На основе обобщения результатов исследований оценивается экономичность использования нанотехнологий производства строительных материалов с применением углеродных нанотрубок и структурированной воды.

В последние годы в России осуществляется переход от фундаментальных исследований к активному освоению нанотехнологий реальным сектором экономики. На Федеральную целевую программу развития нанотехнологий решено потратить до 2010 г. 30 млрд. руб. Потенциальный рынок нано-продукции по России и СНГ составляет около 10 млрд. долларов. В странах «золотого миллиарда» рынок наноматериалов и нанотехнологий в настоящее время оценивается в 2,5 млрд. евро, а к 2010 году, по прогнозам экспертов Еврокомиссии, он достигнет 100 млрд. евро.

Уже сегодня отдельные российские разработки в области наноструктурирования востребованы рынком. Впервые в мировой практике в России создана и аттестована специальная трехмерная структура - эталонная мера. Эталонная лазерная интерферометрическая система измеряет наноперемещения в диапазоне от 1 нм до 10 мм с абсолютной погрешностью 0,5 нм. Не имеющие мировых аналогов силовые нанопозиционеры, позволяющие перемещать макрообъекты массой в тонны на нанорасстояния, приобретены Национальным бюро мер и весов Франции [1].

Внедрение нанотехнологий дает наиболее весомые, прорывные экономические и научно-технические результаты в производстве продукции авиакосмического, машиностроительного, станкоинструментального, медицинского, горнодобывающего, перерабатывающего назначения и ТЭК.

Среди нанотехнологий и наноматериалов, пригодных для использования в строительстве и ЖКХ, можно отметить следующие.

Наноструктурированные металлы с повышенной прочностью и твердостью. Объем производства и продаж поворотных резцов с наноструктурированными твердосплавными наконечниками для фрезерования асфальтобетонов (разработчик ИЦ РИА «Передовые технологии») за последние годы достиг 90 млн. руб. только по России и СНГ.

Применение взамен обычных ламп накаливания желтых и синих светодиодов, имеющих время наработки на отказ десятки тысяч часов, уменьшает энергопотребление в 5-7 раз. При переходе на такие источники освещения за год экономится столько энергии, сколько необходимо для того, чтобы не строить новые электростанции в течение 30 лет.

Фильтры из нановолокон и нанотрубок, с высокой эффективностью очищающие воду от бактериофагов (вирусов). Жидкости, содержащие наночастицы металлов и обладающие намного большей теплопроводностью, что позволяет их использовать в качестве теплоносителей в системах охлаждения.

Покрытия из наноструктурированных материалов, обладающие способностью к самоочищению под действием солнечного излучения, что открывает перспективы производства самоочищающихся строительных материалов.

Высокопрочные высокопроводные Cu-Nb провода с уникальным сочетанием свойств: прочностью от 800-900 МПа при электропроводности 80-85% IACS до 1100-1500 МПа при 55-75% IACS (IACS - Международный стандарт отожженной меди, где 100% IACS=1,7241 мкОм-см).

Нанокомпозиты твердых веществ с повышенной способностью аккумулирования водорода и высокой проводимостью ионов, что важно для миниатюризации батарей, источников электропитания и развития водородной энергетики и т. д.

В целях определения перспектив развития нанотехнологий в строительной отрасли представляется необходимым (хотя бы в первом приближении) оценить экономическую эффективность разработки и внедрения различных нанотехнологий в производство строительных материалов.

Прежде чем перейти к такой оценке, необходимо конкретизировать понятие нанотехнологий, которое по-разному трактуется многими авторами.

Так, некоторые авторы обычное продолжительное механическое измельчение исходного сырья рассматривают как способ получения наноструктур. Однако электронно-микроскопическое исследование продуктов помола показывает, что механическое измельчение имеет границы, при переходе которых частицы измельчаемого вещества слипаются, сталкиваясь друге другом, что приводит к динамическому равновесию размол <=> агрегация с характерным микронным (субмикронным) размером частиц [2]. С учетом этого получение наноразмерных частиц предполагает реализацию других способов, которые можно разделить на 4 группы:

- химические реакции в растворе или газовой фазе;

- конденсация в газовой фазе путем первоначального испарения;

-твердотельные химические реакции или имплантация ионов;

-нуклеация из растворов и расплавов или золь-гель-превращения (коллоидные кластеры) [2].

При этом, как отмечают многие авторы, любую химическую реакцию нельзя рассматривать как нанотехнологию. По мнению ряда авторов, в настоящее время возможности ученых-материаловедов по использованию нанотехнологии при разработке строительных материалов нового поколения и модифицированию традиционных композитов весьма ограничены [3].

Принципиальным отличительным признаком нанообъекта (один из размеров которого не превышает 100 нм) является зависимость хотя бы одного его физического, химического или любого другого свойства от наноразмера.

Принципиально новые свойства наноматериалов связаны, прежде всего, с квантованием энергетического спектра квазичастиц в нанообъектах и структурах пониженной размерности, что особенно ярко проявляется в фундаментальном изменении свойств полупроводников, магнетиков, органических и углеродных материалов, молекулярных ансамблей. Многие кардинально отличные свойства наноматериалов в сравнении с объемными материалами того же химического состава обусловлены эффектами многократного увеличения доли поверхности нанозерен и нанокластеров (до сотен квадратных метров на грамм). С этим связаны новые свойства многих конструкционных и неорганических наноматериалов. Одним из перспективных направлений является использование наноуглеродных структур (углеродных нанотрубок и фуллеренов) для осуществления направленного структурообразования строительных композитов. Их можно использовать не только как центры кристаллизации, но и как объекты, изменяющие направление и регулирующие скорость физико-химических процессов в твердеющих материалах.

Очевидно, что наибольший эффект от введения таких модификаторов можно ожидать при их однородном распределении в структуре композита, которое достигается только при совмещении наноуглеродных структур с жидкой фазой композита. Для материалов гидратного твердения это вода, являющаяся равноправным компонентом, свойства которого во многом определяют качество композитов [3].

В работе [3] рассматривается механизм влияния нанотрубок и фуллеренов, заключающийся в ускорении коагуляции частиц твердой фазы, уменьшении расклинивающего давления воды. При этом фуллерены образуют фрактальные перколяционные сетки, способствующие определенному структурообразованию воды. Такое воздействие приводит к образованию поверхностно-активных ионов, подщелачиванию раствора и росту эффективной концентрации пластификатора. Нанотрубки и фуллерены рассматриваются как центры направленной кристаллизации, что приводит к изменению кристаллического строения вяжущего вещества.

Стоимость очищенного однородного углеродного материала (фуллерены, тубулены, волокно, аморфный углерод) колеблется в пределах от 8 до 15 USD (США) за грамм на мировом рынке; 2-5 USD (США) за грамм в России (уровень чистоты неприемлемо низок). Себестоимость 1 грамма продукции Астраханского Госуниверситета составляет 0,91 RUR.

Конкурентоспособная рыночная цена - 27 RUR за грамм (прим. 1 USD) [4].

Наноструктурирование воды затворения наномодификатором на основе фуллероидных материалов приводит к снижению вязкости цементного теста в 1,4-1,7 раза. При этом в смесях без наномодификатора зафиксирована тенденция к повышению вязкости через 50-55 мин от начала затворения (рис. 1) [2]. Вязкость цементного теста, изготовленного на наномодифицированных затворителях, после достижения минимальных значений не изменяется на протяжении всего дальнейшего периода испытаний, что свидетельствует о лучшей сохраняемости свойств композита и большей эффективности вводимых пластификаторов.

Особый интерес представляет структурирование воды последовательно-параллельным воздействием электрического, магнитного и электромагнитного полей и/или полем продольных электромагнитных волн, кавитации воды (рис. 2), излучения монополярного генератора (рис. 3) или каким-либо иным методом [5].

Обобщение результатов поисковых экспериментов по влиянию активированной воды на прочность бетонов свидетельствует о возможности повышения прочности при сжатии бетонов на 20-35% и пенобетонов - на 50% по сравнению с образцами, затворенными обычной неактивированной водой. Оценки показывают, что предлагаемые инновации обеспечат снижение масс строящихся домов и нагрузок на фундаменты на 10-20% [5].

Следует также отметить, что в экспериментах при использовании активированной (структурированной) воды наблюдалось сокращение сроков набора бетонами распалубочной прочности. Это открывает широкие перспективы для сокращения сроков, уменьшения энергозатрат и стоимости строительства особенно при монолитном домостроении в зимних условиях. Весьма перспективным представляется совместное использование нескольких нанотехнологии, например, активированной воды, высокодисперсных исходных материалов и нанодисперсной арматуры [5].

В настоящее время в связи с недостаточным информационным обеспечением представляется возможным дать приближенную экономическую оценку лишь нанотехнологиям изготовления бетонов. В качестве исходных данных можно принять следующие:

- в 2-3-этажных домах расход цемента на 1 м2 общей площади составляет около 140 кг, а в 22-этажных - 400 кг [б];

- промышленное использование омагниченной (структурированной) воды на одном из московских заводов экономит 10% цемента [7];

-стоимость структурированной воды определяется стоимостью установки (несколько тысяч USD) и стоимостью затраченной электроэнергии, которую вследствие её малости можно не учитывать;

- стоимость нанотрубок - 27 руб/г [4];

- стоимость цемента - 3000 руб/т.

Расчеты показывают, что экономия на цементе при использовании структурированной воды составит 42 руб/м2 в 2-3-этажныхдомахи 120 руб/м2 - в 22-этажных. Следовательно, применение структурированной воды представляется экономически оправданным, но по сравнению с прорывным (на качественно новом уровне) использованием нанотехнологий в электронике, медицине и других областях, в обозримом будущем, по-видимому, не даст таких грандиозных результатов.

Применение нанотрубок при минимальной стоимости 27 руб/г и введении их в размере 0,05% от массы состава [2, 5] при принятых исходных данных представляется экономически неоправданным, т. к. увеличивает стоимость строительства. Однако в особых случаях (уникальные сооружения, слабые грунты и т. п.), учитывая возможность снижения массы возводимого сооружения, удорожание строительства за счет применения нанотехнологий будет оправданным.

Полученные результаты предопределяют необходимость поиска более эффективных нанотехнологий и более дешевых способов изготовления нанотрубок. Этот вывод основывается на экспериментальных данных, которые свидетельствуют о высокой чувствительности получаемых результатов к изменению определяющих параметров исследуемых технологий. Так, применение механоактивированного в течение 3 минут водного раствора суперпластификатора С-3 в количестве 0,05 и 0,008% по сухому веществу от массы цемента повышает пределы прочности при сжатии на 30% и при изгибе - на 43% (см. таблицу). Однако при механоактивации в течение 5 минут наблюдается существенное ухудшение свойств исследуемых бетонов [8]. К этому следует добавить, что введение 0,05% нанотрубок увеличивает прочность материала в 1,9 раза, а в количестве 3% не оказывает видимого эффекта [3]. Более того, повторяемость результатов зависит от температуры смеси и свойств воды. Использование водопроводной воды из различных источников, содержащей различное количество примесей и солей, дает отклонение результатов.

Изложенные соображения особенно актуальны для ячеистых бетонов, наноструктурирование которых уже дает высокие результаты [5, 9] и может привести к качественному улучшению их характеристик.

Библиографический список:

1. Гусев Б.В., Чеховой А.Н., Баранник Ю.А. Свидетельство подъема реального сектора экономики России/'/Интеграл. 2004, №8, с. 9-11.
2. Пухаренко Ю.В., Никитин В.А., Летенко Д.Г. Наноструктурирование воды затворения как способ повышения эффективности пластификаторов бетонных смесей// Строительные материалы, 2006, № 8, с. 11-13.
3. Королев Е.В., Баженов Ю.М., Береговой В.А. Модифицирование строительных материалов наноуглеродными трубками фуллеренами//Строительные материалы. 2006, № 8, с. 2-4.
4. Смирнов A.M. Промышленно-ориентированная технология управляемого синтеза углеродных нанотрубок. - Астрахань: Астраханский ГУ, 2006.
5. Родионов Р.Б. Инновационный потенциал нанотехнологий в производстве строительных материалов//Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, 2006, № 8, с. 72-75.
6. Эпштейн А.С. Национальные проекты и градостроительная безопасность России/Труды общего собрания РААСН, т. 1, М.-СП/ б, 2006, с. 135-140.
7. Чистов ЮЛ., Баженов Ю.М. Изготовление железобетонных изделий кассетным, конвейерным и агрегатно-поточным методами. Уч. фильм. МГСУ, 2006.
8. Федосов СВ. и др. Влияние механомагнитоактивированных водных суспензий на свойства бетона//Строительные и отделочные материалы. Стандарты XXI века, т. 2, Новосибирск, 2006, с. 214-215.
9. Ермолаев Ю.М. и др. Повышение прочности пенобетона при использовании структурированной воды//Технологии бетонов, 2006, №2, с. 54.