Цементные композиционные материалы для специальных сооружений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Федюк Роман Сергеевич

• Федюк Роман Сергеевич
• доктор наук
• 2022

Оглавление диссертации доктор наук Федюк Роман Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Анализ развития специальных сооружений

1.2. Традиционные материалы для специальных сооружений

1.3. Повышение эффективности цементных композитов

1.4. Эксплуатация, разрушение и повторное использование композитов

1.5. Выводы

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОМПОЗИТОВ ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ

2.1. Моделирование композитов повышенной непроницаемости с позиции техногенного метасоматоза

2.2. Влияние формы сооружения на его динамическую прочность

2.3. Моделирование модифицированных дорожных покрытий с позиции микромеханики композиционных сред

2.4. Моделирование звукопоглощающих композитов

2.5. Выводы

3. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ

3.1. Полиминеральные вяжущие малопроницаемой структуры

3.2. Композиционные вяжущие для самоуплотняющихся бетонов

3.3. Модифицированные композиционные вяжущие

3.4. Композиционные вяжущие для неавтоклавных ячеистых бетонов

3.5. Выводы

4. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ СОЗДАНИЯ МАЛОПРОНИЦАЕМЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

4.1. Управление структурообразованием мелкозернистых фибробетонов

4.2. Особенности формирования малопроницаемой структуры цементного композита

4.3. Выводы

5. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ САМОУПЛОТНЯЮЩИХСЯ БЕТОНОВ ДЛЯ ЗАЩИТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

5.1. Основные принципы проектирования материалов повышенной ударной прочности

5.2. Повышение эффективности высокопрочных самоуплотняющихся фибробетонов

5.3. Создание упруговязкой структуры цементных композиционных материалов

5.4. Обеспечение комплексных защитных свойств материалов

5.5. Выводы

6. МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ПОКРЫТИЯ КОСМОДРОМОВ И ВЗЛЕТНО-

ПОСАДОЧНЫХ ПОЛОС

6.1. Составы и свойства фибробетона на модифицированном вяжущем

6.2. Повышение ударной выносливости дорожных цементных композитов

6.3. Повышение эксплуатационных характеристик модифицированных дорожных материалов

6.4. Выводы

7. КОМПОЗИТЫ ЯЧЕИСТОЙ СТРУКТУРЫ С ПОВЫШЕННЫМИ ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

7.1. Реотехнологические характеристики ячеистобетонных смесей

7.2. Формирование открытопористой структуры ячеистых бетонов

7.3. Улучшение звукопоглощения газо- и пенобетонов

7.4. Связь между пористой структурой композита и прохождением инфра- и ультразвука

7.5. Управление процессами структурообразования ячеистых композиционных материалов

7.6. Выводы

8. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИИ

8.1. Экономический эффект от внедрения результатов

8.2. Экологическая эффективность внедрения результатов диссертации

8.3. Подготовка регламентирующих нормативов и внедрение результатов диссертации

8.4. Варианты технологических линий производства композитов для специальных сооружений

8.4.1. Самоуплотняющиеся фибробетоны повышенной ударной вязкости

8.4.2. Цементные композиты повышенной непроницаемости

8.4.3. Неавтоклавные ячеистые бетоны

8.4.4. Модифицированные дорожные фибробетоны

8.5. Прогрессивность и перспективность разработанных цементных композитов для специальных сооружений

8.6. Внедрение в учебный процесс

8.7. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А - Технологические регламенты

Приложение Б - Стандарты организации

Приложение В - Акты выпуска опытных партий

Приложение Г - Акты внедрения разработанных бетонов

Приложение Д - Протоколы о намерении внедрения зарубежными

предприятиями

Приложение Е - Справки о внедрении в учебный процесс

Приложение Ж - Диплом победителя конкурса учебных изданий

Приложение И - Протоколы о сотрудничестве

Приложение К - Объекты интеллектуальной собственности

Приложение Л - Изучение совместной работы слоев, обладающих разными свойствами, в слоистых конструкциях

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Цементные композиционные материалы для специальных сооружений»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Современный этап развития цивилизации характеризуется значительным влиянием аномальных природных и техногенных воздействий, снижающих иммунитет человека. Соответственно, актуальной является разработка систем комплексной защиты, в т.ч. с использованием специальных сооружений. Ряд технологических проблем сдерживает производство специальных материалов: значительная энергоемкость производства, истощение запасов природного сырья, необходимость применения дорогостоящих модификаторов.

Решением данных проблем является разработка научно обоснованных подходов к созданию цементных композитов, модифицированных с позиции трансдисциплинарных положений и многокомпонентности состава с учетом микромеханики композиционных сред, которые олицетворяют новый этап в проектировании строительных материалов. За счет комплекса прочностных свойств и специальных характеристик, а также технологичности, экономичности и экологичности в результате применения техногенного сырья, модифицированные цементные композиты являются эффективными строительными материалами для специальных сооружений, обеспечивающие их эксплуатацию в экстремальных условиях, и направленные на сохранение жизни, здоровья и поддержание комфорта человека.

Цементные композиционные материалы для специальных сооружений являются объектом исследования диссертации, посвященной решению научно-технологической проблемы создания модифицированных цементных систем на композиционных вяжущих, обладающих необходимыми целевыми характеристиками для эффективной работы в экстремальных условиях.

Научно аргументированные способы регулирования процессов структурообразования в полиминеральных твердеющих системах рассматриваются в работе в качестве предмета исследования, соответствующего фундаментальному применению возможностей

тонкодисперсных многокомпонентных смесей, с использованием техногенного сырья. Предмет исследования коррелирует с современной идеей, представляющей совокупность задач проектирования и эксплуатации композиционных материалов, не учитываемых в классических подходах при производстве материалов и строительных изделий из стандартных цементных бетонов.

Диссертационное исследование проведено при финансовой поддержке грантов РФФИ № 18-29-24113 и № 18-03-00352.

Степень разработанности темы исследования. Разработка новых составов и способов эффективного производства строительных композитов различного назначения - перспективный вектор развития науки о материалах. В опубликованных работах российских и зарубежных авторов теоретически обоснована и эмпирически доказана возможность управления процессами структурообразования посредством модифицирования цементной матрицы различными видами органоминеральных добавок, значимость комплексного использования в композиционных материалах сырьевых ресурсов, как природных, так и техногенных, изучен потенциал оптимизации состава и технологии изготовления цементных композитов. При этом имеется необходимость усовершенствования механизмов структурообразования композиционных систем на основе портландцемента с целью достижения требуемых значений целевых эксплуатационных характеристик композитов для специальных сооружений различного функционального назначения.

Наукоемкость отраслей промышленности определяется, в том числе, скоростью смены сырья, применяемого в технологическом процессе. Для строительной индустрии эта смена происходит достаточно медленно, поэтому необходимо исследование нового нетрадиционного сырья, в том числе техногенного происхождения.

Опираясь на базовые научные представления, актуальным является исследование механизма взаимовлияния сырьевых компонентов, выявление стадий структурообразования полиминеральных систем, и совершенствование

методики управления процессами формирования структуры для улучшения различных целевых эксплуатационных характеристик цементных композитов для специальных сооружений.

Цель работы: Разработка научно-технологических основ получения полиминеральных вяжущих и цементных композиционных материалов для специальных сооружений различного назначения.

Для достижения цели решались следующие задачи:

1. Изучение и классификация перспективных подходов по применению цементных композитов для строительства специальных сооружений различного назначения. Научно-методическое обоснование проектирования структуры и свойств цементных композитов.

2. Выявление взаимозависимостей в системе «сырье - микроструктура -свойства» цементного композита, на основе смеси активированного сырья полиминерального состава, а также механизмов его структурообразования.

3. Разработка и получение активных добавок силикатного и алюмосиликатного состава из некондиционного техногенного сырья.

4. Совершенствование научных представлений о модифицировании структуры строительных материалов, полученных на основе композиционных вяжущих с использованием сырья различного генезиса.

5. Разработка технологических принципов создания эффективных самоуплотняющихся дисперсно-армированных бетонов на полиминеральных композиционных вяжущих для специальных сооружений различного функционального назначения.

6. Теоретическое обоснование и эмпирическое подтверждение возможности получения композиционных мелкозернистых цементных материалов плотной и пористой структуры для специальных сооружений (защитных, высокоплотных повышенной непроницаемости, звукопоглощающих ячеистых, фибробетонов для аэродромных и дорожных покрытий).

7. Выработка рекомендаций по проектированию состава и технологии цементных композиционных материалов с учетом механизмов формирования

структуры многокомпонентных систем. Подготовка нормативно-технической документации для применения полученных в диссертации результатов. Апробация и внедрение в строительную промышленность результатов исследований. Производство опытно-промышленных партий строительных изделий из разработанных цементных композитов.

Научная новизна работы. Предложена научно-техническая концепция создания цементных материалов различной структуры, заключающаяся в использовании полиминерального композиционного вяжущего, полученного на основе активированного некондиционного техногенного сырья, рационально подобранных заполнителей, фибры и химических модификаторов, что обеспечивает получение композитов с заданными эксплуатационными характеристиками, необходимыми для строительства специальных сооружений различного назначения. Активированное композиционное вяжущее обуславливает в случае высокоплотных изделий улучшение микроструктуры с повышением ударной вязкости и снижением проницаемости; в случае ячеистых - формирование прочной матрицы с высокой открытой пористостью.

Даны теоретические представления о механизме фазообразования в твердеющей полиминеральной системе с учетом химико-минералогических особенностей сырья. С позиции микромеханики композиционных сред осуществлено управление структурообразованием малопористой структуры мелкозернистого композита за счет создания высокоплотной и сверхвысокоплотной структуры низкоосновных гидросиликатов кальция размерностью менее 5 нм. Выявлено комплексное действие компонентов вяжущего: кремнеземсодержащие частицы участвуют в пуццолановой реакции, связывая гидроксид кальция, выделяющийся при гидратации клинкерных минералов, в высокопрочные кристаллогидраты второй генерации; тонкомолотый известняковый микронаполнитель кольматирует макроскопические и капиллярные поры, отвечающие за проницаемость структуры; частицы золы-уноса являются подложкой для кристаллизации

новообразований. В результате осуществляется снижение в 2 раза объема макроскопической и капиллярной пористости.

Доказан потенциал снижения проницаемости цементного композита до 2,5 раз в результате рационального подбора состава и технологии активации полиминеральных компонентов. В результате получены цементные композиты с высокой плотностью упаковки, с прочностью при сжатии более 100 МПа, с пониженной проницаемостью при эксплуатации в экстремальных условиях, используя при этом до 60% техногенного сырья.

Установлена зависимость коэффициента динамического упрочнения (КДУ) фибробетона от состава и технологии изготовления: повышение этой характеристики на 70% достигается уплотнением контактной зоны между вяжущей матрицей, заполнителем и фиброй за счет роста однородности смеси и управления консистенцией с учетом подобия деформационных показателей композита. Уплотнение контактной зоны достигается применением в составе композиционного вяжущего активной кремнеземсодержащей добавки, представленной, как аморфной фазой, так и кристаллической (в форме Р-кварца). Улучшение состава на макроуровне (применение фибры) привело к повышению коэффициента ударной вязкости в несколько раз, при этом управление структурообразованием на микроуровне в результате использования полиминерального вяжущего позволило повысить ударную вязкость разрушения на 60 %.

Выявлено комплексное влияние многокомпонентности состава на двух разномасштабных уровнях (нанокремнезем и микрофибра) на структурообразование модифицированного цементного композита за счет того, что наночастицы кремнезема повышают объемную плотность упаковки наногранул гидросиликатного геля, а базальтовая микрофибра, имеющая схожие деформативные характеристики с цементным камнем, обеспечивает прочное сцепление с гидросиликатным гелем и повышает напряжение сдвига относительно цементной матрицы.

Обоснованы и сформулированы закономерности получения ячеистых композитов с высокой открытой пористостью (62 % по объему) с соблюдением закона подобия, что обеспечивает комплексное поглощение акустических волн широкого диапазона (слышимый, ультразвуковой и инфразвуковой спектры) на уровне 80-100%. Установлены характеристики извилистой структуры равномерно распределенных пор в цементном композите и слоистом заполнителе (с преобладанием открытой пористости), позволяющие акустическим волнам проникать через малоразмерные поры в наружном слое цементной матрицы и отражаться от внутренних стенок пор, как в цементной матрице, так и в заполнителе, пока энергия волны полностью не погасится.

Теоретическая и практическая значимость работы. Расширены теоретические представления о процессах структурообразования в полиминеральных твердеющих системах, заключающиеся в использовании законов сродства структур и подобия, теории техногенного метасоматоза при создании строительных материалов для эксплуатации в экстремальных условиях. Для реализации используется широкая номенклатура композиционных вяжущих в зависимости от целевого назначения специальных сооружений (защитные объекты, непроницаемые резервуары, гидротехнические сооружения, покрытия аэродромов и космодромов, сейсмостойкое строительство и др.), которые обеспечивают необходимые эксплуатационные характеристики за счет управления синтезом новообразований, морфологией кристаллов и свойствами цементной матрицы.

Усовершенствована методика исследования скорости деформации фибробетонных образцов в испытательной трубе. Уточнены расчетные формулы для описания зависимости коэффициента динамического упрочнения от скорости деформации фибробетонов, а также для определения коэффициента звукопоглощения с учетом вида заполнителя и значения открытой пористости ячеистого композита. Предложено одночисловое значение коэффициента звукопоглощения, усредненное для частот от 7 до 40000 Гц.

Разработана широкая номенклатура стале- и базальтофибробетонов на композиционном вяжущем с прочностью при сжатии выше 100 МПа, коэффициентом диффузии 1,3410-4 см2/с, водопоглощением 2,5% по массе, маркой по водонепроницаемости '14, воздухопроницаемостью 0,0253 см3/с, паропроницаемостью 0,021 мг/(мчПа).

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена с учетом закона подобия возможность получения эффективных самоуплотняющихся ударопрочных фибробетонных композитов, обеспечивающих высокие физико-механические свойства (Ясж>84 МПа, Яизг>16 МПа, Е=43,5 ГПа, динамическая прочность - 129 МПа, КДУ - 1,68) и эксплуатационные характеристики за счет применения композиционного вяжущего, состоящего, наряду с портландцементом, из активной кремнеземсодержащей добавки техногенного происхождения, тонкомолотого кварцевого песка и известнякового микронаполнителя.

Разработан ряд эффективных фибробетонов на модифицированном композиционном вяжущем с улучшенными эксплуатационными характеристиками (истираемость - 0,68 г/см2, марка по водонепроницаемости -'18, марка по морозостойкости - Б300, высокая термостойкость в диапазоне температур 700-1100°С), что позволяет использовать композиты для взлетно-посадочных полос аэродромов и космодромов.

Разработаны составы ячеистых материалов на композиционном вяжущем, поглощающие до 100% акустических волн широкого диапазона. Запроектированные композиты на базе техногенного сырья, имеющего высокую адгезию к цементному камню, одновременно создавая структуру с открытой пористостью, обладают сниженной цементоемкостью с использованием полученных по авторской технологии алюмосиликатных компонентов и комплекса химических модификаторов. На основе ячеистых композитов изготовлены стеновые изделия с марками D300-D800, классами по прочности В1-В5 и открытой пористостью выше 60%.

Методология и методы исследования в диссертации всесторонне используют фундаментальные трансдисциплинарные подходы в строительном материаловедении при изучении сложной системы. Применено комплексное создание цементных композитов с различными целевыми эксплуатационными характеристиками на различных масштабных уровнях. Физико-механические свойства используемого сырья, а также требуемые эксплуатационные характеристики цементных композитов исследовались современными физико -химическими методами: лазерной гранулометрией, микрокомпьютерной томографией, рентгенофазовым анализом, комплексной порометрией, электронной сканирующей микроскопией, термическим анализом и т.д.

Достоверность научных результатов складывается из: методически обоснованного комплекса теоретических и эмпирических исследований; необходимого количества и диапазона испытаний с использованием современного сертифицированного и поверенного научно-исследовательского оборудования; использования нормативных методов исследования, отвечающих требованиям действующих стандартов; статистической обработки эмпирических результатов с погрешностью не более 5%; сопоставлением результатов, полученных разными методами, а также их сравнением с результатами, полученными другими авторами; удовлетворительной сходимости теоретических и эмпирических исследований.

Положения, выносимые на защиту.

1. Теоретические представления о процессах структурообразования в многокомпонентных твердеющих системах на композиционных вяжущих, заключающиеся в использовании законов сродства структур и подобия, теории техногенного метасоматоза и микромеханики композиционных сред при создании строительных материалов для эксплуатации в экстремальных условиях.

2. Научно-техническая концепция создания материалов различной структуры (плотной, ячеистой) с заданными эксплуатационными характеристиками.

3. Технологические параметры подготовки некондиционного сырья техногенного происхождения с использованием дезинтеграции, флотации, магнитной сепарации, термической обработки, механоактивации и др.

4. Механизм фазообразования в твердеющей многокомпонентной системе с учетом химико-минералогических особенностей сырья.

5. Особенности влияния полиминеральных вяжущих на структурообразование композитов с различными улучшенными целевыми характеристиками.

6. Закономерности влияния состава и технологии изготовления фибробетона на коэффициент динамического упрочнения.

7. Особенности получения ячеистых композитов с высокой открытой пористостью и звукопоглощением в широком диапазоне.

8. Составы и свойства материалов для специальных сооружений: малопроницаемых композитов, ударопрочных фибробетонов, износостойких дорожных покрытий, звукопоглощающих ячеистых бетонов. Результаты апробации.

Личный вклад автора. Достигнутые результаты самостоятельно получены диссертантом. В ходе формулирования проблемы, цели и задач, а также при планировании, анализе и обобщении результатов теоретических и эмпирических исследований, диссертанту была отведена ведущая роль. Диссертант сформулировал, обосновал и реализовал положения комплексного подхода к проектированию составов и технологических схем синтеза полиминерального цементного композита, подтверждающие научную новизну диссертации; подготовил прикладную научно-техническую документацию, обладающую практической значимостью.

Апробация результатов работы. Положения диссертации всесторонне обсуждены на международных научных конференциях во Владивостоке (2010, 2012, 2019, 2022), Воронеже (2011, 2013), Москве (2011, 2012, 2016, 2018, 2021), Петропавловске-Камчатском (2011), Саранске (2011), Махачкале (2012), Киеве (Украина, 2013), Томске (2014), Грозном (2015), Белгороде (2015-2020),

Екатеринбурге (2015, 2017), Курске (2015), Ростове-на-Дону (2015), Нерюнгри (2015), Кемерово (2016), Челябинске (2017), Санкт-Петербурге (2017), Тюмени (2018), Новосибирске (2011, 2018, 2020), Минске (Беларусь, 2019) и др.

Внедрение результатов исследований. Разработаны технологические регламенты на производство полиминеральных вяжущих и цементных композитов с различными целевыми характеристиками, технические условия на строительные изделия и рекомендации по их использованию. Подписаны договоры о сотрудничестве с Министерством обороны РФ (Военно-научный комитет инженерных войск); Центральным НИИ инженерных войск Вооруженных сил РФ, АО «АтомСтройЭксперт» (филиал в Арабской Республике Египет). Осуществлена промышленная апробация результатов исследований в российских и зарубежных организациях: Инженерная служба Тихоокеанского флота, ООО «Артемспецстрой», ООО «Факир», Федеральный университет Санта Марии (Бразилия), Государственный университет Северного Флуминенсе (Бразилия), Северо-Восточный университет (Китай) для последующего внедрения. Внедрение было осуществлено при строительстве защитных сооружений (Инженерная служба Тихоокеанского флота), ремонте аэродрома «Каменный ручей» (п. Монгохто Хабаровского края), ремонте автомагистрали федерального значения Р297 «Амур» (Департамент автодорог и транспорта Еврейской автономной области), строительстве подземной парковки жилого здания (г. Владивосток). Подписаны протоколы о намерениях внедрения материалов для возведения высотных зданий в различных странах: фирма «Pronto!Peformas» (Бразилия, г. Санта-Мария), «High-rising» (Таиланд, г. Бангкок).

Результаты диссертации используются в учебном процессе Дальневосточного федерального университета по специальности 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений» и военно-учетной специальности «Применение подразделений по фортификационному оборудованию, маскировке, строительству и эксплуатации сооружений и объектов военной инфраструктуры», что отражено в учебных материалах

дисциплин «Строительство и эксплуатация сооружений военной инфраструктуры» и «Основы фортификации и маскировки», а также при выполнении курсовых проектов, научно-исследовательских и выпускных квалификационных работ. Результаты диссертации также внедрены в учебный процесс Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова: для подготовки бакалавров направления 08.03.01 «Строительство» и магистров направления 08.04.01 «Строительство», профиль «Инновации и трансфер технологий».

Публикации. Основные положения работы изложены в 124 работах, в том числе в 29 статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, 17 статьях из научных баз Web of Science и Scopus (Q1). Получено 8 патентов РФ на изобретения, 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа включает введение, восемь глав, заключение, список литературы и приложения. Диссертация изложена на 455 страницах машинописного текста, включающего 30 таблиц, 208 рисунков, список литературы из 448 источников, 10 приложений.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Анализ развития специальных сооружений

Первые homo sapiens появились на Земле около 300 тысяч лет назад, и к настоящему времени численность населения составляет 7,9 млрд. человек. При этом наибольший прирост населения, больше чем на 6 млрд., произошел в 20-21 вв. За всю историю человечества, многочисленные проверки на прочность приходится выдерживать людям. В частности, огромные потери приносят болезни, уносящие миллионы жизней (в VI в. от чумы погибло половина населения Европы, а в XIV в. - треть населения планеты, холера в 19 в. унесла 12 млн. жизней, а грипп в XX в. - более 20 млн.). Мировые войны в 20 веке унесли десятки миллионов человеческих жизней: в Первую Мировую - 10 млн. военнослужащих и 11 млн. мирных жителей, а во Вторую - от 50 до 80 млн. человек.

В настоящее время в ведущих странах мира активными темпами развиваются различные системы поражения человека, в том числе летальное и нелетальное оружие. Соответственно, в современном мире актуальной является разработка систем комплексной защиты, в т.ч. специальных сооружений (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Система защиты человека строительными технологиями

Специальные сооружения относятся к особому классу строительных объектов, которым характерны высокие значения различных эксплуатационных характеристик [1-3]. К специальным сооружениям относятся объекты гражданской обороны и защиты от чрезвычайных ситуаций (ГО и ЧС), стартовые площадки космодромов, взлетно-посадочные полосы аэродромов, шахтные установки пуска ракет и прочие уникальные объекты, предназначенные для эксплуатации в экстремальных условиях и выполнения конкретных специальных задач [4-6].

К первым древним специальным сооружениям относятся крепости и плотины. Крепости начали строить еще за несколько веков до нашей эры в период распада рабовладения и становления феодализма, когда на смену лукам и копьям пришло огнестрельное оружие и артиллерия. До настоящего времени эти сооружения сохранились в Сирии, Вьетнаме, Великобритании, Грузии, Боливии, Узбекистане, Армении, Йемене, России [7] (рисунок 1.2).

а) б) в)

Рисунок 1.2 - Древние крепости: а) Россия, б) Йемен, в) Великобритания

Лишь к началу 20 века крепость перестала быть эффективной защитой ввиду появления нарезного и автоматического оружия, а также бризантных гранат в артиллерии; позднее - танков и авиации [8].

Другой вид специальных сооружений - гидротехнические oбъекты, которые впервые появились в виде дамб в Иордании в 3 тысячелетии до н.э. и составляли 4,5 м в высоту. Затем дамбы и плотины строились в Индии, Риме, Сирии, Египте, Испании, Китае, Иране [9] (рисунок 1.3).

а) б)

Рисунок 1.3 - Древние дамбы: а) Испания, б) Иран

Современные плотины достигают в высоту 200-300 м (рисунок 1.4) и являются сложными специальными сооружениями. При их проектировании необходимо учитывать целый комплекс нагрузок и воздействий, как статических, так и динамических (в т.ч. гидродинамических) [10-12].

а) б)

Рисунок 1.4 - Современные плотины: а) плотина Гувера (США), б) Саяно-Шушенская ГЭС

(Россия)

Специальным сооружениям присуще конструктивное отличие от зданий и объектов общегражданского назначения. Изменения в функциональном назначении, конструктивном исполнении и необходимом наборе высоких эксплуатационных характеристик, влечет за собой применение специальных материалов для несущих и ограждающих конструкций. Самым распространенным строительным материалом в мире является бетон, и для специальных сооружений он широко и повсеместно используется. При этом

стоит учитывать назначение специального сооружения, поэтому необходимо применять особые виды бетонных композитов: устойчивые к хлоридам, углекислому газу, кислотам, щелочам, радиации; жаростойкие, огнеупорные, самоуплотняющиесяcя и т.п. [13-17].

Огромные разрушения наносят природные стихийные бедствия, такие как торнадо (рисунок 1.5 а), цунами (рисунок 1.5 б), землетрясения (рисунок 1.5 в) и т.д. В ряде случаев природные бедствия влекут за собой техногенные катастрофы. Например, в 2011 г. вызванная землетрясением десятиметровая волна, несущаяся на скорости более восьмисот километров в час (рисунок 1.5 б), привела к аварии на АЭС «Фукусима». По природным воздействиям на здания и сооружения, их учету и защите от них написано большое количество работ в мировой и отечественной науке [18-27].

Рисунок 1.5 - Стихийные бедствия: а) торнадо в США, 2013 г., б) цунами в Японии, 2011 г., в) землетрясение в Пакистане, 2011 г.

Воздействия природного и антропогенного происхождения на строительные объекты, в том числе, например, падение самолетов на них, исследованы отечественными [28] и зарубежными учеными [29-30]. Длившаяся несколько десятков лет «холодная война» и бурное развитие ядерной энергетики повлекло за собой обширный ряд работ, посвященный ослаблению радиации строительными материалами [31-49]; в последние годы в развитие радиационно-защитных композитов значительный вклад внесли А.П. Прошин и Е.В. Королев [45-47]. Вопросам повышения жаростойкости и огнестойкости строительных материалов и конструкций посвящен ряд научных трудов [16, 24, 28, 48]. Pазработкой высокопрочных и высокоплотных цементных композитов занимались такие отечественные и зарубежные исследователи, как Ю.М.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Федюк Роман Сергеевич, 2022 год

- —

0,5

1,5

2,5 SiCK % 3

1000

900

800

700

гч 600

О

УЗ 500

Z 400

< 300

200

100

0

V = ? П 7fi4

\ R2 \ = 0.851- q.

■ »

г)

0,5

1,5

2'5 SiCK % 3

<N

о

• 1-Н

СЛ £

2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

1

\

\\

\\ - -1 "7 Л С 1 v-n 54f

У — 1 /4 ,51 Л

....... —< к- R - J,9 80 9

-н h— -H

д)

0,5

1,5

2,5 SiG2, % 3

0

1

2

Рисунок 6.7 - Зависимость удельного приращения характеристик N1, N0) от дозировки наночастиц БЮ2. а) Б - б) Б - Ш, в) Б - N10, г) Б - д) Б - Ncd, е) Б - N10,

Таблица 6.6 - Результаты статистической аппроксимации приращения механических характеристик и показателей ударной выносливости для составов Б А, РА, БАБ, РАБ

Характерис тика А Ъ Я2

SА РА БАБ РАБ SА РА БАБ РАБ SА РА БАБ РАБ

Дргш/8Ю2 2,6807 2,526 2,754 2,781 0,451 0,51 0,291 0.521 0,989 0,794 0.957 0,992

Ай1от /8102 54,091 42,73 55,96 47,65 0,616 0,525 0,654 0.597 0,984 0,863 0.990 0,989

ДДс70т /Б102 18,475 - 17,97 - 0,513 - 0,543 - 0,962 - 0.955 -

Дйс2от /Б102 26,032 32,26 25,38 28,38 0,605 0,696 0,62 0.676 0,972 0,989 0.983 0,991

ДД^./^ 79,513 72.21 195,1 187,1 0,666 0,66 0,802 0.694 0,963 0,976 0.993 0,954

ДЩхех. /Б102 - - 18,89 - - - 0,579 - - - 0.944 -

ДД^. /Б102 27,901 29,62 27,70 28,06 0,795 0,934 0,66 0.57 0,997 0,974 0.989 0,940

ДNiv/8i02 59,35 20,40 20,76 23,61 0,874 0,907 0,746 0.789 0,997 0,93 0.851 0,896

ДNcd/8i02 396,27 268,3 174,5 163,8 0,749 0,738 0,596 0.56 0,999 0,999 0.981 0,97

ДNff/Si02 211,74 199,5 122,5 109,7 0,755 0,695 0,58 0.494 0,994 0,990 0.962 0,883

Статистические факторы Я2 при аппроксимации приращений показателей ударной выносливости для составов Б А и БАБ, модифицированных с применением золя, были в среднем выше значений Я2 для уравнений,

аппроксимирующих составы РА и РАБ, модифицированных с применением нанопорошка. Подобие уравнений, выражающих монотонное падение с увеличением дозировки наночастиц БЮ2 приращения всех характеристик (Я280ех, К com, ргш, N0, Кса, Ку), указывает на подобный механизм роста этих показателей. Рост показателей связан с процессами, идущими с участием поверхности наночастиц ЗЮ2:

1) ускорением кинетики гидратации С3Б за счет дополнительных центров нуклеации частиц СБИ на поверхности наночастиц БЮ2, приводящим к увеличению объема СБИ-геля и снижению пористости, дополнительному образованию гидросиликатов кальция С8И(1) в пуццолановой реакции;

2) повышением кинетики и степени полимеризации кремнекислородных тетраэдров в присутствии наночастиц БЮ2, приводящим к упорядоченности структуры СБИ-геля, увеличению объемной плотности укладки наногранул СБИ-геля, снижению отношения Са/Б1 в ИО фазе геля и повышению механических характеристик (М и И) геля. С увеличением дозировки БЮ2 происходит пропорциональное увеличение площади реакционной поверхности наночастиц, но скорость подвода к ней катионов Са2+ ограничена кинетикой гидратации С3Б. Поэтому приращение характеристик (Я280ех, Я28сош, ргш, N0, Кса, КУ), отнесенное к количеству БЮ2 убывает с увеличением дозировки.

Таким образом, выявлен механизм повышения физико-механических свойств и характеристик ударной выносливости модифицированных композиционных материалов за счет влияния разномасштабной комбинации «нанокремнезем+микрофибра».

6.3. Повышение эксплуатационных характеристик модифицированных

дорожных материалов

Важной эксплуатационной характеристикой дорожных покрытий является стойкость к истиранию, которая исследовалась с применением круга ЛКИ-3 (рисунок 6.8).

Рисунок 6.8 - Исследование стойкости образцов к истиранию

Уменьшение потери массы в экспериментах по стойкости к истиранию композитов происходило при увеличении дозировки БЮ2 в диапазоне 0,01-3,0% с 0,9 до 0,68 г / см2 соответственно (таблица 6.7, рисунок 6.9). Зависимость потери массы от дозировки БЮ2 была аналогичной для образцов, модифицированных золем (рисунок 6.10 а) и нанопорошком (рисунок 6.10 б): при дозировках БЮ2 = 0-0,5% потеря веса быстро снижалась с 0,9 до 0,7-0,71 г / см2; при дозировках БЮ2 от 0,5 до 3,0% потеря веса медленно снижалась при увеличении дозировок с 0,7-0,71 до 0,67-0,68 соответственно. В диапазоне БЮ2 0,1-0,5% потеря веса при истирании составила примерно 0,8-0,7 г / см2 соответственно. Модификация золем и нанопорошком БЮ2 в дозировке 0,250,50% и выше позволяет довести марку материала до низкой истираемости.

Таблица 6.7 - Результаты исследования истираемости

Образец Потеря массы, г/см2 Марка по истираемости

ЯеМ 0,92 03

Яе^Ы 0,90 03

001Б 0,85 03

005Б 0,84 03

01Б 0,82 03

025Б 0,74 02

05Б 0,70 01

1Б 0,70 01

2Б 0,66 01

3Б 0,68 01

001Р 0,86 03

005Р 0,83 03

01Р 0,78 02

025Р 0,73 02

05Р 0,71 02

1Р 0,69 01

2Р 0,67 01

3Р 0,67 01

0.95

0.55 •

0.5..............................

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3

-т- Золь -■- Нанопорошок 5Ю3, %

Рисунок 6.9 - Потеря массы при истирании в зависимости от дозировки БЮ2

а) б)

Рисунок 6.10 - Образцы, модифицированные золем (а) и нанопорошком (б), после

исследования на истирание

Водонепроницаемость тяжелого бетона, модифицированного золем наночастиц БЮ2 в количестве 1,0 мас. % определяли по ГОСТ 12730.5. При отсутствии фильтрования воды на противоположной грани образца-куба с ребром 10 см в течение 12 ч при давлении 1 ,0 МПа марка по водонепроницаемости контрольных немодифицированных образцов соответствовала W8.

Образцы, модифицированные наночастицами БЮ2 при дозировке 1,0 мас. %, демонстрировали отсутствие профильтровавшейся воды при давлении 1,8 МПа, и соответствовали марке по водонепроницаемости W18. При модифицировании тяжелого бетона наночастицами БЮ2 в соответствии с кинетическими кривыми водопоглощения уменьшался средний диаметр и объем капиллярных пор.

В данном исследовании цементные композиты группы (БА и РА) и группы (ББ и РБ) показали одинаковую марку по водонепроницаемости в зависимости от дозировки наночастиц БЮ2, которая зависит от среднего диаметра и объема капиллярных пор:

- при дозировке наночастиц БЮ2 0,01-0,1 мас. % - W10-W12 (1,0-1,2 МПа),

- 0,25-1,0 мас. % - W14 (1,4 МПа),

- 2,0 мас. % - W16 (1,6 МПа),

- 3,0 мас. % - W18 (1,8 МПа) (таблица 6.8, рисунок 6.11).

Были найдены статистические корреляции между механическими характеристиками Яс0т28 и Ядех28 и коэффициентом фильтрации К (рисунок 6.12). Коэффициент фильтрации К определен как отношение объема воды профильтровавшейся через сечение образца за определенное время т к перепаду давления между гранями образца в направлении фильтрации (Р - 0,1МПа), умноженному на динамическую вязкость воды ц при температуре 20°С, -плотность воды, g - ускорение свободного падения и расстояние между гранями образца 5: Кг = (ц^^ 5 ^)/(Р - 0,1)-т.

При увеличении дозировки наночастиц БЮ2 от 0,0 до 3,0 мас. % в составах Б, модифицированных золем, коэффициент К уменьшился от 1,36-10"6 см/с до 0.329-10"6 см/с. Для корреляции (Ясот28 - К) лучше соответствовала полиномиальная функция, корреляции (Кдех28 - К) - линейная функция (рисунок 6.11):

Ясот28: у = 7,0-1012- х2 - 2,0407х + 51,853, Я2 = 0,9624 Яйех28: у = -1,0-106-х + 5,6299, Я2 = 0,9342

Рисунок 6.11 - Зависимость рабочего давления, соответствующего марке по водонепроницаемости, от дозировки наночастиц БЮ2 мас. % для составов Б

Таблица 6.8 - Характеристики долговечности модифицированных материалов в возрасте 28 суток

Состав Прочность Марка по Прочность при сжатии (МПа) после количества Марка по Потеря Причина

при сжатии, водонепро- циклов замораживания-оттаивания морозостойкости массы, прекращения

МПа ницаемости 200 -% 250 -% 300 -% 350 -% % испытаний

001Б 35,1 W10 33,6 4,27 32,7 6,84 29,1 - - - Б200 1,8 прочность

005Б 37,2 W12 35,6 4,30 34,2 8,06 - - - - Б200 2,2 масса

01Б 38,6 W12 36,8 4,66 35,7 7,51 - - - - Б200 2,1 масса

025Б 40,2 W14 38,5 4,23 37,3 7,21 36,6 8,96 - - Б300 2,3 масса

05Б 41,2 W14 39,6 3,88 38,4 6,80 37,3 9,47 34,1 - Б300 1,9 прочность

1Б 42,0 W14 40,3 4,05 39,4 6,19 38,4 8,57 - - Б300 2,2 масса

2Б 44,5 W16 42,2 5,17 41,2 7,42 40,4 9,21 - - Б300 2,1 масса

3Б 46,2 W18 44,3 4,11 43,7 5,41 43,0 6,93 42,3 8,44 Б300 2,4 масса

2БС 45,9 W16 44,0 4,14 42,9 6,54 42,0 8,50 41,7 9,15 Б300 2,3 масса

3БС 49,1 W18 48,6 1,02 46,1 6,11 45,3 7,74 44,6 9,16 Б300 2,4 масса

0018Б 36,2 W10 34,6 4,42 33,7 6,91 29,3 - - - Б200 2,0 прочность

0058Б 38,2 W12 35,4 7,33 34,4 9,95 30,2 - - - Б200 2,0 прочность

018Б 39,6 W12 36,7 7,32 35,8 9,60 - - - - Б200 2,1 масса

0258Б 41,1 W14 39,5 3,89 37,6 8,52 37,6 9,25 - - Б300 2,3 масса

05ББ 42,2 W14 39,9 5,45 38,8 8,06 38,3 9,24 35,3 - Б300 1,9 прочность

43,0 W14 40,4 6,05 39,9 7,21 39,4 8,37 38,1 - Б300 1,6 прочность

28Б 45,8 W16 43,2 5,68 42,2 7,86 41,4 9,61 40,1 - Б300 1,8 прочность

47,4 W18 45,3 4,43 44,7 5,70 43,1 9,07 42,8 9,70 Б300 2,4 масса

2ББС 46,5 W16 44,3 4,73 43,8 5,81 42,8 7,96 41,9 9,89 Б300 2,2 масса

3ББС 51,1 W18 49,6 2,94 48,1 5,87 47,7 6,65 46,6 8,81 Б300 2,3 масса

001Р 33,4 W10 32,6 2,40 30,7 8,08 29,3 - - - Б200 1,9 прочность

005Р 35,5 W12 34,6 2,54 32,2 9,30 - - - - Б200 2,2 масса

01Р 36,5 W12 35,8 1,92 33,7 7,67 - - - - Б200 2,3 масса

025Р 39,5 W14 38,5 2,53 37,3 5,57 36,6 7,34 - - Б300 2,2 масса

05Р 40,6 W14 39,6 2,46 38,4 5,42 37,3 8,13 - - Б300 2,1 масса

1Р 41,9 W14 40,3 3,82 39,4 5,97 38,4 8,35 36,7 - Б300 2,0 прочность

2Р 41,9 W16 40,2 4,06 39,2 6,44 38,4 8,35 36,4 - Б300 1,9 прочность

3Р 43,9 W18 42,3 3,64 41,7 5,01 40,0 8,88 39,3 10,48 Б300 1,9 прочность

2РС 42,3 41,0 3,07 40,9 3,31 40,0 5,44 38,7 8,51 Б300 2,3 масса

3РС 47,5 46,6 1,89 45,1 5,05 44,3 6,74 43,6 8,21 Б300 2,3 масса

001РБ 35,4 34,6 2,26 32,8 7,34 31,4 - - - Б200 2,0 прочность

005РБ 36,8 35,9 2,45 33,2 9,78 - - - - Б200 2,3 масса

01РБ 38,9 W12 37,8 2,83 35,9 7,71 - - - - Б200 2,3 масса

025РБ 40,5 W14 38,7 4,44 37,4 7,65 36,8 9,14 35,2 - Б300 2,0 прочность

05РБ 42,1 W14 40,6 3,56 40,4 4,04 38,3 9,03 - - Б300 2,3 масса

1РБ 42,9 W14 41,3 3,73 40,4 5,83 38,5 10,26 - - Б300 1,9 прочность

2РБ 44,0 W16 43,2 1,82 42,2 4,09 40,8 7,27 - - Б300 2,3 масса

3РБ 46,4 W18 44,8 3,45 43,9 5,39 43,1 7,11 42,6 8,19 Б300 2,1 масса

2РБС 48,4 W16 46,0 4,96 44,9 7,23 44,0 9,09 43,7 9,71 Б300 2,2 масса

3РБС 49,0 W18 48,3 1,43 46,0 6,12 45,4 7,35 44,3 9,59 Б300 2,1 масса

ЦЕМ 31.1 W6 30.2 2,89 29.5 5,14 27.0 - - - Б200 2,0 прочность

ЦЕМ+фибра 32,1 W8 31,3 2,49 29,7 7,48 - - - - Б200 2,3 масса

ПЦ+СП 34,0 W8 32,8 3,53 31,6 7,06 - - - - Б200 2,2 масса

ПЦ+СП+фибра 35,0 W8 33,3 4,86 32,7 6,57 - - - - Б200 2,2 масса

а)

48 46 44 42 40 а- 38 36 34

й

03 о см и

-А-

У - 7 Е+ И2Х2 - 2Е+ 1-07 Х + 51, 853

R2 -

32 3,29Е-07

5,29Е-07

7,29Е-07

9,29Е-07

1,129Е-06

1,329Е-06

Кг, см/с

б)

3,29Е-07 5,29Е-07 7,29Е-07 9,29Е-07 1,129Е-06 1,329Е-06

Кг, см/с

Рисунок 6.12 - Статистические корреляции между механическими характеристиками цементных композитов составов Б и коэффициентом фильтрации. а) Ясот28 - К, б)

ЯЯех28 - Кг .

Статистический фактор корреляции Я2 был выше для прочности при сжатии Ясот28 (Я2 = 0,9624) по сравнению со значениями прочности при изгибе Кдех28 (Я2 = 0,9342). Коэффициент фильтрации зависит от объема и среднего диаметра открытых капиллярных пор и его значение уменьшалось с увеличением дозировки наночастиц БЮ2. Высокие статические факторы корреляции механических характеристик с коэффициентом Кг показали, что увеличение Ясот28 и Яйех28 с ростом дозировки наночастиц БЮ2 в значительной степени связано с

уменьшением объема и диаметра капиллярных пор в результате ускорения кинетики гидратации С3Б и увеличения объема СБИ-геля и образованием дополнительного объема продуктов пуццолановой реакции -гидросиликатов С8И(1).

Морозостойкость цементных композитов определяли по числу циклов замораживания-оттаивания, после которых потери прочности при сжатии не превышали 10 % и потери массы не превышали 2 % относительно контрольных образцов, а также отсутствовали трещины и сколы. По числу циклов определялась соответствующая марка по морозостойкости. При дозировке нанокремнезема в количестве 0,25 мас.% для составов цементных композитов, модифицированных наночастицами ЗЮ2 и комбинацией «наночастицы ЗЮ2 - базальтовая микрофибра», число

пройденных циклов повысилось от 200 до 300 (рисунок 6.13).

Рисунок 6.13 - Потери прочности при сжатии в циклах замерзания-оттаивания при испытаниях цементных композитов на морозостойкость

На рисунке 6.14 показаны кинетические кривые водопоглощения бетонных образцов. Из рисунка 6.14 и таблицы 6.9 видно, что относительная скорость набора массы у образцов модифицированного бетона была ниже, и эта разница относительно скорости набора массы возрастала с увеличением дозировки ЗЮ2. Общий объем пор у модифицированного бетона был ниже, и уменьшался с увеличением

дозировки БЮ2. Показатель пористой структуры X и показатель однородности пор а, вычисленные по результатам анализа кинетики

водонасыщения Ш^) = Ш,

тах

1 _ е-(А^)с

по ГОСТ 12730-4 изменялись

в зависимости от дозировки БЮ2; где Wmax - максимальное изменение массы бетона в результате водопоглощения.

Рисунок 6.14 - Кинетика водопоглощения % образцов, модифицированных золем БЮ2: а) в диапазоне 0-12 дней, б) в диапазоне 0-24 часа.

Таблица 6.9 - Характеристики водонепроницаемости разработанных композитов

Образец Уровень фильтрации / давление воды Продолжительность, час: мин Марка

ЯеМ-1 5 / 1,0 МПа 66:51 ^№10

0018ЛБ 6 / 1,2 МПа 82:27 ^№10

18ЛБ 6 / 1,2 МПа 81:29 ^№10

28ЛБ 10 / 2,0 МПа 146:55 ^№18

ЗБЛБ 9 / 1,8 МПа 133:24 ^№18

ЗБЛСБ 10 / 2,0 МПа 147:42 ^№18

Показатель X уменьшался, а показатель а увеличивался при увеличении дозировки БЮ2, что соответствовало уменьшению среднего диаметра пор и повышению однородности дифференциального распределения объема пор по диаметру. Установлены следующие значения параметров X и а для разных дозировок БЮ2:

Ref-1-1 - контрольный образец, максимальное водонасыщение (по данным сушки) Wmax = 6,28 %, X = 1,50, а = 0,30;

001SAF - образец с добавкой SiÜ2 = 0,01 %, Wmax = 6,27 %, X = 0,239, а = 0,469,

1SAF - образец с добавкой SiO2 = 1 %, Wmax = 5,72 %, X = 0,080, а = 0,706,

2SAF - образец с добавкой SiO2 = 2 %, Wmax = 5,41 %, X = 0,0542, а = 0,824. С учетом того, что показатель пористой структуры X пропорционален 3-ей степени среднего диаметра пор, при дозировке SiO2 = 3 %, X уменьшился в 28,4 раза в сравнении с контрольным составом, а средний диаметр пор, соответственно, уменьшился в 3,05 раза. Относительное снижение массы при сушке было ниже у модифицированного бетона и снижалось с увеличением дозировки SiO2. В конце сушки снижение массы у немодифицированного бетона составило 6,25 %, у модифицированного бетона при дозировке SiO2 0,01 мас. % -6,2%, 2,0 мас. % - 5,7 %, 3,0 мас. % - 5,4 % (рисунок 6.14). Через 4 суток после начала сушки снижение массы у немодифицированного композита было 4,1 %, при дозировке SiÜ2 0,5 мас. % - 3.8 %, 2,0 мас. % - 3,4 %, 3,0 мас. % - 2,9 %.

Важной эксплуатационной характеристикой для покрытий взлетно-посадочных полос и космодромов является термическая стойкость. Количество термосмен, вызывающих разрушение образца при разных температурах, приведено в таблице 6.10. Повышение термической стойкости разработанных композитов объясняется влиянием нанокремнезема на формирование структуры композита, особенно в переходной зоне между вяжущей матрицей, зернами песка и фиброй. Термостойкость повышается благодаря вводу базальтовой микрофибры. Но более сильным влиянием на термическую стойкость в составах SAF, PAF и LC оказалось повышение количества нанокремнезема. С увеличением дозировки нанокремнезема повышались показатели

термостойкости. Причем по зависимости их от дозировки SiO2 видно, что дальнейшее увеличение дозировки приведет к значительному повышению показателей. Только влиянием нанокремнезема эти результаты объяснить нельзя; здесь прослеживается синергетический эффект композиционного вяжущего, а также взаимодействие частиц песка с поверхностью микрофибры.

Таблица 6.10 - Термостойкость разработанных композитов

№ состава Количество теплосмен до разрушения

700°С 900°С 1100°С

001SAF 5 5 1

1SAF 10 8 3

2SAF 12 9 5

3SAF 15 12 7

001PAF 6 4 2

1PAF 9 9 3

2PAF 13 9 4

3PAF 14 13 8

8 7 3

2LC 11 8 4

3LC 14 11 6

4LC 16 13 8

Ref-1 4 3 1

Ref-1-1 8 6 2

Ref-2 5 4 0

Ref-3 7 6 1

Эффект влияния наночастиц SiO2 сильнее выражен на составах 2LC, 3LC и, особенно, 4LC, с принудительно меньшим количеством вяжущего. В этих составах отношение «микрофибра-песок» было тем же, что в составах SF и PF.

Для понимания комплексного влияния особенностей композиционного материала на его эксплуатационные характеристики, необходимо сопоставление с результатов по термостойкости с результатами по прочности при изгибе в этих же составах. Прочность при изгибе коррелирует с трещиностойкостью, как под действием

механической нагрузки, так и под действием напряжений, возникающих от градиентов температур.

Наиболее вероятным механизмом повышения термостойкости является повышение показателей структуры CSH геля. Ввод наночастиц БЮ2 приводит за счет увеличения количества гидратов и пуццолановой реакции к снижению общей капиллярной пористости, уменьшению показателя X структуры пор и, соответственно, снижению среднего диаметра пор. Также увеличивается объемная плотность укладки частиц, повышаются модуль упругости, твердость фаз CSH геля. В итоге, наночастицы SiO2 повышают прочность при изгибе и механические коэффициенты трещиностойкости, в том числе, под действием градиентов температур.

На поверхности образцов, нагретых до 700°С, видимого эффекта не наблюдалось. Крупные трещины и частичное растрескивание образцов наблюдались при 900°С. Образцы потеряли целостность при 1100°С. Свойства бетона после воздействия температуры можно оценить, наблюдая за изменением цвета бетона.

Степень, серьезность и характер выкрашивания, отслаивания и потери массы различались. Выкрашивание считалось незначительным, когда происходила только поверхностная язвенная коррозия. Однако трещины могут повлиять на термическую стойкость и несущую способность конструктивного элемента, если он подвергает фибру быстрому нагреву. Таким образом, последствия отслаивания зависят от области применения бетона. Например, трещины, которые в большинстве конструкций могут считаться незначительным, создают серьезные проблемы для бетонных покрытий взлетно-посадочных полос, используемых для военных самолетов.

6.4. Выводы

1. Научно обоснована возможность получения эффективных фибробетонов на разработанном модифицированном вяжущем, с высокими прочностными свойствами (К^ж>48 МПа, Rи3г>13 МПа) и эксплуатационными характеристиками (истираемость - 0,68 г/см2, марка по водонепроницаемости - W18, марка по морозостойкости - F300, высокая термостойкость в диапазоне температур 700-1100°С), что позволяет использовать композиты для взлетно-посадочных полос.

2. Выявлено, что наночастицы SiO2 приводят: к ускорению гидратации C3S; к появлению дополнительного количества гидросиликатов кальция CSH(I) за счет пуццолановой реакции; увеличению объема CSH-геля и снижению пористости твердого цементного композита; ускорению полимеризации кремнекислородных тетраэдров, повышению степени их полимеризации; снижению отношения Ca/Si в фазах СSH-геля; формированию более упорядоченной структуры CSH-геля с повышенной долей НО фазы с объемной плотностью упаковки гранул п = 0,78 и более высоким средними значениями М, Н по сравнению с LD фазой, имеющей п = 0,66. Установлено, что коэффициенты трещиностойкости растут с увеличением объемной доли НО фазы с более высокими механическими характеристиками по сравнению с фазой LD.

3. С позиции закона подобия, базальтовая микрофибра имеет схожие деформативные характеристики с цементным камнем (линейные коэффициенты температурного расширения 8 10-6 и 10 10-6 °С-1 соответственно). Это усиливает сцепление CSH-геля с поверхностью фибры и повышает напряжение сдвига цементной матрицы относительно поверхности фибры и таким образом проявляется синергетическое усиление действия разномасштабной комбинации «нанокремнезем -базальтовая микрофибра». Установлено, что с возрастанием дозировки наночастиц SiO2 изменялся характер разрушения цементных композитов:

при дозировке БЮ2 0,5 мас. % и выше увеличилось количество трещин, уменьшилась их ширина и возрос коэффициент извилистости Ксиу.

4. Выявлено, что эффективное приращение прочности при сжатии и изгибе, отнесенное к дозировке нанокремнезема, снижается по степенным зависимостям, которые можно аппроксимировать с высоким статистическим фактором Я2 для модифицированных композитов. Установлены высокие значения ранней прочности, в частности, при дозировке нанокремнезема в количестве 3% наблюдается удвоение ранних прочностных свойств. При этом синергетический эффект на прочность при изгибе оказывает комбинация «фибра - золь нано-8Ю2» и «фибра -нанопорошок кремнезема» с учетверением этой характеристики.

5. Разработана комплексная модифицирующая добавка, включающая поликарбоксилатный суперпластификатор и нанокремнезем в виде золя или порошка, перемешанного ультразвуковым смесителем; введение данной добавки повышает на 10-15% весь комплекс физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик материала по сравнению с раздельным вводом компонентов в тех же пропорциях.

6. Установлено, что коэффициент ударной вязкости разработанных композитов возрос в 9,2 раза в сравнении с контрольным составом; приращение показателей ударной выносливости (число ударов до образования первой трещины и до разрушения, а также коэффициент ударной вязкости) в зависимости от дозировки наночастиц БЮ2 аппроксимирован степенными зависимостями того же вида, что и механические характеристики с высокими статистическими факторами Я2.

7. Доказано положительное влияние состава разработанного композита на эксплуатационные характеристики, в частности, уменьшение потери массы в опытах по стойкости к истиранию разработанных композитов происходило при увеличении дозировки БЮ2 в диапазоне 0,01-3,0% с 0,9 до 0,68 г / см2 соответственно; водонепроницаемость модифицированного композита обеспечивает давление воды 2 МПа в

течение 148 часов, что соответствует марке W18 (для контрольного образца - W8), марка по морозостойкости - F300.

8. Установлено, что водопоглощение у образцов модифицированного бетона было ниже, чем у контрольного образца, что объясняется снижением показателя поровой структуры X в 28,4 раза, а среднего диаметра пор в 3,05 раза. Общий объем пор у модифицированного бетона снижался с увеличением дозировки нано^Ю2.

9. Доказано, что повышение термостойкости разработанных композитов объясняется влиянием нанокремнезема и базальтовой фибры на формирование структуры бетона и изменением элементного состава цементного камня в зоне контакта с зернами песка и фиброй. При этом прочность при изгибе коррелирует с трещиностойкостью, как под действием механической нагрузки, так и под действием напряжений, возникающих от градиентов температур.

10. Согласно классификации ГОСТ 25192-2012, полученные цементные композиты на плотных заполнителях относятся к высокопрочным, тяжелым, конструкционным, быстротвердеющим, с плотной структурой, твердеющим в естественных условиях, обладающим высокой морозостойкостью, водонепроницаемостью и низкой истираемостью.

7. КОМПОЗИТЫ ЯЧЕИСТОЙ СТРУКТУРЫ С ПОВЫШЕННЫМИ ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

7.1. Реотехнологические характеристики ячеистобетонных смесей

Широкая номенклатура газо- и пенобетонов неавтоклавного твердения, перечисленных ранее на рисунке 3.53, была всесторонне исследована и проанализирована.

Все разработанные составы были созданы, исходя из требований одинаковой подвижности, однако, кроме того, еще были исследованы реограммы, демонстрирующие, что все запроектированные смеси при градиенте скорости сдвига в интервале от 5 до 25 с-1 характеризуются тиксотропным типом течения с плавным снижением вязкости (рисунок 7.1).

О -1-1-1-1-1-1-1-1

5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 Градиент скорости сдвига, с-'

Рисунок 7.1 - Влияние градиента скорости сдвига на эффективную вязкость пено- и

газобетонных смесей

Увеличение процентного содержания клинкерной составляющей в КВ повышает вязкие характеристики смеси, что обусловлено активным связыванием определенной доли воды затворения уже в ранние сроки

твердения. Позитивным фактором здесь будет являться уменьшение усадочных явлений на первых этапах гидратации, что и будет доказано позднее, при исследовании характеристик усадки.

В результате реологических исследований установлено, что все разработанные смеси обладают характеристиками, позволяющими эффективно транспортировать их к бетонируемым конструкциям. Определенные расхождения в значениях эффективной вязкости, выражающиеся в формах графиков обоснованы различной дозировкой исходных компонентов, в частности тех, которые повышают потребность в воде затворения (алюмосиликатная добавка, пористый заполнитель, полипропиленовые волокна). Несмотря на это, доказано, что, даже в случае применения этого сырья, вязкость растет в допустимых пределах.

Нагляднее всего демонстрируется влияние дисперсных волокон на рост вязкости, что обусловлено тем, что в отличие от смесей с повышенным содержанием алюмосиликатной добавки и пористого заполнителя, при введении полипропиленовой фибры не планируется рост водопотребности.

Вместе с тем, волокна полипропиленовой природы, химически не реагируют с водой и протеиновым пенообразователем, а механически влияют на структуру пены, что приводит к созданию сплошных водных каналов вдоль фибры, а это, в свою очередь, которые облегчают движение разных структурных элементов друг относительно друга и между формирующимися порами в ячеистом цементном композит. Повышая подвижность смеси, создается возможность формировать устойчивые ячеистобетонные системы с заданным значением открытой пористости при сниженном водотвёрдом отношении, а это уплотняет и упрочняет межпоровые перегородки.

Естественно, главный элемент управления реологическими характеристиками смесей - поликарбоксилатный химический модификатор. Рисунок 7.2 демонстрирует схему молекулы

поликарбоксилатного эфира, состоящую из основной цепи, адсорбированной на цементной частице, и боковых цепей, заполняющих объем вокруг основной цепи. Здесь можно рассмотреть модель капли, описывающую полимер как не контактирующую друг с другом последовательность полусфер.

Рисунок 7.2 - Схема поликарбоксилатной молекулы

Таким образом, проявляется двойной механизм отталкивания за счет стерического и электростатического эффектов, что позволяет эффективно управлять реологическими характеристиками разработанных цементных композитов.

7.2. Формирование открытопористой структуры ячеистых бетонов

Оценивая влияние общей пористости на прочностные свойства ячеистых образцов в возрасте 28 суток (рисунок 7.3), отмечаем обратную зависимость данных параметров. При этом образцы газобетонного композита демонстрируют наивысшие процентные показатели открытой пористости с одновременным достижением сравнительно низких характеристик прочности при сжатии. Соответственно, даже с учетом того, что алюминиевый газообразователь эффективнее, чем протеиновый

пенообразователь для формирования пустот, особенно открытой пористости, прочностные свойства газобетонных композитов несколько ниже, чем пенобетонных. Дисперсное армирование ячеистобетонной смеси является эффективным способом оптимизации физико-механических свойств с незначительным влиянием на систему пор. При этом замена вспученного вермикулита плотным заполнителем приводит к формированию более прочной, но менее пористой структуры в результате уплотнения упаковки частиц, но это негативно отражается на акустическом поглощении разработанных ячеистых цементных композитов.

Рисунок 7.3 - Зависимость прочностных свойств от различных видов пористости 28-

суточных ячеистых композитов

Анализируя экспериментальные результаты, устанавливаем, что рост прочности при сжатии у ячеистых композитов 9П, 10Г, 11П, 12Г

обусловлен формированием более плотной смеси за счет присутствия повышенного содержания зерен кварцевого песка, вокруг которых аккумулируются мелкие компоненты наполнителя КВ, снижением воды в системе в результате ее хемосорбции клинкерными компонентами, а также реакции гидратации, формирующей различные кристаллогидраты. Все эти причины приводят к созданию более прочной матричной микроструктуры композита.

С применением метода Тагучи, доказано, что процентное соотношение плотного и пористого заполнителя максимально влияет на развитие прочностных свойств и открытопористую структуру композита (рисунок 7.4).

а)

б)

Рисунок 7.4 - Влияние параметров состава на развития прочности при сжатии (а) и открытой пористости (б) (по методологии Тагучи)

Например, зависимость прочностных свойств от параметра «содержание АСД на уровне 40%» составляет (1,1 + 1,1 + 4,0 + 4,3 + 7,6 + 7,5) / 6, а от значений открытой пористости - (40,0 + 61,9 + 30,1 + 42,3 + 23,9 + 36,8) / 6. Зависимость прочностных свойств от параметра «вид бетона» для газобетонных образцов вычисляется как (1,1 + 1,0 + 4,3 + 4,0 + 7,5 + 7,6) / 6, а от значений открытой пористости (61,9 + 62,1 + 42,3 +50,8 + 36,8 + 41,1) / 6. Используя методологию Тагучи получаем значения средней прочности при сжатии ячеистых композитов на уровне 1,17; 4,35 и 7,63 МПа для отношений видов заполнителя (пористый / плотный) на уровне 35/0, 20/180 и 0/335 кг/м3, соответственно, а средние показатели открытой пористости демонстрируют значения 50,95; 37,30 и 32,15 %, соответственно. Рост количества вермикулитового легкого заполнителя приводит к повышению значения открытой пористости, а увеличение количества плотного песка влечет за собой упрочнение фибробетона.

Рост содержания АСД приводит к незначительному возрастанию обоих изучаемых параметров, а наличие дисперсных волокон повышает прочностные свойства в среднем на 0,2 МПа, но уменьшает значения открытой пористости почти на пять процентов.

Анализ численного эффекта каждого параметра на динамику изменения поровой структуры и прочностных свойств осуществлялся с применением дисперсионного анализа (ANOVA). Влияние (в процентах) каждого исследуемого параметра и его суммы квадратов на общую сумму квадратов продемонстрирован на рисунке 7.5.

В частности, сумма квадратов (SS) каждого исследуемого параметра (LS) равна:

551 = ЫхЬх - ^¿)2 (7.1)

да:

N - число испытуемых образцов = 6)

L - число уровней для каждого исследуемого параметра ^ = 2-3)

X\ - средняя величина (для каждого разработанного состава) прочности при сжатии и открытой пористости (среднее из 2*6 = 12 или 3*6 = 18 значений)

X - средняя величина (для всех разработанных композитов) прочности при сжатии и открытой пористости) (среднее из 12 X 6 = 72 значений).

Прочность при сжатии Открытая пористость

Рисунок 7.5 - Влияние (в процентах) каждого исследуемого параметра и его

квадратов на общую сумму квадратов

Рисунок 7.6 демонстрирует динамику аутогенной усадки разработанных ячеистых композитов. В первые сутки аутогенная усадка резко растет, что обусловлено схватыванием смеси и поглощением при этом жидкой фазы; затем значения аутогенной усадки в определенной степени стабилизируются. В результате роста дозировки алюмосиликатной добавки с 0 до 100 кг/м3 аутогенная усадка обоих видов ячеистых композитов плавно снижается. Дозировка алюмосиликатной добавки на уровне 128 кг/м3 обеспечивает минимальные значения аутогенной усадки, через 3 суток этот показатель был почти на 54% меньше (состав пенобетонного композита 5П), чем у контрольного образца. Это связано с тем, что при введении алюмосиликатной добавки в состав сырьевой смеси, возрастает число центров кристаллизации новообразований растет, что позволяет достичь более высокую жесткость, повышая устойчивость к усадочным деформациям. При этом тенденция

роста усадочной прочности хорошо коррелирует зависимости повышения прочностных показателей затвердевшего композита. Упрочнение композита в процессе структурообразования эффективно компенсирует внутренние напряжения, возникающие в результате капиллярного отрицательного давления.

Рисунок 7.6 - Значения аутогенной усадки ячеистобетонных композитов

При избыточной дозировке алюмосиликатной добавки в составе полиминерального вяжущего до 160-200 кг/м3, величина аутогенной усадки ячеистых композитов повышается. Это обусловлено несколькими исходными предпосылками: 1) определенная доля тонких алюмосиликатных компонентов кольматирует поровую систему; 2) АСД служит катализатором вторичной генерации новообразований С8И(1). В результате поверхность раздела между не полностью прогидратированными портландцементными частицами и продуктами гидратации более плотной и гомогенной, что снижает среднюю поровую размерность. Известно, что характеристика значений аутогенной усадки зависит от капиллярного давлением в твердеющем ячеистобетонном композите. В свою очередь, капиллярное давление значительно зависит от размера пор. Поэтому рост содержания алюмосиликатной добавки в полиминеральном вяжущем обеспечивает снижение радиусов капиллярных каналов, что повышает давление в них, соответственно,

аутогенную усадку ячеистобетонных композитов. Например, в газобетонной смеси 12Г значения аутогенной усадки превосходят аналогичные показатели контрольного состава.

Содержание алюмосиликатной добавки в составе полиминерального вяжущего на уровне 128 кг/м3 демонстрирует через трое суток аутогенную усадку твердеющей газобетонной смеси в два раза меньше, чем у контрольного состава. У пенобетонной композиционной смеси при той же дозировке АСД значения аутогенной усадки превосходят более, чем на семь процентов по сравнению с газобетонной смесью, что объясняется, как более сложным компонентным составом газобетонной смеси, так и различиями в механизмах формирования поровой сети.

Аналогичные исследования были проведены для изучения динамики усадки при высыхании разработанных ячеистобетонных композитов (рисунок 7.7). Выявлено, что значения изучаемых характеристик значительно растут в течение первых четырнадцати суток, а затем стабилизируются. При введении алюмосиликатной добавки в состав полиминерального вяжущего с 0 до 100 кг/м3, исследуемые показатели растут и через 56 суток данное приращение достигает практически 70%. Полученные результаты обусловлены несколькими причинами: 1) высокая активность АСД интенсифицирует гидратационные процессы гидратации на раннем этапе, что приводит к увеличению водопотребления, и, как следствие, капиллярного натяжения (при этом данная тенденция все нагляднее демонстрируется при росте дозировки алюмосиликатов в составе полиминерального вяжущего, приводя к сравнительно большим значениям ранней усадки); 2) повышение содержания алюмосиликатной добавки снижает текучесть смеси, в связи, как с повышенной водопотребностью АСД, так и с повышенным агломерированием частиц полиминерального вяжущего. Кроме того, при смешивании пенобетонной смеси могут может осуществляться разрыв пузырьков пены, а учитывая то, что в процессе структурообразования композита формирующаяся

микроструктура является низкоплотной, внутренние микродефекты растут в пространстве, поэтому создается определенное количество связанных между собой пор, подверженных усадке при высыхании.

О 3 7 14 21 28 56 0 3 7 14 21 28 56

Время, сут Время, сут

Рисунок 7.7 - Значения усадки при высыхании ячеистобетонных композитов

В случае дальнейшего роста содержания АСД в составе полиминерального вяжущего до значений в диапазоне от 160 до 200 кг/м3, показатели усадки при высыхании снизились, в результате того, что избыточная часть алюмосиликатной добавки не вступает в реакцию связывания щелочной среды. При этом данные тонкодисперсные зерна вяжущего частично кольматируют поровое пространство, уплотняя микроструктуру твердеющего композиционного материала, одновременно снижая усадочные деформации.

Отмечается схожая тенденция роста усадки при высыхании одновременно с количеством увеличения содержания алюмосиликатной добавки с 0 до 100 кг/м3 для обоих видов ячеистобетонных композитов. В частности, через 56 суток усадка при высыхании образца 2Г превышает в 2,7 раза аналогичные показатели контрольного состава, и более чем на 60% усадку при высыхании пенобетонного композита с таким же содержанием АСД. Вероятно, это связано, как с более сложным компонентным составом газобетонного композита, так и с различием в механизмах формирования поровой структуры.

Пенобетонные композиты

В отличие от составов тяжелого бетона, на свойства пенобетонных материалов значительно влияет варьирование водосодержания. В связи с тем, что прочностные свойства ячеистых цементных композитов управляются в результате варьирования водовяжущего отношения, водопотребность не может применяться для контроля достижения целевых показателей физико-механических свойств. В частности, при недостаточном содержании воды затворения в пеноцементной массе, старт реакции гидратации приводит к поглощению части воды из оболочек пенных пузырьков, что ведет к их разрушению и коалесценции (оседанию). Излишек воды также нежелателен, как для достижения целевых значений физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик, так для расслаиваемости смеси и значительному разбросу плотности по высоте исследуемого образца. Рациональная процентная дозировка воды в пенобетонных смесях зачастую заключается в поиске компромиссного решения между достижениями необходимых значений прочности и плотности.

Мелкие алюмосиликатные наполнители упрочняют пузырьки пены в затворенной смеси. При этом огромное значение приобретает рациональная дозировка наполнителя в полиминеральном вяжущем: нехватка не позволит в полной мере закрыть поверхность поровой пленки, и провести, таким образом, ее усиление; а превышение оптимальной дозировки повлечет за собой кластерную агрегацию в перегородках между порами, а значит, к значительному различию в их плотностях. Управление структурообразованием осуществляется, в том числе, благодаря варьированию количества мелких частиц АСД. Помимо вышеобозначенных функций, алюмосиликатная добавка перераспределяет свободную жидкость, присутствующую в системе, по поверхности зерен полиминерального вяжущего в виде сольватных оболочек, не

аккумулируясь в одном месте. Благодаря этому создается пористый каркас «сводчатой» структуры, который будет способен эффективно перераспределять внутренние напряжения, возникающие под действием силы тяжести и давления вышележащих элементов конструкции. Кроме того, гетеродисперсность твердой фазы ячеистых композиционных материалов, обеспечивает структурообразование более плотной упаковки частиц в промежутках между порами и повышение прочностных характеристик всего твердеющего массива.

Гидратационная реакция и частичное связывание и испарение свободной воды повышает контактную площадь реагирующей системы, формируя глобулы новообразований. Адгезионные характеристик условно сферических зерен полиминерального вяжущего, а также протяженной дисперсной арматуры, имеют значительные различия. Наличие волокон позволяет обеспечить сшивку композита, её кластеризацию, рост агрегативной стабильности и, соответственно, повышение плотности межпоровых перегородок.

Исследование микроструктуры пенокомпозитов демонстрирует наличие мелких пор, в том числе внутри межпоровых перегородок (рисунок 7.8). Установлено 2 разных вида этих пор: сферические и эллипсоидальные, которые обусловлены различным механизмом формирования. Зарубежные авторы [101] выдвигают теорию, что сферические поры образуются вовлеченными пузырьками воздуха, соответственно, они лишены поверхностных зарядов, а значит, не подвержены влиянию пены и поэтому обладают большей устойчивостью.

Овальные поры формируются благодаря пене, которая создается ПАВ пластифицирующего химического модификатора за счет действия локальных сил. Достаточно мелкие поры такого генезиса обусловлены ростом в результате Оствальдовского созревания [133], которое представляет собой конденсацию пересыщенной фазы вещества на поздних стадиях структурообразования, когда рост глобул

новообразований осуществляется в результате «подавления без поглощения» более мелких продуктов гидратации. Таким образом формируются поры, растущие в диаметре, но при этом окруженные мелкой пористой сетью в межпоровых перегородках затвердевшего композита.

в) г)

Рисунок 7.8 - Морфология образцов пенобетонных композитов: контрольный традиционный пенобетон (а, в) и разработанный композит (б, г)

Отмечаются различия в текстуре внутренней поверхности различных видов пор. В частности, крупные поры, обладающие гладкой поверхностью за счет «связывания» пены с ее поверхностью и образования вяжущего затвердевшего слоя. При этом текстура пор, расположенных внутри межпоровых перегородок, характеризуются шероховатой поверхностью, вне зависимости от того, сферические или овальные это поры.

Крупные поры на микроснимках затвердевших образцов пенобетонных композитов (рисунок 7.8) зачастую формируются

трещинами. Превалирующая их часть создается в результате шлифовки образцов для проведения сканирующих микроскопических исследований; при этом данные дефекты микроструктуры соединяют некоторые поры. Однако, при этом наблюдаются другие трещины, заканчивающиеся внутри пор, которые обусловлены растягивающими локальными деформациями, создающимися дифференциальной усадкой при сушке. Очевидно, что данные трещины значительно влияют на проницаемость среды, в том числе и для акустических волн.

Уплотнение промежутков между порами, вероятно, будет осуществляться с течением времени, благодаря наличию необходимого количества свободной воды, необходимой для осуществления и поддержания пуццолановой реакции с алюмосиликатными компонентами. Характеристики межпорового каркаса обусловлены ее скрытокристаллической микроструктурой, что дает возможность обеспечить формирование прочной и жесткой матрицы высокопористого ячеистобетонного композита.

Результаты термогравиметрических исследований 3-суточных пенобетонных композитов (рисунок 7.9 а) демонстрируют активное удаление связанной структурной воды при температурах до 190°С. Далее, при повышении температур до 200-300°С, потери адсорбционно связанной воды значительно уменьшаются. В диапазоне температур 400-500°С эндотермический эффект на ДТГ-кривой объясняется удалением химически связанной Н2О в результате диссоциации Са(ОН)2 на оксид кальция и воду. Снижение веса образца при температурах в диапазоне 530-740°С связано с диссоциацией карбоната кальция в соответствии со следующей формулой:

СаСОз ^СаО+СО2 (7.2)

Термогравиметрические испытания пенобетонного образца (рисунок 7.9 б), демонстрируют потери воды на всех стадиях нагрева, но, как и в случае 3-дневного образца, максимальная интенсивность отмечена при

температурах до 190°С. Последующий рост температуры приводит уже к снижению количества удаленной воды.

100

О

О «

и н

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750

а)

Температура,°С

б;

Рисунок 7.9 - Результаты ДТА и ТГ пенобетонного композита 3П в возрасте 3 (а) и

28 (б) дней твердения

Эндотермический дегидратационный эффект при температурах ниже 200°С обусловлен частичным удалением адсорбционно связанной воды из эттрингитных кристаллов и слабо закристаллизованных и аморфных гидросиликатных новообразований, что в полной мере соответствует результатам, изложенным в трудах [421-423], где продемонстрировано, что повышение эффекта при температурах в районе 135-140°С обусловлено дегидратацией эттрингита, активно формирующегося в первые сутки гидратации клинкерных минералов, а эндотермический эффект при температурах от 115 до 125°С связан с дегидратацией аморфного (скрытокристаллического) CSH. Диссертационные результаты хорошо коррелируют с теми же трудами, подтверждая, что значительно меньшие потери воды демонстрируются в диапазоне температур от 200 до 320°С и обоснованы дегидратацией AFm фаз (представляющих собой кристаллогидраты с обобщенной формулой 3CaO•(Al,Fe)2O3•CaSO4•nH2O) и более упорядоченных наноразмерных структур CSH.

Определенный эффект на термограмме в интервале температур 320-410°С, связанный с потерей адсорбционной воды, объясняется процессом дегидратации слабо закристаллизованного бемита ЛЮ(ОН) или прочих продуктов диссоциации эттрингита, в частности, Са0А1203 6Н20 гидратами [424-425]. Снижение содержания Са(ОН)2, подтверждающее эффективное протекание пуццолановой реакции, свидетельствует о том, что его формирование в процессе гидратации портландцемента, приводит к связыванию во вторичные низкоосновные кристаллогидраты в первые шестьдесят суток, хотя данная тенденция, согласно результатам процитированных работ, прослеживается вплотную до 120 суток структурообразования в нормальных температурно-влажностных условиях.

Таким образом, микроструктура пенобетонного композита характеризуется наличием активных компонентов вяжущего,

модифицирующих смесь, активизирующих гидратационные процессы и обеспечивающих более полную степень реакции. Эмпирические исследования подтвердили этот вывод, что подтверждается увеличившимся числом продуктов гидратации в общей микроструктуре разработанных пенобетонных композитов. Данные продукты гидратации представляют собой соединения с разным химическим составом и основностью. Как видно из микроструктуры затвердевших композитов, синтез новообразований осуществляется, в том числе, на поверхности частиц алюмосиликатной добавки, выступающих центрами зародышеобразования.

Газобетонные композиты

Применение КВ позволяет создать газобетонный композит с повышенными значениями открытой пористости, т.е. осуществляется управление процессами структурообразования прочной вяжущей матрицы, что приводит к повышению значений физико-механических свойств разработанного материала.

Исследования ведущих мировых ученых в последние годы [427, 428, 430, 431] доказали, что введение СаС1 в газобетонный композит приводит к росту её подвижности и повышает резерв снижения количества воды, а также компенсирует повышенную водопотребность золошлакового техногенного сырья.

Формирующийся на раннем этапе гидратационной реакции эттрингит, являющийся следствием взаимодействия гидроалюминатов и гипса (который выступает регулятором вязкости твердеющей композиционной системы), играет роль структурообразующего материала, который обеспечивает высокие значения ранних прочностных свойств. На следующих этапах, эттрингит реагирует с алюминатной фазой, формируя моносульфогидроалюминат кальция по следующей формуле реакции:

СбЛ8зИз2+2СзЛ+4И ^3С4ЛБИ12 (7.3)

Полученные результаты подтверждается данными рентгенофазового анализа материала в различные сроки (рисунок 7.10).

Рисунок 7.10 - Фазовый состав газобетона состава 4Г в различные сроки твердения

Отмечается диффузная полоса на спектрограмме сухой смеси в диапазоне от 22 до 38°, вызванная присутствием алюмосиликатных частиц стеклообразной природы. Для образца в возрасте 1 суток дифракционные пики С3Б и гипса отсутствуют. Здесь полоса в спектре от 17 до 38° подтверждает формирование гидросиликатных гелей. Образование С-Б-И гелей и исчезновение С3Б и подтверждает интенсификацию гидратации цементных зерен в присутствии гипса и АСД.

Уменьшение интенсивности рентгеновских отражений кварца подтвердило участие тонкодисперсных кремнеземсодержащих компонентов КВ в протекающей пуццолановой реакции. Сравнивая рентгеновские спектры сухой смеси и 1-дневного исследуемого газобетонного образца, отражения герцинита и силлиманита значительно

снизились. Данный факт свидетельствует о том, что выявленные кристаллические минералы в составе АСД, участвовали в гидратационном процессе, продуцируя гидросиликатный гель.

Наличие ангидрита в газобетонном композите в возрасте 28 суток обусловлено присутствием двуводного гипса в исходном составе. В частности, двуводный гипс, полученный в результате помола гипсового камня, служит для повышения сроков схватывания газобетонного композита. При отсутствии двуводного гипса в качестве замедлителя твердения, быстро схватывающаяся вяжущая матрица будет разрушаться гидратационными продуктами, благодаря тому, что их объем начнет превышать начальный объем зерна портландцемента.

Введение СаС1 активизирует структурообразование мелких гидратов, что приводит к местному росту В/Ц, обеспечивая условия интенсификации формирования высокопрочных гидросиликатов кальция. Добавка СаС1 производит разжижающий эффект, снижая значения предельного напряжения сдвига. Повышение пластической вязкости свидетельствует о значительной активизации реакции гидратации клинкерных минералов со структурообразованием ячеистых композиционных материалов, более прочных, чем традиционные составы. В частности, повышение скорости гидратации алита и белита в среде, насыщенной CaC1, обеспечивает формирование повышенного количества высокоэффективных продуктов гидратации - тоберморитоподобных CSH.

Алюмосиликатная добавка обладает улучшенными гидратирующими свойствами при повышенном значении pH=12. Когда Са(ОН)2, формующийся в процессе реакции гидратации клинкерных минералов, значительно повышает щелочные характеристики среды в твердеющем композите, происходит его ослабление. Использование АСД обеспечивает связывание гидроксида кальция в высокоосновные CSH, повышая тем самым прочность композита.

Газобетонный композит насыщен открытыми ячеистыми порами с плотной межпоровой матрицей, что одновременно обеспечивает хорошее звукопоглощение при достаточной прочности материала. Упрочнение межпоровой матрицы обусловлено повышением плотности упаковки частиц в результате добавления мелкодисперсных компонентов в состав полиминерального вяжущего.

Варьированием дозировки АКД можно управлять количеством и дисперсностью продуктов гидратации, имеющих влияние на все необходимые свойства твердеющей системы.

Как и для других типов разработанных в диссертации вяжущих, продукты гидратации в композите характеризуются первичной и вторичной формациями. Наноструктура первичных продуктов гидратации характеризуется аморфной фазой, образованной по сквозьрастворному принципу в межпоровых промежутках. В этом случае химический состав новообразований в поровом пространстве значительно зависит от химического состава крупных полиминеральных частиц КВ, окружающих пору.

В результате применения полиминеральных частиц происходит рост количества адсорбционно-связанной воды, что активизирует реакцию гидратации, и, как следствие, повышение прочности композиционного материала. Рост активности композита, содержащего АСД, обусловлен модификацией его микроструктуры, за счет того, что при термической обработке угля при получении золошлаковых отходов, растет количество аморфной фазы, являющейся центрами кристаллизации новообразований.

Микроскопические исследования также доказывают создание рациональной структуры продуктов гидратации (рисунок 7.11). В частности, рисунок 7.11 а демонстрирует только две поры в вяжущем композите с размерностями в диапазоне 100-200 мкм; другие наблюдаемые поры с диаметрами <50 мкм образованы структурой вспученного вермикулита. Рисунок 7.11 б показывает межфазную переходную зону

между вермикулитовым заполнителем (левая часть фотографии) и вяжущей матрицей (правая часть). При этом легкий заполнитель характеризуется стеклообразной структурой, а вяжущая матрица очень плотная, в ней просматривается лишь малая часть портландитов, представляющих собой слоистые образования, что в комплексе с многочисленными микропорами, как прогнозируется, будет позитивно отражаться на звукопоглощающих свойствах полученных композиционных материалов.

о) б)

Рисунок 7.11 - Морфология газобетонного композита 4Г: а) поровая микроструктура,

б) межфазная переходная зона

Отмечается единичный кристалл эттрингита волокнистого вида, а также крупноразмерные губчатые кристаллические новообразования СБИ. Морфология, представленная этими игольчатыми кристаллами, в достаточной степени может являться обоснованием растущих звукопоглощающих свойств газобетонных композитов.

Рисунок 7.12 демонстрирует микроструктуру образцов газобетонного композита с плотностью более 800 кг/м3 с фиброй и без нее при увеличении в 300 раз. Установлено, что текстура образца характеризуется микропористой и шероховатой поверхностью (рисунок 7.12 а). Рисунок 7.12 б демонстрирует микроструктуру фиброармированного газобетонного композита, акцентируя особое

внимание на контактную зону между вяжущей и волокном. Отмечается уплотнение газобетонной матрицы в зоне границы с фиброй, что объясняется процессом газообразования и явлением межфазного сцепления. Микропористая структура, формирующаяся в газобетонном композите, снижает межфазную адгезию. Поэтому, присутствие дисперсной фибры в ячеистом композите выполняет функцию сдерживающей силы для компенсации усадочных деформаций, что, в результате, значительно повышает трещиностойкость.

а) б)

Рисунок 7.12 - Морфология газобетонных композитов в возрасте 28 дней: образец

10Г (без волокон), образец 12Г (с волокнами)

Комплексный анализ микроструктуры газобетонных композитов на рисунках 7.7, 7.11 и 7.12 доказывает эффективность исследования с помощью сканирующей электронной микроскопии. В то же время, данные изображения представляют исключительно двухмерную информацию по исследованию поверхности композита, что затрудняет комплексную оценку общих микроструктурных характеристик. Соответственно, дальнейшее более детальное исследование будет направлено на оценку трехмерной поровой структуры пор с применением возможностей микрокомпьютерной томографии.

Таким образом, разработаны рациональные составы ячеистых композитов. При этом установлено, что газобетонные материалы являются

более перспективными с точки зрения создания оптимальной открытопористой структуры, чем пенобетонные композиты. Разработанные пропорции газобетонных композитов из расчета на 1 м3: 85105 кг цемента ЦЕМ I 42,5Н, 40-45 кг извести, 100-125 кг алюмосиликатной добавки, 100-112,5 л воды, 0,5 кг алюминиевого порошка, 2,1-2,5 кг двуводного гипса, 1,3-1,5 кг хлористого кальция, 1,1 кг поликарбоксилатного суперпластификатора Pantarhit PC 160, 35 кг вспученного вермикулита и 0-12 кг полипропиленового дисперсного волокна. Полученные материалы, приготовленные по технологии с применением автофреттажа, обеспечивают достаточную прочность при высоких значениях открытой пористости (более 60%).

7.3. Улучшение звукопоглощения газо- и пенобетонов

Анализируя работы современных ученых мирового уровня, отмечаем, что на человека влияет комплекс звуковых влияний различных частот. Особенно это актуально в связи с вероятностью применения действующих и перспективных средств акустического поражения (рисунок 7.13).

Механизм работы ячеистых бетонов отличается для различных акустических спектров. Поэтому, для достижения цели диссертации, проводилось изучение характеристик звукопоглощения ячеистых композитов в 3 различных спектрах: слышимые частоты (в диапазоне от 16 Гц до 8 кГц), инфразвуковые частоты (от 2 до 16 Гц) и ультразвуковые частоты (в интервале от 20 кГц до 63 кГц).

Важным уточнением является то, что полученные эмпирические результаты исследования уровней звукового давления приведены в дБА (децибел акустический) путем введения корректирующих поправок к децибелу.

Рисунок 7.13 - Разночастотные звуковые воздействия

Экспериментальное исследование звукопоглощающих свойств ячеистобетонных композитов осуществлялось путем оценки результатов измерения звукового давления в лабораторной экспериментальной установке БЖ-2М с применением функционального генератора сигналов ФГ-100 и измерителя шума и вибрации ВШВ 003 М3 (рисунок 7.14) с ячеистобетонным образцом-перегородкой и без него. С помощью нахождения разницы между этими величинами оценивались звукопоглощающие свойства разработанных цементных композиционных материалов.

в)

Рисунок 7.14 - Оборудование для исследования звукопоглощения:

а) экспериментальная камера, б) генератор сигналов, в) измеритель шума

Испытания осуществлялись для различных среднегеометрических третьоктавных частот, регламентированных СП 275.1325800-2016 [429], а также расширенных с применением экстраполяции в сторону высоких и низких частот (таблица 7.1).

Таблица 7.1 - Исследуемый частотный диапазон звуковых волн

Среднегеометрическая частота третьоктавной полосы, Гц Границы полосы, Гц

16 14-18

31,5 28-35

63 57-70