КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-79-10021
НазваниеУсиление оснований и гидроизоляция фундаментов зданий и сооружений самовосстанавливающимися инъекционными материалами
РуководительСабри Моханад Муаяд Сабри, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого", г Санкт-Петербург
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2025 |
Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-109 - Геотехника, гидротехника
Ключевые словаукрепление грунтов; армирование оснований; самовосстанавливающиеся материалы; композитные материалы; теория композита; модель композита; деформация; несущая способность; устойчивость зданий и сооружений, гидроизоляция, гидротехнические сооружения
Код ГРНТИ67.11.29
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ заключаются в:
- отсутствии научно теоретических и экспериментальных обоснований самовосстанавливающихся инъекционных материалов.
- отсутствии научно теоретических и экспериментальных обоснований усиления оснований самовосстановляющимися инъекционными материалами.
- отсутствии научно теоретических и экспериментальных обоснований гидроизоляции фундаментов зданий и сооружений самовосстановляющимися инъекционными материалами.
- недостаточности эмпирических знаний о совместном поведении усиливающих материалов, формирующих с грунтовыми основаниями композитную систему (например: интеллектуальные геотехнические структуры, саморасширяемые полимеры, геополимеры, микросваи, самовосстанавливающиеся материалы и т. д.).
Научные проблемы в своем единстве являются значимыми для выбранного направления из Стратегии научно технологического развития Российской Федерации: «Переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта».
Тематика проекта связана с созданием новых конструкционных материалов, с проектированием и строительством зданий, и СООТВЕТСТВУЕТ ОТРАСЛЯМ ЗНАНИЙ по классификатору РНФ: 09–109
"Геотехника, гидротехника", 09–110 “Проектирование зданий и сооружений, строительство эксплуатация" и 09–102 “Механика технологических процессов".
ЦЕЛЬЮ ПРОЕКТА является - разработка новых научно теоретических и экспериментальных обоснований устойчивых и долговечных методов усиления оснований и гидроизоляции фундаментов зданий и сооружений самовосстанавливающимися инъекционными материалами и создание новой обобщенной теории расчета предельных состояний усиливаемых оснований, поведение которых эквивалентно совместному поведению композита.
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ проекта:
- Разработка новых научно теоретических и экспериментальных обоснований самовосстанавливающихся инъекционных материалов.
- Разработка теории и внедрение в практику строительства новых технологий усиления оснований и гидроизоляции фундаментов зданий и сооружений и объектов жизненно важной инфраструктуры самовосстановляющимися инъекционными материалами. Данные материалы могут быть в основном цементными, полимерными и биологическими.
- Разработка общей теории расчета напряжённо деформированного состояния усиливаемых оснований после внедрения в них армирующих элементов с учетом их совместного поведения в качестве композита.
- Разработка нового метода прогнозирования поведения используемых материалов в экстремальных условиях эксплуатации.
- Проведение экспериментальных исследований для определения и научного обоснования оптимизированных параметров усиленных самовосстановляющимися инъекционными материалами оснований, позволяющих уменьшить до приемлемого минимума стоимость проектирования и реконструкции и снизить вероятность возникновения аварийных ситуаций, вызванных антропогенными, техногенными, природными, террористическими факторами в отношении сооружений повышенного уровня ответственности.
НАПРАВЛЕННОСТЬ ПРОЕКТА
Проект, при наличии у заявителя некоторого исходного научного задела, направлен на проведение исследований в целях развития новых научных обоснований, технических и технологических решений и разработок в области механики грунтов, оснований и фундаментов, механики твердых тел, механики технологических процессов, строительной механики, формообразования строительных материалов, оптимальных решений проектирования и реконструкции, прикладных вопросов по теории надежности механики грунтов и строительных материалов.
АКТУАЛЬНОСТЬ НАУЧНОЙ ПРОБЛЕМЫ
Одним из инновационных и перспективных направлений в различных отраслях науки, в том числе и в геотехнических направлениях, является развитие и применение инъекционных материалов, эффективность которых в практических применениях подтверждена. Однако во многих случаях инъекционные материалы ограничены вопросом их долговечности. Сложность вопроса возрастает при применении инъекционных материалов для укрепления грунтов и гидроизоляции фундаментов ответственных зданий и сооружений.
Самовосстанавливающиеся материалы — это искусственные или синтетически созданные вещества, обладающие встроенной способностью автоматически восстанавливать свои повреждения без какой-либо внешней диагностики проблемы или вмешательства человека. Возможность использования данных материалов для устранения трещин и защиты от коррозии строительных конструкций подтверждена.
Разработка научно обоснованной теории и методов усиления оснований и гидроизоляции фундаментов самовосстановляющимися инъекционными материалами и внедрение их в практику строительства открывает возможности дальнейшего развития этих материалов как в геотехническом направлениях, так и в других различных сферах строительства. В итоге это приведет к особенному и долговечному решению по стабилизации высоко ответственных зданий и сооружений при проектировании, реконструкции и ликвидации аварийных ситуаций.
Кроме того, разработка теории расчета и эмпирических знаний о совместном поведении композитных материалов и их совместных предельных состояний, в том числе для усиленных армирующими элементами оснований, является весьма актуальной, поскольку композитные материалы, полимеры и наноматериалы получают все более широкое применение как в геотехническом направлении при усилении оснований и фундаментов зданий и сооружений, так и в других отраслях наук, в том числе в области строительства.
Данные разработки оказывают существенное влияние на дальнейшее развитие этих материалов и методов в различных направлениях и обеспечивают более эффективное, безопасное и экономичное производство и применение этих материалов, в результате чего повышается устойчивость и надёжность зданий и сооружений.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА исследований заключается в:
- Будут впервые разработаны и научно обоснованы самовосстанавливающиеся материалы, в качестве инъекционных.
- Будут впервые разработаны, научно обоснованы новые методы усиления оснований и гидроизоляции фундаментов высоко ответственных зданий и сооружений самовосстановляющимися инъекционными материалами.
- Будет впервые разработана и научно обоснована общая теория расчета предельных состояний композитных материалов и их общих параметров, с учетом совместных экспериментальных входных данных для определения эволюции пластичности, повреждения и начала разрушения вместо указания дискретных входных параметров составляющих композита в отдельности.
- Будет впервые разработан новый метод прогнозирования поведения используемых материалов в экстремальных условиях эксплуатации.
- Будут впервые определены и научно обоснованы оптимизированные параметры усиленных самовосстановляющимися инъекционными материалами оснований.
Ожидаемые результаты
Перечисленные ниже результаты проекта, как нам представляется, внесут заметный вклад в решение нескольких сформулированных в заявке научных проблем для выбранного научного направления согласно пункту Н1 Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации: «Переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта».
ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ НАУЧНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ
Результаты выполнения проекта будут значимыми для нескольких научных направлений в строительстве. Все полученные результаты, исходя из постановок задач и методов их решения, будут соответствовать мировому уровню, а для некоторых задач и превосходить его. В результате научных исследований планируется получение следующих результатов:
- Создание нового метода самовосстанавливающихся инъекционных материалов.
- Разработка и научно теоретические и экспериментальные обоснования нового метода усиления оснований и гидроизоляции фундаментов зданий и сооружений самовосстанавливающимися инъекционными материалами.
- Научно теоретические и экспериментальные обоснования степени влияния самовосстанавливающихся инъекционных материалов на механические характеристики улучшенных искусственных оснований.
- Научно экспериментальные обоснования степени влияния самовосстанавливающихся инъекционных материалов на гидроизоляционные характеристики улучшенных искусственных оснований и фундаментов зданий и сооружений.
- Научно экспериментальные обоснования оптимизированных параметров усиленных самовосстановляющимися инъекционными материалами оснований.
- Проведение сравнительного анализа разработанного метода с другими существующими способами усиления оснований и гидроизоляции фундаментов зданий и сооружений.
- Разработка общей теории расчета предельных состояний композитного материала (грунт-армирования) с учетом их совместного поведения и научно экспериментального обоснования предложенной теории.
- Разработка нового метода прогнозирования поведения используемых материалов в экстремальных условиях эксплуатации.
- Предложение рекомендаций по использованию разработанных самовосстанавливающихся инъекционных материалов в качестве усиления оснований и гидроизоляции зданий и сооружений.
ПУБЛИКАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
Соответствие полученных результатов мировому уровню позволит закрепить приоритет российской науки и представить результаты на международных конференциях, а также опубликовать в журналах, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) и «Скопус» (Scopus). Результаты работы планируется представить в следующем виде:
1) 13 статей в ведущих научных рецензируемых журналах международного уровня, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) или «Скопус» (Scopus): Buildings (Q1), Polymers (Q1), Sustainability (Q1), Materials (Q1), Crystals (Q2) и другие.
2) Не менее 1 патента на техническую новизну предлагаемых решений.
3) 2 бакалаврских, 2 магистерских выпускных квалификационных работы,
4) Не менее 1 кандидатская диссертация по специальностям 05.23.01 «основания и фундаменты, подземные сооружения» или близким научным специальностям.
5) 4 доклада на ведущих международных научных конференциях о полученных фундаментальных результатах.
6) обнародование результатов, отражающих приоритет российской науки, через средства массовой информации, через общественно-политические и научно-популярные издания, через специализированные научные (ResearchGate, Mendeley) и общие социальные сети.
ОБЩЕСТВЕННАЯ ЗНАЧИМОСТЬ
Возможность практического использования ожидаемых результатов проекта в социальной сфере заключается в повышении надежности разрабатываемых проектных решений объектов повышенного уровня ответственности. Социально значимым будет являться снижение вероятности разрушений фундаментов зданий и сооружений, проявление которых может стать угрозой жизни многих людей и спровоцировать катастрофу больших масштабов помимо экономических потерь. Научный коллектив предполагает, что полученные результаты будут иметь перспективу дальнейшего развития предлагаемых материалов и технологий в части обеспечения долговечных решений ответственных зданий и сооружений, отвечающих долгосрочным интересам Российской Федерации, способствующих повышению качества жизнь населения.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1.Выполнен критический анализ методов усиления оснований и гидроизоляции фундаментов ответственных зданий и сооружений. По результатам показано, что в мировой практике отсутствуют исследования применения самовосстанавливающихся материалов в геотехнической сфере в качестве инъекционных материалов.
2.Подготовлены самовосстанавливающиеся материалы, на базе которых будут разработаны самовосстанавливающиеся инъекционные материалы [1-4]. В ходе подготовки и подбора самовосстанавливающихся инъекционных материалов, нами были проведены три экспериментальных исследования в лабораторных условиях для изучения потенциала самовосстановления и влияния различных механизмов и состава на свойства самовосстанавливающегося материала, включая механические, микроструктурные свойства, а также свойства усадки.
• В первом исследовании было изучено влияние различных количеств кальцита и песка на самовосстанавливающийся бетон (СВБ) с использованием бактерий Hay-Bacillus для вызова образования кальцита. Были протестированы пропорции кальцита в размере 5%, 10% и 15% от массы цемента, сравнены два типа песка (измельченный камень и речной песок). Измерены прочностные характеристики СВБ на сжатие и изгиб с акцентом на оптимальном 10% бактериальном растворе. Были использованы техники SEM и XRD для изучения микроструктуры и образования лактата кальция, геля CSH и не расширяющегося эттрингита в бетоне. Результаты показали, что добавление определенных типов и доз бактерий значительно улучшает возможность самовосстановления СВБ.
• Во втором исследовании был разработан самовосстанавливающийся бетон с использованием низко кальциевого летучего золошлака, переработанного заполнителя и макро синтетических волокон. Низко кальциевый летучий золошлак и частично замененный переработанный заполнитель использовались для создания автогенного самовосстановительного поведения, а макросинтетические волокна были введены для дополнительного увеличения прочности разработанного материала. Результаты показали, что включение 60% летучего золошлака и 0,5% макро синтетических волокон улучшает механические свойства и способность к заживлению трещин бетона, подчеркивая потенциал самовосстанавливающегося бетона как устойчивого и экономически эффективного решения.
• В третьем исследовании были добавлены различные типы и объемы суперабсорбирующих агентов в цементную смесь. Свойства усадки самовосстанавливающегося бетона были оценены путем измерения усадочных деформаций и поведения трещин образцов. Результаты показали, что добавление определенных типов и объемов суперабсорбирующих агентов значительно улучшает свойства усадки самовосстанавливающегося бетона.
Разработан метод для инъектирования грунтовых оснований и гидроизоляции фундаментов зданий и сооружений самовосстанавливающимися инъекционными материалами. Для оценки возможности инъектирования микроинкапсулированных самовосстанавливающихся цементных материалов, нами были разработаны два метода расчета:
• Первый МКЭ расчет направлен на определение рациональных параметров микрокапсул, способных выдерживать давление, возникающее при инъекции (оптимизация параметров). В ходе первого анализа, проведенного с использованием ANSYS Fluent, нами были смоделированы наноконтейнеры при однородных условиях инъектирования в полевых условиях. Оценка этого рода обладает критической важностью, так как излишне тонкие микрокапсулы могут треснуть или лопнуть, что приведет к утечке химических веществ и снижению эффективности самовосстановления цемента. Анализ дает возможность определить потенциальные участки концентрации напряжений или слабые точки, способные спровоцировать отказ наноконтейнеров при инъекции. В результате была установлена зависимость толщины микрокапсул от инъекционного давления, действующего на них, что позволяет эффективно использовать свойства самовосстановления цемента и сохранение целостности микрокапсул.
• В рамках второго МКЭ расчёта нами смоделировано инъектирование грунтовых оснований самовосстанавливающегося цементного раствора с целью определения наиболее эффективных параметров инъекции. В результате были установлены зависимости эффективного радиуса распространения и массы самовосстанавливающегося цементного раствора в грунтовом массиве от давления инъектирования.
3. Были определены и смоделированы характеристики составленного композита (естественный грунт и самовосстанавливающийся материал) в отдельности [5,6].
4. Были приведены аппроксимирующие зависимости, которые позволяют выполнить экспресс оценки фильтрационных свойств песчаных и глинистых разностей, что позволяет выполнять теоретические оценки режима инъекционных работ на конкретной площадке.
5. Был усовершенствован метод расчета приведённых характеристик усиленных оснований, в качестве композитного материала, состоящего из грунта и элементов армирования с учетом различных схем распространения материалов армирования.
6. Были проведены численные расчеты и сравнены результаты с натурными испытаниями грунтов штампом. На основе полученных результатов подтверждена достоверность предложенного метода приведённых характеристик усиленных оснований.
Литература
1. Lesovik, V.S., Popov, D.Y., Fediuk, R.S., Sabri, M.M. . Shrinkage of ultra-high performance concrete with superabsorbent polymers. Magazine of Civil Engineering Mag Civ Eng 2023, 121. Article No. 12108 doi:10.34910/MCE. 121.8.
2. Prasad V.C., S., М.М., Devi, S.G., Najm, H., Majeed, S., Qaidi, Sh. Mechanical and Microstructural Properties of Self-Healing Concrete Based on Hay-Bacillus Bacteria. Mag Civ Eng 2023, 122. Article No. 12204, doi:10.34910/MCE. 122.4.
3. Sabri, М.М., Javed, M.F., Arslan, М. . Self-Healing Concrete utilizing Low Calcium Fly Ash, Recycled Aggregate, and Macro Synthetic Fibers: Autogenous Behavior and Properties. Mag Civ Eng 2023, 123. Article No. 12302, doi:10.34910/MCE.123.2.
4. Sabri, M.M.S.; Javed, M.F.; Muhammad, A. Self-Healing Concrete Using Fly Ash, Macro Synthetic Fibres and Recycled Aggregates. Construction of Unique Buildings and Structures 2022, 104. Article No. 10405, doi:10.4123/CUBS.104.5.
5. Sabri, М.М., Jehangir, L, Amin, F., Rehman, H. . Stabilization of Expansive Soil with Lime and Brick Dust: An Experimental Investigation. Mag Civ Eng 2023, 124. Article No.12401, doi:10.34910/MCE. 124.1.
6. Sabri, М.М., Shashkin, K.G. Soil-Structure Interaction: Theoretical Research, In-Situ Observations, and Practical Applications. Mag Civ Eng 2023, 120. Article No. 12005, doi:DOI: 10.34910/MCE. 120.5.
Публикации
1. Лесовик В.С., Попов Д.Ю., Федюк Р.С., Сабри М.М. Shrinkage of ultra-high performance concrete with superabsorbent polymers. Magazine of Civil Engineering Magazine of Civil Engineering, - (год публикации - 2023) https://doi.org/10.34910/MCE.121.8
2. С. Прасад В.К., Сабри М.М., Деви С.Г., Наджм Х., Маджид С., Кайди Ш. Mechanical and Microstructural Properties of Self-Healing Concrete Based on Hay-Bacillus Bacteria Magazine of civil engineering, vol. 122. Article No. 12204, 2023 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.34910/MCE.122.4
3. Сабри М.М., Джавед М.Ф., Арслан М. Self-Healing Concrete Using Fly Ash, Macro Synthetic Fibres and Recycled Aggregates Строительство уникальных зданий и сооружений, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Российская Федерация, 104 Article No 10405 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.4123/CUBS.104.05
4. Сабри М.М., Джавед, М.Ф., Арслан, М. Self-Healing Concrete utilizing Low Calcium Fly Ash, Recycled Aggregate, and Macro Synthetic Fibers: Autogenous Behavior and Properties Magazine of Civil Engineering, vol. 123. Article No. 12302 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.34910/MCE.123.2
5. Сабри М.М., Джехангир Л. А., Рехман Ф. Х. Stabilization of Expansive Soil with Lime and Brick Dust: An Experimental Investigation 10.34910/MCE.124.1, vol. 124. Article No.12401 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.34910/MCE.124.1
6. Сабри М.М., Шашкин К.Г. Soil-Structure Interaction: Theoretical Research, In-Situ Observations, and Practical Applications Magazine of Civil Engineering, vol. 120. Article No. 12005 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.34910/MCE.120.5