|
Текст
Бетон - один из древнейших строительных материалов - является наиболее применяемым строительным материалом современности. Исследования и разработки ученых, в том числе в области нанотехнологии, дают основания полагать, что бетон не уступит своих лидирующих позиций и в ближайшем будущем.
Министерство образования и науки РФ выделило пять перспективных направлений развития отечественной науки, среди которых не последнее место заняли нанотехнологии.
Нанотехнологии - это исследования в области частиц и систем, имеющих размеры от 1 до 100 nm (нмк). Современные проводниковые и компьютерные технологии оперируют частицами в микромасштабе (10-6), т.е. в наиболее продвинутой части науки совершается переход от микромира в наномир (1 nm = 10-9 m). Для сравнения можно сказать, например, что частицы микрокремнезема (silica fume) находятся в пределах от 100 до 1000 nm, кристаллы Са(ОН)2 - порядка 10-4nm, человеческий волос - от 10-4nm до 10-3nm и т.д.
Совершенно естественно поэтому, что строительство новых лабораторных центров с уникальным оборудованием (где можно производить измерения геометрических размеров с точностью до 1 nm и изготавливать изделия толщиной до нескольких молекул и нескольких nm2 по площади) привлекает наиболее "продвинутых" заказчиков, проектировщиков и подрядчиков. Так, например, в США Национальный институт стандартов и технологий (NIST) завершил недавно строительство корпуса нанотехнологий с лабораторией измерений стоимостью $175 млн., который, по мнению проектировщиков, является зданием с наиболее контролируемой в мире внутренней средой. Колебания температуры внутреннего воздуха не превышают ±0,01 oС, уровень вибраций не выходит за пределы 2500 nm /с, электропроводка в здании имеет особую изоляцию, предотвращающую воздействие .электрических токов на проводимые эксперименты с точностью до 1 nА и 1 nV, т.е. отсутствует электромагнитное загрязнение среды. Такие помещения получили название "clean rooms" (чистых помещений), и они становятся обязательной принадлежностью лабораторий, работающих на наноуровне.
На сегодня бетон является тем материалом, которому отдают предпочтение при сооружении чистых помещений. Изучение замечательных демпфирующих свойств бетона началось еще в 30-х годах прошлого века, но разработке способов их улучшения параллельно с модификацией его прочности и модуля упругости достаточного внимания не уделялось.
В настоящее время в Калифорнийском университете Беркли такие исследования ведутся, и в руках специалистов уже имеются определенные способы изменения демпфирующих свойств бетона за счет введения в него специальных добавок (стирол-бутадиеновых латексов и растительных масел), изменения В/Ц, микроструктуры, некоторых видов заполнителей и арматуры.
Но если в совсем еще недавнем прошлом бетон рассматривался только в качестве наиболее подходящего материала для фундаментов и опорных конструкций лабораторных нанотехнологических зданий, то сегодня бетон и сам стал объектом для применения достижений нанотехнологии с целью усовершенствования его свойств и характеристик.
На состоявшемся в Германии очередном 49-м национальном Конгрессе по бетону и железобетону были рассмотрены многие актуальные аспекты современного строительства из бетона, в том числе и вопросы применения достижений нанотехнологий (содержание докладов опубликовано в журнале BFT, № 2, 2005). На специальной сессии конгресса "Бетон будущего - от нанотехнологий к бетонам ультравысоких технологий (ultra high performance concrete UHPC)" были рассмотрены те достижения немецкой технологии, которые в той или иной мере используют результаты исследований в этой области.
В докладе профессора М. Шмидта "Бетон на пути к материалам хай-тек" выражается уверенность в том, что применение бетона станет вскоре более эффективным, чем применение стали. В немецких нормах DIN 1045 (1998 г.) прочность бетона на сжатие нормировалась до В55, т.е. до величины 55 N/mm2, а в DIN EN 206 (2003 г.) нормируемая прочность возросла до величины 100 N/mm2
т.е. почти удвоилась.
В современных конструкциях UHPC прочность бетона на сжатие в 200 N/mm2 и выше достигается достаточно легко и надежно, однако прочность на растяжение не превышает величину порядка 15 N/mm2, а прочность на растяжение при изгибе - 50 N/mm2 при насыщении бетона до 2-3% стальными или высокопрочными синтетическими фибрами. Преднапряженная арматура в конструкциях из UHPC создает столь высокое обжатие, что позволяет полностью исключить появление трещин при эксплуатационных нагрузках. Конструкции из UHPC имеют значительно меньшую площадь поперечного сечения, больший пролет и существенно большую долговечность. Последнее достоинство обеспечивается высокой плотностью бетона, что препятствует распространению коррозии, как самого бетона, так и стальной арматуры при действии различных агрессивных факторов, в том числе циклов замораживания - оттаивания.
В лабораторных условиях получены UHPC прочностью на сжатие до 500 N/mm2, т.е. прочнее обычной стали. Но с использованием достижений нанотехнологии, уже применяемых в других отраслях науки и промышленности, в структуру бетона могут быть введены наночастицы для увеличения плотности, а вяжущее усовершенствовано на квазиатомном уровне, что придаст бетону новые, совершенно уникальные свойства. Немецкий фонд поддержки научных исследований выделил на такого рода исследования 9 млн. евро.
Применению нанотехнологий для усовершенствования вяжущих и получения так называемых бездефектных бетонов посвящена работа доктора Б. Миддендорфа. Использование атомно-силовой микроскопии в комбинации с жидкостными ячейками позволяет исследовать на наноуровне процессы взаимодействия и механизмы реакции гидратации цемента, химических добавок, заполнителей и пуццолановой реакции микронаполнителей. Выявленный в работе рост микроструктуры образца гранулы клинкера при его обработке деминерализированной водой намечает возможные пути к оптимизации UHPC, особенно в отношении их прочности и долговечности.
Профессор Р. Треттин представил результаты опытов по применению фибр в виде углеродных нанотрубок с целью упрочнения цементной матрицы. Нанотрубки были изобретены в Японии в 1991 г., их прочность на разрыв, по некоторым данным, почти в 100 раз превосходит прочность стали. Появление нанотрубок с такой прочностью, кстати, стимулировало создание международного проекта "Космический лифт", который находится ныне в стадии разработки под эгидой NASA. Но эти трубки чрезвычайно устойчивы и к проявлениям коррозии и поэтому представляют значительный интерес для целей усовершенствования бетона. Проведенные опыты показали, что введение даже сравнительно небольшого количества нанотрубок в качестве нанофибр улучшает механические характеристики композита. Работы будут продолжены в направлении улучшения сцепления нанофибр с матрицей.
В докладе доктора Ф. Дена рассмотрены вопросы технологии изготовления UHPC. Применение обычной техники приготовления бетонов, в т.ч. для дозировки компонентов смеси UHPC, не приемлемо: она должна быть существенно модернизирована. Высокая точность измерений, порядок смешивания компонентов и продолжительность процессов смешивания должны непрерывно контролироваться и в необходимых случаях корректироваться. Транспортирование бетонной смеси должно производиться с учетом ее фактических реологических свойств. Перерывы в подаче смеси должны быть исключены, т.к. это может негативно сказаться на характеристиках строительных конструкций. Особого внимания требуют и вопросы твердения бетона и набора им прочности. Следует принять все необходимые меры по исключению потерь влаги и соответствующего трещинообразования при усадке материала на этом технологическом переделе. Совершенно естественно, что контроль качества на всех этапах должен быть непрерывным, документируемым и является составной частью сертифицированной системы обеспечения качества.
Профессор Е. Фелинг в своем докладе предсказал конструкциям из UHPC более широкое, чем стальным конструкциям, применение при строительстве высотных зданий и перекрытий большого пролета. Это будет следствием как их более высокой долговечности, так и их более высокой "относительной прочности", которую он определил как отношение прочности на сжатие к плотности самого материала. Опыт практического применения конструкций из UHPC представил профессор Дж. Валравен. В Нидерландах были изготовлены и успешно применены преднапряженные шпунтовые сваи для ограждения берегов канала. Стоимость 1 м3 UHPC значительно (до 4 раз) превышала стоимость 1 м3 обычного бетона В65, однако на изготовление свай ушло только 35% объема обычного бетона в связи с существенным уменьшением их поперечного сечения. В сочетании с другими преимуществами UHPC стоимость всей конструкции шпунтового ограждения не вышла за рамки стоимости свайного ограждения из обычного бетона. Другой успешный пример включал в себя применение плиты из UHPC для пролетной части реконструируемого моста. По мнению автора, сравнительную оценку эффективности UHPC и обычного бетона следует проводить из учета стоимости 1 м3 конструкции, а не 1 м3 бетона. Это же самое доказывает и опыт Японии по сооружению преднапряженного пешеходного моста из UHPC пролетом 60 м, вес которого составил 20% от веса моста из обычного бетона, а общая стоимость моста оказалась даже на 5% ниже.
|
Статьи и публикации 
9/2005
17.05.2005
В.П. Трамбовецкий, к.т.н., НИИЖБ
