых случаях определяющими являются фрагменты не нано-, а микрометровых размеров, и поэтому в общем следует стремиться к созданию материалов с оптимальным размером фрагментов структуры, определяющим функциональные или конструктивные свойства.
Указанный подход традиционно развивается в строительном материаловедении. Разработаны различные способы управления структурообразованием композиционных материалов на молекулярном уровне, которые возможно рассматривать как наномодифицирование структуры строительных материалов с целью ее оптимизации (табл. 1).
Можно выделить три направления в технологии на-номодифицирования.
1. Изменение структуры воды, которая является равнозначным компонентом строительных материалов гидратного твердения. При этом достигается изменение скорости гидратации, морфологии новообразования и плотности структуры.
2. Изменение кристаллической и надмолекулярных структур. Это направление является общим для всех строительных композиционных материалов как гидрат-ного твердения, так и композитов на полимерных связующих.
3. Модифицирование кристаллической структуры не
является частным случаем второго направления, а нацелено на разработку методов управления процессом перекристаллизации новообразований, т. е. во время или после гидратации вяжущего.
По способу достижения результата приведенные методы могут быть разделены на физический, химический и физико-химический. Такие методы активации воды как добавление водорастворимых солей или органических соединений хорошо известны, и их эффективность постоянно повышается с разработкой новых соединений или с созданием комплексных модификаторов. Механическая, магнитная или электромагнитная активация также ранее применялась, однако сильная зависимость
от случайной совокупности трудно контролируемых факторов не позволяет широко применять указанные физические методы. Методом, который не применялся в строительном материаловедении, является физико-химический способ активации воды, а именно магнитная обработка растворов электролитов или коллоидных растворов наноуглеродных структур с целью увеличения эффективности магнитной активации воды [2—5].
Во втором направлении также можно выделить физический и физико-химический способы управления кристаллическими и надмолекулярными структурами. Широко известным методом является введение химически инертных и активных ультрадисперсных наполнителей, а также органических соединений [6—13]. Активно развиваются в настоящее время способы, основанные на добавлении наноуглеродных и железосодержащих модификаторов [14—22]. Целесообразно отметить работы А.Н. Пономарева [23, 24], Ю.В. Пухаренко [25] и других исследователей, показывающие эффективность введения наноуглеродных наносистем, а также работы В.Н. Вернигоровой [26], В.Я. Соловьевой [27] и др. по применению железосодержащих солей в материалах гидратного твердения (Соловьева В.Я. исследовала железосодержащие золи, а Вернигорова В.Н. — водорастворимые соли железа).
Самостоятельным направлением являются способы, приводящие к синтезу наноструктур в объеме материала. Оно развивается в работах П.Г. Комохова (золь-гель- технология), В.С. Лесовика, В.В. Строковой и др. [28—32].
Однако при прогнозировании поведения наноугле-родных структур и наносистем, синтезированных в материале, с позиций термодинамики наноуглеродные модификаторы являются устойчивыми образованиями, сохраняющими молекулярную структуру продолжительный период при воздействии внешних факторов, а синтезированные наносистемы с высокой вероятностью будут подвержены атомарной или молекулярной перестройке. Поэтому в данном случае синтез наносистем в материале целесообразно проводить в присутствии соединений, адсорбирующихся на наночастицах и предотвращающих их перекристаллизацию.
Перспективным способом управления кристаллической и надмолекулярными структурами является введение железосодержащих или других ферромагнитных наполнителей и обработка материала магнитным полем [33].
Анализ представленных способов технологии нано-модифицирования показывает, что основной трудностью является однородность распределения наномо-дификаторов по объему изделия, особенно при ультрамалых концентрациях. Решить указанную проблему возможно увеличением количества наномодификато-
*Работа выполнялась в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. по госконтракту с Федеральным агентством по образованию РФ № П1456.
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал (""ЭЙ ^ Г Г Iг ! 13
Тб декабрь 2010 *
Таблица 1
Достигаемый результат Способ достижения Показатель, характеризующий эффект Проблемы
Молекулярное изменение структуры воды
Управление скоростью гидратации вяжущего, морфологией новообразований, плотностью структуры и свойствами композитов гидрат-ного твердения Химический: - введение водорастворимых солей; - добавление органических соединений Структурная температура раствора Свойства раствора зависят от свойств фонового растворителя (воды)
Физический: - механическая активация (приложение переменного давления); - магнитная обработка (постоянным или переменным магнитным полем); - электромагнитная активация (насыщение воды ионами металла) Не разработаны (имеются отдельные методики вычисления некоторых показателей) Кинетическая нестабильность свойств воды; статистическая неоднородность свойств композита
Физико-химический: - введение наноуглеродных структур (нанотрубок, астроленов, фуллеренов, в том числе водорастворимых); - магнитная обработка растворов электролитов или коллоидных растворов наноуглеродных структур Не разработаны Трудности при приготовлении коллоидного раствора (несмачивание, плохое диспергирование)
Не известно
Модифицирование кристаллической и надмолекулярной структур
Управление кристаллической и надмолекулярной структурой Физический: - добавление ультрадисперсных химически инертных наполнителей, наноуглеродных и других нано-модификаторов (центры кристаллизации); Размер кристаллов; размер блоков мозаики крис-таллитной структуры; плотность дислокаций; текстура кристаллического тела Однородность распределения ультрадисперсных наполнителей
- введение железосодержащих или других ферромагнитных наполнителей и обработка магнитным полем; Продолжительность воздействия магнитного поля; энергозатраты
- структурообразование в магнитном поле (явление магнитострикции) Не разработано
Физико-химический: - введение полимерных соединений (образование структурной сетки полимеров); Структурно-реологические свойства Однородность распределения полимера и химически активных ультрадисперсных наполнителей
- добавление химически активных наполнителей (образование сольватных слоев, центры кристаллизации, армирующие элементы) Морфология и размер кристаллов, минералогический состав новообразований
Модифицирование кристаллической структуры
Управление процессом перекристаллизации новообразований Физико-химический: - введение полимерных соединений, адсорбирующихся на ультрамалых продуктах кристаллизации и полимеризующихся в поровом растворе Размер блоков мозаики кристаллитной структуры; плотность дислокаций Однородность распределения полимера; долговечность материала
ров. При этом возникают трудности аппаратного обеспечения технологического процесса.
Необходимость увеличения количества наномодифи-каторов позволяет также сделать предположение относительно объектов технологии наномодифицирования. Это должны быть строительные материалы с высоким содержанием вяжущих веществ и тонкоизмельченных заполнителей. Этому требованию соответствуют мелкозернистые и порошковые бетоны.
Для определения рационального направления модифицирования строительных композитов общестроительного и специального назначения целесообразно использовать критериальный подход. Предлагается выделить следующие частные критерии (табл. 2): стабильности свойств; термодинамической стабильности модификатора; формирования термодинамически стабильных структур строительных материалов; техно-
логического обеспечения технологии модифицирования; развития технологий. Для решения неопределенности цели при формулировании обобщенного критерия выбора воспользуемся методом линейной свертки [34]. Тогда обобщенный критерий выбора направления модифицирования примет вид:
к, = 5к ■ к-к -к ■ к
е/ \ с сс ст то р •
Значение частных и обобщенного критериев определяли с применением экспертного метода. Анализ полученных результатов, сведенных в табл. 3, показывает, что для модифицирования структуры и управления свойствами строительных композитов общестроительного и специального назначения перспективно применять:
— добавление ультрадисперсных химически инертных наполнителей, наноуглеродных и других наномо-дификаторов;
Г ^ . научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
^ : : ® декабрь 2010 тГ
Таблица 2
Наименование критерия Обозначение Пояснения
Критерий стабильности свойств кс кс =0,5 - если метод дает существенный статистический разброс данных
кс =1 - если метод дает статистически однородный результат
Критерий термодинамической стабильности модификатора ксс ксс =0,5 - термодинамически нестабильные системы и структуры;
ксс =1 - для термодинамически стабильных систем и структур
Критерий формирования термодинамически стабильных структур строительных материалов кст кст =0,5 - при формировании термодинамически нестабильных структур;
кст =1 - при формировании устойчивых структур
Критерий технологического обеспечения технологии модифицирования кто кто =1 - технология реализуется на традиционном оборудовании;
кто =0,75 - технология реализуется при использовании малого количества дополнительного оборудования;
кто =0,5 - технология имеет существенные сложности при использовании
Критерий развития технологий кр кр =0,5 - технология не имеет развития;
кр =1 - технология имеет потенциал для развития
— структурообразование в магнитном поле;
— введение полимерных соединений для образования структурной сетки полимеров;
— введение полимерных соединений, адсорбирующихся на ультрамалых продуктах кристаллизации и по-лимеризующихся в поровом растворе.
Ключевые слова: наномодифицирование, структурообразование, строительные композиты, критериальный подход.
Список литературы
1. Третьяков Ю.Д. Проблемы развития нанотехноло-гий в России и за рубежом // Вестник РАН. 2007. Т. 77. № 1. С. 3-10.
2. Дугуев С.В., Иванова В.Б. Тонкое и сверхтонкое измельчение твердых материалов — путь к нанотехно-логиям // Строит. материалы. 2007. № 11. С. 29—31.
3. Королев Е.В., Баженов Ю.М., Береговой В.А. Модифицирование строительных материалов наноугле-родными трубками и фуллеренами // Строит. материалы. 2006. № 8. С. 2—4.
4. Ермолаев Ю.М., Родионов Б.Н., Родионов Р.Б., Сте-хинА.А., Чистов Ю.Д. Повышение прочности пенобетона при использовании структурированной воды // Технологии бетонов. 2006. № 2. С. 54—55.
5. Сабирзянов Д.Р., Родионов Б.Н., Игнатов В.И. и др. Применение наноструктурированной воды для повышения прочности нанобетона // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2008. № 6. С. 75—77.
6. Петрунин В.Ф. Тенденции развития научно-технического направления «Ультрадисперсные (нано-) материалы и нанотехнологии» // Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем: Материалы VI Всерос. конф. Томск: М.: МИФИ, 2002. С. 19—23.
7. Фостер Л. Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности. М.: Техносфера, 2008. 352 с.
8. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований / Под ред. М.К. Ро-ко, Р.С. Уильямса, П. Аливисатоса / Пер. с англ. М.: Мир, 2002. 292 с.
9. Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные нанострук-турные металлические материалы: получение, структура и свойства. М.: ИКЦ Академкнига, 2007. 398 с.
10. Рит М. Наноконструирование в науке и технике. Введение в мир нанорасчета. Москва—Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2005. 160 с.
11. Гаврилин О.С. и др. Технологический процесс получения металлических нанопорошков химико-металлургическим методом // Международный форум по нанотехнологиям Rusnanotech: Сб. тезисов докладов научно-технологических секций. 2008. Т. 1. С. 345-347.
12. Ладьянов В.И. и др. Создание новых металлических и композиционных материалов // Международный форум по нанотехнологиям «Rusnanotech»: Сб. тезисов докладов участников Второго международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологий. 2009. С. 379-380.
13. Rittner M.N. Marker Analysis of Nanostructured Materials: New Data. Proc. 4 conf. «Fine, Ulrafine and Nano Particles 2004», Chicago, USA.
14. Свиридов А.А., Габерлинг А.В. Углеродные волокна как наноструктурированные материалы // Международный форум по нанотехнологиям Rusnanotech: Сб. тезисов докладов участников Второго международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологий. 2009. С. 285-286.
15. КабловЕ.Н., ГращенковД.В., ГуняевГ.М. Современные разработки в области нанокомпозитов // Международный форум по нанотехнологиям Rusnanotech: Сб. тезисов докладов участников Второго международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологий. 2009. С. 282-?.
16. Окотруб А.В. и др. Синтез и функционализация углеродных нанотрубок, применение в электрохимии и полевой эмиссии // Международный форум по нанотех-нологиям Rusnanotech: Сб. тезисов докладов научно-технологических секций. 2008. Т.1. С. 101-102.
17. Бузник В.М., Фомин В.М., Алхимов А.П. и др. Метал-лополимерные нанокомпозиты (получение, свойства, применение). Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005. 216 с.
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал (Q'ff ZiWÍ^Jlziribi^
Тв декабрь 2010 MU^SWÍAJJiif
Таблица 3
Наименование метода Значения частных критериев Значение обобщенного критерия
К ксс кст кто К
Молекулярное изменение структуры воды
Химический Введение водорастворимых солей 1 1 1 1 0,5 0,87
Добавление органических соединений 1 1 1 0,75 0,5 0,82
Физический Механическая активация (приложение переменного давления) 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
Магнитная обработка (постоянным или переменным магнитным полем) 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
Электромагнитная активация (насыщение воды ионами металла) 0,5 0,5 1 0,75 0,5 0,62
Физико-химический Введение наноуглеродных структур (нанотрубок, астроленов, фуллеренов, в том числе водорастворимых) 1 1 1 0,5 1 0,87
Магнитная обработка растворов электролитов или коллоидных растворов наноуглеродных структур 1 1 0,5 0,75 1 0,82
Модифицирование кристаллической и надмолекулярной структур
Физический Добавление ультрадисперсных химически инертных наполнителей, наноуглеродных и других наномодификаторов (центры кристаллизации, концентраторы напряжений) 1 1 1 0,75 1 0,94
Физический Структурообразование в магнитном поле (явление магнито-стрикции) 1 1 1 0,75 1 0,94
Физико-химический Введение полимерных соединений (образование структурной сетки полимеров) 1 1 1 0,75 1 0,94
Добавление химически активных наполнителей (образование сольватных слоев, центры кристаллизации, армирующие элементы) 1 1 1 0,75 0,5 0,82
Модифицирование кристаллической структуры
Физико-химический Введение полимерных соединений, адсорбирующихся на ультрамалых продуктах кристаллизации и полимеризующихся в по-ровом растворе 1 1 1 0,75 1 0,94
18. Охлопкова А.А., Виноградов А.В., Пинчук Л.С. Пластики, наполненные ультрадисперсными неорганическими соединениями. Гомель: Изд-во ИММС НАНБ, 1999. 164 с.
19. Елецкий А.Н. Эндоэдральные структуры// Успехи физических наук. 2000. Т. 170. № 2. С. 113-142.
20. Трамбовецкий В.П. Нанотехнологии и строительство // Технологии бетонов. 2008. № 4. С. 62-64.
21. Липанов А.М., Тринеева В.В., Кодолов В.И., Яковлев Г.И. и др. Получение углеродных металлосодер-жащих наноструктур для модификации строительных материалов // Альтернативная энергетика и экология. 2008. № 8. С. 82-85.
22. Смоликов А.А. Бетон, армированный нановолокнами // Бетон и железобетон. 2009. № 4. С. 8-9.
23. Пономарев А.Н. Технико-экономические аспекты и результаты практической модификации конструкционных материалов микродобавками нанодисперс-ных фуллероидных модификаторов // Вопросы материаловедения. 2003. № 3(35). С. 49-57.
24. Пономарев А.Н. Нанобетон: концепция и проблемы // Строит. материалы. 2007. № 6. С. 69-71.
25. Пухаренко Ю.В., Никитин В.А., Летенко Д.Р. Нано-структурирование воды затворения как способ повышения эффективности пластификаторов бетонных смесей // Строит. материалы. 2006. № 9. С. 12-13.
26. Соколова Ю.А., Вернигорова В.Н., Королев Е.В. Влияние модифицирования порошкообразных нанораз-мерных гидросиликатов кальция на распределение
наночастиц в цементном камне // Интеграл. 2009. № 6(50). С.22-23.
27. Комохов П.Г., Сватовская Л.Б., Соловьева В.Я., Сычева А.М. Высокопрочный бетон на основе элементов нанотехнологии по методу золь-гель // Достижения, проблемы и перспективы направления развития теории и практики строительного материаловедения. X Академические чтения РААСН, 2006. С. 8-9.
28. Волошин Е.А., Королев А.С., Хакимова Э.Ш. Цементный бетон с нанодобавками синтетических цеолитов // Технологии бетонов. 2009. № 1. С. 12-14.
29. Чернышов Е.М., Коротких Д.Н. Модифицирование структуры цементного камня микро- и наноразмер-ными частицами кремнезема (вопросы теории и приложений) // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2008. № 5. С. 30-32.
30. Лесовик В.С. Повышение эффективности производства строительных материалов с учетом генезиса горных пород. М.: АСВ, 2006. 526 с.
31. Строкова В.В., Шамшуров А.В. Влияние типомор-физма минерального сырья на синтез строительных материалов. Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2008. 211 с.
32. Баженов Ю.М., Королев Е.В. Нанотехнологии и на-номодифицирование в строительном материаловедении. Зарубежный и отечественный опыт // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2007. № 2. С. 16-19.
33. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа М.: Наука, 1981. 488 с.
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
^ : : ® декабрь 2010 79""
