Нанотехнологии в строительном материаловедении. Достижения, задачи и перспективы

1.

ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» НИУ
НАНОТЕХНОЛОГИИ
в строительном
материаловедении.
Достижения, задачи и
перспективы
Докладчик:
Е.В. Королев, д.т.н., профессор,
директор НОЦ НТ
Москва,
2013 г.

2. 1. Общие знания

3. Физические причины повышения свойств наноматериалов

4. Поверхностное натяжение

Относительное изменение поверхностной
энергии, %
Поверхностное натяжение
100
95
I
II
III
Уравнение Гиббса-Толмена-Кенига-Бафа
90
2 2
1 2
R R 3R
ln
ln R
2 2
1 1 2
R R 3R
85
80
75
70
0,001
0,01
0,1
1
10
100
1000
Диаметр частицы, мкм
При жт const :
На участке II cos f d f , U s 2...3%, o ;
На участке III cos f d f , U s 20%; o
На участке I cos f d f , o ;
cos жв1 тв жт

5. Температура плавления

Tпл Tпл e
4
2 R
- При уменьшении
диаметра наночастиц
олова до 8 нм их
температура плавления
снижается на 100оС (от
230оС до 130оС).
- Самое большое
снижение температуры
плавления (более чем на
500оС ) обнаружено у
наночастиц золота.
Зависимость температуры плавления наночастиц алюминия от их радиуса
Взято из Lai et al. (Applied Physics Letters, 1998, v. 72:1098-1100).

6. Прочность поликристаллического материала

k
o 2
d

7. Смачиваемость поверхности

Уравнение Венцеля – Дерягина
cos ш k ш cos o
kш 1

8. Размерный эффект

n N
lim
N
N
0
N
~1000
0
слабые эффекты, или размерные
эффекты I рода (более 10 нм),
когда при увеличении удельной
поверхности (или уменьшении
размера частиц) физикохимические свойства вещества
изменяются не сильно, а все
наблюдаемые изменения можно
объяснить влиянием
поверхностных эффектов на
общие свойства кристалла.
сильные эффекты, или
размерные эффекты II рода
(менее 10 нм), когда наблюдаются
кардинальные изменения свойств
вещества, которые невозможно
интерпретировать в рамках
обычных поверхностных явлений.

9. 2. Дефиниции

10.

• Технология (от греч. techne – искусство,
мастерство, умение и ...логия), совокупность
методов обработки, изготовления, изменения
состояния, свойств, формы сырья, материала или
полуфабриката, осуществляемых в процессе
производства продукции; научная дисциплина,
изучающая физические, химические, механические
и другие закономерности, действующие в
технологических процессах.
• Приставка «нано» – первая составная часть
наименований единиц физических величин,
служащая для образования наименований дольных
единиц, равных миллиардной доле исходных
единиц.
• Нанотехнология – это совокупность методов
получения продукции (изделий) посредством
организации вещества на атомно-молекулярном
уровне.

11. Мифы нанотехнологии

• Безотходность технологии
• Наномашины и нанороботы
• «Серой слизи»
Наноструктурированный
материала
Наноробот

12. Нанотехнологии в строительном материаловедении

13. Стратегии наномодифицирования строительных материалов

• Введение в материал синтезированных
нанообъектов
• Синтез нанообъектов в материале в
процессе его изготовления

14. Примеры реализации первой стратегии (углеродные наноструктуры)

• Наноструктурированный легкий бетон:
- плотность – 1200-1600 кг/куб.м;
- прочность на сжатие – 30-60 МПа;
- прочность на изгиб – 4-8 МПа;
- теплопроводность – менее 0,2-0,4 Вт/(м*К);
- водопоглощение – не более 0,4 %;
- водонепроницаемость – W20;
- огнестойкость – более 780 оС;
- морозостойкость – F300-F350
Композиционные материалы – модифицирующая добавка УНТ
повышает прочность (в 1,5-3 раза), электропроводность,
теплопроводность, изменяет структуру композитов на основе
полиэтилена, полипропилена, фторопластов, полиуретана и др.
• Строительные материалы и дорожные покрытия –
применение сверхмалых добавок (0,001-0,0001%) в бетоны повышает в
1,2-2 раза их прочность, температуроустойчивость, снижает
трещинообразование.
Источник: Статья «Перспективы применения нанобетона в монолитных большепролетных
ребристых перекрытиях с постнапряжением» авторов: Е.В. Кишеневская, Н.И. Ватин, В.Д. Кузнецов
(Журнал Инженерно-строительный журнал, №2, 2009.

15. Влияние УНД на прочность бетона

Источник: А.Н. Слижевский, Самуйлов Ю.Д., Батяновский Э.И. О Влиянии углеродных
наноматериалов на свойства цемента и цементного камня

16. Эффективность введения нанодобавок в различные материалы

kef
F f C f
Fmax Cmax
F – эффект от введения первичного наноматериала ( Fmax = 300 %)
Сf – концентрация первичного наноматериала (Сmax = 0,1 %)

17. Задачи стратегии №1

• Однородность распределения
наноразмерных модификаторов по
объему материала
• Выбор вспомогательных веществ,
обеспечивающих агрегативную
устойчивость коллоидных систем и
удаляющихся для реализации
потенциала наночастиц

18. Проблемы однородного распределения нанообъектов

d o k 1 1
Fp 4 E d o
2
2 2 2
2
4
2
k − волновое число; Е − средняя по времени плотность
энергии акустического поля;ρ − плотность среды; ρf −
плотность вещества модификатора
Сила Бьеркнеса
4
d
FB 4 o 2 cos
2 h
2
u − колебательная скорость; φ − сдвиг фаз пульсации
частиц; h − расстояние между частицами
Сила Бернулли
6
3 do 2
FBe 2
2 2 h

19. Дисперсный состав астраленов после УЗО

t, мин
30
Дисперсный состав астраленов после
УЗО
24
22
20
18
15
Содержание, %
16
14
12
10
8
6
4
2
3
0
6,54
0
3,89
2,31
1,38
0,82
0,49
0,29
0,17
0,10
0,06 0,04 0,02
Диаметр частиц, мкм
состав: астралены – 0,005%, сульфанол – 0,01%

20.

Гипсометрическое
распределение Лапласа
d n1 n2
~ d 2 exp d 3
d d
f c 3
n1
exp g
d h
n2
kT
6
d n1 n2
1
1
~ 2 exp
dT
T
T

21.

Теория Смолуховского
8 kT
nx
1 1
not
no
3
Уравнение Гиббса
1
c d
Г
RT dc
μ – вязкость среды-носителя;
nо – общее количество частиц
При T>X
При T<X

22. Влияние ПАВ

Энергетический потенциал:
E = r2 + kT(Cr − C∞)
2
Cr= C∞exp
r
VkT
σ – поверхностное натяжение;
r – радиус наночастицы;
k – постоянная Больцмана;
T – температура;
C∞ – концентрация вакансий в
макротеле;
Cr – концентрация вакансий в
наночастице
∆V – изменение объема
кристалла при замене атома на
вакансию

23. Примеры реализации второй стратегии

• Наноструктурные композиты на основе
взаимопроникающих полимерных сеток
• Нанокомпозиты на основе гибридной
органосиликатной матрицы
• Полимерные нанокомпозиты с очень
низкой проницаемостью и высоким
сопротивлением агрессивным средам

24. Наномодификатор для пенобетонов

Модель наномодификатора
Структура пенобетона
Характеристика пен
Размер
нанообъектов
модификатора –
6,5…7,5 нм
Характеристики пен
Пенообразователь Значение Пенообразующая Устойчивость,
способность, %
%
Контрольный
460
78,49
1,2
460
87,83
Пеностром
1,3
460
100,00
1,4
460
100,00
1,5
460
96,81
Контрольный
460
80,23
1,2
460
84,88
Ареком
1,25
460
100,00
1,5
460
97,83

25. Общие задачи нанотехнологии

• Разработка инструментария для оценки
эффективности принимаемых
рецептурных и технологических
решений
• Разработка методики оценки техникоэкономической эффективности
нанотехнологии в строительстве

26. Рецептурно-технологический дуализм

Потенциал вещества
материала Im
Потенциал технологии It
I t I t , 0 I t , j
1 t, j
I t ,0
I t ,0
I m I m , 0 I m , j
1 m, j
I m,0
I m,0
Rт
m, j
Rj
Rт
mt , j m , j t , j
Rj
t, j
Rj
Rmax, j
Rmax,j

27. Развитие технологии цементных бетонов

300
UHPC
Прочность при сжатии, МПа
250
В/Ц=0,25
200
MDF
150
100
микрокремнезем
пластификатор
0
1850
RPC
микроволокна
поликарбоксилат
50
В/Ц=0,3
волокна
В/Ц=0,7
В/Ц=0,6
В/Ц=0,35
SCC
В/Ц=0,4
HPC
СП
В/Ц=0,5
1900
1950
2000
годы

28.

Значения потенциала Φmt для различных
технологических способов
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
1 - повышение активности портландцемента; 2 - применение подготовленных заполнителей;
3 - снижение начального водосодержания посредством введения пластифицирующих добавок;
4 - введение неорганических добавок, способствующих повышению плотности структуры;
5 - введение полимерных веществ, уплотняющих структуру; 6 - применение виброактивации цемента,
обеспечивающее дезагрегацию цементных флоккул и уплотнение цементного геля; 7 - Интенсификация
процесса уплотнения жестких смесей; 8 - применение вакуумирования, центрифугирования,
фильтрационного прессования; 9 - пропитка поровой структуры бетона органическими веществами
или серой; 10 - применение сухого формования; 11 - применение водопоглощающих перегородок

29.

Основной принцип реализации нанотехнологии
Реализация нанотехнологии должна проводиться
исчерпания возможностей макро- и микротехнологии
только
после
Критерием для оценки целесообразности перехода на наномасштабный
уровень является размер массового дефекта в материале.
Условия оптимизации композита на масштабных уровнях
от микро- до макроуровня
П m 0
В
min
Ц
Ca OH 2 min
- Пm – пористость, образующаяся в
результате некачественного уплотнения
бетонной смеси;
- [Са(ОН)2] – концентрация Са(ОН)2;
- В/Ц – водоцементное отношение
Условия оптимизации композита на наномасштабном уровне
f min
C S H max
max
m
- σf – внутренние напряжения на границе
раздела фаз;
- χm – трещиностойкость тоберморита и
подобных материалов;
- [C–S–H] – концентрация тоберморита и
подобных материалов

30. Критерий экономической эффективности

kek
qi qp ti tp qek ti
ti
qi qp
qe min
ti tp
qi – расход ресурса на изготовление изделия; ti – продолжительность эксплуатации
qp – расход ресурса на поддержание изделия в работоспособном состоянии
tp – продолжительность межремонтного периода
qe – энергопотребление в процессе эксплуатации изделия
1,5
ρб/ρн=0,9
ρб/ρн=1,0
ρб/ρн=1,1
1,11
1,00
0,91
ρб/ρн=0,9
ρб/ρн=1,0
ρб/ρн=1,1
0,83
0,75
0,68
Соотношение Vк, б/Vк, н
2,0
2,5
3,0
3,5
β = Ск, б/Ск, н =1,5
1,48
1,85
2,22
2,59
1,33
1,67
2,00
2,33
1,21
1,52
1,82
2,12
β = 2,0
1,11
1,39
1,67
1,94
1,00
1,25
1,50
1,75
0,91
1,14
1,36
1,59
4,0
2,96
2,67
2,42
2,22
2,00
1,82

31.

Удельная прочность бетонов
ТБ – тяжелый бетон (М400); ВПБ – высокопрочный бетон (≥ М600);
ОВПБ – особовысокопрочный бетон (≥ М1000); ЛБ – легкий бетон
(М250); ВПЛБ – высокопрочный легкий бетон (≥ М400)

32.

Мировой опыт создания прочных легких бетонов
Год
Страна
Прочность
при сжатии,
МПа
1999
Кувейт
22
1520
14,4
2002
Германия
14…25
1800
7,5…15
2003
Бразилия
40…50
1450…1600
24,5…30,5
2003
Турция
30…40
1800…1860
16,1…22,2
2004
Япония
47…54
1800…1850
27,5…30,0
2007
Россия
46…61
1800
25,5…33,8
2007
Россия
42…48
1600…1650
25,4…28,7
Средняя
плотность,
кг/м3
Удельная
прочность,
МПа

33.

Физико-механические свойства ВПЛБ

34. Наномодифицированный высокопрочный легкий бетон

Увеличение 200х
Увеличение 100х
Кварцевый песок
Микросферы
Кварцевый песок
Микросферы
Свойства:
–
–
–
–
–
Средняя плотность – 1300…1500 кг/м3
Прочность при сжатии – 40…65 МПа
Удельная прочность – 35…55 МПа
Коэффициент теплопроводности – не более 0,6 Вт/(мК)
Удельная теплоемкость – 0,8…1,15 кДж/(кг∙К)

35.

Конкурентные преимущества
низкая средняя плотность, позволяющая уменьшить вес изделий
(конструкции, сооружения);
высокая прочность, обеспечивающая конструкционные качества;
низкая теплопроводность, снижающая теплоизоляционные затраты.
Башня Петронас
Малайзия, Куала-Лумпур
ВПЛБ
525 м – 123 этажа
375 м – 88 этажей
ВПБ
Экономия металлической арматуры
s
b
2
2 2
b 4 0k0 4 0 k0
2 0k0 b
Экономия бетона
0 k0 1
b
2
s 0 k 0 s 0
Экономический эффект – не менее 30%
Экономический эффект – 44,5 %

36.

Область
применения наномодифицированного
высокопрочного легкого
бетона

37.

ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет»
Научно-образовательный центр «Нанотехнологии»
Единственным
пределом
наших
завтрашних свершений станут наши
сегодняшние сомнения.
Франклин Рузвельт
www.nocnt.ru, тел. (499) 188-04-00