Research on technologies for strengthening concrete structures using nanotechnology composites

Бетон — это композитный материал, состоящий из мелких и крупных заполнителей, скрепленных жидким цементом, который со временем затвердевает. Такие качества, как прочность на сжатие, универсальность и экономичность, сделали его предпочтительным материалом для множества строительных применений — от мостов и небоскребов до дорог и плотин. Несмотря на широкое применение и присущие ему достоинства, обычный бетон подвержен растрескиванию, имеет ограниченную прочность на растяжение и уязвим к воздействию таких факторов окружающей среды, как попадание влаги и химическое воздействие, что приводит к коррозии стальной арматуры и, как следствие, к разрушению конструкции с течением времени.

Появление нанотехнологий, позволяющих манипулировать веществом на атомном, молекулярном и супрамолекулярном уровнях, открыло новые возможности в различных областях, включая строительные материалы. Нанотехнологии способны произвести революцию в строительной отрасли, улучшив физические свойства обычных строительных материалов, сделав их более прочными, долговечными и устойчивыми к воздействию окружающей среды. В частности, интеграция нанотехнологий в бетон посредством использования нанокомпозитных материалов обещает смягчить недостатки, присущие традиционному бетону, и предложить решения для повышения его механических свойств, прочности и долговечности.

Нанокомпозитные материалы, включающие наночастицы или нановолокна в матричный материал, могут значительно улучшить механические свойства, такие как прочность на сжатие, прочность на изгиб и вязкость разрушения. Наноразмерные армирующие элементы также могут повысить долговечность бетона, увеличивая его устойчивость к проникновению воды, химическому воздействию и износу, тем самым продлевая срок службы бетонных конструкций

Цель данной статьи — изучить потенциал композитов на основе нанотехнологий для улучшения структурных характеристик бетона. Благодаря стратегической интеграции наноматериалов, данное исследование направлено на развитие комплексного понимания того, как нанотехнологии могут быть использованы для преодоления ограничений традиционного бетона, представляя собой смену парадигмы в строительном материаловедении, которая делает акцент на повышении структурной целостности и устойчивости.

Исследование и интеграция нанотехнологий в строительные материалы представляют собой значительный скачок в повышении структурной устойчивости и функциональности. В основе прогресса лежит наночастица — крошечный объект размером от 1 до 100 нанометров, состоящий из нескольких десятков или тысяч атомов. Наночастицы, или нанокластеры, демонстрируют высокоупорядоченное расположение атомов, за что их называют нанокристаллами. Точная организация атомов необходима, поскольку она лежит в основе резких изменений свойств материалов, наблюдаемых на микроуровне. В частности, уменьшение размера частиц до нанометрового диапазона приводит к глубоким изменениям электронной проводимости, оптического поглощения, химической реактивности и механических характеристик материалов. Заметным следствием уменьшения размера частиц является значительное увеличение числа атомов, расположенных на поверхности частицы. Преобладание количества поверхностных атомов, в свою очередь, увеличивает удельную площадь поверхности нанопорошков, приводя к заметным изменениям поверхностной энергии и морфологии (рис. 1). Данные функции важны в изменении фундаментальных свойств и химической реактивности наноматериалов, обеспечивая такие улучшения, как повышенная каталитическая эффективность и разработка пигментов и красок, обладающих способностью к самоочищению и самовосстановлению

Рисунок 1 - Размер частиц и удельная поверхность компонентов бетона

DOI:10.60797/IRJ.2025.154.112.1

Область нанотехнологий способствовала синтезу новых углеродных структур, включая фуллерены (C60), углеродные нанотрубки и графен, которые находятся на первом плане современных инноваций в области материалов

[5]

. Синтез одностенных нанотрубок, проводимый в строго контролируемых условиях в присутствии катализатора, подчеркивает точность, требуемую при производстве наноматериалов. Отклонения в этом процессе приводят к получению многостенных нанотрубок, подчеркивая критический характер соблюдения установленных протоколов синтеза. Спектр применения нанотрубок удивительно широк и охватывает наноэлектронные устройства, иглы для зондовых микроскопов, биологические и химические датчики, подложки для катализаторов, а также технологии, направленные на хранение и разделение газов, самовосстановление трещин и армирование композитных материалов

[2]

. Исключительная прочность на растяжение нанотрубок, которая, по оценкам, в двадцать раз превосходит прочность стали, делает эти материалы идеальными компонентами для следующего поколения волокон и пленок. Такие материалы способны произвести революцию в строительстве большепролетных или высотных сооружений благодаря усовершенствованным опорным механизмам

[6]

.

Интеграция углеродных нанотрубок с традиционными полимерами стала особенно многообещающей стратегией для армирования композитных материалов. Включение всего лишь 10% одностенных нанотрубок в Zylon, самое прочное из известных искусственных волокон, привело к увеличению прочности материала на 50%

Междисциплинарные области нанонауки и наноинженерии занимают центральное место в разработке композиционных материалов на цементной основе. Нанонаука занимается нано- и микроструктурным анализом материалов, используя передовые методы исследований и моделирования для выяснения взаимосвязи между структурой и макроскопическими свойствами. Наноинженерия, с другой стороны, фокусируется на манипулировании наноразмерными объектами для создания нового поколения многофункциональных композитных материалов, характеризующихся превосходными механическими характеристиками и долговечностью. Они способны к включению низкого электрического сопротивления и обладают самоконтролем, самоочищением и самовосстановлением

Недавние исследования в области применения нанотехнологий к компонентам цементобетона в основном были направлены на выяснение механизмов их структуры и разрушения. Передовые приборы позволяют проводить структурные наблюдения на атомарном уровне и количественную оценку свойств основного материала. Такие методы, как ядерный магнитный резонанс, атомно-силовая микроскопия, измерения микро- и нанотвердости, рассеяние нейтронов и рентгеновских лучей, ультразвуковая силовая микроскопия и ионно-лучевая нанотомография, сыграли важную роль в достижении этих результатов

Бетон, наиболее широко используемый антропогенный материал, превращается в наноструктурированный многофазный композит, который со временем претерпевает изменения

Основные характеристики бетона связаны с механическими свойствами укрепленных бетонных структур, характеристиками нанокомпозитных материалов, а также моделированием процессов внедрения и распределения наночастиц в бетонной матрице:

Прочность на сжатие укрепленного бетона, модифицированного наночастицами:

(1)

где: σc — прочность на сжатие композитного бетона, σc0 — исходная прочность на сжатие бетона без добавок, Vf — объемное содержание наночастиц в композите, dp — диаметр наночастиц, τ — параметр, характеризующий взаимодействие между наночастицами и бетонной матрицей.

Модуль упругости бетона с нанодобавками:

(2)

где: Ec — модуль упругости модифицированного бетона, Ec0 — модуль упругости чистого бетона, k — коэффициент, учитывающий улучшение механических свойств за счет добавления наночастиц, Vf — объемное содержание наночастиц.

Формула Дебая для расчета теплопроводности нанокомпозитного бетона:

(3)

где: λ — теплопроводность, kB — постоянная Больцмана, T — температура, v — скорость звука в материале, L — средняя длина свободного пробега фононов, d — размер наночастиц.

Модель перколяции для оценки электропроводности нанокомпозитов:

(4)

где: σ — электропроводность композита, σ0 — электропроводность при пороге перколяции, p — доля проводящего наполнителя, pс — критическая доля наполнителя для создания проводящего пути, t — критический индекс проводимости.

Метод использования наночастиц для заполнения промежутков может быть реализован с помощью двух различных принципов (рис. 2): подход «сверху-вниз» предполагает коллоидное измельчение портландцемента, в то время как подход «снизу-вверх» использует самосборку посредством топохимических реакций, активируемых механохимически.

Рисунок 2 - Схема подходов «сверху вниз» и «снизу вверх» в нанотехнологии

DOI:10.60797/IRJ.2025.154.112.2

Конструктивные возможности нанохимии «снизу-вверх» привели к появлению новых продуктов, специально разработанных для улучшения технологии производства бетона. Заметным достижением в этой области является разработка поликарбоксилатных суперпластификаторов, являющихся результатом механохимической активации цемента с помощью интенсификаторов измельчения на основе поликарбоксилатных эфиров, которые оказались исключительно эффективным методом модулирования свойств цементных материалов, как в их пластичном, так и в затвердевшем состоянии. Заметное увеличение прочности — до 115 МПа по сравнению с базовой прочностью 72-89 МПа — объясняется образованием органоминеральных нанослоев или наносетей на частицах цемента и аморфизацией их поверхностей

[14]

.

В свою очередь, структура и механизмы деградации бетона действуют в разных масштабах, от нано- и микро- до макроуровня. Центральное место в его наноструктуре занимает аморфная фаза силикат-гидрата кальция (C-S-H), служащая связующим «клеем», который объединяет компоненты бетона и сам по себе является наноматериалом (рис. 3).

Рисунок 3 - Наноразмерная структура С–S–H, кристаллизованная на кальцитной подложке и обнаруженная при помощи АСМ (атомно-силового микроскопа)

DOI:10.60797/IRJ.2025.154.112.3

Наночастицы C—S—H размером в среднем 5-10 нм служат основными центрами зарождения продуктов гидратации портландцемента, что приводит к заметному уменьшению пористости, и, следовательно, проницаемости цементной массы

[15]

.

Таким образом, интеграция наночастиц в обычные строительные материалы наделяет их отличительными свойствами, необходимыми для строительства высотных, большепролетных и специализированных сооружений

Например, наночастицы SiO2 (nano-SiO2) (нанокремнезема) (рис. 4) показали большие перспективы в высококачественных и самоуплотняющихся бетонных смесях, повышая обрабатываемость и прочность. Большинство экспериментальных работ было сосредоточено на наночастицах SiO2, раскрывающих их важную роль в разработке самоуплотняющегося бетона с уменьшенным тепловыделением

Рисунок 4 - Частицы нанокремнезема

DOI:10.60797/IRJ.2025.154.112.4

Было обнаружено, что для увеличения прочности частицы nano-SiO2 эффективнее, чем кварцевая пыль. За 28 сут 10%-я смесь nano-SiO2 с дисперсными компонентами увеличивает прочность при сжатии цементных растворов на 26 %, а 15%-я смесь кварцевой пыли — всего на 10% (рис. 5).

Рисунок 5 - Прочность при сжатии цементных растворов с разными дозировками нано-SiO2 (NS) и нано-Fe2O3 (NF) в сравнении с растворами портландцемента и кварцевой пыли (SF)

DOI:10.60797/IRJ.2025.154.112.5

Использование nano-SiO2, особенно в виде суспензии, в качестве реологического модификатора в дозировках 1–2% по отношению к массе вяжущего продемонстрировало превосходное сцепление, уменьшенную сегрегацию воды и сведенное к минимуму расслаивание в бетонных смесях

[16]

.

Рецептура самогерметизирующегося бетона с пониженным тепловыделением, включающая цемент наряду с минеральными добавками, такими как доменный шлак, известняк и летучая зола, была значительно оптимизирована за счет добавления nano-SiO2

Стоит также отметить высокопрочный суперпластифицированный бетон, содержащий значительное количество золы-уноса с низким содержанием кальция и nano-SiO2, демонстрирующий быстрое протекание пуццолановой реакции nano-SiO2 и значительно повышающий пуццолановую активность золы-уноса. Доказано, что введение nano-SiO2 даже в минимальных дозировках уменьшает образование CH на границе раздела с наполнителями и уменьшает размер кристаллов CH, тем самым повышая прочность бетона на сжатие и растяжение на ранних стадиях затвердевания.

Исследования влияния различных доз и размеров наночастиц SiO2 на портландцементные пасты показали, что наночастицы меньшего размера в малых количествах значительно увеличивают прочность цементного камня на сжатие. Такое повышение прочности и долговечности объясняется образованием протяженных кремний-кислородных цепей в структуре геля C—S—H

Эффективность наноматериалов в бетоне, несмотря на то, что для их производства требуется менее 1% цемента по массе, зависит от масштабируемости и экономической эффективности их производства. Методы промышленного производства наноматериалов включают плазменно-дуговую обработку, плазменный пиролиз, химическое осаждение из газовой фазы, электроосаждение, золь-гель синтез, механохимические процессы и использование природных наносистем. Среди них золь-гель синтез (рис. 6) выделяется как распространенный метод получения наноразмерных материалов, таких как нанокремнезем, с использованием тетраэтоксисилана в качестве прекурсора и получением аморфного нанокремнезема SiO2 с высокой удельной поверхностью

Рисунок 6 - Золь-гель синтез

DOI:10.60797/IRJ.2025.154.112.6

Положительное воздействие наночастиц на микроструктуру и свойства материалов на основе цемента обусловлено их способностью повышать вязкость, заполнять пустоты, выступать в качестве центров зарождения, способствовать образованию более мелких и однородных кристаллов, участвовать в пуццолановых реакциях и улучшать поверхность раздела между цементной пастой и наполнителями. Кроме того, они блокируют трещины и повышают структурную целостность цементных материалов, что приводит к повышению прочности при ударе, растяжении и изгибе.

Таким образом тенденция к использованию все более мелкодисперсных материалов в бетонных технологиях отражается на размерах и удельной поверхности используемых частиц. На протяжении десятилетий были достигнуты значительные успехи в технологии производства бетона за счет введения все более мелких частиц, включая микро-, а затем и нанокремнезем. Нановолокна, такие как nano-Al2O3 (рис. 7), представляют собой еще одну возможность в повышении эксплуатационных характеристик бетона, указывая на будущее, в котором бетон будет не только конструкционным материалом, но и передовым композитом с инженерными свойствами на наноуровне

Рисунок 7 - Нановолокна Al2O3

DOI:10.60797/IRJ.2025.154.112.7

Нанотехнологические композиты, характеризующиеся включением в них наночастиц или нановолокон, значительно улучшают механические свойства, долговечность и устойчивость бетона к воздействию окружающей среды. Улучшения объясняются наноразмерными эффектами, которые включают заполнение пор в бетонной матрице, модификацию микроструктуры материала и улучшение межфазной переходной зоны между цементной пастой и заполнителями.

Напротив, традиционные методы армирования, такие как использование стальной арматуры и армированных волокнами полимеров (FRP — fiber-reinforced polymers), в основном основаны на макромасштабных модификациях для повышения целостности конструкции. Стальная арматура, обеспечивая значительную прочность на растяжение, подвержена коррозии, что приводит к проблемам с долговечностью и увеличению затрат на техническое обслуживание. Стеклопластиковые материалы обладают коррозионной стойкостью и более высоким отношением прочности к весу, чем сталь, но их применение ограничено высокой стоимостью и потенциальными проблемами с длительным сроком службы при определенных условиях окружающей среды.

Основное преимущество нанотехнологических композитов перед традиционными методами заключается в их способности не только улучшать конструктивные характеристики, но и наделять бетон новыми функциональными возможностями — самовосстанавливающиеся свойства и улучшенные тепловые характеристики. Более того, использование наноматериалов может привести к снижению углеродного следа бетона за счет оптимизации состава и уменьшения необходимого количества цемента.

Однако, высокая стоимость наноматериалов в сочетании со сложностью обеспечения равномерного распределения в бетонной матрице создает значительные препятствия. Кроме того, существуют опасения относительно потенциального воздействия наноматериалов на здоровье и окружающую среду, что требует тщательной оценки рисков и разработки протоколов безопасного обращения и использования.

Что касается областей применения, нанотехнологические композиты перспективны для высокопроизводительных применений, где решающее значение имеют улучшенные механические свойства, долговечность и многофункциональность. Что включает инфраструктуру, подверженную воздействию суровых условий окружающей среды, здания, требующие повышения энергоэффективности (табл. 1).

В заключение, хотя нанотехнологические композиты обладают существенными преимуществами по сравнению с традиционными методами армирования, включая повышенную долговечность, функциональные свойства и потенциально сниженное воздействие на окружающую среду, их более широкое внедрение зависит от преодоления проблем экономики и безопасности. Будущие исследования должны быть сосредоточены на методах снижения затрат, разработке стандартизированных протоколов безопасности и исследовании новых наноматериалов с повышенными эксплуатационными характеристиками и меньшим воздействием на окружающую среду.

В заключение в этой статье представлено всестороннее исследование интеграции нанотехнологий в армирование бетона, подчеркивающий преобразующий подход к устранению ограничений, присущих традиционному бетону. Благодаря внедрению в бетон нанокомпозитов, таких как наночастицы и нановолокна, были достигнуты значительные успехи в повышении его механических свойств, долговечности и устойчивости к ухудшению состояния окружающей среды. В исследовании тщательно рассматриваются типы применимых нанокомпозитов, их влияние на физические и механические свойства бетона, а также лежащие в основе механизмы, способствующие этим улучшениям.

Роль наноматериалов на основе углерода, включая фуллерены, углеродные нанотрубки и графен, подчеркивается за их исключительный вклад в инновации материалов, обеспечивающий беспрецедентную прочность на растяжение и потенциал в разработке передовых композиционных материалов. Также подчеркнута синергия между нанонаукой и наноинженерией в создании новых композиционных материалов на основе цемента, характеризующихся превосходными эксплуатационными характеристиками и многофункциональными свойствами, такими как способность к самоочищению и самовосстановлению.

Достижения в области аналитических методов способствовали более глубокому пониманию наноструктуры бетона, особенно с акцентом на фазу гидрата силиката кальция, которая играет ключевую роль в его связующих свойствах. Такие инновации, как поликарбоксилатные суперпластификаторы, появляющиеся в результате механохимической активации цемента, демонстрируют практические преимущества нанотехнологий в повышении прочности и эксплуатационных характеристик бетона.

Эта статья не только проливает свет на потенциал нанотехнологий произвести революцию в строительной отрасли, преодолев традиционные ограничения, связанные с бетоном, но и закладывает основу для будущих исследований и инноваций в области строительных материалов. Что подчеркивает важность междисциплинарного сотрудничества в продвижении строительных технологий, прокладывая путь к разработке устойчивых, долговечных и высокоэффективных строительных материалов будущего.