VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Актуальность. Прогресс в разработке нано- и микроэлектромеханических устройств и систем обещает такую же революцию в технике, какую совершила микроэлектроника в электронике. Переход к наноэлектромеханике связан с использованием нанотехнологии и новых физических эффектов. Так, при создании полостей ‑ важного компонента различных устройств - используются все в большей мере самоорганизующиеся процессы (углеродные нанотрубки, пористые мембраны на основе оксида алюминия). Это позволяет увеличить воспроизводимость, повысить надежность, поскольку малейшие изменения размеров, связанные с использованием традиционных технологий, ведут к экспоненциально сильному изменению параметров.

Проблема. Необходимость создания материалов нового уровня качества, использование современных конструкционных материалов обычно ограничивается тем, что увеличение прочности приводит к снижению пластичности. Данные по нанокомпозитам показывают, что уменьшение структурных элементов и более глубокое изучение физики деформационных процессов, которые определяют пластичность наноструктурных материалов, могут привести к созданию новых типов материалов, сочетающих высокие прочность и пластичность.

Цель. Создание конструкционных материалов, обладающих повышенной прочностью, износостойкостью, низкой воспламеняемостью при облегченном весе, а также более рациональных при строительстве.

Объект исследования. Наноматериалы, их рациональность и безопасность в использовании.

Задания работы. Изучить и упорядочить информацию о нанотехнологиях, ее развитии в секции строительства; сформировать класс строительных материалов, где уже на данный момент напрямую используются нанотехнологии; классифицировать и описать положительные и возможные негативные качества каждого из видов строительных конструкций, где используются нанотехнологии; исследовать информацию и подтвердить безопасность использования наноматериалов в строительстве.

Основная часть. Нанотехнологии активно проникают в нашу жизнь. Если десять лет назад подобные разработки считались чем-то фантастическим, то теперь они широко используются в самых различных отраслях. Довольно широко используются нанотехнологии в медицине, обеспечивая производство протезов и имплантатов. Передовым направлением в наше время является использование нанотехнологий в строительной сфере.

Основные перспективы применения наноматериалов в строительстве:

Несмотря на то что развитие технологий в строительной сфере направлено в первую очередь на повышение функциональных характеристик здания, а не на внедрение новых строительных материалов, нанотехнологии нашли своё применение в данной отрасли. На данный момент инженеры и учёные видят следующие перспективы использования наномолекулярных материалов в строительстве:

-создание фундамента с саморегуляцией усадки грунта;

-разработка конструктивных элементов, реагирующих на повреждения или деформацию;

-применение солнечных батарей в качестве ограждающих конструкций;

-изобретение покрытий, восприимчивых к психическому и физическому состоянию людей;

-создание функциональных покрытий;

-увеличение показателей прочности и надёжности зданий.

Основные виды строительных наноматериалов:

Наиболее широко используемыми материалами, созданными на основе нанотехнологий, являются:

-нанобетон;

-наносталь;

-нанопокрытия.

Нанобетон отличается высокой прочностью и огромным сроком службы, который, по утверждению специалистов, может составлять до 500 лет. Этот материал активно используется для возведения небоскрёбов, больших мостов, куполов над атомными объектами и т. д. Наносталь также широко применяется в строительстве ввиду своей особой прочности и стойкости. Что же касается нанопокрытий, то они обрели большую популярность. Такие разновидности, как нанокерамика, активно применяются в автомобильном тюнинге. Если говорить о строительной сфере, то нанопокрытия используются для защиты зданий от внешних воздействий.

Нанотехнологии в строительстве проявляются, в основном, в создании наноматериалов. Главным направлением в этой области является создание различных материалов со сложной структурой и уникальными прочностными или температурными свойствами, а также процессы самоорганизации веществ на атомно-молекулярном уровне, позволяющие создавать объекты без внешнего влияния. И уже в настоящее время планируются и проводятся теоретические и экспериментальные исследования, направленные на разработку методов наноструктурного модифицирования материалов, изучение количественных и качественных изменений их важнейших свойств и разработку технологических процессов получения различных видов строительных материалов, изделий и конструкций с улучшенными по сравнению с аналогами физико-механическими характеристиками.

Несмотря на то, что новые технологии и материалы уже внедряются в строительную отрасль, их доля еще достаточно мала — менее 1% в общем объеме материалов строительного сектора. В странах СНГ применяются в основном импортные полимерные композиционные материалы (ПКМ). По потреблению ПКМ на душу населения мы отстаем от США почти в 20 раз.

Использование нанотехнологий в строительстве позволяет добавлять к традиционным строительным материалам определенные свойства, достижение которых еще недавно считалось небывалым. Так, одним из актуальных разработок последнего времени является создание долговечного и высокопрочного бетона.

Согласно расчетам, такой бетон может без проблем просуществовать до 500 лет. Для создания высокопрочного бетона применяются ультрадисперсные, наноразмерные частицы. Данные свойства наноматериалов позволяют использовать высокопрочный бетон для строительства небоскребов, большепролетных мостов, защитных оболочек атомных реакторов и тому подобного.

Исследования ученых в области наномодификаций металлов и их сплавов позволили получить высокопрочную сталь, которая не имеет в настоящее время аналогов по параметрам прочности и вязкости. Применение таких наноматериалов самым идеальным образом подходит для строительства различных гидротехнических и дорожных объектов. При этом нанотехнологии в строительстве позволяют создать на стальных конструкцияхполимерные и композитные нанопокрытия: они в десятки раз повышают стойкость стали от коррозии и в несколько раз увеличивают срок службы металла, даже если ожидается работа в агрессивных средах.

Отдельно хочется обратить внимание на конструкционные композиты, которые представляют собой широкий класс конструкционных материалов, имеющих полимерную, металлическую или керамическую матрицу. Наиболее типичным примером таких композитов являются углепластики - это композиты с углеволокнами и с полимерной матрицей.

Недавно создано антибактериальное стекло, которое способно убивать попадающие на него микробы и грибки. Происходит это за счет внедрения в поверхностные слои стекла ионов серебра, которые, контактируя с микроорганизмами, разрушают их метаболизм.

Исследования показали, что такое стекло убивает 99,9% попадающих на его поверхность бактерий, устойчивых к действию антибиотиков, причем с течением времени антибактериальные свойства стекла не теряются. Предлагается использовать его в больницах, а также в ванных комнатах жилых домов.

Еще одно применение наностекла. Если нанести на поверхность флоат-стекла (стекла, полученного с помощью флоат-метода, при котором стекло при выходе из печи плавления выливается на поверхность расплавленного олова, а затем поступает через зону охлаждения на дальнейшую обработку) при его изготовлении методом пиролиза тонкий слои из оксидов металла In-SnO2, то коэффициент теплопередачи его снижается на 70-80 %, а теплопроводность стеклопакета с его использованием – в 2-2,5 раза. Если же на поверхность еще не остывшего флоат-стекла напылить специальный состав с наночастицами ТiO2, который после остывания стекла образует с ним единое целое, то такое покрытие обеспечивает нейтрализацию органических соединений на поверхности стекла и полную его гидрофилизацию, то есть вода вместе с грязью стекает со стекла. Такие стекла массово производятся в Европе, хотя их производство пока что недешево.

Настоящим открытием в строительной индустрии стали свойства наноматериалов – инновационной пленки, предназначенной для защиты цветных пластиковых окон от инфракрасного (теплового) излучения. Инновационные пленки имеют особые пигменты, позволяющие отражать до 80% инфракрасных лучей и не позволяющие конструкциям перегреваться. В результате данная пленка защищает как окна, так и само помещение от перегрева, продлевая этим срок службы конструкции и снижая затраты на кондиционирование.

При этом цветная инновационная пленка, которая наносится при ламинации на профиль, способна придавать раме визуальный 3D-эффект. Это происходит благодаря использованию особого компонента пленки – бриллиантовых красок. Также такие краски на поверхности пленки создают микропоры, которые дают покрытию ощущение шагрени. В ходе ламинации инновационная нанопленка способна полностью покрыть сложные по геометрии ПВХ-профили и в точности повторить их формы.

Ученые предложили покрывать специальным составом фасады зданий и окна. Компоненты состава под действием солнечного света разлагают органические составляющие оседающей на поверхностях грязи, благодаря чему неорганические элементы теряют сцепление с поверхностью и легко смываются дождем. Покрытие защищает фасады не только от грязи, но и от плесени, мха, грибка и ультрафиолетового излучения.

На сегодняшний день уже существует проект здания, часть потребностей в электроэнергии которого обеспечивается установленными на нем ветровыми турбинами.

Чтобы повысить их эффективность, архитекторы придали зданию специальную форму, благодаря чему скорость ветра рядом с турбинами вырастает вдвое. Использованная для облицовки дома керамическая глазурованная плитка позволяет снизить трение воздушного потока о фасад. В итоге мощности турбин хватит, чтобы полностью обеспечить электричеством 40 из 66 квартир.

В нашей стране уже начали применять нанокомпозитные трубы: они предназначены для систем водоснабжения, отопления и газоснабжения. Нанокомпозитные трубы в несколько десятков раз превосходят свои привычные аналоги по эксплуатационным свойствам, а также отличаются невысокой стоимостью.

Перспективной альтернативой привычному стальному аналогу, специалисты считают строительную, стеклопластиковую композитную арматуру. Такой наноматериал имеет целый ряд уникальных свойств. Так, стеклопластиковая композитная арматура обладает малым уделенным весом, который в 4 раза меньше, чем у стали, химической стойкостью и высокой прочностью. При этом композитная арматура относится к диэлектрикам, имеет низкую теплопроводность и не подвержена коррозии. Такой материал можно использовать в любом виде строительства.

Для того, чтобы все нововведения попали на стройки, вкладываются немалые средства. Но крупные строительные организации уверены - они обязательно окупятся, благодаря своим уникальным свойствам - прочности, долговечности, энергосбережению и так далее. Исследования строительных нано - технологий финансируются самыми различными организациями, конечная цель которых одна - создать еще более выгодное и экологически чистое жилье, безопасное для человека и окружающей среды. Чтобы не потерять тепло от нагрева дома солнцем, его можно запасать в теплохранилище. Разработана система, которая дает возможность аккумулировать тепло в хранилище из пористого бетона. Структура материала позволяет накапливать и пропускать через него большое количество нагретой воды — заполняя поры, она может занимать до 85% всего объема хранилища.

Достоинство такого устройства в том, что вода прогоняется через бетон напрямую, без использования отдельной трубопроводной системы. Это обеспечивает максимально быструю передачу тепла от воды к бетону и обратно, повышая эффективность системы.

Поскольку материал может поставляться с завода в виде блоков, монтируется хранилище быстро, без использования специальной строительной техники.

Построенное таким образом, оно фактически позволяет отказаться от других источников отопления и сэкономить на электроэнергии.

Перспективными наноэлементами для строительной отрасли являются фуллерены и нанотрубки. Фуллерены после обработки в водной среде становятся гидратированными и удерживают на своей поверхности слой ориентированных молекул воды толщиной 20-80 нм. Это значительно повышает подвижность и прочность бетона. Однако стоимость нанотрубок и фуллеренов очень высока (один грамм чистого фуллерена С60 стоит 100 долларов), а удешевить их производство пока невозможно без резкого падения их полезных свойств.

В разработке проекты строений необычных конструкций, самостоятельно реагирующих на климатические изменения: силу ветра, смену температур и времени суток. В ряде стран (Израиль, США, Ватикан, Швеция, и др.) такие здания уже отлично функционируют. В Китае всегда был вкус к изобретениям. Пекинскому Дворцу Спорта нанотехнологическое покрытие потолка позволило получить великолепную шумоизоляцию и увеличило прочность конструкции купола. Отличным примером использования нанотехнологий явился столичный Центр Искусств. Абсолютно прозрачный купол благодаря сверхплотности частиц не задерживает на себе молекулы воды, пыли – любой грязи, как лепестки лотоса.

Среди реестра строительных материалов наибольшим спросом пользуются самоочищающиеся нанопокрытия и удивительные краски для окрашивания стен, которые кроме долгой и безупречной устойчивости к климатическим перепадам, обладают способностью со временем их усиливать. При обещанном сроке в два десятилетия, нанокраска практически вечная, ибо способна восстанавливать сама нанесенные повреждения. В Китае же (г. Шанхай) впервые на окнах домов появились нанопленки, умеющие накапливать энергию Солнца днём, и вечером отдавать её как бесплатное и экономное освещение.

В настоящее время выдающиеся свойства наноматериалов позволяют применять в строительстве новые теплоизоляционные материалы, краски, эмали, лаки и многое другое. Большим достижением в области нанопокрытий стала имитация эффекта лепестков лотоса, которые совершенно неуязвимы для воды. В результате в Пекине появилось здание Большого национального театра, огромный яйцеобразный купол которого, созданный из стекла и титана, обработан нанопокрытием, которое не подвержено загрязнению и смачиванию осадками.

По мнению специалистов, внедрение нанотехнологий в строительство в ближайшем будущем создаст настоящий бум по использованию таких наноматериалов как фасадные водонепроницаемые краски. Также одним из актуальных направлений применения наноматериалов является энергосбережение.

Например, полупрозрачные нанопокрытия обладают свойством накапливать солнечную энергию. Данные пленки предназначены для применения их на окнах и стенах зданий: нанопленки придадут фасадам стильный вид, и в тоже время будут работать как солнечные батареи, значительно снижающие расходы на электрическую энергию.

Интересные свойства имеют такие наноматериалы как прозрачные наногели(аэрогели). Они обладают высокими звуко- и теплоизоляционными характеристиками, и в настоящее время их начинают применять в энергосберегающих кровельных системах с верхним светом.

Настоящим открытием в строительной индустрии стали свойства наноматериалов – инновационной пленки, предназначенной для защиты цветных пластиковых окон от инфракрасного (теплового) излучения. Инновационные пленки имеют особые пигменты, позволяющие отражать до 80% инфракрасных лучей и не позволяющие конструкциям перегреваться. В результате данная пленка защищает как окна, так и само помещение от перегрева, продлевая этим срок службы конструкции и снижая затраты на кондиционирование.

При этом цветная инновационная пленка, которая наносится при ламинации на профиль, способна придавать раме визуальный 3D-эффект. Это происходит благодаря использованию особого компонента пленки – бриллиантовых красок. Также такие краски на поверхности пленки создают микропоры, которые дают покрытию ощущение шагрени. В ходе ламинации инновационная нанопленка способна полностью покрыть сложные по геометрии ПВХ-профили и в точности повторить их формы.

В шанхайском музее Науки - нанопленкой, по несколько иной технологии, строители обработали стены, обеспечив «эффект термоса». Энергосберегательная способность наноплёнки оказалась ошеломляющей и шанхайский опыт решено распространить во многих компаниях по строительству. Причем, многократно улучшается экология местности.

Также в строительстве могут применяться разного вида наночастицы и нанопорошки. Они могут выполнять роль адсорбентов, катализаторов и модификаторов химических реакций, технологических и конструктивных свойств изготовляемых с их применением материалов.

Исследования ученых в области наномодификаций металлов и их сплавов позволили получить высокопрочную сталь, которая не имеет в настоящее время аналогов по параметрам прочности и вязкости. Применение таких наноматериалов самым идеальным образом подходит для строительства различных гидротехнических и дорожных объектов.

При этом нанотехнологии в строительстве позволяют создать на стальных конструкциях полимерные и композитные нанопокрытия: они в десятки раз повышают стойкость стали от коррозии и в несколько раз увеличивают срок службы металла, даже если ожидается работа в агрессивных средах.

В металлургии нанопорошки, по мнению специалистов, помогут повысить механические характеристик сталей. Существуют различные методы их введения в металл: компактирование и спекание нанопорошков в порошковой металлургии, интенсивная пластическая деформация, обработка заготовок потоком высокоэнергетических частиц, нанесение упрочняющих металлических покрытий, кристаллизация наночастиц из аморфного состояния и внесение наночастиц-модификаторов в исходный расплав.

Металлы и их сплавы, используемые в строительстве – предмет пристального внимания и удачных решений наноисследователей других стран. Совместные разработки ученых Норвегии, Швейцарии и других государств подарили миру сталь такой необыкновенной вязкости и прочности, что та, которой пользуются сегодня, кажется глиной. Сфера её использования – строительство железных и автодорог в сложных условиях, строительство конструкций на воде.

Фантастически выглядят перспективы дальнейшего развития. Например: основания зданий с саморегулирующей системой компенсации усадок грунтов несущие конструкции зданий, осуществляющие мониторинг собственного напряженно-деформированного состояния ограждающие конструкции и кровли, аккумулирующие энергию Солнца покрытия, реагирующие на психофизическое состояние людей фотокаталитические и другие функциональные покрытия - все это должно стать основой современного «умного дома» нового поколения.

Без применения нанотехнологий невозможна и полноценная реализация проектов энергонезависимого «пассивного дома». Основной особенностью «пассивного дома» (экодома, англ. passivehouse) является малое энергопотребление и почти полная энергонезависимость, что обеспечивается использованием всего спектра возможностей сохранения тепла и самопроизводства энергии.

Будущее строительного материаловедения во многом связано с применением нанотехнологических подходов — внедрения процессов формирования структуры современных строительных материалов, предусматривающих их сборку или самосборку «снизу-вверх», то есть дизайн материала или изделия, который заключается в контролируемом и управляемом воздействии на процесс структурообразования, начиная с наноразмерного уровня. Результатом такого подхода будет получение новых по составу и качественно отличающихся по структуре и свойствам конструкционных, теплоизоляционных, отделочных и других материалов, в полной мере отвечающих современным тенденциям развития архитектурных форм, конструктивных решений и технологии возведения объектов промышленного и гражданского назначения.

Среди анонсированных технологий ведения дорожных работ можно назвать способ укладки холодного асфальта, укладку литого асфальта и многие другие. Одним из перспективных направлений считается создание нанопленки для дороги. Речь идет об особой эмульсионно-минеральной смеси, в состав которой входит мелкая фракция щебня, битумная эмульсия и минеральные наполнители. Полученная холодная смесь наносится на поверхность асфальта, при этом образуется довольно прочный верхний слой износа.Смесь можно изготавливать прямо на месте строительства с помощью самоходной или прицепной смесительно-распределительной установки. В машине происходит быстрое смешивание дробленого щебня, битумной эмульсии, воды и минеральных наполнителей. После этого «нанопленка» наносится на дорогу. Поскольку смесь застывает очень быстро, движение на ремонтируемом или вновь созданном участке дороги может открываться буквально через несколько часов после произведенной операции. К достоинству покрытия относится то, что ее можно использовать даже на влажной поверхности, исключением являются скопления жидкости.

Однако смесь имеет несколько существенных для нашей страны недостатков. Во-первых, ее нельзя применять, если температура воздуха опустилась ниже 15°С. При несоблюдении технологии качество покрытия значительно снижается. Во-вторых, с помощью смеси нельзя ремонтировать дороги, которые имеют значительные поверхностные разрушения.

Основное предназначение смеси – сохранение существующего асфальтного покрытия. Защищая дорогу от климатического воздействия и перепадов температуры, покрытие продлевает срок эксплуатации дороги до пяти лет. Влага, механическое воздействие, которому подвержена дорожная поверхность при разгоне или торможении автомобилей, не оказывают разрушительного влияние на поверхность дороги, обработанной «нанопленкой».Также для увеличения срока эксплуатации асфальтобетонного покрытия дорожные службы начали использовать рулонный материал, имеющий ячеистую структуру. Называется материалгеосеткой.

Геосетка помогает предотвратить возникновение и развитие трещин асфальтобетонного покрытия, смещение слоев покрытия, которые влекут за собой разрушение дороги.

Эффективной современной технологией является применение георешеток с различными размерами ячеек. Решетку растягивают, а затем фиксируют с помощью анкеров по краю дороги. Посредством производственногостеплера осуществляется прошивка элементов георешетки. После этих подготовительных работ ячейки георешетки заполняются особой песчано-гравийной смесью. После разравнивания наполнителя в ячейках, грунт уплотняется катком.

Одним из важнейших критериев оценки перспективности внедрения нанотехнологических инноваций в строительную отрасль служит их конечная себестоимость. Наномодификаторы для бетона и строительных растворов по цене 100 долларов за грамм — при том, что их прочностные качества вырастают на 30%, вряд ли будут востребованы.

Наномодефицырованые бетоны на нынешнее время определяются как очень перспективное направление. По уверению специалистов, в ближайшие пять лет благодаря различным наноструктурирующим добавкам прочность бетонов может достигнуть от 300 до 600 МПа, что почти в десять раз выше средних показателей, морозостойкость может превысить 3000 циклов замораживания-оттаивания, долговечность даже в морской воде перешагнет 100-летний рубеж. При этом наномодифицирующие добавки составляют не более 2-3% от общей массы бетона.

Сегодня насчитывается множество разновидностей наноразмерных добавок и — соответственно — наномодифицированных цементов и бетонов. Эти модификаторы различаются механизмами действия, что связано с их пространственно-геометрическими параметрами, термодинамическими и кинетическими, кристаллохимическими и технологическими аспектами. Возможности реализации механизмов модифицирования определяются видом, характеристиками и дозировкой наноразмерных частиц.

С сожалением приходится констатировать, что в реальной практике строительства примеров использования нанобетонов, мягко говоря, не слишком много.

Эксперты считают, что наноструктурировать следует материалы массового применения — бетон, металл, композиционные материалы на основе волокон. С точки зрения массового строительства из технологий предпочтительными оказываются химические процессы типа «золь-гель» и технологии, использующие механические принципы и методы микровзрыва, в то время как вакуумные, лазерные, криогенные технологии, несмотря на всю их перспективность, являются более дорогостоящими.

Другой ресурс снижения себестоимости связан с эффектом реализации гигантских резонансов усиления поля на поверхности наночастиц, следствием чего оказывается крайне высокий уровень значений дисперсионных сил и — соответственно — чрезвычайно малое количество требуемого «исходного материала». Речь идет о так называемых астраленах — многослойных углеродных наночастицах фуллероидного типа тороидальной формы, вводимых в композиты.

Ученые разработали новый способ борьбы с коррозией. Применять их достижения можно во многих областях — от автопрома до жилищно-коммунального хозяйства. Новые технологии теперь позволяют выпускать металл, который будет служить на порядок дольше современных образцов. Люди науки говорят, что они свою задачу почти выполнили. Теперь дело за производителями. Некоторые крупные предприятия уже сегодня используют в производстве эти разработки. На их основе выпускаются специальные составы, которые применяются для, скажем, пассивации металлов, для обработки различных систем водоснабжения, водоохлаждения.

Новое покрытие, созданное на основе нанотехнологий, защищает металл от вредного воздействия окружающей среды в десятки раз лучше, чем, например, обычная полимерная краска. Пленка, которая покрывает металл, настолько тонкая, что ее невозможно увидеть невооруженным глазом.

К примеру, металлическая водопроводная или канализационная труба в земле быстро изнашивается. Десяток лет — и, по-хорошему, такой трубопровод нужно заменять. Но труба, которую покрыли защитной пленкой на основе наноматериалов, сохранится на порядок дольше. Значит, и течь давать будет реже.

К применению новых антикоррозионных материалов нужно привыкнуть, говорят ученые. Это потребует переоборудования производства, но результат не заставит себя ждать. Ведь сегодня, рассказывают ученые, в развитых странах ущерб экономике от коррозии составляет более 5% от валового национального продукта.

Проблемы безопасного использования наноматериалов в строительстве.

Вслед за электроникой и биомедициной наноматериалами (НМ) всерьез заинтересовалась строительная индустрия. Разнообразные синтезированные НМ могут значительно улучшить свойства конструкционных материалов. Например, наночастицы SiO2 упрочняют бетон, а углеродные нанотрубки повышают прочность керамики и различных композитов, используются для создания огнезащитных покрытий [1]. Анализ рынка США показывает, что потребности в НМ для строительства достигнут к 2011 г. $100 млн, а к 2025г. – $1,75 млрд. SiO₂, TiO₂, оксиды алюминия, нанотрубки будут применяться в основном в покрытиях, а также в композитах и как добавки к бетону и цементу. Продукция с НМ на рынке – краски, двери, окна, покрытия пола и крыш, дорожные покрытия (рис.1). Конечно, тут же возникает вопрос – что произойдет, когда эти замечательные наноматериалы, синтезируемые в больших количествах, попадут в окружающую среду? Что нужно сделать для того, чтобы обеспечить их эффективное и безопасное применение в строительстве? Этим проблемам посвящен обзор сотрудников Rice Univ. (США), опубликованный в июле этого года. Авторы проанализировали более 140 работ, в которых продемонстрированы как перспективы НМ в строительстве, так и возможные неблагоприятные последствия.

Рисунок 1 Примеры использования наноматериалов в строительстве:

а – солнечные батареи на крыше (вставка – Si/TiO2 нанопроволока);

b – бетонное дорожное покрытие (вставка – углеродные нановолокна);

с – стальной мост (вставка – наночастицы Сu);

d – окна здания (вставка – наночастицы TiO2) [3].

Некоторые примеры использования наноматериалов в строительстве представлены в таблице 1.

НМ, используемые в строительной индустрии, за время жизненного цикла разными путями проникают в окружающую среду (рис.2). При производстве, обработке, упаковке часть наноматериалов может попадать в атмосферу и к воздействию на персонал. Необходимо обеспечивать работников индивидуальными средствами защиты (маски, перчатки и др.); создавать соответствующие системы вентиляции, пылеуловители; проводить мониторинг воздуха на рабочих местах и организовывать регулярный медицинский контроль (особенно это касается органов дыхания, зрения, кожи).

Таблица 1

Наноматериалы	Архитектурные/ строительные материалы	Ожидаемая польза
Углеродные нанотрубки	Бетон, Керамика Сенсоры/актюаторы Солнечные батареи	Механическая прочность, предотвращение трещин Улучшение механических и тепловых свойств Мониторинг структуры в реальном времени Повышение эффективности
Наночастицы SiO2	Бетон Керамика Окна	Механическая прочность Хладагент, пропускание света, стойкость к огню Огнезащита, противоотражение
Наночастицы TiO2	Цемент Окна Солнечные батареи	Быстрая и более полная гидратация, самоочистка Супергидрофильность, самоочистка Повышение эффективности
Наночастицы Fe2O3	Бетон	Повышение прочности на сжатие, стойкость к абразивному износу
Наночастицы Cu	Сталь	Свариваемость, стойкость к коррозии, формуемость
Наночастицы Ag	Покрытия/краски	Биоцидная активность

Рисунок 2 Схема воздействия строительных наноматериалов в течение жизненного цикла

Различные восстановительные, ремонтные работы и особенно снос зданий могут привести к попаданию заметного количества НМ в атмосферу, и, соответственно, к воздействию как на работников отрасли, так и на жителей. Американские ученые особенно выделяют проблему строительного мусора, ведь наноматериалы со свалок могут попасть в воду и почву. В обзоре приведены данные о токсичности НМ (тех, которые могут быть использованы в строительстве) в отношении различных организмов. Однако специальных регламентов по обращению с отходами - наноматериалами или содержащими наноматериалы - пока не существует.

Можно ли создать такие конструкционные наноматериалы, которые будут “безопасными”, но сохранят свои полезные свойства? В первую очередь необходимо следовать 12 принципам промышленной экологии и предотвращения загрязнений. Вот некоторые из них:

- предупреждать, а не ликвидировать;

- максимизировать эффективность по массе, времени, энергии, объему (использование многофункциональных НМ; качество > количество,

- необходимость > жадность, достаточно > больше, длительный срок работы > короткий срок;

- разработать методики выделения и очистки “наноотходов” (используя магнитные или специальные поверхностные свойства);

- найти возможность повторного использования безопасных НМ, например, для улучшения почвы;

- не больше, чем нужно (избегать “one size fits all”, не разрабатывать НМ на все случаи).

Подчеркивается необходимость серьезных исследований структуры наноматериалов, их реакционной способности, связи их свойств с токсичностью – причем не только острой, но и хронической (как влияет хроническое воздействие на организмы). Следует учитывать, что изначально “безопасные” и эффективные “конструкционные” наноматериалы в течение жизненного цикла могут претерпеть физические, химические или биологические превращения (сорбция, агрегация, окисление, восстановление, биотрансформация), и их свойства изменятся. Важно принимать во внимание влияние факторов окружающей среды (таких как рН, микробы, солёность воды) на активность, токсичность; изучать стабильность НМ в конкретных условиях. Например, наночастицы, входящие в материалы дорожных покрытий, не должны вымываться сильными ливнями.

Использование наноматериалов в строительстве важно не только для улучшения свойств материалов, но и с точки зрения энергосбережения. В США около 41% энергии потребляется промышленными зданиями и жилыми домами (тепло, свет, кондиционирование). Наноматериалы, помимо использования в солнечных батареях и топливных элементах, могут применяться для улучшения термических свойств, повышения эффективности передачи энергии, освещенности. К энергосбережению косвенным путем приведет и увеличение срока службы за счет улучшения механических и других свойств.

Несмотря на все эти замечательные перспективы, приоритетом должна быть забота о здоровье и безопасности человека и окружающей среды. Провести полный мониторинг выделения НМ из строительных материалов (или мусора), их переноса в атмосферу (воду, почву), их трансформаций невозможно. Американские учёные надеются, что их публикация будет способствовать проведению оценок риска и разработке нормативов и регламентов, регулирующих использование и утилизацию НМ до их широкого внедрения в строительство.

ЛИТЕРАТУРА

1. ПерсТ 16, вып. 24, с. 6 (2009).

2. http://www.freedoniagroup.com/Nanotechnology-In-Construction.html

3. J.Lee et al., ACS Nano 4, 3580 (2010).

4. ПерсТ 16, вып. 23, с.3 (2009).

5. P.T Anastas et al., Environ. Sci. Technol. 37, 94A (2003).

6. Малылиг, А. А. Химия поверхности и нанотехнология: взаимосвязь и перспективы [Текст] / А. А. Малыгин // Соровский образовательный журнал.- Т.8 — № 2. — С.32–37.

7. Материалы сайта www.nanonews.net

8. Фолимагина О. В., Гарькин И. Н. Нанотехнологии в производстве строительных материалов // Региональная архитектура и строительство- Пенза: ПГУАС.- № 1(6).2009- С.111–112.

9. Фадеева Г. Д. Рентабельное использование нанотехнологий в строительных материалах / Г. Д. Фадеева, К. С. Паршина, И. В. Маркелова // Молодой ученый. — 2013. — №12. — С. 187-188.

Код для цитирования: Скопировать