Белгородский государственный технологический университет им В.Г. Шухова
США
Белгородская область, Россия
Белгородская область, Россия
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ББК 383 Строительные материалы и изделия
Современные тенденции развития строительного материаловедения все больше ориен-тированы на реализацию принципов подражания природным объектам. Инструментарий природоподобных технологии основан на инновационных междисциплинарных областях ис-следований, к которым можно отнести теорию фракталов. В работе отражена возмож-ность практической реализации одной из концепций фрактальных алгоритмов, основанных на иерархическом принципе подобия геометрических структур на примере получения супер-гидрофобных покрытий для цементобетонных композитов. Фрактал – это новый инстру-мент оптимизации строительного композита, ориентированный на системный принцип по-строения структуры на каждом уровне масштаба с возможностью регулирования технико-эксплуатационных параметров готового изделия. Описана теоретическая модель фopмиpoвaния упорядоченного фpaктaльного принципа текстуры поверхности цементобетона на микро-, субмикро- и наноразмерном уровне орга-низации в зоне контакта «бетон – силоксановое покрытие» путем подбора функциональных элементов. Одним из функциональных элементов для обеспечения определенной шероховато-сти поверхности выступает фибра. Упорядоченные фибровые волокна, выступая на поверх-ности, формируют положительные и отрицательные формы рельефа (впадины, бугорки и другие макронеровности), создавая, таким образом, «рельефные ловушки» для водяных ка-пель, попадающих на поверхность. Другим элементом является минеральная составляющая ограноминеральной эмульсии. Разноразмерные минеральные частицы силоксановой эмульсии в силу их морфологии, энергетического состояния в условиях критического размера, вносят вклад в текстуру поверхности и способствуют формированию сил взаимодействия частиц с верхним слоем цементной матрицы. В итоге микро- и макрошероховатость формируется за счет естественной морфологии бетонной поверхности и ворсистой структуры верхнего слоя мелкозернистого фибробетона; нано- и субмикрошероховатость – за счет капиллярно-пористой поверхности цементно-песчаной матрицы и высокодисперсных минеральных компонентов, содержащихся в защитном слое, покрывающем разноразмерные структурообразующие элементы бетона. При общей работе упорядоченной иерархической структуры возможно достичь сверх- и супергидрофобных свойств цементобетона (краевой угол смачивания поверхности более 150°, критический угол скатывания менее 15°).
фрактал, иерархия, природоподобие, цементобетон, супер- и ультрагидрофобность, мор-фология
Введение. На современном этапе развития строительного материаловедения стоит сложная задача по созданию новых интеллектуальных строительных композитов, способных обеспечить систему зданий и сооружений, формирующих пространственную среду, качественную и безопасную для жизни и деятельности людей. Современная номенклатура строительных изделий должна отвечать повышенным требованиям в соответствии с территориальной расположенностью проектируемого строительного объекта и условиями его эксплуатации. В решении этих сложных задач приоритет приобретают принципиально новые природоподобные технологии, которые не наносят урон окружающему миру, а существуют с ним в гармонии и позволяют восстановить нарушенный человеком баланс между биосферой и техносферой [1].
Соединение различных структур в единое целое, придание изделию многофункциональных свойств, диктует выполнение определенных требований и необходимых условий для обеспечения их совместной работы. Исследуя сложные системы по классическим подходам и старым алгоритмам, невозможно получить новые прорывные результаты. Инструментарием нового подхода являются современные трансдисциплинарные исследования, основанные на положениях геоники (геомиметика) [2–4] и бионики (биомиметика).
Основная часть. Принципы подражания природным объектам проявляются в самых необычных функционально-структурных, конструктивных и декоративных решениях. Современные архитекторы в своем творчестве основываются на инновационных междисциплинарных областях исследования.
Наиболее распространенный пример – теория фракталов [5]. Идеей данного направления послужили основные алгоритмы самоподобия кристаллических структур. В архитектуре это наиболее устойчивая и крепкая форма. Применение фрактальной теории отражено в работах П. Эйзенмана, Ч. Дженкса. Самая известная
работа – генеральный план города Дубай (ОАЭ) (рис. 1) [6].
Современные представления американского архитектора Даниэля Либескинда об органично вписанной в ландшафт архитектуре, основаны на уникальных геометрических подобиях кристаллических структур (рис. 2 а) [7].
Рис. 1. Применение фрактальной теории
в генеральном плане города Дубай (ОАЭ)
а б
Рис. 2. Геометрические подобия природных структур в архитектуре: а – реконструированное здание
Королевского музея Онтарио (Royal Ontario Museum), Торонто; б - китайский павильон Vanke на выставке ЭКСПО 2015
Один из универсальных фрактальных алгоритмов, спиральный, широко распространенный в неорганической (от траекторий элементарных частиц до циклонов и галактик) и живой природе (раковины моллюсков, рога копытных, завитки побегов растений) дает множество сходных решений морфогенеза. Именно спираль является универсальным фракталом, так как в абсолютно любой части подобна самой себе (рис. 2 б).
Фрактальные структуры самоподобия – это иерархический принцип организации. Подобный принцип широко изучен на примере супергидрофобных свойств листа лотоса – «эффекта лотоса», свойства которого зависят от упорядоченного расположения конусообразных формирований, создающих определенный рельеф поверхности листа (рис. 3 а).
Подобие геометрических структур (фракталов) поверхности листка лотоса можно достигнуть при формировании супергидрофобной поверхности цементобетонов путем подбора функциональных элементов на нано-, субмикро- и микроуровне и учета свойств вводимых элементов (рис. 3 б). Однако, при создании высокоразвитой поверхности заданной текстуры основной проблемой является стабилизация «построенных» структур на цементной поверхности, а также сочетание сродства гидрофобизатора с обрабатываемой бетонной поверхностью. Другой проблемой является неудовлетворительные физико-механические характеристики существующих бетонов с поверхностной гидрофобизацией. Значительный интерес представляет механизм формирования гидрофобной иерархической структуры в зоне контакта «бетон – силоксановое покрытие».
Эффективным способом создания высокоразвитой поверхности бетона с достижением сверх- и супергидрофобных свойств является применение фиброволокна в композиции с органоминеральной эмульсией. Механизм действия фибры в цементно-песчаной матрице состоит в том, что фибра обеспечивает формирование упорядоченной ворсистой структуры на поверхности цементобетона и вносит вклад в придание высокогидрофобных свойств. Геометрически идеализированная модель хаотичного и равномерного распределения фибры на единицу площади строилась согласно математическим расчетам. Однонаправленное расположение фибры и необходимую шероховатость обеспечивала абразивная обработка поверхности. Несомненным достоинством введения фибры является микроармирование цементобетона, что позволяет повысить его прочность.
|
|
|
|
|
|
|
а |
б |
|
Рис. 3. Копирование упорядоченных элементов микроструктуры поверхности листа лотоса: а – поверхность листка лотоса [8]; б – высокоразвитая иерархическая структура бетона [9, 10]
|
|
Особенность подхода к созданию органоминерального покрытия состоит в оптимизации высокодисперсного минерального наполнителя. Оптимизация выскодисперсного минерального наполнителя, в данном аспекте, интерпретируется как селекция по морфологическому, размерному, химическому, а также объемному признаку с целью достижения максимально возможных и практически приемлемых упорядоченных характеристик поверхности бетона со сверх- и супергидрофобными свойствами.
В итоге модель формирования фрактальной иерархической структуры бетона заключается в создании на поверхности бетона ворсистой структуры где микро- и макрошероховатость формируется за счет естественной морфологии бетонной поверхности и ворсистой структуры верхнего слоя мелкозернистого фибробетона; нано- и субмикрошероховатость – за счет капиллярно-пористой поверхности цементно-песчаной матрицы и высокодисперсных минеральных компонентов, содержащихся в защитном слое, а также гидрофобной природы силоксанового компонента, входящего в состав эмульсии, покрывающей разноразмерные структурообразующие элементы бетона (рис. 3 б). Учитывая особенности структурной морфологии, возможно, направлено изменять текстурную поверхность цементобетона, (краевой угол смачивания поверхности более 150°, критический угол скатывания менее 15°).
Выводы. Реализация природоподобных технологий путем реализации фрактального алгоритма построения упорядоченной иерархической структуры комплексного покрытия, позволяет сохранить цементобетону его функциональные свойства в зависимости от назначения и условий эксплуатации и придать ему сверх- и супергидрофобные свойства и является инновационным инструментом создания строительных композитов нового поколения.
Источник финансирования. Стипендия Президента РФ 2018–2020 гг.; Программа развития опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова с использованием оборудования Центра Высоких Технологий БГТУ им. В.Г. Шухова.
1. Из выступления президента России В.В. Путина на 70-й Ассамблеи ООН [Элек-тронный ресурс]. Режим доступа: http://www.kremlin.ru/events/president/news/50385
2. Лесовик В.С. Геоника (геомиметика) примеры реализации в строительном матери-аловедении. В.С. Лесовик. 2-е изд., доп. Бел-город: Изд-во БГТУ, 2016. 287 с.
3. Лесовик В.С., Трифонов Б.В., Фомина Е.В. Некоторые аспекты применения положе-ний геоники в стоматологическом материало-ведении // В сборнике: Интеллектуальные строительные композиты для зеленого строи-тельства Международная научно-практическая конференция, посвященная 70-летию заслуженного деятеля науки РФ, члена-корреспондента РААСН, доктора техниче-ских наук, профессора Валерия Станиславо-вича Лесовика, 2016. С. 147-150.
4. Лесовик В.С., Фомина Е.В. Кристалло-генетические аспекты техногенного метасо-матоза в строительном материаловедении // В сборнике: Интеллектуальные строительные композиты для зеленого строительства. Меж-дународная научно-практическая конферен-ция, посвященная 70-летию заслуженного де-ятеля науки РФ, члена-корреспондента РА-АСН, доктора технических наук, профессора Валерия Станиславовича Лесовика, 2016. С. 151-156.
5. Поморов С.Б., Филиппов А.А. Фракта-лы и их участие в архитектурном проектировании // Ползуновский вестник. 2014. № 1. С. 141-147.
6. Kravchenko V.F. Application of the Boltzano Function to the Theory of Fractal Antennas. Doklady Physics. 2002. Vol. 66 (2). P. 294-300.
7. Daniel Libeskind. Date Views. [Элек-тронный ресурс] Режим доступа: https://archi.ru/architects/world/22/daniel-libeskind
8. Nanomaterials: Shedding light and water The Agency for Science // A*STAR Research 2012 www.sciencedaily.com/releases/2012/08/120820121230.htm
9. Кожухова М.И., Кнотько А.В., Соболев К.Г., Кожухова Н.И. Микроструктурные особенности формирования иерархической структуры на гидрофобизированной поверхности бетона // Вестник Белгородского госу-дарственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2016. № 9. С. 6-3
10. Кожухова М.И., Флорес-Вивиан И., Рао С., Строкова В.В., Соболев К.Г. Комплексное силоксановое покрытие для супергидрофобизации бетонных поверхностей // Строительные материалы. 2014. № 3. С. 26-30.
