Романтика бетона

Юрий Михайлович, зачем в МГСУ появился нанотехнологический НОЦ, какие он будет решать задачи?

Нанотехнологиями в строительстве в нашем университете мы занимаемся, собственно, давно, причем по самым разным направлениям. Центр образовался не в безвоздушном пространстве, он базируется на кафедрах, на научно-испытательном центре коллективного пользования, на фундаментальных исследованиях, которые мы проводим уже много лет. Его главные задачи– координирование и организация научно-исследовательских работ по нанотехнологиям и наноматериалам в области строительства по всей стране. Это создание общедоступной материально-технической базы коллективного пользования для проведения научных исследований, формирование открытой научно-образовательной сети в области строительства. Мы готовы обеспечить информацией ученых, преподавателей и студентов, а также все заинтересованные предприятия и организации, дать им возможность обмениваться информацией, выступать на конференциях, мастер-классах и круглых столах.

В задачи Центра входит выполнение не только научных и образовательных задач, но исследования, инженерно-техническая деятельность. Для этого мы привлекаем ведущих ученых и специалистов из российских и зарубежных организаций, в том числе на федеральном и региональном уровнях. В ближайшее время, например, мы организуем мастер-класс по высокопрочным и ультравысокопрочным бетонам, который проведет профессор Дрезденского технического университета Виктор Мещерин.

Мы издаем книги и статьи по теме, сотрудничаем с Российской академией архитектуры и строительных наук (РААСН), при Центре создан научный совет «Нанотехнологии в строительстве» академии и нашего университета. Достаточно сказать, что в планах академии в 2009году стоит восемь нанотехнологических тем, которые выполняются в различных регионах. В марте в Белгороде стартуют академические чтения РААСН по проблемам применения нанотехнологий в строительном материаловедении. В апреле в Казани с участием МГСУ проводятся XIV академические чтения по строительному материаловедению, где будут рассматриваться вопросы модернизации строительной индустрии, в том числе с помощью нанотехнологий.

Кроме того, в НОЦ готовят специальные курсы и практикумы по фундаментальной, прикладной и инженерной науке для подготовки студентов, магистров и аспирантов.

Исследовательская деятельность и конструкторские разработки в данной области невозможны без участия как специалистов узкого профиля из строительной науки, так и профессионалов с широким кругозором и знаниями из области математики, физики и механики, химии и материаловедения, компьютерных наук. Каких специалистов вы привлекаете для работы вНОЦ?

Действительно, мы активно развиваем межвузовское научно-образовательное сотрудничество в рамках Ассоциации строительных вузов, а также других технических и классических университетов. НОЦ координирует работу в этой области примерно десяти университетов только строительного профиля, а также подразделений университетов, которые занимаются нанотехнологиями или, во всяком случае, их применением.

Собственных сотрудников у Центра практически нет, к работе мы привлекаем специалистов узкого и широкого профиля из МГСУ и других вузов, в том числе региональных, которые входят в Совет НОЦ. Как правило, это академики, которые приезжают к нам и дают мастер-классы.

На каком оборудовании работают студенты?

У нас давно работает своя мощная исследовательская, испытательная лаборатория, которую мы стараемся насыщать разными приборами. Раньше под это выделяли финансирование, которое, к сожалению, прекратилось.

Студенты и аспиранты изучают нанотехнологии с помощью сканирующего электронного микроскопа, дифрактометров, приборов, работающих в разных диапазонах, анализатора частиц и других.

На базе НОЦ, на современных суперкомпьютерах они будут моделировать процессы, исследовать и прогнозировать структуры и свойства стройматериалов. Если мы раньше, например, для изготовления бетона просто смешивали составные части, то теперь надо заранее рассчитать процессы с помощью компьютеров, нужны сложные приборы для наблюдений. Поэтому мы активно развиваем направление компьютерного проектирования материалов. Немецкие коллеги предложили нам открыть совместный научно-образовательный институт по материалам.

По каким программам учатся студенты? Получат ли они дипломы нанотехнологов?

Мы разработали учебно-методический комплект по дисциплине «Основы нанотехнологий в строительстве». Несколько кафедр из МГСУ и других институтов создали программы по специализациям «Технология строительных наноматериалов» для специальности 270106и «Безопасность строительных объектов наноиндустрии» для специальности 270102.

Проблема в том, что о возможностях, которые сулит использование нанотехнологий, мало что знают сами строители. Поэтому так важны подготовка и переподготовка кадров, повышение их уровня, внедрение новых компонентов в учебный процесс. На Строительно-технологическом факультете МГСУ мы ввели специализацию по наноматериалам и нанотехнологиям в строительстве, по которой будем готовить специалистов. Их ждут на предприятиях, заводах и в строительных организациях, где начнут применять новые технологии. Во-вторых, ВАК ввел научную специальность по отраслям «Наноматериалы и нанотехнологии», куда входит и строительство. Мы создали паспорт специальности применительно к строительству и начинаем разрабатывать программы для научных кадров по этой специальности. Мы сталкиваемся с некоторыми сложностями, потому что раньше у нас не было специалистов, которые бы занимались этими направлениями. Конечно, хотелось бы иметь отдельную специальность «Наноматериалы и нанотехнологии в строительстве», и мы сейчас обсуждаем этот вопрос.

В дипломах студентов будут перечислены дисциплины по нанотехнологиям. Хотя у нас есть аспиранты, изучающие данную тематику, защит не было, так как нет совета и целенаправленной аспирантуры по наноматериалам в строительстве. Как нет и профессоров и докторов наук по этому направлению в стране.

Насколько востребованы выпускники, прослушавшие ваши новыекурсы?

Работодателям сегодня нужны хорошо подготовленные специалисты. Но что такое строительное материаловедение? Это многоотраслевое направление. И мы всегда готовили молодых специалистов по разным направлениям. Один выпускник специализируется на цементах, второй занимается бетонами, третий— полимерами, четвертый идет на теплоизоляцию. Раньше, когда студенты заканчивали изучать общие дисциплины, мы их готовили по выбранному узкому направлению, которое они должны были знать лучше всех. Такие специалисты были крайне востребованы. И сейчас у нас есть магистры и аспиранты, которые работают в области строительных нанотехнологий, по проблемам пропитки бетонов, по вопросам новых нанодобавок для бетонов. Но разделение на бакалавриат и магистратуру разрушает созданную годами систему. Если раньше мы выдавали дипломы инженеров, строителей-технологов, специалистов по промышленно-гражданскому строительству, то сегодня это дипломы бакалавров строительства. Вероятно, это допустимо для гуманитариев, но в области строительства нужны хорошо подготовленные специалисты, ведь в ней крайне важна техника безопасности, и будущие дома не должны разваливаться и взрываться…

В чем особенность применения нанотехнологий в строительстве?

С одной стороны, нанотехнологии в строительстве существовали давно, просто об этом не говорили и особенно не использовали, с другой стороны, не было технических возможностей для глубокого изучения процессов, которые происходят на наноуровне, для получения и применения каких-то материалов. Когда мы говорим о нанотехнологиях в строительстве, это не означает, что мы изготавливаем плиту целиком из наночастиц. У нас в строительстве широко используются строительные композиты, мы их называем бетонами гидратационного твердения. Вяжущее вещество смешивается с водой и добавками и постепенно твердеет. Полученная структура в процессе физико-химических воздействий изменяется, упрочняется, преобразуется, то есть ведет себя почти как живой организм. Одновременно идут процессы ее улучшения, но могут идти и, наоборот, процессы разрушения. Здесь важную роль начинают играть наноматериалы. Почему? Потому что большинство процессов происходит по поверхности твердых фаз– заполнителей, цементов, а на поверхностные явления наноматериалы могут оказывать значительное влияние. Добавив немного специально приготовленных наноматериалов, мы получаем композиты с другими свойствами ? с повышенной долговечностью, морозостойкостью, прочностью. Ученые сегодня разрабатывают разные структуры таких добавок, которые позволяют подбирать нужные свойства бетонов. В частности, в сооружениях в Санкт-Петербурге строители использовали пластификаторы с фуллеренами в бетоне, за счет чего повысили эффективность добавок. Выпускают нанокремнеземы и наносиликаты. Без таких добавок сегодня не получить бетоны ультравысокой прочности.

За последние годы мы значительно продвинулись в этом направлении. Пятьдесят лет назад лучшая марка бетонов имела прочность около 50МПа. Сегодня мы используем в строительстве более прочные бетоны, например, Москва-Сити строили из бетона с прочностью около 100МПа, но с обычными добавками. Когда мы начинаем применять нанодобавки, то прочность бетонов вырастает до 200МПа, а у специальных композитов– до 850МПа, судя по лабораторным данным. Порошковые бетоны с наноэлементами намного прочнее стали. За рубежом уже продают такие смеси с прочностью в 250–300 МПа. Зачем же нам такие прочные бетоны? С их помощью мы сможем заменить наши громоздкие железобетонные конструкции на очень тонкие и даже ажурные, создать новые формы сооружений, снизить вес и уменьшить материалоемкость конструкций. Я думаю, что следующие поколения конструкций будут гибридного типа, когда в одном материале содержатся разные вещества ? металл, бетон, полимеры с различными нанодобавками.

Давайте представим, как выглядит наш цементный камень с наноразмерными элементами. Так называемый цементный гель имеет размеры 5–8 нм, в процессе твердения его структура укрупняется, но появляются более крупные кристаллы. Поэтому в технологии важны методы активации материала, особенно на первой стадии. Надо постараться сохранить в структуре наноразмерные элементы, увеличить их количество– что улучшает свойства материалов. Активация наноэлементов помогает более эффективно управлять процессом создания материалов и конструкций.

Бетон– капиллярно-пористый материал. В его поры попадает вода и другие агрессивные вещества, что снижает его долговечность. Поэтому еще одно из направлений, которыми мы занимаемся,– пропитка бетонов. Его пористую структуру мы заполняем другим материалом, например полимером, и получаем практически непроницаемый бетон с высокой морозостойкостью. При этом образуются фибры наноразмеров, которые резко повышают прочность бетона. И если бетон до пропитки обладал прочностью в 20МПа, то после пропитки ? 200МПа.

Такая обработка, кроме того, защищает материал от агрессивного воздействия, позволяет получать большую гамму новых высокоэффективных материалов: электротехнических, декоративных и специальных бетонов и композитов.

У нас производят такие бетоны?

В ограниченных количествах.

Наши строители используют отечественные разработки, о которых Вы рассказали?

На практике, к сожалению, нам приходится догонять зарубежных коллег, правда, не в теории. Зарубежные коллеги часто используют наши разработки и у себя их внедряют– в Германии, Японии,США.

Насколько использование нанотехнологий удорожает процесс строительства?

Напротив, даже удешевляет, потому что резко снижается его материалоемкость. Мы применяем более прочные материалы и можем уменьшить сечение конструкций, снизить объемы материалов.

Почему нас прельщают наноматериалы? Потому что мы их используем как добавки в небольших количествах. Их не надо производить сотнями тонн, как цемент, щебень. Материалов мало, денег не так много, а результат удивительный. Поэтому нам очень интересно заниматься такими веществами.

• Включен в перечень инвестиционных объектов в рамках федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2010годы».

Ольга Баклицкая

http://www.nanonewsnet.ru/

фото: http://www.nanonewsnet.ru/