Pobierz pełny numer IZOLACJI

Pełny numer IZOLACJI 6/2018 [PDF]

możesz pobrać BEZPŁATNIE - po prostu ZAREJESTRUJ konto w portalu

Nanocementy i nanobetony

Nanotechnologia w badaniach betonu | Nanomodyfikacja betonu
Kościół Dives In Misericordia w Rzymie / Nanocements and nanoconcretes
Kościół Dives In Misericordia w Rzymie / Nanocements and nanoconcretes
www.flickr.com

Rozwój nanotechnologii przyniósł nowe możliwości poprawy właściwości fizycznych i chemicznych betonu. Jest on także szansą na uzyskanie zupełnie nowych cech, jak transparentość, zdolność do samoregeneracji czy samooczyszczania.

Przez lata mieszanki betonowe ulepszano wyłącznie na poziomie makro. Jednym z osiągnięć było dodanie domieszek upłynniających, dzięki czemu gwałtownie zwiększona została wytrzymałość betonu (rys. 1). Doprowadziło to jednak także do redukcji wskaźnika wodno­‑cementowego do wartości minimalnej. Dalsze modyfikacje w skali makro mogą zatem skutkować wyłącznie kosmetycznymi zmianami właściwości [1–3].

Potencjalne kierunki rozwoju technologii betonu muszą być jednak, z uwagi na ideę rozwoju zrównoważonego, rozpatrywane z dużo szerszej perspektywy. A mianowicie konieczna jest ocena wpływu na środowisko procesu wytwarzania betonu oraz późniejszej budowy konstrukcji z użyciem tego materiału.

Zobacz także: Geopolimery w budownictwie

Jednym ze sposobów oceny takiego obciążenia jest określenie odpowiedniego wskaźnika (rys. 2). Podejmowane są także konkretne decyzje polityczne, dotyczące np. zaostrzania wymogów związanych z emisją dwutlenku węgla.

Nanotechnologia daje nadzieję na ponowne, radykalne, przyspieszone zwiększenie wytrzymałości, ograniczenie wpływu na środowisko procesu wytwarzania i stosowania, a także polepszenie pozostałych cech betonu.

Nanotechnologia w badaniach betonu

Powszechne stosowanie betonu w budownictwie wynika z jego szczególnych właściwości, które dodatkowo wciąż można poprawić. Ma on wysoką wytrzymałość na ściskanie, lecz towarzyszy temu znikoma wytrzymałość na rozciąganie oraz skurcz. Efektem jest powstawanie rys, które mogą obniżać trwałość materiału.

Rys. 2. Schemat przebiegu wpływu procesów wytwarzania betonu i budowy konstrukcji na środowisko  |  Fot. A. Bentur, A. Katz, S. Mindess [4]

Na właściwości mechaniczne mają wpływ oba podstawowe składniki kompozytu: zaczyn cementowy i kruszywo. O ile koncentracja naprężeń występuje w najmniej odkształcalnym kruszywie, o tyle pękanie wiązań między składnikami kompozytu, wywołane przez te naprężenia, występuje w zaczynie z powodu jego mniejszej wytrzymałości.

Rys. 1. Uogólniona krzywa rozwoju betonu  |  Fot. L. Czarnecki [1]

ABSTRAKT

W artykule omówiono wyniki badań nad poprawą właściwości betonu z wykorzystaniem nanotechnologii. Przedstawiono przykłady nanomodyfikacji prostych i złożonych. Opisano nowe właściwości nanobetonów: zdolność do naprawiania rys, samoregeneracji, przepuszczania światła i samoochrony przed działaniem szkodliwych czynników zewnętrznych.

The article discusses results of research on improving the properties of concrete using nanotechnology. Examples of simple and complex nano-modifications are presented. New properties of nanoconcretes are described, i.e. capability to repair scratches, self-regeneration, light transmittance and self-protection against harmful external factors.

O wytrzymałości i trwałości zaczynu cementowego decyduje w głównej mierze faza C-S-H (fot. 1) [5, 6].

Fot. 1. Zwarta faza C-S-H  |  Fot. W. Kurdowski, B. Trybalska [5]

 Przeprowadzone dotychczas badania wykazują, że korzystny wpływ na wytrzymałość zaczynu cementowego ma udział składników krystalicznych i koloidalnych, przy czym istotne są również ich właściwości: wielkość kryształów i ich rozproszenie, a także skład chemiczny.

Przykładem pozytywnego wpływu kryształów na wytrzymałość betonu jest występowanie ettringitu (fot. 2), który choć zwiększa porowatość zaczynu cementowego, to w wyniku krystalizacji w porach podnosi wytrzymałość materiału.

Fot. 2. Szczotka kryształów ettringitu w dwuletnim zaczynie  |  Fot. W. Kurdowski, B. Trybalska [5]

Kontrowersje budzi natomiast wpływ występowania tych kryształów na przebieg korozji siarczanowej. Powinno to stać się przyczynkiem do kontynuowania badań nad strukturą i właściwościami zaczynu cementowego w skali nano [5].

Warto zobaczyć: Współczynnik przewodzenia ciepła mieszanek mineralno-asfaltowych

Jednym ze sposobów zwiększenia jakości betonu wskutek zmiany właściwości zaczynu cementowego jest dodanie mikrokruszywa w postaci popiołów lotnych lub bardzo drobno zmielonego żużla. Pozwalają one zwiększyć zawartość fazy C-S-H. Dzięki dodatkom mikrokruszywa uzyskiwane betony mają małą porowatość kapilarną i podwyższoną odporność na działanie czynników zewnętrznych, np. na roztwory agresywne [5, 6].

Dokładniejsze poznanie amorficznej budowy fazy C-S-H może być impulsem do dalszego rozwoju technologii betonu. Kolejne badania wskazują, że świadome ingerowanie w proces hydratacji przez odpowiednie dodatki daje bardzo dobre efekty – uzyskuje się znacznie wyższą wytrzymałość, trwałość i odporność na korozję [5, 6].

Nanomodyfikacja betonu

Nanomodyfikacja może być prowadzona na dwa sposoby. Pierwszy to modyfikacja prosta, drugi – modyfikacja złożona. Modyfikacja prosta polega na jednostopniowym wprowadzaniu nanomodyfikatorów do mieszanki betonowej, modyfikacja złożona jest zaś procesem wielostopniowym [3].

Rys. 3. Zmiana wytrzymałości na ściskanie po dodaniu superplastyfikatora Gaia  |  Fot. K. Sobolev, M. Ferrada-Gutiérrez [7]

Przykładem nanomodyfikacji jednostopniowej jest modyfikacja przeprowadzona przez K. Soboleva z uniwersytetu w Meksyku. Polegała ona na dodaniu domieszki Gaia opartej na 1,3% nanokrzemionki. Otrzymano beton o mniejszej porowatości oraz trzykrotnie większej wytrzymałości na ściskanie po 24 godz. (w porównaniu z betonem świadkowym). Po 7 i 28 dniach wytrzymałość była natomiast dwukrotnie wyższa (rys. 3) [4, 7, 8, 9].

Potrzebujesz więcej TREŚCI?

Odbierz TUTAJ
IZO-newsletter »

Uzyskanie takich rezultatów związane było ze zwiększeniem udziału fazy C-S-H w zaczynie cementowym. Polepszyło to wytrzymałość wiązań między matrycą cementową a kruszywem [10]. Znaczny (40%) wzrost wytrzymałości na ściskanie betonu uzyskano także dzięki modyfikacji nanocząsteczkami krzemu (zastosowano cement CEM I 32,5 [7]).

Bardzo dobre efekty daje również modyfikacja mieszanki betonowej substancją zawierającą nanorurki.

Ciekawą analizę przeprowadzono na pianobetonie [11]. W badaniach użyto substancji o gęstości 8,6 kg/m3, która zawierała nanorurki o średnicy od 40 nm do 60 nm wypełnione miedzią i pianobeton o gęstości do 350 kg/m3. Domieszkę wprowadzono do cementu w ilości 0,05% początkowej masy. Badaniu poddano próbki sześcienne (100×100×100 mm) pianobetonu modyfikowanego i niemodyfikowanego [11]. Wyniki przedstawiono w tabeli.

Fizyczno-mechaniczne właściwości pianobetonu modyfikowanego i niemodyfikowanego

Uzyskanie tak dobrych wyników było możliwe dzięki dodatkowi domieszki z nanorurkami, które zmieniły strukturę pianobetonu. Pianobeton zmodyfikowany odznaczał się bardziej jednolitą strukturą. Różnice można zaobserwować również na fot. 3–4 [7, 8, 11].

Fot. 3–4. Struktura badanego pianobetonu: próbka bez modyfikacji (3) oraz z dodatkiem nanorurek (4)  |  Fot. G. Yakovlev, J. Kerienë, A. Gailius, I. Girnienë [11]

Podobne analizy porównawcze przeprowadzono również w odniesieniu do pianobetonu o wyższych gęstościach – 500 kg/m³. Wykazały one, że modyfikacja nanorurkami węglowymi pozwala uzyskać podobny przyrost wytrzymałości na ściskanie.

W przypadku pianobetonu o gęstości 500 kg/m³ niewzmacnianego nanorurkami wytrzymałość próbek wynosiła 0,87 MPa, natomiast pianobeton z dodatkiem nanorurek uzyskał wytrzymałość na ściskanie rzędu 1,45 MPa. Wytrzymałość wzrosła zatem 65% [11].

Modyfikowanie betonu nanorurkami ma jednak także wady. Nanorurki są wciąż bardzo drogie, a w związku z tym produkcja betonu nawet z bardzo niewielką domieszką byłaby kosztowna. Utrudnieniem jest też tendencja nanorurek do zbrylania się i ich niewielka przyczepność do stwardniałego zaczynu cementowego [2, 11].

Ponadto wciąż nie przeprowadzono wystarczająco miarodajnych badań, by można było rzetelnie ocenić trwałość i odporność takiego betonu. Zachodzi zatem konieczność dokładnego zbadania przepuszczalności, mrozoodporności, odporności na korozję, skurczu, odporności na ścieranie (zwłaszcza w odniesieniu do produkcji nawierzchni drogowych) czy ognioodporności [12, 13].

Rys. 4. Siatki grafenowe  |  Fot. L. Czarnecki [2]

Bardziej obiecujące są modyfikacje oparte na siatkach grafenowych (rys. 4). Grafeny nie tworzą bowiem aglomeratów, a metoda ich otrzymywania jest bardzo prosta i polega na zdzieraniu plastrem samoprzylepnym. Właściwości grafenu czynią go znakomitym dodatkiem do betonu ze względu na wysoką wytrzymałość mechaniczną i nieprzepuszczalność (również dla wodoru) [2].

Rys. 5. Koncepcja modyfikacji: poszukiwanie synergii  |  Fot. L. Czarnecki [2]

Nanomodyfikacja złożona przebiega w co najmniej dwóch etapach. Celem pierwszego jest uzyskanie nanokompozytu i rozprowadzenie go w mieszance betonowej. Przy tej nanomodyfikacji oczekuje się efektów synergicznych (rys. 5), związanych z łączeniem rozproszonych elementów łańcuchem polimeru.

WARTO PRZECZYTAĆ

Nanotechnologie
w budownictwie
– naśladowanie natury

Miesięcznik Izolacje 10/2013

Cel jest podobny, niezależnie od tego, czy są to płytki montmorylonitu będące źródłami reakcji pucolanowej, czy nanorurki pełniące funkcję swoistego zbrojenia rozproszonego [6].

Fot. 5. Komórki bakterii baccillius pasteurii (cbc) w strukturze betonu  |  Fot. L. Czarnecki, W. Kurdowski [14]

Zastosowanie nanorurek węglowych ma służyć uzyskaniu betonu samozagęszczalnego o ultrawysokiej wytrzymałości i trwałości. Innym interesującym nanomodyfikatorem są dodatki vivo-aktywne, np. bakterie baccillius pasteurii. Kiedy znajdują się one w rysie, wywołują wytrącanie się węglanu wapnia i likwidację powstałej wady betonu (fot. 5) [14].

Artykuł pochodzi z: miesięcznika IZOLACJE 10/2013

Komentarze

(1)
Mj | 14.06.2016, 20:38
produkt karbonatyzacji to węglan wapnIa :D
   1 / 1   

Wybrane dla Ciebie


Innowacyjny system kompozytowych wzmocnień konstrukcji »


W przypadku gdy temperatura przekroczy temperaturę zeszklenia, wówczas żywica nie jest... ZOBACZ »


Szukasz materiałów budowlanych dobrej jakości?

Dobierz najlepszy materiał izolacyjny »

Obok wiedzy na temat produktów, równie istotna jest znajomość technologii, którą... czytaj dalej » Niski poziom ochrony cieplnej generuje wysokie koszty utrzymania budynku, stanowiące duże obciążenie budżetu... czytaj dalej »


Opłacalność paneli fotowoltaicznych - najnowsze informacje i porady »

Uszczelnianie obiektów inżynieryjnych - jak to robią specjaliści?

W przyszłym roku nastąpią znaczne podwyżki cen energii elektrycznej, dlatego też warto zastanowić się nad montażem paneli fotowoltaicznych.
czytaj dalej »

Jak prawidłowo chronić ściany fundamentwe i zapewnić gwarancję żywotności obiektu? czytaj dalej »

Czym skutecznie zaizolować fundament?

Zadaniem hydroizolacji jest zablokowanie dostępu wody i wilgoci do wnętrza obiektu budowlanego. Istnieje kilka rodzajów izolacji krystalizujących, a ich znajomość ułatwia zaprojektowanie i wykonanie szczelnej budowli. czytaj dalej »

 


Uszczelnianie trudnych powierzchni! Zobacz, jak to zrobić skutecznie »


Doszczelniając przegrodę od strony wewnętrznej budynku ograniczamy przenikanie pary wodnej do warstwy izolacyjnej, natomiast... ZOBACZ »


Fakty i mity na temat szarego styropianu »

Jak zabezpieczyć rury przed stratami ciepła?

Od kilku lat rośnie popyt na styropiany szare. W Niemczech i Szwajcarii większość spr... czytaj dalej » Czym powinieneś kierować się przy wyborze odpowiedniej izolacji rur? czytaj dalej »

Jak wykonać trwałe posadzki?

Jakich technologii oraz materiałów użyć do wykonania podłóg przemysłowych, naprawy betonów lub przeprowadzenia renowacji posadzek?  czytaj dalej »


Dlaczego hydroizolacja budynków jest tak ważna?

Sprawdzony sposób na przyspieszenie ocieplenia »

W budynkach nowo wznoszonych barierę dla wody gruntowej stanowi hydroizolacja zewnętrzna ścian piwnic i izolacja pod płytą fundamentową... czytaj dalej » Jakiego produktu użyć, by aplikacja była łatwa, efektywność większa, a tempo pracy ekspresowe? czytaj dalej »

Jak mocować elewacje wentylowane?


Jak w realnych warunkach zachowują się różne systemy mocowań elewacji wentylowanych? ZOBACZ »


Zgarnij bony o wartości 100zł. Zobacz jak »

Jak dobrać posadzkę do obiektu?

3 kroki do Super CashBack
czytaj dalej »

Wybierz posadzkę, która będzie funkcjonalna i łatwa w czyszczeniu... czytaj dalej »

Najlepszy system stropowy?


Betonowe stropy można produkować na różne sposoby – z betonu przygotowanego na placu budowy lub w fabryce, gdzie panują kutemu optymalne warunki. ZOBACZ »


prof. dr hab. eur. inż. Tomasz Z. Błaszczyński
prof. dr hab. eur. inż. Tomasz Z. Błaszczyński
Ukończył Politechnikę Poznańską z wyróżnieniem. W 1989 r. otrzymał stopień dr. nauk technicznych, a w 2009 r. dr. hab. nauk technicznych w dziedzinie budownictwo. Od 2012 r. jest profesorem nadzwyc... więcej »
mgr inż. Błażej Gwozdowski
mgr inż. Błażej Gwozdowski
Ukończył Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Politechniki Poznańskiej, specjalność konstrukcje budowlane. Jest asystentem Zakładu Budownictwa w Instytucie Konstrukcji Budowlanych WBiIŚ PP ... więcej »
Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników portalu Izolacje.com.pl... dowiedz się więcej »
Alpha Dam Alpha Dam
O FIRMIE Alpha Dam Sp. z o.o. produkuje od ponad 10 lat profesjonalne materiały wodochronne i przeciwwilgociowe dla budownictwa.  Do 2008...
9/2019

Aktualny numer:

Izolacje 9/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Nowoczesne rozwiązania elewacyjne
  • - Jakość wykonania izolacji z szarego styropianu
Zobacz szczegóły
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl

.