Beton je klíčovým stavebním materiálem. Vzduchový nanobeton je jednou z jeho mnoha odrůd. Inovativní aditiva – nanoiniciátory při použití nanotechnologie proměňují řešení v materiál s novými fyzikálními a mechanickými vlastnostmi a speciálním rozsahem. Jejich pevnost, nízká hmotnost, tepelná odolnost nás nutí opustit tradiční stavební materiály. Díky modernímu vývoji získají stěny budov schopnost „dýchat“, zadržovat teplo, samy se opravovat a sloužit lidem po dobu 1000 let.
Nanobeton.
Nanobeton je druh betonu vyráběný nanotechnologií – přidáním speciálních přísad – nanoiniciátorů, které výrazně zlepšují fyzikální vlastnosti betonu. Zvyšují jeho mechanickou pevnost o 150 %. Nanoiniciátory v interakci s cementem krystalizují, vyztužují beton a mění jeho strukturu na molekulární úrovni.
Vlastnosti a výhody nanobetonů
Druhy nanobetonů a jejich účel
Technické vlastnosti nanobetonů
Odkazy na zdroje
Nano beton:
Nanobeton – druh betonu získaný pomocí nanotechnologie – přídavek speciálních přísad – nanoiniciátorů.
Nanoiniciátory po přidání do betonu výrazně zlepšují jeho fyzikální vlastnosti. Jsou to mikroskopické duté nanotrubice v několika atomových vrstvách uhlíkových polymerů. Tyto nanotrubice mají průměr jen několik mikronů, ale jejich síla je větší než 10 GPa. Jejich výhodou je navíc odolnost vůči zásadám a kyselinám.
Když nanoiniciátory interagují s cementem, krystalizují, vyztužují beton a mění jeho strukturu na molekulární úrovni. Na základě toho se snižují požadavky na vyztužení konstrukcí při použití nanoiniciátorů.
Nanoiniciátory také zvyšují přilnavost betonu ke kovu, přičemž interagují na molekulární úrovni i se zkorodovanými vrstvami. V souladu s tím aplikace nanobeton možné ve dvou směrech: jako materiál pro rekonstrukci starých konstrukcí a pro výstavbu nových budov.
Při aplikaci na železobetonovou konstrukci nanobeton má schopnost vyplnit své mikropóry, přičemž tento stavební materiál polymerizuje a obnovuje pevnost struktury. Nanobeton navíc reaguje s korozivní vrstvou zrezivělé výztuže a obnovuje její přilnavost k betonu.
Nanotrubice umístěné ve struktuře obkladových dlaždic z nanobeton, uvolňuje pod vlivem kyslíku atomární kyslík, který má baktericidní vlastnosti.
Jako nanoiniciátory se používají nanočástice oxidu křemičitého, polykarboxylát, oxid titaničitý, čedičové vlákno, uhlíkové nanotrubice, fullereny. Na 1 tunu betonu je potřeba přidat 5 gramů nanoiniciátoru.
Nanobeton odkazuje na typy lehkých betonů.
Tento moderní materiál byl použit například v Soči při přípravě tratí pro zimní olympijské hry 2014, při stavbě mostu přes Volhu ve městě Kimry.
Princip fungování nanočástic v betonu
Experimentování s nanopřísadami do stavebních materiálů začalo na konci 20. století. Bylo zjištěno, že při zásahu do složení uhlíkových nanotrubic v množství od 0,001 do 0,0001 % podílu spotřeby pojiva se pevnost a další vlastnosti výsledného materiálu zvyšují až o 40 % a v některých parametrech – i 2-3x.
To je způsobeno skutečností, že nanoaditiva vyvolávají růst krystalů v minerální látce a jejich paprsky, které rostou a vzájemně se proplétají, dávají materiálu vyšší pevnost. Tento proces se nazýval rozptýlené sebeposilování.
Současně se pevnost cementového kamene zvýšila až o 40% a betonu – pouze o 10%. Makrovýztuž je pro něj totiž důležitější než na mikro- a ještě více nanoúrovni.
Poznámka: cementový kámen je tvrzená cementová pasta, bez přísad a plniv. V souladu s tím jsou v betonu – kromě vody a cementu, různé další složky.
Na obrázku: a – struktura obyčejného cementového kamene; b – kámen, po přidání nanotrubiček
Druhým problémem bylo, že přímé zavedení vodné suspenze s nanotrubičkami je pro otevřenou výrobu nepřijatelné. Protože tento způsob výroby vyžaduje laboratorní podmínky, za kterých je zajištěna rovnoměrná distribuce mikročásti nanomateriálu v médiu specifikovaném parametry. Jinak to vše může spadnout do zbytečného sedimentu.
Mikrofotografie fenoménu aglomerace astralenu na uhlíkových nanotrubičkách
To je zajímavé: právě nejpevnější propojení nanočástic dodává upravenému kameni jeho pevnost a odolnost vůči korozi. Takové, že pro jeho zničení je zapotřebí pouze intenzivní a dlouhodobé vnější působení ultrazvuku. Kromě toho jsou vytvořené vazby chemicky stabilní a nereagují ani na zásady, ani na kyseliny.
Laboratoř pro výrobu nanotrubiček v Novosibirsku, Rusko.
Poté opustili vodnou suspenzi a pokusili se aplikovat samozesilující nanoiniciátory přímo na pevné plnivo:
- Nejprve experimentoval na písku. Výsledek byl lepší: struktura betonu se začala poněkud měnit na makroúrovni, ale materiál stále nebyl dostatečně pevný na svou cenu.
- Dále bylo místo písku testováno čedičové mikrovlákno. Technické vlastnosti výsledného kamene předčily všechna očekávání. Ukázalo se také, že pro tuto metodu lze použít levnější nanočástice (astraleny).
- V důsledku toho byl vyvinut vysoce kvalitní odolný beton., který má mírné náklady na jeho použití ve stavebnictví.
Poznámka: video v tomto článku vám pomůže podrobněji porozumět složitosti nanotechnologie.
Vlastnosti a výhody nanobetonu:
– mechanická pevnost nanobetonu je o 150 % vyšší než u konvenčního,
– životnost
– mrazuvzdornost je o 50 % vyšší než u běžné,
– odolný vůči vysokým teplotám, zachovává si své vlastnosti při teplotách do 800 °C,
– odolný vůči nízkým teplotám (minus 150-180 °C),
– změněná struktura nanobetonu dramaticky snižuje potřebu vody jako pojiva, což snižuje hmotnost betonové struktury a pravděpodobnost vzniku trhlin 6-8krát,
– díky husté lehké homogenní struktuře nepotřebuje nanobeton hydroizolaci,
– protože prefabrikované nanobetonové konstrukce jsou lehčí než běžné betonové konstrukce, nevyžadují silný základ, což sníží stavební náklady a mzdové náklady,
– vysoká pevnost materiálu umožňuje snížit množství pokládky nanobetonu o 30 %,
– snížení hmotnostního zatížení základu 6-8krát,
– nízká tepelná vodivost.
Upravené čedičové mikrovlákno
Vyztužení betonu vlákny umožňuje zvýšit pevnost, odolnost vůči agresivnímu prostředí a teplotním extrémům a zlepšit další vlastnosti. Optimálním vláknem pro tyto účely je čedič.
Je lehčí než ocel, nezpůsobuje korozi a cena je výrazně nižší. V mnoha ohledech předčí i polypropylen a skleněná mikrovlákna.
Má vysoké skóre:
- pevnost v tahu;
- přilnavost;
- pružnost;
- tepelná stabilita;
- otěr;
- chemická odolnost.
S příchodem nanomodifikace získalo čedičové vlákno, které již vítězí téměř ve všech pozicích, několik dalších výhod:
- Vylepšená mechanika jeho práce v materiálu;
- Rozšířený rozsah klimatických podmínek použití.
- Úprava spočívá v tom, že se na vláknu ukládají nanočástice (uhlíkové astraleny).
Jimi iniciované chemické procesy vedou ke zvýšení interakce mikrovlákna s okolními látkami a pevně „spojují“ celý materiál dohromady do jediného celku.
Tabulka porovnává experimentální data vzorku betonu s přídavkem konvenčního čedičového vlákna (1) a modifikovaného (2).
Poznámka: Po přidání vody můžete hníst po malých dávkách, ale je lepší předem smíchat se suchou cementovou směsí.
Ložisko čediče s charakteristickou sloupcovitou strukturou
- Studie byla provedena pro těžební průmysl, aby pochopila výhody použití nového materiálu. Hlavním hodnotícím kritériem byl index smrštění.
- Během tohoto testu se ukázalo, že relativní smrštění vzorku s nanomodifikovaným vláknem je o 50 % menší. To znamená, že konstrukce, ve které je tato úprava použita, bude méně náchylná ke změnám tvaru během tuhnutí a vysychání betonové směsi.
- Také během experimentu bylo zaznamenáno, že během 10-15 minut míchání modifikovaných vláken byly ve směsi stále pozorovány jejich sraženiny a hrudky. To znamená, že je lepší prodloužit dobu trvání tohoto postupu – zajistit co nejrovnoměrnější rozložení vláken v objemu.
Ve skutečnosti je to jediné negativum: ve srovnání s běžným čedičovým vláknem nedochází k žádné časové úspoře.
Vlastnosti
Modifikované čedičové mikrovlákno pro disperzní vyztužení materiálů na bázi polymerních a minerálních pojiv, vyrobené podle TU 5761-014-13800624-2004.
Hlavní charakteristiky MBM
Stavební materiály vyrobené s jeho použitím mají následující výhody:
- Zvýšení pevnosti v tlaku, přetržení, ohybu, tahu, ale i únavy a rázu bez ohledu na teplotu média (pracovní rozsah MBM od -260°C do +750°C).
- Minimální deformace při smršťování.
- Zlepšení vlastností voděodolnosti a mrazuvzdornosti, dále odolnosti vůči agresivnímu prostředí a mechanickému namáhání.
- Zvyšuje se životnost.
Zlomenina kamene vyztuženého vlákny
Aplikace
Rozsah modifikovaného čedičového mikrovlákna je do značné míry dán jeho velikostí – délka vláken je menší než 0,5 mm. To umožňuje jeho použití nejen při výrobě pěnového a pórobetonu, dlažebních desek, cihel, stříkaných betonových materiálů (dekorativní omítky apod.), ale také nátěrů nanášených pneumatickým nástřikem.
Dávkování MBM dle TU 5761-014-13800624-2004
Ukazuje se, že hlavní aplikací nanotechnologií ve stavebnictví je vynález modifikovaného čedičového mikrovlákna a nanobeton je jednou z oblastí jeho využití.
Druhy nanobetonů a jejich účel:
– lehké nanopěnové betony. Doporučeno pro použití v individuální výstavbě a pro stavbu příček v místnostech pro různé účely;
– nanobeton střední hustoty. Používají se při stavbě objektů, které vyžadují zvýšenou pevnost (mosty, vozovky silnic a letišť atd.);
– nanobeton vysoké, ultra vysoké pevnosti. Vhodné pro výstavbu nosných konstrukcí v obytných budovách, v komerčních objektech, v průmyslových zemědělských objektech (uspořádání výtahových šachet, výroba nosníků, vazníků atd.).
Směry rozvoje
Kromě stavebnictví se rychle rozšiřuje rozsah použití a také vývoj nových forem vzduchového řešení. Kompozitní nátěry na bázi nanobetonů se používají na kanalizační stavby, kde je zřejmé působení agresivního prostředí. Výsledkem je, že se beton nezhroutí a kov nekoroduje. Vícevrstvý kompozit je vhodný pro podlahy a stěny veřejných budov – nákupní a administrativní centra, parkoviště, školy.
Možnost aplikace vzduchovým stříkáním umožňuje zpevnit různé povrchy a použít nanomateriál jako lepidlo.
Upravený umělý kámen je netoxický, baktericidní a vodoodpudivý, proto se používá v konstrukcích, které vedou pitnou vodu. Výroba kompozitní výztuže se stala novým směrem. Aktivně nahrazuje ocel. S využitím dobré plasticity nanobetonu vznikají metodou lití originální drobnosti do domácnosti – pracovní desky, vázy, umyvadla, stropní svítidla.
Aplikace nanobetonu:
– průmyslové a občanské stavby,
– při výstavbě železobetonových konstrukcí od 74 m a při výstavbě objektů se zvýšenými požadavky na požární bezpečnost a seismickou odolnost,
– stavba mostu,
– tepelné izolace potrubí,
– protipožární tepelná izolace budov,
– ohnivzdorné tepelně izolační přepážky a přepážky v dopravě,
