В. Г. Шухова возможности нанотехнологий в строительном материаловедении icon

В. Г. Шухова возможности нанотехнологий в строительном материаловедении



НазваниеВ. Г. Шухова возможности нанотехнологий в строительном материаловедении
Дата конвертации18.08.2012
Размер72.46 Kb.
ТипДокументы
скачать >>>

Бурдюгов А.В.

Научный руководитель: канд. техн. наук, доц.

Шахова Л.Д.

Белгородский государственный технологический

университет им. В.Г.Шухова


ВОЗМОЖНОСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬНОМ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ


Мы живем в окружении мириадов нанодисперсных частиц. Виды наносистем и наночастицы, которые их представляют указаны в табл.1.[1] Они существуют в космосе, атмосфере, гидросфере, горных породах и магмах, также зафиксированы и техногенные наночастицы. В геологических процессах наночастицы могут образовываться: при распаде твердых растворов в минералах и стеклах; при субмикронном двойниковании некоторых кристаллов; при фазовых переходах из жидкого или газообразного состояния в твердое, при физических и химических процессах выветривания.

Таблица 1

Наночастицы

Наносистемы

Фуллерены

Кристаллы, растворы

Тубулены

Агрегаты, растворы

Молекулы белков

Растворы, кристаллы

Полимерные молекулы

Золи, гели

Нанокристаллы неорганических веществ

Аэрозоли, коллоидные растворы, осадки

Мицеллы

Коллоидные растворы

Наноблоки

Твердые тела

Пленки Ленгмюра—Блоджетт

Тела с пленкой на поверхности

Кластеры в газах

Аэрозоли

Наночастицы в слоях различных веществ

Наноструктурированные пленки


Примерно через 15-20 лет промышленность столкнется с такой си­туацией, когда уже не будет настоящих крупных месторождений со многими полезными компонентами. Но уже сейчас открывается все больше и больше месторождений с нанофазами.

К наноматериалам относят материалы, эксплуатационные свойства которых определяются элементами структуры, имеющие размеры менее 100 нм. При этом число атомов в объеме такого элемента структуры близко к числу атомов, находящихся на его поверхности. Поверхностная энергия также приближается к объемной, а поверхностные атомы оказывают определяющее влияние на свойства элемента структуры. Следствие этого и основная отличительная особенность наноструктуры - явное влияние размера элемента структуры на физико-химические свойства материала. Поэтому наноструктурами можно называть такие структуры, у которых дальнейшее уменьшение их размера начинает явно влиять на их свойства.

В обычных макротелах, с которыми мы все привыкли иметь дело в обыденной жизни, площадь поверхности тела невелика по сравнению с его объемом. Все физические свойства тела определяются физическими свойствами объемного образца, и многочисленные исследования показали, что свойства поверхности твердого существенно отличаются от свойств объемного образца .

Из-за высокой поверхностной энергии элементы наноструктуры являются исключительно химически активными и интенсивно взаимо­действуют с окружающей средой, изменяя и свои, и ее свойства.

При реакциях между наночастицами решающую роль играет непо­средственное химическое взаимодействие между ними, в то время как взаимодействие частиц с размером выше критического контролируется диффузионным массопереносом [2].

Исследования в области применения нанотехнологий в промышленности строительных материалов показали [3], что нанотехнология бетона и его структура в современном понятии должны базироваться на науке о поверхности. Поверхность, будь то поверхность элементов металла или минеральной дисперсии с учетом реальных центров активности следует рассматривать как особое состояние структуры со своей химией. По своим структурным свойствам и реакционной способности поверхности в определенной мере альтернативны объемным кристаллам и их структуре катионов различных агрегатов в растворах, в системе минеральная дисперсия -дисперсионная среда.

Активное обеспечение энергетических ионообменных составляющих свойств бетона, формирование его структурно-механических и деформативных характеристик на ионно-молекулярном уровне с достаточно высокой надежностью возможно лишь при соблюдении трех условий: во - первых, высоко дисперсные минеральные системы с жидкой средой, развитая поверхность субмикропор от коллоидно-химических явлений в структуре матрицы должны быть определяющими; во-вторых, воздействие среды не должно приводить к антиразрушению - деградации начальной структуры; в-третьих, активность параметров твердеющей среды и структуры должны существенно меняться во времени ранней стадии твердения.

Как известно [4], в области размеров частиц от 50 до 100 мкм, начинается изменение основных отличительных признаков коллоида прекращение броуновского движения и резкое снижение величины свободной поверхностной энергии. Этот нижний предел дисперсности коллоидных частиц однородной связно дисперсной системы с жидкой дисперсионной средой устанавливается по соотношению действующих на частицы внешней силы (силы тяжести) и внутренней силы (силы их сцепления при контактном взаимодействии). В этой связи размеры частиц 50 мкм можно отнести к верхней границе размеров нано—частиц в системе: цемент - наполнитель – вода – минеральные и органические добавки.

Современное направление в развитии нанотехнологии композиционных материалов базируется на принципе структурного многообразия наномира системы взаимодействующих частиц, многообразия структурных типов по качественным и количественным параметрам дисперсной фазы и дисперсионной среды. [5].

Энергетическим критерием, позволяющим ранжировать сырье по нанотехнологии матричной основы композита, может быть свободная внутренняя энергия дисперсной системы. Эти характеристики определяются результатом самоорганизации предельно высокодисперсной коллоидной диссипативной системы в жидкой дисперсионной среде (золи), частицы которой независимо одна от другой участвуют в интенсивном броуновском движении и поэтому не оседают под действием сил тяжести. Их размеры обычно не выходят за пределы 10 мкм -100 нм.

Другой энергетический уровень взаимодействия дисперсных частиц в дисперсионной среде представляют гели, которые обладают некоторыми свойствами твердых тел, способностью сохранять форму, прочностью, упругостью, пластичностью. Эти свойства гелей обусловлены между частицами молекулярными силами различной природы и в том числе химией молекул, электронным строением молекулярных орбиталей.

На этом принципе получается эффект механоактивации, который не пропорционален приросту удельной поверхности и связан с необратимыми деформациями, происходящими при разрушении (диспергации) материала [6].

В аспекте современности в технологии бетона очень важно правильно оценивать функциональные требования к заполнителям и наполнителям, которые по своей индивидуальности и структуре являются очень ответственными сложными составляющими бетона. Как правило, для нанотехнологий природа наполнителя и заполнителя должна быть одинаковой. Критерий качества бетона будет определять реакционная способность кремнезема в заполнителе.

Принципиально-важное значение при структурообразовании бетона на границе контакта: цементная матрица — заполнитель принадлежит химии поверхности последнего и их центров активности с определенными показателями кислотности и основности. Принцип альтернативности соответствует также эффективности данного механизма дисперсионного взаимодействия цемента с наполнителем.

Развивая идеи нанотехнологии на уровне современных знаний, задача повышения качества бетона может быть решена, в том числе, и за счет максимального использования энергетических возможностей цемента, резервы которого, как правило, используются не полностью в силу возникающих в твердеющей системе внутренних напряжений, ограничивающих его расход в структуре бетона. Решение этой проблемы может быть достигнуто использованием добавок определенной природы, которые препятствовали бы возникновению внутреннего напряжения в твердеющей системе при повышенном расходе цемента, как экологически чистого и гидратационно активного материала. Такими свойствами могут обладать золи, имеющие коллоидный (наноразмер) частиц (1 -100 нм) и характеризующиеся особыми свойствами поверхности - высокой поверхностной энергией.

Основная идея использования золя как добавки в бетон состоит в использовании структуры золя для создания дополнительного структурного элемента в бетонной смеси [7]. Дополнительный структурный элемент, представляющий собой наночастицу оксида кремния который со временем в результате реакции с Са(ОН)2, переходит в гидросиликат кальция, и способствует сокращению количества пор от размера 1 нм и выше (происходит заполнение пор частицами золя и продуктами его взаимодействия), В этой связи можно считать, что вводимые новые структурные элементы будут нивелировать отрицательные явления, связанные с повышенными расходами цемента в составе матрицы бетонного композита.

Исключительно важным для будущего человечества является то, что переход к наноматериалам позволит снять многие экологические проблемы. Для получения требуемых свойств, потребуется на несколько порядков меньше материала и соответственно затрат труда и энергии [2].

Таким образом, современные высокие нанотехнологии в сочетании с комплексными добавками и структурной неоднородностью наночастиц способны обеспечить получение высокопрочных надежных защитных цветных декоративно-отделочных штукатурок, покрытий, высокого проникающего действия цементных бетонов без больших экономических и экологических затрат.


Список литературы

  1. Мелихов И.В. Тенденции развития нанохимии – Рос. хим. ж. (Ж. Рос. Хим об-ва им Менделеева Д.И.), - 2002, т.XLVI, №5

  2. Степанова М.Н. Способы получения нанодисперсных частиц для использования в технологии стекла и СКМ. Сб. студ. Докл. Международной научно-практической конференции. Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г.Шухова, - 2005. -Ч.1. -263 с.

  3. Комохов П.Г. Нанотехнология, структура и свойства бетона. Материалы третьей Международной научно-практической конференции. – Ростов н/Д: Рост гос. строй. ун-т. – 2004. – 793 с.

  4. Фукс Г.И. Основные направления развития современной коллоидной химии. Успех коллоидной химии. - Ташкент: «ФАН», - 1987. с. 10-27

  5. Комохов П.Г. Нанотехнологии и структура бетона-консерванта для надёжного захоронения радиоактивных отходов. Труды международной научно-практической конференции. Т.5. РХТУ им. Менделеева Д.И. - 2003. С. 33-38.

  6. Евтушенко Е.И. Активационные процессы в технологии строительных материалов. Белгород, - 2003. - 208 с.

  7. Соловьёв В.Я., Степанова И.В. Разработка высокопрочного бетона повышенной трещенностойкости. Известия Петербургского университета путей сообщения. В.1. СПб. - 2004 с. 31-34.




Нажми чтобы узнать.

Похожие:

В. Г. Шухова возможности нанотехнологий в строительном материаловедении iconРаспоряжением
Координационного совета по реализации Соглашения о сотрудничестве в области развития нанотехнологий и наноиндустрии между государственной...
В. Г. Шухова возможности нанотехнологий в строительном материаловедении iconПриложение №1 к распоряжению
Координационного совета по реализации Соглашения о сотрудничестве в области развития нанотехнологий и наноиндустрии между государственной...
В. Г. Шухова возможности нанотехнологий в строительном материаловедении iconIv международный конкурс научных работ молодых ученых в области нанотехнологий
Международный конкурс научных работ молодых ученых в области нанотехнологий будет проходить в рамках Четвертого Международного форума...
В. Г. Шухова возможности нанотехнологий в строительном материаловедении iconСостав Координационного совета по реализации Соглашения о сотрудничестве в области развития нанотехнологий и наноиндустрии между государственной корпорацией «Российская корпорация нанотехнологий» иРеспубликой Татарстан
Координационного совета по реализации Соглашения о сотрудничестве в области развития нанотехнологий и наноиндустрии между государственной...
В. Г. Шухова возможности нанотехнологий в строительном материаловедении iconЛекция 1 Общая характеристика нанотехнологий и наноматериалов
«наноматериалы», «наноэлектроника», «нанотехнология», «нанокерамика» идр. В фокусе нанотехнологий находятся так называемые нанообъекты...
В. Г. Шухова возможности нанотехнологий в строительном материаловедении iconПриложение 3
Ран обслуживающий Отделение нанотехнологий и информационных технологий (онит) ран (далее – Отдел), является аппаратом Отдел нанотехнологий...
В. Г. Шухова возможности нанотехнологий в строительном материаловедении iconВо исполнение Соглашения о сотрудничестве в области развития нанотехнологий и наноиндустрии между государственной корпорацией «Российская корпорация нанотехнологий» иРеспубликой Татарстан от 05. 08
Оао «роснано» и Правительства Республики Татарстан по стимулированию спроса на инновационную, в том числе нанотехнологическую, продукцию...
В. Г. Шухова возможности нанотехнологий в строительном материаловедении icon«О программе Российской академии наук в области нанотехнологий»
После перерыва с информацией «О программе Российской академии наук в области нанотехнологий» выступил вице-президент ран, председатель...
В. Г. Шухова возможности нанотехнологий в строительном материаловедении iconКурс современные методы структурного анализа в материаловедении

В. Г. Шухова возможности нанотехнологий в строительном материаловедении iconКурс современные методы структурного анализа в материаловедении

Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©rushkolnik.ru 2000-2015
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы