Введение к работе
Актуальность. Современный этап развития строительной индустрии связан с совершенствованием композиционных материалов, повышением их эффективности, увеличением объемов производства и сроков службы. В то же время повышение эффективности использования материалов в конструкциях связано с проведением конструктивных и технологических мероприятий, повышающих степень анизотропии в направлении действия разрушающих факторов. Достижение си-нергетического эффекта взаимодействия структурных элементов различного состава, генезиса, морфологии для получения композиционных материалов с показателями, превосходящими свойства исходных компонентов, позволит добиться рационального использования сырьевых ресурсов, снизить энергоемкость производства. Нерациональное использование сырьевых компонентов и структурных элементов в композиционном материале формирует дефектную структуру с низким качеством, что приводит к перерасходу сырьевых, энергетических и трудовых ресурсов, ухудшает экологическую обстановку.
Решение указанных проблем возможно путем направленного формирования структуры на всех иерархических уровнях в сложноструктурированных системах для получения композиционных материалов с заданной степенью анизотропии с учетом условий эксплуатации.
Работа выполнялась в рамках гранта РААСН «Кирпичная кладка как альтернатива долговечному бетону»; по заданию Федерального агентства по образованию на проведение по заданию Федерального агентства по образованию на проведение научных исследований по тематическому плану г/б НИР № 1.1.07; МД-2906.2007.8 «Методологические принципы проектирования композиционных вяжущих при использовании нанодисперсных модификаторов с учетом типомор-физма сырья; МК-3123.2008.8 «Разработка теоретических принципов повышения эффективности мелкозернистого бетона с использованием техногенных песков для жилищного строительства»; г/б НИР № 10-Б-1 (01201053997) «Разработка теоретических основ получения высокопрочных бетонов нового поколения с учетом генетических особенностей нанодисперсных компонентов».
Цель работы. Повышение эффективности производства композиционных анизотропных строительных материалов за счет управления структурообразованием с учетом условий эксплуатации.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка классификации иерархических уровней и создание многоуровневой модели композиционных анизотропных материалов (КАМ);
определение номенклатуры методов управления структурообразованием композитов с учетом заданных свойств КАМ при различных условиях эксплуатации;
разработка принципов проектирования КАМ с учетом взаимодействия между структурными элементами различных иерархических уровней, морфологии и состава исходных компонентов;
разработка методов прогнозирования эксплуатационных свойств композиционных материалов в различных условиях на всем жизненном цикле с учетом степени анизотропии;
подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований и внедрение результатов исследований.
Научная новизна. Разработаны теоретические принципы повышения эффективности производства композиционных анизотропных материалов с учетом состава, морфологии и дефектов структурных элементов, заключающиеся в анализе и моделировании структурообразо-вания и дефектности структуры; в направленном формировании структуры на всех иерархических уровнях; оптимизации баланса внешних и внутренних сил; прогнозировании трещиностоикости, надежности и долговечности композитов; в разработке и применении новых способов армирования на различных уровнях структуры; подборе оптимальных составов сырьевых компонентов, что позволяет создавать рациональную структуру КАМ с заданными свойствами.
Разработана многоуровневая модель структурообразования и взаимодействия структурных элементов композиционных материалов в иерархической соподчиненности всех уровней структуры от наиболее крупных к более мелким, которая учитывает многофакторные межфазные и межчастичные взаимодействия и позволяет установить причинно-следственные связи структуры и свойств КАМ на всем жизненном цикле. Создание структуры материала с учетом выявленных закономерностей позволяет добиться снижения дефектности структуры композиционных анизотропных материалов; повысить эффективность использования сырьевых компонентов на всех уровнях структуры; прогнозировать долговечность, трещиностойкость, надежность материалов с высокой степенью достоверности; расширить рациональные области применения композиционных материалов в строительной индустрии.
Предложены методы проектирования составов и управления структурообразованием, заключающиеся в регулировании баланса внутренних сил и оптимизации упаковки структурных элементов, позволяющие снижать дефектность структуры на различных иерархических уровнях композита на раннем этапе структурообразования. Предложены способы регулирования физико-химических и механических и технологических условий синтеза композиционных анизотропных материалов с различными коэффициентами анизотропии.
Предложены методы прогнозирования параметров деформирования и разрушения структуры на каждом иерархическом уровне, в том числе в суровых условиях эксплуатации, с учетом многообразия размера, состава, морфологии структурных элементов. Установлен характер механизма разрушения при различных условиях эксплуатации, заключающийся в совместной работе структурных элементов при воздействии различных внешних факторов. Предложенный численный показатель удельной работы разрушения позволяет прогнозировать долговечность, надежность материалов и момент разрушения.
Выявлены закономерности характера деформирования крупного заполнителя и стеновых камней, как макроэлементов композиционного материала, позволяющие управлять разрушением структуры и прогнозировать риск нарушения целостности композита. Определены причины, снижающие эффективность работы по сравнению с единичным образцом вне структуры КАМ за счет действия поперечных растягивающих, срезающих и изгибающих усилий. Предложен способ снижения влияния данного эффекта, заключающийся в изменении схемы перераспределения внутренних усилий введением дополнительных элементов структуры (армирования, демпфирования, армо-демпфирования), позволяющий увеличить механические характеристики до 2,5 раз.
Установлен характер зависимости прочности при срезе контактной зоны между крупным заполнителем, стеновыми камнями и растворной составляющей от внешних условий, заключающийся в увеличении прочности при увеличении разницы коэффициентов поперечных деформаций взаимодействующих материалов. Увеличение степени адгезии вяжущего с поверхностью некондиционного заполнителя или стенового камня возможно за счет использования двухслойных Al-Si-филлосиликатов или технологических способов формирования контактной зоны.
Выявлена зависимость коэффициента раздвижки (Кр) зерен мелкого заполнителя от вида разрушения композита. Осуществлено ранжирование зон разрушения растворной составляющей и предложен обоснованный выбор коэффициента раздвижки зерен и фракционирования заполнителя. При использовании заполнителя (R3), превышающего по прочности матрицу и контактный слой (R3>RM, RK.C), целесообразна схема полифракционного заполнителя с Кр<1; при сопоставимой прочности структурных элементов (R3~RM~RK с) - монофракционная схема с коэффициентом раздвижки Кр<1. При заполнителе менее прочном, чем зона контакта и матрица (R3
ходима монофракционная схема с Кр>1.
Предложен способ интенсификации структурообразования в системе цементный клинкер-цементное тесто-цементный камень, заключающийся в изменении начального этапа гидратации минералов цементного клинкера введением мелкодисперсных элементов и использовании химического армирования цементного камня. Метод направленного формирования структуры цементного камня путем увеличения плотности сращивания новообразований, формирующихся в результате гидратации минералов клинкера, позволяет повысить прочность и снизить влияние сульфатной коррозии за счет формирования первичного эттрингита.
Практическое значение. Предложен метод сбалансированного управления формированием структуры КАМ на всех иерархических уровнях в совокупности, заключающийся в использовании дающих синергетический эффект конструктивных и технологических мероприятий и позволяющий снизить дефектность структуры каждого уровня. Эффективность использования метода доказана на примере кирпичной кладки, где достигнута прочность композита, сопоставимая с прочностью исходных материалов.
Разработана конструкция армодемпфирующих элементов, состав и технология их изготовления и применения, позволяющая увеличить прочность композиционных материалов до 50% по сравнению с неар-мированными. За счет механизма демпфирования трещин корректируется трещинообразование композита, за счет армирования повышается прочность. Это позволяет использовать предложенные решения для создания КАМ, эксплуатируемых в экстремальных условиях сейсмических, динамических воздействий (получен патент РФ). Установлено принципиальное отличие работы анизотропных материалов при действии экстремальных поперечных нагрузок за счет увеличения энергоемкости разрушения, заключающееся в увеличении энергии деформирования , по сравнению с изотропными, за счет больших деформаций при изгибе при сопоставимых деформативных параметрах растяжения-сжатия.
На основании результатов теоретических исследований и внедрения в опытное производство разработан метод подбора состава композиционных анизотропных материалов в зависимости от вида крупного заполнителя либо кладочных изделий. Для тяжелого бетона получен материал прочностью 60-65% прочности исходного заполнителя, для кирпичной кладки - 85% прочности кладочного материала.
Предложен метод оптимального фракционирования состава и расчет коэффициента раздвижки (Кр) зерен мелкого заполнителя в зави-
симости от характера разрушения КАМ, позволяющий снизить пус-тотность и проницаемость в 2-3 раза, повысить плотность и прочность.
Предложены составы растворов для производства анизотропных композиций самоуплотняющихся и самовыравнивающихся с повышенной адгезией к заполнителю и стеновым камням, с использованием 2-слойных Al-Si-филлосиликатов для кладочных и монтажных растворов; прочность сцепления с кирпичом на 25-40% превышает традиционные растворы сопоставимого состава. Разработаны составы теплоизоляционных растворов для предотвращения мостиков холода в ограждающих конструкциях с плотностью и теплопроводностью близкими к эффективному бетону. При этом плотность в 1,5-2 раза ниже по сравнению с традиционными составами сопоставимой прочности.
Предложен метод направленного формирования структуры в системе цементный клинкер-цементное тесто-цементный камень, ускоряющий гидратацию, повышающий прочность при сжатии цементного камня на 50% в возрасте 28 сут; после 1 года хранения в условиях сульфатной коррозии - на 15-25% при изгибе и 10-15% при сжатии.
Внедрение результатов исследований. Результаты проведенных исследований позволили внедрить в опытное производство методы и технологии армодемпфирующих конструктивных элементов и добавок; композиций с улучшенными параметрами трещинообразования и повышенной прочности для несущих конструкций и изделий; композиционных материалов, позволяющих повысить трещиностойкость, надежность и долговечность.
Для применения в производстве строительных материалов и строительстве разработаны следующие нормативные документы:
-Технические условия на «Сухие смеси штукатурные» ТУ-5745-001-96753069-2008;
Технические условия на «Смеси сухие шпаклевочные и декоративные» ТУ-5745-002-96753069-2008;
стандарт организации СТО 02066339-003-2010 «Изготовление и применение армодемпфирующих конструктивных элементов для кирпичной кладки, работающей в суровых условиях»;
стандарт организации СТО 02066339-003-2009 «Фракционирование заполнителя для растворов и бетонов с ограниченным расходом цемента»;
стандарт организации СТО 02066339-003-2009 «Восстановление несущей способности кирпичной кладки инъектированием раствора»;
стандарт организации СТО 02066339-003-2010 «Кладочные растворы с повышенными теплофизическими свойствами».
Апробация полученных результатов осуществлена на следующих
предприятиях: 000 «Ажио-проект», 000 «Стройхим», 000 «Гарда-рика» (Петербург и Ленинградской обл.), предприятиях Белгородской области и Удмуртии. Результаты работы использованы при обследовании, ремонте и реконструкции Государственного академического Ма-риинского театра, Государственного Эрмитажа, восстановлении Староладожского Свято-Успенского монастыря в д. Ст. Ладога, Никольского собора в с. Строжно Ленинградской обл.
Теоретические положения, результаты экспериментальных лабораторных исследований и практического внедрения реализованы в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности «Строительство железных дорог», «Мосты и тоннели», «Стандартизация и сертификация»; нашли отражение в справочнике «Бетоноведе-ние» (2009 г. изд-во «Профессионал») и 3-х монографиях.
Апробация работы. Результаты работы апробированы и получили положительную оценку на Научной конференции по вопросам строительства (Пенза, 1999 г.); III Международной научно-практической конференции «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии» (Ростов-на-Дону, 2004 г.); семинарах секции «Транспортные сооружения» Дома Ученых РАН (СПб, 2004, 2005 гг.); 54, 55, 56, 57, 58 Международных научно-технических конференциях молодых ученых «Актуальные проблемы современного строительства» (СПб, 2000, 2001, 2003, 2004, 2005 гг.); 57, 58, 61, 62, 64 Научной конференции преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета (СПб, СПбГАСУ, 2000, 2004, 2005, 2006, 2007 гг.); Научно-практической конференции «Новые технологии в строительстве доступного жилья» (СПб, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород, 2005 г.), Форуме стройиндустрии республики Башкортостан (Уфа, 2007 г.), Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (Белгород, 2007, 2008, 2009,2010 гг.), VI Международная научно-практическая конференция «Развитие керамической промышленности России» «Керамт-экс-2008».
На защиту выносятся.
Принципы повышения эффективности композиционных анизотропных материалов за счет направленного формирования структуры на всех иерархических уровнях.
Модель взаимодействия структурных элементов композиционных анизотропных материалов в иерархической соподчиненности.
Методы проектирования составов и управления процессами структурообразования композиционных анизотропных материалов.
Методы прогнозирования параметров деформирования и разрушения структуры на каждом иерархическом уровне, в том числе при работе в суровых условиях эксплуатации. Характер механизма разрушения при различных условиях эксплуатации.
Закономерности деформирования крупного заполнителя и стеновых камней, как элементов композиционного материала.
Зависимость прочности при срезе контактной зоны крупного заполнителя, стеновых камней и раствора от внешних условий.
Закономерность изменения коэффициента раздвижки зерен мелкого заполнителя от вида разрушения композита.
Способы интенсификации структурообразования в системе цементный клинкер-цементное тесто-цементный камень.
Расчетный метод сбалансированного управления формированием структуры анизотропного композиционного материала на всех иерархических уровнях в совокупности.
Конструкция армодемпфирующего элемента, составы армо-демпфирующих добавок и технология их изготовления и применения.
Методы подбора состава композиционных анизотропных материалов в зависимости от вида крупного заполнителя либо кладочных изделий и оптимального фракционирования мелкого заполнителя.
Составы самоуплотняющихся, самовыравнивающихся и теплоизоляционных растворов для производства анизотропных композиций.
- Результаты производственных испытаний и внедрения.
Публикации. Результаты опубликованы в 63 статьях, в том числе в
17 статьях в научных журналах по списку ВАК РФ, 3 монографиях, 2 патентах РФ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, восьми глав, общих выводов и приложений. Диссертация содержит 441 страниц основного текста, 51 таблицы, 168 рисунков и 16 страниц приложений, 507 наименований библиографического списка.
