Государственная программа ориентированных фундаментальных исследований «Строительство и архитектура» (2006–2010 гг.) – в интересах отрасли и государства

верхностного слоя бетона вследствие кристаллизации водонерастворимых фаз в поровом пространстве, в результате чего достигается снижение водопоглощения и капиллярного водонасыщения на 8– 10 и 35–40 % соответственно и, как следствие, повышение морозостойкости на 2 марки и прочности при сжатии на 25–30 %. С целью изучения природы новообразований было проведено рентгенографическое исследование цементного камня, обработанного пропиточным составом и контрольного (не пропитанного) образца. Установлено, что в результате обработки цементного камня пропиточным составом (вторичная защита бетона) водорастворимый Са(ОН)2 взаимодействует с гексафторсиликатом магния с образованием водонерастворимых фторидов магния и кальция.

Однако снижение пористости лишь поверхностного слоя бетона не достаточно, особенно это касается армированных изделий, где требуется высокая надежность железобетонных конструкций, что вызвало необходимость разработки первичной защиты бетона – процесса объемного флюатирования, т.е. введение пропиточного состава в бетон на стадии его приготовления.

При разработке химической добавки на основе гексафторсиликата магния в бетон варьировали количеством MgSiF6·6H2O от 0,1 до 5 % от массы цемента, однако во все сроки твердения у объемнофлюатированных образцов бетона наблюдался спад прочности по сравнению с контрольными образцами. Для детального изучения процессов гидратации и твердения цементного вяжущего в бетоне с участием гексафторсиликата магния проводили исследования на индивидуальных минералах портландцементного клинкера опытного завода НИИЦемента. Гексафторсиликат магния вводился в количестве 0,1 % от массы цемента, поскольку, как было установлено, достигается наименьшее снижение предела прочности при сжатии бетонных образцов.

Экспериментальные данные показали, что деструктивная роль гексафторсиликата магния на ранней стадии твердения бетона состоит в «переводе» части алита в белит, который, как известно, характеризуется низкой гидравлической активностью в ранние сроки твердения. Для предотвращения протекания указанной реакции вводили ускоритель твердения – нитрит натрия, который обеспечивал быстрое твердение бетона. Установлено, что в первую очередь нитрит натрия интенсифицирует процессы гидратации и гидролиза цемент-

51

ных минералов, приводящие к быстрому схватыванию и твердению бетона и положительно сказывающиеся на прочности образцов. Образующийся в результате этого Са(ОН)2 взаимодействует с гексафторсиликатом магния с образованием водонерастворимых фторидов магния и кальция и оксида кремния, которые способствуют формированию плотной структуры камня, что подтверждается рассчитанной термодинамической вероятностью протекания указанных реакций и, как следствие, приводит к снижению водопоглощения примерно на 25 %, повышению прочности ~ в 2,5 раза, морозостойкости на 2 марки, увеличению коррозионной стойкости бетона.

Оптимальный состав комплексной химической добавки для объемного флюатирования бетона следующий (% от массы цемента): гексафторсиликат магния – 0,1, нитрит натрия – 1,0.

Разработаны технологические процессы получения комплексных химических добавок на основе гексафторсиликатов двухвалентных металлов. Разработаны и выданы рекомендации по получению и применению химических добавок полифункционального назначения на основе гексафторсиликатов двухвалентных металлов.

Научная новизна состоит в интенсификации процесса гидратации клинкерных минералов и кристаллизации новообразований в цементном камне и бетоне при поверхностной и объемной обработке их комплексными химическими добавками на основе гексафторсиликатов двухвалентных металлов и солей щелочных и щелочноземельных металлов.

Практическая актуальность работы определяется использованием отечественных комплексных химических добавок взамен импортных дорогостоящих добавок аналогичного назначения.

«Строительство и архитектура 18» «Разработка и изучение ме-

ханизма активации гидратационных и кристаллизационных процессов в цементном камне с целью получения безусадочных и напрягающих растворов и бетонов». Научный руководитель канд. техн. наук Мечай А.А. Учреждение образования «Белорусский государственный технологический университет».

При выполнении выполнения задания «Строительство и архитектура 18» был разработан состав и способ получения эффективного расширяющего модификатора для получения безусадочных цементов и бетонов с компенсированной усадкой и самонапряжени-

52

ем. Исследовано влияние примесных оксидов на процесс формирования минералогической основы расширяющего модификатора.

Бетоны и растворы с компенсированной усадкой обладают повышенными строительно-эксплуатационными свойствами: прочность влагонепроницаемость, стойкость к агрессивным средам, морозостойкость и др. В Республике Беларусь безусадочные и напрягающие бетоны и растворы получают путем использования импортной расширяющей добавки. В качестве добавки используют глиноземистый клинкер, стоимость которого с доставкой составляет около 600 $ США за одну тонну, и природный гипс, месторождения которого в Республике Беларусь отсутствуют.

При выполнении работы был выбран оптимальный состав сырьевой смеси для синтеза расширяющего модификатора, масс %: фосфогипс – 55, глина – 30, мел – 15. При этом оптимальная темпе-

ратура синтеза 800-1100°С. Оптимальное содержание расширяющего модификатора в бетонах и растворах 10-15 % от массы цемента, линейное расширение цементно-песчаной системы при этом равно 0,10-0,20 %, самонапряжение – 1-2 МПа. Результаты работы использовались для разработки технологической схемы и промышленного выпуска расширяющего модификатора на Петриковском керамзитовом заводе ОАО «Гомельский ДСК».

Как показал предварительный анализ, наиболее пригодными сырьевыми материалами для получения необходимой минералогической основы расширяющего сульфоалюминатного модификатора являются фосфогипс, глина и мел. Для исследований использовался фосфогипс (отход ОАО «Гомельский химический завод»), глина месторождения «Кустиха» и мела белорусских месторождений. Пригодность модификатора для получения безусадочных растворов и бетонов проверяли по их свойствам. Исследования велись при разных соотношениях компонентов и при различных температурах обжига. Полученные результаты сравнивались с контрольным образцом, который готовился на обычном портландцементе.

Составы модификатора выбирались таким образом, чтобы обеспечить не только образование сульфоалюмината кальция и ангидрита, но и обеспечить их определенное соотношение. Наибольший эффект расширения и самонапряжения без существенного спада

53

прочности отмечается у состава, включающего 55 % фосфогипса,

30 % глины и 15 % мела при температуре обжига 800°С и 900°С. Выбранный оптимальный состав расширяющего сульфоалюми-

натного модификатора (РСАМ) с наиболее высокими показателями был принят для дальнейших исследований по оптимизации количества вводимого расширяющего модификатора в состав бетонов и растворов. Было установлено, что оптимальное количество его равно 15 % от массы цемента, при этом не играет существенной роли, каким образом модификатор введен в бетон. Содержание РСАМ свыше 15 % хотя и вызывает увеличение линейного расширения стандартных образцов цементного раствора, но при этом наблюдается существенный спад прочности. Стабильное расширение цементной композиции наблюдается как при совместном помоле клинкера, природного гипса и РСАМ, так и при смешивании с обычным портландцементом, что позволяет вводить его в молотом виде непосредственно в бетонную смесь.

Наиболее эффективен расширяющий модификатор, обожженный при температуре 1000°С. При дальнейшем повышении температуры снижается линейное расширение образцов и замедляется рост прочности.

Актуальность работы определяется отсутствием в Республике Беларусь производства безусадочных цементов и бетонов на их основе с использованием расширяющих добавок, производимых на основе местного сырья. В качестве такой добавки в настоящее время используют глиноземистый клинкер, стоимость которого с доставкой составляет около 600 долл. США за одну тонну, и природный гипс, месторождения которого в Республике Беларусь отсутствуют.

В настоящее время на Петриковском керамзитовом заводе ОАО «Гомельский ДСК» налажен промышленный выпуск расширяющего сульфоалюминатного модификатора, свойства которого не уступают лабораторному аналогу. Полученный расширяющий сульфоалюминатный модификатор нашел промышленное применение и активно используется ЗАО «Парад» (г. Минск) и ООО «Аркос» (г.Брест).

«Строительство и архитектура 19» «Разработка научно-

обоснованных структурно-механических моделей бетонного композита для прогноза основных характеристик свойств высококачественных бетонов с учетом собственных деформаций». Научный

54

руководитель д-р техн. наук Тур В.В. Учреждение образования «Брестский государственный технический университет», кафедра «Технология бетона и строительных материалов».

В результате исследований по заданию «Строительство и архитектура 19» разработана обобщенная модель структурообразования цементных систем, предназначенная для прогнозирования собственных деформаций (усадки и расширения) цементного камня, раствора или бетона. Показана возможность применения модели при расчете параметров структуры и свойств цементного камня или бетона в присутствии некоторых добавок, а также под действием отрицательных температур. С применением модели разработан метод расчета состава бетона с внутренним увлажнением, выполнены теоретические исследования собственных деформаций цементных систем, разработана и апробирована экспериментальнотеоретическая методика определения жесткостных характеристик гранул мелкого заполнителя.

Модель представляет собой научно обоснованный метод расчета параметров и свойств структуры цементных систем на различных масштабных уровнях. На микроуровне рассмотрены и смоделированы процессы структурообразования цементного камня (гидратационная модель, рис. 9). На основании гидратационной модели могут быть рассчитаны фазовый состав цементного камня (рис. 10), параметры пористости (рис. 11) и его жесткостные характеристики (рис. 12). На макроуровне рассмотрены взаимодействия цементного камня с заполнителем. Здесь учтены не только свойства цементного камня, рассчитываемые на предыдущем этапе (на микроуровне), и свойства заполнителя, но и особенности транзитной зоны: ее фазовый состав, пористость и жесткость.

Расчетная модель гидратационного развития цементных систем содержит аналитические зависимости для определения параметров фазового состава цементного камня. Эта базовая модель позволяет имитировать процесс твердения цемента, как в стандартных условиях, так и под действием различных температур, а при необходимости – и в присутствии некоторых добавок (рис. 13, 14).

Аналитические зависимости для расчета деформаций усадки, развивающихся на стадии твердения или эксплуатации цементного камня, базируются на модели пористости и позволяют учитывать влияние на величину деформаций температурно-влажностного ба-

55

ланса в порах. В качестве причин изменения температурновлажностного баланса рассмотрены: расход воды на гидратацию цемента в изолированных условиях и испарение воды из порового пространства в воздушно-сухих условиях (рис. 15). Эти зависимости также могут служить надежной базой для будущих моделей долговечности бетона и бетонных конструкций.

Рисунок 9 – Модель гидратационного развития цементной системы

Рисунок 10 – Диаграмма фазовых переходов цементной системы

56

Рисунок 13 – Схема модели гидратационного развития структуры цементного камня в присутствии добавки

Рисунок 14 – Схема расчета параметров структуры цементного камня, твердеющего при отрицательной температуре в присутствии противоморозных добавок

58

Рисунок 15 – К определению результатов совместного действия различных видов усадки во времени. Порядок проявления и схема расчета деформаций физической усадки в зависимости от относительной влажности в порах

На основе впервые разработанной реологической модели структурообразования расширяющегося цементного камня (рис. 16) получены аналитические зависимости для расчета деформаций расширения сульфоалюминатных цементных систем. Зависимости учитывают главную особенность твердения таких систем – конкурирование процессов набора прочности и расширения на ранней стадии формирования структуры. Благодаря этой части модели получена возможность прогнозировать величину деформаций расширения и прочностной потенциал цементных систем. Причем модель позволяет определять совместный результат действия деформаций расширения и усадки.

С помощью модельного подхода освоена актуальная методика снижения деформаций усадки бетона с применением пористого заполнителя, предварительно насыщенного водой, а также разработаны основные положения методики расчета состава бетона с предварительно насыщенным пористым заполнителем, позволяющей проектировать материал с учетом требований, предъявляемых к прочностным характеристикам и усадочным деформациям бетона.

59

Рисунок 16 – Физическая и реологические модели структуры сульфоалюминатной цементной системы

«Строительство и архитектура 20» «Разработка теоретических основ, методов и средств моделирования неупорядоченных микро- и мезаструктур в композитных системах на базе цементных материалов». Научный руководитель канд. техн. наук Дереченник С.С. Учреждение образования «Брестский государственный технический университет», кафедра «ЭВМ и системы».

В результате исследований по заданию «Строительство и архитектура 20» создана новая методика исследования кинетики структурообразования дисперсных фаз в многочастичных системах, сущность которой заключается в идентификации и анализе стадий процесса агрегации по кинетическим кривым, полученным в результате имитационного моделирования. Новизна методики состоит в использовании для анализа одного или нескольких структурных параметров, которые могут выбираться в зависимости от задачи исследования и типа микрогетерогенной системы.

Найдено новое функциональное преобразование объемной дисперсности сферических частиц макроскопически однородной многочастичной системы с дисперсностью сечений частиц в ее плоском срезе. Преобразование функционально расширяет ряд известных интегральных преобразований (Радона и др.), выражается линейным интегральным уравнением Вольтерра 1-го рода с неограниченным ядром, является полностью обратимым и аналитически разре-

60