867

3.Организация внутренних многосветных атриумных пространств досуга, развлечения, творчества и другой внеучебной деятельности студентов для благоприятного освещения и композиционной выразительности студенческих межвузовских центров.

4.Использование максимального озеленения при благоустройстве, а также современных дизайнерских и эколого-энергоэффективных технологий проектирования.

5.Мультифункциональность и трансформируемость пространств с разделением некоторых функций.

6.Наличие общего объединяющего пространства, открытость и технологичность пространства.

7.Использование комбинированной функционально-планировочной схемы, включая возможные (коридорная, ячейковая, анфиладная, смешанная, павильонная и др.)

Можно предположить, что новый медиа-центр улучшит качество жизни студентов, привлечет новых абитуриентов, поднимет престиж академии и, что самое главное, станет межвузовской площадкой для реализации студенческих программ культурной жизни.

Литература

1.Особенности формирования жилых студенческих городков. Кропотова О.В. http:// www.archvuz.ru

2."Понимающая социология" М. Вебера как метод научного и философского знания. Понятие "идеальный тип" при формировании архитектуры жилой студенческой среды. Кропотова О. В. http://www.taby27.ru

3.Современные тенденции формирования архитектуры жилой студенческой сре-

ды. Кропотова О.В. http://www.book.uraic.ru

4.Студенческий городок Пермского университета. http://www.psu.ru

УДК 541.16

О.В. Третьякова, Пермская государственная сельскохозяйственная академия, г. Пермь, Россия

ВВЕДЕНИЕ НАНОМОДИФИКАТОРОВ В БЕТОННЫЕ СМЕСИ

Аннотация. Обобщены варианты введения наномодификаторов (НМ) в бетонные смеси. Показана проблема нестабильности НМ в суспензиях. Рассмотрены факторы устойчивости дисперсных систем НМ, химические методы повышения их стабильности. Проанализированы технологические подходы к гомогенизации суспензий НМ. Обозначены условия эксперимента по введению суспензии нанотрубок в цементный раствор с водой затворения с помощью ультразвуковой установки, в присутствии линейных полимеров природного происхождения в качестве стабилизаторов.

Ключевые слова: фуллерены, нанотрубки, дисперсная фаза, когезия, адсорбция, сольватный слой, функционализация, диспергация, кавитация.

141

Ведение наномодификаторов в бетонные и другие смеси является серьезным научным и технологическим вопросом. Решение его связано с совместной реализацией двух факторов – разработкой вариантов введения и равномерного распределения наноматериалов в смеси, а также выбором наиболее оптимального из них для широкого строительного производства.

В настоящее время рассматривается два направления введения наномодификаторов в смеси – в качестве суспензионной добавки к воде затворения или путем предварительного нанесения наноинициаторов на твердые носители с

использованием сухих добавок. В любом случае необходимо обеспечивать жизнеспособность нанодобавок, связанную с повышением их устойчивости, с предотвращением образования нежелательных осадков.

Основными параметрами, характеризующими дисперсную систему, являются ее дисперсность и равномерное распределение дисперсной фазы в среде. Устойчивость системы определяется неизменностью этих параметров во времени. Избыток свободной энергии делает высокодисперсные системы термодинамически неустойчивыми. В них могут происходить самопроизвольные процессы, снижающие этот избыток путем снижения дисперсности. Проблема устойчивости – одна из самых важных и сложных. Потеря устойчивости означает гибель дисперсной системы.

На основании наблюдений и экспериментов можно говорить о двух основных факторах агрегативной устойчивости дисперсной системы – об электростатическом барьере, обусловленном силами отталкивания, и барьере адсорбцион- но-сольватном, который окружает частицу и препятствует ее сближению с другими частицами. Оба фактора взаимосвязаны, т. к. увеличение заряда и потенциала поверхности обычно способствует развитию сольватных оболочек и адсорбции стабилизаторов.

Согласно теории устойчивости ДЛФО, названной по имени известных ученых Дерягина, Ландау, Фервея и Овербека, в классическом варианте процесс коагуляции рассматривается как результат совместного действия вандерваальсо-

вых сил притяжения и электростатических сил отталкивания между части-

цами. В зависимости от баланса этих сил в тонкой прослойке жидкости между сближающимися телами возникает либо положительное расклинивающее давление, препятствующее их соединению, либо отрицательное, приводящее к утончению прослойки и образованию контакта между частицами. На кривой, отражающей потенциальную энергию частиц, отмечаются потенциальный барьер и два минимума («ямы»). Если высота барьера велика (> kT), а глубина второго минимума мала (<kT), частицы не могут преодолеть барьера и расходятся без взаимодействия. Это случай агрегативно-устойчивой системы. Теория ДЛФО устанавливает связь между свойствами двойного электрического слоя (ДЭС) и устойчивостью дисперсных систем [12].

Во всех дисперсных системах в той или иной степени присутствует взаимодействие между веществами дисперсной фазы и дисперсионной среды, приводящее к образованию сольватных слоев. Ориентация молекул в этих слоях обеспечивает повышенную вязкость упругость, сопротивление сдвигу, которые пре-

142

пятствуют взаимопроникновению слоев при сближении частиц. Еще большего развития сольватные слои достигают в результате адсорбции ПАВ.

Таким образом, можно управлять прочностью адсорбционных слоев и, следовательно, устойчивостью дисперсной системы, изменяя pH, концентрации ионов, вводя добавки ПАВ.

Процесс коагуляции обратим, то есть при определенных условиях возможен процесс дезагрегации [12]. Этот процесс отличается от диспергирования твердой фазы тем, что энергия затрачивается на работу против межмолекулярных, а не химических сил. В случае адсорбционной коагуляции, связанной с уменьшением потенциала, повышают поверхностный заряд и потенциал частицы путем добавления электролита, содержащего потенциалообразующие ионы. Увеличение потенциала приводит к увеличению энергии отталкивания, что способствует дезагрегации частиц.

Энергетические показатели дисперсионного взаимодействия наночастиц (в т.ч. свободная поверхностная энергия ) аномально высоки. Это приводит к разрушению энергетического барьера и объединение частиц в агрегаты, снижающие их дисперсность, т. е. свидетельствует о высокой когезии фуллеренов в суспензиях.

Силы когезии действуют между молекулами внутри фазы. Работа когезии Wc определяется как необходимая для разрыва однородной объемной фазы, относят ее к единице площади разрыва.

,

где n - количество поверхностей, iт - избыточная свободная поверхностная энергия. К вопросу стабилизации дисперсных систем наномодификаторов суще-

ствует ряд научных и технологических подходов, в том числе внешние воздействия.

Одним из главных факторов, препятствующих изменению свободной энергии при уменьшении площади поверхности, является сильная адсорбция жидкой фазы, стабилизирующих противоионов, иных видов адсорбции на поверхности дисперсной фазы, изменяющая значение свободной энергии на поверхности раздела.

Разделение углеродных нанотрубок (УНТ), а также сростков однослойных углеродных нанотрубок (ОУНТ), облегчающее переведение их в водные и органические растворы, позволяет выполнить функционализация, при которой образуются химические соединения с атомами, ионами и молекулами, расположенными снаружи углеродной оболочки. Функционализацией считается присоединение к УНТ поверхностных функциональных кислородсодержащих групп при взаимодействии их с кислородом, фтором, озоном, воздухом, кислородсодержащими кислотами и другими веществами. Эти группы частично ионизируются и создают небольшой поверхностный отрицательный заряд, вызывающий отталкивание трубок друг от друга и стабилизирующий их дисперсию. В ходе функционализации отмечено значительное увеличение объема нанотрубок, связанное с расщеплением сростков. При фторировании укороченные УНТ приобретают свойства диэлектриков, становятся полярными и теряют способность образовывать сростки. Ионы и радикалы, способные взаимодействовать непосредственно с УНТ, образуются

143

при озвучивании взвесей трубок в органических растворах, ультрафиолетовом облучении, воздействии плазмы или пучков высокой энергии.

Разновидностью функционализации является солюбилизация. Под солюбилизацией понимается функциализация, ведущая к образованию растворимых УНТ. Для солюбилизации нанотрубок (НТ) используется нековалентное связывание, основные виды которого предполагают использование поверхностноактивных веществ ПАВ и некоторых растворимых полимеров [10].

Низко- и высокомолекулярные ПАВ создают «структурно-механический» барьер, препятствующий контакту частиц. ПАВ содержат гидрофильную и гидрофобную группу, связываются с поверхностью трубок и способствуют разрушению их сростков. Связь осуществляется в результате действия гидрофобных сил связи между «хвостом» адсорбирующейся молекулы и поверхностью трубки. При этом «головы» образуют внешнюю оболочку мицеллы. Процесс ускоряется при «озвучивании». Озвучивание – ультразвуковая обработка с использованием звуковых колебаний с частотой 20 кГц-10мГц, в некоторых случаях до 1 ГГц. Озвучивание вызывает локальную кавитацию.

Гомогенизация наномодификаторов – достаточно сложная технологическая задача, даже если они обладают инертностью и не склонны к образовании агломератов. Фуллероиды, например, имеет такую склонность. Для разделения фуллероидов в суспензии необходимо, чтобы силы вязкого трения на поверхности агломерата превышали силы дисперсионного взаимодействия между его частицами, и частицы были удалены друг от друга на расстояние, превышающее радиус действия этих сил. Это достигается длительной ультразвуковой обработкой [8].

В исследованиях Староверова В.Д. [11] разработан способ введения фуллероидных кластеров в цементные системы через модифицированную воду затворения. Углеродные наночастицы, полученные в установке дугового испарения, вво-

дились в водную среду под действием ультразвука установкой типа УЗУ-025.

Наряду с молекулами-оболочками фуллеренами предметом исследований являются нитевидные трубчатые протяженные формы молекул углерода – нанотрубки.

Нанотрубки могут быть диспергированы в воде путем нековалентного обволакивания водорастворимыми линейными полимерами. В одном из вари-

антов для получения устойчивых ОУНТ предварительно вводились ПАВ с последующим вытеснением их молекулами полимера, затем удалялся ПАВ и избыток полимера центрифугированием. В результате был получен раствор, устойчивый в течение нескольких месяцев. УНТ могут быть переведены в раствор с помощью биосовместимых полимеров[10], органических растворов, например, полиметилметакрилата [10].

Маева И.С. в своей работе [5] использовала многослойные углеродные нанотрубки. Предложенный способ введения углеродных наноструктур в ангид-

ритовые композиты методом гидродинамической кавитации в сочетании с по-

верхностно-активными добавками, обеспечивал стабильность получаемых дисперсий при хранении до 7 суток, без коагуляции нанодисперсных модифицирующих добавок. В качестве сурфактантов при диспергации многослойных углерод-

144

ных нанотрубок был использован суперпластификатор С-3. Молекулы сурфактантов окружают отдельные нанотрубки и их пучки, образуя мицеллы [14].

Мищенко С.В. в своих работах [6] указывает на возможность равномерного распределения УНТ в смесях различными методами. В первом варианте - диспер-

гированием добавки УНМ в воде в среде переменного электромагнитного поля.

Во втором варианте - в воде в среде ультразвука. Рассматривался также метод диспергирования добавки УНМ с помощью ультразвука в присутствии поверх- ностно-активных веществ. Установлены режимы: время обработки ультразвуком составляет 1 мин; объемная концентрация стабилизатора НФ (нафталинформальдегидного типа) – 0,5 %. Эксперимент проводился с водным раствором углеродного наномодификатора «Таунит».

Значительный интерес в вопросах наномодификации смесей представляет применение золей. Давыдовой О.А. [3] разработаны состав и технология получения комплексной добавки на основе золя кремниевой кислоты для известковых композиций. Предложена технология получения кремнезоля. Выявлены эффективные стабилизаторы кремнезоля - желатин, поливиниловый спирт и катионитовый сополимер акриламида, позволяющие предотвратить коагуляцию золя кремниевой кислоты.

Технический результат работы Комохова П.Г. [4] - создание высокопрочного бетона с повышенной прочностью при сжатии и повышенной водонепроницаемостью. Высокопрочный бетон, включающий портландцемент, песок, щебень, кремнеземсодержащий компонент, добавку и воду, в качестве кремнеземсодержащего компонента содержит золь H2SiO3. Одним из основных механизмов стабилизации золей является возникновение ионных зарядов на поверхности частиц в присутствии щелочи [1].

Профессор Яковлев Г.И. и др. [9] в своей статье отмечают возможность применения для диспергации наноматериалов ультразвуковую (в ультразвуковых эмиттерах) и гидродинамическую кавитацию, разделяя эти методы по виду аппаратов. Наиболее оптимальным методом он считает менее энергоемкий метод гидродинамической кавитации.

Метод кавитации для диспергации пульпы частиц горных пород реализован специалистами регионального отделения «Проблемы внедрения современных технологий» РАЕН и ООО «Экотех-Москва». Разработана гидродинамическая мельница, где выполось селективное измельчение частиц горных пород. Процесс кавитации в рабочей камере мельницы контролировался методом виброакустической детекции [2].

Значительная часть вариантов диспергации наномодификаторов связана с использованием ультразвуковых воздействий или гидродинамических процес-

сов. Диспергирование осуществляется за счет разрывающих усилий. В первом случае это происходит при прохождении акустической волны, во втором - при увеличении скорости жидкости. Разрывающие усилия возникают вследствие кавитаций, т.е. образования и спадения полостей, заполняемых растворенным в жидкости газом. Резкие локальные изменения давления (порядка тысяч атмосфер), происходящие за ничтожно малые промежутки времени (10-4-10-5 с) при схлопывании кавитационных пузырьков, приводят к разрыву жидкостей и твер-

145

дых тел [12]. Появление и схлопывание кавитационных пузырьков возле поверхности твердых частиц приводят к соударению струи жидкости, генерируемой на противоположной стороне пузырька, с поверхностью частицы. Это может способствовать разделению сростков УНТ. Если кавитация происходит в среде полимеров, то происходит обволакивание твердых частиц. Озвучивание как правило выполняется на лабораторных установках при частоте 20-50 кГц мощностью 200-300 Вт.

Таблица 1

Содержание наномодификаторов в смесях

Виды, содержание и способы введения наномодификаторов в различные смеси приведены в таблице 1.

В течение последних трех лет нами разрабатывалась методика введения суспензии наночастиц углерода в цементный раствор с водой затворения в присутствии линейных полимеров природного происхождения. Многочисленные эксперименты показали, что лучшие результаты прочности бетона на сжатие соответствуют концентрации наночастиц в пределах 0.003-0.004% по массе цемента. В целом, концентрация модификатора ориентировочно составляет 1-10г на тонну бетона. Диспергация наномодификатора осуществлялась методом гидродинамической кавитации в ультразвуковой установке. Процесс диспергирования контролировался с помощью оптического микроскопа в режиме фазового контраста. После введения нанодобавки прочность на сжатие и скорость набора прочности образцов повысилась по сравнению с контрольными на 15-20%. Полученные результаты объясняются эффектом наностуктурирования, достигнутым за счет равномерного распределения наномодификатора в смеси цемент-песок-вода с помощью ультразвуковой установки в присутствии стабилизатора природного происхождения.

Таким образом, большая удельная поверхность и высокая физикохимическая активность нанодобавок могут послужить средством для повышения прочности и долговечности цементных бетонов при условии равномерного распределения их в смеси цемент-песок-вода без коагуляции, что определяется концентрацией модификатора, режимом ультразвуковой обработки, эффективностью стабилизатора.

Литература

1.Айлер Р. Химия кремнезема. – М. : «Мир», 1982.

2.Варшавский В.Я., Дубровин А.В., Сердюк Б.П., «Методика экспериментальных исследований процесса измельчения в гидродинамической мельнице» - Строительные материалы, №9, 2003г., с. 32-33.

3.Давыдова О.А. «Известковые отделочные составы, модифицированные комплексной добавкой на основе золя кремниевой кислоты». Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. 2010.

4.Комохов П.Г., Сватовская Л.Б., Соловьева В.Я., Степанова И.В., Сычева А.М. Патент. Высокопрочный бетон ( RU 2256629).

5.Маева И.С. «Модификация ангидритовых композиций ультра- и нанодисперсными добавками». Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Казань, 2010.

6.Мищенко С.В., Ткачев А.Г., Углеродные наноматериалы. Производство, свойства применение. – М. : «Машиностроение», 2008.

7.Потапов, В., д.т.н. Кашутин А., Сердан А., д.х.н., Горбач В., к.т.н., Шалаев К. «Нанодисперсный диоксид кремния: повышение прочности строительных материалов» - Наноиндустрия, №2, 2012г., с. 34-50.

8.Пономарев А.Н. «Высококачественные бетоны. Анализ возможностей и практика использования методов нанотехнологии» - Инженерно-строительный журнал, №6, 2009г., с. 22-33.

9.Пудов И. А., Пислегина А. В., Лушникова А. А., Первушин Г. Н., Яковлев Г. И., Хасанов О. Л.,; Тулаганов А. А., «Проблемы диспергации углеродных нанотрубок при модификации цементных бетонов» - Сборник трудов II Международной конференции «Нанотехнологии для экологичного и долговечного строительства», Каир. Египет, март 2010, ИжГТУ, с. 34-38.

147

10. Раков Э.Г. «Химия и применение углеродных нанотрубок» - Успехи химии, №10, 2001г., с. 934-964.

11.Староверов В.Д. «Структура и свойства наномодифицированного цементного камня». Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», 2009.

12.Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. Ленинград, «Химия», 1984.

13.Хавел М., Корженко А., «Практическое применение углеродных нанотрубок Graphistrength ® в композитах» - Сборник трудов II Международной конференции «Нанотехнологии для экологичного и долговечного строительства», Каир. Египет, март 2010, ИжГТУ, с. 102.

14.Tharwat F. Tadros, Applied Surfactants, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2005.

УДК 624.69.059.7

А.Н. Шихов, Р.А. Мельниченко, Пермская государственная сельскохозяйственная академия, г. Пермь, Россия

УТЕПЛЕНИЕ БАЛКОНОВ И ЛОДЖИЙ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ

Аннотация: приведены практические рекомендации по модернизации и утеплению балконов и лоджий жилых зданий. Приведены методы усиления старых балконов и современные технологии утепления полов лоджий.

Ключевые слова: балкон, лоджия, утепление.

Балконы и лоджии относятся к наружным конструктивным элементам здания, которые ежедневно подвергаются атмосферным воздействиям, в результате которых происходит их постепенное старение и частичное снижение несущей способности. Для нейтрализации внешних климатических воздействий балконы и лоджии защищают светопрозрачными конструкциями, среди которых наибольшее применение находили деревянные рамы.

Остекление балконов и лоджий деревянными рамами (рис.1,а) является не самым надежным способом, так как древесина со временем начинает гнить и че-

Рис.1 Устройство остекления балкона (лоджии) деревянными рамами (а) и с использованием металлического каркаса (б)

Для повышения тепловой защиты следует устанавливать либо двойные рамы, либо рамы с двойным стеклом толщиной 4 мм.

148

Стальное остекление выполняется из металлических конструкций. Конструкция очень прочная, но имеет ряд недостатков: металлический каркас со временем ржавеет и его надо периодически красить, запорные устройства часто ломаются, этот вид остекления держит тепло хуже деревянного остекления (рис.1, б).

Наиболее качественным и современным является остекление балконов и лоджий из алюминиевого профиля, который в 7 раз прочнее дерева и в 2,3 раза – ПВХ. Алюминиевый профиль пожаробезопасен, не трескается, не скручивается, не окисляется и не требует покраски. Рамы из алюминия, покрытые белой эмалью, очень эстетично смотрятся снаружи и изнутри. Кроме того, алюминиевые конструкции имеют узкий профиль, что значительно увеличивает световой проем по сравнению с пластиком. Следует отметить, что алюминиевые конструкции легкие и их выдержит любой балкон.

Пластиковые окна из ПВХ имеют высокие эстетические и эксплуатационные характеристики. Обычно для ПВХ остекления используют трехкамерный профиль и одно-двух камерный стеклопакет. Это превращает балкон или лоджию в приятное место отдыха, а в смежной с ними комнате станет ощутимо теплее. Однако за счет ширины ПВХ – профиля, большого числа створок и двух-трех стекол снижает в смежной комнате доступ естественного света. Устанавливать рамы из ПВХ-остекления рекомендуется только на бетонное или кирпичное ограждение из-за значительной массы конструкции. Безрамное остекление является наиболее прогрессивным на сегодняшний день. Оно имеет вид сплошной стеклянной стены, так как в нем отсутствуют рамы и вертикальные стойки (рис.2, а).

Основу конструкции в безрамном остеклении выполняют алюминиевые профили, расположенные по периметру балкона или лоджии. Верхний и нижний профили служат направляющими для стеклянных створок. Верхний профиль является несущим. По его встроенным полкам перемещается двойной роликовый

Рис.2. Вариант безрамного остекления балкона (лоджии) а) – внешний вид; б) – складывание створок

По краям балкона или лоджии сдвинутые створки складываются внутрь их пространства, как листы стеклянной книги, что позволяет их протирать, оставаясь на безопасном расстоянии от края балконного ограждения (рис.2, б).

149

Наряду с остеклением лоджий и балконов с целью использования в зимний период времени производится их утепление. Утепляют боковые и фасадная стены, потолок и пол. При этом возможны два варианта – утепление балконов и лоджий без включения в жилую площадь квартиры и с включением.

Для утепления пола балкона лоджии требуется 30-50 мм утеплителя, на потолок – 50-60 мм и на стены - 50 мм. В качестве утеплителя рекомендуется применение плитных минеральных утепляющих материалов.

Когда балкон или лоджия включены в общий объем жилой комнаты, все работы по их утеплению идентичны предыдущему случаю, за исключением толщины плит утеплителя, которая должна приниматься согласно теплотехнического расчета.

Для внутренней отделки балконов и лоджий используют дерево (обычно евровагонка) и пластик (пластиковые панели), которые монтируются по обрешетке.

Вкачестве остекления лоджий в этом случае рекомендуется использовать пластиковые окна из ПВХ с двойным стеклопакетом, которые прекрасно сохраняют тепло и обладают хорошей звукоизоляцией.

Для утепления балконов и лоджий устраивается «теплый пол», который

обеспечивают равномерное распределение тепла в помещении. Теплый пол создает идеальный температурный режим: от 240С на полу и 180С на уровне 2 м от пола, сохраняет естественную влажность воздуха и обеспечивает отсутствие сквозняков.

Теплый пол может устраиваться двух видов: в виде классического «теплого пола» из нагревательных секций или в виде тонких нагревательных матов.

Всостав классического теплого пола входит: одна или несколько нагревательных секций, терморегулятор и защитная гофрированная трубка для датчика температуры (рис. 3).

Рис. 3. Устройство теплого пола а) – укладка нагревательных элементов; б) – устройство стяжки

В качестве нагревательных элементов в теплом поле применяются нагревательные секции (НС), представляющие собой отрезки кабеля фиксированной длины, соединенные специальным муфтами с так называемыми «холодными концами», предназначенными для соединения нагревательного (горячего) кабеля с электрической сетью. Вторые концы нагревательных секций выводят на стену для соединения с термостатом. После этого выполнятся цементно-песчаная стяжка

150