http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=98b55764-e753-4b8d-9e41-4b984e9610fb&print=1
© 2025 Российская академия наук

Учёные СО РАН разработали новые материалы для строительной индустрии

18.02.2014


Неопалимые стены, вечный бетон и домостроительная зола
Учёные Сибирского отделения РАН разработали новые материалы для строительной индустрии: более практичные, более стойкие, а главное — более безопасные.
Директор Института химии твёрдого тела и механохимии СО РАН академик Николай Захарович Ляхов считает, что эра цементных связующих составов должна скоро закончиться. На смену им предлагаются новые, на силикатной основе. Их легко представить, вспомнив конторский клей советских времён. Мутноватая и густая (консистенции киселя) жидкость, твердеющая при засыхании (этот состав называют также жидким стеклом). Перед цементными связующими у новых  есть целый ряд преимуществ. Во-первых, исходный компонент всего один, легко получаемый: силикат натрия. Во-вторых, нагрев в процессе приготовления можно снизить с 1400 градусов по Цельсию (как у цементного клинкера) всего до 250, это температура работающего автомобильного двигателя. Ценными качествами обладают и готовые составы: прочность  изделий на сжатие (до раздавливания) — более 200 MПа, они водонерастворимы после обжига при температуре даже 150 0C, не вспучиваются при нагреве.
В отличие от многих разработок, «замерших», увы, на стадии перехода научной идеи в технологию, с силикатными связующими ситуация иная. В ИХТТМ СО РАН есть готовые  способы (низкотемпературные и не требующие автоклавов) получения натриевого жидкого стекла с использованием широкого спектра материалов. Хотя в основе лежат два, и оба у нас под ногами — кварц и песок. Проведены предпромышленные испытания, получены российские патенты. Дело за малым: за интересом российского строительного бизнеса. «Этот интерес появился, — комментирует Николай Ляхов, — после того, как в новосибирском Академгородке побывала делегация депутатов Горсовета, к нам в институт обратилось руководство одной из крупнейших строительных компаний, идут вполне предметные переговоры».
В русском языке слова «связующий» и «вяжущий» звучат как синонимы. А в строительстве это разные понятия. Связующие составы не дают распадаться элементам конструкционных материалов, например, кирпичам или блокам сибита (о нём чуть позже). Вяжущие же являются наполнителями, которые делают таковые материалы монолитными, прочными, держащими форму. В ИХТТМ разработали заделы для технологии полимеризации кремнезёма, которая позволяет получать вяжущие материалы высокой прочности, огнестойкости и, что особо важно, экологической чистоты. «Большинство стружечных, волокнистых и прочих плит, из которых изготовлена наша мебель, полы, перегородки и многое другое, — объяснил Николай Ляхов, — в качестве вяжущих содержат полимерные составы, в основе которых лежат фенол-формальдегидные смолы. Про их вред для здоровья можно не говорить, это общеизвестно. А полимеризация никогда не бывает стопроцентной, всё равно остаются свободные молекулы ядовитых веществ. К тому же их активность (летучесть) возрастает при нагревании. Наши же материалы на кремниевой основе изначально лишены этого опасного свойства».
Что можно получать, связывая (для глагола «вязать» такой же отглагольной формы нет) полимеризованными силикатами различные основы? Здесь открываются три технологических направления.  Первое — это упомянутые выше плиты для мебели и интерьеров. Экологическая опасность нулевая, а сырья вокруг видимо-невидимо: опилки, стружки, кора, растительная шелуха. При нагреве  такие изделия не будут выделять отравляющих испарений: известно, что большинство жертв пожаров приходится не на обожженных, а на задохнувшихся и отравленных. Институт химии твердого тела и механохимии, кстати, разработал для материалов прежних поколений огнезащитную композицию на основе того же жидкого стекла и оксида алюминия. Её свойства основаны на способности  вспучиваться в зоне высоких температур с образованием пористого теплоизоляционного слоя, а также выделять газы, локализующие пламя, и снижать температуру поверхности. Состав запатентован в России, сертифицирован Институтом противопожарной обороны МЧС России и относится к I группе огнезащитной эффективности.
Второе направление — строительные блоки и декоративный искусственный камень. Казалось бы, «кирпичами 21-го века» сегодня никого не удивишь. Но вернемся к теме пожаров. Огнестойкость того же сибита нулевая. От нагрева он попросту рассыпается. А строительные блоки с применением силикатных вяжущих, наоборот, только лучше спекаются, что предотвращает обрушение. Ещё одна потенциальная линейка продуктов — декоративные поверхности, имитирующие естественные породы (чаще всего, мрамор или гранит). Они применяются всё шире и шире, от кухонных столешниц до тротуаров в самых богатых городах мира. Автор этих строк видел искусственный камень в отделке дач, а в ресторанах и гостиницах этот материал повсеместен. Но обычный «квазимрамор» и «псеводгранит» готовят с применением вяжущих составов на основе эпоксидных смол,  силикатная же альтернатива делает их экологически безопасными.
Особое направление технологий для стройиндустрии — это керамзит. Тоже не бог весть какая инновация, в Советском союзе он массово производился и применялся. Но керамзит на силикатной основе имеет принципиально лучшие  показатели по теплопроводности, прочности и насыпной плотности (проще говоря, на засыпку одной и той же ёмкости его требуется меньше). А главное, такой материал можно получать из гигантских антропогенных месторождений. «В каждом сибирском регионе накоплено порядка  3-5 миллионов тонн золы и шлака, — объяснил Николай Ляхов, —  площадь занятых земель измеряется тысячами гектар, а их рекультивация выливается в астрономические суммы». Учёный считает, что заводы по производству нового керамзитного продукта можно привязывать к отвалам крупных ТЭЦ и ГРЭС, избавляя их от накопления отходов и работая на вторичном сырье.
Схематически новая технология производства керамзитов выглядит так. Кварц или песок в смеси со щёлочью проходит механохимическую обработку. Затем, с добавлением воды, получается вяжущая субстанция. Она смешивается с золошлаковыми отходами и запекается при низкой (250 градусов) температуре. Получаются лёгкие прочные шарики диаметром в несколько миллиметров. А где их применяют? Не вдаваясь в тонкости строительной науки, скажем так: для всевозможных объёмных заполнений с целью теплоизоляции и дренажа. Если кто-либо ездил по улицам Якутска, то видел характерные кочки на асфальте, но и  без вечной мерзлоты вспучивание дорожного полотна происходит там, где на него воздействуют температурные перепады почвы (например, с этим долго боролись строители трассы Барнаул — Бийск). Керамзитовая подложка защитит поверхность дороги от деформаций при замерзании и таянии, а также при затоплении, что весной в Сибири не редкость.
Керамзиты ценны не только сами по себе, но и как основа строительных элементов. Достоинство керамзитобетонных блоков в том, что по техническим характеристикам они не уступают кирпичу, но расход бетона значительно ниже.  Из них можно строить буквально всё, от коттеджей до высоток. Материал не имеет конкурентов по теплоизоляции, прочен, экологически безвреден. Подводит исходный мрачно-серый цвет, но блоки поддаются окрашиванию: академик Ляхов показывал образцы, по-дамски выражаясь, «весёленьких расцветок».
Наконец, особняком стоят новые технологии армирования бетона. Даже далекий от строительства человек не раз видел «периодичку» — ржавеющие железные прутья с винтовой поверхностью. Сегодня строители повсеместно пытаются заменить их на базальтопластиковую арматуру. В числе её преимуществ — лёгкость, двойная (в сравнении с железом) прочность, радиопрозрачность и, естественно, абсолютная устойчивость к коррозии. Да, такой «скелет» для бетона несколько дороже традиционного, но экономия не сводится к простому сравнению цен. «Введение в цементную матрицу базальтовой фибры с защитными покрытиями увеличивает стоимость конечного материала на 6-8%, — комментирует академик Ляхов. — Зато ударная прочность возрастает на 450, а долговечность — на 500%». Понятно, что из «вечного бетона» не резон строить всё и вся, частный гараж и из обычного сгодится. Но для объектов особого назначения — военного, атомного, гидротехнического — такой материал видится настоящей находкой.
Институт, которым руководит Николай Ляхов, не экономического, а всё-таки химического профиля. Там ищут новые подходы к обработке и соединению веществ, принципы получения современных материалов, и даже берутся доводить разработки до технологических заделов. Делать их рентабельными, считает академик, задача уже не науки, а инжиниринга. Однако некоторые вещи лежат на поверхности: «Посмотрите, все магазины стройматериалов уставлены мешками из Польши, Китая, Турции. Их содержимое на 75% состоит из песка. Вдумайтесь: мы ввозим песок из-за рубежа. Стоит обратиться к науке — и мы начнем жить по средствам, жить своими мозгами и своим сырьём».
Андрей Соболевский, СО РАН инфо