- •О.В. Артамонова синтез наномодифицирующих добавок для технологии строительных композитов
- •О главление
- •Предисловие
- •Введение
- •Глава 1. Современная технологическая платформа производства строительных композитов. Нанопарадигма в современной технологической платформе
- •Строительных композитов [2]
- •Объект, задачи и предмет технологических платформ производства строительных композитов
- •Системы твердения (ст) для конструирования и синтеза структур строительных композитов
- •Глава 2. Проблема разработки нанодобавок для технологий модифицирования структур строительных композитов
- •2.1. Эволюционная модель образования твердого вещества и условия управления структурообразованием новой фазы
- •«Размерный масштаб» его структурных составляющих
- •Основные технологические методы синтеза твердых веществ и факторы управления в зависимости от типа зарождения фазы вещества
- •2.2. Номенклатура, систематизация и классификация возможных наномодификаторов для технологий строительных композиционных материалов
- •Структурно-модифицирующее действие пластификаторов и суперпластификатора (сп) на стадии агломерации в эволюционном маршруте образования твердого вещества
- •2.3. Примеры использования современных нанодобавок в технологии строительных композиционных материалов Модифицирование наноразмерными углеродными частицами
- •Модифицирование наноразмерными частицами кремнезёма
- •Модифицирование наноразмерными частицами цеолитов
- •Модифицирование наноразмерными частицами оксидов каталитической природы
- •Глава 3. О требованиях к наномодифицирующим добавкам
- •3.1. Структурообразующее участие и модифицирующее влияние наноразмерных модификаторов на системы твердения
- •3.2. Проблема рациональной дозировки и способов введения
- •Глава 4. Синтез индивидуальных наномодификаторов вида
- •4.1. Золь – гель метод синтеза наноразмерных частиц SiO2
- •Влияние состава кристаллогидрата силиката натрия и концентрации водных растворов прекурсоров на размер и морфологию нанодисперсных частиц кремнезёма
- •Параметры золь-гель процессов синтеза нанодисперсных модификаторов
- •4.2. Эволюционная модель образования частиц
- •А) модель формы частиц гидрозоля кремния; б) график распределения размера частиц в объеме системы
- •Р азмер метки для а) 50 нм, б) 100 нм; в) 200 нм
- •И агломерации (б) от времени: 1 – система 7; 2 – система 10; 3 – система 8 (по данным динамического светорассеяния)
- •4.3. Взаимосвязь свойств и параметров структуры твердения цементного камня, модифицированного наноразмерными частицами
- •Глава 5. Синтез комплексных наномодификаторов вида «оксид кремния – суперпластификатор»
- •График распределения размера частиц гидрозоля кремния в объеме системы через 12 часов (б) и через 7 суток (в)
- •От начала синтеза. Размер метки: 200 нм
- •Глава 6. Эффективность применения добавок
- •6.1. Кинетические характеристики процессов
- •Степень гидратации цемента (в процентах по массе) в зависимости от температуры твердения в условиях наномодифицирования оптимальными дозировками добавок кнд и унт
- •Кинетические параметры процесса гидратации цемента, модифицированного нанодобавками (при содержании 0,01 % от массы цемента), в зависимости от температуры
- •Температурный коэффициент α(t) скорости гидратации цемента в условиях модифицирования процесса нанодобавками
- •В условиях модифицирования процесса нанодобавками
- •Дозировка наномодификатора 0,01 % от массы цемента)
- •6.2. Комплексная оценка эффективности применение добавок наномодификаторов в технологии цементных бетонов
- •Критерии и коэффициенты эффективности наномодифицирования систем твердения цемента при введении добавок кнд и унт
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Артамонова Ольга Владимировна синтез наномодифицирующих добавок для технологии строительных композитов
- •394006 Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84
Строительных композитов [2]
Таблица 1
Объект, задачи и предмет технологических платформ производства строительных композитов
-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПЛАТФОРМА
ОБЪЕКТ И ЗАДАЧИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ, РЕШАЕМЫЕ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЛАТФОРМЕ
ПРЕДМЕТ СИСТЕМНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ И РЕЦЕПТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
А
9
РХАИЧЕСКАЯСтруктура на макроуровне;
обеспечение плотности упаковки крупнозернистых составляющих и однородности их размещения в объеме материала
Эмпирические данные и технологические решения, получаемые как результат метода «проб и ошибок»
МЕХАНО-ФИЗИЧЕСКАЯ
Структура на макро- и мезоуровне; обеспечение плотности упаковки крупно и мелкозернистых составляющих и однородности их размещения в объеме материала
Научно-обоснованные закономерности структурообразования на макро- и мезоуровнях структуры в технологических процессах перемешивания, формования, уплотнения
МЕХАНО-ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ
Структура на макро- , мезо- и микроуровне, структура матрицы как микробетона; обеспечение плотности и однородности матрицы и её физико-химических структурных связей
Научно-обоснованные закономерности структурообразования на микро- и субмикроуровне структуры в технологических процессах перемешивания, формования, уплотнения и твердения
НАНОХИМИЧЕСКАЯ
Структура на макро- , мезо-, микро-, субмикро- и наноуровне; управление структурообразованием матричной субстанции с учетом возможностей нанотехнологий
Научно-обоснованные нанохимические закономерности эволюционного маршрута структурообразования твердого вещества матрицы композита на субмикро- и наноуронях строения
СОВРЕМЕННАЯ
Сумма «объектов» и «задач»
Сумма «решений»
В бетоноведении например, в процессе реализации зарождавшихся и утверждавшихся научных парадигм структурообразования последовательно решались задачи: получения плотнейших упаковок крупнозернистых и мелкозернистых заполнителей конгломератных макро- и мезоструктур; формирования структур микробетона; оптимизации соотношения аморфной и кристаллической составляющей твердеющего цементного камня; регулирования химико-минералогического, дисперсного и морфологического состава и состояния новообразований; обеспечения самоармирования сростка новообразований; модифицирования структуры цементного камня введением поверхностно-активных веществ, ультрамикродисперсных частиц [3].
При решении этих задач затрагивались и включались в действие все более глубокие явления и механизмы структурообразования, относящиеся к масштабу частиц все меньшего размера. При этом в энергетический баланс процессов формирования структуры вовлекались новые виды сил, соотносимых в их действии с площадью поверхности раздела фаз и поверхностной их энергией. Все вышесказанное привело к повышению, например, прочности бетона почти на порядок.
Технические достижения строительного материаловедения и технологий, определяемые последовательным становлением парадигм фундаментальности знаний и приложений новых структурных представлений, опирающиеся на согласованное их применение, обеспечивались возможностями новых физических и физико-химических методов анализа вещества и материалов.
Принимая наноконцепцию в качестве приоритета развития современного материаловедческого научно-прикладного знания, важно сформировать понятийный аппарат, выработать соответствующую терминологию, обеспечить однозначность толкования понятий и терминов.
Основанием для терминологических предпочтений должно являться отражение в содержании терминов сущности механизмов, включаемых в действие при реализации наноподходов и определяемых наноразмерным масштабом частиц в структуре получаемых материалов. Рассмотрим некоторые основные понятия.
Наносистема – система, содержащая структурные элементы, нанообъекты, линейный размер которых хотя бы в одном измерении имеет величину, составляющую 1 – 100 нм, и определяющий основные свойства и характеристики этой системы.
Наноструктуры – периодические пространственно упорядоченные образования, формирующиеся из наноразмерных объектов в материальных системах природного и техногенного видов.
Наноматериалы – конденсированная субстанция, полностью или частично состоящая из структурных элементов (частиц, зерен, кристаллитов, волокон, прутков, слоев) с характерными размерами от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров; дальний порядок в структурных элементах в наноматериалах сильно нарушен и роль многочастичных корреляций в расположении атомов в указанных структурных элементах берет на себя ближний порядок; какие-либо макроскопические свойства материала определяются размерами и/или взаимным расположением наноструктурных элементов.
Наноэффекты – явления, связанные с непосредственным уменьшением размера частиц (зерен, кристаллитов), вызывающем существенное изменение физических и физико-химических свойств и термодинамического состояния вещества; причинами этого выступает изменение площади и свойств границ раздела; предопределяющее соизмеримость размера частиц и их внутренних дефектов с физическими параметрами вещества (размер магнитных доменов, длина свободного пробега электрона, дебройлевская длина волны, размер экситона в полупроводниках и т.д.).
Наномодифицирование – действие по управлению формированием структуры материала на его наномасштабном уровне; процесс формирования наноструктуры с его кинетикой, энергетическими и временными характеристиками; результат действия по критериям эффективности процесса, выражающейся через критерии энергоемкости процесса, времени его протекания и завершения, через показатели качества по конструкционным и функциональным свойствам.
Нанотехнология – технология, связанная с реализацией наноэффектов в технологических объектах и заключающаяся в управлении эволюционном маршрутом конденсации вещества в процессе структурообразования, и формирования твердого состояния вещества; нанотехнология оперирует с объектами размером порядка 10-9 м (ионы, молекулы, кристаллы и т.п.).
Арсенал нано – набор средств нановоздействий в технологиях получения наноструктурных или наноструктурированных материалов.
Арсенал нано по принципу «сверху – вниз» – набор средств нановоздействий при получении наноструктурных или наноструктурированных материалов, определяемый возможностями реализации принципа «сверху – вниз» в их технологиях.
Арсенал нано по принципу «снизу – вверх» – набор средств нановоздействий при получении наноструктурных или наноструктурированных материалов, определяемый возможностями реализации принципа «снизу – вверх» в их технологиях.
Нанопарадигма – совокупность фундаментальных научных установок, представлений и терминов, принимаемая и разделяемая научным сообществом и объединяющая большинство его членов в отношении проблем «нано». Обеспечивает преемственность развития научного и инженерного творчества с учетом применении концепций и оснований «нано» в науке, технологии и технике.
Нанопарадигма в современной технологической платформе
Для начала обратимся к классификации объектов наномодифицирования, которые представлены 2-мя большими классами [1]:
Наноструктурные материалы – класс материалов, в целом или практически в целом состоящих из наномасштабных структурных элементов.
Материалы с наномодифицированной структурой – класс материалов, включающих наномасштабные структурные элементы как части их структуры.
В свою очередь системы твердения (СТ) для конструирования и синтеза структур строительных композитов можно разделить на гидратационные, гидротермально-синтезные, термально-синтезные.
Таким образом, объекты «нано» в технологии строительных материалов включают: системы твердения, их структуры и свойства; системы композитов, их структуры и свойства; технологии получения систем твердения; технологии получения композитов (табл. 2).
Таблица 2