Воздушный нанобетон

Воздушный нанобетон материал улучшенной структуры, усовершенствованная форма бетона

Научно-технический прогресс с нанотехнологиями проникает во все сферы медицины, биомеханики, косметологии, электроники, телекоммуникаций, производства. Не минул он и строительной отрасли. Не так давно в строительстве появился нанобетон. Это – усовершенствованная форма бетона, изготовленная на основе новейших разработок.

В состав этого материала включены такие же составные компоненты и пластификаторы, как и в обычном бетоне. Различия заключаются в особенной форме переработки составных частиц новых бетонов на молекулярном уровне с помощью специального оборудования новейшего образца. Благодаря включению в состав наномодифицированных бетонов углеродных нанотрубок, диоксида титана, оксида кремния, базальтового волокна, фуллеренов, улучшаются характерные признаки материала и его способности.

Свойства воздушного нанобетона

Нанобетон, как и другая нанопродукция, обладает уникальными свойствами и характеристиками, которые дают простор для творчества архитекторам и проектировщикам. Воздушный нанобетон можно применять для строительства новых зданий и для реконструкции имеющихся построек, которые под действием времени и осадков утратили свой вид и форму. Такой бетон может проникать во все поры, заполнять пустоты, которые образовались от металлической коррозии, усадки грунта. Важным свойством нанобетона является его небольшая масса, которая дает широкие возможности для разностороннего применения в высотном строительстве. Устойчивость к изменениям температур и морозу позволяет возводить строения в условиях разных климатических условий. Наномодификаторы повышают прочность и долговечность строений. Срок службы зданий из такого материала повышается до 100-500 лет с планом в 1000 лет.

Виды наномодифицированных бетонов

В понятие воздушного нанобетона входит нескольких разновидностей наномодифицированных бетонов, которые отличаются уровнем прочности и другими характеристиками. В основном наномодифицированные бетоны подразделяются на:

• легкие;
• средние;
• высокопрочные и сверхвысокопрочные.

Из легких наномодификаторов возводят индивидуальные дома и внутренние перегородки.

Нанобетоны среднего уровня плотности наделены большой прочностью, что позволяет их применение при производстве дорог, аэродромных покрытий.

Наномодификаторы повышенной прочности применяют в строительстве высотных зданий и перекрытий, мостов, несущих конструкций, перекрытий, ферм.

ЧИТАТЬ ПО ТЕМЕ:

Добавка в бетон для водонепроницаемости – лучшее решение проблемы его разрушения с течением времени.

Что нас ожидает?

Благодаря нанобетону, планируется создание таких строений, которые будут в буквальном смысле слова «дышать» и способствовать выводу вредных компонентов наружу. Но в тоже время такие строения будут сохранять благоприятный микроклимат и тепло в помещении. Введение в бетон полимерных наночастиц будет препятствовать разрушению строений при землетрясениях, военных действиях. Уникальные свойства нанобетонов приведут к тому, что строения смогут самовосстанавливаться в различных условиях. К тому же повысится срок службы таких конструкций до 1000 лет.

Применение

Такое ожидает нас в будущем, а сегодня воздушный нанобетон дает возможность для строительства:

• высотных зданий и небоскребов с каркасом из монолитного бетона;
• частных домов любого формата;
• подземных парковок;
• метрополитенов и подземных переходов;
• большепролетных висячих мостов;
• больших торговых и выставочных комплексов, павильонов, рынков;
• шахт лифтов;
• платформ для нефтедобычи и газодобычи;
• гибридных строительных конструкций;
• дорог и подъездных путей, покрытия аэродромов.

Вывод

Воздушному нанобетону принадлежит будущее. Его применение часто связано с использованием отходов железорудной и металлургической промышленности, угледобычи, переработки камня, других материалов. Сырьевой утиль удешевляет стоимость готового наноматериала, параллельно решая вопросы экологии и безопасности. Наномодификаторы снижают состав цемента и других составных компонентов в бетонной смеси.

Назначение нанобетонов

К этой группе материалов относятся бетоны самых различных марок. Их составы и технологические процессы изготовления находятся в состоянии разработки.

Класс бетонов, объединенных наименованием «нанобетон», включает в себя несколько категорий.

• В индивидуальном строительстве и для сооружения не несущих перегородок в помещениях различного назначения используют лёгкие нанопенобетоны.
• Среднеплотные нанобетоны обладают повышенной прочностью, которая делает их перспективным материалом для сооружения мостовых конструкций, покрытий дорог и аэродромов.
• Наноматериалы с высокими и сверхвысокими прочностными характеристиками находят своё применение при строительстве шахт лифтов, разнообразных несущих конструкций в сооружениях промышленного, гражданского и жилищного назначения.

При использовании нанобетонов можно выделить два основных направления, это – реконструкция разрушенных сооружений и возведение новых зданий.

При реставрационных мероприятиях добавление вновь разработанных составов к разрушенным железобетонным элементам обеспечивает заполнение всех пор и микротрещин и полимеризацию с восстановлением прочности сооружения. Нанобетон, нанесенный на разрушенную коррозией арматуру, вступает во взаимодействие с окисленным слоем, заменяет его, восстанавливая сцепление строительной смеси и металла арматуры.

Новые материалы были использованы при реставрации Исаакиевского собора для создания наружной защиты. В сыром климате Санкт-Петербурга такая надёжная облицовка позволит продлить жизнь ценнейшим дворцам и соборам.

В России растёт производство бетонов с применением базальтового фиброволокна, на которое сверху наносят углеродные нанокластеры. Именно такой инновационный строительный материал был использован в 2007 году для ремонта моста через Волгу в городе Кимры.

Применение нанодобавок и специальных технологий даёт возможность создавать строительные материалы с заданными характеристиками в диапазоне крайне высоких параметров. Это позволяет сооружать надёжные строительные конструкции в сейсмоопасных регионах и в условиях сложного подземного строительства.

Давайте более детально рассмотрим характеристики бетона наноструктурированного легкого

• Плотность – 1,2-1,6 т/м3;
• Прочность на изгиб – 4-8 МПа;
• Прочность на сжатие – 30-60 МПа;
• Водонепроницаемость – W20;
• Водопоглощение – не более 0,4%;
• Теплопроводность – менее 0,2-0,4 Вт/(м*К);
• Морозостойкость – F300-F350;
• Огнестойкость – более 780°С.

Как видите сами, это довольно впечатляющие показатели, которые, помимо прочего, обеспечивают более длительные сроки эксплуатации изделий из нанобетона.

В чем заключается секрет нанобетона?

Мы уже упоминали, что изделия из нанобетона значительно легче, чем из обычного. Это достигается уменьшением доли вяжущего, причем показатели прочности у него лучше, чем у обычного бетона. Кроме этого, армирование в нанобетоне происходит на молекулярном уровне, что влияет не только на улучшение качества изделия, но и обеспечивает более прочное сцепление с металлическими и другими элементами строения.

Еще одним положительным моментом является тот факт, что небольшие изъяны, микротрещины и следы коррозии на таких элементах заполняются нанобетоном, что обеспечивает зданию долгие сроки эксплуатации.

В строительстве применяется три типа нанобетона:

1. Легкий;
2. Средней прочности;
3. Повышенной прочности.

Легкий нанобетон используется при строительстве небольших частных домов, подсобных помещений, для создания перегородок между комнатами и других не несущих конструкций.

Нанобетон средней прочности востребован при строительстве зданий, мостов и при сооружении дорожного полотна.

Нанобетон повышенной прочности используется для создания несущих конструкций сооружений, лифтовых шахт и там, где необходима высокая прочность.

Почему опасен дешевый бетон?

Проекты домов от 200м2;

товарного бетона и описание характеристик.

Основными показателями целесообразности использования нанобетона являются строительные конструкции, которые прошли проверку временем. Первые здания с его использованием были построены более 20 лет назад и сейчас имеют минимальный износ, не требуя дополнительного ремонта.

На сегодняшний день ведутся активные работы по усовершенствованию структуры нанобетона, что дает надежду на полную замену традиционного стройматериала во всех сферах строительной индустрии. Ведь, как вы убедились сами, преимущества нанобетона несомненны.

Использование наносиликатов

Исследования показывают, что уменьшение размеров структурных элементов, образование специфических непрерывных нитевидных структур, формирующихся в результате трехмерных контактов между наночастицами разных фаз, ведет к коренному улучшению их эксплуатационных характеристик.

Использование наносиликатов с удельной поверхностью не менее 180 м2/г, на порядок превышающей удельную поверхность микрокремнезема и новых диспергаторов-гиперпластификаторов на основе поликарбоксилатов специального молекулярного дизайна, обеспечивает достижение кардинально новых прочностей и структур цементного камня и создает предпосылки для развития ультравысокопрочных бетонов с прочностью на сжатие свыше 250 МПа, а также реактивных порошковых композитов с прочностью на сжатие около 800 МПа и прочностью на растяжение при изгибе около 100 МПа.

История создания нанобетона

Первые успешные результаты в разработке нового строительного материала нанобетона российскими учеными были получены в 1993 году. Работа велась разработчиком Андреем Пономаревым из Санкт-Петербурга и группой ученых из других городов. На данный момент в работе над созданием новых строительных материалов на основе нанотехнологий задействованы «Наноцентр» МЭИ, ООО «Нанотроника» из Москвы, НПО «Синтетика-Строй» из города Новочеркасска и петербургский НТЦ «Прикладные технологии».

Сейчас в проекте работы ведутся в двух направлениях — создание материалов для реконструкции старых сооружений и для возведения новых зданий.

В западных странах также занимаются разработкой нанотехнологий и созданием на их основе новых строительных материалов, но только российский нанобетон может использоваться при реконструкции старых железобетонных конструкций, может восстанавливать прочность конструкции.

Нанобетон, разработанный российскими учеными, при нанесении на ж/б конструкцию имеет свойство заполнять даже ее микропоры, при этом данный стройматериал полимеризуются и восстанавливает прочность конструкции. Кроме того, новое вещество может вступать в реакцию с коррозийным слоем проржавелой арматуры и восстанавливать ее сцепление бетоном. Другим немаловажным преимуществом отечественного нанобетона перед зарубежными аналогами является более низкая стоимость.

Технология и характеристики нанобетона на видео:

Структура

Нанобетон — собирательное название, которое включает в себя некий перечень материалов. Они изготавливаются благодаря различным комбинациям, которые влияют на:

• состав;
• свойства;
• цену;
• плотность;
• структуру;
• вес;
• устойчивость.

Состав обычного бетонного вещества: вяжущее средство, заполнитель, вода, некоторые добавки (пластификаторы). При создании нанобетона пластификаторы заменяют наноинициаторами. Изменения происходят на молекулярном уровне и целиком меняют структуру смеси. После использования подобной техники исключается потребность в армировании бетона. Он приобретает устойчивость к щелочи, кислотам.

Наноинициатор — полимерная углеродная труба (толщина стенки составляет всего несколько атомов). Прочность нанобетонов- 100 гигапаскалей. Чаще всего в качестве инициаторов выступают:

• диоксид титана;
• оксид кремния.

Новая эра в строительстве

Появление высококачественных и других новых видов бетона открыло эру нового поколения зданий и сооружений:

• небоскребов с каркасом из монолитного бетона,
• большепролетных мостов,
• железобетонных платформ для добычи нефти и газа на океанических шельфах,
• подземных мини-городов,
• архитектурного железобетона

и многих других сооружений, отвечающих требованиям XXI века.

Новые бетоны в полной мере отвечают требованиям рыночной экономики, а их качество позволяет решать большинство строительных задач. Кроме того, их применение способно решать важные экологические задачи, поскольку оно позволяет использовать вторичные техногенные продукты, отходы промышленности и энергетики.

Нанобетон основные характеристики

Использование группы нанометодов и широкого спектра наноматериалов в различных сочетаниях дает возможность управлять свойствами строительных смесей на основе минеральных вяжущих, которые не обязательно относятся к цементам.

Общим признаком нанобетонов является обладание определенными преимуществами благодаря специальной структуре, задаваемой на наноуровне.

Введение специальных добавок – наноинициаторов – позволяет значительно улучшить физико-механические характеристики бетона, повысив его прочность на 150%, морозоустойчивость – на 50%, снизив в три раза вероятность трещинообразования. Бетоны с нанодобавками могут выдерживать температуру до 800°С. Изготовленные из этого материала облицовочные плитки содержат в своей структуре нанотрубки, которые под воздействием кислорода выделяют атомарный кислород, обладающий бактерицидными свойствами.

Вес конструкции из такого бетона в шесть раз меньше аналогичного показателя традиционного материала.

К нанообразованиям относят:

• фуллерены, многоатомные молекулы углеродных полимеров типа С60 и С70;
• нанотрубки – молекулы, содержащие миллионы атомов углерода.

Эти молекулы можно увидеть при использовании суперсовременных атомно-силовых и туннельных микроскопов.

Фуляроиды и нанотрубки производят с помощью вольтовой дуги или лазера. Нанообразованиям придают необходимую ориентацию, которая обеспечивает им свойства полупроводников, проводников, сверхпроводников, высочайшую прочность и другие полезные качества.

Эксперты считают, что с помощью нанотехнологий целесообразно регулировать не только прочность бетона, которая в современном строительстве и так находится на высоком уровне, а уделять внимание другим свойствам, например, долговечности. В первую очередь, актуальным является решение проблемы длительного хранения сухих строительных смесей без снижения потребительских характеристик

Композиционные покрытия

После освоения МБМ в 2004 году, апробировали и испытали легкий наномодифицированный бетон в 2008 г., а в 2009 г. стали пробовать применять накопленный опыт в создании покрытий. Результатом работы стало «Самоуплотняющееся многослойное композиционное противовандально-декоративное и антикоррозионно-гидроизолирующее покрытие ЭпоксиПАН», выпускаемое по ТУ 23 1253-053-91957749-2011.

Водоотталкивающая способность строительного блока, обработанного покрытием с нанодобавками

Это интересно: покрытие не токсично и применимо для конструкций, контактирующих с питьевой водой

Характеристики

В его состав, помимо эпоксидных и других компонентов, входит и модифицированная микрофибра, и отдельные углеродные наночастицы. За счет этих нанодобавок, при нанесении покрытия начинают происходить те же процессы микродисперсного самоармирования, в результате чего поверхность основания уплотняется, и приобретает все новые свойства, присущие наноструктурированному материалу.

Чтобы покрытие проникло на большую глубину – предварительно наносят слой соответствующей грунт-пропитки. А для подготовки металлических изделий, используется специальный праймер. Таким образом, граница раздела между основанием и покрытием практически отсутствует, обработанная конструкция ведет себя как единое целое, при этом исключаются возможные локальные отшелушивания и отслоения.

Нанесение покрытия пневмонабрызгом

Обработанные конструкции приобретают множество полезных свойств, некоторые из них:

• Трещиностойкость, адгезия к бетону более 3 МПа, к металлу – 5 Мпа;
• Морозостойкость не менее F450;
• Водонепроницаемость от W18;
• Стойкость к агрессивным средам и коррозии свыше 15 лет;
• Прочность на сжатие не менее 60 МПа, а также ударопрочность;
• Повышается пожаробезопасность;
• Температура нормальной эксплуатации от -80°С до +180°С;
• Устойчивость к ультрафиолету.

Сейчас на рынке практически не найти схожих по техническим характеристикам нанопокрытий других производителей — по крайней мере, в заданном ценовом диапазоне.

Область применения

Обработка таким способом, может успешно применяться для конструкций, эксплуатирующихся в агрессивной среде, например, канализации. Металл перестаёт ржаветь, а бетон – разрушаться.

В покрытие можно добавить колер и использовать для декоративной отделки, одновременно придавая строению гидроизоляционные и антикоррозийные свойства, повышая его износостойкость.

Наномодифицированный бетонный пол на крытой парковке

Обратите внимание! Отлично подходит для поверхностей подверженных истиранию – например, пола крытых парковок, торговых центров, муниципальных учреждений и др. Если обработать им стены сооружений из пористых пено- или газобетонов, находящихся в черте города, то они приобретает антивандальную, и в целом устойчивость к городской среде

Также может выступать в роли клея и применяться для многих других целей.

Нанотехнологичные материалы уже возможно использовать для частного строительства и в быту

Арматура композитная наномодифицированная

Композитная арматура медленно, но верно вытесняет собой стальную. Это обусловлено рядом преимуществ, таких как: высокая коррозионная стойкость, долговечность, меньший вес и другие характеристики. Однако существует и ряд проблем при ее использовании. Одна из которых – низкие свойства адгезии с бетоном.

Чтобы повысить их – применяют несколько методов, например, рифление поверхности или напыление на нее песка, но это помогает лишь отчасти. Более эффективно решению проблемы способствует добавление углеродных нанокомпонентов в состав арматуры, которые увеличивают ее сцепляющие свойства с бетоном.

Применение наномодифицированной композитной арматуры

При создании бетонного раствора нередко используют различные пластификаторы и добавки для улучшения его прочностных характеристик, а также повышения морозоустойчивости или срока эксплуатации.

Новинкой на рынке представлен совершенно иной вид бетона – нанобетон, который по составу мало чем отличен привычных нам бетонных смесей.

При его изготовлении также используются вода, заполнитель и минеральное вяжущее вещество. Но технические характеристики нанобетона значительно отличаются от обычного.

Используемый пластификатор состоит из наноинициаторов. Они представляют собой микроскопические трубки, толщина которых составляет несколько микрон. Также особенной характеристикой наноинициаторов является то, что они невосприимчивы к щелочам и кислотам. Улучшение характеристик бетона происходит из-за того, что пластификатор взаимодействуют с цементом и кристаллизируется. Всё это происходит на молекулярном уровне.

Стоит заметить, что сами инициаторы довольно прочные (прочность более 100Гпа). Исходя из этого, требования по армированию конструкций при использовании данных нанотехнологий снижаются.

Характеристики нанобетона по сравнению с привычным бетонным раствором:

• прочность больше на 150%;
• вес конструкции при одинаковом объеме меньше в 4-6 раз;
• морозоустойчивость увеличена на 50%;

Нанобетон следует использовать в конструкциях, к которым установлены высокие технические требования:

• сейсмоустойчивость;
• пожаробезопасность;
• надежность.

Обладая новыми улучшенными свойствами, этот материал не нуждается в какой-либо дополнительной обработке или гидроизоляции, что удешевляет строительство объектов. Также из-за высоких прочностных характеристик обьемы бетона при укладке сокращаются на 30%.

Нанобетон – создание и развитие строительного материала

В 1993 году впервые началась разработка данного материала. Его разработчиком является Андрей Пономарев и другие ученые с разных городов. Над разработкой задействованы несколько компаний, таких как: «Нанотроника», «Синтетика-Строй» и «Прикладные технологии». В проекте образовалось две ветки направления:— для  выполнения реконструкций старых построек;— для строительства объектов, с улучшенными физическими характеристиками.

Но не только российские ученые занимаются разработкой столь инновационного материала. Работы по созданию универсального строительного материала ведутся и в западных странах. Конечно не на столь успешном уровне, но всё же данная технология получила право на жизнь в современном строительстве.

Нанобетон: будущее строительного материала

Стоит заметить что мнение экспертов направлено не на улучшение прочностных характеристик, которые к слову и так высоки, а на улучшение других параметорв, таких как долговечность. Ведь известно, что довольно распространенный портландцемент имеет ограниченный срок хранения, а если быть точным, то очень даже недолгий. А с применением нанотехнологий данной проблемы можно избежать.

Нанобетон конечно не столь доступный, как другие виды бетонных смесей, но всё же будем надеяться что через несколько лет такие технологии заполнят рынок стройматериалов и станут общедоступными.

Принцип работы наночастиц в бетоне

Экспериментировать с нанодобавками к строительным материалам начали в конце 20 века. Было замечено, что при вмешивании в состав углеродных нанотрубок в количестве от 0,001 до 0,0001% от доли расхода связующего вещества, прочностные и другие характеристики полученного материала повышаются до 40%, а по некоторым параметрам — и в 2-3 раза.

Углеродные нанотрубки

Происходит это за счет того, что нанодобавки провоцируют рост кристаллов в минеральном веществе, и их лучи, разрастаясь и переплетаясь между собой, придают материалу более высокую прочность. Этот процесс назвали дисперсным самоармированием.

При этом прочность цементного камня увеличивалась до 40%, а бетона – всего на 10%. Это потому, что для него важнее макроармирование, нежели на микро- и тем более наноуровне.

На заметку: цементный камень – это затвердевшее цементное тесто, без добавок и наполнителей. Соответственно, в бетоне – помимо воды и цемента присутствуют различные дополнительные компоненты.

На изображении: а – структура обычного цементного камня; б – камень, после добавления нанотрубок

Вторая проблема была в том, что непосредственное введение водной суспензии с нанотрубками неприемлемо для открытого производства. Так как этот способ изготовления требует лабораторных условий, при которых обеспечивается равномерное распределение микропорции наноматериала в заданной параметрами среде. В противном случае, все это может выпасть в бесполезный осадок.

Микрофотография явления агломерации астраленов на углеродных нанотрубках

Это интересно: прочность и устойчивость к коррозии, модифицированному камню придает именно сильнейшая взаимосвязь наночастиц между собой. Такая, что для разрушения ее требуется только интенсивное и длительное внешнее воздействие ультразвуком. Вдобавок, образованные связи химически устойчивы, и не реагируют ни на щелочи, ни на кислоты.

Лаборатория по производству нанотрубок в Новосибирске, Россия.

Тогда отказались от водной суспензии, и попробовали нанести наноинициаторы самоармирования непосредственно на твердый наполнитель:

• Сначала экспериментировали на песке. Результат оказался лучше: структура бетона отчасти стала меняться на макроуровне, но материал все равно был недостаточно прочным для своей себестоимости.
• Следом, вместо песка, испытали базальтовую микрофибру. Технические характеристики полученного камня превзошли все ожидания. Также выяснилось, что для такого метода можно использовать более дешевые наночастицы (астралены).
• В итоге, был разработан высококачественный прочный бетон, имеющий умеренную стоимость для применения его в строительной промышленности.

На заметку: подробнее разобраться в тонкостях нанотехнологий поможет видео в этой статье.

Сфера применения

Нанобетоны используются для базовых индивидуальных построек, преграждения помещений. В более масштабном строительстве применяются:

• в укладке дорожного полотна;
• для аэродромных покрытий;
• для спортивных трасс;
• в местах с повышенной сейсмической активностью (поскольку смесь является устойчивой к землетрясениям);
• для несущих элементов;
• в лифтовых шахтах;
• для подземных объектов в мегаполисах.

Нанобетон в строительстве дорог.

С их помощью укрепляют дома, возводят новые здания, наращивают опоры и сечения, используют вдавливаемые сваи в фундамент. Благодаря перечню качественных характеристик материала, покрытие будет более долговечным, качественным, устойчивым к механическим повреждениям, безопасным. К примеру, подобный материал был задействован при подготовке трасс к Олимпиаде в Сочи.

Наука не стоит на месте. Ученые разных стран и континентов пытаются усовершенствовать уже имеющийся материал либо найти ему более достойную замену. Не исключено, что через несколько лет воздушный материал уступит сверхпрочному лидирующие позиции.

Виды наномодифицированных бетонов

В понятие воздушного нанобетона входит нескольких разновидностей наномодифицированных бетонов, которые отличаются уровнем прочности и другими характеристиками. В основном наномодифицированные бетоны подразделяются на:

• легкие;
• средние;
• высокопрочные и сверхвысокопрочные.

Из легких наномодификаторов возводят индивидуальные дома и внутренние перегородки.

Нанобетоны среднего уровня плотности наделены большой прочностью, что позволяет их применение при производстве дорог, аэродромных покрытий.

этапы изготовления воздушного бетона (1-4)

этапы изготовления воздушного бетона (5-8)

Наномодификаторы повышенной прочности применяют в строительстве высотных зданий и перекрытий, мостов, несущих конструкций, перекрытий, ферм.

Свойства

• Особенность нанобетона — его прочность. По данному параметру он в полтора раза превосходит обычный бетон. Соответственно, качество, долговечность, условия эксплуатации также будут на стороне современного воздушного материала.
• Морозостойкость увеличивается вполовину, сравнительно с прочими видами.
• Температурный порог: минус 180 градусов — плюс 800 градусов (выдерживает экстремальное нагревание).
• Гигиеничность, бактерицидность (компонент, входящий в структуру, при контакте с кислородом образует и выделяет специальные вещества, имеющие антисептическое действие).
• Отсутствие потребности в воде как в важной составляющей вязкости.
• Масса бетонных конструкций уменьшается в несколько раз.
• Отсутствие возможности надломов, трещин и прочее.

Модифицированная базальтовая микрофибра

Армирование бетона фиброволокном позволяет повысить прочность, устойчивость к агрессивным средам и перепадам температур, и улучшить другие характеристики. Оптимальным волокном для этих целей является базальтовое.

Оно легче стального, не вызывает коррозии, и цена существенно ниже. Также во многом превосходит полипропиленовые и стеклянные микрофибры.

Имеет высокие показатели:

• прочности на разрыв;
• адгезии;
• упругости;
• термостабильности;
• истираемости;
• химстойкости.

Базальтовое фиброволокно

С появлением наномодификации, и без того выигрывающее почти по всем позициям базальтовое волокно обзавелось еще несколькими преимуществами:

• Улучшена механика работы его в материале;
• Расширен диапазон климатических условий применения.
• Модификация заключается в том, что на волокно нанесены наночастицы (углеродные астралены).

Химические процессы, ими инициированные, приводят к усилению взаимодействия микрофибры с окружающими веществами, крепко «сцепляя» весь материал между собой в единое целое.

В таблице приведено сравнение экспериментальных данных образца бетона с добавлением обычной базальтовой фибры (1) и модифицированной (2).

На заметку: замешивать ее можно небольшими порциями уже после добавления воды, но лучше заранее смешать с сухой цементной смесью.

Месторождение базальта с характерной столбчатой структурой

• Исследование проводилось для горнодобывающей промышленности, с целью понять преимущества применения нового материала. Главным критерием оценки был показатель усадки.
• При этом испытании выяснилось, что относительная деформация усадки образца, с наномодифицированной фиброй меньше на 50%. Это значит, что конструкция, в которой использована данная модификация – будет менее подвержена изменению формы при застывании и высыхании бетонной смеси.
• Также в ходе эксперимента зафиксировано, что в течение 10-15 минут перемешивания модифицированных фиброволокон, в смеси все еще наблюдались их сгустки и комки. То есть, длительность этой процедуры лучше увеличить — для обеспечения наиболее равномерного распределения волокон в объеме.

По сути, это единственный минус: в сравнении с обычной базальтовой фиброй, нет экономии времени.

Характеристики

Модифицированная базальтовая микрофибра для дисперсного армирования материалов на полимерных и минеральных вяжущих, выпускается по ТУ 5761-014-13800624-2004.

Основные характеристики МБМ

Стройматериалы, изготовленные с ее применением, обладают следующими преимуществами:

• Увеличение прочности на сжатие, разрыв, изгиб, растяжение, а также усталостной и ударной, вне зависимости от температуры среды (рабочий диапазон применения МБМ от -260°С до +750°С).
• Минимальные деформации при усадке.
• Улучшение свойств водонепроницаемости и морозостойкости, а также устойчивости к агрессивным средам и механическим воздействиям.
• Увеличивается срок службы.

Разлом фиброармированного камня

Область применения

Область применения микрофибры базальтовой модифицированной, во многом диктуется ее размером – длина волокон менее 0,5 мм. Это позволяет использовать ее не только при изготовлении пено- и газобетонов, тротуарной плитки, кирпича, материалов для торкретирования (декоративные штукатурки и пр.), но и покрытий, наносимых при помощи пневмонабрызга.

Дозировка МБМ согласно ТУ 5761-014-13800624-2004

Получается, что основным применением нанотехнологий в сфере строительства, является изобретение микрофибры базальтовой модифицированной, а нанобетон — это одна из областей ее использования.

Что же такое нанобетон

Этот вопрос вполне уместен, ведь нанотехнологии основаны на применении микроскопических частиц. Все верно, для получения нанобетона в него вносятся специальные добавки – наноинициаторы (наномодификаторы), так же имеющие в своем составе микроскопические углеводородные полимер-трубки. Несмотря на свои размеры, они отличаются крайне высокой прочностью, что придает раствору отличные эксплуатационные качества.

В чем преимущества нанобетона?

Если рассматривать характеристики этого строительного материала, то особенно хочется отметить его полную невосприимчивость к щелочам и кислотам. Кроме того его механическая прочность на 150% выше, чем у обычного, на 50% улучшена морозостойкость, а вероятность появления трещин уменьшилась в 3 раза. Не правда ли – впечатляющие характеристики? При этом вес строительных конструкций из нанобетона почти в 6 раз ниже, чем у аналогичных из обычного бетона.

В нужное время, с нужными характеристиками

Именно в период активной отработки композиции (2006-2007 гг) в ЗАО «Институт Стройпроект» проводилась работа по корректировке проектной документации по реконструкции моста через р. Волга в г.Кимры и строители столкнулись с острой необходимостью обеспечить выравнивание дорожной плиты (с неравномерностью проседания до 1,5 м) в условиях обязательного повышения судоходности за счет увеличения пролетной части. После сокращения числа опор и вызванного им увеличения длины пролетов, оказалось, что, несмотря на наличие вантовых конструкций, покрытие, выполненное из обычного бетона, чрезвычайно утяжелит конструкцию.

Принятое решение о применении легкого конструкционного бетона с отказом от выполнения утяжеляющей гидроизоляции было экспериментальным шагом, но практически единственным. Применение легкого фибробетона класса В30 с увеличенной прочностью на растяжение позволило снизить собственный вес покрытия более чем на треть.

Мост через реку Волга в городе Кимры Тверской области.

Покрытие этого моста выполнено из легкого конструкционного фибробетона на основе базальтовой микрофибры, модифицированной нанокластерами углерода.

Этот прецедент способствовал продолжению работ по совершенствованию технологии легкого нанобетона и расширению спектра его использования. Приготовление бетонных смесей на стандартных растворно-бетонных узлах, даже в условиях достаточно высокой технологической дисциплины, характерной для мостоотрядов, не позволяет вводить в смеси более одного-двух дополнительных компонентов. Таким образом, был поставлен вопрос о создании производства комплексных сухих добавок, позволяющих использовать многокомпонентную комплексную добавку в условиях уже стандартных бетонных заводов. Для решения этой задачи была спроектирована и изготовлена специализированная полуавтоматическая линия мощностью до 800 тонн добавок в месяц. Линия была введена в эксплуатацию в 2008 г.

Это позволило перейти к планированию следующих объектов, одним из которых стал реконструируемый мост через реку Вятка. Мост принят в эксплуатацию в 2008 г.

Мост через реку Вятка с дорожной плитой из лёгкого наномодифицированного бетона

Нанобетон современные технологии бетонирования

В строительстве используются разные виды бетона, в состав которых входят вяжущее вещество, заполнитель и вода. Для улучшения свойств бетонной смеси добавляют пластифицирующие добавки. Такие компоненты в бетонном растворе продлевают срок эксплуатации, повышают морозоустойчивость и устойчивость к воздействиям агрессивных сред. Молекулы пластификаторов органического и неорганического происхождения адсорбируются на цементных частицах и позволяют сократить количество воды в растворе.

При использовании пластификаторов уменьшается потребность вяжущего составляющего в воде и увеличивается подвижность бетонной смеси.

Недавно появившийся на рынке новый материал нанобетон принципиально мало чем отличается от обычных бетонных смесей. В его составе также есть минеральное вяжущее, заполнитель и вода. Только в качестве пластификаторов применяются наноинициаторы, представляющие собой микроскопические полые трубки в несколько атомарных слоев углеродных полимеров. Диаметр этих нанотрубок – всего несколько единиц микрон, но их прочность больше ста гигапаскалей. Кроме того, их достоинством является невосприимчивость к щелочам и кислотам. Когда наноинициаторы взаимодействуют с цементом, они кристаллизуются, армируя бетон и на молекулярном уровне изменяя его структуру.

Нанобетон — строительный материал нового поколения

Первые результаты по разработке и практическому применению нанобетона были получены в 1993 году исследователем Андреем Пономаревым из Санкт-Петербурга. К работе подключились коллеги из других городов, и сегодня этим материалом занимаются ученые из питерского НТЦ «Прикладные технологии», новочеркасских НПО «Полимерстрой» и ООО «Нанотроника», а также «Наноцентр» МЭИ (Москва).

В Кемеровской области, например, при производстве нанобетонов стали использовать то, что находится в изобилии буквально под рукой, точнее, под ногами, — уголь. Углеродную добавку назвали Kemerit; ее успешно применяют в материалах для возведения жилья, дорог и мостов.

Вообще совершенствование нанобетона развивается в двух направлениях: применение его в строительстве новых объектов и для восстановления разрушающихся сооружений.

Конечно, исследованием этого стройматериала занимаются и ученые в других странах. Но отечественный нанобетон, в отличие от зарубежных аналогов, способен, например, «вылечивать», казалось бы, погибающие железобетонные конструкции. При нанесении на такую конструкцию нанобетон заполняет не только ее микротрещины, но и микропоры, при этом полимеризируясь. А если проржавела арматура, этот замечательный материал вступает в реакцию с коррозирующим слоем и, замещая его, обеспечивает сцепление бетона с арматурой. Таким образом, прочность конструкции восстанавливается. К тому же российские нанобетоны значительно дешевле зарубежных.

Состав нанобетонов

Термин «нанобетон» является собирательным, он включает в себя целый ряд специализированных бетонов. При их изготовлении применяются в различных комбинациях наноматериалы, изменяющие структуру, плотность и другие свойства бетонов.

В состав традиционного бетона входят вяжущее вещество, заполнитель и вода, а также пластифицирующие добавки, улучшающие свойства стройматериала.

При производстве нанобнтонов вместо обычных пластификаторов применяют наноинициаторы, изменяющие (армирующие) структуру бетона на молекулярном уровне. Вследствие этого снижается потребность в дополнительных армирующих материалах.

Наноинициаторы — это полые полимерные углеродные трубки диаметром в несколько микрон и с толщиной стенок в несколько атомов. Но их прочность — более 100 гигапаскалей. К тому же наноинициаторы устойчивы к действию щелочей и кислот.

В качестве наноинициаторов используют также оксид кремния и диоксид титана.

Прочность нанобетона в полтора раза выше, чем обычного. Высока и долговечность этого материала.

Его морозоустойчивость выше на 50%: ему не страшны температуры до минус 150-180 ºС. Нанобетоны могут выдерживать нагрев до 800ºС.

Под воздействием солнечных лучей наночастицы диоксида титана становятся фотокатализатором, который преобразует пары воды и атмосферный кислород в атомарный кислород, обладающий бактерицидным действием.

Измененная структура нанобетона резко уменьшает потребность в воде вяжущей составляющей, что в 6 раз уменьшает массу бетонной конструкции и вероятность возникновения трещин.

Сфера применения

Свехлегкие нанопенобетоны применяются в основном в индивидуальном строительстве и при устройстве перегородок в различных помещениях.

Наноструктурированные бетоны, средние по плотности, обладают высокой прочностью и великолепными эксплуатационными качествами. Их используют при возведении мостов, в дорожном строительстве и при укладке аэродромных покрытий. Этот современный материал применялся, например, в Сочи при подготовке трасс к зимней Олимпиаде-2014. Новое бесшовное долговечное дорожное полотно обладает не только прочной основой, но и гораздо более безопасно при землетрясениях.

Разработаны и сверхпрочные наноструктурированные бетоны, применяющиеся для сооружения несущих элементов зданий, лифтовых шахт.

Сегодня проектировщики рассматривают возможность применения нанобетонов при возведении зданий в сейсмически активных зонах, а также для укрепления домов, уже имеющихся в этих зонах. Предлагается наращивать опоры, сечения, использовать вдавливаемые сваи в фундаменте, существенно повышая его надежность.

Вероятно, нанобетоны будут применяться и при строительстве подземных объектов в современных мегаполисах.

История возникновения нанобетона

Впервые результаты по применению этого нового материала были получены в 1993 году учёным из Санкт-Петербурга Андреем Николаевичем Пономарёвым. Дальнейшие работы по исследованию свойств нанобетонов проводились учёными из Москвы, Новочеркасска и других городов.

В Кемеровской области учёные создали нанодобавку для бетонов, позволяющую повысить их прочность примерно на четверть. Этот новый продукт может изготавливаться из угля и отходов многотоннажной химии. Наноструктурированная углеродная добавка была названа Kemerit, используется она в строительстве жилья, дорог, мостов и при сооружении водоканалов.

Разработкой нанобетонов занимаются не только российские, но и западные учёные. Но только материалы отечественного производства способны восстанавливать пораженные коррозией бетон и армирующие элементы при восстановлении старых сооружений. К преимуществам российского нанобетона относится и его меньшая, по сравнению с зарубежными аналогами, стоимость.

Свойства воздушного нанобетона

Нанобетон, как и другая нанопродукция, обладает уникальными свойствами и характеристиками, которые дают простор для творчества архитекторам и проектировщикам. Воздушный нанобетон можно применять для строительства новых зданий и для реконструкции имеющихся построек, которые под действием времени и осадков утратили свой вид и форму. Такой бетон может проникать во все поры, заполнять пустоты, которые образовались от металлической коррозии, усадки грунта. Важным свойством нанобетона является его небольшая масса, которая дает широкие возможности для разностороннего применения в высотном строительстве. Устойчивость к изменениям температур и морозу позволяет возводить строения в условиях разных климатических условий. Наномодификаторы повышают прочность и долговечность строений. Срок службы зданий из такого материала повышается до 100-500 лет с планом в 1000 лет.

Модификаторы свойств готового бетона

Завершают наш список добавки, способные наделять затвердевший бетон определенными свойствами. В частности, имеется в виду гидрофобизация и биоцидная стойкость.

Гидрофобизаторы

На фото – бетон, не впитывающий воду

Данный тип присадок дает капиллярам в бетоне водоотталкивающие свойства. Для изготовления таких добавок используют два класса веществ: кремнийорганические соединения в виде сухого вещества или водного раствора и нерастворимые в воде силаны, силиконы, силоксаны.

Добавок этого типа  на рынке представлено большое количество. Вы можете отыскать продукцию как отечественного, так и зарубежного производства.

Гидрофобизатор ГЖ 136-41

Возьмем в качестве примера гидрофобизатор ГЖ 136-41. Его добавление в раствор даст бетону следующие свойства:

• Пятикратное увеличение морозостойкости;
• Двукратное увеличение коррозионной стойкости;
• Отсутствие высолов;
• Высокую водонепроницаемость;
• Меньший расход вяжущего;
• Ускоренное твердение.

Биоцидные присадки

Смысл данных модификаторов ни для кого не секрет. Многие думают, что микроорганизмы не способны нанести вред бетону, но это совсем не так.

Биокоррозия бетона

• Бактерии и грибки, живущие на бетоне, постоянно выделяют органические кислоты, которые приводят к карбонизации материала и его ускоренному разрушению.
• Также микроорганизмы могут воздействовать на металлическую арматуру в толще бетона.
• Именно поэтому при приготовлении бетона в его состав вводят биоцидные добавки.

Если хотите подробнее узнать о подборе данного вида добавок можете прочесть текст вышеупомянутого ГОСТа.

Наномодифицированный бетон

В цементные смеси, для улучшения качественных характеристик готовых изделий, можно добавлять непосредственно модифицированную базальтовую фибру вместе с другими компонентами. Однако, в 2008 году (после успешного завершения реконструкции моста, см. фото ниже) разработана и запатентована оптимальная рецептура сухой смеси готовых добавок к основному составу цемент-песок-вода.

В 2007 году была завершена реконструкция моста через р. Волга в г. Кимры, где впервые в промышленных масштабах применяли БЛН

Характеристики

Бетон, изготовленный с использованием этой добавки, называется: бетон легкий наноструктурированный (БЛН) – конструкционный строительный материал, обладающий при этом малым весом. Особых условий для применения ССГД не требуется.

Высокотехнологичный прочный нанобетон может быть изготовлен своими руками непосредственно на рабочей площадке, путём добавления ССГД в автомиксер согласно инструкции.

Основные параметры полученного таким способом стройматериала варьируются в следующих диапазонах:

Физико-механические показатели легкого наноструктурированного бетона в возрасте 28 дней согласно ТУ 5789-035-23380399-2008.

Основные преимущества:

1. За счет повышенной несущей способности, при сравнительно малом весе конструкции, снижаются расходы по армированию на 30% и более. Потому как требуемый диаметр стержней будет меньше, а также меняется и схема армирования.
2. Уменьшается нагрузка на фундамент, что позволяет делать его не таким массивным. Увеличивается количество вариантов для реконструкции зданий без изменения их оснований.
3. Сооружения, построенные из БЛН, не требуют дополнительной гидроизоляции. Имеют низкую пожарную опасность. А за счет своей структуры, получаемой посредством микродисперсного армирования, значительно повышается трещиностойкость и упругость материала, и в целом надежность зданий. Рекомендовано для использования на сейсмоопасных территориях.
4. Общая экономия при строительстве из БЛН, достигается за счет упрощения и ускорения работ при возведении крупных сооружений, а также снижения затрат на транспортировку, опалубку.

Работы по реконструкции моста в г. Кимры

Область применения

Бетон легкий наноструктурированный, разрабатывался в первую очередь для применения в строительной промышленности, и соответствует всем нормам СанПиН для строительных материалов.

Пример рецептуры с добавлением ССГД и полученные технические характеристики бетона

С учетом существенной стоимости БЛН, экономически целесообразно использовать его:

• При строительстве высотных сооружений;
• В мостостроении, дорожных работах и при возведении гидротехнических объектов;
• На сейсмоактивных территориях, вне зависимости от климатического районирования.

Но при желании, применять можно и в частном строительстве, и в быту. Например, высокий показатель удобоукладываемости позволяет создавать изделия путем литья и другими способами. Так, этот материал начали использовать для изготовления оригинальных предметов интерьера, а также столешниц, моек и других изделий.

Заключение

Нанобетоны являются наиболее современности, которые используются в строительстве. Ряд характеристик, отличающих его от аналогов был приведен выше. Благодаря воздушному нанобетону, постройки могут “дышать” самостоятельно, выводить вредные компоненты наружу, сохранять свои внешние и структурные параметры на протяжении многих лет. Эксплуатационный срок данных конструкций возрос к тысяче лет. Разумеется, цена является соответствующей, и не каждый сможет позволить себе приобретение.

Микроклимат, который устанавливается в зданиях, возведенных или укрепленных нанобетоном, характеризуется эргономичными, теплосберегающими, влагоотталкивающими показателями. К тому же, любые повреждения, которые могут быть нанесены зданию, “затягиваются” сами собой (функция регенерации). Введение даже некоторого процента вещества в смесь улучшит ее показатели в несколько раз. Использование нанобетонов ограничивается только их стоимостью.

Главная слабость бетона – самого распространенного строительного материала, в том, что изделие уже на стадии изготовления приобретает микротрещины. А в процессе эксплуатации, под нагрузками, они только развиваются и сильнее раскрываются. Применение технологий наноструктурирования бетона, как раз препятствует возникновению трещин на наноуровне, а использование базальтовой фибры – на микроуровне.

Футуристическая архитектура уже доступна для воплощения

Если же еще добавить и макроармирование отдельными стержнями, сетками или каркасами – в результате получится очень прочная, с высокими показателями трещиностойкости конструкция. Таким образом, использование нанотехнологий в строительной промышленности открывает новые горизонты для самых смелых архитектурных решений. Надеемся, что наша инструкция помогла читателю разобраться, что такое нанобетон.