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

Реферат Отчёт 152 с., 51 рис., 29 табл., 173 источников. Наименование темы: Разработка научных основ применения вторичных ресурсов при модификации строительных материалов с ультрамелкозернистым и наноструктурированым строением. Ключевые слова: вторичные ресурсы, строительные материалы, ультрамелкозернистое и наноструктурированое строение, физико-химические исследования. Объектом исследования являются электроплазменное оборудование для получения нано- и микроразмерных порошковых материалов на основе тугоплавких оксидов и силикатов 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. - разработка технологии получения высокотемпературных наноструктурированных керамических материалов систем SiO2-Al2O3, MgO-Al2O3 и MgO-SiO2 различного назначения на основе продуктов плазменного синтеза; - обоснование области применения и перспективы внедрения энергии термической плазмы при производстве высокотемпературных наноструктурированных керамических материалов систем SiO2-Al2O3, MgO-Al2O3 и MgO-SiO2. 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. - Исследование влияния физических воздействий (электромагнитной, ультразвуковой активаций и других приемов) на эксплуатационные свойства наномодифицированных композиционных материалов; - Разработка физико-математической модели формирования структуры композиционных материалов и их строительно-технических свойств. Направление № 3. Разработка научных основ управления структурообразованием поризованных цементных материалов на основе побочных продуктов промышленного производства с повышенными эксплуатационными свойствами. - Определение закономерностей влияния комплексного модификатора на процессы поризации и начальное структурообразование цементно-песчаного теста, а также его реологические свойства; - Исследование влияния оптимальных дозировок комплексных модификаторов на физико-технические и эксплуатационные свойства поризованных цементных композиций на разных стадиях их твердения. 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. - разработана технология получения высокотемпературных наноструктурированных керамических материалов систем SiO2-Al2O3, MgO-Al2O3 и MgO-SiO2 различного назначения на основе продуктов плазменного синтеза; - установлены перспективы внедрения энергии термической плазмы при производстве высокотемпературных наноструктурированных керамических материалов систем SiO2-Al2O3, MgO-Al2O3 и MgO-SiO2. В частности: (i) керамика на основе фазы MgAl2O4, синтезированной под действием плазмы дугового разряда, демонстрирует различные особенности в зависимости от исходного материала. Продукты плазменного синтеза на основе природных материалов (MAS-Natural) и смесь на основе чистых оксидов (MAS-Pure) имеют разные фазовые составы и морфологию. MAS-Natural содержит дополнительные фазы, такие как CaAl2O4, которая аморфизируется при повышении температуры обжига, что свидетельствует о возможном образовании твердых растворов. Повышение температуры обжига улучшает морфологию обоих типов материалов, делая их более плотными и гомогенными. Керамика на основе фазы MgAl2O4, демонстрирует значительное улучшение своих свойств с повышением температуры обжига для обоих типов материалов: MAS-Natural и MAS-Pure. Плотность керамики MAS-Natural увеличивается на 22% по сравнению с MAS-Pure, достигая значения около 3.4 г/см³ при 1550 °C, что близко к теоретической плотности алюмомагниевой шпинели. Водопоглощение MAS-Natural также снижается до практически нулевых значений при той же температуре, в то время как у MAS-Pure оно остается на уровне около 8%. Открытая пористость керамики MAS-Natural показывает показатель менее 2% при 1550 °C, тогда как у MAS-Pure этот показатель составляет около 20%, что сопоставим с литературными данными, при этом температура обжига была снижена на 100 °C. (ii) керамика на основе фазы Mg2SiO4, синтезированной под действием плазмы дугового разряда, показывает зависимость от типа исходного материала. Керамика на основе природных материалов (MS-Natural) содержит примеси, влияющие на её структуру и свойства, тогда как керамика на основе чистых оксидов (MS-Pure) обладает более стабильными характеристиками. В MS-Natural наблюдается образование дополнительных фаз, таких как MgSiO3 и ZrSiO4, которые влияют на её микроструктуру и свойства. Обе керамики демонстрируют улучшение физических свойств с повышением температуры обжига, хотя MS-Natural показывает более сложные изменения, связанные с взаимодействием стеклофазы и кристаллических фаз. Для MS-Natural кажущаяся плотность снижается с увеличением температуры обжига, что связано с пережогом материала из-за особенностей кристаллизации и размягчения стеклофазы, в то время как для MS-Pure плотность увеличивается с ростом температуры. Пористость у MS-Natural ниже (0.5–2%) по сравнению с MS-Pure (1.5–4%) из-за влияния стеклофазы на спекаемость. Предел прочности при изгибе для обеих разновидностей керамики составляет около 43.5–43.8 МПа, что сопоставимо с форстеритовыми материалами, произведенными по традиционным технологиям твердофазного синтеза. (iii) керамика на основе фазы 3Al2O3·2SiO2 (муллит), синтезированной под действием плазмы дугового разряда, также зависит от типа исходного материала. Муллитовая керамика на основе природных материалов (MU-Natural) имеет более сложную микроструктуру с дополнительными фазами, такими как корунд, который появляется при высоких температурах обжига. В то время как керамика на основе чистых оксидов (MU-Pure) сохраняет стабильный кристаллический состав, соответствующий муллиту. Повышение температуры обжига улучшает структуру и свойства керамики, особенно для MU-Natural, где наблюдается значительное уплотнение структуры и снижение пористости. Для MU-Natural плотность увеличивается на 19.9% при повышении температуры обжига до 1550 °C, что указывает на более плотное уплотнение структуры. Водопоглощение снижается на 85.4%, что свидетельствует о значительном уменьшении количества водопроницаемых пор. Открытая пористость уменьшается на 87.5%, что соответствует уменьшению пористости и уплотнению структуры. В случае MU-Pure плотность увеличивается на 5.6%, водопоглощение снижается на 15.6%, а открытая пористость уменьшается на 10.2%. Несмотря на эти различия, обе разновидности керамики показывают сопоставимые механические свойства и потенциал для дальнейшего улучшения при оптимизации процесса синтеза. (iv) нелегированная и легированная Tb керамика MgAl2O4 была синтезирована с использованием плазмы дугового разряда. Установлено, что метод плазменной плавки позволяет достичь температур около 2700 К в течение 4–6 секунд, что облегчает синтез шпинели в жидкой фазе расплава. Рециркуляционный поток в расплаве позволил быстро получить керамику MgAl2O4:Tb всего за одну минуту. Быстрый нагрев и охлаждение материалов в неравновесных термодинамических условиях привели к неконтролируемой степени инверсии шпинели. Полученные материалы показали крупнозернистую однородную микроструктуру, хотя керамика, содержащая 1 мас. % и 10 мас. % Tb4O7, показала зональную структуру с мелкозернистым побочным продуктом TbAlO3, кристаллизующимся в областях между увеличенными зернами MgAl2O4. Характер люминесценции полученной керамики MgAl2O4, легированной Tb, связан с суперпозицией собственных центров люминесценции F-типа в спектральной области до 600 нм и наложенных полос люминесценции ионов тербия 3+. В ближней ИК-области спектра люминесценция обусловлена вакансиями Mg2+ и неконтролируемым примесным излучением иона Cr3+. Изменение концентрации оксида тербия влияет на заполнение тетраэдрических позиций Mg и, соответственно, позволяет управлять соотношением полос люминесценции керамики. 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. - исследовано влияние различных физических воздействий (электромагнитной, ультразвуковой активаций и других приемов) на эксплуатационные свойства наномодифицированных композиционных материалов на основе цемента; - разработана модель расчета оптимального соотношения компонентов полифракционной бетонной смеси, позволяющая варьировать доли мелкого заполнителя в зависимости от требуемых характеристик (плотность, прочность, подвижность). В частности: (i) исследовано влияние различных методов диспергирования углеродных нанотрубок (УНТ) в поверхностно-активных веществах (ПАВ), таких как механическое диспергирование, ультразвуковая обработка и комбинированный метод, на однородность распределения УНТ в пластификаторе. Также рассмотрены эффекты введения УНТ в сухом виде непосредственно в цементную композицию на физико-механические свойства цементного камня. В ходе работы экспериментально установлен наиболее эффективный способ распределения наночастиц УНТ в водной среде и цементной матрице, заключающийся в высокоскоростном перемешивании в бисерной мельнице УНТ с водным раствором пластификатора, в течение 2 часов, с последующей ультразвуковой обработкой (УЗДН-2Т), в течение 2 часов. (ii) установлено, что введение комплексных добавок (пластификатор + нано-SiO2 + УНТ) позволяет направленно активизировать гидратационные процессы, влиять на структуру цементного камня и бетона, фазовый состав и его пористость за счет увеличения степени гидратации основных клинкерных минералов и формирования более стабильных гидратных фаз. Показано, что пластификаторы на основе эфиров поликарбоксилатов лучше взаимодействуют с УНТ и нано-SiO2. Их эффективность подтверждается результатами физико-химических исследований, улучшением реологических характеристик бетонных смесей с комплексными добавками и повышением эксплуатационных характеристик затвердевшего бетона. (iii) разработаны рациональные составы самоуплотняющихся бетонных смесей с использованием в качестве наполнителей фракционированных песков (побочный продукт производства) и разработанной комплексной модифицирующей добавкой (микрокальцит + кварцевая мука + нано-SiO2), полученных при помощи адаптивной математической модели, учитывающей полидисперсность компонентов, для получения однородной, плотной структуры. (iv)- получены самоуплотняющиеся бетоны с маркой по удобоукладываемости РК1, маркой по вязкости V4, маркой по текучести Т3 и классом по прочности B40, при пониженном расходе цемента 300…500 кг/м3. При этом в качестве сырьевых материалов использовался кварцевый песок, являющийся побочным продуктом производства, кварцевая мука – вторичный продукт производства, и разработанная комплексная добавка. Направление № 3. Разработка научных основ управления структурообразованием поризованных цементных материалов на основе побочных продуктов промышленного производства с повышенными эксплуатационными свойствами. - определены закономерности влияния комплексного модификатора на процессы поризации и начальное структурообразование цементно-песчаного теста, а также его реологические свойства; - исследовано влияния оптимальных дозировок комплексных модификаторов на физико-технические и эксплуатационные свойства поризованных цементных композиций на разных стадиях их твердения. В частности: (i) влияние модифицирующих добавок на прочность пенобетона: применение добавки PLA (полимолочной кислоты) в количестве 1% и 1,5% от массы цемента позволяет увеличить прочность на сжатие пенобетона марки по средней плотности D600 в возрасте 7 суток на 26% и 18% соответственно по сравнению с контрольным составом без добавок. Использование добавки LA (молочной кислоты) в количестве 0,5% и 1% от массы цемента приводит к увеличению прочности на сжатие пенобетона марки по средней плотности D600 в возрасте 7 суток на 22% и 11% соответственно по сравнению с контрольным составом. Наибольший прирост прочности на сжатие в возрасте 7 суток (30%) и 28 суток (24%) достигается при использовании комплексной добавки, состоящей из 0,5% LA (молочной кислоты) и 0,55% Gl (глиоксаля) от массы цемента. (ii) снижение пластической усадки пенобетонной смеси: введение модифицирующих добавок в пенобетонную смесь позволяет снизить пластическую усадку на 22-70% по сравнению с контрольным составом без добавок. Наилучший результат по снижению пластической усадки (70%) достигается при использовании добавки LA (молочной кислоты) в количестве 0,5% от массы цемента. (iii) улучшение теплопроводности пенобетона: коэффициент теплопроводности пенобетона, модифицированного различными добавками, снижается на 5-30% по сравнению с контрольными образцами. Например, при использовании добавки LA 0,5% + Gl 0,55% коэффициент теплопроводности пенобетона марки по средней плотности D600 снижается до 0,090 Вт/(м·°С), что на 25% ниже, чем у контрольного образца.