Применение нанотехнологий (1075549), страница 27

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 27)

Однако для внедрения рассматриваемых нанотехнологий требуется проведение дополнительных исследований, направленных на оптимизацию режимов активации воды и разработку простых методов и средств контроля характеристик структурированной воды.

Оценки показывают, что предлагаемые инновации обеспечат снижение масс строящихся домов и нагрузок на фундаменты на 10-20% и примерно такое же уменьшение стоимости строительства.

1. Мелкодисперсные материалы

Особо следует выделить перспективы совместного использования нескольких нанотехнологий, например, активированной воды, высокодисперсных исходных материалов и нанодисперсной арматуры.

Так, совмещение двух нанотехнологий: мокрого домола цемента в роторно-пульсационных аппаратах, обеспечивающего получение цемента с удельной поверхностью 5000 см2/г и более, и активирования воды затворения путем изменения её структуры в производстве цемента может повысить его прочность на порядок.

Нанотехнология измельчения исходных материалов реализуется в роторно-пульсационных аппаратах (РПА) и обеспечивает повышение дисперсности обрабатываемых материалов при существенно меньших энергозатратах (см. таблицу 1).

РПА представляют собой устройства для приготовления высокодиспергированных и гомогенизированных жидких эмульсий и суспензии, многокомпонентных вязкопластичных составов (в том числе из трудносмешиваемых жидкостей) путем пульсационных, кавитационных и других гидродинамических воздействий. РПА сочетает в себе принцип работы дисмембраторов, дезинтеграторов, коллоидных мельниц и центробежных насосов.

Диспергирование сырьевых материалов в РПА до долей микрона и тонкости измельчения 8000 см2/г и более значительно повышает эффективность многих современных технологий, снижает энергопотребление, улучшает технологические и изменяет физико-химические свойства материалов (см. таблицу 2) [5].

Таблица 1. Сравнительная эффективность домола цемента в различных измельчителях Характер домола и измельчителя Удельная поверхность, см2/г Удельные энергозатраты на 1 т цемента, кВт час Цемент без домола 3000 0 Сухой в шаровой мельнице 4500 40 Сухой в вибромельнице 4650 20 Мокрый в РПА 5000 8,8

Таблица 2. Прочность бетонов, изготовленных из отходов различной степени измельчения с цементом ПЦ 500ДО Удельная поверхность, см2/г 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Предел прочности на сжатие, МПа 0,1 0,4 1,0 2,0 2,6 3,5 4,1

Таблица 3. Физико-механические характеристики цементного пенобетона Содержание нанотрубок, % от массы состава Средняя плотность, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа Коэффициент теплопроводности, λ, Вт/м oС Размер пор, мкм Состояние стенок пор 0 330 0,18 0,07 40-600 Перфорированы 0,05 309 0,306 0,056 60-150 однородные

Компоновочные схемы и аппаратурное оформление технологических процессов диспергирования с заданными модификациями РПА просты, высокопроизводительны, легко встраиваются в автоматизированные системы.

Например, журнал «Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века» (№ 5, 2003, с 34-35) освещал вопросы использования вихревых гидрокавитационных установок (ВГКУ) для повышения качества строительных материалов. В частности, отмечалось, что в строительной отрасли весьма перспективной сферой применения ВГКУ является кавитационная активация цемента в роторных аппаратах с модуляцией потока (рис. 5), которая используется для улучшений механических свойств бетона или экономии цемента на 1 5% (по весу) без изменения механических свойств бетона. Производство мелкодисперсных составов и смесей обеспечивает повышение свойств изготавливаемых из них материалов и изделий в среднем на 1 5—20%.

Другой весьма перспективной сферой применения ВГКУ является энергоресурсосбережение. Здесь использование ВГКУ для приготовления водомазутных эмульсий (ВМЭ) обеспечивает повышение КПД котлов в среднем на 5%, надежное распыление и горение ВМЭ при низких температурах (до - 67°С), устойчивое горение мазутов с влагосодержанием до 30%, снижение токсичности дымовых газов до 50—80% и хранение ВМЭ более года.

В производстве строительных материалов широкое применение находят технологические процессы приготовления высокодисперсных систем - различных эмульсий, суспензий (пасты, мастики), шликерных масс в керамической промышленности, известкового молока и теста, пигментных паст для окрашивания бетона, покрасочных составов с замесом дефицитных компонентов, активированных водных суспензий цемента (АВСЦ) для создания высокоэффективных технологий изготовления бетонов и др.

Так, кратковременная обработка на роторно-пульсационном аппарате АВСЦ используемых для растворов, бетонов, пенобетонов и других цементосодержащих композиций, обеспечивает сокращение в 3 раза срока твердения бетонов в естественных условиях, снижение на 30—35% длительности термообработки изделий, уменьшение расхода цемента до 25% или повышение марки бетона, достижение высокой пластичности смесей. Использование АВСЦ во всех цементосодержащих композициях (фибробетоне, ЦСП, стеновых блоках на минеральных и органических заполнителях) обеспечивает высокие физико-механические и специфические свойства изделий.

Применение РПА для производства известкового молока и теста позволяет резко сократить сроки приготовления, увеличить стабильность суспензии и в 1,5—2 раза повысить физико-механические показатели композиций, использующих известковые компоненты.

Активированные суспензии глины (АСГ) в производстве шликерных масс позволяют сохранить текучесть шликера при снижении его влажности на 2-5%, что влечет за собой значительное сокращение производственного процесса, снижение теплозатрат. Использование РПА при создании суспензии глины позволит увеличить прочность кирпича и черепицы в 1,5-2 раза, облегчить их конструкцию в 1,5 раза, снизить себестоимость, увеличить экономию времени и материалов на всем технологическом цикле.

Тонкий помол на РПА осажденной в золофильтрах обогащенной (содержащей до 1 5—25% клинкерных минералов и до 1 0-20% свободной (активной) СаО) золы до 5000 см2/г обеспечивает получение ТЭЦ-цемента, который может быть использован в качестве местного вяжущего в производстве строительных изделий широкого назначения.

1. Нанодисперсная арматура в пенобетоне

Нанотехнологии изготовления и применения нанодисперсной арматуры используются для повышения физико-механических свойств пенобетона безавтоклавного твердения. В качестве нанодисперсной арматуры могут использоваться природные минералы галлуазит и хризотил, а также синтетические углеродные нанотрубки, имеющие трубчатую структуру и нанометровые диаметры.

Рис. 6. Структура стенок пор в пенобетоне: а — без добавки нанотрубок (перфорирована);	б — стабилизирована при добавлении 0,05% нанотрубок;	в — скопления на поверхности поры регулярно ориентированных нанотрубок, покрытых продуктами твердении портландцемента

Результаты исследований микроструктуры пенобетона показывают, что введение углеродных нанотрубок стабилизирует его структуру и устраняет перфорацию стенок пор (рис. 6). Стабилизация структуры пенобетона происходит за счет армирующего эффекта при добавлении фибриллярных структур и упрочнения вследствие формирования надмолекулярных структур в цементных стенках пор.

Распределяясь в объеме цементного пенобетона, нанотрубки играют роль центров направленной кристаллизации, что приводит, с одной стороны, к появлению фибриллярной структуры в стенках пор, обеспечивая ее непрерывность и сплошность (рис, 6б), а с другой - к появлению упрочняющей структурно-ориентированной надмолекулярной оболочки вокруг нанотрубки (рис. 6в). При этом достигается повышение прочности пенобетона и снижение теплопроводности изделий из пенобетона.

Введение в состав цементной смеси синтетических углеродных нанотрубок диаметром 40-60 нм с плотностью 0,086 г/см3 в количестве 0,05% от массы исходной смеси обеспечивает повышение прочности пенобетона в 1,7 раза, снижение теплопроводности на 20%, уменьшение, его средней плотности, а также армирование стенок и стабилизацию размеров пор (см. таблицу 3).

Улучшение свойств пенобетона с углеродными трубками достигается также при большей средней плотности. Так, при 500 кг/м3 предел прочности при сжатии у модифицированного пенобетона увеличивается на 65% и составляет 1,45 МПа против 0,87 МПа у пенобетона с той же плотностью без наноармирования.

Таким образом, использование углеродных нанотрубок при изготовлении цементных пенобетонов позволяет повысить их физико-механические свойства, улучшить теплофизические характеристики и снизить расход цемента при сохранении проектной прочности пенобетона.

Особый интерес представляет совместное использование нанотехнологий, которое за счет нелинейности технологических процессов может обеспечить скачкообразное, непрогнозируемое улучшение свойств и появление принципиально новых строительных материалов с качественно новыми свойствами

1. Модифицированный бетон

В настоящее время есть несколько их научных разработок, позволяющих качественно изменить структуру цементного камня и бетона путем добавления в его состав микродоз фуллероидных материалов. Термин «добавка» в данном случае не вполне адекватен, так как дозировка добавки обычно бывает не менее 0,1% от расхода цемента. Скорее речь пойдет о присадке, так как фуллероидные материалы целесообразно вводить в бетон поистине в гомеопатических дозах, составляющих от одной тысячной до одной десятитысячной доли процента от расхода цемента. Даже такая микродоза фуллероидных материалов позволяет качественно изменить структуру цементного камня или существенно усилить водоредуцирующую способность пластифицирующей добавки.

Для улучшения структуры цементного камня, повышения его трещиностойкости и повышения динамической вязкости в состав бетона вводятся углеродные нанотруб-ки. Углеродные нанотрубки представляют собой полые трубки из одного или нескольких слоев атомов углерода. Они имеют диаметр от одного до нескольких нанометров и длину от нескольких диаметров до нескольких микронов. Таким образом, они по сути являются полыми волокнами, имеющими запредельную прочность, превышающую сотни гигапаскалей, и абсолютно инертны как по отношению к любым кислотам, так и к щелочам. Введенные в бетонную смесь, нанотрубки армируют цементный камень, превращая его в композиционный материал. С точки зрения здравого смысла, такой процент армирования (1·10-5%) кажется явно недостаточным, чтобы существенно повлиять на прочностные характеристики бетона. Тем не менее стойкий эффект присутствует, но возникает он не за счет непосредственного армирования, которое действительно ничтожно, а за счет направленного регулирования кристаллизационных процессов. Нанотрубки ведут себя в цементном растворе как «зародыши» кристаллов, но поскольку они имеют не точечную, а протяженную форму, кристаллы образуются вытянутые. Разрастаясь, кристаллы переплетаются, частично прорастают друг в друга и образуют пространственную сеть, пронизывающую и связывающую в единое целое весь цементный камень. На фото 1 приведены две электронно-микроскопические фотографии цементного камня, сделанные мной в 1999 г. в Технологическом институте на сканирующем электронном микроскопе при увеличении 6 000 крат. На фото 1а показана структура обычного цементного камня, а на фото 1б — такой же цементный камень после введения нанотрубок.

Данный метод вмешательства в процессы структурообразования позволяет на 30–40% усилить прочность цементного камня и почти в три раза увеличить работу, затрачиваемую на его разрушение. К сожалению, прочность бетона при этом увеличивается в меньшей степени (примерно на 10%), так как армирование происходит на микроуровне, а на прочностные характеристики бетона куда существеннее влияет его структура на макроуровне.

Оказать существенное влияние на структуру бетона на макроуровне можно другим способом. Наномодификаторы можно вводить не непосредственно в воду затворения, как в предыдущем случае, а в состав пластифицирующей добавки. При таком методе введения наномодификатора эффективность пластифицирующей добавки резко возрастает. В этом случае в качестве наномодификатора используются уже не нанотрубки, а более дешевые астралены. Исследования, проведенные к.х.н. М.Е. Юдовичем и к.т.н. А.Н. Пономаревым, показали, что при модификации ряда пластифицирующих добавок десятитысячными долями процента астраленов расплыв конуса цементно-песчаной смеси увеличивается практически в два раза.

Характеристики

Список файлов книги