Российские ученые создали новый тип бетона с добавлением наноалмазов

Ученые «Донского государственного технического университета» (ДГТУ) достигли значительного прорыва в области строительных материалов, увеличив прочность бетона с помощью наноалмазов. Это открытие может оказать заметное влияние на строительную отрасль.


Публикация в престижном журнале Construction and Building Materials лишь вершина айсберга, за которой скрываются годы кропотливой работы и детальных исследований. Оптимальная дозировка, увеличившая прочность на изгиб и сжатие более чем на 15%, была определена не случайно, а в результате многоэтапного экспериментального процесса.

Первоначально исследователи сосредоточились на изучении влияния различных концентраций химически чистых наноалмазов на реологические свойства бетонной смеси. Были приготовлены образцы бетона с добавлением наноалмазов в концентрациях от 0,01% до 0,5% от массы цемента.

Для каждого образца проводились испытания на удобоукладываемость (определялась с помощью конуса Абрамса), водопотребность и время схватывания. Результаты показали, что незначительное добавление наноалмазов (до 0,1%) улучшало удобоукладываемость смеси, делая ее более пластичной и однородной, что упрощало процесс заливки и укладки. Более высокие концентрации, однако, приводили к загустению смеси, усложняя работу с ней. Следующим этапом стало исследование прочностных характеристик.

После затвердевания образцы подвергались испытаниям на сжатие и изгиб в соответствии с ГОСТом. Эти испытания проводились на специально оборудованных прессах, с использованием высокоточной измерительной аппаратуры. Полученные данные обрабатывались статистически с использованием методов дисперсионного анализа, что позволило исключить влияние случайных факторов и выделить достоверные закономерности.

Результаты подтвердили гипотезу исследователей: оптимальная концентрация наноалмазов, обеспечивающая максимальное увеличение прочности, составила 0,4%. При этой концентрации прочность на сжатие и изгиб возросла на 28% через два дня, а через 28 дней – более чем на 15%.

Результаты этой работы могут значительно повлиять на развитие строительной индустрии, позволив создавать более прочные, долговечные и экономичные строительные конструкции. Возможность использования наноалмазов в коммерческом масштабе также является перспективным направлением для дальнейшего исследования.

Наномодифицирующие добавки в производстве строительных материалов – актуальная и широко изучаемая тема в современном строительном материаловедении. Наноалмазы используются в различных областях науки и техники. Однако в качестве модифицирующей добавки при производстве строительных композиционных материалов они ранее не использовались.

Целью исследования было изучение механизма взаимодействия химически чистых наноалмазов кавитационного синтеза (КНА-НС) с цементным бетоном на структурообразование и механические свойства свежего и затвердевшего бетона. Эти наноалмазы KHA-HC представляют собой гибридизованные наночастицы углерода sp³ с алмазоподобной структурой и размером частиц в поперечном сечении не более 3 нанометров, формой, близкой к сферической, и четким мономодальным распределением по всему фракционному составу, максимум от 1 нанометра до 3 нанометров.

Активация проводится в два этапа: сначала производится модификатор в виде тонкоизмельченного коллоидного раствора наноалмазов в воде, а затем наномодифицированная вода поступает в основную массу бетонной смеси, после чего получается двухступенчатый активированный наномодифицированный бетон.

В науке есть примеры изучения наномодификаторов для бетона, например, углеродных нанотрубок, наноглины, нано-TiO₂ и нано-SiO₂. Важно понимать, что наномодификация бетона приводит к изменению характеристик как бетонных смесей, так и затвердевшего бетона. В частности, порошкообразные наномодификаторы обычно используются для создания дополнительных кластеров и центров кристаллизации и обеспечения более плотной упаковки частиц. Однако этот подход еще недостаточно изучен и имеет некоторые пробелы, а также технологические трудности. Поэтому более интересным направлением является наномодификация воды для затворения, которая обеспечит более пропорциональное и качественное распределение наномодификаторов в бетонной смеси.

В последние годы возрастает интерес к изучению модифицирующей добавки в виде наноалмазных частиц в различных областях техники и науки. Например, исследовалось влияние добавления наноалмазов на свойства смазочных материалов. Использование детонационных наноалмазных частиц в качестве добавки к полиальфаолефинам и моторным маслам позволяет улучшить свойства этих жидкостей, что выражается в значительном полирующем эффекте, а шероховатость поверхности рубцов на 35% меньше, чем шероховатость рубцов в системах деталей, где чистое масло используется в качестве смазочного материала.

Использование наноалмазов при изготовлении износостойких твердых покрытий и пленок довольно популярно. Например, были разработаны наноалмазные композитные пленки, легированные кремнием, для улучшения характеристик режущего инструмента в сложных условиях.

Наноалмазы также используются в производстве полимерных композиционных материалов. Введение в эпоксидные композиты наноалмазов, обработанных аминоуксусной кислотой, позволяет повысить их деформационно-прочностные свойства на 19–23%. Использование наноалмазов в количестве 0,2–0,4% от массы повышает коррозионную стойкость эпоксидной матрицы.

Новое исследование ученых имеет высокую практическую значимость и перспективность для строительной отрасли. Использование наноалмазов в бетоне не только улучшает его прочностные характеристики, но и может привести к снижению затрат на материалы и улучшению качества строительных объектов.

Более прочный бетон будет менее подвержен трещинам и другим деформациям, что в конечном итоге снизит расходы на ремонт и обслуживание зданий и сооружений.

Кроме того, применение наноалмазов может привести к созданию более легких и долговечных конструкций, что особенно актуально в условиях современного строительства, где требования к устойчивости и долговечности материалов постоянно растут.

Важно отметить, что использование наноалмазов также может способствовать снижению воздействия на окружающую среду, так как более прочные материалы требуют меньшего количества ресурсов для производства и эксплуатации. Таким образом, открытие ученых ДГТУ не только расширяет горизонты в области разработки новых материалов, но и поднимает вопросы о будущем строительной отрасли.

Такие инновации, как использование наноалмазов, могут стать стандартом в производстве бетона. Это открытие также может вдохновить другие научные исследования в области создания новых высокопрочных и долговечных строительных материалов, что в конечном итоге приведет к улучшению качества жизни и безопасности людей.