Применение нанотехнологий в строительной индустрии

В условиях современного города актуальной становится задача повышения вибро- и сейсмостойкости кирпичной кладки. Российские ученые разработали ряд мер для ее решения.

Цель статьи — привлечь внимание к возможностям применения нанотехнологий в решении не только крупных, но и локальных, частных задач современного строительного комплекса. Внимание авторов, в частности, занимает проблематика повышения надежности, прочности, долговечности стен зданий.

В настоящее время значительный объем строящихся объектов выполняется с использованием мелкоштучных каменных материалов. Для возведения каменных и армокаменных конструкций применяют искусственные и природные материалы в виде кирпича, камней, мелких и крупных блоков, панелей, а также облицовочные и теплоизоляционные материалы, строительный раствор, бетон и арматуру. Наиболее часто в России используются каменные материалы в виде кирпича.
Постоянно возрастающие требования к надежности и долговечности строительных сооружений определяют актуальность вопроса повышения качественного уровня каменной кладки, которая является неоднородным телом, состоящим из камней и швов, заполненных раствором. Специфические условия работы кладки приводят к тому, что даже при сжатии усилие передается неравномерно вследствие местных неровностей и неодинаковой плотности отдельных участков затвердевшего раствора. В результате кладка подвергается не только сжатию, но также растяжению и срезу.

Прочность кладки при растяжении и срезе зависит, главным образом, от сцепления раствора с камнем, на величину которого влияют вид и состав раствора, его прочность и усадка, скорость поглощения камнем воды, чистота поверхности камня, условия твердения раствора в кладке и т. д. Поэтому при проведении расчетов современные нормативные документы [1, 2] включают показатели прочности кирпича на сжатие и продольный изгиб, а для растворной составляющей кладки — прочность при сжатии, адгезионную прочность к кирпичу при отрыве, подвижность и водоудерживающую способность. Однако даже в зданиях, эксплуатируемых в нормальных условиях, проявляются многие факторы, не учитываемые в данных документах, но влияющие на качественные показатели и надежность кладки.

Процессы современной урбанизации существенно влияют на условия работы каменных конструкций зданий и сооружений. В недалеком прошлом специалистами не учитывались многие виды воздействий на эксплуатируемые объекты. Одно из них — колебания оснований зданий, порождаемые не только природными землетрясениями, но и техногенными причинами, например, движением тяжелых транспортных средств, работой сваебойных механизмов и т. п. Эти колебания, медленно, но верно, нарушают адгезионную связь в паре «кирпич — кладочный раствор», что ускоряет разрушение каменных конструкций. Необходимо отметить, что частота возникновения колебаний и их интенсивность по мере насыщения города техникой возрастают.

Влияние техногенных факторов постоянно возрастает: даже землетрясения ныне становятся рукотворными. Как показали современные исследования, крупные водохранилища создают на территориях, прилегающих к ним, зоны повышенной сейсмичности, которые могут простираться на многокилометровые расстояния. Предположительно, из-за московских морей на территории столицы произошло уже несколько землетрясений интенсивностью до четырех баллов. Горьковское море, возможно, стало причиной землетрясения силой в три балла в Нижнем Новгороде. В 2004 году в Калининграде произошло землетрясение силой в четыре балла — его «почувствовали» аварийные и ветхие объекты в Санкт-Петербурге, включая здание Смольного.

По утверждению специалистов, сейсмичность территорий Москвы и Санкт-Петербурга непрерывно возрастает.
В зарубежной строительной практике меры по повышению сейсмостойкости кирпичной кладки разрабатываются уже давно. Так, за рубежом ограничивают применение силикатного кирпича с гладкой поверхностью, предлагая взамен кирпич с рифленой поверхностью или с наличием пазов, пустот, в которых можно сформировать растворный сердечник, а также создать «шпоночное» соединение в контактной зоне кирпича с раствором.

Мы полагаем, что в настоящее время в России переориентация заводов на производство кирпича столь сложной формы вряд ли возможна, хотя в ЦНИИСК под руководством проф. Полякова С. В. проводятся исследования по оценке влияния формы кирпича на сейсмостойкость кладки [3]. Так, там был разработан силикатный кирпич с волнистой поверхностью, что позволило увеличить площадь его контакта с раствором, а также создать шпоночный эффект при сдвиге вдоль горизонтального шва.

По нашему мнению, в настоящее время для повышения вибро- и сейсмостойкости кирпичной кладки следовало бы использовать три простых способа, не требующих значительных капитальных затрат. Один из них — смачивание кирпича водными дисперсиями полимеров, в которых размер частиц (глобул) лежит в наноразмерном диапазоне. К числу таких дисперсий относятся производимые ныне в России поливинилацетатные, акрилатстирольные, акрилатстирольные карбоксилированные дисперсии и ряд других. Глобулы полимера из таких дисперсий проникают в тончайшие капилляры и трещины, идущие от поверхности кирпича, склеивая их. Тем самым в заметной степени снижается возможность развития этих трещин во время вибро- и сейсмовоздействия на кладку. Наряду с этим дисперсия, высыхая на поверхности кирпича, образует полимерную пленку, которая служит грунтом под кладочный раствор. Этот грунт обеспечивает более высокую адгезионную прочность соединения между кладочным раствором и кирпичом и в заметной степени демпфирует горизонтальные напряжения, возникающие при вибро- и сейсмовоздействиях на кладку, за счет снижения модуля упругости зоны контакта. Существуют и другие рекомендации по грунтованию кирпича: например, смесью поливинилацетатной дисперсии с натриевым жидким стеклом [4].

Вторым, более эффективным, но несколько более затратным способом, является использование цементно-полимерных композиций — рационально составленных смесей, в которых наряду с традиционными компонентами (цементом, известью, песком) содержится полимер, распределенный в этой смеси либо в виде тонких пленок, пронизывающих минеральную матрицу, либо в виде мелких глобул, равномерно распределенных в кладочном растворе. И в том и в другом случае полимерный компонент повышает вибро- и сейсмостойкость кладки, адгезионную прочность на границе «раствор — кирпич» [5, 6].

В настоящее время появились рекомендации [7] использовать в качестве кладочных растворов сухие строительные смеси (ССС), которые наряду с цементом и песком содержат полимеры, введенные в виде порошков. Именно полимерные компоненты, суммарное количество которых должно составлять не менее шести массных процентов по отношению к цементу, сделали ССС столь востребованными строительными материалами [8].
Можно априори утверждать, что любая ССС лучше традиционных кладочных растворов с точки зрения вибро- и сейсмостойкости, но наиболее пригодными являются их разновидности, называемые плиточными клеями. К настоящему времени в России появились ССС (к сожалению, импортные), предназначенные специально для «склеивания» кирпичей.

Полимерными компонентами в плиточных клеях чаще всего являются водорастворимые эфиры целлюлозы, эфиры крахмала и редиспергируемый порошок, получаемый распылительной сушкой сополимерной поливинилацетатной дисперсии [9]. Такие полимеры эффективны и при введении в кладочные растворы. К сожалению, все упомянутые полимеры являются для России веществами импортными и дорогостоящими. Предпринимаемые в России попытки наладить производство отечественных аналогов этих полимеров пока остаются безуспешными.
В данной ситуации представляется целесообразным обратить внимание на материалы, которые в бывшем СССР успешно применялись в качестве плиточных клеев [10].
Это цементно-поливинилацетатные строительные растворы (ЦПВА), представляющие собой рационально составленные композиции, содержащие портландцемент, кварцевый песок и дисперсию поливинилацетатную гомополимерную грубодиспресную пластифицированную (ПВАД). Такое название они имеют в соответствии с ГОСТ 18992-80. В свое время ПВАД для цементно-полимерных растворов применять почти перестали. Основная причина — подверженность полимера поливинилацетата щелочному гидролизу в цементных смесях на основе портландцемента.

Исследования, проведенные нами [11], показали, что ЦПВА во многих ситуациях могут с успехом заменять ССС. Эффективность применения этих материалов повышается, если ПВАД предварительно модифицировать тетраэтоксиланом или этилсиликатом-32, которые представляют собой полные этиловые эфиры ортокремниевой кислоты. Технология такого модифицирования описана в работе В. А. Войтовича [12]. Тетраэтоксилан и этилсиликат-32 под действием воды и извести, образующейся при гидратации цемента, подвергаются гидролитической поликонденсации с образованием наночастиц диоксида кремния, которые упрочняют кладочный раствор. Следует заметить, что щелочной гидролиз поливинилацетата в присутствии тетраэтоксилана или этилсиликата-32 практически сводится к нулю.
Фактически, модифицирование ПВАД указанными выше эфирами ортокремниевой кислоты представляет собой золь-гель технологию — один из наиболее эффективных способов получения наночастиц.

Третьим способом повышения сейсмо- и вибростойкости кладочных растворов является использование самоуплотняющихся цементных смесей [13]. Такие смеси самопроизвольно растекаются по поверхности кирпича, сохраняя высокую подвижность в течение заданного времени. Это позволяет снизить отрицательное влияние неполноты контакта между кирпичом и раствором на адгезионную прочность между ними. Устраняется при этом и человеческий фактор (низкая квалификация каменщика, нарушение технологии работ путем введения воды для разжижения раствора и т. д.). Создание самоуплотняющихся цементных смесей стало возможным благодаря появлению нового вида суперпластификаторов — поликарбоксилатов. Свое действие поликарбоксилаты проявляют на уровне наночастиц [14]. До недавнего времени поликарбоксилатов российского производства не было. Сейчас производятся первые их отечественные представители: «Гиперлит», «Полипласт СП СУБ», «Хидетал ГП-9» и ряд других.
Актуальной проблемой все чаще становится обеспечение устойчивости и, соответственно, надежности кирпичной кладки во время пожаров, частота и интенсивность которых в последние годы возрастают. Исследования С. В. Федосова и его сотрудников [15, 16] по изучению влияния пожаров на прочность силикатного кирпича показали, что структурные изменения в силикате кальция начинаются уже при температуре 420 °С и приводят к снижению прочности. Таким образом, максимальную температуру (550 °С), до которой можно нагревать силикатный кирпич в соответствии с ГОСТ 379-95 «Кирпич и камни силикатные. Технические условия», следует считать завышенной.
Наряду с разрушением кирпича при нагревании происходит и деструкция кладочного раствора. Как известно, уже при достижении температуры в 250 °С начинается дегидратация минералов, образующих цементную матрицу, что приводит к снижению прочности раствора. При температуре около 600 °С начинается диссоциация самих минералов, составляющих цементную матрицу, на оксиды, что дополнительно разупрочняет цементный камень.
При повышении температуры до 575 °С кварц, т. е. песок, как в кирпиче, так и в кладочном растворе, переходит из -модификации в -модификацию с увеличением объема, что приводит к возникновению значительных внутренних напряжений.

Наряду с этим аморфная часть цементного камня при нагревании претерпевает усадку, в то время как кристаллические новообразования и негидратированные зерна цемента — увеличение объема. Наконец, при нагревании возникают напряжения, обусловленные различием в коэффициентах объемного расширения цементной матрицы и заполнителей. Все вышеперечисленные явления разупрочняют кладку.
В этих обстоятельствах все более востребованными становятся эффективные способы защиты конструкций от действия высоких температур. К ним можно отнести окрашивание интумесцентными красками, из которых формируются покрытия, способные вспучиваться при пожаре и образовывать слой пены толщиной в несколько сантиметров. Данная пена является негорючей и нетеплопроводной, она защищает окрашенную поверхность от нагревания до критической температуры [17]. В настоящее время эти краски стали широко востребованными. В России их производят несколько предприятий.

Ахиллесовой пятой интумесцентных красок является то, что иногда образовавшаяся пена не удерживается на вертикальных поверхностях и отслаивается еще до окончания пожара. Исследователи из Санкт-Петербурга под руководством С. С. Мнацаканова предложили [18] вводить в интумесцентную краску базальтовую микрофибру с закрепленными на волокнах наночастицами фуллероидов. Адгезионная прочность пены за счет такого модифицирования интумесцентных красок заметно возрастает.
Интересно отметить, что базальтовая микрофибра, вводимая в цементные смеси, повышает трещиностойкость цементного камня [19]. Следовательно, введение базальтовой микрофибры будет эффективно и для кладочных растворов. Такой армирующий материал под названием «модифицированная базальтовая микрофибра Астрофлекс МБМ» в настоящее время производится в России. Она представляет собой базальтовые волокна длиной 100–500 мкм и диаметром 8–10 мкм. Содержание наномодификатора, зафиксированного на них, составляет 0,01–0,0001 % от массы волокна.

В целом, по нашему мнению, применение нанотехнологий — это относительно малозатратный и эффективный путь повышения надежности и долговечности кладки из силикатного кирпича.

Литература
1. Комохов П. Г., Беленцов Ю. А. «Влияние растворной составляющей кирпичной кладки». // «Строительные материалы», №2, 2007 г.
2. Пособие по проектированию каменных и армокаменных конструкций (к СНиП II-22-81).
3. Поляков С. В., Кучеренко В. А. www.kurdoner.ru.
4. Хританков В. Ф., Кудряшов А. Ю., Авраменко В. В., Пичугин А. П. «Оптимизация составов для защиты крупного органического заполнителя и упрочнения материалов стен». // «Строительные материалы», №3, 2009 г.
5. Погосян В. В. «Структурно-механические особенности бетонов на основе цементно-полимерного вяжущего». // «Промышленное и гражданское строительство», №6, 2009 г.
6. Оноприенко Н. Н., Дегтев И. А., Рахимбаев Ш. М. «Повышение прочности кирпичной кладки с использованием добавок водорастворимых полимеров». // «Промышленное и гражданское строительство», №8, 2007 г.
7. Франке Р. «Лицевая и облицовочная кладка без риска». // «Технология строительства», 2008 г.
8. Корнеев В. И., Зозуля П. В. «"Что" есть "что"» в сухих строительных смесях». — СПб: Изд-во НП «СПССС», 2004 г.
9. Войлоков И. А. «Сухие строительные смеси. Развитие и возможности». // «Популярное бетоноведение», №2, 2008 г.
10. Войтович В. А. «Цементно-поливинилацетатные адгезивы как альтернатива сухим строительным смесям». // «Клеи. Герметики. Технологии», №12, 2008 г.
11. Войтович В. А. «Модифицирование клеев на основе поливинилацетатной дисперсии золь-гель способом». // «Клеи. Герметики. Технологии», №12, 2007 г.
12. Войтович В. А. «Нанонаука. Нанотехнологии. Наностройматериалы». // «Приволжский научный журнал», №1, 2008 г.
13. Беленцов Ю. А. «Самоуплотняющиеся растворы для кирпичной кладки». // «Строительные материалы», №7, 2007 г.
14. Ханс-Гюнтер Хаук «Высокоэффективные суперпластификаторы на базе эфиров поликарбоксилатов. Потенциал применения в современных бетонных технологиях». // Alitinform. Информационно-аналитическое обозрение «Цемент. Бетон. Сухие строительные смеси», №1 (01), 2007 г.
15. Федосов С. В., Ибрагимов А. М., Гнедина Л. Ю., Смирнов А. Ю. «Пожарная ситуация в зданиях из силикатного кирпича». // «Строительные материалы», №11, 2008 г.
16. Федосов С. В., Ибрагимов А. М., Гнедина Л. Ю., Смирнов А. Ю. «Силикатный кирпич в условиях высокотемпературных воздействий». // «Строительные материалы», №9, 2009 г.
17. Войтович В. А. «Лакокрасочные материалы, покрытия из которых вспучиваются во время пожара». // «Промышленная окраска», №1, 2009 г.
18. Зыбина О. А., Мнацаканов С. С. «Проблемы адгезии огнезащитных вспучивающихся тонкослойных покрытий по металлу». // «Химическая промышленность», №9, 2003 г.
19. Пономарев А. Н. «Синергизм наноструктурирования цементных вяжущих и анизотропных полимерных добавок в технологии композиционных бетонов с повышенными эксплуатационными свойствами». // «Индустрия», №2 (40), 2005 г.