Всего на сайте:
282 тыс. 988 статей

Главная | Строительство

Теория и практика применения нанотехнологий в строительстве  Просмотрен 34

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
по дисциплине


ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ПРИМЕНЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

 

Направление подготовки: 08.04.01 «Строительство»

 

Профиль подготовки: «Технология производства строительных материалов, изделий и конструкций», «Ресурсосбережение и экология строительных

материалов, изделий и конструкций»

 

Квалификация выпускника: магистр

Форма обучения: очная

 

Тула 2018 г.

 

Лекция № 1. Введение

Задача по развитию нанотехнологии в России является одной из приоритетных, и её решение, по мнению руководства страны, поможет преодолению нашего технологического отставания. По данным бывшего главы правительства М. Фрадкова, в ближайшие 10 лет объем мирового рынка нанотехнологии составит в сфере наноматериалов, в электронике, медици­не, химии и в энергетике не менее $965 млрд.

Под нанотехнологиями специалисты подразумевают работы со структурными элементами, один из размеров которых не превышает 100 нм (10-7 м) Если конец XX в. можно характеризовать эпохой раз­вития микротехнологий, то наступивший XXI в. может стать эпохой развития нано­технологии. Прогнозы ученых о значи­тельном улучшении качества жизни за счёт ожидаемых прорывных достижений, осуществляемых на молекулярно-атомном уровне с использованием нанотехно­логии, вызвали взрыв интереса у венчур­ного капитала, крупных корпораций, фи­лантропических, научных и правитель­ственных организаций США и некоторых других стран. Предвкушение высокой от­дачи от вложений в передовую науку (бо­лее высокой, чем даже в игорный бизнес) вызвало появление значительных финан­совых возможностей.

Так, например, национальная инициа­тива «Нанотехнология», действующая в США с 2000 г., позволила предусмотреть (по данным журнала «ENR») в федераль­ном бюджете соответствующие государ­ственные расходы в сумме $3,7 млрд в пе­риод до 2008 г. Правительство США рас­пределило эти расходы между правитель­ственными организациями США, в числе которых Национальный научный фонд, Министерство обороны, Министерство энергетики, Национальный институт здра­воохранения. Национальный институт стандартов и технологий и Министерство внутренней безопасности. Правительство США полагает, что эти инвестиции продви­нут понимание многих явлений на наноуровне и позволят полученные знания ис­пользовать, в первую очередь, для усовер­шенствования медицины, производствен­ных процессов, создания высокотехноло­гичных материалов, информационных тех­нологий, энергетики и защиты окружаю­щей среды. Мировой рынок продуктов на базе нанотехнологии стремительно растёт, и к 201 5 г. он может составить, по прогно­зам Национального научного фонда США, более $1 триллиона в год.

Для проведения исследований и разра­боток на наноуровне современная наука должна и уже обзавелась в ряде передо­вых стан соответствующим контрольно-из­мерительным и технологическим оборудо­ванием, в том числе сканирующей туннель­ной, атомно-силовой и сканирующей зондовой микроскопией, нанопроцессорами, наноманипуляторами, нанокомпьютерами и другими приборами. Разрабатываются соответствующие стандарты и методики испытаний. Но как соотносится с такой сверхтонкой технологией строительство? Оно выступает здесь в двух ролях: испол­нителя и потребителя.

Совершенно естественно, что для со­здания и отработки нанотехнологии тре­буется наличие новейших лабораторных корпусов и испытательных центров с уни­кальным оборудованием, где можно про­изводить измерения геометрических раз­меров с точностью до нанометров и изго­тавливать изделия толщиной до несколь­ких молекул и нескольких квадратных на­нометров по площади. Так, например, На­циональный институт стандартов и техно­логии (NIST) завершил недавно строи­тельство корпуса нанотехнологии лабораторией измерений в г. Гейтерсберге стоимостью $175 млн. По мнению проектировщиков, возведенный корпус является в настоящее время зданием с наиболее контролируемой в мире внутренней средой. Колебания температуры внутреннего воздуха здесь не превышают ±0,01ºС, уровень вибраций не выходит за пределы 2,5 мкм/сек. Электропроводы в здании имеют особую изоляцию, предотвращающую воздействие электрических токов на проводимые эксперименты с точностью до нА и нВ, т. е.

отсутствует электромагнитное загрязнение среды. Такие помещения получили название «clean rooms» (чистых помещений), они становятся обязательной принадлежность исследовательских центров, работающих на наноуровне. Некоторые нанотехнологические процессы требуют еще больших ограничений амплитуд колебаний порядка 1 мкм/сек или даже меньше.

Сегодня бетон является тем материалом, которому отдают предпочтение при сооружении чистых помещений. Известны конструкции лабораторий с полами из бе­тонных плит кессонного типа толщиной от 700 до 1 200 мм, с пневматической изоляцией, с использованием так называемых воздушных пружин. Изучение замечатель­ных демпфирующих свойств бетона нача­лось ещё 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 специали стов уже имеются определенные способы изменения демпфирующих свойтв за счет введения специальных добавок (стиролбутадиеновых латексов и растительных ма­сел), изменения водоцементного отноше­ния, микроструктуры, некоторых видов за­полнителей и арматуры.

Строительство нанотехнологических центров и лабораторий осуществляется и другими правительственными организаци­ями США, в том числе Министерством энергетики, при широко известных наци­ональных лабораторий в Сандиа, Лос-Аламосе и др. По заявлению руководства этого министерства, все подведомственные ему лаборатории стремятся организовать и некоторые уже имеют свои «наноподразделения», что вызвано процессом конверсии существующих в них технологий времен «холодной войны» на гражданские рельсы. NASA финансирует работы в области нанотехнологий в университете Purdue и Массачусетском технологическом институте, причем последний финансиру­ется также и Министерством обороны США нт проведение поисковых исследований в области совершенствования на новейшей схнове вооружения для армии, нацио­нальный институт здравоохранения ис­пользует правительственные субсидии для изучения возможных способов действий современного биотерроризма и борьбы с ним. Будет потрачено $700 млн на созда­ние в рамках министерства 11 биотехно­логических лабораторий по изучению спо­собов борьбы с птичьим гриппом, сибирской язвой и другими вирусными заболеваниями. Государственный университет Stony Brook в Нью-Йорке приступил к строительству нового здания стоимостью $ 35 млн для факультета продвинутых ис­следований в энергетике, включая изуче­ние топливных ячеек и биотоплива на основе нанотехнологий. Работать факультет будет в сотрудничестве с рядом располо­женной знаменитой Брукхейвенской национальной лабораторией.

Проектирование и строительство исследовательских центров в XXI в существенно отличаются от предшествующей практики. Новые центры должны обеспечить возможность сотрудничества в одном месте специалистов разных профилей (физиков, биологов, медиков, механиков и других), обладать специализированны­ми лабораториями и «чистыми помещени­ями» для проведения сложнейших экспе­риментов на субмолекулярном и наноуровне, способствовать созданию внутри зданий творческой атмосферы, включая наличие благоприятных рекреационных зон. «Создайте необходимые условия – ученые сами придут к вам», - вот девиз современных американских архитекторов.

Ключевым вопросом в проектировании является гибкость конструктивного реше­ния здания, т.к. будущие арендаторы или владельцы не всегда могут точно опреде­лить свои требования и, кроме того, сроки жизни большинства творческих коллекти­вов и сроки проведения их исследований могут быть весьма короткими. «Если ин­ститут ведет одни и те же самые исследо­вания в течение пяти и более лет, то это означает отсутствие у него прогресса», считают специалисты.

Организация лабораторного простран­ства имеет модульную систему с таким рас­положением всех вспомогательных уст­ройств, которая позволяет передислока­цию оборудования без излишних трудно­стей и дополнительных затрат (система «подключайся и начинай работать»). Од­нако такая система имеет и свои трудно­сти. Например, если раннее первая стадия проектирования и строительства занимала, как правило, 3 года, то сегодня на эти же цели отводится всего лишь 2 года. На проектные решения большое влияние ока­зывает многопрофильность лаборатории. Междуэтажные перекрытия имеют значи­тельные открытые площади для деловых и неформальных общений специалистов. Камеральные и лабораторные помещения соединяются вертикальными атриумами для облегчения коммуникаций. Внутрен­ние климатические, энергетические и дру­гие требования делают нанотехнологичес-кие лабораторные здания крупными по­требителями воды, воздуха и энергии. Это делает их экологически небезопасными, что обязательно должно учитываться при проектировании.

Американские проекти­ровщики новых исследовательских цент­ров используют в своей работе определён­ный опыт, накопленный в микротехноло­гиях полупроводниковой промышленнос­ти, а также серию руководств и рекомен­даций под названием Labs21, разработан­ных совместно Агентством по защите ок­ружающей среды и Министерством энер­гетики США. Значительно продвинулись в проведении исследовании и практических разработках ученые и специалисты других стран, в том числе Японии, Германии, Из­раиля, Китая,

Но строительство, как уже упомина­лось, хотя и в значительно меньшей мере, чем другие отрасли, является также и по­требителем достижений нанотехнологий. Так, например, совершенно нетрадицион­ный подход к вопросам создания бетон­ных конструкций с долговечной защитой фасадных поверхностей на основе нано­технологий предлагают специалисты фир­мы «NANO-X GmbH» из г. Саарбрюкена (Германия). Благодаря достижениям этой новой технологической области уже полу­чены защитные материалы с совершенно удивительными свойствами. Химический процесс под названием «sо!-gеI» позволя­ет осуществлять направленный синтез на-нокомпозитов и придавать бетонным по­верхностям индивидуальные специфи­ческие эффекты. Такие многофункцио­нальные защитные материалы уже появи­лись на рынке стройматериалов. Диапа­зон их действия распространяется от за щитных функций (легкого удаления пыли, грязи и рисунков граффити) до предотв­ращения появления высолов на бетонных поверхностях.

В лабораторных условиях получены бе­тоны прочностью на сжатие до 500 N/mm2, т. е. прочнее обычной стали. Но с исполь­зованием достижений нанотехнологий, уже применямых 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, в том числе позволит создать так называемые бездефектные бе­тоны. Немецкий фонд поддержки научных исследований выделил у себя в стране на такого рода исследования 9 млн евро.

Использование атомно-силовой мик­роскопии позволяет исследовать на нано-уровне процессы взаимодействия и меха­низмы реакции гидратации цемента, хи­мических добавок, заполнителей и пуццо-лановой реакции микронаполнителей. Оп­ределённый оптимизм вызывают результа­ты опытов по применению фибр в виде уг­леродных нанотрубок с целью повышения прочности цементной матрицы. Нанотруб-ки, как известно, были изобретены в Япо­нии в 1 991 г. Их прочность на разрыв, по некоторым данным, почти в 100 раз пре­восходит прочность стали. Появление этих нанотрубок, кстати, стимулировало созда­ние международного проекта «Космичес­кий лифт», который находится ныне в стадии разработки под эгидой NASA. Поми-высочайшей прочности, углеродные на­зубки обладают и чрезвычайной устойчивостью к проявлениям коррозии, что доставляет значительный интерес и для струкций из бетона. Проведенные предварительные опыты показали, что введение даже сравнительно небольшого количества нанотрубок в качестве нанофибр показывает положительный эффект на механические характеристики композита, Опыты будут продолжены в направлении расшения сцепления нанофибр с матрицей и выбора оптимальных разжижителей карбоксилатного типа с разной длины боковых цепей.

Строительная наука и практика, хотя и с некоторым запозданием, всегда стремится не отставать от достижений фундаметальной науки. Традиционные строительные материалы - бетон и сталь – имебт древнюю историю и применяются в огромных объемах. Так, например, ежегодное мировое производство бетона достигает 2 млрд т, по объёмам использования человечеством этот материал занял второе место после воды. Несмотря на всю чрезвычайную важность этих материалов, их свойства, особенно бетонов, в связи с их структурной природой изучены крайне мало, он состоит из разнородных частиц и, отличающихся по размерам на много рядков, начиная от нанометров. Приме­нением приемов нанотехнологии в исследовании и модифицировании свойств бетонов может оказаться чрезвычайно плодотворным.

В этом убеждает недавняя современная публикация ученых Северо-Западно-ниверситета и Массачусетского техно-ического института США в журнале ture Materials* (апрель 2007 г.), в которой представлены первые результаты изучения структуры C-S-H цемента на уровне нм при помощи специального микроскопа в виде устройства с малоугольным гронным рассеиванием лучей. Ученые убеждены, что реорганизация структуры рН поможет существенно повысить эффективность цементов, предсказывать ползучесть и долговременное поведение знов. Распознание ДНК бетонов даст ложность в течение ближайших 3-5 улучшить их прочностные и экологические характеристики. Из известных случаев применения нанотехнологии в области строительства следует отметить наномодифицированную стальную арматуру «MMFX2», изготавливаемую корпорацией «MMFX Steel p.USA». Ламинированная структура дает эту сталь по коррозиестойкости похожей на нержавеющую, но со значитель­но более низкой стоимостью и более вы­сокими механическими свойствами, в том числе по прочности, вязкости и усталост­ной прочности. Арматура MMFX2 серти­фицирована в США, в настоящее время началось её широкое применение на объектах дорожно-транспортного и гид­ротехнического строительства. Нетрудно себе представить, что могло бы дать даль­нейшее улучшение структуры и прочнос­ти стали для сооружения подвесного мо­ста (шириной 60,4 м и пролетом 3,3 км, поддерживаемого парными вантами диа­метром 1,2 м) через Мессинский пролив в Италии, идею проекта которого (сто­имостью $4,7 млрд), предложили специ­алисты

Из других случаев использования нано­технологии в строительстве можно отме­тить создание самоочищающихся стекол британской фирмой «Pilkington», а также покрытий типа «Антиграффити» в Мекси­ке. Но уровень научных достижений в об­ласти строительства несопоставим, к сожа­лению, с достижениями в других областях науки и техники. Основным барьером ин­новаций в строительстве являются слиш­ком высокие риски вложений в строитель­ную науку и технологии. По некоторым данным, среднемировые расходы на ис­следования и разработки в строительстве на порядок ниже, чем по промышленнос­ти в целом и на два порядка ниже, чем в полупроводниковой промышленности. Это подтверждает закономерность заметного отставания достижений в строительстве от разительных, буквально революционных достижений во многих других областях, например биотехнологии, информацион­ные технологии ит. д. Вызывает, естествен­но, удивление, что современные сверхвы­сокие и сверхдорогие здания или мосты с невиданными доселе пролетами, от нор­мального функционирования которых за­висят жизнь огромного количества людей, в ходе строительства и эксплуатации уп­равляются сравнительно примитивными единичными системами контроля и мони­торинга, стоимость которых несопостави­мо мала по сравнению со стоимостью кон­тролируемых ими объектов и жизнями этих людей, а современные автомобили, которые обеспечивают комфортную и бе­зопасную жизнь одного или нескольких человек, буквально напичканы управляю­щими системами, стоимость которых впол­не сопоставима со стоимостью самого ав­томобиля.

Взрыв интереса к нанотехнологиям вызвал соответствующую реакцию и в меж­дународных организациях по строитель­ству, в том числе в Международном союзе экспертов и лабораторий в области строи­тельных материалов, систем и конструкций (РИЛЕМ), в рамках которого создан и фун­кционирует специальный комитет ТС-1 97 «Нанотехнологии в строительных матери­алах». В 2005 г. этот комитет организовал и провел в Испании уже второй междуна­родный симпозиум «Нанотехнологии в строительстве» с участием известных спе­циалистов в этой области. В 2006 г. издан сборник трудов этого симпозиума, вклю­чающий в себя 43 доклада, тематически разделенных на четыре части.

Аналогичный комитет ТС-229 «Нано­технологии» с более широким охватом об­ластей применения функционирует и в рамках крупнейшей международной орга­низации по стандартизации ISO.

Для условий и специфики российско­го строительства исследования и разработки на наноуровне только в обладсти коррозии и морозоустойчивости могут дать совершенно потрясающий эффект ведь от этого зависит долговечность наи­более дорогостоящих инфраструктурных инвестиций общества. Отрадно отметить, что и российские академические и строи­тельные научно-исследовательские и учебные организации стремятся не отставать от своих зарубежных коллег. Среди них Курчатовский институт, Институт ме­дико-биологических проблем РАН, МГСУ, БГТУ, Научный центр прикладных иссле­дований Объединенного института ядер­ных исследований в г. Дубне, где разра­ботано сверхжаропрочное стекло, кото­рое одновременно выполняет роль гене­ратора электроэнергии за счет использо­вания солнечных лучей и т. д. Для разви­тия отечественной науки в этой сверхчув­ствительной области представляется пер­воочередным и чрезвычайно важным со­здать и оснастить лаборатории современ­ными приборами и оборудованием и, что ещё важнее, подготовить кадры молодых и амбициозных ученых и специалистов соответствующих областей. Для скорей­шей ликвидации сложившегося пробела представляется целесообразным органи­зовать стажировки молодых отечествен­ных ученых в наиболее продвинутых на­учных центрах за рубежом.

Несмотря на значительное увеличение ресурсо- и энергопотребления новейших нанотехнологических лабораторий, повы­шение стоимости приборов и оборудова­ния по сравнению со стандартными лабо­раторными помещениями предполагается, что результаты работы новых лабораторий сделают жизнь человека существенно луч­ше, что многократно окупит все произве­денные инвестиции.

 

Предыдущая статья:О КОМБИНИРОВАННЫХ ВАКЦИНАХ Следующая статья:Общие принципы, задачи по развитию нанотехнологий в строительстве.
page speed (0.0383 sec, direct)