НАНОТЕХНОЛОГИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ СИЛИКАТНОГО КИРПИЧА

УДК 666.965:541.182:661

В.А. ВОЙТОВИЧ, канд. техн. наук, зам. генерального директора, Нижегородский региональный центр наноиндустрии; И.Н. ХРЯПЧЕНКОВА, А.А. ЯВОРСКИЙ, кандидаты техн. наук, Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет

Нанотехнологии в производстве силикатного кирпича

Нанотехнологии (НТ) в настоящее время стремятся во все сферы народного хозяйства. В производстве строительных материалов уже известны нанобетоны с прочностью 150 МПа, наноарматура для них, нанокраски, покрытия из которых не загрязняются и др.

Однако применение НТ в производстве силикатного кирпича (СК) авторам пока неизвестно, хотя, казалось бы, все необходимые для этого теоретические обоснования и опытные заделы имеются.

Перед изложением конкретной информации напомним, что НТ — это в самом общем смысле — получение и использование наноструктур (НС) — объектов, у которых хотя бы один из размеров в любом направлении имеет величину от 1 до 100 нм. Эти тела называют нано-размерными. К НС относят:

— наночастицы (НЧ) — тела, имеющие наноразмеры во всех направлениях;

— нанотрубки (НТР) — цилиндры с наноразмерным диаметром и намного большей длиной;

— нанопленки (НП) — свободные пленки, у которых наноразмерна только толщина;

— нанопокрытия (НПК) — пленки, зафиксированные на подложке, у которых наноразмерна только толщина;

— наносуспензии (НС) — взвеси твердых НЧ в жидкости;

— наноэмульсии (НЭ) — взвеси жидких НЧ в жидкости, в которой они нерастворимы;

Сравнение поглощения воды мас.%) во времени (^ мин) исходными (1) и гидрофобизированными (2-4) образцами кирпича. Гидрофобиза-торы: 2 - 10% раствор ГКЖ-10; 3 - эмульсия ГКЖ-136-41 (3-5%); 4 - раствор «Пропитки ГолдТар» (4-10%)

— нанокластер (НК) — НЧ упорядоченного строения

размером до 5 нм, содержащая до 1000 атомов.

Обычно НК образуют атомы металлов.

Опираясь на эти определения, назовем силикатным нанокирпичом (СНК) такой материал, для изготовления которого в сырьевую смесь был добавлен один из видов НС.

Наиболее «яркой» НС, которая в настоящее время в наибольших количествах используется при производстве строительных материалов, является микрокремнезем (МК) — вещество, образующееся как побочный продукт при выплавке ферросилиция и элементного кремния. В МК есть заметное количество НЧ, хотя в основном этот продукт состоит из частиц, размер которых лежит в коллоидном диапазоне 10-5—10-7 м.

Уникальным свойством МК является аморфное строение его частиц и избыток свободной поверхностной энергии. Эти особенности предопределяют возможность протекания реакции между ним и известью при температуре ниже 100оС, то есть синтеза силикатов кальция не в автоклаве, а при обычном давлении [1].

Еще большей активностью по отношению к извести обладает кремнезоль [2]. Это вещество представляет собой водный коллоидный раствор диоксида кремния (ДК). Другими словами, это взвесь в воде частиц ДК, размер которых, так же как и у МК, лежит в основном в интервале 10-5—10-7 м. Однако в кремнезоле есть и НЧ, причем доля их больше, чем в МК.

В настоящее время авторы не встретили публикаций, посвященных влиянию МК и кремнезоля на характеристики СК. Однако, опираясь на информацию [3, 4], описывающую влияние этих нановеществ на бетоны, приготовленные на портландцементе, можно утверждать, что на свойства СК они будут действовать положительно.

И МК, и кремнезоль в настоящее время стали доступными веществами, но их стоимость в десятки раз превышает стоимость кварцевого песка, поэтому заменять ими этот компонент СК было бы абсурдным. Однако добавление этих НЧ в количестве 1—2% от массы извести было бы экономически выгодным из-за экономии тепловой энергии (уменьшения времени выдерживания сырца в автоклаве), повышения прочности СК.

Необычным способом возможного повышения прочности, пока недоказанным экспериментально на СК, но убедительно продемонстрированным в работе [5] на портландцементных материалах, является использование в его технологии воды, активированной фуллеренами или фуллереноподобными веществами [6]. Вода, ставшая в результате контакта с этими веществами более реакционноспособной, получила название структурированной.

По Воейкову В.Л., известному исследователю воды, структурированная вода — это нечто вроде взвеси в обычной воде частиц воды, организованных в кластеры,

www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал

"~60 февраль 2010

обладающих большей энергией, чем матричная вода. Они приобретают эту энергию, поглощая световые кванты [6].

Возникает вопрос: почему кластеры образуются лишь в воде, находящейся в контакте с НЧ фуллеренов и фуллероидов?

Исследования в области технологии портландце-ментных бетонов показывают, что введение в цементные смеси фуллеренов и фуллероидов, причем в очень малых (0,001%) от массы цемента количествах, оказывается действенным и повышает прочность бетона на десятки процентов, а в некоторых случаях и в разы. Даже если на каждую частицу вяжущего и «сядет» одна НЧ модификатора, то все равно непонятно, как одно твердое тело (частица модификатора) оказывает активирующее влияние при точечном контакте на другое твердое тело (частицу вяжущего).

Нам представляется, что наиболее обоснованным предположением о механизме воздействия фуллеренов и им подобных веществ на вяжущие может быть гипотеза, согласно которой НЧ воздействуют на воду, превращая ее в более активный по отношению к вяжущему реагент. Наверное, рассматривая возможность использования в технологии СК воды, активированной столь экзотичным способом, следует вспомнить и об активации воды в магнитном поле. Этот способ когда-то активно пропагандировали для изготовления изделий на основе портландцемента, но к настоящему времени интерес к нему угас.

По мнению авторов, причинами этого явились невоспроизводимость результатов и необходимость (в то время) использования электромагнитов — потребителей все дорожавшей электроэнергии, а также потребность в квалифицированном обслуживании этих аппаратов. К настоящему времени причина невоспроизводимости выявлена, а на смену электромагнитам пришли суперсильные постоянные магниты, не требующие обслуживания. Так что наступила пора на новом технологическом уровне вернуться к омагничиванию воды для цементных смесей, и можно теоретически предположить, что и в технологии СК омагниченная вода окажется эффективной.

В работе [7] предложен еще один способ структурирования воды, позволивший в 1,5 раза повысить прочность пенобетона на портландцементе. Можно не сомневаться, что этот способ будет эффективным и для повышения прочности СК.

Ахиллесова пята СК — высокая гидрофильность. Наряду с заметной пористостью это приводит к поглощению больших количеств воды как из-за увлажнения атмосферными осадками, так и вследствие капиллярного подсоса из грунта. Интенсивность увлажнения возрастает у СК колотого (СКК), лицевая поверхность которого более развита и быстрее загрязняется.

Для устранения этих нежелательных явлений было предложено гидрофобизирование лицевой поверхности СКК кремнийорганическими веществами, способными образовывать на поверхности твердых тел покрытия, отталкивающие жидкую воду, но пропускающие ее пары и воздух. Благодаря такому свойству кирпичная стена остается паро-, воздухопроницаемой.

Первыми гидрофобизаторами, нашедшими применение в строительной практике еще в советские времена, были гидрофобизирующие жидкости марок ГКЖ-10 и ГКЖ-11. С недавних пор вместо них в России производят лишь жидкость ГКЖ-11н. Первым предприятием, которое около трех лет назад начало применять ее для гидро-фобизирования колотой поверхности СК, было ООО «Силикатстрой» (г. Дзержинск Нижегородской области).

В настоящее время более эффективным, хотя и более дорогим гидрофобизатором является «Софэксил-40», представляющий собой водный раствор метилсиликоната калия (ГКЖ-11н — водный раствор метилсиликоната натрия). Этот гидрофобизатор позволяет не только придавать кирпичу водоотталкивающие свойства, но и предотвращать появление высолов на его поверхности, что необходимо для окрашенного кирпича (в то время как ГКЖ-11н лишь снижает интенсивность образования высолов).

Еще более эффективным гидрофобизатором является водоотталкивающая «Пропитка «ГолдТар», представляющая собой эмульсию силиконовых НЧ в воде. Этот состав наряду с гидрофобизированием и предотвращением высолов защищает обработанные им материалы от биоразрушения.

Сравнительная эффективность «Пропитки «ГолдТар» и ранее употребляемых гидрофобизирующих препаратов показана на рисунке [9]. Как видно из графиков, водоотталкивающая «Пропитка «ГолдТар» придает наибольшее сопротивление капилляров камня проникновению влаги.

Гидрофобизаторы, представляющие собой водные системы, имеют ограничения по условиям применения. Их использование возможно только при положительной температуре, причем такая температура должна быть не только у воздуха, но и у обрабатываемого материала, и не только в момент нанесения, но и в течение 3—5 сут после нанесения. Этих недостатков лишены гидрофобизаторы, представляющие собой растворы в органических растворителях, использование которых возможно и на холоде. Одним из них является «Софэксил-Люкс-Защита-М», представляющий собой раствор смеси силанов и силоксанов в органических растворителях.

В целом активизация исследований в данном направлении должна представлять значительный практический интерес как для производителей силикатного кирпича, так и для строителей.

Список литературы

■f: ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru

Ы - в февраль 2010 61