Бетон, сталь, стекло и древесина являются наиболее распространенными материалами, используемыми в современном строительстве. В следующей таблице приведены некоторые важные характеристики вышеупомянутых материалов.
Материал
Модуль Юнга (ГПа)
Прочность на разрыв (ГПа)
Плотность (г.см-3)
Бетон
30
0.007
2.3
Сталь
208
1.0
7.8
Стекло
50-90
Незначительная
2-8
Древесина
16
0.008
0.6
Если сравнить эти свойства с характеристиками углеродной нанотрубки, то результаты будут поразительными. Модуль Юнга углеродной нанотрубки составляет 1054 ГПа, прочность на разрыв – 150 ГПа, а плотность – 1,4 г-см-3. Таким образом, углеродная нанотрубка имеет прочность в 150 раз больше, чем сталь, и в то же время примерно в шесть раз легче.
Исходя из вышеприведенных статистических данных, было высказано мнение (в Дельфийском опросе Великобритании 1990 года), что наибольшую пользу от нанотехнологий получит строительная отрасль. Однако строительная отрасль отстает от других промышленных секторов в плане привлекательности инвестиций со стороны крупных корпоративных секторов.
Нанотехнологии – это технология, позволяющая разрабатывать материалы с улучшенными или совершенно новыми свойствами. Она является продолжением наук и технологий, которые уже развивались в течение многих лет, чтобы изучать природу нашего мира во все более мелких масштабах. Нанометр – это одна миллиардная часть метра.
Наночастицы определяются как частицы, у которых хотя бы одно измерение меньше 100 нм. Размер частицы очень важен, поскольку при масштабе длины в нанометр, т.е. 10-9 м, свойства материала фактически становятся определяющими.
Углеродные нанотрубки и нановолокна представляют собой важную классификацию наноматериалов. Они изготавливаются из графена. Графен представляет собой монослой атомов углерода, упакованных в сотовую решетку. Его также можно определить как куриную проволоку атомного масштаба, состоящую из атомов углерода и их связей.
Если графеновые слои расположены в виде сложенных конусов, чашек или пластин, они известны как углеродные нановолокна (CNF), а если графеновые слои свернуты в идеальные цилиндры, они называются углеродными нанотрубками (CNT).
Графеновый слой, углеродные нанотрубки и углеродные нановолокна
Нанокомпозиты получаются путем добавления наночастиц в сыпучий материал с целью улучшения свойств сыпучего материала. Материалы, уменьшенные до наномасштаба, могут неожиданно проявлять совершенно иные свойства по сравнению с теми, которые они демонстрируют в макромасштабе, что позволяет использовать их в уникальных областях. Например, непрозрачные медные вещества становятся прозрачными, а инертные платиновые материалы приобретают каталитические свойства.
Нанотехнологии – это динамичная область исследований, которая охватывает большое количество дисциплин, включая строительную промышленность. Бетон – материал, наиболее широко используемый в строительстве. Бетон – это цементный композиционный материал, состоящий из портландцемента, песка, крошки, воды и иногда примесей.
Интерес к концепции нанотехнологий для портландцементных композитов неуклонно растет. Такие материалы, как нанотитания (TiO2), углеродные нанотрубки, нанокремнезем (SiO2) и наноглинозем (Al2O3) комбинируются с портландцементом. Существует также ограниченное число исследований, посвященных производству наноцемента.
Использование более мелких частиц (с большей площадью поверхности) имеет преимущества с точки зрения заполнения цементной матрицы, уплотнения структуры, что приводит к повышению прочности и ускорению химических реакций (например, реакции гидратации).
Частицы наноцемента могут ускорить гидратацию цемента благодаря своей высокой активности. Аналогичным образом, включение наночастиц может более эффективно заполнять поры для повышения общей прочности и долговечности. Таким образом, наночастицы могут привести к производству нового поколения цементных композитов с повышенной прочностью и долговечностью.
По мнению исследователей, ниже приведен список областей, в которых строительная индустрия может извлечь выгоду из нанотехнологий.
Вантовые и подвесные мосты
Новая Юбилейная церковь (Рим, Италия) из нанофотокаталитического бетона
- Нанотехнологии для устойчивого строительства [PDF].
- Концептуальный сейсмический проект моста с вантовой опорой и его компоненты.
- Как можно использовать воплощенный углерод для снижения глобального потепления?.
- Передовые композиционные материалы (ACM).
- Характеристики мостов на вантовых опорах во время землетрясений.
- 10 видов очков [PDF]: Engineering Properties, And Applications In Constructions.
- Графеновый бетон: Революционная инновация в строительном секторе.