Нанотехнологии позволяют «конструировать» молекулы по заранее спланированному сценарию. При этом всеми процессами можно управлять и строго контролировать.

Мы стремимся к созданию поликристаллического мелкозернистого строения материала. Одним из путей этого может служить увеличение дисперсности зерен.

Дробление исходного материала сопровождается снижением числа опасных дефектов, что приводит к возрастанию прочности. Отсюда открывается прямая дорога к получению и использованию наночастиц. Однако необходимо помнить, что вышесказанное должно быть подкреплено межчастичным взаимодействием на уровне химических связей.

Процессы гидратации минералов цементного клинкера и возникновение продуктов гидратации - это есть не что иное, как построение на наноуровне новых веществ. Этими процессами мы можем и должны управлять. Это своеобразная «сборка» наночастиц в наносистемы и нанообъекты.

Твердение портландцемента происходит за счет химического взаимодействия (гидратация и гидролиз) минералов клинкера с водой. Это общепризнанный факт. Результатом этих процессов является образование сложных по составу кристаллогидратов. Они со временем сращиваются и образуют пространственную решетку, которая обеспечивает прочность цементного камня.

С точки зрения нанотехнологии представляется уместным рассмотреть вопрос образования продуктов гидратации основных минералов клинкера и отметить пути формирования нужных наносистем.

Продукты взаимодействия трехкальциевого силиката впервые минуты представляют собой силикагель, высокоосновный гидросиликат - двуводный трехкальциевый силикат (С35Н2). Эти неустойчивые (мета-стабильные) новообразования постепенно превращаются в гидросиликаты сложного состава типа n CaO xSi02 уН2О.

При обычных условиях они образуются преимущественно в виде ЗСаО 2SiO2 ЗН2О. Если же в системе щелочность среды изменяется, то гидросиликаты тут же реагируют на это и изменяют свой состав. Это обстоятельство является важным фактором регулирования вида продуктов гидратации. При концентрации гидрооксида кальция в жидкой среде (в расчете на СаО) от 0,05 до 1,1 г/л возникают новообразования типа (0,8...1,5) CaOSi02 (1...2,5) H2O. При этом основность этих продуктов будет тем выше, чем больше концентрация СаО в жидкой фазе.

Гидратация двухкальциевого силиката идет аналогично вышеописанной, но медленнее.

Результатом взаимодействия трехкальциевого алюмината с водой в зависимости от температуры и щелочности среды, влажности, длительности твердения и присутствия таких продуктов, как СаС03; CaCL; SiO2; CaS042H7O и некоторых других могут быть такие новообразования:

ЗСаО AI2O3 (10-12) Н2О; 4СаО AkO3 1 ЗН,0; ЗСаО AI203 xSi02 (6-12) Н2О; 3СаО АI2О3-Са СI2 I ОН2О; ЗСаО AI2O3 CaCI2 1OH2O; 3CaO AI2O3 (30-31) Н2О; ЗСаО AI203 CaS04 I 2Н20; ЗСаОАI203-6Н20.

Возникающие кристаллы новообразований могут иметь разную форму: пластинчатую, кубическую, гексагональную, игольчатую, сферическую. Характерно, что каждой форме присущи свои отличные от других свойства.

Четырехкальциевый алюмоферрит при гидратации обычно дает ЗСаО АI2О3 6Н2О и СаО Fe2O ЗН20. В условиях повышенной щелочности жидкой фазы возможно образование 4СаО Fe2O3 I ЗН2О. Характерно, что гидроферриты как и гидроалюминаты способны образовывать комплексные соединения с CaSO4 2H2O; CaCI2; SiO2 и др., а значит и иметь разные свойства.
 

Другое дело тобермориты, имеющие сложную структуру (5CaO6SiO2-5H2O). Гидросиликаты кальция, составляющие основу твердеющего цементного камня, типа C-S-H(I) или CSH(B) с более развитой структурой характеризуются высокой прочностью, которая обеспечивается прочными химическими связями. Эти гидросиликаты называют еще низкоосновными, так как отношение CaO/SiO2 меньше 1,5. Гидросиликаты типа C-S-H(II) или C2SH2 - высокоосновные, где отношение CaO/Si02 больше или равно 1,5.

Кристаллы низкоосновных гидросиликатов представлены в виде тонких пластинок, толщина которых около 2...3 молекулярных слоев, или 2...3-1 0~3нм, а ширина порядка 50-102 нм. Длина таких пластинок достигает от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров. Удельная поверхность пластинок колеблется от 250 до 380 м2/г. Повышение основности сопровождается изменением формы кристалла, который скручивается и образует волокно, а иногда пучки.

С точки зрения потребителя, низкоосновные гидросиликаты более предпочтительны, так как для них характерна более высокая прочность. Высокоосновные же гидросиликаты имеют меньшие прочностные показатели.

Объяснением этому может служить следующее обстоятельство. У низкоосновных гидросиликатов система насыщена элементами с более высокими ковалентными связями. Здесь присутствуют более сильные кремнекислородные анионные связи. В высокоосновных же гидросиликатах преобладают кальцийкислородные ионные связи, что приводит к снижению прочностных свойств цементного камня.

Основная масса продуктов гидратации цемента при температуре менее 100°С возникает в виде гелевидной массы, которая состоит в основном из субмикроскопических частиц, размер которых колеблется от 5 до 20 нм. Необходимо обратить внимание на то, что гелевидные частицы новообразований есть не что иное, как кристаллическая масса, но из-за высокой дисперсности она характеризуется коллоидными свойствами.

В гелевидной массе содержатся также и непрореагировавшие частицы цемента, и хорошо оформленные крупные более 500 нм кристаллы оксида кальция.

Автоклавная обработка, и особенно длительная, сопровождается резким увеличением размеров частиц новообразований. Их можно видеть даже в оптический микроскоп.

Приведенные сведения лишний раз подтверждают, что процессом образования продуктов гидратации цементного клинкера можно и нужно управлять на атомно-молекулярном уровне и получать необходимые свойства цементного камня и бетона.

Помимо рассматриваемых в статье вопросов, связанных с нанотехнологией в области производства вяжущих веществ и бетонов, сегодня начали внедряться в производство бетона различные наносистемы типа углеродных трубок, дающие неплохие результаты.

Представляют практический интерес с точки зрения нанотехнологии и такие приемы, как механохимическая активация вяжущих веществ в роторно-пульсационных и вихревых гидрокавитационных установках, дезинтеграторах и др., использование активированной воды. Подобные технологические приемы заслуживают самого пристального внимания и изучения и имеют полное право на самостоятельное существование.

Все это указывает на важность проблемы повышения качества бетона истроительства в целом. По всей вероятности, в ближайшее время мы будем свидетелями создания бетонов нового типа с новыми уникальными свойствами.

Наномир затвердевшего цемента и бетона нами изучен пока мало. Дальнейшее изучение и познание его открывает дорогу в наноэру, в которой будут господствовать качество, энергосбережение, долговечность и безопасность.

Однако следует признать, что многим фундаментально-теоретическим разработкам в области физико-химии вяжущих веществ, коллоидной химии, физико-химии дисперсных систем, выполненных на уровне нанотехнологии, в том числе и российскими учеными, у нас пока не придан прикладной характер. Сегодня практика внедрения передовых научных достижений недопустимо и неоправданно отстает от теоретических достижений в области строительного материаловедения. Это приводит к нерациональному расходованию сырья, энергоресурсов, снижению качества строительных материалов, сокращению сроков эксплуатации строительных объектов и затормаживанию темпов развития строительной отрасли.

Назрела острая необходимость исправления существующего «перекоса» путем организации изучения нанотехнологий в учебных заведениях строительного профиля и создания специализированных научно-производственных лабораторий и полигонов. Без глубоких фундаментальных и прикладных работ и знаний в этой области говорить о создании современных и прогрессивных технологий не приходится.

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка цемента и газобетона можно познакомиться в отчетах Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок цемента в России» и «Рынок газобетона автоклавного и неавтоклавного способов твердения в России

Ю.Чистов, А.Тарасов