Разработки в сфере нанотехнологий ведутся
давно. Еще в 1981 году был создан туннельный микроскоп, позволяющий
переносить отдельные атомы. В России, как и в Беларуси, применение
нанотехнологий только начинается, но уже сегодня можно говорить об
определенных достижениях в этой области.
Об исследованиях на наноуровне в
производстве бетонов «Строительной газете» рассказали наши российские
коллеги - Ю.ЧИСТОВ, доктор технических наук, профессор МГСУ и
А.ТАРАСОВ, научный сотрудник ГУП «НИИМосстрой».
Нанотехнологии позволяют «конструировать» молекулы
по заранее спланированному сценарию. При этом всеми процессами можно
управлять и строго контролировать. Мы стремимся к созданию
поликристаллического мелкозернистого строения материала. Одним из путей
этого может служить увеличение дисперс¬ности зерен.
Дробление исходного материала сопровождается
снижением числа опасных дефектов, что приводит к возрастанию прочности.
Отсюда открывается прямая дорога к получению и использованию
наночастиц. Однако необходимо помнить, что вышесказанное долж¬но быть
подкреплено межчастичным взаимодействием на уровне химических связей.
Процессы гидратации минералов цементного клинкера и
возникновение продуктов гидратации - это есть не что иное, как
построение на наноуровне новых веществ. Этими процессами мы можем и
должны управлять. Это своеобразная «сборка» наночастиц в наносистемы и
нанообъекты.
Твердение портландцемента происходит за счет
химического взаи¬модействия (гидратация и гидролиз) минералов клинкера
с водой. Это общепризнанный факт. Результатом этих процессов является
образование сложных по составу кристаллогидратов. Они со временем
сращиваются и образуют пространственную решетку, которая обеспечивает
прочность цементного камня.
С точки зрения нанотехнологии представляется
уместным рассмотреть вопрос образования продуктов гидратации основных
минералов клинкера и отметить пути формирования нужных наносистем.
Продукты взаимодействия трехкальциевого силиката в
первые минуты представляют собой силикагель, высокоосновный
гидросиликат - двуводный трехкальциевый силикат (С35Н2). Эти
неустойчивые (мета-стабильные) новообразования постепенно превращаются
в гидросиликаты сложного состава типа n CaO xSi02 уН2О.
При обычных условиях они образуются преимущественно
в виде ЗСаО 2SiO2 ЗН2О. Если же в системе щелочность среды изменяется,
то гидросиликаты тут же реа¬гируют на это и изменяют свой состав. Это
обстоятельство является важным фактором регулирования вида продуктов
гидратации. При концентрации гидрооксида кальция в жидкой среде (в
расчете на СаО) от 0,05 до 1,1 г/л возникают новообразования типа
(0,8...1,5) CaOSi02 (1...2,5) H2O. При этом основность этих продуктов
будет тем выше, чем больше концентрация СаО в жидкой фазе.
Гидратация двухкальциевого силиката идет аналогично вышеописанной, но медленнее.
Результатом взаимодействия трехкальциевого алюмината
с водой в зависимости от температуры и щелочности среды, влажности,
длительности твердения и присутствия таких продуктов, как СаС03; CaCL;
SiO2; CaS042H7O и некоторых других могут быть такие новообразования:
ЗСаО AI2O3 (10-12) Н2О; 4СаО AkO3 1 ЗН,0; ЗСаО AI203
xSi02 (6-12) Н2О; 3СаО АI2О3-Са СI2 I ОН2О; ЗСаО AI2O3 CaCI2 1OH2O;
3CaO AI2O3 (30-31) Н2О; ЗСаО AI203 CaS04 I 2Н20; ЗСаОАI203-6Н20.
Возникающие кристаллы новообразований могут иметь
разную форму: пластинчатую, кубическую, гексагональную, игольчатую,
сферическую. Характерно, что каждой форме присущи свои отличные от
других свойства.
Четырехкальциевый алюмоферрит при гидратации обычно
дает ЗСаО АI2О3 6Н2О и СаО Fe2O ЗН20. В условиях повышенной щелочности
жидкой фазы возможно образование 4СаО Fe2O3 I ЗН2О. Характерно, что
гидроферриты как и гидроалюминаты способны образовывать комплексные
соединения с CaSO4 2H2O; CaCI2; SiO2 и др., а значит и иметь разные
свойства.
Наиболее простым соединением можно признать C2SH2,
кристаллы которого имеют форму приз¬матической пластинки. Хотя этот
продукт и имеет четко выраженную кристаллическую структуру, но не
придает цементному камню высокой прочности. По этой причине желательно
уменьшить или совсем исключить его образование.
Другое дело тобермориты, имеющие сложную структуру
(5CaO6SiO2-5H2O). Гидросиликаты кальция, составляющие основу
твердеющего цементного камня, типа C-S-H(I) или CSH(B) с более развитой
структурой характеризуются высокой прочностью, которая обеспечивается
прочными химическими связями. Эти гидросиликаты называют еще
низкоосновными, так как отношение CaO/SiO2 меньше 1,5. Гидросиликаты
типа C-S-H(II) или C2SH2 - высокоосновные, где отношение CaO/Si02
больше или равно 1,5.
Кристаллы низкоосновных гидросиликатов представлены
в виде тонких пластинок, толщина которых около 2...3 молекулярных
слоев, или 2...3-1 0~3нм, а ширина порядка 50-102 нм. Длина таких
пластинок достигает от нескольких десятков до нескольких сотен
нанометров. Удельная поверхность пластинок колеблется от 250 до 380
м2/г. Повышение основности сопровождается изменением формы кристалла,
который скручивается и образует волокно, а иногда пучки.
С точки зрения потребителя, низкоосновные
гидросиликаты более предпочтительны, так как для них характерна более
высокая прочность. Высокоосновные же гидросиликаты имеют меньшие
прочностные показатели.
Объяснением этому может служить следующее
обстоятельство. У низкоосновных гидросиликатов система насыщена
элементами с более высокими ковалентными связями. Здесь присутствуют
более сильные кремнекислородные анионные связи. В высокоосновных же
гидросиликатах преобладают кальцийкислородные ионные связи, что
приводит к снижению прочностных свойств цементного камня.
Основная масса продуктов гидратации цемента при
температуре менее 100°С возникает в виде гелевидной массы, которая
состоит в основном из субмикроскопических частиц, размер которых
колеблется от 5 до 20 нм. Необходимо обратить внимание на то, что
гелевидные частицы новообразований есть не что иное, как
кристаллическая масса, но из-за высокой дисперсности она
характеризуется коллоидными свойствами.
В гелевидной массе содержатся также и
непрореагировавшие частицы цемента, и хорошо оформленные крупные более
500 нм кристаллы оксида кальция.
Автоклавная обработка, и особенно длительная,
сопровождается резким увеличением размеров частиц новообразований. Их
можно видеть даже в оптический микроскоп.
Приведенные сведения лишний раз подтверждают, что
процессом образования продуктов гидратации цементного клинкера можно и
нужно управлять на атомно-молекулярном уровне и получать необходимые
свойства цементного камня и бетона.
Помимо рассматриваемых в статье вопросов, связанных
с нанотехнологией в области производства вяжущих веществ и бетонов,
сегодня начали внедряться в производство бетона различные наносистемы
типа углеродных трубок, дающие неплохие результаты.
Представляют практический интерес с точки зрения
нанотехнологии и такие приемы, как механохимическая активация вяжущих
веществ в роторно-пульсационных и вихревых гидрокавитационных
установках, дезинтеграторах и др., использование активированной воды.
Подобные технологические приемы заслуживают самого пристального
внимания и изучения и имеют полное право на самостоятельное
существование.
Все это указывает на важность проблемы повышения
качества бетона и строительства в целом. По всей вероятности, в
ближайшее время мы будем свидетелями создания бетонов нового типа с
новыми уникальными свойствами.
Наномир затвердевшего цемента и бетона нами изучен
пока мало. Дальнейшее изучение и познание его открывает дорогу в
наноэру, в которой будут господствовать качество, энергосбережение,
долговечность и безопасность.
Однако следует признать, что многим
фундаментально-теоретическим разработкам в области физико-химии вяжущих
веществ, коллоидной химии, физико-химии дисперсных систем, выполненных
на уровне нанотехнологии, в том числе и российскими учеными, у нас пока
не придан прикладной характер. Сегодня практика внедрения передовых
научных достижений недопустимо и неоправданно отстает от теоретических
достижений в области строительного материаловедения. Это приводит к
нерациональному расходованию сырья, энергоресурсов, снижению качества
строительных материалов, сокращению сроков эксплуатации строительных
объектов и затормаживанию темпов развития строительной отрасли.
Назрела острая необходимость исправления
существующего «перекоса» путем организации изучения нанотехнологий в
учебных заведениях строительного профиля и создания специализированных
научно-производственных лабораторий и полигонов. Без глубоких
фундаментальных и прикладных работ и знаний в этой области говорить о
создании современных и прогрессивных технологий не приходится.
Источник: БСГ «Строительная газета» от 27.11.2007 г.
