Ученые предложили добавлять наноалмазы в цемент
Когда слышишь словосочетание «бетон с алмазами», кажется, что речь идёт о строительстве дворцов. На самом деле всё гораздо интереснее.
Никаких драгоценных камней в такой бетон не добавляют. Вместо них используются наноалмазы, настолько маленькие частицы, что их размер составляет всего 4 – 6 нанометров. Для сравнения: человеческий волос примерно в 15 – 20 тысяч раз толще. И, как выясняется, именно такие частицы способны заметно изменить свойства обычного бетона.
Наноалмазы получают промышленным способом. Чаще всего – методом детонационного синтеза, когда при взрыве углеродосодержащих веществ в специальных камерах образуются мельчайшие алмазные частицы.
Внешне они совсем не похожи на привычные драгоценные камни. Это обычный чёрный порошок без блеска, который не представляет никакой ювелирной ценности. Зато он обладает высокой твёрдостью, химической стойкостью и огромной удельной поверхностью.
Перед использованием в строительстве порошок превращают в специальную водную дисперсию, благодаря чему частицы равномерно распределяются в бетонной смеси. Но самое удивительное – это количество добавки. Так, исследователи Донского государственного технического университета установили, что оптимальный эффект достигается при содержании около 0,1% наноалмазов от массы цемента.
Уже через двое суток после изготовления опытные образцы набирали прочность на 20 – 25% быстрее по сравнению с обычным бетоном, а через 28 суток прирост прочности на сжатие и изгиб составлял 10 – 15%. Для строительной отрасли это весьма существенный показатель. Увеличение прочности на несколько процентов позволяет оптимизировать конструкцию или увеличить срок её службы.
Во время твердения цемента наноалмазы становятся дополнительными центрами кристаллизации. Благодаря этому цементный камень формируется более равномерно, а его структура получается плотнее. Чем меньше внутренних пор, тем медленнее внутрь конструкции проникают вода, соли и другие агрессивные вещества.
Именно поэтому вместе с ростом прочности повышается и долговечность бетона.
Как и любая высокотехнологичная добавка, наноалмазы требуют аккуратного применения. Из-за своих размеров частицы легко слипаются между собой. Поэтому бетонную смесь необходимо тщательно перемешивать, а также использовать современные суперпластификаторы, которые помогают равномерно распределить добавку по всему объёму. Кроме того, ускоренный набор прочности требует контроля усадочных процессов на ранних стадиях твердения.
На первый взгляд может показаться, что добавление алмазов должно сказаться на стоимости всего материала, однако цена компенсируется двумя важными факторами.
Пока технология вряд ли станет массовым решением для обычного жилищного строительства. Зато её потенциал особенно велик там, где конструкции работают в тяжёлых условиях:
Исследования продолжаются. Учёные сейчас изучают долговечность таких цементных систем и механизмы работы наноалмазов внутри цементного камня. Если технология подтвердит свою эффективность в долгосрочной перспективе, она может стать ещё одним шагом к созданию бетонов нового поколения – более прочных, долговечных и экономичных, способных служить более ста лет даже в самых сложных условиях эксплуатации.
Никаких драгоценных камней в такой бетон не добавляют. Вместо них используются наноалмазы, настолько маленькие частицы, что их размер составляет всего 4 – 6 нанометров. Для сравнения: человеческий волос примерно в 15 – 20 тысяч раз толще. И, как выясняется, именно такие частицы способны заметно изменить свойства обычного бетона.
Наноалмазы получают промышленным способом. Чаще всего – методом детонационного синтеза, когда при взрыве углеродосодержащих веществ в специальных камерах образуются мельчайшие алмазные частицы.
Внешне они совсем не похожи на привычные драгоценные камни. Это обычный чёрный порошок без блеска, который не представляет никакой ювелирной ценности. Зато он обладает высокой твёрдостью, химической стойкостью и огромной удельной поверхностью.
Перед использованием в строительстве порошок превращают в специальную водную дисперсию, благодаря чему частицы равномерно распределяются в бетонной смеси. Но самое удивительное – это количество добавки. Так, исследователи Донского государственного технического университета установили, что оптимальный эффект достигается при содержании около 0,1% наноалмазов от массы цемента.
Уже через двое суток после изготовления опытные образцы набирали прочность на 20 – 25% быстрее по сравнению с обычным бетоном, а через 28 суток прирост прочности на сжатие и изгиб составлял 10 – 15%. Для строительной отрасли это весьма существенный показатель. Увеличение прочности на несколько процентов позволяет оптимизировать конструкцию или увеличить срок её службы.
Как это происходит?
Во время твердения цемента наноалмазы становятся дополнительными центрами кристаллизации. Благодаря этому цементный камень формируется более равномерно, а его структура получается плотнее. Чем меньше внутренних пор, тем медленнее внутрь конструкции проникают вода, соли и другие агрессивные вещества.
Именно поэтому вместе с ростом прочности повышается и долговечность бетона.
Как и любая высокотехнологичная добавка, наноалмазы требуют аккуратного применения. Из-за своих размеров частицы легко слипаются между собой. Поэтому бетонную смесь необходимо тщательно перемешивать, а также использовать современные суперпластификаторы, которые помогают равномерно распределить добавку по всему объёму. Кроме того, ускоренный набор прочности требует контроля усадочных процессов на ранних стадиях твердения.
На первый взгляд может показаться, что добавление алмазов должно сказаться на стоимости всего материала, однако цена компенсируется двумя важными факторами.
- Во-первых, благодаря высокой эффективности требуется совсем небольшое количество добавки.
- Во-вторых, более прочный бетон позволяет в отдельных случаях сократить расход цемента или увеличить срок службы конструкции.
Где будут использовать такой бетон?
Пока технология вряд ли станет массовым решением для обычного жилищного строительства. Зато её потенциал особенно велик там, где конструкции работают в тяжёлых условиях:
- мосты и путепроводы;
- тоннели;
- автомобильные дороги;
- транспортная инфраструктура;
- объекты в регионах с суровыми зимами и активным использованием противогололёдных реагентов;
- ремонтные и восстановительные составы, где особенно важны прочность и долговечность.
Исследования продолжаются. Учёные сейчас изучают долговечность таких цементных систем и механизмы работы наноалмазов внутри цементного камня. Если технология подтвердит свою эффективность в долгосрочной перспективе, она может стать ещё одним шагом к созданию бетонов нового поколения – более прочных, долговечных и экономичных, способных служить более ста лет даже в самых сложных условиях эксплуатации.
