Первых успехов наномодифицирования бетонов добился исследователь из Санкт-Петербурга А.Н. Пономарев с сотрудниками. Им был создан водорастворимый аналог фуллерена «Астрален-С», специально предназначаемый для цементных материалов. Он представляет собой порошок с насыпной плотностью 600 – 900 кг/куб. м. Каждая его крупинка является кластером, построенным из наночастиц. Средний размер кластеров 300 нм. Введение «Астралена-С» в цементные смеси в количестве 0,15% от массы цемента позволяет повысить их подвижность от П1 до П5, заметно увеличив прочность. На основе «Астралена-С» был разработан «Астрофлекс-РК» – наноструктурированный неорганический ремонтный композит на водной основе . Его предназначение – быстрый ремонт взлетных полос аэродромов, железнодорожных железобетонных шпал, путей метрополитена, а также других подобных объектов. Через два часа после использования прочность «Астрофлекса-РК» достигает 20 +/-2МПа, через 12 часов – 30 +/-5МПа, через 36 часов – 40 +/-5МПа .

    Петербургские разработчики создали также «Астрофлекс ГП-1» – материал, проявляющий свойства гиперпластификатора. Производится он в виде порошка и 30%-ного водного раствора. Вводить его надо в количестве 0,15% от массы цемента. Подвижность смеси при этом повышается от П1 до П5 . Увеличивается также прочность, снижается водопроницаемость изделий , изготовленных из смесей с этой добавкой. «Астрофлекс ГП-1» предназначен для использования в гидротехнических, дорожных и самоуплотняющихся бетонах, в том числе в железобетоне заводского изготовления и цементно-песчаных смесях.

    Очень интересной разработкой А.Н. Пономарева является модифицированная астраленами базальтовая микрофибра (МФ) , предназначенная для дисперсного армирования бетонов вместо прутковой стальной арматуры или дисперсного армирования стальной фиброй. Введение МФ позволяет получить двойной эффект. Во-первых, МФ становится дисперсной арматурой для бетона, а дисперсное армирование эффективнее традиционного – прутковой арматуры. Во-вторых, с помощью МФ легче равномерно распределять в бетонной смеси НЧ астраленов. С использованием такой микрофибры уже уложены сотни кубометров бетонных смесей различного назначения, в частности при строительстве моста через Волгу в г. Кимры Тверской области. Бетон там использован легкий (плотность 1,6 т/куб. м, но прочность его была высокой: на сжатие до 60, на растяжение до 6 МПа). Морозостойкость также высокая (F300). Великолепны и водопроницаемость (W1,6 – 2,0), и водопоглощение (менее 1%). 

    Необычные НЧ создали инженеры из Научно-образовательного центра химической физики и мезоскопии Удмуртского научного центра Уральского отделения РАН, Ижевского государственного технического университета и ОАО «Завод «Купол». Эти частицы представляют собой металлы (железо, кобальт, медь, никель), включенные в оболочку углерода. Такие НЧ оказались особенно эффективными для нанобетонов : повышают в два раза их прочность и трещиностойкость, снижают усадку. А вводить их надо в количестве 0,001 – 0,01% по отношению к цементу.

    НПО «Стеклопластик» из Московской области разработало бетон, получаемый из портландцемента, традиционных заполнителей и наномодификатора, добавляемого в количестве 0,01 – 0,02% к массе цемента, и воды, но не обычной, а структурированной ультразвуковой обработкой. Такой бетон уже в семисуточном возрасте приобретает прочность 47 – 50 МПа. Окончательная его прочность – около 100 МПа против 50 – 60 МПа для бетона того же состава, но приготовленного без наномодификатора и на обычной воде.

    В Военно-инженерном институте (г. Санкт-Петербург) с использованием там же изобретенных наномодификаторов удалось создать ремонтный бетонный состав, набирающий необходимую прочность уже через 8 – 10 часов.

     6.2.2. Использование наночастиц микрокремнезема в производстве     дорожно-строительных материалов

    Наряду с углеродными НЧ в последние годы при производстве материалов на основе портландцемента во всевозрастающих объемах стали использовать НЧ диоксида кремния. Эти НЧ несколько менее активны, чем углеродные, зато они несравненно дешевле. Более того, одна из разновидностей данных НЧ – микрокремнезем (МК) – образуется как побочный продукт при производстве элементного (металлического) кремния и ферросилиция. Хотя в основном этот продукт состоит из частиц, размеры которых лежат в коллоидном диапазоне, в нем немало и частиц наноразмерного диапазона. За рубежом МК используют уже около 30 лет, прежде всего при сооружении высотных зданий. В России с недавнего времени после обстоятельных исследований, проведенных в Научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона (г. Москва), МК также начали применять в заметных объемах. Его рекомендовано использовать по следующим наиболее рациональным направлениям:

• при изготовлении несущих и ограждающих конструкций для транспортного, промышленного и гражданского строительства, в том числе подземных и гидротехнических сооружений;
• при возведении монолитных железобетонных массивов с модулем поверхности менее трех, к которым предъявляются требования по обеспечению пониженной кинетики тепловыделения;
• при строительстве конструкций из бетонов низкой проницаемости (марок по водонепроницаемости W16 – W20), повышенной коррозионной стойкости (без вторичной защиты) и морозостойкости при одновременном обеспечении высокой прочности;
• при изготовлении конструкций из бетонов высокой (классы В45 – В60) и сверхвысокой (классы выше В60) прочности, изделий из пластичных бетонных смесей;
• при необходимости обеспечения высокой ранней прочности (на уровне 25 – 30 МПа в возрасте 1 – 2 суток), достаточной для распалубки конструкций и их нагружения;
• при возведении специальных конструкций с использованием высокопластичных нерасслаивающихся бетонных смесей;
• при возведении преднапряженных железобетонных конструкций с учетом возможностей ранней передачи напряжений с арматуры на бетон;
• при устройстве высокоплотных и прочных защитных покрытий способом пневмобетонирования («мокрого» торкретирования) и при ремонтно-восстановительных работах на ответственных сооружениях;
• при возведении уникальных конструкций и сооружений из высокопрочного и сверхвысокопрочного дисперсно-армированного бетона (фибробетона);
• при устройстве сооружений из бетона сверхнизкой проницаемости для консервации и захоронения отходов, в том числе радиоактивных.

    При использовании МК появляется возможность экономить до 25% цемента в бетонах без потери их технологических свойств.

    Еще более эффективным, чем МК, наномодификатором бетонов на основе портландцемента является кремнезоль (КЗ). Он представляет собой водный коллоидный раствор диоксида кремния. Другими словами, это взвесь в воде частиц диоксида кремния. Исследованиями, проведенными в Университете путей сообщений (г. Санкт-Петербург), установлено, что введение КЗ в количестве 1% от массы цемента позволяет повысить прочность при сжатии и изгибе до 50%, а также долговечность изделий.

Установлено, что КЗ оказывает на цемент тройное воздействие – усиливает гидратацию, блокирует поры, то есть снижает водопроницаемость, увеличивает клеящую способность .

    В Санкт-Петербурге КЗ, производимый ООО «НПП Голдтар» под названием «Укрепляющая пропитка «Голдтар», уже давно используют для укрепления поверхностного слоя пористых каменных материалов (бетона, кирпича, штукатурки, шифера). Установлено, что одновременно повышается стойкость поверхности изделий к кислотам, абразивному износу, газовой коррозии. Используют КЗ и для устройства бетонных промышленных полов, взлетных полос аэродромов, причалов, тоннелей. Предварительное пропитывание кремнезолем поверхности старого бетона перед нанесением свежего способствует повышению адгезионной прочности, а обработка им поверхности свежего бетона предотвращает образование микротрещин в процессе твердения. Обработка же зрелого бетона позволяет устранить уже образовавшиеся трещины.