Толстой Александр Дмитриевич Повышение эффективности модифицированных многокомпонентных строительных композитов

Краткое описание

Толстой Александр Дмитриевич Повышение эффективности модифицированных многокомпонентных строительных композитов

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

доктор наук Толстой Александр Дмитриевич

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Анализ развития строительного материаловедения

1.2. Классификационные признаки современных композиционных материалов

1.3. Долговечность композиционных материалов и ее прогнозирование

1.4. Концепция самовосстановления композиционных материалов

1.5. Интенсификация процессов структурообразования в твердеющих цементосодержащих системах

1.6. Выводы

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ

2.1. Новая парадигма формирования структуры композиционных материалов

2.2. Теоретические основы процессов энергетического взаимодействия

в твердеющих композициях

2.3. Роль закона подобия в подборе составов и формировании структуры модифицированных композитов

2.4. Долговечность модифицированных строительных композитов и факторы, на нее влияющие

2.5. Выводы

3. РЕГУЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ ПОРОШКОВЫМИ МИНЕРАЛЬНЫМИ МОДИФИКАТОРАМИ

3.1. Классификация и особенности проектирования композиционных вяжущих

3.2. Свойства и особенности сырья для композиционных вяжущих

3.3. Энергоэффективность применяемого сырья

3.4. Разработка композиционных вяжущих для строительных

композитов различного назначения

3.5. Выводы

4. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПОРОШКОВЫМИ МИНЕРАЛЬНЫМИ МОДИФИКАТОРАМИ

4.1. Основные закономерности получения эффективных композитов

для монолитного бетонирования

4.2. Особенности формования конструктивных элементов из модифицированного композита

4.3. Оптимизация мелкозернистого бетона для строительства в районах Индокитая (Камбоджа) на основе модифицированного вяжущего

4.3.1. Особенности структуры и свойств многокомпонентного мелкозернистого бетона

4.3.2. Фибробетон на основе разработанного композиционного вяжущего

4.4. Оптимизация структуры дисперсно-армированного композита

для монолитного строительства в Юго-Восточной Европе (Сербия)

4.5. Выводы

5. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ СВОЙСТВ КОМПОЗИТОВ ДЛЯ СТРИТЕЛЬСТВА УНИКАЛЬНЫХ ЗДАНИЙ, РЕМОНТНЫХ И ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РАБОТ И ЗАЩИТНЫХ ЦЕЛЕЙ

5.1. Технические требования к ремонтным (монтажным) растворам

5.2. Повышение эффективности монтажных смесей для ремонтных и восстановительных целей

5.3. Ремонтные композиции для восстановления зданий и сооружений в Сирии и Ираке

5.4. Классификация уникальных зданий и бетонов для их строительства

5.5. Оптимизация состава и повышение эффективности композитов для уникальных зданий с техногенным сырьем

5.6. Критериальная зависимость состава и свойств поризованных материалов для защитных целей

5.7. Корректировка технологических параметров получения конструкционно-изоляционного материала

5.8. Выводы

6. САМОВОССТАНОВЛЕНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

6.1. Эффект самозалечивания дефектов бетона и методы его репродукции

6.1.1. Характеристика сульфидных включений в заполнителе и процессов, протекающих при кристаллизации новообразований

6.1.2. Влияние процессов и продуктов фазообразования на кинетику самовосстановления

6.2. Термодинамические параметры реакций гидратообразования

6.3. Физико-химический анализ новообразований в твердеющих модельных системах

6.4. Оптимизация методических параметров нового способа самовосстановления искусственного камня

6.5. Эффективность и статистическая достоверность полученных результатов

6.6. Выводы

7. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

7.1. Расчет экономического эффекта от внедрения результатов работы

7.2. Расчет экологического эффекта от внедрения результатов работы

7.3. Расчет изменения материальных затрат с учетом ввода композиционного вяжущего

7.4. Разработка нормативно-технической документации и внедрение результатов исследования

7.5. Общая технологическая схема производства эффективных строительных материалов

7.6. Технические показатели прогрессивности получения и применения модифицированных строительных композитов

7.7. Технико-экономическая оценка потенциальной эффективности мелкозернистых бетонов на сырьевых материалах Ирака

7.8. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А «Рекомендации по изготовлению изделий из

многокомпонентного композита для монолитного строительства»

Приложение Б «Технологический регламент на производство композиционного вяжущего многокомпонентного композита для

монолитного строительства»

Приложение В «Акт апробации в лаборатории ЗАО «Белшпала»

высокопрочного облегчённого мелкозернистого бетона»

Приложение Г «Акт принятия к внедрению результатов исследования и возможности использования высокопрочного бетона с использованием техногенного сырья при изготовлении железобетонных

изделий»

Приложение Д «Акт о выпуске опытной партии железобетонных шпал на основе композиционного вяжущего с порошковым

минеральным модификатором на ЗАО «Белшпала»

Приложение Е «Акт апробации в лаборатории ОАО «Завод ЖБК-1»

высокопрочного облегченного мелкозернистого бетона»

Приложение И «Акт принятия к внедрению результатов исследования и возможности использования высокопрочного бетона с использованием техногенного сырья при изготовлении железобетонных изделий»

Приложение К «Протокол испытаний № 358»

Приложение Л «Приложение 1 к Протоколу испытаний №

Результаты испытаний»

Приложение М «Акт испытаний в лаборатории компании «Аль-Карнас» (Ирак) высокопрочного облегченного мелкозернистого

бетона с компонентами из бетонного лома»

Приложение М' (Переводная версия Акта апробации в лаборатории

компании «Аль-Карнас» (Ирак))

Приложение Н «Акт принятия к внедрению результатов исследования и возможности использования высокопрочного бетона с применением техногенного сырья - бетонного лома при изготовлении железобетонных

изделий»

Приложение Н' Переводная версия Акта принятия к внедрению

результатов исследования компанией «Аль-Карнас» (Ирак)

Приложение П «Протокол (соглашение) о намерениях сотрудничества

с компанией «Аль-Карнас» (Ирак)»

Приложение П' Переводная версия протокола (соглашения) о

намерениях сотрудничества с компанией «Аль-Карнас» (Ирак)

Приложение Р «Протокол о намерении сотрудничества с высшей инженерной школой Северного (Арктического) федерального университета

им. М.В. Ломоносова

Приложение С «Протокол о намерении сотрудничества с Морской

инжененрной службой Тихоокеанского флота»

Приложение Т «Акт о внедрении результатов научной работы «Повышение эффективности модифицированных многокомпонентных

композитов»

Приложение У «Рекомендации на изготовление монолитного

фибробетона для строительства объектов в Камбодже»

Приложение Ф «Справка о внедрении результатов научно-исследовательской работы в учебный процесс»

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Обоснованы теоретически и подтверждены экспериментально концептуальные направления оптимизации структуры и свойств эффективных строительных материалов различного назначения с использованием техноген-ного сырья и положений закона подобия, заключающиеся в активизации процессов самоорганизации системы при фазообразовании на ранних стадиях процесса, благодаря вещественно-технологическим особенностям сырья, что обеспечивает ускоренный синтез новообразований в гидратационной среде твердеющей полиминеральной системы на начальном этапе, которые впоследствии преобразуются в кристаллические новообразования.
2. Закреплены представления о твердеющей смеси на основе композици¬
онного вяжущего, модифицированного порошкообразным минеральным модификатором, с гиперпластификатором, как о системе, в которой реализован принцип интегрированного согласованного взаимодействия компонентов с подобными свойствами (деформативные характеристики, адгезионная
способность). На этой основе приняты решения оптимизационных задач строительного материаловедения, в результате чего получены рациональные составы эффективных строительных материалов повышенной прочности классом В 80 и выше.
3. Установлены, с учетом предлагаемой концепции, основные стадии и механизм процесса структурообразования твердеющих многокомпонентных цементосодержащих систем с техногенным сырьём, модифицированных порошковыми минеральными добавками с гиперпластификатороми, заключающийся в совместном взаимодействии компонентов вещественного состава, что приводит к усилению и ускорению поэтапного формирования структурных элементов разнофазового характера, а именно, на первом этапе - слабосвязанных объединений некристаллического строения, на втором - формирование из них кристаллических новообразований со стабилизацией термодинамических и энергетических показателей. 
4. Разработаны теоретические основы получения и подтверждены практически рациональные составы и технологические параметры изготовления мелкозернистых бетонов на природном и техногенном сырье с улучшенными технико-экономическими показателями. Проектирование композитов для строительства монолитных объектов, уникальных зданий и сооружений, ремонтных и самовосстанавливающихся систем с учетом назначения осуществлялось с помощью порошковых минеральных модификаторов (ПММ) определенного состава для каждого вида вяжущего, подбор которого производили с учетом подобия свойств исходных компонентов. Наличие в системе активных компонентов модификатора способствует гетерогенному кристаллообразованию в твердеющей системе за счет роста нано- микро- и макроразмерных кристаллогидратов, морфология которых зависит от генетических особенностей исходного сырья, что обеспечивает высокую конечную прочность и долговечность материала. Структура композита формируется при этом с минимальными внутренними напряжениями и объемными деформациями, что значительно снижает микротрещинообразование.
5. Обоснованы и сформулированы закономерности получения поризован- ных конструкционно-изоляционных композитов повышенной прочности с соблюдением закона подобия, что позволило получить эффект самопоризации структуры высокопрочного материала на стадии приготовления смеси. Г азовыделение при перемешивании смеси обусловлено применением комплексного модификатора, содержащего в своем составе глиноземсодержащие компоненты, которые, реагируя с Са(ОН)2, выделяющегося при гидратации клинкерных минералов, поризует систему. Получение поризованных облегченных бетонных изделий средней плотностью 1900-2100 кг/м даст значительный экономический эффект и снизит энергозатраты при производстве. Это позволило в 2-3 раза повысить коэффициент конструктивного качества композита.
6. Обоснована гипотеза и подтверждены принципы самозалечивания структуры композита новообразованиями при взаимодействии компонентов 
самовосстановления при образовании дефектов в процессе эксплуатации зданий и сооружений за счет введения в состав сульфидсодержащих реакционноспо-собных составляющих. При появлении микротрещин окисляющиеся сульфиды железа образуют оксиды, которые реагируют с гидратными минералами цементного клинкера, образуя в качестве продуктов гидросульфоферриты кальция, образование которых идет с увеличением объема твердой фазы. Таким образом происходит быстрое заполнение трещин в структуре.
7. Применение разработанной методики самовосстановления обуславливает образование в толще мелкозернистого бетона кристаллического каркаса, на месте образующихся трещин, воспринимающего на себя нагрузки от внутренних напряжений, возникающих из-за деформаций структуры как на стадии твердения (влажностная усадка, контракция, химическое расширение), так и в период эксплуатации (температурные и влажностные деформации). Данный каркас способствует релаксации механических напряжений, возникающих в цементном камне вследствие его усадочных деформаций. Формирование вторичного кристаллического каркаса искусственного камня способствует увеличению его прочности, снижению деформаций под нагрузкой и уменьшению деформаций усадки, повышению трещиностойкости и долговечности. Такой каркас является препятствием для образования и роста дополнительных микротрещин. Глубокое протекание процесса самозалечивания бетона по предложенному методу, обеспечит упрочнение структуры и достижение необходимого комплекса физико¬механических и эксплуатационных свойств.
8. Выявлен характер изменения физико-технических свойств
мелкозернистых композитов на сырьевых материалах разного генезиса: регионов РФ (КМА, Южный Урал), Камбоджи, Ирака и Сербии. Оптимизация структуры разработанных композитов позволила получить мелкозернистые бетоны, модифицированные порошковым минеральным модификатором, с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами на основе местного сырья, которые нашли применение в строительной индустрии этих государств. Результаты физико-механических испытаний композиционных вяжущих с ПММ в возрасте 28 суток, позволили установить оптимальную дозировку модификатора, которая составила 3,0-25,0% для монолитных фибробетонов Камбоджи, Ирака и Сербии, обеспечивающая максимальный показатель предела прочности при сжатии до 87 МПа при естественном твердении. Доказана возможность получения высокопрочных мелкозернистых фибробетонов (классом по прочности до В 80) на порошковых композициях с добавкой до 25 % тонкомолотого бетонного лома из разрушенных зданий и сооружений государств Ближнего Востока. Данные составы пригодны для ремонтно-востановительных целей, имеют низкую усадку, деформативные характеристики, высокую долговечность и адгезию к восстанавливаемому основанию.
9. Определена принципиальная возможность использования многокомпо-нентных композитов для строительства уникальных зданий и сложных архитектурных объектов, а также для применения в мобильных бетонных установках. Установлено, что по физико-механическим характеристикам составы полученных мелкозернистых бетонов удовлетворяют требованиям ГОСТ 26633¬2015 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия», и не уступают аналогичным на обычном портландцементе. Необходимые значения предела прочности при сжатии показывали уже через 3 суток твердения.
10. На основе результатов проведенных исследований разработаны нормативные документы, рекомендации, технологические регламенты, которые послужили основанием для практического использования в производстве строительных материалов. Проведена промышленная апробация, внедрение и технико-экономическая оценка выполненных разработок. Выпущены опытно-промышленные партии железобетонных изделий на модифицированном композиционном вяжущем со значительным экономическим эффектом, позволило получить экологический и социальный эффект.
Осуществлено внедрение результатов исследований на ОАО
«Белгородстройдеталь» при производстве широкой номенклатуры бетонных и железобетонных изделий и конструкций для строительства промышленных и гражданских объектов с использованием кварцитопесчаников Лебединского
ГОКа КМА. С момента утверждения запасов Комиссией по запасам РФ и поступления на рынок ОАО «Белгородстройдеталь» использовано несколько сот тысяч кубических метров кварцитопесчаника. Экономический эффект составил около 230 млн. Руб.
Перспективы дальнейших исследований: С использованием полученных теоретических и экспериментальных данных разработать строительные композиты нового поколения для оптимизации среды обитания человека и защиты от природных и техногенных аномальных процессов; материалы для строительства сооружений специального назначения (гидротехнических, ирригационных, фортификационных, уникальных); для строительства в сейсмоопасных регионах; изучить перспективы применения природного и техногенного полиминерального сырья с высокой свободной внутренней энергией.