Бетон и нанотехнологии

Под нанотехнологиями понимаются исследования и разработки с частицами и системами, имеющими размеры от 1 до 100nm (нмк) Если современные проводниковые и компьютерные технологии оперируют частицами в микромасштабе (10-6), т.е. в наиболее продвинутой части науки совершается переход от микромира в наномир (1nm это 10-9m).. Для целей сравнения можно указать, например, что частицы микрокремнезема (silica fume) находятся в пределах от 100 до 1000nm (0,1-1,0µm), кристаллы Ca (OH2) - порядка 10 µm (104nm), человеческий волос от 10 до 100 µm и т.д. Нанонаука проводит исследования в наномасштабе и требует соответствующий инструментарий, с помощью которого можно производить измерения геометрических размеров с точностью до нескольких nm, измерять количество (nN) и изготавливать объекты толщиной до нескольких молекул и нескольких nm2 по площади. Поэтому изменения, например, температуры в лаборатории должны быть настолько малы, чтобы не искажать размеров исследуемых объектов; электромагнитные поля должны быть настолько стабильными, чтобы можно было производить измерения электрических сигналов с точностью до nA и nV.

Наноисследовательские лаборатории требуют акустических характеристик, сопоставимых с условиями звукозаписывающих студий. Некоторые пылинки, вызванные колебаниями воздуха, могут иметь размеры до нескольких сотен и даже тысяч nm, поэтому величины вибраций должны быть на 2-3 порядка ниже уровня человеческого восприятия. Все эти требования должны быть удовлетворены помещениями, имеющими в 100 раз выше энергопоглощение от механических систем и свыше 50 раз от перемещения воздуха, чем обычные помещения. Совершенно естественно, что конструкции зданий и материалы для таких помещений должны быть уникальными. В течение 2003 года были закончены или находились в процессе сооружения несколько научно-исследовательских и производственных помещений, предназначенных для проведения работ на наноуровне,. Среди них помещения в университетах Cornell и Northwestern в США, в университетском колледже в Лондоне, так называемое "чистое помещение" в лаборатории по разработке нанотехнологий на Тайване, помещение в исследовательской военно-морской лаборатории в Вашингтоне и т.д. Сооружение подобных помещений обходится в пределах от $ 12 до $ 60 млн. Однако минимизация посторонних влияний в нанотехнологии обходится иногда весьма дорого.

Так, например, в Национальном Институте стандартов и технологии в США возможность контроля температуры с точностью до ±0,01°С в "чистых помещениях" площадью до 15 тыс.м2 обошлась в $700 млн. Помещения для нанотехнологий требуют все более возрастающих ограничений по вибрации. Обычный уровень восприятия вибраций человеком составляет 500µm/сек. Устройство современного электронного микроскопа требует ограничений порядка 15-25µm/сек. Большинство помещений нанотехнологических лабораторий требуют существенно более строгих ограничений. Наиболее подходящими помещениями считаются те, уровень вибрации в которых находится в пределах от 3 до 6 µm/сек. Но некоторые нанотехнологические процессы требуют ограничения амплитуд колебаний порядка 1 µm/сек. или даже меньше. Бетон является материалом, которому отдают предпочтение во многих сооружениях с повышенными требованиями. Обычно применяют плиты на упругом основании, при толщине плиты от 200 до 600 мм. Так называемые "чистые помещения" с подвалом часто размещаются на бетонных плитах кессонного типа толщиной от 700 до 1200 мм в зависимости от шага колонн.

Сравнительно новое применение бетона в помещениях с повышенными требованиями по вибрации - это плиты с пневматической изоляцией с использованием так называемых воздушных пружин. Некоторые лабораторные помещения требуют исключительно больших изолированных масс, которые обеспечивают замечательные характеристики, особенно с учетом демпфирующих свойств самого бетона. Начиная с 30-х годов прошлого века изучение демпфирующих свойств бетона сосредотачивалось на микроструктурном механизме бетона и практически никакого внимания не уделялось разработке способов модифицирования демпфирующих свойств, подобно модифицированию его прочности и модуля упругости. В настоящее время такие исследования ведутся в Калифорнийском Университете в Беркли, что позволит дать в руки проектировщиков способы изменения демпфирующих свойств бетона за счет введения специальных добавок, изменения В/Ц, типов заполнителей и видов армирования. Весьма эффективно в этом смысле применение стирол-бутадиеновых латексов и растительных смол, а также изменения В/Ц. В последнем случае увеличение микродефектов в бетоне улучшает его демпфирующие свойства. (Shuaib H. Ahmad, W. Gene Corley, and James R. Cagley. ACI and International Standardization/ISO: стандартизация бетона)

Международная организация по стандартизации ISO была создана в 1946г представителями 25 стран на встрече в Лондоне с целью выработки, на основе консенсуса, международных промышленных стандартов, развития свободной конкуренции, совместимости технологий и разработок, ускорения продвижения научных исследований. Сегодня в её рядах насчитывается 148 стран мира. Бетон является одним из наиболее распространённых в мире материалов, его ежегодное применение составляет около 6 млрд. тонн, или более 1 тонн бетона в год на каждого жителя планеты. Поэтому совершенно естественно, что уже в 1949 году в рамках ISO был сформирован Технический Комитет TC 71 "Бетон, железобетон и преднапряженный бетон" с задачей осуществления стандартизации в технологии бетона, в методах расчета и проектирования конструкций из него, унификации терминологии, повышения его качества, усовершенствования методов испытаний и снижения стоимости строительства. В комитет вошли представители всех шести континентов - Африки, Азии, Австралии, Европы, Северной и Южной Америки, специалисты в различных областях - бетоноведы, проектировщики, изготовители, подрядчики, разработчики национальных норм, ученые из исследовательских и испытательных центров. В настоящее время в Комитет входят 83 страны (30 членов и 53 наблюдателя), в его составе образовалось семь подкомитетов, названия которых вместе с названием страны, осуществляющей функции секретаря каждого подкомитета, представлены в Таблице 1.

Таблица 1. Подкомитеты ISO TC 71:

Подкомитеты	Название подкомитета	Страна-секретарь
SC -1	Методы испытаний бетона	Израиль
SC -3	Производство бетона и изготовление конструкций из него	Норвегия
SC -4	Требования к эксплуатационным характеристикам конструктивного бетона	США
SC -5	Упрощенные методы расчета железобетонных конструкций	Колумбия
SC -6	Нетрадиционные армирующие материалы для бетона	Япония
SC -7	Расчет долговечности железобетонных конструкций	-
SC -8	Эксплуатация и ремонт железобетонных конструкций	Ю. Корея

Председателем ISO TC 71 является W. Gene Corley, Вице-президент широко известной Лаборатории технологии строительства в г. Скоки (Штат Иллинойс, США), а секретарём Комитета является Shuaib H. Ahmad, главный инженер Американского института бетона ACI. Основным результатом работы комитета является документ ISO 19338 "Требования к эксплуатационным и расчетным характеристикам конструктивного бетона", в основу которого положены американские нормы проектирования бетонных и железобетонных конструкций ACI 318. Следует отметить, что в последние годы комитет ISO TC 71 установил связи с Европейским Комитетом по стандартизации CEN, в том числе с его комитетами CEN/TC 250 "Расчет конструкций" и CEN/TC 104 "Бетон", которые занимаются разработкой соответствующих европейских стандартов и норм проектирования.