Разработка научных основ применения вторичных ресурсов при модификации строительных материалов с ультрамелкозернистым и наноструктурированным строением

Цель работы – разработка научных основ применения вторичных ресурсов при модификации строительных материалов с ультрамелкозернистым и наноструктурированым строением в рамках развития строительной промышленности и замещения импортного сырья на распространённое и некондиционное сырьё, находящееся в субъектах РФ. В процессе работы проводились: Направление № 1. Разработка научных принципов плазмохимического синтеза высокотемпературной керамики систем SiO2-Al2O3, MgO-Al2O3 и MgO-SiO2 из природных и некондиционных материалов в рамках развития строительного материаловедения. - обоснование выбора, определение физико-химических и механических характеристик исходных материалов пригодных для производства строительных материалов с ультрамелкозернистым и наноструктурированым строением методами современного физического материаловедения; - разработка технологической схемы и режимов подготовки исходных материалов для производства строительных материалов с ультрамелкозернистым и наноструктурированым строением; Направление № 2. Разработка научно-технологических основ получения композиционных материалов на основе модифицированных цементных систем с улучшенными эксплуатационными характеристиками для применения в условиях Сибири, Крайнего Севера и арктических территорий. - обоснование выбора сырья для разработки модифицирующей добавки, определение граничных условий применимости; - исследование влияния наноразмерного диоксида кремния, полученного плазменным методом, на структуру и свойства цементного вяжущего. Направление № 3. Разработка научных основ управления структурообразованием поризованных цементных материалов на основе побочных продуктов промышленного производства с повышенными эксплуатационными свойствами. - разработка физической модели структуры поризованного стенового материала с указанием формируемых связей между элементами, которыми необходимо управлять в технологии производства материала с равномерно распределенными порами требуемых размеров и прочностью межпоровых перегородок. - исследование совокупности технологических факторов, оказывающих наиболее существенное влияние на процесс формирования структуры поризованных цементных композиций в начальные и конечные сроки твердения материала, обеспечивающей получение теплоэффективных стеновых материалов с повышенными эксплуатационными свойствами. В результате исследования: Направление № 1. Разработка научных принципов плазмохимического синтеза высокотемпературной керамики систем SiO2-Al2O3, MgO-Al2O3 и MgO-SiO2 из природных и некондиционных материалов в рамках развития строительного материаловедения. - Обоснован выбор, определены физико-химические и механические характеристики исходных материалов пригодных для производства строительных материалов с ультрамелкозернистым и наноструктурированым строением методами современного физического материаловедения. - Разработана технологическая схема, установлены режимы подготовки исходных материалов для производства строительных материалов с ультрамелкозернистым и наноструктурированым строением. В частности: - в результате проведенных экспериментальных исследований показана возможность синтеза стеклокерамики системы MgO–SiO2 из магнезита и кварцевого песка методом плазменной плавки. Согласно данным электронной микроскопии, в процессе кристаллизации расплава со скоростью 287±5 К/с морфология поверхности представлена плотной упаковкой ромбо-додекаэдрических кристаллов Mg2SiO4 (отсутствует открытая пористость). При этом матрица характеризуется наличием плотного каркаса с четким линейным расположением сферических включений, соответствующих фазе MgSiO3. В результате методом плазменной плавки получена стеклокерамика с плотностью 3.56 г/см3 и микротвёрдостью до 15 гПа. Полученные результаты представляют интерес для развития технологий синтеза стеклокерамических материалов. Направление № 2. Разработка научно-технологических основ получения композиционных материалов на основе модифицированных цементных систем с улучшенными эксплуатационными характеристиками для применения в условиях Сибири, Крайнего Севера и арктических территорий. - обоснован выбор сырья для разработки модифицирующей добавки, определение граничных условий применимости; - исследовано влияние наноразмерного диоксида кремния, полученного плазменным методом, на структуру и свойства цементного вяжущего. В частности: - установлено повышение прочности цементного камня в 28 суток твердения от 2 до 38 % по сравнению с контрольным образцом. Наибольшая прочность достигается при введении 0,05 % добавки нано- SiO2пл. Установлена агрегативная устойчивость наномодификатора диоксида кремния (SiO2пл) через процесс седиментации. Устойчивость систем при малых концентрациях наномодификатора (от 0,01 до 0,03 %) соизмеримы, а в системах с концентрацией этих частиц от 0,04 до 0,05 %, где использовалась вода затворения активированная посредством воздействия магнитного поля проявляют большую устойчивость. - разработана добавка нанодисперсного диоксида кремния, полученная плазменно-дуговым методом из отходов производства, применимая для цементных композиций и определено ее оптимальное содержание (0,03-0,05 % от массы цемента). Направление № 3. Разработка научных основ управления структурообразованием поризованных цементных материалов на основе побочных продуктов промышленного производства с повышенными эксплуатационными свойствами. - разработана физическая модель структуры поризованного стенового материала с указанием формируемых связей между элементами, которыми необходимо управлять в технологии производства материала с равномерно распределенными порами требуемых размеров и прочностью межпоровых перегородок. - исследовано совокупность технологических факторов, оказывающих наиболее существенное влияние на процесс формирования структуры поризованных цементных композиций в начальные и конечные сроки твердения материала, обеспечивающей получение теплоэффективных стеновых материалов с повышенными эксплуатационными свойствами. В частности: - для повышения качества бетона посредством повышения микропористости и прочности межпоровых перегородок пенобетона предложенный метод введения в пенобетонную смесь алюмосиликатных микросфер, благодаря которым создается равномерно распределенная ячеистая структура, а в межпоровых перегородках микропоры, дает возможность управлять процессом структурообразования поризованных цементных бетонов. - оптимальное содержание алюмосиликатной микросферы из ЗШО Северской ТЭЦ в пенобетонной смеси на основе портландцемента, песка, воды и пенообразователя равно 5 - 10 % от массы цемента. В пенобетонной смеси с алюмосиликатной микросферой повышается растекаемость смеси с 10 до 15,5 см и снижается пластическая усадка на 28,8 - 52,3 %. - в пенобетоне с алюмосиликатной микросферой средний диаметр пор уменьшается с 308 до 210 мкм, среднее квадратичное отклонение среднего диаметра - с 23.6 до 14.2, микропористость - с 0,05 до 0,04, а сорбционная влажность - на 16 %. Максимальный эффект снижения коэффициента теплопроводности наблюдается при дозировке 5 % от массы цемента и составляет 33 %. - при введении микросферы в пенобетонную смесь в 28 суточном возрасте повышается прочность пенобетона на сжатие на 40 % и коэффициент размягчения - на 13-17 %. - установлено качественное согласование полученных авторами экспериментальных результатов при разработке научно-обоснованных составов пенобетона с применением алюмосиликатных микросфер из ЗШО ТЭЦ, что не противоречит частным результатам исследований, полученных другими авторами с применением стеклокристаллических и керамических микросфер и представленными в независимых источниках. - по результатам исследований подготовлены рекомендации по составам пенобетона с алюмосиликатными микросферами для монолитного строительства стеновых конструкций малоэтажных домов.