Бетонная наука

Недавно на базе кафедр Московского государственного строительного университета (МГСУ) сформировали Научно-образовательный центр (НОЦ) по нанотехнологиям. Корреспондент STRF.ru побеседовал с его научным руководителем Юрием Баженовым.

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

— Нанотехнологиями в строительстве в нашем университете мы занимаемся, собственно, давно, причём 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 сфере строительства. Мы готовы обеспечить необходимыми данными учёных, 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 не только выполнение научных и образовательных задач, но и исследования, инженерно-техническая деятельность. Для этого мы привлекаем ведущих учёных и специалистов из российских и зарубежных организаций — на федеральном и региональном уровнях. Например, в ближайшее время мы организуем мастер-класс по высокопрочным и ультравысокопрочным бетонам, который проведёт профессор Дрезденского технического университета Виктор Мещерин. Мы издаём книги, пишем статьи, сотрудничаем с Российской академией архитектуры и строительных наук (РААСН), при центре создан научный совет академии и нашего университета «Нанотехнологии в строительстве». Достаточно сказать, что в планах академии в 2009 году стоит восемь нанотехнологических проектных тем, которые выполняются в различных регионах. В марте в Белгороде устраивают 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 сфере 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 в НОЦ?

— 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 вузов 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 существует 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 компьютерах они будут моделировать процессы, исследовать структуры и свойства стройматериалов. Например, если раньше для изготовления бетона мы просто смешивали составные части, то теперь надо заранее рассчитать процессы с помощью компьютера, 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 270106 и «Безопасность строительных объектов наноиндустрии» для специальности 270102.

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. Кроме того, ВАК ввела 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 этому направлению.

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 данному направлению в стране.

Насколько востребованы выпускники этих новых курсов?

— Работодателям сегодня нужны хорошо подготовленные профессионалы. 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, четвёртый идёт 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, вопросам новых нанодобавок для бетонов.

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 — будущие дома не должны разваливаться и взрываться...

В чём особенность применения нанотехнологий в строительстве?

— С одной стороны, нанотехнологии в этой области существовали давно, просто об этом не говорили и особенно их 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.

В этой сфере 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 ведёт себя почти как живой организм. Одновременно идут процессы по её улучшению, но может, напротив, происходить и разрушение. Здесь важную роль начинают играть наноматериалы. Почему? Потому что большинство процессов происходит по поверхности твёрдых 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. Учёные сегодня разрабатывают разные структуры таких добавок, которые позволяют подбирать нужные свойства бетонов. В частности, в возведении зданий в Санкт-Петербурге строители использовали пластификаторы с фуллеренами в бетоне, за счёт чего повысили эффективность добавок. Выпускают нанокремнезёмы 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 50 МПа. Сегодня мы используем в строительстве более крепкие бетоны. К примеру, деловой центр Москва-Сити строили из бетона прочностью около 100 МПа, но с обычными добавками. Когда мы начинаем применять нанодобавки, то прочность бетонов вырастает до 200 МПа, а у специальных композитов — до 850 МПа, судя по лабораторным данным.

За рубежом уже продают подобные смеси с прочностью в 250—300 МПа. Зачем же нам бетоны с такими характеристиками? С их помощью мы сможем заменить наши громоздкие железобетонные конструкции на очень тонкие и даже ажурные, создать новые формы сооружений, снизить вес и уменьшить материалоёмкость 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 — это 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 ещё одно из направлений, которыми мы занимаемся, — это пропитка бетона. 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 он до пропитки обладал прочностью в 20 МПа, то после неё — уже 200 МПа.

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. Они 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 материалоёмкость. Мы применяем более прочные материалы и можем уменьшить сечение конструкций, снизить объёмы 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.

Справка STRF.ru:

Юрий Баженов, заведующий кафедрой технологии вяжущих веществ и бетона МГСУ, президент Ассоциации учёных и специалистов в области строительного материаловедения, академик РААСН, заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор

Ольга Баклицкая

http://www.strf.ru/

фото: http://www.strf.ru/