Недавно на проходившей в Москве выставке CityBuild состоялся круглый стол на тему «Нанотехнологии в строительстве», где собравшиеся с интересом узнали о практике внедрения нанотехнологий при производстве бетона, стекла, и других строительных материалов.
По мнению экспертов, верхняя планка при разработке бетонов — сделать материал не только надежным, гидронепроницаемым, долговечным, но также еще и самоочищающимся. Мысль очень верная, хотя больше похожа на мечту. Такие помыслы приходят в голову, когда идешь по старому району Москвы, и видишь отштукатуренные фасады с прекрасной лепниной, которые последний раз мыли и обновляли если не при царе, то вскоре после него…
А вот у здания, построенного в Риме из белоснежного бетона (точнее это железобетон, но железа не видно), полученного с использованием нанотехнологий, таких проблем быть не может, поскольку бетон имеет функцию самоочищения. В состав цемента входят наночастицы диоксида титана. Поверхность бетона, замешанного на белом наноцементе, способна самоочищаться благодаря фотокатализу.
Правда, в очистке здания также участвует солнечный свет: в лучах солнца диоксид титана работает как катализатор, ускоряющий химическую реакцию. В результате загрязнители разлагаются на кислород, соли, воду и другие вещества. Эффект состоит в том, что в результате химической реакции поверхность бетона становится гидрофильной, водоотталкивающей, а грязь, «разложенная» путем катализации, отторгается от поверхности и просто смывается дождем. И так постоянно, поскольку солнечный свет и дожди – это нормальные регулярные явления природы, и, в тоже время, «самоочистители» для здания из нанобетона.
Стоит отметить, что эксперименты с самоочищающимися поверхностями зданий пока проводят, в основном, за границей. Во всяком случае, готовых объектов не так уж много. Для примера эксперты приводят Большой Национальный театр в Пекине, имеющий под сферическим куполом, построенным из стекла и бетона, театр, оперу и концертный зал, то есть три самостоятельные площадки.
Кроме того, под общей сферической кровлей расположены выставочные залы, магазины и рестораны. Однако Пекинский Национальный театр примечателен не только самобытной архитектурой и «вместительностью жанров», но и самоочищающейся поверхностью купола. Его прозрачная куполообразная кровля всегда чиста, поскольку покрыта тонкой пленкой, сделанной из наночастиц диоксида титана. Купол самоочищается «по той же схеме», что и здание из белого бетона. В лучах солнца происходит фотокатализ, а затем всю грязь, разложенную в результате химической реакции «на частицы», смывает очередной дождь.
К этому стоит добавить, что здание театра построено посередине искусственного озера, а стеклянная поверхность кровли-купола, в результате регулярного самоочищения, всегда остается прозрачной. Через многослойное теплоизоляционное стекло, которым выложен весь купол, можно увидеть, что происходит внутри. Все это смотрится замечательно, тем более что действо разворачивается посредине искусственного озера.
По мнению экспертов, производство наностекла и самоочищающегося нанопокрытия для стекол – направление очень перспективное. Оно, безусловно, будет широко развиваться. Уже сейчас на рынке появились окна, которые не нужно мыть, поскольку в результате описанных выше реакций всю грязь смывает дождевая вода. Правда, теперь и дождь не очень-то чистый, но в любом случае он зальет даже вымытое стекло, и нет никакой возможности мыть окна после каждого дождя.
Мыть окна – это не самое сложное. Все больше в Москве и других крупных городах появляется зданий-«аквариумов», которые имеют полностью прозрачный фасад. Разумеется, там использованы не простые стекла, а материал особой прочности, однако его светопрозрачность ко многому обязывает. Налет грязи на стекле сводит на нет пафосную респектабельность прозрачных зданий. Их надо постоянно мыть, а это слишком дорого и сложно. А потому самоочищающееся нанопокрытие для прозрачных фасадов – это гарантия их востребованности в градостроительстве.
Кроме фасадов есть еще одна область, где нужны постоянно чистые стекла – солнечные батареи. Их, как правило, устанавливают на кровле, часто на скатной кровле коттеджей, а потому для «простой хозяйки» солнечные коллекторы не очень-то доступны. В тоже время налет грязи сильно снижает эффективность солнечных батарей. Специалисты считают, что в ближайшее время производители солнечных коллекторов будут активно использовать наноэффект самоочищения при производстве продукции, поскольку в Израиле открыта весьма перспективная методика изготовления «солнечных» стекол.
В основе технологии лежит способ упорядочения микроскопических (точнее говоря, в обычный микроскоп их вообще не видно) пептидных нанотрубок. Дело в том, что трубки имеют плоскую поверхность, которая совершенно не намокает. Если собрать поверхности пептидных нанотрубок в единый слой, то капли воды будут скатываться, совершенно не оставляя следа, но увлекая за собой частицы пыли. Как сказано выше, процесс очищения происходит не только с пылью, но и с въевшейся грязью, которую самоочищающаяся наноповерхность расщепляет на отдельные частицы в процессе катализа.
Однако израильские ученые работали по узко специализированной проблеме: в пустынных районах Израиля много солнца, очень много солнечных батарей, поскольку там это основной источник энергии, и предостаточно песочной пыли, которую ветер наметает на стеклянную поверхность коллекторов. А потому ненамокающая поверхность, которую можно получить с помощью пептидных нанотрубок, как раз и должна решить проблему очистки солнечных батарей.
Углепластики
Один из композиционных наноматериалов, выпуск которых успешно освоен в России, – это углепластик. Материал имеет различное применение, в частности его используют для производства подшипников и других механизмов, однако строительная отрасль также взяла углепластик на вооружение. В рамках подготовки к Олимпиаде, в Сочи из углепластика построили мост.
Основная достопримечательность сооружения состоит в том, что мост красив при включенной подсветке. Особенно впечатляют прозрачные перила, отсвечивающие алмазами. Разумеется, зерен алмазов там нет, поскольку в состав материала включены наноалмазы. По оценке экспертов, каркас необычного моста выполнен из композитного материала, в состав которого входят нанотрубки и медь. Медные включения придают углепластику огнестойкость, а углеродные трубки уменьшают деформацию материала.
К этом стоит добавить, что конструкция имеет небольшой вес. Мост предназначен исключительно для пешеходов, имеет износостойкое покрытие, содержащее углеродные волокна и нанокарбиды. По мнению экспертов, производители наноматериалов сделали грамотный шаг в сторону развития нанотехнологий. Новый мост — это и подарок городу Сочи к Олимпиаде, и своего рода демонстрация имеющихся достижений в области нанотехнологий в строительной отрасли.
Пеностекло
Пеностекло – это еще один наноматериал, который все больше отвоевывает свою нишу на строительном рынке. Как нередко бывает, новый материал стартовал в западных странах. Пеностекло — это утеплитель, который имеет функции стекла, а также ряд преимуществ по сравнению с широко распространенными утеплителями. В частности, эксперты отмечают отличия отечественного пеностекла от западных образцов. В России наладили производство пеностекла из стеклобоя, что существенно удешевляет продукцию, поскольку пеностекло можно производить из отходов стекольной промышленности.
Битое стекло смешивает с реагентами, и измельчают до столь мелкой фракции, что материал попадает в разряд нано. Полученную массу нагревают, после чего на поверхности образуется тончайшая нанопленка. Она, во-первых, придает материалу особую прочность, а во-вторых, позволяет пеностеклу «дышать», что совершенно не характерно для обычных стекол, но свойственно теплоизоляционным материалам. Однако эксперты подчеркивают, что не всякое пеностекло пропускает пар. «Умение дышать» – это необходимое качество для ограждающих конструкций, но в некоторых случаях востребованы другие свойства пеностекла.
Этот материал выпускают с большим диапазоном плотностей. В пеностекле заключено огромное количество микроскопических ячеек, которые, благодаря особой технологии производства пеностекла, вовсе не ухудшают прочностные качества материала. Пеностекло может сочетать в себе свойства гидро- и теплоизоляционного материала. Его используют для утепления кровли, фасадов, на парковках и даже при сооружении плавучих конструкций.
В отличие от традиционных, наиболее распространенных утеплителей (пенополистирола и минеральной ваты), которые обычно обкладывают мембраной или иными влагозащитными пленками, чтобы они не отсыревали, и не теряли своих эксплуатационных качеств, пеностекло в подобной «заботе» не нуждается, поскольку сам по себе утеплитель водонепроницаем.
Эксперты уточняют, что пеностекло представляет собой легкий и прочный мелкопористый материал. Образно говоря, это «мелкораздробленная» стеклянная пена, которая в некоторых случаях (как сказано выше) имеет дробление до размеров нано. Хотя, разумеется, столь мелкая фракция пеностекла больше востребована для самоочищающихся поверхностей, а «просто утеплитель» может иметь и другие характеристики.
В частности, для пеностекла свойственно хорошее шумопоглощение. Как любое стекло, этот материал совершенно не горючий, при расплавлении не выделяет газов. Кроме того, пеностекло устойчиво к кислотам и различным испарениям, оно не впитывает запахи, а потому этот материал безопасен для утепления «химически агрессивных» объектов. Эксперты подчеркивают, что пеностекло разрешено к применению на атомных электростанциях. Кроме того, материал удобен в эксплуатации, поскольку пеностекло легко обрабатывается, из него можно изготавливать фасонные изделия практически любой формы.
Нанодревесина
Конечно, понятие древесина с приставкой нано звучит несколько странно, если учитывать, что дерево – исключительно природный продукт, а не какой-нибудь композит, намешанный по замыслу человека. Однако нанотехнологии все же добрались до древесины, путем ее измельчения до уровня наночастиц и создания на основе глубоко переработанного материала клееной нанопродукции.
Разумеется, производству нанодревесины предшествовал длительный процесс испытаний. Древесину, «растертую в нано», подвергли вакуумной сушке, а затем намешали со специальной пропиткой. Эксперты подчеркивают, что над разработкой и усовершенствованием нанодревесины трудятся многие НИИ, один из результатов получился таким. Специалисты разработали технологию, позволяющую в едином производственном цикле, в процессе вакуумной сушки, пропитки и обработки получать нанокомпозит древесины. Кроме того, в рамках технологии, из сибирской лиственницы производят вытяжку особых веществ: арабиногалактана и дигидрокверцетина.
Тут стоит отметить, что вытяжки со сложными названиями полезны не только для строительной индустрии, но и в качестве лечебного средства. Высокая молекулярная масса, способность легко растворяться в воде и образовывать раствор с низкой вязкостью делает вытяжки отличной «подкормкой» для полезной флоры кишечника. Кстати, получение арабинагалактана и дигидрокверцетина также относят к области нанотехнологий, но, разумеется, когда речь идет о лекарствах, подразумевают использование нано в медицине. Тут на лицо редкий случай, когда одни и те же нановещества можно применять как лекарства (или как пищевые добавки) и как добавки к строительным материалам.
Специалисты подчеркивают, что способность арабиногалактана легко проникать через капилляры в растительную или животную ткань (что и происходит, когда вещество используют как лекарственное средство) востребована также в технике и строительстве. Арабиногалактан образует нерастворимые нанокомпозитные комплексы с нерастворимыми молекулами различных веществ.
А потому в промышленности востребованы клеящие свойства нанокомпозита, в частности, для пропитки бумаги. Однако новая технология позволяет использовать арабиногалактан и дигидрокверцетин (о его свойствах – ниже) для производства деревокомпозитных материалов, сделанных, например, из лиственницы низкого качества. То есть можно переносить вытяжку, взятую из одного, более дорогого древесного материала — в другой, более дешевый. Благодаря новой технологии получается, что можно «заимствовать» хорошие эксплуатационные свойства у ценной древесины и передавать их недорогому древесному сырью.
Второе вещество дигидрокверцетин, извлекаемое в виде вытяжки из нанодревесины, является сильным антиоксидантом. Дигидрокверцетин обладает способностью захватывать свободные радикалы и биологических тканях (в том числе, в древесине) и таким образом предотвращать процессы окисления и гниения. Кроме того, дигидрокверцетин блокирует горение материала, а потому является одним из компонентов, повышающих противопожарные свойства древесины. Кроме того, дигидрокверцетин используют, например, для предотвращения биологической коррозии внутри трубопроводов, а также на поверхностях других материалов, где востребовано данное свойство.
Эксперты отмечают, что действуя по новой технологии, в процессе сушки сибирской лиственницы, два описанных выше вещества извлекают в комплексе. А именно, извлеченный водный экстракт содержит молекулу дигидрокверцетина, заключенную внутри макромолекулы арабиногалактана. Таким образом, как сказано выше, после модификации столь необычный наноматериал применяют для пропитки малоценной древесины. После чего повышается ее качество и цена.
Нанотехнологии в дорожном строительстве
Некоторые направления внедрения наноматериалов уже имеют свою «историю эксплуатации», поскольку применение наномодификаторов началось более пяти лет назад. На сегодняшние день работают предприятия, и активно расширяется производство по выпуску нанокомпонентов, которые добавляют в дорожное покрытие, после чего оно делается надежным, долговечным и достаточно упругим. Любопытно, что сырьем для производства наноматериала служат старые автопокрышки (не удивительно, что дорожному полотну свойственна упругость). Вот уж действительно, нескончаемый сырьевой придаток к автодороге. Сколько будут строить дороги, столько в избытке будет отработанных автопокрышек…
И как только не пытались пристроить во «вторую жизнь» отработавшую «машинную обувку». Сколько «украсили» городских дворов, используя выкрашенные «колеса с цветами», вместо изящных уличных кашпо. Толи не знали коммунальщики куда девать старые покрышки от своих машин, толи всерьез хотели дешево и сердито облагородить подведомственные дворы.
И вот, наконец, научились размалывать покрышки в труху (то есть до состояния наночастиц), изготавливать специальный компонент и добавлять его в дорожное покрытие. Но самое главное, уже можно подвести первые итоги. По мнению специалистов, дороги, построенные несколько лет назад, выдержали испытания. Их сравнили с трассами, аналогичными по нагрузке, построенными в тот же период, по строго выдержанной технологии, но без использования нанодобавок. После чего эксперты пришли к выводу: «нанодороги» выстояли лучше.
Сравнивали и отдельные характеристики дорожного полотна. По мнению экспертов, во-первых, «нанополотно» на пятый год эксплуатации осталось практически как новое. В среднем, благодаря использованию нанодобавок, долговечность покрытия повышается примерно на треть, по сравнению с обычным асфальтом, предназначенным для дороги с аналогичной транспортной нагрузкой. При этом способность покрытия переносить осенне-зимний период, выдерживать замораживание и оттаивание, примерно в 10 раз лучше у того полотна, в которое добавили наномодификатор, сделанный из отработанных автопокрышек.
Эксперты подчеркивают, что основные дефекты нового дорожного полотна как раз и проявляются после весеннего паводка, когда водой иной раз вымывает солидные куски асфальта. Тогда все вспоминают классику о извечных российских бедах, ругают дорожников, а также чиновников, потративших бюджетные деньги. Впрочем, деньги на ремонт – это особая беда российских дорог. Очень часто их окончательно распределяют ближе к осени, когда свежее полотно обильно поливает дождями.
Конечно, есть скептики, которое уверяют, что «нанодорогу» строили посуху, по строго выдержанной технологии, и если бы так строили обычные дороги, то вид транспортных артерий после пятилетней эксплуатации также радовал глаз. С другой стороны, за последние годы построено уже достаточно дорог с использованием наномодификаторов, и не всегда клали полотно в идеальных условиях. Поэтому специалисты считают, что эффект от использования «нанопокрышек» безусловно есть.
Впрочем, добавление наномодификаторов в асфальтовое дорожное полотно было только первым шагом, за которым последовало усовершенствование асфальтобетонных покрытий. Особый акцент сделан на магистралях, эксплуатируемых в условиях избыточной нагрузки, где движение большегрузных автомобилей имеет высокую интенсивность. Эксперты подчеркивают, что в настоящее время, говоря образно, машин больше чем дорог, и не только в Москве. Почти 50 процентов трасс федерального значения перегружены, то есть «перевыполняют» свой нормативный ресурс, и, соответственно, уменьшается их запас прочности, появляется колея, быстро разрушается покрытие.
Введение наномодификаторов, в состав которых входят эластомерные наночастицы (это и есть продукт переработки старых автопокрышек) делает асфальтобетон более пластичным. В частности, наночастицы препятствуют образованию трещин на дороге, которые (особенно если это слишком нагруженная трасса) подвергаются серьезной деформации на изгиб. Таким образом, благодаря использованию наномодификатора в составе асфальтобетонных смесей увеличивается прочность дорожных покрытий, их устойчивость к образованию колеи и растрескиванию. Эксперты считают, что особый эффект достигается при эксплуатации дороги в зимнее время, так как при низких температурах наномодификатор еще больше снижает усталостное напряжение в асфальтобетонном покрытии.