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 19-79-10266

НазваниеАрмированные геополимерные композиты и экологичные стабилизаторы грунта на их основе: структурообразование, стабильность, межфазные взаимодействия

РуководительЛазоренко Георгий Иванович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный университет путей сообщения", Ростовская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2024 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (41).

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые словаГеополимеры, композиты, глинистые минералы, алюмосиликаты, метакаолин, грунт, железнодорожный путь

Код ГРНТИ67.15.51

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Научная проблема, на решение которой направлен проект, посвящена разработке фундаментальных и технологических основ синтеза геополимеров и композиционных материалов на их основе, получаемых путем щелочной активации вяжущих веществ на основе метакаолина и алюмосиликатных отходов, изучение их структуры и реакционной способности, установление физико-химических механизмов их структурообразования и межфазных взаимодействий в процессе геополимеризации в зависимости от химического (элементного) состава, наличия примесей, типа армирующего наполнителя, условий синтеза. Предполагается выполнение работ по разработке и теоретическому обоснованию конструктивных и технологических решений по использованию геополимерных вяжущих в геотехнических практике для укрепления глинистых грунтов. Планируется исследование влияния геополимеров на водно-физические и физико-механические характеристики различных разновидностей дисперсных связных грунтов, включая супеси и суглинки, с целью расширения сфер практического применения геополимеров в технической мелиорации грунтов. Будут получены зависимости вязкости, сроков схватывания, прочности, усадочных деформаций, плотности, пористости, водопоглощения геополимерных смесей от состава и расхода активатора, типа алюмосиликатного прекурсора. Будут выполнены поисковые исследования в области получения альтернативных щелочных активаторов, способных минимизировать химическую агрессивность и стоимость геополимерных материалов. Будут предложены практические рекомендации по подобру состава геополимерных смесей и производству работ по укреплению глинистых грунтов оснований железных и автомобильных дорог с их использованием при строительстве и ремонте. Будет проведен анализ жизненного цикла геополимерных материалов, отражающий технические, экономические, социальные и экологические эффекты их практического использования в инженерной. Научные результаты проекта могут послужить основой энерго- и ресурсосберегающей технологии укрепления геополимерами грунтов оснований железных и автомобильных дорог, аэродромов, полигонов складирования и утилизации промышленных и бытовых отходов, обеспечивая возможность использования ранее непригодных местных грунтов для строительства оснований сооружений. Технико-экономические и социально преобразующие эффекты от практического использования результатов проекта заключаются в повышении безопасности перевозок пассажиров и грузов по железным и автомобильным дорогам, увеличении ресурса и снижение издержек при эксплуатации геотехнических сооружений, снижение негативных экологических последствий антропогенного воздействия при производстве земляных работ, уменьшении стоимости и сроков строительства.

Ожидаемые результаты
Ожидаемые результаты Проекта: Условия проявления растворения тонкодисперсных алюмосиликатных материалов и образования геополимерных фаз при использовании альтернативных активаторов щелочного действия на основе природного и техногенного сырья. Зависимости вязкости, сроков схватывания, прочности, усадочных деформаций, плотности, пористости, водопоглощения геополимерных смесей от состава и расхода активатора, типа алюмосиликатного прекурсора. Сравнительный анализ характеристик выявленных альтернативных и традиционных активаторов. Закономерности изменения физических, механических и микроструктурных характеристик укрепленных геополимерами грунтов в зависимости от содержания основных породообразующих глинистых минералов. Оптимальные рецептуры геополимерных смесей для укрепления глинистых грунтов оснований. Теоретическое обоснование способов применения геополимерных вяжущих материалов для укрепления глинистых грунтов оснований железных и автомобильных дорог. Закономерности, отражающие изменение характеристик грунтового массива от способов и параметров усиления геополимерными вяжущими материалами. Практические рекомендации по подобру состава геополимерных смесей и производству работ по укреплению глинистых грунтов оснований железных и автомобильных дорог с их использованием при строительстве и ремонте. Анализ жизненного цикла (LCA) геополимерных материалов для геотехнических применений, отражающий технические, экономические, социальные и экологические эффекты их практического использования. Ожидаемые результаты проекта будут способствовать решению следующих практических задач, стоящих перед строительным и транспортным комплексом РФ: - повышение показателей экологичности, энерго- и ресурсосбережения технологии строительства железных и автомобильных дорог за счет использования разрабатываемых новых геополимерных композитных материалов, удовлетворяющих возрастающие эксплуатационные требования и повышение нагруженности конструкций; - повышение надежности работы и устойчивости объектов транспортной инфраструктуры и инженерных сооружений за счет повышения качества грунтов оснований, стабилизированных разрабатываемыми геополимерными материалами, и используемых на стадиях строительства и реконструкции с существенным экономическим эффектом за счет сокращения стоимости строительства; - уменьшение интенсивности накопления расстройств и дефектов конструкции железных и автомобильных дорог за счет использования разрабатываемых в рамках проекта высокоэффективных, экономичных и экологичных стабилизаторов грунтов.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Выполнено параметрическое исследование влияния состава и содержания глинистых минералов и органического вещества на физические, механические и микроструктурные характеристики укрепленных геополимерами связных грунтов. В рассмотрение были включены несколько характерных разновидностей связных грунтов, в т.ч. непригодных или ограниченно пригодных для строительства оснований (тяжелая глина, органо-минеральные и органические грунты) с целью установления границ применимости геополимерных вяжущих материалов, а также выработки требований к ним. По результатам проведенных испытаний установлены закономерности изменения рассматриваемых характеристик, предложена и обоснована феноменологическая модель формирования структуры укрепленного связного грунта в системе "глинистые породообразующие минералы – органическое вещество – геополимерное вяжущее". Выявлен характер влияния структурно-химической природы породообразующих минералов на эффективность связующего действия геополимерного геля в глинистых грунтах. Наличие в составе супесей и глин тонкодисперсных частиц алюмосиликатных фаз, а также каркасных силикатов (кварц, полевой шпат) в условиях щелочной среды базовой смеси раствора активатора и минерального прекурсора, способствует образованию гидроалюмосиликатов щелочных металлов, обладающих высокой связующей способностью, приводящей к формированию более компактной матрицы и увеличению прочности обработанного грунта. Полимеризация алюмосиликатного геля на поверхности частиц грунта и в промежутках между ними формирует сеть макроагрегатов, снижая его пористость. Количество и распределение этих новообразований в структуре укрепленного грунта различается в зависимости от его разновидности. Различия минерального состава обуславливают неодинаковое поведение в наборе прочности укрепленного глинистого грунта. Полученные результаты механических испытаний свидетельствуют о том, что снижение прочностных показателей укрепленных грунтов на ранней стадии твердения (3 суток) происходит в ряду: легкая глина → тяжелая глина → супесь песчанистая → органо-минеральный грунт низкопластичный → органо-минеральный грунт высокопластичный → органический грунт, т.е. по мере уменьшения глинистой составляющей в грунте и увеличения массовой доли органического вещества. Высокая реакционная способность метакаолина приводит к резкому приросту прочности на сжатие образцов укрепленного грунта в возрасте 7 суток. Максимальное увеличение прочности на сжатие в этом случае наблюдалось при укреплении супесчаного грунта (30.9 МПа), что превышало прочность укрепленных глин на 13%. Возможное объяснение наблюдаемого замедления скорости набора прочности укрепленных глин может заключаться в связывании тонкодисперсной глинистой составляющей грунта с быстропрореагировавшими продуктами геополимеризации, что замедлило дальнейшую скорость протекания реакции. В дальнейшем изменение предела прочности на сжатие укрепленного грунта в возрасте 14 и 28 суток становится менее заметным. При переходе от легкой глины к тяжелой, разница в величине числа пластичности (Ip) которых в проведенных экспериментах составляет 24, выявлено, что укрепление геополимерным вяжущим на основе метакаолина обеспечивает обоим разновидностям глинистых грунтов близкие (отличия колеблются в пределах 5%) показатели прочности на поздних этапах твердения. Таким образом, это указывает на возможность создания прочных конструкционных слоев земляного полотна на основе высокопластичных сильнонабухающих глинистых грунтов, расширяя область применимости геополимеров для глинистых грунтов с величиной Ip≤50.9 (предельный рассмотренный случай в серии экспериментов). В целях сокращения стоимости, производственных энергозатрат и воздействия на окружающую среду щелочных активаторов геополимеров предложены составы и способы получения альтернативных активаторов щелочного действия на основе техногенных отходов с высоким содержанием кремнезема - стекольный бой и отработанный диатомитовый фильтровальный порошок (кизельгур), приготовленные посредством термохимической и механохимической обработки. Выявлены условия проявления растворения тонкодисперсных алюмосиликатов и образования геополимерных фаз при использовании предложенных активаторов. Установлены зависимости подвижности свежеприготовленных смесей, сроков схватывания, а также прочности на сжатие, усадочных деформаций, плотности, пористости, водопоглощения отвержденных геополимерных материалов от состава и расхода активатора. Выполнен сравнительный анализ характеристик полученных активаторов геополимеров с традиционными.

 

Публикации

1. Каспржицкий А.С., Лазоренко Г.И., Кругликов А.А., Явна В.А. Анизотропия поверхностных свойств каолинита и еe роль при адсорбции молекул воды Colloid Journal, 85, №2, с. 167-178 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0023291222600596