XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

ВВЕДЕНИЕ

Нанотехнологии активно проникают в нашу жизнь. Если десять лет назад подобные разработки считались чем-то фантастическим, то теперь они широко используются в самых различных отраслях. Передовым направлением в наше время является использование нанотехнологий в строительной сфере.

Несмотря на то, что развитие технологий в строительной сфере направлено в первую очередь на повышение функциональных характеристик здания, а не на внедрение новых строительных материалов, нанотехнологии нашли своё применение в данной отрасли.

Наноматериалы — материалы, созданные с использованием наночастиц и посредством нанотехнологий, обладающие какими-либо уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале. К наноматериалам относят объекты, один из характерных размеров которых лежит в интервале от 1 до 100 нм. При этом доля добавок и модификаторов достаточно мала.

Основные перспективы применения наноматериалов в строительстве:

-разработка конструктивных элементов, реагирующих на повреждения или деформацию;

-применение солнечных батарей в качестве ограждающих конструкций;

-создание функциональных покрытий;

-увеличение показателей прочности и надёжности зданий.

Использование нанотехнологий в строительстве позволяет добавлять к традиционным строительным материалам определенные свойства, достижение которых еще недавно считалось небывалым.

Основные виды строительных наноматериалов:

Наиболее широко используемыми материалами, созданными на основе нанотехнологий, являются: нанобетон; наносталь; нанопокрытия.

1 НАНОБЕТОН

Одним из актуальных разработок последнего времени является создание долговечного и высокопрочного бетона. Для создания высокопрочного бетона применяются ультрадисперсные, наноразмерные частицы, такие как нанотрубки, входящие в состав специального цемента. При этом наномодифицирующие добавки составляют не более 2-3% от общей массы бетона. Благодаря этому бетон может быть более пластичным и успешнее противостоять изгибам и трещинам. Его срок службы может оставлять до 500 лет. Это сделает его использование в строительстве еще более популярным. Данные свойства наноматериалов позволяют использовать высокопрочный бетон для строительства небоскребов, большепролетных мостов, защитных оболочек атомных реакторов. Дороги, при возведении которых будут использоваться бетоны будущего или цемент с удивительными характеристиками, будут способствовать строительству зданий непривычных очертаний округлой формы или напротив, сооружений неправильной формы.

Один из примеров архитектуры - церковь Dives in Misericordia («Щедрый в милосердии»), представлена на рисунке 1. Это белое сооружение из сборного железобетона и стекла состоит из трех изогнутых конструкций, напоминающих раковины или лепестки цветка. Церковь возведена в 2003 г. Проект церкви требовал особых технологий: ее стены должны быть белоснежными и как можно дольше сохранять свою чистоту. Для решения этих задач специалисты компании выбрали цемент, в который входят наночастицы диоксида титана (TiO₂).

Благодаря фотокатализу поверхность из такого цемента может сама собой очищаться. Происходит это так: когда солнечные лучи касаются стен здания, диоксид титана, входящий в их состав, действует как катализатор и ускоряет химическую реакцию. Загрязнения самой различной природы – бактерии, споры бактерий, плесень, которыми покрыты стены любого здания, – просто разлагаются на воду, кислород и соли в присутствии катализатора.

Рис 1. Церковь Dives in Misericordia вРиме

2 НАНОСТАЛЬ

Наносталь также широко применяется в строительстве ввиду своей особой прочности и стойкости. Исследования ученых в области наномодификаций металлов и их сплавов позволили получить высокопрочную сталь, которая не имеет в настоящее время аналогов по параметрам прочности и вязкости. Применение таких наноматериалов самым идеальным образом подходит для строительства различных гидротехнических и дорожных объектов. При этом нанотехнологии в строительстве позволяют создать на стальных конструкциях полимерные и композитные нанопокрытия: они в десятки раз повышают стойкость стали от коррозии и в несколько раз увеличивают срок службы металла, даже если ожидается работа в агрессивных средах.

Рис. 2 Фрагмент наностали под микроскопом

3 НАНОПОКРЫТИЯ

Нанопокрытия стали очень популярны для защиты зданий от внешних воздействий. 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. Наиболее типичным примером таких композитов являются углепластики - это композиты с углеволокнами и с полимерной матрицей.

Самым главным открытием в сфере нанопокрытий стала «имитация эффекта лепестков лотоса», которые в свою очередь неуязвимы для воды. После данного достижения в Китае построили здание Большого национального театра в Пекине в виде яйцеобразного купола, который создан из стекла и титана, а также обработан нанопокрытием (рис.3). Оно устойчиво к загрязнениям и абсолютно гидрофобно.

Рис. 3 Большой национальный театр в Пекине

Также одним из актуальных направлений применения наноматериалов является энергосбережение. К примеру, полупрозрачные нанопокрытия имеют свойство накапливать солнечную энергию. Пленки, нанесенные на окна и стены здания, работают как солнечные батареи, снижая расходы на электроэнергию. Эти пленки придают фасадам помимо стильного вида энергоэффективность. 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.

Большим спросом среди нанопокрытий пользуются самоочищающиеся покрытия и краски для стен, которые очень устойчивы к агрессивным климатическим перепадам.

Настоящим открытием в строительной индустрии стали свойства наноматериалов – инновационной пленки, предназначенной для защиты цветных пластиковых окон от инфракрасного излучения (рис.4). Инновационные пленки имеют особые пигменты, позволяющие отражать до 80% инфракрасных лучей и не позволяющие конструкциям перегреваться. В результате данная пленка защищает как окна, так и само помещение от перегрева, продлевая этим срок службы конструкции и снижая затраты на кондиционирование. При этом цветная инновационная пленка, которая наносится при ламинации на профиль, способна придавать раме визуальный 3D-эффект. Это происходит благодаря использованию особого компонента пленки – бриллиантовых красок. В ходе ламинации инновационная нанопленка способна полностью покрыть сложные по геометрии ПВХ-профили и в точности повторить их формы. В шанхайском музее Науки - нанопленкой, по несколько иной технологии, строители обработали стены, беспечив «эффект термоса». Что многократно улучшило экологию местности.

Рис. 4 Нанопленка

Еще одним из актуальных направлений считается создание нанопленки для дороги или геотекстиль (рис.5). Речь идет об особой эмульсионно-минеральной смеси, в состав которой входит мелкая фракция щебня, битумная эмульсия и минеральные наполнители. Полученная холодная смесь наносится на поверхность асфальта, при этом образуется довольно прочный верхний слой износа. Поскольку смесь застывает очень быстро, движение на ремонтируемом или вновь созданном участке дороги может открываться буквально через несколько часов после произведенной операции. К достоинству покрытия относится то, что ее можно использовать даже на влажной поверхности.

Однако смесь имеет несколько существенных для нашей страны недостатков. Во-первых, ее нельзя применять, если температура воздуха опустилась ниже 15°С. При несоблюдении технологии качество покрытия значительно снижается. Во-вторых, с помощью смеси нельзя ремонтировать дороги, которые имеют значительные поверхностные разрушения.

Рис. 5 Геотекстиль

Недавно создано антибактериальное стекло, которое способно убивать попадающие на него микробы и грибки. Происходит это за счет внедрения в поверхностные слои стекла ионов серебра, которые, контактируя с микроорганизмами, разрушают их обмен веществ, и они погибают. Исследования показали, что такое стекло убивает 99,9% попадающих на его поверхность бактерий, устойчивых к действию антибиотиков, причем с течением времени антибактериальные свойства стекла не теряются. Данный наноматериал актуален для использования в больницах, ванных комнатах и домах, которые расположены вблизи заводов или оживленной дороги.

Помимо этого если нанести на поверхность флоат-стекла (стекло, полученное наливом расплавленной стекломассы на слой легкоплавкого металла) при его изготовлении методом пиролиза тонкий слои из оксидов металла SnO2, то коэффициент теплопередачи его снижается на 70-80 %, а теплопроводность стеклопакета с его использованием – в 2-2,5 раза. Если же на поверхность еще не остывшего флоат-стекла напылить специальный состав с наночастицами ТiO₂, который после остывания стекла образует с ним единое целое, то такое покрытие обеспечивает нейтрализацию органических соединений на поверхности стекла и полную его гидрофилизацию, то есть вода вместе с грязью стекает со стекла (рис.6). Такие стекла применяют в Европе, хотя их стоимость очень велика.

Рис. 6 Сравнение обычного стекла и стекла с диоксидом титана

Одним из успешных проектов, реализованных в России, является создание нанокомпозитных труб. Они предназначены для систем водоснабжения, отопления и газоснабжения. Нанокомпозитные трубы не только в несколько десятков раз превосходят свои аналоги по эксплуатационным свойствам, но и отличаются невысокой стоимостью.

Перспективной альтернативой привычному стальному аналогу, специалисты считают строительную, стеклопластиковую композитную арматуру (рис. 7).

Рис. 7 Стеклопластиковая композитная арматура

Такой наноматериал имеет целый ряд уникальных свойств. Так, данная арматура обладает малым удельным весом, что значительно снизит вес конструкций. Этот вес в 4-5 раза меньше, чем у стали. Также обладает химической стойкостью, высокой прочностью и гибкостью. При этом композитная арматура относится к диэлектрикам, имеет низкую теплопроводность и не подвержена коррозии. Такая арматура может применяться во многих сферах строительства (рис. 8).

Рис. 8 Сферы применения стеклопластиковой арматуры

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты разработок в области нанотехнологий - новые виды сталей, бетонов, инновационные покрытия для светопрозрачных конструкций и самоочищающиеся покрытия - успешно применяются в современной строительной отрасли.

Огромную роль играет применение наноматериалов в строительстве не только из-за улучшения свойств, но и с точки зрения экологии и энергосбережения. В развитых странах большое количество энергии потребляется промышленными зданиями и жилыми домами, а наноматериалы в свою очередь способны повысить их энергоэффективность. Наноматериалы упрощают жизнь и могут применяться для улучшения термических свойств, повышения эффективности передачи энергии, освещенности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Коновалов, Е. С. Преимущества применения наноматериалов в строительстве / Е. С. Коновалов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 25 (367). — С. 118-120. — URL: https://moluch.ru/archive/367/82601/ (дата обращения: 01.04.2022).

Плюсы и минусы композитной стеклопластиковой арматуры [Электронный ресурс]// Информационный ресурс met-all - Режим доступа: http://met-all.org/metalloprokat/sortovoj/stekloplastikovaya-armatura-nedostatki-preimushhestva.html/, свободный - Загл. с экрана.

Нанотехнологии в строительстве [Электронный ресурс]// Информационный ресурс a-h - Режим доступа: http://a-h.by/s153/archives/Nanotehnologii_v_stroitelstve_-_chto_den_ grJaduwij_nam_gotovit.html/, свободный - Загл. с экрана.

Использование нанотехнологий в строительстве. Их виды, перспективы и безопасность применения [Электронный ресурс]// Информационный ресурс scienceforum – Режим доступа: https://scienceforum.ru/2016/article/2016024354/, свободный - Загл. с экрана.

Нанотехнологии в строительстве [Электронный ресурс]// Информационный ресурс eremont - Режим доступа: https://www.eremont.ru/enc/build/other1/nanotekhnologii_v_stroitelstve.html/, свободный - Загл. с экрана.

Нанотехнологии в строительстве [Электронный ресурс]// Информационный ресурс otherreferats - Режим доступа: https://otherreferats.allbest.ru/manufacture/00566590_0.html/, свободный - Загл. с экрана.

Строительные наноматериалы [Электронный ресурс]// Информационный ресурс nizstroy - Режим доступа: https://www.nizstroy.ru/articles/nano_tehnologii/nano_stroymateriali.html/, свободный - Загл. с экрана.

Описание наноматериалов: структура, свойства, технологии [Электронный ресурс]// Информационный ресурс nauka - Режим доступа: https://nauka.club/materialovedenie/opisanie-nanomaterialov-struktura-svoystva-tekhnologii.html/, свободный - Загл. с экрана.

Нанотехнологии в строительстве [Электронный ресурс]// Информационный ресурс stroy - Режим доступа: https://www.stroy.ru/cottage/build-other/publications_1291.html/, свободный - Загл. с экрана.

Нанотехнологии и наноматериалы [Электронный ресурс]// Информационный ресурс polnaja-jenciklopedija - Режим доступа: https://www.polnaja-jenciklopedija.ru/nauka-i-tehnika/nanotehnologii-i-nanomaterialy.html/, свободный - Загл. с экрана.

Код для цитирования: Скопировать