Nanotehnoloģiju izmantošana celtniecībā

/ Uncategorized / By

Kas ir nanotehnoloģija?

Nanotehnoloģijas ir tehnoloģisku procesu kopums, kā rezultātā tiek radīti un manipulēti nanoizmēru objekti. Nanoizmēru objektus veido tikai daži atomi (atoma izmērs ir ~0.1 nm). Viens nanometrs ir viena miljardā daļa no metra, un tas ir apmēram 1/80 000 no cilvēka matu diametra. Šo tehnoloģiju mērķis ir pārnest teoriju no pētījuma līdz tirgum, tādā veidā radot jaunus un kvalitatīvus produktus.

Dažādu bioloģisku organismu un tehnoloģisku elementu salīdzinājuma skala angļu valodā.

Nanomēroga materiālu īpašības būtiski atšķiras no atomiem un molekulām. Nanomateriālu izmēru diapazons ir no 0,1 līdz 100 nm. Šādā mērogā matērijas uzvedība mainās un kvantu fizika dominē fiziskajos likumos. Tiek novērotas unikālas konstrukcijas, optiskās, magnētiskās un elektroniskās īpašības. Piemēram, oglekļa nanocaurulīšu izmantošana plastmasā vai metālos rada vieglākus celtniecības materiālus.

Nanotehnoloģijas cieši saistītas ar nanofiziku un pārējām nanozinātnēm – nanoķīmiju, nanobioloģiju, nanoelektroniku. Nanotehnoloģijām ir būtiska nozīme jaunu inovatīvu materiālu un produktu radīšanā.

Nanotehnoloģiju metodes tiek iedalītas divās kategorijās. Lejupējās metodēs (top-down) objekti tiek radīti no lielāka materiāla, kuru samazina līdz vēlamajam rezultātam. Lejupējās metodes ir malšana (milling), apstarošana ar augstas intensitātes lāzera starojumu jeb lāzera ablācija (laser ablation), kodināšana ar jonu plūsmu (ion beam etching), kodināšana ar plazmu (plasma etching), lokizlāde (arc discharge) un elektronikas industrijā bieži izmantotā optiskā litogrāfija. Lejupējās metodes ir tehnoloģiski vienkāršākas, lai radītu objektus lielos apjomos.

Pastāv arī augšupējās metodēs (bottom-up). Šo metožu laikā objektus ražo, savienojot atsevišķus atomus, molekulas un citus elementus. Biežāk pielietotās augšupējās metodes ir ķīmiskās sintēzes reakcijas, manipulatoru izmantošana, putināšana (sputtering), ķīmisko tvaiku nogulsnēšana (chemical vapor deposition), plāno kārtiņu uzklāšana ar rotējoša diska metodi (spin coating), pašorganizācijas procesi (self-assembly). Augšupējās metodes mēģina replicēt dzīvo dabu, kurā tiek novēroti pašorganizācijas procesi, piemēram, šūnu veidošanās.

Nanotehnoloģijās jaunu, inovatīvu objektu izveidei nereti izmanto vairākas metodes vienlaicīgi. Procesa uzraudzībai un vērošanai lieto mikroskopijas un analīzes metodes, kas tiek lietotas nanofizikas pētījumos.

Celtniecībā izmantotie nanomateriāli

Nanomateriālus var klasificēt, pamatojoties uz to izmēriem un sastāvu. Plēves, slāņus un virsmas pārklājumus var klasificēt kā viendimensijas materiālus; nanovadi un nanocaurulītes kā divdimensiju; nanodaļiņas, grafīta loksnes un kvantu punktus kā trīsdimensiju nanomateriālus. Pastāv arī klasifikācija, kuras pamatā ir sastāvs, tā ietver vienfāzes cietās vielas, daudzfāžu cietās vielas un daudzfāžu sistēmas. Vienfāzes cietās daļiņas ir kristāliskas un amorfas daļiņas un slāņi, daudzfāžu cietās daļiņas ietver matricas kompozītus un pārklātas daļiņas, daudzfāžu sistēmas ir aerosoli, koloīdi un ferrofluīds.

Oglekļa nanocaurulītes – paredzamie ieguvumi ir mehāniskā ilgmūžība un plaisu novēršana (cementam); uzlabotas mehāniskās un termiskās īpašības (keramikai); reāllaika strukturālā uzraudzība un efektīva elektronu starpniecība (saules baterijās).

Silīcija dioksīda nanodaļiņas – paredzamie ieguvumi ir stiegrojums mehāniskās stiprības paaugstināšanai (betonā); dzesēšana, gaismas pārvade un ugunsizturība (keramikā); ugunsdrošība  un pretatstarošana (logos).

Titāna dioksīda nanodaļiņas – sagaidāmais ieguvums ir strauja hidratācija, paaugstināta hidratācijas pakāpe un pašattīrīšanās (betonā); ūdens atgrūšana, aizsardzība pret aizsvīšanu un bioloģisko apaugšanu (logos).

Dzelzs oksīda nanodaļiņas – sagaidāmie ieguvumi ir paaugstināta izturība un aizsardzība pret abrazīvu bojājumu veidošanos (betonā).

Vara nanodaļiņas – paredzamie ieguvumi ir uzlabota metināmība, izturība pret koroziju un veidojamība tēraudā.

Sudraba nanodaļiņas – sagaidāmie ieguvumi ir biocīda aktivitāte pārklājumos un krāsās.

Kvantu punkti – paredzamie ieguvumi ir efektīva elektronu mediācija saules baterijās.

Nanodaļiņas var izmantot kā cementa saistvielas, lai uzlabotu tā īpašības, piemēram, stiprību, ilgmūžību un darbspēju. Silīcija dioksīda nanodaļiņas un polimēru piedevas padara to blīvāku un stabilizē tā suspensiju. Oglekļa nanocaurulītes, tērauda konstrukciju aizvietošana, oglekļa nanofibatori uzlabo materiālu mehāniskās īpašības. Nanodaļiņas var izmantot arī, lai uzlabotu plaisu novēršanas mehānismus. Nano strukturēto titāna dioksīdu, cinku un citus oksīdus var izmantot, kā fotokatalītiskos līdzekļus, antibakteriālos, pašattīrīšanās un ūdens repelentus.

Virsmas pārklājumi

TiO2, Al2O3 un ZnO nanodaļiņas tiek lietotas, kā virsmas pārklājums celtniecības nozarē. TiO2 izmanto, lai sadalītu netīrumus vai piesārņojumu, kad tas ir pakļauts UV stariem, un pēc tam tas noskalojas ar lietusūdeni. Šīs nanodaļiņas iespējams izmantot tādām virsmām kā flīzes, stikls un sanitārtehnika. ZnO lieto, lai nodrošinātu UV staru pretestību gan pārklājumiem, gan krāsām. Al2O3 nanodaļiņas izmanto, lai virsmas būtu izturīgas pret skrāpējumiem. Šāda veida virsmas novērš/palēnina arī slikta aromāta attīstību, sēnīšu un pelējuma veidošanos.

Aizsargkrāsas pret netīrumiem un fotokatalītiskie pārklājumi ir ievērojamākie nanotehnoloģiju lietojumi būvniecības un ēku ārējās aizsardzības nozarē. Netīrumu savākšanās (uzkrāšanās) ēkas fasādē rada ievērojamas problēmas ēkas uzturēšanai. Šādu ēku virsmu tīrīšana parasti tiek veikta, izmantojot mazgāšanas līdzekļus, kam seko beršana, tīrīšana un augstspiediena ūdens strūklu izmantošana. Šiem procesiem ir vairāki trūkumi, piemēram, ķīmisko mazgāšanas līdzekļu izmantošana, liels enerģijas patēriņš un darbaspēka izmaksas. Tās, protams, rada augstas tehniskās apkopes izmaksas, tāpēc ir vēlams efektīvs pašattīrīšanās pārklājums. Nanodaļiņu TiO2 pašattīrīšanās pārklājuma tehnoloģija ir piemērojama šādām virsmām. Šādi pārklājumi ievērojami atvieglo ēku uzturēšanu, jo īpaši augstceltnēm, jo tie samazina vajadzību pēc dārgas virsmas tīrīšanas.

Celtniecības materiālu īpašību uzlabošana

Celtniecības materiāli (cements, betons, stikls, tērauds u.c.) iegūst vērā ņemamu labumu no nanotehnoloģiju pielietošanas.

Betons ir viens no svarīgākajiem materiāliem būvniecības industrijā. Tas jau sastāv no nanomēroga struktūrām, piemēram, cementa hidrātiem, agregātiem un piedevām. Šo nanomēroga konstrukciju īpašības ievērojami ietekmē betona makroīpašības. Betona kvalitāti var uzlabot, pielietojot nanomēroga iezīmju korekciju. Nanostruktūras ir elastīgākas salīdzinājumā ar tradicionālajām konstrukcijām, ko izmanto būvniecībā.

Nanodaļiņu pievienošana rada spēcīgāku, izturīgāku, gaisa attīrošu, ugunsizturīgu, viegli tīrāmu un ātri sablīvējamu betonu. Dažas no nanodaļiņām, ko izmanto šo īpašību iegūšanai, ir nano silīcija dioksīds (silīcija dioksīds), nanostrukturēti metāli, oglekļa nanocaurulītes (CNTs) un oglekļa nanofibatori (CNFs).

Nanodaļiņu izmantošana rada augstas stiprības (HPC), īpaši augstas stiprības betonu (UHPC), pašizlīdzinošu (SLC), pašblīvējošu betonu (SCC). Turklāt dažas nanotehnoloģijas, ko izmanto cementa ražošanā, veicina arī ilgtspējīgu būvniecību.

Pašreizējais fokuss un vajadzība samazināt CO2 emisijas no cementa ražošanas tiek virzīts uz pētniecību, lai izmantotu nanotehnoloģiju cementa pārstrādes apstākļu mainīšanai, tādējādi samazinot šīs emisijas. Betona konstrukcijas tiek uzlabotas ar nano pārklājumiem arī, lai novērstu graffiti un citu nevēlamu traipu spēju pieturēties pie to virsmas.

Līdzās betonam arī tērauda konstrukcijām ir svarīga loma būvniecības nozarē. Nanotehnoloģijas plaši izmanto, lai uzlabotu tērauda konstrukciju izturību un noturību. Nano modifikācijas, piemēram, materiāla graudu izmēra rafinēšana, var samazināt tērauda konstrukcijas plaisāšanu.

Oglekļa nanocaurulīšu izmantošana palielina tērauda stiepes izturību, vienlaikus samazinot tērauda svaru par sešām reizēm salīdzinājumā ar konvencionālajām tērauda konstrukcijām būvniecībā. Vieglāku tērauda konstrukciju izmantošana būvniecības nozarē ievērojami samazina darba un enerģijas patēriņu. Viens no svarīgākajiem tērauda konstrukcijas mīnusiem ir nogurums. Nogurums izraisa konstrukcijas kļūmes cikliskās slodzes dēļ un saīsina tērauda dzīves ciklu. Izmantojot vara nanodaļiņas, var pārvarēt šo problēmu, radot virsmas, kas mazina spriedzi uz tērauda konstrukcijas. Nanotehnoloģiju var izmantot arī tērauda korozijas pretestības uzlabošanai, izgatavojot nerūsējošā tērauda materiālus.

Paredzams, ka papildus jau minētajiem materiāliem, izmantojot nanotehnoloģijas, tiks izstrādāti viegli, liesmu slāpējoši un elastīgi celtniecības materiāli, piemēram, jauni nanokompozīti.

Nanotehnoloģija būtiski ietekmē arī stiklu un tādējādi arī logu izveidi. Tirdzniecības nolūkos šos logus parasti sauc par viedajiem vai “gudrajiem” logiem, kas nozīmē, ka tie ir daudzfunkcionāli, izmantojot enerģijas taupīšanas, ērtas tīrīšanas, UV kontroles un fotoelementu funkcijas.

Salīdzinot ar pašreizējiem statiskajiem logiem, viedie logi var dinamiski modulēt saules starojuma caurlaidību, pamatojoties uz laika apstākļiem un personīgajām vēlmēm, tādējādi vienlaikus uzlabojot ēkas energoefektivitāti un iekštelpu komfortu un privātumu.

Nanotehnoloģija varētu ļaut izstrādāt materiālus ar labākām izolācijas īpašībām, inteliģentām konstrukcijām, kas spētu optimizēt enerģijas izmantošanu. Izmantojot nanotehnoloģiju attīstību, ir izstrādāti jauni izolācijas materiāli. Šie izolācijas materiāli ir: nanofoams, nanostrukturēti aerogēni un vakuuma izolēti paneļi.

Kokmateriāli pakāpeniski ir zaudējuši nozīmi būvniecības nozarē to sliktās pretestības īpašību dēļ salīdzinājumā ar betonu un tēraudu. Tomēr nanotehnoloģijas var izmantot šo biomateriālu attīstībai. Kompozīti uz oglekļa bāzes var nodrošināt izturību un ilgmūžību. Koka izstrādājumi ir viegli pieejami būvniecības nozarei, tie ir viegli, ērti labojami un bioloģiski noārdāmi.

Materiālu uzlabotās īpašības tieši ietekmē celtniecības materiālu izvēli, pielietotās metodes un darbības.

Nanotehnoloģiju nozīmē ilgtspējīgā celtniecībā

Jautājums par to, kādā veidā nanotehnoloģijas būtu jāizmanto būvniecības un celtniecības nozarē, ir jāapsver ne tikai materiālu īpašību un funkciju uzlabošanas ziņā, bet arī enerģijas taupīšanas kontekstā. Tā ir īpaši svarīga perspektīva, jo lielu daļu no visas izmantotās enerģijas patērē komerciālās ēkās un dzīvojamās mājās, piemēram, apkurei, apgaismojumam un gaisa kondicionēšanai.

Šai konkrētajai nozarei ir izstrādāti vairāki lietojumi, lai uzlabotu celtniecības materiālu ilgmūžību un uzlabotu to veiktspēju, energoefektivitāti un ēku drošību, atvieglojot tehnisko apkopi un nodrošinot augstāku dzīves komfortu.

Ilgtspējīgas tehnoloģijas ir kļuvušas svarīgas visās nozarēs. Arī celtniecības bizness ir ielēcis ilgtspējas vagonā, lai palīdzētu planētai atgūties no zaudējumiem. Nanotehnoloģija ir daudzsološākā pieeja, lai risinātu galvenās ilgtspējas problēmas būvniecības nozarē. Izejvielu patēriņš ir viena no lielākajām ilgtspējas problēmām. Nanotehnoloģija var samazināt izejvielu patēriņu, palielinot to ilgmūžību. Oglekļa emisija ir vēl viena ilgtspējas problēma būvniecības nozarē, jo tā veicina siltumnīcas efektu. Oglekļa emisiju var samazināt, pievienojot nanodaļiņas materiālu ražošanas laikā, kā arī uzlabojot ēku enerģijas taupīšanas īpašības. Cita pieeja ir palielināt tādu biomateriālu kā koksne izmantošanu būvniecības nozarē. Nanotehnoloģija var pārvarēt šo materiālu trūkumus, nodrošinot izturību un noturību. Biomateriālus uzskata par oglekļa nulles materiāliem, tāpēc tie neitrāli ietekmē oglekļa emisijas. Šāda nanotehnoloģiju izmantošana var palīdzēt būvniecības nozarei sasniegt ilgtspējas mērķus.

Izmantotie informācijas avoti: