Свойства бетона в наномасштабе

Вторичные материалы – дополнительные вяжущие, переработанные и побочные добавки - значительно увеличивают эффективность производства бетона. Пластификаторы, модификаторы и текучие материалы повышают его прочность, побочный, но значимый эффект от их использования состоит в экономии материалов, особенно - состоящих из дисперсных частиц. К такому выводу пришли итальянские и испанские исследователи в процессе поиска эффективных заменителей природных компонентов в составе бетона – определяющего строительного материала современности. Вторичное сырье на основе природных компонентов производителями цемента используется не первый год. Пробовали в качестве вяжущего применить старые шины, пластиковые бутылки, отходы нефтяной промышленности, замасленную ветошь – все измельчалось, перерабатывалось и добавлялось в растворы. Летучая зола в качестве цементирующего вещества тоже представляет интерес для технологов. Были тщательно исследованы варианты применения в составе цемента известняка – иногда его доля достигала 35 процентов. Да и собственно цементная пыль улавливается и возвращается в производственный процесс.

 

Технологи намерены и впредь использовать переработанные и побочные материалы других производств, несмотря на то, что от использования вторичных горючих веществ температуры образования клинкера становятся непостоянными, что отрицательно влияет на микро- и нанореакции с добавками. Но все же основные эксплуатационные характеристики полученных бетонов технологов устраивают. Они предполагают, что включение отходов в производственный цикл имеет побочный, но значимый экологический эффект, что важно при стратегических планах к 2030 году при производстве бетона свести к нулю выбросы загрязняющих веществ в атмосферу. Производственный цикл по изготовлению бетона включает этап набора бетоном прочности, занимающий достаточно продолжительное время. Технологические решения в целях сокращения времени набора прочности бетоном связаны как с оборотом опалубки, так и с использованием дополнительных вяжущих. Добавки существуют для увеличения прочности материала, для энерго- и ресурсосбережения.

 

Но дополнительные вяжущие могут оказывать негативное влияние на ранний этап нарастания прочности. В основном все новые технологии связывали с использованием поликарбоксилатных добавок, свежеприготовленный в бетоносмесителе материал от их применения отличался высокими показателями текучести и укладываемости и низким водоцементным отношением, а застывший бетон становился прочнее и долговечней. Имеет большое значение концентрация добавок, растворяющихся после перемешивания с водой, содержащей новые пластификаторы. Именно их наличие влияет определяюще на условия гидратации цемента, на скорость реакции и конечное качество бетонных изделий. Присутствие дополнительных вяжущих веществ еще больше усложняет реакции с добавками. Нанотехнологический анализ помогает понять это усложнение. В наномасштабе можно проследить за оседанием и скоплением молекул пластификаторов на цементирующих материалах и влияние этих процессов на характеристики бетона, что повлечет за собой возможность проектировать и оптимизировать свойства пластификаторов. Стало возможным создание полимеров с нужными характеристиками, в частности, подконтрольно оседающих на цементных частицах. В результате дисперсия становится эффективной, а гидратация – также подконтрольной. Полимеры исследуются измерением длины цепи, длины боковых цепей, измерением электрических зарядов, плотности боковых цепей и наличием свободных радикалов. Молекулярная структура, которая создана в наномасштабе под конкретные задачи, позволяет контролировать вязкость свежего бетона, укладываемость, надежное заполнение форм, оптимальное сохранение подвижности. Уменьшая водоцементное отношение можно регулировать инженерные характеристики, такие, как наращивание прочности и долговечность. Подбором подходящих молекулярных структур можно повышать как характеристики добавок, так и эксплуатационные свойства их. Только разработанными в наномасштабе молекулярными структурами можно проектировать типы цемента, дозы цемента, консистенцию растворов, процедуры смешивания, применение того или иного наполнителя – известняка, шлака или золы, способы смешивания, и даже определять климатические условия эксплуатации.