Нанотехнологии в Архитектуре

О современном положении  дел

Большинство авторов сходится во мнении, что  нанотехнологии, применяемые сегодня в строительстве, не являются прорывными, предлагая частные решения в конкретных случаях. Специалисты сетуют на то, что недружественная институциональная среда препятствует внедрению инноваций – надежда на невидимую руку рынка уступает место упованиям на мудрость всесильного государства.

Справедливости  ради надо сказать, что проблемы возникают  не только в наших пенатах. Инновации  в любой стране должны пройти полный круг испытаний, апробацию и сертификацию, прежде чем поступят на стройплощадку. У нас же дополнительные проблемы создает неразбериха с нормами  и техническими регламентами. Главное  же - разрушен экономический механизм, связывавший в единую цепочку науку, промышленность и образование. Инженерные площадки и мелкие технологические фирмы, являющиеся движущими силами инноваций – первые фактически сжиты со свету еще в 1990-е гг., вторые если и возникают, то с невероятным скрипом. Предприниматели всячески отбиваются от вложения средств даже в прикладные, не говоря уже о фундаментальных исследованиях. К этому добавляются давно не обновлявшаяся материально-техническая база и сложности с подготовкой, привлечением и повышением квалификации новых кадров в области нанотехнологий и наноматериалов.

В то же время  ожидать нанотехнологическую революцию в строительной области не стоит не только по причине нашего отставания и общей заскорузлости. Как считает профессор МГСУ В.Фаликман, к этому не располагает присущий ей внутренний консерватизм.

Подобный  здоровый скептицизм и лозунги типа «Человечество находится на пути к миру с заданными свойствами» - как это согласуется одно с  другим?..

Первоочередная  задача – снижение себестоимости

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.

Наноструктурировать следует материалы массового применения – бетон, металл, композиционные материалы на основе волокон, - считает президент Российской и Международной инженерных академий Б.Гусев. – 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, по свидетельству  генерального директора Научно-технического центра прикладных нанотехнологий А.Пономарева, 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.

Одним из перспективных  направлений применения нанотехнологий в строительной отрасли признано армирование композитов углеродными нанотрубками. Однако их производство осложнено невысокими скоростями роста и высокими энергозатратами. Как пишет профессор Пермского государственного технического университета А.Кетов, использование в качестве катализаторов пиролиза наночастиц переходных металлов позволило получать углеродные нанотрубки при относительно невысоких температурах с повышенной производительностью.

Ресурсы снижения производственных затрат обнаружились также благодаря применению нанотехнологий при производстве пеностекла - материала, известного еще с 1930-х гг. Смысл нового технологического подхода заключается в нанесении на поверхность частиц стекла наноразмерной пленки реагентов, которая придает ему два новых свойства – способность к схватыванию и газовыделение при повышенных температурах. Помимо повышения рентабельности и возможности использования стеклобоя это позволяет также расширить номенклатуру продуктов.

Понятно, что  задачи, стоящие перед строительной отраслью в нанотехнологической сфере, не сводятся к экономическим. Обозначим лишь некоторые: расширение ресурсных резервов наносырья за счет природных (например, высокопластичных глин) и техногенных (к примеру, шламовых отходов предприятий) источников; с одной стороны, дисциплинарное разведение, а с другой - объединение усилий и возможностей науки и бизнеса; модернизация образовательного процесса в области нанотехнологий и наноматериалов, придание ему непрерывного характера, создание открытой сети дистанционного обучения; решение проблем нанобезопасности и наноэкологии помещений и исследование влияния нанодефектов на разупрочнение и износ материалов и конструкций и др.

Наномодифицированные бетоны как наиболее 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. Один из примеров – ученые московского «Наноцентра» МЭИ, ООО «Нанотроника», НПО «Синтетика-Строй» из Новочеркасска, НТЦ «Прикладные технологии» из Санкт-Петербурга разработали бетон, прочность и морозоустойчивость которого выше обычного на 50 и 150% соответственно, вероятность появления трещин в три раза ниже, при этом вес в шесть (6!) раз меньше.

Другая не менее важная задача связана со снижением  экономических показателей –  уже сегодня созданный автоматизированный комплекс по производству домов из неавтоклавного, гидрофобизированного в объеме пенобетона с наноструктурирующими катализаторами, по оценке заместителя генерального директора аналитического центра «Нанотех» В.Раховского, дает впечатляющую цифру от 6500 рублей за 1 м2. В Белгородском государственном техническом университете им. В.Шухова разработан альтернативный вяжущий состав, основанный на наноразмерных модификаторах и обладающий абсолютной огнестойкостью, высокими теплоизоляционными свойствами, экологической чистотой - при этом он заметно дешевле цемента. Генеральный директор компании «СтройБетонСервис» А.Владимиров свидетельствует об опыте получения бетона с меньшей себестоимостью благодаря добавкам, включающим фуллереновую сажу и углеродные нанотрубки.

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. По словам профессора Самарского государственного архитектурно-строительного университета В.Кореньковой, 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. Регулярны ссылки лишь на сданный в эксплуатацию еще в конце 2007 г. автодорожный мост в Кимрах Тверской области, где дорожные плиты выполнены из легкого наноструктурированного бетона. Обнадеживающий факт: технический мониторинг за состоянием конструкций моста, который осуществляет подрядчик – специалисты МО-90, каких-либо отклонений не обнаружил.

О других материалах

Перспективные нанотехнологические разработки ведутся в области асфальтобетонных покрытий. Директор Департамента Научно-технической экспертизы С.Калюжный рассказывает о запуске проекта по налаживанию производства добавки для асфальтобетонных покрытий «Унирем», которая представляет собой композиционный материал на основе активного порошка, получаемого методом высокотемпературного сдвигового измельчения отработавших автопокрышек. Это позволяет повысить долговечность дорожного полотна, его сопротивление скольжению и растрескиванию, увеличить стойкость к перепадам температуры, ударопрочность и пр.

Помимо бетонов  среди наиболее продвинутых в  смысле восприятия нанотехнологических инноваций значатся, прежде всего, стальные конструкции и арматурные стали, за ними следуют керамические и силикатные материалы, теплоизоляционные материалы, краски, лаки, эмали и др. Однако в массовой печати «человеку с улицы» чаще всего рассказывают о чудесах типа самоочищающихся покрытий, паропроницаемых стекол, нанопленок для светопрозрачных покрытий, пропускающих лучи определенного спектра, самовосстанавливающихся красок и бетонов, «зализывающих» возможные повреждения (в последнем случае, правда, с помощью специальных полимерных составов).

Несколько слов об успехах нанотехнологий в области защиты стальных конструкций от коррозии, которых добились специалисты питерского СПИИ «ВНИПИЭТ». Речь идет об опыте 15-летних наблюдений на объектах атомной энергетики за конструкционными материалами, изготовленными в том числе из дешевых низкоуглеродистых сталей. В основе предложенного метода – предварительное оксидирование стали с последующим введением в обессоленную воду микроконцентрата нитрита натрия. В результате сталь защищает оксидная пленка с узкими капиллярами и электрическое поле.

В заключение кратко воспроизведем новеллу генерального директора компании «Optim Consult» из Гуанчжоу Е.Колесова о последних нанотехнологических успехах китайских коллег, которые, по его оценке, подошли к стадии внедрения целого ряда научных разработок. Что-то уже реализовано – в частности, антибактериальные керамические продукты на основе использования соответствующей функции наночастиц с применением инфракрасного излучения, способствующие улучшению кровообращения, повышению иммунитета и даже приостановке преждевременного старения. Другой пример – из реализованных: нанопористое полупрозрачное покрытие для стен, создающее эффект термоса – сохраняющее тепло в помещении зимой и прохладу летом; им покрыты стены Шанхайского музея науки и технологий, следующий этап – распространение новой технологии на сферу массового жилищного строительства. Еще один вид покрытия, призванный противостоять загрязняющим воздействиям, воспроизводит эффект лотоса, когда капли воды, подобно ртути, скатываются с поверхности листа, смывая всю грязь и не оставляя следов; уже есть реализации, в частности, Большой национальный театр в Пекине. Наконец, последняя из приводимых Е.Колесовым разработок – специальное нанопокрытие, способное накапливать солнечную энергию днем и излучающее свет в ночное время; область применения – вплоть до окон обычных домов, тем более что его цена ниже распространенных гелиобатарей.

По оценке вице-президента Нанотехнологического общества РФ Г.Малинецкого, у России - и ее строительной отрасли, в частности - остались считанные годы на то, чтобы вскочить в последний вагон стремительно удаляющегося поезда – не далее чем до 2014-2018 гг., на которые предположительно приходится массовое освоение и запуск в производство научно-технических инноваций, преимущественно в области NBIC-технологий, которые призваны очертить профиль надвигающегося шестого кондратьевского уклада…

Литература

1. I Международная  научно-практическая on-line-конференция  «Применение нанотехнологий в строительстве» - www.nanobuild.ru

2. Нано по случаю. Ученые обсуждают нанотехнологии в строительстве – www.grandsmeta.ru/n6-2009int/pages/id_1555

3. www.nanonewsnet.ru/blog/nikst

4. Нанотехнологии просятся в строительную отрасль – www.stroidelo.net.ru/dokumentaciya/stroitelnaya-nauka/nanotehnologii-prosyatsya-v-stroitelnuyu-otrasl

5. Перспективные  направления и разработки в  строительстве – www.str-t.ru/articles/351/

6. Нанотехнологии в строительстве – www.remont.komimarka.ru/modules/articles/article.php?id=368

7. «Нано» приходят  в энергетику – www.eprussia.ru/epr/122/9446.html  
Обзор подготовил