Введение к работе
Актуальность темы. Расширение строительства и, в частности, расширение использования подземной среды, делают вопросы солепереноса все более актуальными (засоление, в том числе при поливах, повреждение строительных конструкций, в первую очередь заглубленных железобетонных и металлических).
В течение последних 10-ти лет, с возрастанием промышленно-гражданского строительства, освоения территорий, водопотребления и обводнения территорий, сильно нарушено равновесие, сложившееся в течение столетий между геологической средой и инженерными сооружениями. Начали развиваться отрицательные процессы и явления, осложняющие и ухудшающие инженерно-геологические и гидрогеологические условия, деформирующие памятники архитектуры, современные здания и сооружения. Среди отрицательных процессов, наиболее опасными являются подтопление подземными водами, заболачивание и засоление, с которыми связано увеличение влажности грунтов оснований, снижение их прочностных свойств, повышение коррозийности, агрессивности, затопление фундаментов и подвальных помещений сооружений и их деформация.
Многообразие задач, решение которых требует дальнейшего развития моделей переноса и накопления солей в различных средах и системах, определяет актуальность настоящей работы.
Цели и задачи исследования. Цель работы состояла в разработке математической модели диффузии солей щелочных и щелочноземельных элементов в геологические породы и материалы строительных конструкций. С использованием эксперимента необходимо получить результаты, которые подтвердили бы адекватность созданной математической модели.
Математическая модель основана на математическом аппарате квантовой механики и поляризационных представлениях, включающих в себя данные о заряде ионов элементов, их радиусах и числах гидратации.
Методы исследования. При разработке математической модели использован аппарат квантовой механики и физической химии. Для решения задачи моделирования был выбран полуэмпирический метод РМ3, для корректировки результатов использовался неэмпирический метод в базисе STO-3G. При выполнении работы применялись программные комплексы MOPAC и ChemOffice, а также программа визуализации ChemCraft, которые обеспечивали надежность и корректность квантово-химических расчетов.
Научная новизна работы. В диссертации разработаны и выносятся на защиту следующие основные положения:
математическая модель диффузии солей щелочных и щелочноземельных элементов в геологические породы и материалы строительных конструкций;
алгоритм расчета для оценки диффузии солей в геологические породы и материалы строительных конструкций;
результаты экспериментального изучения диффузии солей в геологические породы и строительные материалы, диффузии углекислого газа и воды в бетонные конструкции;
программный комплекс для оценки диффузии солей в геологические породы и материалы строительных конструкций.
Практическая значимость работы. Разработанные математическая модель, примененные численные методы и созданный программный комплекс позволили оценить процессы миграции солей щелочных и щелочноземельных элементов в таких геологических породах, как алюмосиликаты (опоки), кремнезёмы, глины и материалы строительных конструкций.
Теоретически и экспериментально оценена возможность миграции в данных породах как стабильных изотопов ионов щелочных и щелочноземельных элементов, так и их радионуклидов.
Последнее особенно важно для создания конструкций и систем изоляции названных элементов и их захоронения.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются на промышленных предприятиях в целях усовершенствования технологии при смешивании бетонных смесей на стадии изготовления строительных конструкций, а также при чтении лекций и проведении лабораторных работ и практических занятий в курсах «Физическая химия», «Нефтехимия», «Коллоидная химия» (Астраханский государственный университет), в курсах «Материаловедение» и «Обследование и реконструкций зданий и сооружений» (Астраханский инженерно-строительный институт).
Апробация работы. Основные результаты работы представлены и доложены на различных Международных и Российских конференциях, среди которых: IV Международная научно-практическая конференция «Модернизация регионов России: инвестиции в инновации», «Инновации при проектировании и строительстве зданий и сооружений» (Астрахань, 2010), V Международная научно-практическая конференция «Энергоресурсосберегающие технологии. Наука. Образование. Бизнес. Производство» (Астрахань, 2011), V Международная конференция «Новейшие достижения Европейской науки» (Прага, 2011), VI Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы получения новых материалов: исследования, инновации и технологии» (Астрахань, 2012).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 статей в журналах и материалах конференций, среди которых 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Создана программа для ЭВМ Diffuzion. На основании экспериментальных исследований и теоретических знаний о природе материалов разработана и проходит апробацию полезная модель по созданию защитного слоя в грунтах, существующих и вновь выполняемых строительных конструкциях. Получены акты внедрения полезной модели.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и библиографического списка. Общий объем диссертационной работы: 140 страниц, список литературы содержит 127 названий работ отечественных и зарубежных исследователей.
