Нанобетон Нанобетонът е иновативен материал, разчитащ на реакции на структурно ниво при свързването на цимента за промяна на качествата на готовия бетон. Както при всеки нов материал и за него възникват много и различни въпроси и са необходими редица дефиниции, на които се спираме по-подробно в настоящата статия.
текст инж. Вера Ангелова
В днешни дни развитието на съвременната наука налага масовото навлизане на нанотехнологиите в живота ни, особено след като те се оказаха толова благодатна област за развитие. Разбира се, след като като това определение стана много модерно, то често се използва масово и възникват неточности, които могат да доведат до известни заблуди. Все пак специалистите, ориентиращи се добре в законите и терминологията на наносвета са все още недостатъчно на брой, а желаещи да се присъединят към тях и да подобрят информираността си по отношение на тези съвременни технологии - много, е редно да се направи опит да се обяснят основните особености на нанобетона.
Научни основания и спорове
За да се разбере същността на новия строителен материал и да се знае какво може да се очаква от свойствата му това, специалистите предлагат да се започне с научната основа на нано технологията. В това отношение те започват с дефиницията на основното понятие. Нано (от гръцки означава малък) е представка, обозначаваща една милиардна част от единицата. Тъй като в системата СИ мярката за дължина е метър, то нанометърът е една милиардна част от метъра и милионна част от милиметъра. Това е много малка величина, но тя няма никакво отношение нито към молекулите, нито към атомите. На атомно и молекулярно ниво размерите се измерват в ангстрьоми. Ангстрьомът се явява извънсистемна единица, която отдавна се опитват да отменят, но все още нищо не се получава, тъй като тя е изключително удобна при оценка размерите на атомите, простите молекули и йоните. Сложни полимерни молекули могат да достигат в дължина дори няколко микрона, но техните напречни размери не превишават няколко ангстрьома. Затова, според цитирани думи на учени, да се измерват химическите молекулни взаимодействия посредством нанотехнологиите и нанообектите е не просто неправилно, а и несериозно – все едно да се измерват мишки със слонове.
Аналогични тенденции днес се наблюдават в микробиологията. Клетката с нейните елементи и механизми, с помощта на които може да и се въздейства, се измерват в микрони. Това също не е обект на нанониво. Това са много интересни и съвременни технологии, но микро, а не нано. Ние сме свикнали с това, че веществото, имащо кристална или аморфна структура, се състои от молекули, а молекулите от атоми. Във втората половина на XX век било установено, че между молекулите и веществата могат да съществуват и по-сложни обекти, които не са молекули, но не са точно и вещество. Тези обекти с размери в нанометровия диапазон, се наричат молекулярни клъстери. Именно те били причината за въвеждането на понятия като наносвят, нанотехнологии и наномеханизми.
Какво представляват сами по себе си молекулярните клъстери? Това е подредена пространствена структура, свързана посредством силите на молекулното взаимодействие, която се състои от атомите на един химичен елемент и имаща размери от порядъка на няколко нанометъра. Към настоящият момент са открити само въглеродни клъстери, но подобни структури могат да бъдат създадени и на основата на силиция. Семейството на въглеродните клъстери, известни по настоящем, е достатъчно голямо. Най-известният им представител, за чието откритие е връчена Нобелова награда по химия на откривателя му през 1990 година, е фулеренът. Фулеренът представлява сам по себе си сферична структура, наподобяваща футболна топка. Повърхността му се състои от редуващи се шестоъгълници и петоъгълници, във възлите на които се намират въглеродни атоми. Терминът фулерен е измислен в чест на архитектът Фулер, който първи е започнал да използва подобни пространствени връзки в своите проекти. Фулер починал половин век преди откриването на фулерена. Това, според статистиката е първият път, когато не е използвао името на първооткривателя за наименование на откритието. Фулер разработвал пространствени куполи направо от стоманени пръти, като един от тяхо през 1959 година е бил построен в Москва. Фулер дори не е предполагал, че в негова чест ще нарекат един от молекулните клъстери.
В днешно време фулеренът намира приложение в много области на науката и техниката, но досега не се е използвал в бетона и не е имал никакво отношение към наименованието „нанобетон”. Малко известни в семейството на въглеродните клъстери и широко използвани в нанотехнологиите са така наречените нанотръбички. Затворената нанотръбичка представлява сама по себе си кух обект във вид на разтеглени в тръба повърхност от частици, която е съставена от шестоъгълници (както в хексагоналната кристална решетка на графита), а самите частици са половинки от фулерени. Вече е разработена технология, която позволява да се отварят крайщата на нанотръбичките и да се превръщат в миниатюрни капиляри. В момента са открити повече от 30 вида въглеродни нанотръбички, по-голямата част от които могат да се използват за приготвяне на „наномодифициран“ бетон.
Третото, значително по-малко известно семейство от въглеродните клъстери са фулероноподобните наноструктури – астралените. Те представляват многослойни полиедрални въглеродни структури от фулеренов тип. Тези клъстери могат да имат достатъчно разнообразни съчетания на геометрични форми, като размерите им се намират в диапазона от няколко нанометра до няколко десетки нанометра, а повърхността им е яйцевиден шестоъгълник или петоъгълник. Астралените, както и нанотръбичките, могат да се използват за приготвяне на наномодифициран бетон, но механизмът на тяхното влияние върху процеса на структурообразуване на бетона се отличава съществено.
Освен трите основни видове въглеродни клъстери съществуват и други по-слабо изучавани фулероидни структури. Общото за тях се явява наличието на фрагменти от смесени решетки, състоящи се от шестоъгълници, редуващи се с петоъгълници. Ако виждаме въглеродната структура на един шестоъгълник, то това не е молекулярния клъстер на въглерода, а графит, шунгит или други, сходни с тях кристални или частично кристализирали минерали. В последно време някои автори на научни статии по темата твърдят, че фулерените присъстват и в шунгита. Подобно твърдение, което не е подкрепено от фактически материали, е сред митовете, които нееднократно се повтарят в различни източници и придобиват в очите на широката публика все по-голяма достоверност. В миналото и Аристотел заявил на своите ученици, че мухата има осем крака. И днес до началото на ХХ век повече от две хилядолетия всеки образован човек вярваше в това твърдение и не смяташе, че му е нужен микроскоп, за да се убеди в това. Днес мощни микроскопи (както електронните така и оптичните) има много научни лаборатории. Но все още в нито един научен източник не се е появила фотография на дори и един фулерен в структурата на шунгита. И не може да се появи, тъй като условията за образуване на фулерен в шунгита са диаметрално противоположни.
Шунгитът в света се среща само на две места. В Карелия близо до крайбрежието на Онежкото езеро и в южен Казахстан. Тези залежи са с органичен произход. Шунгитът по своята структура заема промеждутъчното място между графита и каменните въглища. Това е много интересен материал, способстващ при използването му в бетона, от който произлизат цял ред уникални явления, но нито фулерени, нито други фулероидни материали няма в него. В структурата му се наблюдават само хексагонални (шестоъгълни) ядра, във възлите на които са разположени атомите на въглерода.
Фулеренът и другите фулероидни структури се явяват изкуствени материали. За получаването им са необходими лаборатории или промишлен реактор, атмосфера от инертен газ и мощно електромагнитно въздействие. В кухнята и в микровълновата печка тези материали не могат да се получат. Тези, които твърдят, че предлагат фулерени, които са получени в „домашни условия”, в най-добрия случай са разцепен графит, а в най-лошия – обикновени сажди ( да не се бъркат с фулеренови сажди, които се образуват в реактора и действително могат да включват неголеми количества различни фулероидни структури).
Фулероидните структури като наномодификатор за бетон
След като вече имаме теоретичната основа за наноструктурите и техните особености, може да разгледаме и практическите възможности от използването на фулероидни структури за модификации на бетона. В днешно време съществуват няколко научни разработки, позволяващи качествено изменение на структурата на циментовия камък и бетона чрез добавяне в състава му на микродози от фулероиден материал. Терминът „добавка” не е най-подходящия, тъй като дозата на добавката обикновено е не по-малко от 0.1% от разхода на цимент. Скоро ще стане дума за присадката, тъй като фулероидните материали целесъобразно навлизат в бетона в хомеопатични дози, състоящи се от една хилядна до една десетохилядна част от процента от разхода на цимент. Дори такава микродоза от фулероидни материали позволява качествено да се измени структурата на циментовия камък или съществено да се усили водоредуциращата способност на пластифициращата добавка.
За подобряване на структурата на циментовия камък, повишаване на неговата удароустойчивост и повишаване на динамичните му връзки в състава на бетона имат заслуги въглеродните нанотръбички. Те представляват кухи тръби от един или няколко въглеродни атома. Имат диаметър от един до няколко нанометра и дължина до няколко микрона. В този си вид те се явяват по същността си кухи влакна, имащи определена здравина, превишаваща сто гигапаскала, и са абсолютно инертни както по отношение на кислорода, така и към алкалните съединения. Веднъж вкарани в бетонната смес, нанотръбичките уякчават циментовия камък и го превръщат в композитен материал. От гледна точка на здравия разум такъв процент уякчаване ( 1 .10 – 5 %) се оказва недостатъчен, за да бъде съществено повлияно върху якостните характеристики на бетона. Независимо, че е доказан благоприятния ефект на нанотръбичките върху бетонната смес и готовия бетон, той не се проявява толкова като непосредствено увеличаване на якостта (което в действителност е нищожно), а за сметка на направлението на регулиране на кристалните процеси. Нанотръбичките се проявяват в циментовия разтвор като зародиши на кристали, но като такива те имат продълговата форма и кристалите, които се образуват са издължени. С нарастването им, кристалите се преплитат, частично прорастват един в друг и образуват пространствена мрежа, свързваща в едно цяло целия циментов камък.
Посоченият метод на вмешателство в процеса на структурообразуване позволява от 30 до 40% да се увеличи якостта на цементовия камък и почти три пъти да се увеличи работата изразходвана за разрушаването му. За съжаление, якостта на бетона при това се увеличава в по-малка степен (например 10%), тъй като уякчаването се получава на микрониво в цимента, а якостните характеристики на бетона съществено се влияят от структурата му на макрониво. Оказване на значително влияние върху структурата на бетона на макрониво може да се постигне чрез други способи. Наномодификатори могат да се вкарат не непосредствено както в предния случай, а в състава на пластифициращата добавка. При такъв метод на вкарване на наномодификатора ефективността на пластифициращата добавка рязко нараства. В такъв случай в качеството на наномодификатор се използва вече не нанотръбичка, а по-скъпите астралени. Изследвания, проведени от руски специалисти в областа, показват че при модификацията на ред пластифициращи добавки с една десетхилядна от процента разтвор от астралени се увеличава два пъти консистенцията на цементо-пясъчната смес, при изпитване с конус на Абрамс. В резултат на такава модификация пластифициращата добавка може да се доведе до фиксиран пластифициращ ефект при по-малко разходи от пластфикатор или да се намали водоциментното отношение за увеличаване на якостта, водонепропускливостта и мразоустойчивостта на бетона.
И така, горепосочените примери за успешна модификация на структурата на циментовия камък и бетона с микродози от наномодификатори свидетелстват, че нанотехнологиите могат ефективно да се използват на различни стадии от формирането на структурата на бетона, но самият бетон не се е превърнал в нанобетон. Все пак, макар и да има по-точен термин, определението по този начин набира нарастваща популярност. Причината за това е, че в структурата на бетона присъстват молекулните клъстери на въглерода, които повишават физично-механичните и експлоатационни свойства и, естествено, структурните изменения са произлезли именно благодарение на действието на наномодификаторите. Фактът, че самите изменения в структурата са не толкова на нанониво, а на субмикроскопично и микроскопично ниво, всъщност предполага понятието „нанобетон“ да бъде изменено, но поради многобройните разновидности на бетоните, за момента е най-ефикасния начин на описване на този революционен за строителството продукт и тази интересна нова технология.22/06/2009 |
