1.4.2. Для строительных материалов

Интенсивное развитие нанотехнологий в области материаловедения приходится и на наиболее материалоёмкую область промышленности -производство конструкционных, архитектурно-строительных материалов и изделий в направлении повышения их прочности. Повышение прочности и снижение плотности конструкционных материалов позволяет повысить коэффициент конструктивного качества (ККК), который в оптотехнике имеет название - удельная прочность, уменьшить поперечное сечение элементов строительных конструкций, затраты на транспортировку, энергопотребление и себестоимость при повышении архитектурной выразительности и долговечности зданий и сооружений.

Нанотехнологии в области безобжиговых минеральных вяжущих основаны на активации одних и подавлении других химических реакций гидратации и гидролиза в процессе твердения цемента, гипса, известняка [ 12 ]. Определяющими параметрами на наноуровне гидратации вяжущих являются уровень щёлочности среды в нанообъёмах, температура и мелкодисперсность частиц исходных составляющих. Опуская известные представления о механизме твердения и динамике набора прочности основного гидравлического вяжущего - цемента [ 14 ], следует отметить, что минеральный состав цемента, после размельчения клинкера, содержит четыре основные соединения: трёхкальциевый силикат (алит), двухкальциевый силикат (белит), трёхкальциевый алюминат и четырёхкальциевый алюмоферрит.

При существующем промышленном мелкодисперсном измельчении исходного клинкера только 30% объёма частиц цемента вступают в химические реакции и преимущественно с поверхности [ 13 ]. Остальной объём клинкера выполняет функции инертного заполнителя. Поэтому за последние три года создано новое помольное оборудование - планетарные мельницы, способные измельчать твёрдые частицы клинкера почти до наноразмеров.

Нанотехнологии позволяют управлять и строго контролировать химические процессы гидратации и твердения основных четырёх компонентов цемента. Продуктом взаимодействия трёхкальциевого силиката в первое время, после затворения водой, является двуводный трёхкальциевый силикат, имеющий неустойчивое (метастабильное) состояние, который постепенно превращается в гидросиликаты сложного состава по реакции: 3CaO • SiO₂ • H₂O → nCaO • xSiO₂ • yH₂O , где: n, х, у - главным образом целые числа, достигающие значений 10-31 [ 13 ]. Численные значения этих коэффициентов зависят от уровня щёлочности среды в микро- и нанообъёмах, а также от температуры. Оснóвность подученных продуктов будет тем выше, чем больше концентрация CaO в жидкой фазе. Гидратация двухкальциевого силиката, трёхкальциевого алюмината и четырёхкальциевого алюмоферрита идёт аналогично выше приведенной химической реакции, но медленнее по времени. Образующиеся в процессе твердения цемента кристаллы указанных соединений имеют разную морфологию частиц и атомно-кристаллическую структуру: пластинчатую, игольчатую, сферическую, кубическую, гексагональную, каждой из которых присущи свои, отличающиеся от других, свойства. Одни из кристаллических продуктов придают цементному камню высокую, а другие - низкую прочность. Гидросиликаты кальция, составляющие основу твердеющего цементного камня, характеризуются высокой прочностью, которая обеспечивается прочными химическими связями. Эти гидросиликаты называются низкооснóв-ными, т.к. отношение CaO и SiO₂ составляет меньше 1,5. Кристаллы низкооснóвных гидросиликатов имеют вид тонких пластинок, толщина которых составляет 2-10 нм, а ширина порядка 50-100 нм. Высокооснóвные гидросиликаты, имеющие скрученные нанопластинки, имеют меньшую прочность.

Вышеприведенное подтверждает, что процессы гидратации цементного клинкера поддаются управлению на атомно-молекулярном уровне с достижением повышенных прочностных свойств цементного камня и бетона.

В настоящее время проводятся работы в области нанотехнологий с использованием механохимической активации вяжущих веществ в роторно-пульсационных и вихревых гидроактиваторах с использованием активированной или структурированной воды [ 15 ].

Одним из широко применяемых приёмов нанотехнологий в производстве бетонов, строительных растворов и паст на основе минеральных вяжущих веществ считается использование различных добавок и модификаторов, в том числе и поверхностно-активных веществ (ПАВ). Адсорбционные слои этих модификаторов на поверхности твёрдой частицы могут выполнять различные функции: задерживать рост кристаллов, влиять на их форму, изменять поверхностное натяжение, влиять на степень смачиваемости дисперсных частиц на наноуровне. Проводятся работы модифицирования нанодисперсными частицами микрокремнезёма, являющегося отходом при получении кремния и ферросилиция, что позволяет повысить прочность цемента и бетона. Источником нанодисперсного кремнезёма становятся геотермальные воды, являющиеся эффективным упрочнителем бетона [ 16 ], а также частицы оксидов и гидрооксидов алюминия [ 17 ], модифицирование фуллереноподобными частицами [ 18 ], использование природного минерала - шунгита, содержащего в своём составе фуллереноподобные наночастицы [ 19 ].