Модифицирование наноразмерными частицами оксидов каталитической природы

Несмотря на вышеописанные примеры достижений в области нанотехнологий строительных композитов, пока Россия отстает по темпам развития в этой сфере от зарубежья. В Европе 1 декабря 2007 г. был дан старт исследовательскому проекту "UNACON" стоимостью 1,1 млрд. евро, целью которого является разработка многофункциональных нанодобавок для бетонов [14]. Сформирован синдикат научных и производственных предприятий. Координацию работ осуществляет "SF-Kooperation" (г. Бремен). Партнерами синдиката являются два НИИ в Германии и университет в Австрии. Производственные предприятия представлены Европейским союзом малых и средних предприятий. Одним из интересных направлений в исследованиях этого синдиката является создание бетонов с самоочищающимися поверхностями, чего предполагается достичь с помощью наноразмерного диоксида титана рутильной модификации, который является фотокатализатором, способным окислять до углекислого газа и воды на своей поверхности при освещении солнечным светом частицы органических веществ, составляющих загрязнения, обычно оседающие на фасадах зданий.

Фотокатализатор способен окислять и молекулы таких веществ, как пары бензина, оксид углерода, альдегиды, − то, что выбрасывает в воздух автомобильный двигатель, и разрушать тела микроорганизмов [24]. Таким образом, бетонная стена, содержащая наночастицы фотокатализатора, будет не только самоочищаться, но и оздоравливать воздух в населенном пункте. В Европе производство бетонных изделий с фотокатализатором уже начато.

Глава 3. О требованиях к наномодифицирующим добавкам

для современных высокотехнологичных цементных бетонов

Современная технология бетона, как отмечалось выше, не мыслится без применения добавок специального назначения и механизма «работы» в процессах структурообразования [25]. Предложения по применению добавок, их классификация исходят именно из возможного их влияния на определенные механизмы формирования состава и структуры бетона. В комплексе этих механизмов: изменение растворимости вяжущих веществ и смещение реакций; химическое взаимодействие с минералами вяжущих с образованием новых труднорастворимых соединений; действие добавок как кристаллических затравок и центров кристаллизации; изменение энергетического состояния поверхности твердой фазы в результате адсорбция молекул ПАВ на зернах цемента и гидратных новообразований [26]. Учет этих механизмов в теории и практике бетона привел к появлению нескольких основных классов добавок и к применению в строительстве широкого ассортимента добавок.

В последние два десятилетия произошел качественный скачок в технологии бетонов, появились новые виды бетонов высокотехнологичных высокопрочных, малоусадочных и т.п. Наступил момент, когда на повестку дня вышли и новые классы добавок к бетонам, добавок, затрагивающих более глубокие механизмы структурообразования. Это так называемые нанодобавки или наномодификаторы, применение которых должно быть осознанным, целенаправленным, научно-обоснованным, что предопределяет проблему выработки требований к ним как к готовому продукту или же целенаправленно синтезируемому с учетом этих требований продукту.

В области наноразмерного масштаба частиц имеют место качественные эффекты, определяемые зависимостью химических и физических их свойств от соотношения числа атомов в приповерхностных и внутренних объемах частиц. Такие частицы и их ансамбли приобретают иную физико-химическую и механо-химическую активность, в силу чего могут принципиальным образом изменять процессы синтеза, структурообразования, менять термодинамическую и энергетическую обстановку в дисперсной системе, какой является бетонная смесь. Эффект от введения наноразмерных частиц выражается и в том, что в системе появляется не только дополнительная граница раздела фаз, но и появляется носитель квантово-механических проявлений [27]. Расчеты показывают, что уже при дозировке наноразмерных частиц кремнезема 0,1 % от массы цемента в системе появляется порядка 100 000 м² дополнительной, активной площади раздела фаз и 2 МДж избыточной поверхностной энергии; а при дозировке 2 % – в системе реализуется до 2∙10⁶ м² дополнительной площади раздела фаз, что на порядок превосходит площадь поверхности частиц всех остальных компонентов бетонной смеси, включая цемент. Вследствие этого, присутствие в системе наноразмерных частиц будет существенным образом менять обстановку формирования системы твердения.

В общей постанове задачи выработки системы требований к наноразмерным частицам как модификаторам структуры бетонов следует выделять:

1. структурообразующий аспект, отражающий явления и механизмы формирования структуры высокопрочных бетонов, объясняющий эффекты модифицирования и определяющий рациональные дозировки;

2. технологический аспект, раскрывающий вопросы совместимости наноразмерных частиц с другими добавками и характеризующий способы введения наномодфикаторов в структуру бетона;

3. экономический аспект, отвечающий на вопрос экономической целесообразности применения наноразмерных добавок в категориях «затраты - качество»;

4. экологический аспект, который должен учитывать безопасность производства и применения нанодобавок.