Архитектура и строительство Вестник БНТУ, № 3, 2009 5 А Р ХИ Т Е К Т У Р А И С Т Р ОИ Т Е Л ЬС Т В О УДК 621.762; 691.002(032) НАНОТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬНОМ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ: РЕАЛЬНОСТЬ И ПЕРСПЕКТИВЫ Академик, докт. техн. наук, проф. ЖДАНОК С. А. Институт тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН Беларуси Чл.-кор. НАН Беларуси, докт. техн. наук, проф. ХРУСТАЛЕВ Б. М., доктора техн. наук, профессора БАТЯНОВСКИЙ Э. И., ЛЕОНОВИЧ С. Н. Белорусский национальный технический университет Во все времена основу эффективного про- изводства разнообразных материалов состав- ляло знание природы и физико-химической су- ти явлений, обеспечивающих целенаправлен- ное формирование их будущих свойств. В со- временных условиях все большую значимость приобретают знание, способность и умение управлять процессами структурообразования при получении различных (в том числе и стро- ительных) материалов на уровне размеров эле- ментарных частиц, из которых «строится» (со- здается) данный материал. Целенаправленное воздействие на формирование наноструктуры, например твердеющего цементного камня, мо- жет обеспечить создание более однородной и плотной взаимной «упаковки» гидрокристал- лических новообразований – продуктов реакции клинкерных минералов цемента с водой, харак- теризующихся наноразмерами (~(8–15)×10–9 м). На этой основе возможно не только управлять кинетикой перехода (трансформацией) вязко- пластичной бетонной смеси в твердофазное состояние – цементный бетон, но и обеспечить более высокий уровень его плотности и проч- ности, что является базисом для повышения несущей способности, долговечности и эксплу- атационной надежности строительных кон- струкций, изготовленных с его использованием. Учитывая разнообразие применяемых в строительстве бетонов, очевидную перспектив- ность их использования в качестве конструк- ционных, теплоизоляционных, отделочных и иных видов строительных материалов, изделий и конструкций, представляется важным реше- ние проблем повышения их качества, придания новых свойств бетонам и другим строительным материалам, совершенствования производ- ственных технологий по пути снижения их энергоемкости, а также ряда других проблем и задач. При этом наиболее значимые результаты могут быть получены, если исходить из осозна- ния того, что все физико-технические свойства материалов, в частности бетонов, предопреде- ляются качеством формирования структуры наноуровня. Для бетонов на цементном вяжущем из множества факторов, влияющих на процессы становления их свойств, определяющими яв- ляются образование, накопление и системное взаиморасположение гидрокристаллов сили- катной, алюминатной и ферритной составляю- щих портландцементного клинкера. Уровнем энергии их взаимосвязей, которые образуются между соседствующими гидрокристаллами, предопределяется будущая прочность цемент- ного камня и бетона. Учитывая наноразмеры гидрокристаллов (~(8–15)×10–9 м), специфику их образования и последующего взаимодей- ствия, можно предположить эффективность введения в такую систему твердофазных частиц иного, в частности углеродного, наноматериа- ла. При этом возможно проявление эффектив- Архитектура и строительство Вестник БНТУ, № 3, 2009 6 ности двоякого рода: во-первых, ультрамикро- дисперсный углеродный наноматериал, харак- теризующийся огромным, концентрированным в нанообъеме потенциалом поверхности, может послужить катализатором процесса образова- ния гидрокристаллов как более интенсивно (ускоренно) во времени, так и в значительно большем количестве; во-вторых, введение уг- леродных наноматериалов в виде волокон (ни- тей) может способствовать проявлению арми- рующего эффекта на наноуровне, т. е. в форми- рую- щейся системе гидрокристаллических новооб- разований в объеме твердеющего цементного камня. В обоих случаях (но по различным схе- мам проявления эффекта) возможно повыше- ние прочностных характеристик цементного камня, а на этой основе – бетона. В 2006 г. для проверки выдвинутых гипотез были начаты системные исследования, которые осуществляются совместно Институтом тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН Бела- руси и БНТУ на базе кафедры «Технология бе- тона и строительные материалы» и ее научно- исследовательской лаборатории. В материа- ле статьи частично представлены полученные в ходе исследований результаты, дана оцен- ка общего состояния и перспектив развития нанотехнологий в строительном материало- ведении. Получение наноматериалов. Открытие фуллеренов (Kroto, 1985), развитие технологий их получения и исследование строения, струк- туры и свойств в 1985–1995 гг. (Kraetschmer, Ebbesen, Mintimire, Елецкий, Смирнов, Hamada, Sawada, Oshijama, Iijima, Ichihashi, Dresselhaus и многие другие исследователи [1–16]) позво- лили выявить (Iijima, 1991), что в результате термического распыления графитового анода в электрической дуге наряду с молекулами, принадлежащими к семейству фуллеренов, образуются также протяженные структуры, представляющие собой свернутые в одно- или многослойную трубку графитовые слои. Дли- на таких образований, получивших название «нанотрубки», зачастую превышает 1 мкм (т. е. >1000 нм) и может достигать десятков микрон, на несколько порядков превышая их диаметр, составляющий обычно от одного до нескольких нанометров. При этом в отличие от фуллеренов, которые осаждаются вместе с са- жей на стенках газоразрядной камеры, нано- трубки находятся преимущественно на поверх- ности катода, обращенной к межэлектродному промежутку. Как показали наблюдения, выпол- ненные с помощью электронных микроскопов, большинство нанотрубок состоит из несколь- ких графитовых слоев, либо вложенных один в другой, либо навитых на общую ось. Расстоя- ние между слоями практически всегда состав- ляет 0,34 нм, что соответствует расстоянию между слоями в кристаллическом графите. Нанотрубки обычно заканчиваются полусфери- ческой головкой, структура которой включает в себя наряду с шестиугольниками также пра- вильные пятиугольники и напоминает полови- ну молекулы фуллерена (рис. 1). а б в Рис. 1. Модели поперечных структур многослойных нано- трубок: а – «русская матрешка»; б – шестигранная призма; в – свиток В процессе развития технологий получения углеродных наноматериалов [17–36 и др.] была выявлена множественность видов строения и размеров формирующихся в различных усло- виях наноструктур, полученных разными мето- дами с использованием различных материалов, подвергавшихся разным способам модифика- ции, дополнительно обработанных разными приемами и веществами (рис. 2). Изменчивость форм, структурирования (кон- фигураций) и размеров неизбежно сопровожда- ется непостоянством свойств углеродных наноматериалов. Этот эффект усиливается из- менчивостью соотношения образующихся па- раллельно с много- и однослойными нанотруб- ками, разнообразными многогранниками, нано- волокнами, углеродными наноматериалами (УНМ) иных материалов: аморфного углерода, металла, ультрадисперсных наночастиц. Общий недостаток разрабатываемых технологий – низ- Архитектура и строительство Вестник БНТУ, № 3, 2009 7 кий выход собственно углеродного наномате- риала, что сопровождалось соответствующим ростом его себестоимости и позволяло произ- водить УНМ только для исследовательских целей. Рис. 2. Полученные с помощью электронного микроскопа фотографии структур углерода, образующихся в резуль- тате электролитического разрушения графитного катода В стремлении увеличения «выхода» УНМ, снижения его себестоимости и обеспечения устойчивого качества (однородности) углерод- ных наноматериалов исследователи разных стран предложили множество вариантов техно- логий их получения и модификаций, которые базируются на следующих основных способах: синтез УНМ в другом разряде [4], лазерная аб- ляция углерода [18] и процесс химического осаждения в газовой фазе [16] (CVD). Одной из разновидностей процесса CVD является процесс HIPCO [17], обеспечивающий получе- ние высококачественных однослойных угле- родных нанотрубок. Перечисленные способы позволяют получать многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ) и углеродные нановолокна (УНВ) хорошего качества, но одновременно характеризуются низким выходом целево- го материала (не превышает 0,5 г/ч) при вы- соком содержании в получаемых наномате- риалах нейтрального (аморфного) углерода (до 90 %). Результатами исследований по означенной проблеме, выполненных в Институте тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН Бела- руси, явились разработка уникального способа их получения в плазме высоковольтного разря- да [19] и создание соответствующего оборудо- вания для реализации технологии производства УНМ [37]. Дальнейшее ее совершенствование позволило запатентовать способ получения углеродного наноматериала [38] в плазме высо- ковольтного разряда атмосферного давления (ВВРАД) при оптимальном составе газовой смеси СН4 : воздух = 1 : (2,4–2,5) с последую- щей химической обработкой, что обеспечило существенное повышение выхода УНМ и сни- жение содержания аморфного углерода в ито- говом материале. Производительность установки ВВРАД при оптимальном составе газовой смеси составляет 5,0–5,5 г/ч. Получаемый углеродный материал содержит: 3–5 % металла (Fe и Ni), 35–40 % аморфного углерода (по данным термограви- метрического анализа), 20–30 % многостенных углеродных нанотрубок, 20–40 % углеродных нановолокон и 2–5 % графитовых наночастиц (по данным электронной просвечивающей мик- роскопии). После химической очистки угле- родный наноматериал содержит не более 1,3 % металла (в основном включенного в наночасти- цы) и не более 5 % аморфного углерода. Степень «чистоты» и качества полученного УНМ подтверждает сравнение микрофотогра- фий, представленных на рис. 2 (приведены по данным работ [30, 31, 36] и рис. 3 (данные Ин- ститута тепло- и массообмена НАН Белару- си [37, 38]), на которых: рис. 2 и 3а – неочи- щенный углеродный наноматериал, рис. 3б – полученный с очисткой по технологии, разра- ботанной в Институте тепло- и массообмена. Очевидна общность строения, конфигураций и типоразмеров неочищенных УНМ, полученных в разных странах, разное время и отличающих- ся способами (фотографии УНМ на рис. 2 – электролитический способ; на рис. 3 – в плазме высоковольтного разряда), что свидетельствует об общности физико-химической сущности по- Архитектура и строительство Вестник БНТУ, № 3, 2009 8 лучаемого материала и, следует ожидать, их основных свойств. а б в Рис. 3. Электронные микрофотографии наноматериалов: а – неочищенного; б – очищенного; в – углеродного СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА НАНОМАТЕРИАЛОВ Структура однослойных нанотрубок. Иде- альная нанотрубка представляет собой свер- нутую в цилиндр графитовую плоскость, т. е. по- верхность, выложенную правильными шести- угольниками, в вершинах которых расположе- ны атомы углерода. Угол ориентации задает хиральность нанотрубки, которая определяет, в частности, ее электрические характеристики. Это свойство нанотрубок иллюстрируется на рис. 4, где показана часть графитовой плоско- сти и отмечены возможные направления ее сворачивания. Чем больше угол ориентации графитовой плоскости относительно оси труб- ки, тем выше ее хиральность. Прямые измерения хиральности нанотру- бок, синтезированных в [39], выполнены в од- ной из последующих работ той же группы уче- ных [40]. Авторы использовали электронно- дифракционный микроскоп с чрезвычайно ма- лым поперечным сечением электронного пучка (около 0,7 нм), быстро сканируемого по обла- сти диаметром 10–20 нм, заполненной жгутом нанотрубок. На основании получаемой таким образом дифракционной картины можно оце- нить структуру нанотрубок. Рис. 4. Иллюстрация хиральности нанотрубок На рис. 5 представлена идеализированная модель однослойной нанотрубки. Такая трубка не образует швов при сворачивании и закан- чивается полусферическими вершинами, содер- жащими, наряду с правильными шестиуголь- никами, также по шесть правильных пятиуголь- ников. Наличие пятиугольников на концах тру- бок позволяет рассматривать их как предельный случай молекул фуллеренов, длина продольной оси которых значительно превышает диаметр. Рис. 5. Идеализированная модель однослойной нанотрубки Структура однослойных нанотрубок, наблюдаемых экспериментально, во многих отношениях отличается от представленной вы- ше идеализированной картины. Прежде всего это касается вершин нанотрубки, форма кото- рых, как следует из наблюдений, далека от иде- альной полусферы. Чем в большей степени структура реального материала отличается от идеализированной структуры, тем большую активность следует от него ожидать, так как уже установлена неравномерность активности поверхности нанотрубок, с максимумами у ее вершин. Структура многослойных нанотрубок. Многослойные нанотрубки отличаются от од- нослойных значительно более широким разно- образием форм и конфигураций. Разнообразие Архитектура и строительство Вестник БНТУ, № 3, 2009 9 структур проявляется как в продольном, так и в поперечном направлении. Возможные раз- новидности поперечной структуры многослой- ных нанотрубок приведены на рис. 1. Структу- ра типа «русской матрешки» (russian dolls) (рис. 1а) представляет собой совокупность ко- аксиально вложенных друг в друга однослой- ных цилиндрических нанотрубок. Другая раз- новидность этой структуры (рис. 1б) представ- ляет собой совокупность вложенных друг в друга коаксиальных призм. Наконец, послед- няя из приведенных структур (рис. 1в) напоми- нает свиток (scroll). Для всех структур харак- терно значение расстояния между соседни- ми графитовыми слоями, близкое к величине 0,34 нм, присущей расстоянию между соседни- ми плоскостями кристаллического графита. Ре- ализация той или иной структуры в конкретной экспериментальной ситуации зависит от усло- вий синтеза нанотрубок. Несмотря на многочисленные усилия, пред- принимаемые исследователями, до настоящего времени не было получено прямых экспери- ментальных данных, указывающих на преобла- дание той или иной структуры многослойных нанотрубок, синтезируемых в конкретных условиях. Это связано с недостаточно высокой разрешающей способностью существующей экспериментальной аппаратуры (в частности, электронных микроскопов, рентгеновских ди- фрактометров). Следует иметь в виду, что идеализирован- ная поперечная структура нанотрубок, в кото- рой расстояние между соседними слоями близ- ко к значению 0,34 нм и не зависит от аксиаль- ной координаты, на практике искажается вслед- ствие возмущающего воздействия соседних нанотрубок. Это наглядно продемонстрировано в одной из первых работ на данную тему [41]. С помощью электронного микроскопа было обнаружено 2–3%-е уменьшение расстояния между слоями в области контакта двух сосед- них нанотрубок, одна из которых состоит из 10, а другая – из 12 слоев. Оценки, выполненные с учетом ван-дер-ваальсового взаимодействия атомов, количественно подтверждают этот эф- фект. Другие отклонения от идеализированной структуры нанотрубок были обнаружены в [42–46]. С использованием электронной мик- роскопии высокого разрешения показано, что значительная часть многослойных нанотрубок имеет в сечении форму многоугольника, так что участки плоской поверхности соседствуют с участками поверхности высокой кривизны, которые содержат края с высокой степенью sp~-гибридизованного углерода. Эти края ог- раничивают поверхности, составленные из ги- бридизованного углерода, и определяют многие свойства нанотрубок, в частности показано, что наличие дефектов приводит к искажению пря- молинейной формы нанотрубки и придает ей форму гармошки с длиной волны, в 2–8 раз превышающей размер шестичленного кольца. Трубки причудливым образом извиваются, скручиваются сами с собой и друг с другом, образуя витые спирали, веревки, петли и другие всевозможные структуры. Наблюдения многослойных нанотрубок, по- лученных в дуговом разряде, показали, что рас- стояния между слоями могут меняться от стан- дартной величины 0,34 нм до удвоенного зна- чения – 0,68 нм. Это указывает на наличие дефектов в нанотрубках, когда один из слоев частично отсутствует. Другой тип дефектов, нередко отмечаемых на графитовой поверхности многослойных нанотрубок, связан с внедрением в такую по- верхность, состоящую преимущественно из правильных шестиугольников, некоторого ко- личества пяти- или семиугольников. Наличие таких дефектов в структуре нанотрубок приво- дит к нарушению их цилиндрической формы, причем внедрение пятиугольника вызывает вы- пуклый изгиб, в то время как внедрение семи- угольника способствует появлению вогнутого изгиба идеальной цилиндрической поверхности нано- трубки. Таким образом, подобные дефекты вы- зывают появление изогнутых и спиралевидных нанотрубок, причем наличие спиралей с посто- янным шагом свидетельствует о более или ме- нее регулярном расположении дефектов на по- верхности нанотрубки. Детальное исследование этого вопроса представлено, в частности, в [47], где на основании результатов наблюдения изо- гнутых нанотрубок делаются выводы о нали- чии в их структуре семичленных углеродных колец. Архитектура и строительство Вестник БНТУ, № 3, 2009 10 Электрические свойства однослойных нанотрубок в значительной степени определя- ются их хиральностью. Электропроводность углеродных нанотрубок является ключевым пара- метром этих объектов, от величины и возмож- ности измерения которого зависят перспективы их использования в целях дальнейшей миниа- тюризации устройств микроэлектроники. Не- смотря на многочисленные усилия, предпри- нимаемые в этом направлении, до сих пор отсутствуют надежные экспериментальные дан- ные, подтверждающие связь электропроводно- сти индивидуальной нанотрубки с ее хирально- стью. Это обусловлено, с одной стороны, труд- ностями получения и отождествления нанотру- бок с определенной хиральностью, а с другой – трудностями при измерении электропроводно- сти индивидуальных нанотрубок. В силу указанных трудностей в первых экс- периментах по установлению электропровод- ности нанотрубок исследовались не столько индивидуальные нанотрубки, сколько материа- лы, изготовленные на основе большого числа нанотрубок, обладающих различными характе- ристиками. Обращает внимание некоторое существен- ное различие результатов исследований [48, 49], выполненных методами с разным количе- ством зондов. При этом в [49] наблюдались не- большое положительное магнитосопротивле- ние и слабо возрастающая температурная зави- симость сопротивления нанотрубок, а в [48] установлены значительное отрицательное маг- нитосопротивление и логарифмический спад сопротивления во взаимосвязи с температурой. Такое противоречие указывает на многообразие типов нанотрубок с отличающимися свойства- ми, которые могут зависеть от условий их по- лучения. Магнитные свойства. Одно из примеча- тельных свойств нанотрубок – ярко выражен- ная зависимость электропроводности от маг- нитного поля. При этом в большинстве экспе- риментов наблюдается рост проводимости в магнитном поле. Значительный интерес пред- ставляет характер изменения электрических и магнитных свойств нанотрубок при легирова- нии материала атомами металла. Интерес к этому вопросу объясняется открытием высоко- температурной (до 40 К) сверхпроводимости кристаллических фуллеренов, допированных атомами щелочных металлов, и надеждами на обнаружение аналогичных явлений в случае нанотрубок. Важным параметром, характеризующим магнитные свойства материала, является его магнитная восприимчивость. Результаты, полу- ченные в исследованиях [50], сравниваются на рис. 6 [36] с соответствующими данными для других форм углерода. Измерения проводились с помощью СКВИД-магнитометра. Для полу- чения нанотрубок, собранных в жгуты неупо- рядоченной ориентации, использовался дуго- вой разряд с графитовыми электродами, горя- щий в атмосфере Не. Большая отрицательная магнитная восприимчивость нанотрубок указы- вает на их диамагнитные свойства. Можно предположить, что диамагнетизм нанотрубок обусловлен протеканием электронных токов по их окружности. Как следует из измерений, ве- личина χ не зависит от ориентации образца, что связано с его неупорядоченной структурой. Относительно большое значение χ указывает на то, что, по крайней мере, в одном из направ- лений эта величина сравнима с соответствую- щим значением для графита или превышает его. Существенное отличие температурной за- висимости магнитной восприимчивости нано- трубок от соответствующих данных для других форм углерода может служить еще одним сви- детельством того, что углеродные нанотрубки являются отдельной самостоятельной фор- мой углерода, свойства которой принципиально отличаются от свойств углерода в других со- стояниях. Рис. 6. Температурные зависимости магнитной восприим- чивости различных форм углерода (усреднено по ориен- Т, К χ, 10–6 СГСЕ (моль С)–2 1 3 2 4 5 Архитектура и строительство Вестник БНТУ, № 3, 2009 11 тациям): 1 – кристаллический фуллерен С60; 2 – алмаз; 3 – активированный уголь; 4 – высокоориентированный пиролитический графит; 5 – нанотрубки Эмиссионные характеристики нанотру- бок. Значительный научный и прикладной ин- терес представляет возможность использования нанотрубок в качестве источника автоэлек- тронной эмиссии. Это свойство связано с чрез- вычайно малыми поперечными размерами нанотрубок, благодаря чему в области вблизи ее вершины имеет место значительное увели- чение напряженности электрического поля по отношению к значению, усредненному по все- му межэлектродному промежутку. Результа- ты измерения [51] эмиссионных характери- стик нанотрубок, ориентированных перпенди- кулярно плоскости подложки, представлены на рис. 7. С площади около 1 мм2 при напряжении около 500 В получен ток эмиссии порядка 0,5 мА, что свидетельствует о возможности ис- пользования пленок из нанотрубок в электро- нике в качестве холодных эмиттеров. Напряжение, В Рис. 7. Вольт-амперная характеристика пленки автоэлек- тронной эмиссии нанотрубок, ориентированных перпен- дикулярно плоскости подложки Эмиссионные характеристики нанотрубок исследовались также в работах [52, 53]. Нано- трубки проявили себя как источник не только автоэлектронной эмиссии, но и интенсивной термоэлектронной эмиссии при относительно низких температурах. Максимально достижи- мое значение плотности тока термоэлектрон- ной эмиссии сопоставимо с лучшими результа- тами, полученными для алмазоподобных пле- нок, и составляет до 3 А⋅см–2. Автоэлектронная эмиссия многослойных нанотрубок возможна при более высоких значениях напряженности поля, однако при этом достигаются примерно такие же значения плотности тока, как и в слу- чае однослойных нанотрубок. Обработка вольт- амперных характеристик автоэлектронной эмис- сии позволила авторам оценить работу выхода электрона с поверхности пленок. Эта величина оказалась равной 1 эВ, что позволяет отнести нанотрубки к лучшим материалам, используе- мым в качестве холодного катода. Удельная поверхность. Химические реак- ции и физико-химические превращения в твер- деющей системе «цемент – вода» протека- ют при низких положительных температурах в диапазоне 15–25 °С (нормальные условия) и повышенных, но не более 80–90 °С. В этих условиях темп их развития чрезвычайно зави- сим от степени дисперсности реагирующих твердофазных компонентов (в частности, от размеров частиц вяжущего и дополнительно вводимых твердофазных веществ), так как с ростом дисперсности возрастает и энергия по- верхности, а с ней – химико-физическая актив- ность твердой фазы. Удельная поверхность открытых и закры- тых нанотрубок, определенная методом физи- ческой сорбции N2 при Т = –196 °С, оказалась равной 21 и 36 м2⋅г –1 соответственно и достига- ет 450 м2⋅г –1 для внутренней поверхности структур из нанотрубок [36, 54]. Следует ожи- дать, что удельная поверхность коротких тру- бок или сферообразных многогранников УНМ будет не менее 450 м2⋅г–1, а такие частицы характеризуются значительным сосредоточен- ным в малом объеме зарядом поверхностной энергии. Для сравнения приведем требования дей- ствующего стандарта [55] в отношении удель- ной поверхности широко применяемой добав- ки в цементные бетоны – микрокремнезема (аморфный SiO2), которая должна быть не ни- же 15 м2⋅г –1 (фактически соответствует 15–25 м2⋅г –1). Удельная поверхность частиц промыш- ленно производимого и применяемого в строи- тельстве портландцемента (кроме вяжущих специального назначения) составляет Sуд ∼ 1,5 Т ок , м А Архитектура и строительство Вестник БНТУ, № 3, 2009 12 м2⋅г –1 при определении методом адсорбции па- ров азота, что соответствует 0,3 м2⋅г –1 для наиболее широко применяемого метода ее оценки по воздухопроницаемости при атмо- сферном давлении (приборы типа ПСХ). НАПРАВЛЕНИЯ ПРИКЛАДНОГО ПРИМЕНЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ Общетехнические направления. Уже ре- зультаты первых исследований углеродных наноматериалов указывают на их необычные свойства, которые трудно ожидать от объектов нанометровых размеров. Так, нанотрубки с от- крытым концом проявляют капиллярный эф- фект и способны втягивать в себя расплавлен- ные металлы и другие жидкие вещества. Реали- зация этого свойства нанотрубок открывает перспективу создания проводящих нитей диа- метром порядка нанометра, которые могут стать основой электронных устройств наномет- ровых размеров. Установлена возможность внедрения внутрь нанотрубки сверхпроводяще- го материала, который, как следует из резуль- татов экспериментов, не потерял сверхпрово- дящих свойств при температуре до 10 К. Со- гласно многочисленным теоретическим расче- там электрические свойства индивидуальной нанотрубки в значительной степени определя- ются ее хиральностью, т. е. углом ориентации графитовой плоскости относительно оси труб- ки. В зависимости от хиральности однослойная нанотрубка может быть либо, как графит, по- луметаллом, не имеющим запрещенной зоны, либо полупроводником. Соединение двух нано- трубок, имеющих различную хиральность, а, следовательно, и различные электронные ха- рактеристики, может быть использовано в ка- честве основы электронных устройств следую- щего поколения. Как показывают результаты экспериментов, нанотрубки обладают высоки- ми эмиссионными характеристиками, что от- крывает еще одну перспективную возможность прикладного использования нанотрубок в элек- тронике. Высокая механическая прочность углерод- ных нанотрубок в сочетании с их электропро- водностью дает возможность использовать их в качестве зонда в сканирующем микроскопе, предназначенном для исследования мельчай- ших поверхностных неоднородностей, что на несколько порядков повышает разрешающую способность приборов подобного рода. Значи- тельные перспективы имеет применение нано- материалов в химической технологии. Одно из возможных направлений подобного рода, осно- ванное на высокой удельной поверхности и хи- мической инертности углеродных нанотрубок, связано с применением в гетерогенном катали- зе в качестве подложки, а также для получения разнообразных полимерных нанокомпозитов, используемых в приборо- и машиностроении, электронике, электротехнике и других отраслях народного хозяйства. Строительное материаловедение. Отдель- ным направлением эффективного использова- ния углеродных наноматериалов может стать строительная отрасль с ее огромным разнооб- разием применяемых в строительном произ- водстве материалов. Технологии их получения настолько разнообразны по химико-физиче- ским процессам, диапазону температурных и временных режимов производственных про- цессов, что нет возможности на данном этапе точно определить наиболее эффективные направления использования уникальных свойств УНМ, способные обеспечить положи- тельный результат в кратчайшие сроки. Необ- ходим поиск, базирующийся на приведенных в предыдущих разделах данной статьи результа- тах фундаментальных исследований свойств УНМ. Интерес к использованию ультрадисперс- ных твердофазных материалов в строительном материаловедении в целом активно проявляет- ся, что отражено в ряде публикаций последних лет различных авторов [57–63 и др.]. По суще- ству публикуемые по проблеме статьи не отра- жают и не содержат данных исследований о применении в рассматриваемых в них техноло- гиях (или их аспектах) собственно углеродных наноматериалов. В этих трудах в основном изучаются и отражаются закономерности ста- новления структуры различных строительных материалов, включая цементные бетоны, на уровне наноразмеров. То есть рассматриваются физико-химические явления, естественно при- сущие исследуемым в этих работах процессам твердения неорганических вяжущих материа- лов. Особенностью являются применяемые при Архитектура и строительство Вестник БНТУ, № 3, 2009 13 этом вещества и приемы модификации струк- турообразования и свойств материалов, напри- мер путем электрофизической обработки воды [39, 56], введения тонкодисперсных веществ, содержащих кремнеземистые и иные компо- ненты [58, 61–63], путем диспергирования ис- ходных материалов с целью образования и про- явления эффекта от частиц «наноразмеров» [57] и т. д. Отдавая должное значимости и полезно- сти выполняемых исследований в области нанотехнологий как таковых, отметим необхо- димость изучения возможного влияния соб- ственно вещества УНМ на процессы, обеспечи- вающие получение разнообразных строитель- ных материалов, формирование их структуры и свойств. Теоретические аспекты эффективности УНМ. С позиций эффективного воздействия УНМ на процессы структурообразования, твер- дения и прочность цемента (соответственно цементного бетона как базового строительного материала) особую значимость имеют высо- чайшая потенциальная энергия ультрадисперс- ных УНМ и их свойство в определенных усло- виях получения формировать тончайшие во- локна значительной (до десятков микрон) длины. В первом варианте эффективность введения вещества УНМ в цемент и цементные компози- ции в целом основывается на понижении энер- гетического порога начала образования кри- сталлогидратов из водного раствора, насыщен- ного ионами клинкерных минералов цемента, как результата его взаимодействия с водой за- творения. То есть в этом случае используется высокий уровень энергии поверхности частиц УНМ, которые могут служить центрами кри- сталлизации, ускоряя процесс образования кри- сталлогидратов и обеспечивая повышение тем- па роста прочности цементного камня. По клас- сификации Ратинова – Розенберг [64], такие вещества относятся к добавкам третьего класса (кристаллические затравки). Их эффективность известна (добавки-кренты) с 60-х гг. ХХ в. [65] и в наибольшей мере реализуется в современ- ных условиях при использовании микрокрем- незема [63, 66, 67]. Однако при этом дозировка или расход данной добавки составляет ∼10 % от массы цемента (МЦ) и для обеспечения мак- симальных результатов достигает 30 % от МЦ. Особенность и уникальность применения вещества УНМ, характеризующегося огромным потенциалом поверхности ультрадисперсных частиц, заключается в достижении (как это бу- дет показано далее) положительного результа- та, выраженного ростом прочности цементного камня, при дозировках в сотых и даже тысяч- ных долях процента от массы цемента. В несколько ином аспекте проявляется эф- фективность волокнообразных трубчатых УНМ. Их особенностью является значительная длина (до 30 мкм) при малых размерах поперечного сечения, которое может быть в диаметре менее 1 нм. Такой волокнообразный материал, харак- теризующийся значительной прочностью на растяжение, может оказать огромное влияние на прочностные характеристики цементного камня и бетона. Присутствие тончайших волокон в твердею- щем цементном камне создает условия для эф- фекта «наноармирования» структуры новообра- зований в виде спонтанно формирующейся си- стемы гидроокислов клинкерных минералов (n1CaO ⋅ m1SiО2 ⋅ p1H2O; n2CaO ⋅ m2Al2O3 ⋅ p2H2O; n3CaO ⋅ m3Fe2О3 ⋅ p3H2O и др.). Малые поперечные размеры нановолокон при длине, значительно превышающей размеры собствен- но гидрокристаллов силикатов, алюминатов и ферритов кальция, соответствующих ∼(8,0– 15,0) нм, обеспечивают необходимые предпо- сылки для «защемления» волокон в межплос- костных пространствах соседствующих по- верхностей множества гидрокристаллов, что и обеспечивает эффект армирования нано- и микроструктуры объема новообразований за- твердевшего цементного камня. Следствием этого является рост его прочности на растяже- ние и сжатие, что отражается в приведенных далее результатах экспериментов. Можно предположить, что использование волокнообразных УНМ позволит решить про- блему повышения ударной вязкости (хруп- кости) и деформативности высокопрочных бе- тонов, увеличить прочность на растяжение (осевое или при изгибе) традиционных кон- струкционных бетонов и обеспечить одновре- менно рост их способности сопротивляться сжимающим нагрузкам, а также возникающим при сложнонапряженном состоянии. Кроме этого означенный эффект может обеспечить Архитектура и строительство Вестник БНТУ, № 3, 2009 14 существенное повышение прочности поризо- ванных конструкционно-теплоизоляционных и теплоизоляционных бетонов, благодаря чему возможен рост их теплоизолирующей функции, что является одной из сложнейших в решении проблем строительного материаловедения. Ос- нованием для такого утверждения является об- щепризнанный постулат теории разрушения хрупких материалов (включая бетон) от уси- лий, превышающих предел их прочности на растяжение и возникающих в поперечной плос- кости к направлению приложения сжимающей нагрузки. Аналогией означенного эффекта на макроуровне является прием армирования бе- тона металлической фиброй, а также щелоче- стойким стекловолокном и другими волокни- стыми материалами. Далее в материале статьи частично представлены некоторые результаты исследований по оценке эффективности приме- нения УНМ в цементных бетонах и выводы об основных направлениях и перспективах их раз- вития. НАПРАВЛЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Фазово-структурные изменения. Введение в цемент потенциально активного вещества УНМ может вызвать изменения как в развитии реакций его взаимодействия с водой, так и в образующихся при этом продуктах гидратации. С целью проверки данного предположения бы- ли выполнены комплексные исследования проб затвердевшего цементного камня методом тер- мического разложения (дериватографического (детермического) анализа) и методом рентгено- графического (рентгеноструктурного) анализа. Данные дериватографического анализа. Исследования цементного камня, не содержащего (контрольный) и с УНМ в дозировке 0–0,1 %, осуществили с помощью лабораторного прибо- ра – дериватографа (Q-1500Д) путем прокали- вания проб в диапазоне температур 0–1000 °С. Метод дериватографии был использован для оценки возможного влияния добавки УНМ на развитие реакций гидратации цемента. Полу- ченные дериватограммы (рис. 8, 9) температур- ного разложения проб (приведены частично) цементного камня без и с наличием вещества УНМ (0,05 % от МЦ) свидетельствуют об их подобии вплоть до температуры, примерно в 600 °С. За пределами этой температуры есть отличия в графиках «ДТА» и «ДТГ», свиде- тельствующие об изменении реакций разложе- ния в этой температурной области в пробах це- ментного камня с УНМ. Можно предположить, что это явление связано с влиянием вещества УНМ на морфологию новообразований, так как температурная «зона» разложения основной части гидрокристаллов (выделения химически связанной ими воды) приходится примерно на ≥600 °С (рис. 8). Рис. 8. Дериватограмма пробы «чистого» цементного камня (контрольная) Рис. 9. Дериватограмма пробы цементного камня, содержащего 0,05 % УНМ от массы цемента Архитектура и строительство Вестник БНТУ, № 3, 2009 15 В определенной мере это явление может быть также связано с химико-физическим влия- нием вещества УНМ на процесс образова- ния гидрокристаллов клинкерных минералов, а именно: их образуется больше в сравнении с «чистым» цементным камнем. Однако этого объяснения недостаточно с учетом изменений графика «ДТА» в диапазоне температур >600 °C, так как именно при этой температуре разлага- ются гидрокристаллы силикатов кальция и вы- деляется химически связанная ими вода, а это отражает изменения в химической природе раз- лагающегося вещества. Не исключено также, что рассматриваемые изменения деривато- грамм связаны с разложением собственно ве- щества УНМ, так как температурное разло- жение разновидностей графита соответствует диапазону значений t ~ 670–830 °С (для сажи), t ≥ 900 °С (для «чистого» графита) [36]. С учетом этого обстоятельства необходимы дальнейшие исследования, в частности в виде рентгенографического (рентгеноструктурного) анализа идентичных проб, результаты которого представлены в следующем разделе. Данные рентгенографического анализа. Рентгенографический анализ фазового соста- ва цементного теста образцов был проведен (рис. 10–12) на пробах с применением рентге- новского дифрактометра ДРОН-7 при Cuα-из- лучении, напряжении на трубке 30 кВ, токе 15 мА. Соотношение интенсивностей дифракцион- ных максимумов портландита, характеризую- щих содержание его в пробах, отображает диа- грамма рис. 12. Результаты рентгенографического анализа проб показывают, что введение УНМ в цемент сопровождается некоторыми изменениями в морфологии и количестве образующихся про- дуктов гидратации цемента, при этом макси- мум соответствует дозировке добавки ∼0,05 % от массы цемента. Например, косвенной оцен- кой степени увеличения гидратации цемента может служить установленный рост количества гидроксида кальция с увеличением дозировки УНМ. Одновременно было выявлено и проти- воречие, заключающееся в том, что количество клинкерного алита (одного из наиболее актив- ных и играющих важную роль в наборе проч- ности бетоном) в пробах с добавкой возросло в сравнении с контрольной. I, имп./с I, имп./с Архитектура и строительство Вестник БНТУ, № 3, 2009 16 Рис. 10. Дифрактограммы образца без УНМ (контрольный) Рис. 11. Дифрактограммы образца с УНМ: дозировка – 0,05 % от МЦ 0 20 40 60 80 I ипм/с Ряд1 72.2 54.7 70.3 65.9 1 2 3 4 Рис. 12. Содержание портландита в зависимости от коли- чества добавки УНМ: 1 − 0; 2 − 0,03; 3 − 0,05; 4 − 0,1 % Оценка этой ситуации по совокупности данных дериватографического и рентгеногра- фического методов исследований, накопленных к данному моменту, однозначно свидетельству- ет о наличии изменений в структурно-мор- фологическом строении кристаллогидратных новообразований цементного камня под влия- нием введенного в цемент вещества УНМ. Для целенаправленной модификации в дальнейшем I, имп./с I, имп./с I, имп./с Архитектура и строительство Вестник БНТУ, № 3, 2009 17 100 110 120 130 140 150 160 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 t, сут П р о ч н о с т ь , % физико-технических свойств цементного камня и бетона в целом необходимы углубленные ис- следования по данному направлению, тем бо- лее, что физическое отражение установленных изменений морфологии проявляется, как это будет показано далее, в росте прочности це- ментного камня. Прочность цементного камня. На рис. 13 и 14 приведены (частично) фактические данные по оценке прочности на сжатие и тенденции ее изменений для образцов цементного камня в зависимости от времени твердения (рис. 13) и количества (дозировки) вещества УНМ в процентах от массы цемента (рис. 14). Образцы це- ментного камня (размеры 20×20×20 мм) изго- товлены из цементного теста «нормальной гу- стоты» (стандартизированный показатель це- мен-та; твердение до испытаний – в стандарт- ных нормально-влажностных условиях: t ~ 20 ± 5 °С; относительная влажность ϕ ≥ 90 %). Эксперименты с целью поиска разновидно- стей УНМ, характеризующихся наибольшей эффективностью, выраженной ростом прочно- сти цементного камня и бетона, продолжаются. В частности, исследуется вариант их воздейст- вия на высокопрочные бетоны (fс > 100 МПа). Но уже на основании полученных данных мож- но обоснованно утверждать о наличии об- щей положительной тенденции влияния ряда веществ УНМ на рост прочности цементно- го камня в стандартном проектном возрасте (28 сут.) и более существенного влияния их на кинетику ее роста в начальный период, что позволяет одновременно рассчитывать на эф- фект снижения энергетических затрат при ускорении твердения бетона сборных и моно- литных строительных конструкций с соответ- ствующим сокращением времени оборота форм и опалубок и связанной с этим экономической эффективностью. Рис. 13. Тенденция изменений прочности цементного камня с УНМ: нормально-влажностное твердение; дозировка – 0,05 % от МЦ 0 0,05 С, % 0,1 Рис. 14. Прочность цементного камня с УНМ в зависимости от величины дозировки Весьма важным является достижение озна- ченного эффекта при малых дозировках ве- щества УНМ, оптимальная величина которой (рис. 14) соответствует ∼0,05 % от массы це- мента, что коррелирует с данными рентгено- графического анализа. Следует учесть, что со- держание собственно вещества углеродного наноматериала составляет примерно 10–30 % от общей массы введенной в цемент добавки, т. е. 0,005–0,05 % от массы цемента. Это под- тверждает основное положение нашей рабо- чей гипотезы о чрезвычайной значимости энер- гетической активности поверхности ультра- дисперсных УНМ в реагирующей системе «це- мент – вода». Диспергация песка. В технологический процесс производства высококачественных по- ризованных бетонов входит диспергация (по- мол) песка. Учитывая выявленный эффект ро- ста прочности цементного камня с введением в цемент УНМ, было логично исследовать воз- можное влияние их на процесс диспергации одного из компонентов кремнеземистого вя- жущего для ячеистых силикатных бетонов. При этом предполагали обеспечить не только уско- рение процесса диспергации при соответству- ющем снижении его энергоемкости, но и полу- t, сут. П ро чн ос ть , % П ро чн ос ть , % 140 135 130 125 120 115 110 105 100 Архитектура и строительство Вестник БНТУ, № 3, 2009 18 чить вариант эффективного введения в продукт помола (песок, цемент и др.) малых количеств УНМ с целью равномерного распределения их в порошкообразном материале. В шаровой мельнице измельчали навеску сухого (природного) песка в количестве 5 кг, вводя 25 г нанодобавки (0,05 % от массы песка) перед помолом. Удельную поверхность про- дукта помола периодически определяли с по- мощью прибора ПСХ-4 по воздухопроницаемо- сти навески (10 г) измельчаемого материала (прочие условия – одинаковы). Из приведенных данных (рис. 15) очевиден стабильный рост удельной поверхности по сравнению с контрольными значениями на про- тяжении всего времени помола, при этом мак- симальные величины прироста отмечаются к 0,5 ч (7,4 %) и 1,5 ч (7,7 %) работы мельницы. Эти данные свидетельствуют о принципиаль- ной возможности применения УНМ в качестве добавок для интенсификации (одновременно – снижения энергозатрат) помола различных ма- териалов. Ускорение темпа диспергации песка в начальный период времени (0,5 ч) можно, например, использовать при помоле кремне- земного компонента при получении ячеистого бе- тона, так как именно этот отрезок времени примерно соответствует продолжительности помола песка в производственных условиях. 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Время, ч У д ел ь н ая п о в ер хн о ст ь , с м 2/ гр Рис. 15. Кинетика изменений удельной поверхности: —— – песок; ---•--- – песок + УНМ2 Увеличение удельной поверхности измель- чаемого твердофазного материала в более про- должительный промежуток времени (1,5 ч) бу- дет способствовать интенсификации помола портландцементного клинкера с одновремен- ным решением задачи по введению добавки УНМ в цемент. Коррозионное состояние стальной арма- туры. Основная задача данных исследований заключалась в выявлении возможного влияния вещества углеродной нанодобавки на сохран- ность стальной арматуры в бетоне при введе- нии ее в цемент (бетон), а целью исследований являлось определение области применения бе- тона, модифицированного углеродной нанодо- бавкой, для железобетонных конструкций, включая преднапряженные. Для достижения поставленной цели выпол- нили исследования возможного коррозионного воздействия добавки УНМ на арматуру в бе- тоне по методике СТБ 1168–99 [68] как для «направления 1» при разовом насыщении бето- на водой с последующим «снятием» поляриза- ционных кривых, так и при циклическом насыщении-высушивании (при насыщении в 5%-м растворе NaCl). Физико-химическая сущность исследований заключается в том, что под влиянием положи- тельного потенциала, приложенного к арма- туре, побуждается движение отрицательно за- ряженных ионов (находящихся в жидкости, за- полняющей поры насыщенного водой (раство- ром соли) бетона) к арматуре. Чем больше сво- бодных (несвязанных) отрицательно заряженных ионов в жидкой фазе, тем сильнее ток, а в ре- зультате и его плотность, приходящаяся на еди- ницу площади стального стержня, и тем значи- тельнее опасность коррозии арматуры в бетоне. На рис. 16–18 приведены (частично) экспе- риментальные данные исследований коррози- онного состояния стальной арматуры в бетоне, не содержащем нанодобавки (рис. 16) и с нано- добавкой в количестве 0,1 % от массы цемента в бетоне. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 –400 –300 –200 –100 0 100 200 300 400 Е, мВ 600 I, м кА /с м 2 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 Время, ч У де ль на я по ве рх но ст ь, с м 2 / г Архитектура и строительство Вестник БНТУ, № 3, 2009 19 Рис. 16. Поляризационная кривая образца состава № 1 (водная среда) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 –400 –300 –200 –100 0 100 200 300 400 Е, мВ 600 700 Рис. 17. Поляризационная кривая образца состава № 5 (водная среда) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 –300 –200 –100 0 100 200 300 400 Е, мВ Рис. 18. Поляризационная кривая образца состава № 5 (р-р NaCl) Оценка защитной способности бетона с на- нодобавкой по отношению к стальной арматуре как при одноциклических электрохимических испытаниях, так и в динамике ее возможного изменения при внешней агрессивной среде (раствор NaCl) показывает, что бетон с нанодо- бавкой до 0,15 % от массы цемента обеспе- чивает сохранность стальной арматуры без признаков ее активизации (плотность тока – менее 5 мА при Е = 300 мВ) и может приме- няться в железобетонных строительных конст- рукциях без ограничений, включая преднапря- жение стальной арматуры, использование проволоки, а также сортамента арматуры на ее основе. Стандартизированные свойства. В рамках выполнения комплекса исследований осуще- ствлена проверка стандартизированных свойств цемента и бетонных смесей на вяжущем, модифицированном веществом УНМ. Установ- лено, что исследованные вещества УНМ, про- изведенные в Институте тепло- и массообмена для обеспечения работ из разных исходных материалов и по различающимся технологиям, не оказывают негативного влияния на водо- потребность (нормальную густоту), сроки схва- тывания и равномерность изменения объема цемента, а также на технологические харак- теристики бетонных смесей: сохраняемость удобоукладываемости (формуемости), водоот- деление и расслоение, что в целом свидетель- ствует о допустимости их применения в це- ментных бетонах. Установлен рост активности цемента, опре- деленный по стандартизированной методике, что согласуется с приведенными в материале статьи данными о росте прочности цементного камня, модифицированного УНМ, и составляет основу для повышения прочностных характе- ристик цементных бетонов. Направления и условия развития иссле- дований. Результаты начальной фазы поиско- вых исследований, целью которых являлись проверка возможности и оценка вероятной эф- фективности применения полученных в Инсти- туте тепло- и массообмена отечественных угле- родных наноматериалов в цементных бетонах, дали в целом оптимистический ответ на этот вопрос в виде установленной положительной динамики роста активности цемента, прочности цементного камня и отсутствия отрицательных воздействий на важнейшие технологические свойства бетонных смесей и эксплуатационные свойства бетона и железобетона. В процессе выполнения экспериментов был апробирован широкий спектр веществ УНМ, различающихся видом исходного сырья и осо- бенностями технологии получения, с целью снижения стоимости конечного продукта и по- вышения его качественных характеристик. Отработаны технологические приемы вве- дения малых количеств УНМ в твердофазный порошкообразный материал – цемент, выпол- нены начальные исследования структурно- морфологических изменений в продуктах гид- ратации клинкерных минералов цемента и осо- бенностей формирования их структуры под влиянием вещества УНМ. Выявлены разновид- ности вещества УНМ и условия, соответству- ющие проявлению ими благоприятного воздей- ствия на процессы взаимодействия цемента с 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 1 16 15 14 13 1 1 1 7 6 5 4 3 1 I, м кА /с м 2 I, м кА /с м 2 Архитектура и строительство Вестник БНТУ, № 3, 2009 20 водой и кинетику роста прочности цементного камня и бетона. Общая ориентация выполненных и продол- жающихся исследований на бетоны плотной и поризованной структуры рациональна и оправ- дана как достигнутой общей положительной тенденцией в результатах исследований, так и значимостью этих материалов для строитель- ной отрасли Беларуси и с учетом их роли в ми- ровом строительном производстве. Следует отметить, что, несмотря на чрезвы- чайную публикационную активность по про- блеме применения УНМ в мире, включая и страны СНГ, конкретные данные об исследова- ниях, некоторые результаты которых приведе- ны в настоящей статье, по существу отсут- ствуют. Это свидетельствует, с одной стороны, об их значимости, а с другой – о понимании в мире перспективности таких разработок, не- смотря на сложность их осуществления и труд- нодостижимость сиюминутного результата. Только кропотливым исследовательским тру- дом возможно реализовать те выгоды и пре- имущества, которые могут предоставить техно- логии наноуровня, включая и решения задач строительного материаловедения. С учетом изложенного можно сформулиро- вать направления исследований, преследующие цель создания и развития нанотехнологий при- менительно к строительному материаловеде- нию, и в частности в технологии бетонов: • производство веществ углеродных нано- материалов с заданными структурными и фи- зическими характеристиками; • производство веществ УНМ с устойчиво прогнозируемыми структурными и физически- ми характеристиками при минимальной стои- мости конечного продукта; • производство кремнеземсодержащих наноматериалов, а также высокопрочных во- локнообразных УНМ; • исследования морфологических и струк- турных изменений в продуктах гидратации це- мента, модифицированного УНМ, для целе- направленного воздействия на формирование структуры и свойств цементного камня и бетона; • разработка технологии и создание бетонов плотной и поризованной структуры с повы- шенными прочностными и эксплуатационными свойствами; • создание строительных материалов со спе- циальными физико-механическими и эксплуа- тационными свойствами; • развитие научных основ разработки тех- нологий, способов и приемов получения и при- менения ультрадисперсных наноматериалов при производстве бетонов и иных разрабатыва- емых строительных материалов. Для успешной реализации исследований по означенным направлениям кроме научно-ис- ледовательского и производственного потен- циала Института тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН Беларуси и Белорусского национального технического университета, за- действованных в их выполнении, разворачива- ется трехстороннее сотрудничество по пробле- ме, включая Венский технический университет (Австрия). В настоящее время реализуется предложение ректора БНТУ Б. М. Хрусталева о создании на базе БНТУ Международной ком- плексной научно-исследовательской лаборато- рии «ИНТЕРНАНОТЕХ», учредителями кото- рой являются названные организации. Предпо- лагается, что практически этот вопрос будет решен в процессе планируемого в мае текущего года визита в БНТУ ректора ВТУ П. Скалицки. Создание такой лаборатории позволит коорди- нировать усилия ученых, занятых решением проблем нанотехнологий, а также открывает возможность использования в исследователь- ских целях испытательного оборудования, ко- торым располагает Венский технический уни- верситет. Планируя развитие дальнейших исследова- ний и оценивая полученные промежуточные результаты, возможно и целесообразно зафик- сировать достигнутое и наметить следующие задачи. В Ы В О Д Ы За 2006–2008 гг. развернуты комплексные поисковые исследования по оценке возмож- ности и эффективности применения в цемент- ном бетоне углеродных наноматериалов, полу- ченных в Институте тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН Беларуси. Их важ- нейший результат заключается в выявлении общей тенденции благоприятного воздейст- вия минимальных дозировок вещества УНМ Архитектура и строительство Вестник БНТУ, № 3, 2009 21 (0,005–0,05 % от массы цемента) на физико- технические свойства цементного камня и бетона, проявляющиеся в росте их прочности и плотности. А именно эти свойства являются базовыми для обеспечения несущей способ- ности, эксплуатационной надежности и долго- вечности строительных (бетонных и железобе- тонных) конструкций. Основные технико-экономические показа- тели выполненных исследований заключаются в следующем. Выявлено, что углеродные нанодобавки не оказывают отрицательного влияния на норми- руемые физико-технические свойства цемента (активность, равномерность изменения объема, сроки схватывания, нормальную густоту) и мо- гут до 20–30 % повысить активность цемента, что является основой роста прочности бетона. За период исследований в Институте тепло- и массообмена апробированы разнообразные варианты получения УНМ, а в БНТУ осу- ществлены их сравнительные испытания с по- зиций повышения эффективности (увеличения выхода и снижения себестоимости) производ- ства УНМ и применения их в цементных бето- нах. На этом основании определены направле- ния совершенствования технологий получения УНМ и сформулированы важнейшие требова- ния к ним с позиций целенаправленного управ- ления кинетикой структурообразования це- ментного камня с задачей повышения проч- ностных свойств бетона и придания ему специальных свойств. Начаты фундаментальные исследования морфологии продуктов гидратации клинкерных минералов цемента и закономерностей форми- рования кристаллогидратной структуры ново- образований во взаимосвязи с воздействием на эти процессы энергетически активного ультра- дисперсного вещества УНМ, а также ультра- тонких волокнистых УНМ, способных и в пер- вом, и во втором вариантах проявить эффек- ты, благоприятно влияющие на формирование структур наноуровня в твердеющем цемент- ном камне, так как собственные размеры кри- сталлогидратов, образующихся на основе сили- катов, алюминатов и ферритов кальция, харак- теризуются размерами ~(8–15) нм. Получен- ные методами детермического и рентгено- графического анализа данные свидетельствуют о наличии изменений в гидратных образовани- ях под влиянием вещества УНМ, что требует углубления исследований по данному направ- лению. Выявление закономерности роста активно- сти цемента и цементного камня традицион- ного уровня прочности (в экспериментах до 70–80 МПа) с рядом веществ УНМ ставит на повестку дня осуществление соответствующих исследований для высокопрочного цементного камня и бетона (прочностью на сжатие более 100 МПа). Особую значимость в этой связи может иметь аспект применения волокнистых УНМ, так как неразрешенной проблемой для современных высокопрочных бетонов является их хрупкость (низкая деформативность) и предрасположенность к практически мгновен- ному разрушению при предельных нагрузках. По существу дальнейшее повышение прочно- сти конструкционных бетонов на сжатие не целесообразно, так как не реализуется из-за от- стающего при этом роста его прочности на рас- тяжение и соответственно способности воспри- нимать поперечные деформации от нагрузок при сжатии. Решение этой проблемы за счет приме- нения волокнистых УНМ явилось бы существен- ным вкладом нанотехнологий в совершенство- вание перспективных строительных материалов. Реализация армирующего эффекта волокни- стыми УНМ на уровне наноструктур может обеспечить решение еще одной сложнейшей задачи: повышения теплозащитной функции поризованных (ячеистых) строительных мате- риалов путем максимального снижения их средней плотности при обеспечении требуемо- го уровня прочности. Необходимо отметить, что круг возможных направлений использования УНМ и требующих решения задач постоянно расширяется. Плани- руемые исследования будут сосредоточены на наиболее важных из них, в том числе на тех, которые в ближайшей перспективе могут быть реализованы в строительном производстве. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Kroto, Н.W. [et al.] // Nature. – 1985. – Vol. 318. – P. 162. 2. Kraetschmer, W. [et al.] // Nature. – 1990. – Vol. 347. – P. 354. Архитектура и строительство Вестник БНТУ, № 3, 2009 22 3. Iijima, S. // Nature. – 1991. – Vol. 354. – P. 56. 4. Ebbesen, T. W., Ajayan, P. M. // Nature. – 1992. – Vol. 358. – P. 220–222. 5. Mintimire, J. W. Dunlap, B. I., White, C. T. // Phys. Rev. Lett. – 1992. – Vol. 68. – P. 631. 6. Елецкий А. В., Смирнов, Б. М. // УФН. – 1993. – Т. 163, № 2. – С. 1. 7. Hamada, N., Sawada, S., Oshijama, A. // Phys. Rev. Lett. – 1992. – Vol. 68. – P. 1579. 8. Iijima, S., Ichihash, T. // Nature. – 1993. – Vol. 363. – P. 603. 9. Dresselhaus, M. S. // Nature. – 1992. – Vol. 358. – P. 195. 10. Pederson, M. R., Broughton, J. Q. // Phys. Rev. Lett. – 1992. – Vol. 69. – P. 2689. 11. Jose-Yacaman, M. // Applied Physics Letters. – 1993. – Vol. 62. – P. 657. 12. Tsang, S. C., Harris, P. J. F., Green, M. L. H. // Na- ture. – 1993. – Vol. 362. – P. 520. 13. Tanaka, K. // Chemical Physics Letters. – 1992. – Vol. 191. – P. 469. 14. Rodriquez, N. M., Kim, M. S., Baker, R. T. K. // J. Catal. – 1993. – Vol. 144. – P. 93. 15. Subramoney, S. // Nature. – 1993. – Vol. 366. – P. 637. 16. Yudasaka, Masako, Kikuchi, Rie, Matsui, Takeo, Ohki, Yoshimasa, Yoshimura, Susumu, Ota, Etsuro // Ap- plied Physics Letters. – 1995. – Vol. 67. – P. 17. 17. Nikolaev, P., Bronikowski, M., Bradley, J., Kelley R., Rohmund, F., Colbert, D., Smith, K., Smalley, R. // Chemical Physics Letters. – 1999. – Vol. 313. – P. 1, 2. 18. Scott, C., Arepalli, S., Nikolaev, P., Smalley, R. // Applied Physics A: Materials Science & Processing. – 2001. – Vol. 72. – P. 5. 19. Zhdanok, S. A. // Fifth ISTC Scientific Advisory Committee Seminar «Nanotechnologies in the area of physics, chemistry and biotechnology». – St. Petersburg, 27–29 May, 2002. 20. Ajayan, P. M., Iijima, S. // Nature. – 1993. – Vol. 361. – P. 333. 21. Ebbesen, T. W. // Nature. – 1994. – Vol. 367. – Р. 519. 22. Tsang, S. C., Harris, P. J. F., Green, M. L. H. // Na- ture. – 1993. – Vol. 362. – P. 520. 23. Tsang, S. C. // Nature. – 1994. – Vol. 372. – P. 159. 24. Seraphin, Setal // Applied Physics Letters. – 1993. – Vol. 63. – P. 2073. 25. Jose-Yacaman, M. // Applied Physics Letters. – 1993. – Vol. 62. – P. 657. 26. Chang, X. Betal // Europhysics Letters. – 1994. – Vol. 27 (2). – P. 141. 27. Howard, J. B., Chowdhury, K. D., Vander San- de J. B. // Nature. – 1994. – Vol. 370. – P. 603. 28. Ivanov, V. // Chemical Physics Letters. – 1994. – Vol. 223 . – P. 329. 29. Guo, Tetal // Chemical Physics Letters. – 1995. – Vol. 243. – P. 49. 30. Hsu, W. K. // Nature. – 1995. – Vol. 77. – P. 687. 31. Hsu, W. K. // Chemical Physics Letters. – 1996. – Vol. 262. – P. 161. 32. Colbert, D. T. // Science. – 1994. – Vol. 266. – P. 1218. 33. Dravid, V. P. // Science. – 1993. – Vol. 259. – P. 1601. 34. Imamura, M., Jpn, J. // Applied Physics Letters. – 1994. – Vol. 33(2). – P.1016. 35. Saito, Y. // Phys. Rev. Lett. – 1994. – Vol. 72. – P. 1722. 36. Елецкий, А. В. // УФН. – 1997. – Т. 167, № 9. 37. Жданок, С. А., Крауклис, А. В., Самцов, П. П., Волжанкин, В. М. Установка для получения углеродных наноматериалов: пат. № 2839. 38. Жданок, С. А. [и др.]. Плазмохимический реактор конверсии углеводородов в электрическом разряде: пат. № 3125. 39. Thess, A. // Science. – 1996. – Vol. 273. – P. 483. 40. Cowley, J.M. // Chemical Physics Letters. – 1997. – Vol. 265. – P. 379. 41. Ruoff, R.S. // Nature. – 1993. – Vol. 364. – P. 514. 42. Zhou, O. // Science. – 1994. – Vol. 263. – P. 174. 43. Liu, M., Cowley, J. M. // Carbon. – 1994. – Vol. 32. – P. 394. 44. Liu, M., Cowley, J. M. // Ultramicroscopy. – 1994. – Vol. 53. – P. 333. 45. Kosaka, M. // Chemical Physics Letters. – 1995. – Vol. 233. – P. 47. 46. Huira, H. // Nature. – 1994. – Vol. 367. – P. 148. 47. Weldon, D. N., Blau, W. J., Zandlbergen, H. W. // Chemical Physics Letters. – 1995. – Vol. 241. – P. 365. 48. Langer, L. // Phys. Rev. Lett. – 1996. – Vol. 76. – P. 479. 49. Ebbesen, T.W. // Nature. – 1996. – Vol. 382. – P. 54. 50. Ramirez, A. P. // Science. – 1994. – Vol. 265. – P. 84. 51. De Heer, W. A. // Fullerenes and Fullerene Nano- structures. – Singapore: World Scientific, 1996. – P. 215. 52. Chernozatonskii, L. A. // Chemical Physics Letters. – 1995. – Vol. 233. – P. 63. 53. Гуляев, Ю. В. [и др.] // Микроэлектроника. – 1997. – Т. 26. – С. 84. 54. Tsang, S. C. // Fullerenes and Fullerene Nanostruc- tures. – Singapore: World Scientific, 1996. – P. 250. 55. CТБ ЕН 197-1–2000 Цемент. И.1. Госстандарт РБ, 2001. 56. Ваучский, М. Н. Направленное формирование упорядоченной надмолекулярной структуры гидратиро- ванных минеральных вяжущих / М. Н. Ваучский // Вест- ник гражданских инженеров. – 2004. – № 2 (3). – С. 44–47. 57. Яковлев, Г. И. Нанодисперсная арматура в це- ментном пенобетоне / Г. И. Яковлев // Технологии бето- нов. – 2006. – № 3. – С. 68–71. 58. Артамонова, О. В. Формирование структуры и управление прочностными свойствами гидросиликатных систем модифицированных ультра- и наноразмерными частицами / О. В. Артамонова, Д. Н. Коротких, Е. М. Чер- нышев // Деформация и разрушение материалов: Пер- вая междунар. конф.: тез. докл. / Москва, 13–16 нояб., 2006 г. – М., 2006. – С. 514–516. 59. Пухаренко, Ю. В. Наноструктурирование воды затворения как способ повышения эффективности пла- стификаторов бетонных смесей / Ю. В. Пухаренко, В. А. Никитин, Д. Г. Летенко // Строительные материа- лы. – 2006. – № 8 [приложение к научно-техническому Архитектура и строительство Вестник БНТУ, № 3, 2009 23 журналу «Строительные материалы». – 2006. – № 9]. – С. 11–13. 60. Королев, Е. В. Модифицирование строительных материалов наноуглеродными трубками и фуллеренами / Е. В. Королев, Ю. М. Баженов, В. А. Береговой // Строи- тельные материалы. – 2006. – № 8 [приложение к научно- техническому журналу «Строительные материалы». – 2006. – № 9]. – С. 2–4. 61. Лотов, В. А. Нанодисперсные системы в техно- логии строительных материалов и изделий / В. А. Лотов // Строительные материалы. – 2006. – № 8. – С. 10–12. 62. Комохов, П. Г. Наноструктурированный радиаци- онный бетон и его универсальность / П. Г. Комохов, Н. И. Александров // Строительные материалы, оборудо- вание, технологии XXI века. – 2008. – № 5. – С. 38–40. 63. Чернышов, Е. М. Модифицирование структуры цементного камня микро- и наноразмерными частицами кремнезема: вопросы теории и приложений / Е. М. Чер- нышов, Д. Н. Коротких // Строительные материалы, обо- рудование, технологии XXI века. – 2008. – № 5. – С. 30–32. 64. Ратинов, В. Б. Добавки в бетон / В. Б. Ратинов, Т. И. Розенберг. – М.: Стройиздат, 1989. – 188 с. 65. Вавржин, Ф. Химические добавки в строитель- стве / Ф. Вавржин, Р. Крмча. – М.: Стройиздат, 1964. – 288 с. 66. Ма, J. Ultra High Performance Self Compacting Concrete / J. Ma, J. Dietz // LACER. – 2002. – № 7. 67. Уникальные бетоны и технологии в практике со- временного строительства России / С. С. Каприелов [и др.] // Проблемы соврем. бет. и ж/бетона: сб. тр. – Минск: Стринко, 2007. – С. 105–120. 68. Метод контроля коррозионного состояния сталь- ной арматуры в бетоне и защитных свойств бетона: СТБ 1168–99. Бетоны. Поступила 03.03.2009