11.10. Добавки наноразмерных частиц в бетоны.

Всё большую популярность приобретает цельнозаливное, монолитное строительство. Новые архитектурные решения, строительство в сейсмоопасных районах, повышенные эксплуатационные нагрузки предъявляют всё более жесткие требования к качеству бетонов. Одно из направлений повышения эксплуатационных характеристик бетонов состоит в армировании бетона путем введения в его состав микроколичеств различных молекулярных кластеров на основе углерода. Добавки углеродных нанотрубок

улучшают структуру цементного камня бетона, повышают его трещиностойкость, динамическую вязкость. Исходя из структуры углеродных нанотрубок (рис. 11.5) их можно уподобить полым волокнам, имеющим высокую прочность и абсолютно инертным к воздействию кислот и щелочей. Введенные в бетонную смесь, нанотрубки армируют цементный камень, превращая его в композиционный материал. Процент добавок наночастиц (1·10^-5%) кажется явно недостаточным, чтобы существенно повлиять на прочностные характеристики бетона. Тем не менее стойкий эффект присутствует, но возникает он не за счет непосредственного армирования, которое действительно ничтожно, а за счет направленного регулирования кристаллизационных процессов. Нанотрубки ведут себя в цементном растворе как «зародыши» кристаллов, но поскольку они имеют не точечную, а протяженную форму, кристаллы образуются вытянутые. Разрастаясь, кристаллы переплетаются, частично прорастают друг в друга и образуют пространственную сеть, пронизывающую и связывающую в единое целое весь цементный камень (рис. 11.6). Введение нанотрубок позволяет на 30–40% усилить прочность цементного камня и почти в три раза увеличить работу, затрачиваемую на его разрушение. К сожалению, прочность бетона при этом увеличивается в меньшей степени (примерно до 10%), так как армирование происходит на микроуровне, а на прочностные характеристики бетона куда существеннее влияет его структура на макроуровне.

Рис. 11.5. Структура наиболее широко известных фуллероидов: 1 – фуллерен С-60, 2 – фуллерен С-70, 3 – одностенная нанотрубка, 4 – многостенная нанотрубка, 5 – многослойная полиэдральная наночастица – астрален

Рис. 11.6. Электронно-микроскопическое изображение цементного камня при увеличении х6000. Слева фотография микроструктуры обычного цементного камня, справа структура цементного камня после введения нанотрубок.

Влияние на структуру бетона на макроуровне оказывает введение наномодификатора, в качестве которого используют более дешевые наночастицы – астралены (рис. 11.5). Астралены имеют, в отличие от линейных нанотрубок, кольцевую, объемную, многополярную ориентацию. При модификации ряда пластифицирующих добавок десятитысячными долями процента астраленов существенно улучшает эксплуатационные характеристики бетонов. Фуллероидные материалы обладают весьма значительным дипольным моментом и в присутствии воды выстраивают зерна цементного камня по цепочкам от фуллероида вдоль векторов диполя. Цементный камень "растет" вокруг астралена звездообразно, проникая в толщу наполнителей своеобразным дополнительным наноармирующим многополярным связующим. В результате такой модификации пластифицирующих добавок можно добиться фиксированного пластифицирующего эффекта при меньшем расходе пластификатора или снизить водоцементное отношение для увеличения прочности, водонепроницаемости и морозостойкости бетона. Модификации структуры цементного камня и бетона микродозами наномодификаторов свидетельствуют, что нанотехнологии могут эффективно использоваться на различных стадиях формирования структуры бетона.