Рассматриваются возможные нанотехнологические приемы, позволяющие на атомно-молекулярном уровне управлять процессами структурообразования цементного камня и бетона с целью получения высококачественной продукции с заведомо заданными эксплуатационными свойствами.

Производство строительных материалов, отвечающих требованиям времени, в условиях жесточайшей конкуренции возможно только на основе современных технологий с учетом ранее достигнутых результатов.

Когда мы говорим о технологии, то следует помнить, что это не только совокупность методов обработки и изготовления продукции, это еще и наука, изучающая физико-химические, механические и другие закономерности с целью изменения потребительских свойств продукции, поиска наиболее эффективных и экономичных производственных процессов.

В последние годы не только в специальной научной литературе, но и в популярной, обращается внимание на развитие и перспективы нанотехнологии в разных отраслях промышленности и, в частности, в производстве строительных материалов, в которых компоненты имеют нанометрические масштабы. На этапе начального развития любой науки и технологии преобладает так называемое сравнительное изучение того или иного явления или процесса. Затем оно перерастает в форму прогнозирования, проектирования, дизайна и предначертанного создания нового. Так происходит и со строительным материаловедением.

Для появления новых знаний по тому или иному вопросу необходим новый уровень развития. Сегодня это уровень наномира, нанотехнологии. Новый уровень знаний появляется при сочетании определенных благоприятных экономико-политико-социальных условий, в том числе и ноосферы.

Нанотехнологии в строительстве - это новый виток, новый уровень развития научных достижений, опирающихся и на достижения прошлых лет. Здесь к месту будет высказывание академика, историка В. Каргалова: «Опыт предков - достояние потомков!»

Сегодня практике нужны материалы и изделия многофункционального назначения или такие, которые бы намного превосходили по своим свойствам уже известные. Для этого нужны «прорывные» технологии - технологии завтрашнего дня. На повестку дня поставлены нанотехнологии, позволяющие с меньшими человеко- и энергозатратами получать материалы и изделия не просто с улучшенными свойствами, а с намного превосходящими существующие, иногда и с непредсказуемыми. Сегодняшний девиз: «Получить то, что нужно!» Выполнить такую задачу можно только с помощью нанотехнологии.

Термин «нанотехнология» впервые употребил японский ученый Норио Танигут еще в 1974 году.

В научной литературе понятие «нанотехнология» имеет несколько толкований. Однако общим для всех случаев является «работа» с наночастицами.

Нанотехнология - это производство материалов и структур в масштабах до 100 нанометров.

Нанотехнология - это технология работ с отдельными атомами и молекулами и сборка из них чего-то нового.

Нанотехнология - это область прикладной науки, которая занимается созданием принципиально новых инструментов и материалов сверхмалых размеров, а также изучает свойства различных веществ на атомном и молекулярном уровне.

Говоря о нанотехнологии как таковой, подразумевается такая «тонкая» технология, которая позволяет управлять процессами получения материала на атомно-молекулярном уровне, т.е. с помощью атомно-молекулярного воздействия. А это означает, что уже можно говорить о «направленном» материаловедении, в том числе, и строительном материаловедении.

Для строителя-технолога, владеющего основами химической технологии, освоение приемов нанотехнологии не представляет особых трудностей. Получение наносистем и нанообъектов возможно несколькими способами. Один из таких способов заключается в целенаправленном ведении того или иного технологического процесса путем управления атомно-молекулярными процессами с целью получения компонентов системы не только в пределах наночастиц, но и в заданном сочетании их как по объему, так и по массе (числу).

Имеющиеся достижения в физикохимии, коллоидной химии, знания в области высокодисперсных систем и пленок, поразительных эффектов ПАВ, механо-химической активации твердых частиц и воды уже позволяют получать свойства материалов, ранее, казалось бы, невероятные.

Следует отметить, что нанотехнологии использовались еще в древней Греции и Египте при создании различных красителей. Ярким и давно известным подтверждением эффекта нанотехнологии является получение булата, когда удается получить сталь, сочетающую высокую твердость, остроту лезвия, вязкость внутренних слоев изделия и высокую упругость. Еще русский изобретатель П.П. Аносов (1797-1851 гг.) получил «русский булат» путем точных пропорций, качества материала и режимов технологических операций. Как он сам отмечал, основные свойства булатной стали напрямую зависят от химического состава, структуры, характера обработки, размера и формы кристаллов.

Все эти рекомендации в полной мере применимы и в технологии строительных материалов. Аналогичные технологические приемы используются при производстве минеральных вяжущих веществ, в том числе и при изготовлении портландцементного клинкера.

Изменяя температуру обжига и давление, мы получаем полуводный гипс α и β-модификаций, различающиеся размером кристаллов и свойствами. По данным многих исследователей α - и β-полугидраты не различаются по строению кристаллической решетки, но различаются по дисперсности кристаллов.

Изменяя и регулируя режимы обжига двуводного гипса, можно получить 8 модификаций полуводного и обезвоженного ангидрита с разным строением кристаллической решетки и разными свойствами.

С такими же явлениями мы сталкиваемся при получении строительной воздушной извести. Декарбонизация известняка при температурах 800...850 0С сопровождается образованием оксида кальция в виде губчатой структуры, состоящей из кристаллов размером 200...300 нм. Сама структура (наноструктура) пронизана капиллярами диаметром порядка 8 нм. Увеличение температуры обжига до 900... 1000°С приводит к образованию более крупных кристаллов оксида кальция: от 500 до 2000 нм. Это отрицательно сказывается на реакционной способности получаемого продукта. Обжиг при температуре 1300...1400°С способствует образованию кристаллов оксида кальция размером 10...2О мк. Это уже «пережог», характеризующийся медленным взаимодействием с водой.

Как видно из изложенного, качество строительной воздушной извести зависит как от содержания в ней гидрооксида кальция и магния, так и микроструктуры.

При этом следует отметить, что качество извести, а значит и размер кристаллов и внутренняя пористость конечного продукта зависят также и от наличия различных примесей. Так, например, железистые примеси провоцируют быстрый рост крупных кристаллов, что приводит к образованию «пережога» уже при 1300°С.

Нанотехнологические приемы используются и при производстве цементного клинкера путем регулирования температурного режима и применения минерализаторов-катализаторов с целью снижения температуры расплава. Как отмечает профессор И.Г. Лугинина: «В результате зона спекания во вращающейся печи из-за низкотемпературного появления расплава при добавлении плавикового шпата смещается к холодному концу и становится больше по протяженности ... и кристаллизация жидкой фазы проходит при более низкой температуре».

Гидратационные процессы клинкерных минералов также а значительной степени зависят от температуры твердения, тонкости помола цемента, щелочности жидкой фазы цементного камня, времени, вида и количества добавок и др. Сами физико-химические процессы образования продуктов гидратации - это типичные формы нанотехнологических процессов, т.к они проходят на атомно-молекулярном уровне.

В специальной литературе достаточно подробно описаны многие факторы, обеспечивающие формирование микро- и макроструктуры твердеющих вяжущих веществ. Однако многие значащие факторы и технологические приемы пока еще недостаточно осознаны и не всегда используются в практике.

Известно, что видом и составом продуктов гидратации цемента можно управлять. А это значит, что мы в силах получать новообразования разной и нужной нам основности, с различным содержанием гидратной воды, разного размера и формы кристаллов, что обеспечит нам нужную прочность, морозостойкость, воздухо- и агрессивную стойкость и другие свойства.

Эти технологические приемы согласуются с теоретическими положениями А.В Волженского о взаимосвязи строительных свойств цементного камня и бетона с условиями их изготовления.

Основная прочность цементного камня обеспечивается кристаллами и сростками кристаллов, образующихся гидратных новообразований, размеры которых находятся в пределах 10^-7…10^-9м. В промежутках между кристаллами размещаются продукты гидратации, размеры которых меньше 10^-9м. Они закупоривают свободное пространство, «склеивают» все новообразования воедино.

Результат этого «склеивания» двоякий. Учитывая непрерывность гидратационных процессов, накопление мелких субмикрокристаллов, необходимо помнить о метастабильности образующейся структуры. В такой твердеющей системе отмечаются два процесса: создание структуры и ее разрушение с последующим «залечиванием». И все это совершается на атомно-молекулярном уровне.

Использование уже известных знаний о гидратационных процессах и связанных с ними процессах структурообразования на наноуровне, влияние различных модификаторов открывает возможность «легирования» цементосодержащих (и не только их) систем.

Легирование происходит от немецкого legiren - сплавлять и латинского ligo -связываю, соединяю и означает ввод в какую-либо систему легирующих элементов, в т.ч. и посторонних атомов для получения новых свойств.

Легирование цементных, гипсовых, известковых и смешанных композиций органоминеральными и химическими добавками, а также армирование тонкодисперсными фибрами и углеродными трубками часто приводит к возникновению бифуркационных процессов с образованием новых свойств материалов, ранее не характерных.

П.А. Ребиндер отмечал, что всякие приемы интенсификации технологических процессов в конденсированных дисперсных системах базируются на управлении свойствами структуры, образованной частицами системы. Основными параметрами, которые характеризуют структуру системы, являются: суммарная потенциальная энергия связей U_o, приходящаяся на одну частицу, и кинетическая энергия частиц 0. Следовательно, управление свойствами структуры есть не что иное, как варьирование параметра U_o/Θ.

Бетон, керамика, металлы, сплавы и др. относятся к свободнодисперсным и связанодисперсным системам и характеризуются коагуляционной и конденсационно-кристаллизационной структурой. По взглядам Ю.Г. Фролова: «Практически все вещества и материалы, с которыми приходится встречаться в повседневной жизни, представляют собой объекты коллоидной химии».

Производство многих строительных материалов (бетон, керамика, асбестобетон и др.) связано с процессами коагуляционно-кристаллизационного структурообразования. Как закономерности образования микро- и макроструктуры, так и способы управления этими процессами в композициях дисперсная фаза - жидкая среда остаются достаточно сложными. Объясняется это наличием происходящих фазовых переходов, что связано со значительным изменением не только дисперсности, но и формы дисперсной фазы.

Именно здесь помимо коагуляционной структуры возникает кристаллизационная. Сами же процессы достаточно сложного переформирования исходной коагуляционной структуры связаны с химическими процессами между твердой фазой дисперсной системы и жидкой фазой на уровне атомно-молекулярного взаимодействия, т.е. на уровне наночастиц.

Одним из широко применяемых сегодня приемов нанотехнологии в производстве бетонов, растворов, паст на основе минеральных вяжущих веществ является использование различных добавок, в том числе и ПАВ. Они во многом предопределяют заранее заданные свойства, а иногда и непредсказуемые.

Действие модифицирующих добавок проявляется через химические процессы на поверхности твердой, жидкой и газообразной фаз. Адсорбционные слои модификаторов на поверхности твердой частицы выполняют важные и разносторонние задачи задерживают рост кристаллов, влияют на их форму, габитус, модификацию, изменяют поверхностное натяжение, влияют на степень смачиваемости дисперсных частиц. И все это осуществляется на наноуровне.

В России еще в IX—X вв. при возведении кирпичных стен церквей, храмов, монастырей с успехом применяли в качестве модифицирующей добавки в известковые растворы белки куриных яиц. Это позволяло резко повысить прочность и атмосферостойкость этих сооружений.

Белки куриных яиц - это высокомолекулярные органические вещества, построенные из 20 аминокислот (мономерных звеньев), содержащих карбоксильные (-СООН) и аминогруппы (-NH₂) и обладающие свойствами кислот и оснований.

Карбоксильная группа (-СООН) - одновалентная атомная группа, состоящая из карбонильной (=СО) и гидроксильной (-ОН), и обладающая свойствами кислот. Аминогруппа (-NH₂) тоже одновалентная атомная группа, входящая в состав аминокислот и амидов органических и неорганических кислот, например, RCONH^-, (RO)2P(O)NH₃, где R -органический радикал.

Известно, что живые организмы «конструируют» необходимые продукты из белков, которые в свою очередь могут формировать регулярные наноструктуры в виде кристаллических решеток.

В рассматриваемом случае органические вещества (белки) оказываются совместимыми с неорганическим веществом (известковым раствором) в создании прочного и долговечного скрепляющего слоя кирпичной кладки. Этот и аналогичный примеры наталкивают ученых на мысль о конструировании из белков и неорганических соединений таких структур, которых нет в природе.

Процесс направленного изменения эксплутационных свойств твердеющей системы приносит свои положительные плоды и в строительном материаловедении. Внедрение элементов нанотехнологии, и в целом нанотехнологии, в строительной индустрии, по всей вероятности, будет сопровождаться переходом от парадигмы исследования получаемых материалов путем различной комбинации отдельных компонентов в изучаемой системе к целенаправленной инженерии требуемых молекул, новообразований, наноструктур, наносистем и нанообъектов, т.е. переходом от микромира в наномир.

Развитие нанотехнологии - это не только прорыв в технике, экономике и безопасности, это еще и путь интеграции в систему промышленной цивилизации.

Ю.Д. Чистов, д.т.н., профессор МГСУ
А.С. Тарасов, магистр техники и технологии, научн. сотрудник ГУП «НИИМосстрой»