W tym roku Nagrodę Nobla z fizyki otrzymali Andre Geim i Konstantin Novoselov (Nowosiełow) za odkrycie grafenu – nowej postaci węgla. Grafen ma niezwykłe własności: wielką elastyczność i wytrzymałość, a także możliwość przeobrażania z bardzo dobrego przewodnika w doskonały izolator. Właściwości grafenu powodują m.in., że coraz częściej rozważa się zastosowanie tego materiału do konstrukcji nowej generacji komputerów. Także budownictwo wiąże nadzieje z wykorzystaniem grafenów.
Czy nanotechnologia w odniesieniu do budownictwa może stać się szansą rozwoju dziedziny? Pytanie to nadal jest aktualne, mimo że w 2005 r. międzynarodowe grono ekspertów sklasyfikowało budownictwo na ósmej pozycji beneficjentów rozwoju nanotechnologii do 2015 r. Istnieje kilka przyczyn takiego stanu rzeczy, m.in. specyfika budownictwa, które najczęściej adaptuje rozwiązania z innych dziedzin, wielkie rozproszenie firm budowlanych, wysoki koszt nanotechnologii (długi okres zwrotu) w zestawieniu ze stosunkowo niewielką stopą zysku i w konsekwencji niewielkimi środkami na badania i rozwój, a także brak przekonującej i całościowej wizji wykorzystania skutków wprowadzenia nano w budownictwie, brak odpowiednio przygotowanych specjalistów, obawy o wpływie nano na trwałość obiektów, zdrowie wykonawców i użytkowników oraz na środowisko. W tej sytuacji postęp w wielkim stopniu zależy od dostępu do informacji i efektywnego przekazywania wiedzy. Obecnie za największego beneficjenta rozwoju nanotechnologii uznawane są dziedziny gospodarki związane z wytwarzaniem, przetwarzaniem i magazynowaniem energii.
Rys. 1. Nanocząstki, klasyfikacja wymiarowa : 0-D, 1-D, 2-D, 3-D [20, 21, 22]
Nanotechnologia w szerokim rozumieniu oznacza obszar nauki i technologii odnoszącej się do elementów o wymiarze poniżej 100 nm (100?10-9 m; w zagadnieniach budowlanych przyjmuje się również poniżej 200 nm) i towarzyszących im nanooddziaływań (zjawisk).
Nanocząstki, nanokompozyty – metody nanotechnologii
Nanokompozyty to takie materiały kompozytowe, w których budowie występują elementy (istotne w kontekście ich właściwości) o wymiarach poniżej 100 nm (w niektórych przypadkach 200 nm). Mogą one zawierać manometryczne cząstki/ziarna, włókna i siatki (rys. 1).
Nanocząstki zasadniczo mogą być otrzymane dwiema metodami:
a) budowane od podstaw – „bottom up” – atom – po – atomie (proces ten może być kontynuowany aż do osiągnięcia odpowiednich nanostruktur). Może się to odbywać metodami chemicznymi (np. polimeryzacja) lub metodami kontrolowanego osadzania i wzrostu, np. osadzania z fazy gazowej, osadzania elektronicznego lub koloidalnego;
b) metodą „top down” – rozdrabnianie istniejących materiałów.
Nanocząstki mogą być następnie wykorzystywane jako nanomodyfikatory kompozytów.
Rys. 2. Powierzchnia właściwa kruszywa w zależności od czasu. Linia ciągła to krzywa rozwoju betonu – jakość betonu reprezentowana przez wytrzymałość na ściskanie fc
A – powierzchnia właściwa kruszywa, OC – beton zwykły, HSC – beton wysokiej wytrzymałości, HPC – beton wysokiej użyteczności, N-C – nanobeton
Według: K. Sobolev, M.F. Gutierrez, How Nanotechnology Can Change the Concrete World, American Ceramic Society Bulletin, 2005.
Nanobeton
Od dawna problemy inżynierskie – związanie nie tylko z betonem – rozpatruje się i obserwuje na poziomie makro (m, mm). Jednak uzasadnienia problemów (a ostatnio coraz częściej i rozwiązania) poszukuje się na poziomie mikro (poniżej 1000?10-9 m), a jeśli to okazuje się niewystarczające, na poziomie nano (100?10-9 m). Dotychczasowy rozwój technologii betonu pokazuje, że równocześnie ze zmniejszaniem wskaźnika wodno-cementowego, dzięki stosowaniu różnych upłynniaczy, następuje interwencja technologiczna na coraz „subtelniejszym” poziomie. Redukcja wskaźnika wodno-cementowego, jako mechanizmu napędzającego wzrost wytrzymałości betonu, napotkała naturalny kres wynikający z ilości wody koniecznej do hydratacji cementu.
Minimalna wielkość ziaren kruszywa wynosi odpowiednio:
piasek – 1 500 000 nm,
mączka kwarcowa – 30 000 nm,
pył krzemionkowy – 150 nm,
krzemionka strąceniowa – 50 nm,
nanokrzemionka – 5 nm.
Wielkość ta wyznacza obecnie zakres pozyskiwania różnych odmian betonu: beton zwykły, betony wysokiej wytrzymałości, nanobetony (rys. 3). Dalszy postęp z wykorzystaniem nanotechnologii można przewidywać na drodze nanomodyfikacji prostej z zastosowaniem nanomodyfikatorów nowej generacji; nanomodyfikacji złożonej i nanomonitoringu rozmieszczenia polimeru w betonach polimerowo-cementowych.
Rys. 3. Grafeny jako kolebka fulerenów
Według: A.K. Geim, K.S. Novoselov, The rise of grapheme, Manchester Centre for Mesoscience and Nanotechnology, University of Manchester, 2007.
Są czynione próby zbrojenia betonu nanorurkami. Zważywszy, że wytrzymałość nanorurek na rozciąganie jest około 500 razy, a moduł sprężystości 20 razy większy od stali, byłyby możliwe wysoce efektywne rozwiązania. Już niewielka ilość nanomodyfikatora powinna się okazać bardzo atrakcyjna. Jednak są co najmniej dwie trudności: nanorurki mają tendencję do zbrylania i wykazują małą przyczepność do stwardniałego zaczynu cementowego; barierę stanowi również wysoka cena, nawet do 200 euro za 1 g. Bardziej obiecujące wydają się siatki grafenowe (rys. 2). Grafeny w przeciwieństwie do nanorurek nie tworzą aglomeratów (nie koagulują). Można oczekiwać, że będą znacznie tańsze od nanorurek ze względu na prostą metodę otrzymywania – „zdzieranie plastrem samoprzylepnym”. Grafen odznacza się wysoką wytrzymałością mechaniczną i nieprzepuszczalnością, nanosiatka grafenowa jest szczelna również dla atomów wodoru.
Nanomodyfikacja złożona jest co najmniej dwustopniowa. W pierwszym etapie otrzymuje się koncentrat nanokompozytu, który następnie rozprowadza się w mieszance betonowej. Przez połączenie łańcuchem polimeru rozproszonych nanoelementów oczekuje się korzystnych efektów synergistycznych (rys. 4). W wielu laboratoriach prowadzone są zaawansowane badania, których wyniki można określić jako interesujące.
W polimerobetonach polimer jest najdroższym składnikiem, nadaje to szczególny sens nanomonitoringowi rozmieszczenia polimeru. Polimer wprowadzony w sposób tradycyjny do mieszanki betonowej mostkuje potencjalne rysy na poziomie mikrometrycznym. Wprowadzenie około 10% masowego polimeru w stosunku do cementu daje kilkukrotny wzrost wytrzymałości na rozciąganie. Zastosowanie polimerów wodorozcieńczalnych powoduje zwielokrotnienie efektu. W rezultacie dziesięciokrotnie mniejsza zawartość polimeru pozwala uzyskać o 50% zwiększoną wytrzymałość na rozciąganie. Podobne efekty można uzyskać, stosując polimery w postaci proszków redyspergowalnych.
Umieszczenie materiału naprawczego we właściwym miejscu, tj. tam gdzie wystąpiło uszkodzenie, jest jednym z podstawowych problemów, jakie trzeba rozwiązać w trakcie naprawy elementu betonowego. Koncepcja samonaprawialności polega na umieszczeniu materiału naprawczego wewnątrz betonu, zanim nastąpi uszkodzenie, tzn. podczas wytwarzania mieszanki betonowej. Kiedy naprężenia w betonie przekraczają założony poziom, następuje aktywacja materiału naprawczego. Materiał naprawczy – zwykle żywica utwardzalna – może być umieszczony w mieszance betonowej w specjalnych minikapsułkach. Rozważano umieszczanie środka naprawczego w kruchych włóknach, które są dodawane do mieszanki betonowej jako składnik zbrojenia rozproszonego. W celu nadania betonowi samonaprawialności może być także wykorzystane mikrobiologicznie indukowane wytrącanie minerałów, zwłaszcza kalcytu.
Uczony japoński Y. Ohama zaproponował koncepcję betonu samonaprawialnego z samoczynnie utworzonymi mikrokapsułkami z żywicą epoksydową do samoiniekcji rys powstałych przy przeciążeniu elementu. W pewnych warunkach możliwe jest sieciowanie żywicy bez udziału utwardzacza, jedynie pod wpływem czynnika katalitycznego; funkcję tę może spełniać obecny w zaczynie cementowym wodorotlenek wapnia. Wstępne badania potwierdziły taką możliwość.
Nanoinżynieria pozwala ująć problemy inżynierskie w sposób ciągły od nano- do makroskali i uzasadnia właściwości techniczne materiałów, odwołując się do ich mikro (nano) struktury.Nanotechnologia, a zwłaszcza nanomodyfikacja umożliwia dalszy rozwój technologii betonu.
Rys. 4. Koncepcja modyfikacji – poszukiwanie synergii
Podsumowanie
Hasło „nanotechnologia w budownictwie” budzi optymizm, ale również uzasadniony sceptycyzm. Należy zwrócić uwagę, że nanotechnologia nie zawsze spotyka się z akceptacją społeczną. Istnieje spory ruch Say No to Nanotech. Nadal brak jest rozstrzygającej odpowiedzi na wątpliwości związane z oddziaływaniem nano na zdrowie człowieka i na środowisko. Jest to jeden z najważniejszych, jeśli nie najważniejszy kierunek badań warunkujących dalszy rozwój.
prof. Lech Czarnecki
Politechnika Warszawska i Instytut Techniki Budowlanej
Literatura
1. L. Czarnecki, Nanotechnologia – wyzwaniem inżynierii materiałów budowlanych, „Inżynieria i Budownictwo” nr 9/2006, s. 465–469.
2. European Nanotechnology Gateway – Nanoforum Report: Nanotechnology and Construction. nanoforum.org, 2006.
3. K.J. Kurzydłowski, Perspektywy rozwoju nanomateriałów konstrukcyjnych, wykład z okazji przyznania tytułu doktora honoris causa Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów, 2009.
4. L. Czarnecki, Chemia budowlana w praktyce, „Materiały Budowlane” nr 2/2010, s. 1–3.
5. L. Czarnecki, H. Schorn, Nanomonitoring of Polymer-Cement Concrete Microstructure, „International Journal of Restoration of Buildings and Monuments” nr 3/2007, s. 141–152.
6. L. Czarnecki, Czy nanotechnologia to przyszłość betonu?, „Materiały Budowlane” nr 11/2007, s. 4–5.
7. Ł. Kotwica, Wpływ redyspergowalnych proszków polimerowych na proces hydratacji wybranych minerałów klinkierowych cementu, rozprawa doktorska, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków, 2009.
8. Dry C.M., US Patent No.19900540191 – Self-Repairing, Reinforced Matrix Materials.
9. V. Ramakrishnan, K. Ramesh, S. Bang, Bacterial concrete, SPIE Conference, 2000, Vol. 4234, s. 168–176.
10. P. Łukowski, G. Adamczewski, Samonaprawa kompozytu epoksydowo-cementowego; ocena możliwości, „Przegląd Budowlany” nr 6/2010, s. 56–59.
11. E. Bakker, Nanotechnology and human health in the construction industry, Report to the short intership in industry performed at IV AM BV Amsterdam as part of larger curriculum for the degree of MSC, NanoScience, Amsterdam, 2008.
Artykuł został opracowany na podstawie referatu przygotowanego na 56. Konferencję Naukową KILiW PAN oraz KN PZITB (Krynica 2010 r.). Referat powstał w ramach realizacji pracy statutowej Wydziału Inżynierii Lądowej Politechniki Warszawskiej. Autor dziękuje Pani mgr inż. Joannie J. Sokołowskiej za pomoc w wyborze i przygotowaniu ilustracji.
