Нанобетон из Сибири

Облицовка материалом с углеродными трубками сохранит здания в условиях сурового климата

Институт катализа СО РАН при поддержке правительства региона и Российского научного фонда разрабатывает научные основы технологии получения прочных бетонов — к концу года исследователи планируют представить первые результаты.

Не нужно объяснять, насколько сегодня актуальна эта тема: ни для кого не секрет, что в сложных климатических условиях Сибири и Крайнего Севера практически любые строительные конструкции разрушаются значительно быстрее и требуют ремонта чаще, чем, скажем, в средней полосе России.

Выше прочность, меньше трещин

Прочные, надежные и при этом не запредельно дорогие материалы — мечта любого строителя. Особенно если речь идет о достаточно сложных сооружениях, какими являются, к примеру, мосты или плотины.

Сегодня исследователи всего мира ищут пути, позволяющие улучшить свойства классических материалов, скажем, бетона. Один из способов сделать его прочнее — добавить наноструктурированные углеродные материалы — трубки или волокна.

— Бетон по своей структуре — композитный материал, который состоит из щебня, песка, цемента и воды, — рассказывает старший научный сотрудник отдела материаловедения и функциональных материалов Института катализа СО РАН, кандидат химических наук Сергей Мосеенков. — Многостенные углеродные нанотрубки создают в его структуре дополнительные центры кристаллизации гидросиликатов кальция, за счет чего уменьшаются размеры кристаллитов и пор в структуре бетона и увеличивается его механическая прочность. Микрокристаллическая структура тормозит образование трещин.

Цена имеет значение

При этом, как пояснил руководитель исследования, нанотрубки нанотрубкам рознь. Одностенные графеновые нанотрубки, которые производит новосибирская компания OCSiAl, имеют диаметр около нанометра и достаточно дороги в производстве — цена за килограмм составляет ­1,5–2 тысячи долларов. Использовать их в производстве бетона, пожалуй, пока что непозволительная роскошь. По словам Сергея Мосеенкова, в институте катализа еще в 2010 году разработали технологию производства многостенных углеродных нанотрубок. В настоящее время в ИК СО РАН производятся несколько типов углеродных нанотрубок со средним диаметром 7, 10 и 20 нанометров, а их стоимость в перспективе при промышленном производстве будет 20–30 долларов за килограмм.

Под микроскопом нановещество напоминает вату. Только эта «вата» делает бетон более прочным и повышает его устойчивость к образованию трещин. Фото предоставлено Анастасией Аникиной 

— У разных нанотрубок разные цели и задачи, — отмечает Сергей Мосеенков. — Скажем, если перед нами стоит задача создать цветной пластик, обладающий электропроводимостью, то в качестве добавки нам необходимы дорогие одностенные трубки. Если добавить многостенные углеродные нанотрубки, пластик будет проводить электричество, но он будет черным. Понятно, что для бетона цвет неважен, гораздо актуальнее другие качества.

Раньше многослойные углеродные нанотрубки в нашу страну в основном ввозили из-за рубежа: сегодня их производят в Бельгии, Франции, США, Китае, Южной Корее, Японии. По понятным причинам теперь эти поставки прекратились.

— В России их производство возможно на заводе «Комсомолец» в Тамбове (Таунит-М и Таунит-МД), и объемы выпуска не превышают нескольких сот килограмм в год, — рассказывает Сергей Мосеенков. — Наша небольшая лабораторная установка способна производить три тонны в год.

Важный момент: тамбовские нанотрубки содержат достаточное количество примесей, которые перед использованием необходимо дополнительно очищать. Что, понятно, ведет к удорожанию конечной продукции. Трубки, изготовленные по новосибирской технологии, в дополнительном очищении не нуждаются.

Характеристики, влияющие на прочность

Ученые Института катализа СО РАН планируют синтезировать углеродные наноматериалы, подготовить их сус­пензии и исследовать определяющие прочность характеристики: отношение длины к диаметру и функциональный состав поверхности трубок, концентрацию и ее влияние на стабильность суспензий. Затем специалисты проведут скрининг и протестируют сус­пензии на разных марках бетонов. После отбора наиболее эффективные составы передадут промышленным партнерам, чтобы те определили воспроизводимость свойств получаемых материалов. А там и до промышленного производства прочных бетонов недалеко. Другой важный нюанс: разработка технологии промышленного производства многостенных нанотрубок решает вопрос импортозамещения.

— Сейчас мы находимся на стадии подписания соглашения с Российским научным фондом, — говорит руководитель проекта. — Наш проект рассчитан на два года. Думаю, к концу нынешнего года мы уже сможем представить первые результаты: какой именно материал и в каком количестве нужно добавлять, какие пластификаторы применять.

Плотины, аэродромы и дома

Где же можно использовать бетон с добавлением многостенных углеродных нанотрубок? Как показали предварительные исследования, прочность этого строительного материала после введения наноматериалов увеличивается примерно на 10–15 процентов, при этом значительно возрастают такие показатели, как морозостойкость и стойкость к образованию трещин. Кроме того, такой бетон характеризуется пониженной величиной усадки и устойчивостью к воздействию химической коррозии. Все это в целом значительно повышает долговечность строительных конструкций: бетон как бы армируется на микроскопическом уровне.

— Такие материалы можно применять для возведения мостов, гидротехнических со­оружений, например плотин и шлюзов, строительства аэродромов, облицовки зданий — словом, везде, где требуется прочность и долговечность. Конечно, о стоимости данного материала, когда дело дойдет до его промышленного производства, говорить пока прежде­временно. Но я полагаю, что удорожание составит примерно 20–50 процентов. Если материал будет стоить дороже, то его применение экономически нецелесообразно, — подводит итог Сергей Мосеенков.

СПРАВКА
Проект опытной технологической линии для производства катализаторов и многостенных углеродных нанотрубок реализуется в рамках дорожной карты развития высокотехнологичного направления «Технологии новых материалов и веществ» по соглашению между Правительством РФ, Московским государственным техническим университетом имени Баумана и Новосибирским государственным университетом. Институт катализа СО РАН разрабатывает технологию каталитического получения нанотрубок путем пиролиза этилена на катализаторах с наноразмерными металлическими частицами — это позволит получать материалы высокой чистоты. Также он проработает техническое задание на проектирование производства многостенных углеродных нанотрубок с производительностью до 50–75 тонн в год. Новосибирский государственный университет для формирования рынка потребления таких нанотрубок в России разработает линейку содержащих их продуктов, которые можно будет использовать в функциональных и конструкционных композитных материалах.