Šķiedras betonā. Iespējas un problēmas
Šķiedru sadale betona matricē nav vienveidīga mazā mērogā. Šķiedru stiprinātā betonā rodas vājākas un stiprākas vietas. Stiprības izkliede palielinās, to nosakot ar maziem paraugiem.
Tā kā pašreiz lieto šķiedru betonu, lielākais spriegums nosaka šķiedru daudzumu visā konstrukcijā, kas noved pie šķiedru izšķērdības. Varētu strādāt ar diviem vai trim šķiedru daudzumiem betonā un katram betonam dot savu iekrāsu atšķiršanai. Attiecīgu betonu varētu ievadīt pareizā konstrukcijas daļā, bet tad betonētājam jāsaprot konstrukcijas funkcija! Pašreizējā šķiedru betona liešanas tehnika: atvedot betona kravu, ar ciklona palīdzību iemaisa tajā šķiedras un pumpē uz liešanas vietu. Līdz ar to īsti nav kontrolējams, kad betona partija beigsies un kad sagaidāma nākamā. Kāds varētu būt skats nākotnē? Ja vēlamies sasniegt mākoņus, tēmēsim zvaigznēs. Var iedomāties savienot konstrukcijas aplēsi ar produkciju. Lietojot aplēsi ar galīgiem elementiem, iegūst spriegumus konstrukcijā. Šķiedras iemaisa betonā, izdzenot betonu no pumpja caurules. Tāda tehnika jau pastāv stikla šķiedru betonam, bet vēl jāizgatavo betonam ar tērauda šķiedrām. Šķiedru daudzumu reālā laikā nosaka galīgo elementu aplēse, ņemot vērā, kurā vietā konstrukcijā lej betonu. Vietu nosaka ar GPS (militārajai GPS precizitāte līdz 20 mm) horizontālē un ar lāzeru vertikālē. Oglekļa nanocaurules Nanotehnoloģija pēdējos gados ir iekļāvusies visās zinātnes nozarēs, sevišķa uzmanība veltīta oglekļa nanocaurulēm. Ja arī būvniecībā pašreiz nesaskatām to lietojamību, šo caurulīšu izpēte jau ir sākta. Oglekļa nanocaurulēm ir interesantas īpašības arī lietošanai būvniecībā, tās, iespējams, ir visstiprākais materiāls attiecībā uz vilci. Tām ir liela modula un elastīgs pagarinājums var sasniegt 10%, elektrības un siltuma vadītspēja un daudzas vēl neizpētītas īpašības. Pašreiz oglekļananocaurules ir ļoti dārgas, bet cena var stipri pazemināties, ja tiktu atrasts lietojums lielā apjomā. Ir sākti pētījumi, lai noskaidrotu, ko ar tām var iesākt būvniecībā. Kas ir nanotehnoloģija? American Ceramic Society (2004) to definē šādi: «Materiālu, iekārtu un sistēmu izmērā 0,1–100 nm ar jaunām un nozīmīgām fizikāliski, ķīmiski un bioloģiski uzlabotām īpašībām, funkcijām, fenomeniem un processiem, pateicoties nanolielumam, radīšana, izgatavošana, raksturošana un izmantošana.» Nanotehnoloģija ir uzskatāma par «no apakšas uz augšu» tehnoloģiju, ar to saprotot struktūras, kas ir apzināti veidotas ar iesākumu atomārā līmenī. Parastā veidošanas lietojamība ir no augšas uz leju, tas ir, no makrolīmeņa virzienā uz atomiem. Nanocauruļu izmēri pēc lielumu klasifikācijas SI sistēmā (Système international d´unités) ir 10-9–10-7 m. Vai tad mums – betona tehnologiem – nanotehnoloģija ir sveša? Mēs faktiski ar to esam nodarbojušies vismaz 50 gadus, samazinot kapilāro porainību betonā. Šo poru lielums ir 0,1–100 nm robežās. Nanocauruļu vēsture īsumā 1952. gadā L. V. Raduškevičs un V. M. Lukjanovičs publicēja pirmās skaidrās 50 nm diametra caurulīšu bildes Padomju Savienībā, «Journal of Physical Chemistry». Aukstā kara dēļ Rietumu pasaulei trūka ieskata, kas ar tām tālāk notika. Oberlins, Endo un Kojama 1976. gadā publicēja rakstu, radot oglekļa cauruļveida nanošķiedras, izmantojot tvaika audzēšanas tehniku. 1987. gadā ASV tika reģistrēts patents, kā producēt «cilindriskas diskrētas oglekļa šķiedras ar konstantu diametru starp 3,5 un 70 nm un garumu, kas 10² reizes lielāks par diametru». 2000. gadā Taņam Džikaņam and Vaņam Niņam izdevās radīt sīkāko stabilo oglekļa nanocauruli ar tikai 0,4 nm diametru. Viensienas, daudzsienu un tvaika audzētās oglekļa nanocaurules Īpašības nevar noteikt, parastā veidā iestiprinot nanocauruļu paraugus testēšanas mašīnā, jo caurulītes ir tik sīkas, ka tās pat neredz. Īpašības nosaka, aprēķinot tās ar fizikāliem parametriem jeb iemaisot polimēra matricā, linearizējot caurulītes, cik iespējams, ar elektrisku ietekmi un testējot paraugu. Polimēra matrices īpašības atrēķina no iegūtā rezultāta, un pāri paliek oglekļa nanocauruļu īpašība, cik nu tai var piekļūt. Fizikāli aprēķinātas īpašības neņem vērā defektus caurulīšu struktūrā, tādēļ var uzrādīt pārāk lielas vērtības. Tas ir jāņem vērā. Tādēļ uzdotajām īpašībām ir liela izkliede. Jautājums arī ir, uz kādu caurulītes virsmu aprēķina, piemēram, spriegumu (slodze dalīta ar šķērsgriezumu), ja virsma sastāv varbūt no 50 atomiem? SWCNT (SINGLE-WALLED CARBON NANOTUBES) īpašības Vilces stiprība 13–53 GPa; Moduls 910 (±20%) GPa; Diametrs 1,3 nm; Garums 0,5–40 μm; Iztur lieci lielos leņķos; Blīvums 1330–1400 kg/m3; Siltumvadītspēja 6000 W/mK; Stabilitāte līdz 2800°C vakuumā un līdz 750°C gaisā; Elektrovadītspējas kapacitāte 1x109 amp/cm2 (kaparam: 1 x 106 amp/cm2). MWCNT (MULTI-WALLED CARBON NANOTUBES) īpašības Vilces stiprība var sasniegt 150 (±30%) GPa; Modula 800–1300 GPa, tuvojas grafīta modulai; Diametrs 60–100 nm; Garums 0,5–40 μm → 1 mm; Specifiskā virsma 40–300 m2/g; Puasona relācija samazinās līdz ar caurulītes diametru; Caurulītes cilindriskās koncentriskās kārtas savstarpēji satur van der Vāla spēki. VGCF (VAPOR-GROWN CARBON FILAMENTS) īpašības Vilces stiprība taisnām šķiedrām 2,05 GPa, liektām šķiedrām 1,09 GPa, lūst locījumos; Modula taisnām šķiedrām 163 GPa, liektām šķiedrām 197 GPa; Šķiedru diametrs 150 nm; Šķiedru garums 10~20 μm; → 1 dm Blīvums 2 g/cm3, apjoma blīvums 0,04 g/cm3; Specifiskā virsma 13 m2/g; Siltumvadītspēja 1200 W/mK; Elektriskā pretestība 1x10–4 Ω cm. Cena Paka (100 g) SWCNT – 5500 ASV dolāru. Paka (100 g) MWCNT ar diametru <10 nm – 4200 dolāru; cena pazeminās līdz 930 dolāriem, ja diametrs pieaug līdz 60–100 nm. Cena ir ļoti augsta, tomēr var gaidīt, ka tā ievērojami kritīsies, kad pieprasījums pieaugs un produkcijas kapacitāte palielināsies. VGCF produkcija ar netiešu metodi Oglekļa nanocauruļu izgatavošanai kā izejvielu lieto ūdeņradi, oglekli, katalizatoru, piemēram, ļoti sīkas dzelzs partikulas, un dzenošu ūdeņraža gāzi, visu karsējot krāsnī. Caurulītes rodas uz katalizatora pertikulām kā nogulsnes. Metodes ir dažādas; ir laboratorijas, kuras pašas savām vajadzībām izgatavojušas oglekļa nanocaurules. Nanocaurulēm ir grafīta struktūra
Oglekļa atomam ārējā čaulā atrodas četri valences elektroni. Dimanta struktūrā visi četri izmantoti kovalentai saitei ar citiem oglekļa atomiem ar atomu attālumā 1,54 Å, un ir iegūta tā cietākā pazīstamā struktūra (4. attēls). Ogleklis parasti veido kārtainu grafīta struktūru, kurā tikai trīs valences elektroni izmantoti kovalentai saitei ar atomu attālumā 1,42 Å (īsāka un par dimantu stiprāka saite). Viens elektrons ir brīvs katram atomam, un visi tie brīvi peld apkārt starp pozitīvi lādētām kārtām. Līdz ar to saite starp kārtām kļūst van der Vāla tipa, un kārtas var slīdēt. Grafītu lieto kā smēri virsmām, uz kurām balstās lielas slodzes. Nanocaurulēs cilindriskās čaulas ar grafīta struktūru atbilst kārtām parastā grafītā. MWCNT koncentriskie cilindri gareniska vilces spēka iedarbībā var teleskopiski slīdēt.
Caurulītēm ir tendence sakrāties matrices porās; no tā jāmēģina izvairīties. Caurulītēm ir gluda virsma, un tās nelabprāt veido kovalentu saikni ar matrici. Lai uzlabotu saikni, caurulītes var apstrādāt ar skābēm, tad virsma kļūst nevienāda un dod labāku saikni, bet vājāku vilces stiprību. Stiprības samazināšanās parasti ir nenozīmīga, jo sākotnējā stiprība ir ļoti liela. Nanocaurules ir ļoti locītas, tādēļ neefektīvas vienvirziena sprieguma uzņemšanai. Caurulīšu virzienu var ietekmēt ar elektrisku lauku. Pēc nanocauruļu samaisīšanas ar etanolu un mikrocementa partikulām piejauc ūdeni.
Oglekļa nanocaurules cementa pastāIr sākti pētījumi daudzās vietās pasaulē; iegūtie rezultāti ir dažādi. Daudziem nav izdevies iegūt stiprāku oglekļa nanocauruļu stiegrotu cementa matricu, bet gan sīkstāku. Tas būtu izskaidrojams ar nepietiekamu saisti matrices porainības dēļ un sprieguma uzņemšanas virzienā nesakārtotu caurulīšu mužekli.
Teorijas oglekļa nanocaurulēm matricē Teorijas ir izstrādātas īpašību noteikšanai matricei ar nanocaurulēm. Tomēr parametru pieņēmumi ir apšaubāmi, piemēram, ka pastāv pilnvērtīga saite starp matricu un oglekļa nanocaurulēm. Teoriju un eksperimentu rezultāti pagaidām nesaskan. Kā varētu izmantot oglekļa nanocaurules cementa un betona matricē? Var konstatēt, ka pamata pētījumi sākti un jāturpina, lai izvērtētu iespējas oglekļa nanocauruļu lietošanai betona tehnikā. Ir iespējams lietojums cementa matricē, kurai tad jāsamazina porainība. Ne vienmēr stiprības pieaugums iegūstams, bet materiāls kļūst sīksts – saistes izraisīta caurulīšu slīdēšana un atraisīšanās no sapiņķējuma. Oglekļa nanocaurulēm ir spēja vadīt elektrību. Līdz ar to var lietot konstrukciju ar nanocaurulēm, lai tai mērītu deformācijas slodzes, mitruma, temperatūru un vabūt citu spēku ietekmes, kas rada deformācijas matricē. Katra mērāmā vieta gan jākalibrē atsevišķi. Joprojām atklājas jaunas nanocauruļu īpašības, un mums, būvniekiem, arī šim zinātnes virzienam jāseko līdzi mūsu disciplīnai piemērotā veidā. Par augsto oglekļa nanocaurulīšu cenu nav jāskumst: ja tiks atrasts plašs lietojums, cena kritīsies dramatiski. Oglekļa nanocauruļu ietekme uz cilvēku un vidi Oglekļa nanocauruļu ļoti sīkie izmēri pievērš uzmanību ietekmei uz cilvēku veselību. Zināms, ka oglekļa caurulīte, kas iekļūst cilvēka šūnā, nonāvē to, tādēļ paralēli jāveic mehānisku un veselību ietekmējošu īpašību pētniecība. Mēs nedrīkstam nonākt situācijā, kāda bija ar azbestu, kad to ietekmes uz veselību dēļ daudzās valstīs totāli aizliedza lietot. Arī jāizpēta un jāatrisina oglekļa caurulīšu recirkulācija un galīgā deponēšana, jo tā arī ir saistīta ar cilvēka veselību. Autors: Ralejs Tepfers "LATVIJAS BŪVNIECĪBA" Nr. 4 (20080
