Научно-технические основы производства строительных материалов нового поколения для улучшения среды обитания человека с использованием промышленных отходов Белгородской области

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 проекта 22-19-20115

НазваниеНаучно-технические основы производства строительных материалов нового поколения для улучшения среды обитания человека с использованием промышленных отходов Белгородской области

Руководитель Загороднюк Лилия Хасановна, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" , Белгородская обл

Конкурс №66 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

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

Ключевые слова Природоподобные технологии, композиционные материалы, геоника, геомиметика, техногенное сырье, строительные материалы

Код ГРНТИ67.09.31, 67.09.33, 67.09.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время человечество находится на сложном этапе своего развития, что характеризуется определенными проблемами, такими как истощение запасов ископаемых, ухудшение экологической обстановки, загрязнение воздуха, шумовая агрессия, увеличение количества природных и техногенных катастроф и т.д. Все это является следствием увеличивающегося антропогенного воздействия человека на окружающую среду. Вынужденная самоизоляция в условиях пандемии заставила людей по-новому оценить комфортность среды обитания, качество строительных материалов, из которых построены здания и сооружения, где человек проводит 80–90% своего времени. Выбор материалов для строительства должен, в первую очередь, определяться широким комплексом характеристик личности людей, географией строительства, экологией и т.д. Белгородская область находиться на территории Курской магнитной аномалии (КМА) и испытывает антропогенную нагрузку от деятельности нескольких горнодобывающих предприятий, металлургических комбинатов и сельскохозяйственных предприятий образующих многотоннажные отходы. Проект направлен на ресурсосбережение Белгородской области, решение вопросов утилизации и потребления отходов горнорудной промышленности, рециркуляции отходов строительного производства, отходов, образующихся при сносе зданий и сооружений, и вовлечение их в энергоэффективные технологии строительного материаловедения. Работа построена на трансдисциплинарных исследованиях в рамках научного направления «геоника» («геомиметика») с переносом когнитивных схем между научными направлениями, таких как геология, кристаллография, физика, физхимия, коллоидная химия, материаловедение и т.д. Научная новизна заключается в формировании физико-химических и геологических предпосылок использования нетрадиционного вида сырья с высоким энергетическим потенциалом во взаимосвязи с технологическими этапами производства строительных композитов. Получение новых знаний о генетических особенностях техногенного сырья позволят максимально использовать его энергетический потенциал в процессах регулирования фазо- и структурообразования, и будут являться эффективным инструментом при создании новых строительных материалов с заданными физико-механическими свойствами. Будут исследованы физико-химические закономерности синтеза многокомпонентных полиминеральных систем и композиционных вяжущих при сокращении доли клинкерной составляющей до 50% и применении до 60% техногенного сырья. Проект включает разработку природоподобных технологий получения высокопрочных бетонов конструкционно-изоляционного назначения с высокой прочностью (прочность при сжатии до 100 МПа) при достаточно низкой плотности (плотность 1800-2000 кг/м3), долговечностью и хорошими тепло-, и звукозащитными свойствами. Этот экономичный и облегченный бетон необходим для строительства эффективных зданий и сооружений, защищающих человека от воздействия природных и техногенных процессов. Практическая значимость также обусловлена востребованностью данного материала для специальных объектов строительства (ограждения высокоскоростных дорог, промышленных предприятий и т.п.), а также для фортификационных сооружений (защита от воздействия акустического оружия и т.п.). Полученные в результате реализации проекта новые знания имеют важное значение в решении вопросов энергосбережения, открывают новые возможности в процессах обогащения и переработки минерального сырья природного и техногенного генезиса, открывают перспективы его максимально эффективного вовлечения в область строительного материаловедения Белгородской области и позволяют рассматривать рациональное природопользование как систему взаимодействия человека с окружающей средой.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Лесовик В.С., Федюк Р.С., Лисейцев Ю.Л., Панарин И.И. Влияние состава на свойства и строение модифицированных цементных композитов Строительные материалы, №9. С. 39-49 (год публикации - 2022)
10.31659/0585-430X-2022-806-9-39-49

2. Лесовик В.С., Толстой А.Д., Федюк Р.С., Амран М., Али М., де Азеведо А.Р.Г. Improving the Performances of a Mortar for 3D Printing by Mineral Modifiers Buildings, Т.12(8). С.1181 (год публикации - 2022)
10.3390/buildings12081181

3. Абжалов Р., Сатаев М., Кошкарбаева Ш., Сагитова Г., Смайлов Б., Азимов А., Серикбаева Б., Колесникова О., Федюк Р., Амран М. Studies of the Application of Electrically Conductive Composite Copper Films to Cotton Fabrics Journal of Composites Science, Vol. 6(11), 349 (год публикации - 2022)
10.3390/jcs6110349

4. Лесовик В.С., Фомина Е.В., Черепанова И.А., Ряпухин А.Н. Выветренные кварцитопесчаники курской магнитной аномалии − сырье стройиндустрии Вестник Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета, Т.19, № 5 (87). С. 728-737 (год публикации - 2022)
10.26518/2071-7296-2022-19-5-728-737

5. Жангабей Н., Сапаргалиева Б., Сулейменов У., Абшенов Х., Утельбаева А., Колесников А., Байболов К., Федюк Р., Аринова Д., Дуйсенбеков Б., Сейтханов А., Амран М. Analysis of Stress-Strain State for a Cylindrical Tank Wall Defected Zone Materials, Vol.15. Р. 5732. (год публикации - 2022)
10.3390/ma15165732

6. Махортов Д. С., Загороднюк Л. Х., Шаповалов Н. А., Сумской Д. А. Вяжущие композиции из цемента и керамзитовой пыли Вестник СибАДИ, Т.19, № 4 (86). C. 584-596. (год публикации - 2022)
10.26518/2071-7296-2022-19-4-584-596

Публикации

1. Коновалова Н., Панков П., Бесполитов Д., Петухов В., Панарин И., Фомина Е., Лушпей В., Фаткулин А., Отман А. Road soil concrete based on stone grinder waste and wood waste modified with environmentally safe stabilizing additive Case Studies in Construction Materials, Volume 19, e02318 (год публикации - 2023)
10.1016/j.cscm.2023.e02318

2. Лесовик В. С., Елистраткин М. Ю., Сальникова А.С., Фомина Е.В. Композиционное вяжущее с энергосберегающим сырьем для высокопрочного бетона Промышленные процессы и технологии, Т.3. № 2 (9). С. 7-17 (год публикации - 2023)
10.37816/2713-0789-2023-3-2(9)-7-17

3. Лесовик В.С., Попов Д.Ю., Федюк Р.С., Сабри М.М., Вавренюк С.В., Лисейцев Ю.Л. Shrinkage of ultra-high performance concrete with superabsorbent polymers Magazine of Civil Engineering, Vol. 121(5). 12108 (год публикации - 2023)
10.34910/MCE.121.8

4. Логанина В., Федюк Р., Лесовик В., Амран М., Литвинец О., Охоткина В., Рашид Р.С.М., Ломов М., Московая И. Evaluation of Some Composite Paint Coatings’ Appearance Quality Using Fractal Dimension JOURNAL OF COMPOSITES SCIENCE, Vol. 7(1).9 (год публикации - 2023)
10.3390/jcs7010009

5. Панарин И.И., Федюк Р.С., Вертикова Н.С., Братчиков В.В. Инновационные инъекционные растворы на композиционных цементах для закрепления грунтов СТРОИТЕЛЬСТВО. АРХИТЕКТУРА. ДИЗАЙН, С. 67-71. (год публикации - 2023)

6. Мамури Ш. Аль, Загороднюк Л.Х., Сумской Д.А., Бочарников А.Л., Шеметова О.М. Вяжущие композиции с использованием вермикулита для теплозащитных растворов Вестник белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, № 2. С. 8-19. (год публикации - 2023)
10.34031/2071-7318-2022-8-2-8-19

7. Шадид А.М.С.К., Шеметова О.М., Загороднюк Л.Х., Бочарников А.Л. Смешение теплоизоляционных смесей в пневматическом смесителе со спиральной энергонесущей трубкой Вестник Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета, Т. 20, № 1(89). С. 126-137. (год публикации - 2023)
10.26518/2071-7296-2023-20-1-126-137

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
С позиции закона подобия разработаны теоретические основы создания высокоупорядоченной структуры тонкодисперсных композиционных вяжущих, мелкозернистых и высокопрочных облегченных бетонов. Природоподобные технологические принципы проектирования высокопрочных бетонов заимствованы из процессов формирования природного аналога - высокопрочных алевролитов (осадочные горные породы). Изучено влияние минеральных, химических добавок, наполнителей и заполнителей на физико-технические (прочность, плотность, морозостойкость) и технологические свойства (реология, сроки схватывания, водопотребность, подвижность, водоудерживающая способность) строительных композитов. Научная новизна заключается в разработке состава тонкомолотого композиционного вяжущего и органоминерального модификатора (ТОММ) с применением энергетически активного минерального сырья природного и техногенного генезиса. Изучали мономинеральные кварцсодержащие горные породы метаморфического генезиса (микрозернистые сланцы, кварцевые порфиры, кварцитопесчаники (КП), амфиболиты и породы коры выветривания) Курской магнитной аномалии (КМА). Эффективность действия этого сырья обусловлено достаточным запасом внутренней энергии, которая определяется дефектностью кристаллической решетки, содержанием аморфного кремнезема, размерностью, морфологией поверхности и т.д. С позиции химических процессов гидратации данное сырье отличается высокой пуццолановой активностью, что позволяет проводить синтез стабильных высокопрочных гидросиликатных соединений в структуре бетона. Установлена высокая эффективность использования КП взамен традиционного заполнителя из полиминерального гранита, с высокой степенью адгезии к цементному камню, что позволяет сократить на 50% долю портландцемента в составе бетона. В отличие от гранита КП отличается повышенной морозостойкостью и модулем упругости, приближенным к цементному камню. При использовании отсевов дробления техногенного сырья в качестве заполнителя для получения высокопрочного бетона, рекомендуется производить фракционирование с учетом коэффициента упаковки многокомпонентных зернистых систем, а также размера и формы частиц. Это необходимо, так как большинство отсевов дробления нестабильны по гранулометрическому составу и содержанию пылевидной фракции, что отрицательно сказывается на их конкурентоспособности. Фракционирование позволило увеличить прочность при сжатии мелкозернистого композита на 71%. Отмечается повышении модуля упругости на 30%. Общая (интегральная) пористость уменьшается на 12-15%, капиллярное водопоглощение снижается на 10-12%. Изучены особенности адгезии между заполнителем и цементным камнем, в основе которого лежат процессы взаимодействия за счет межмолекулярных, электроповерхностных и физико-химических сил. Предложен метод изменения электроповерхностных свойств отрицательно-заряженных активных центров техногенного кварцсодержащего сырья путем модификации его солями 2-х и 3-х валентных катионов, а также катионактивных ПАВ, что позволяет повысить эффективность действия суперпластификаторов на 20% при повышении прочности композита на 30%. Разработан состав бетона с применением ТОММ и полной заменой заполнителя из природного кварцевого песка на техногенное сырье, марка прочности при сжатии бетона составила М1000 (В 80), плотность 2184 кг/м3. ТОММ включает силикатсодержащий, карбонатсодержащий и алюмосодержащий компонент, комплексное действие направлено на регулирование фазообразования, уменьшение усадочных напряжений, ускорение процессов твердения и повышение марочной прочности композита. Выявлена модель последовательного твердения композиционного вяжущего, заключающаяся в нарастании структурной прочности путем обеспечения последовательного роста новообразований. На первой стадии гидратации происходит быстрый набор прочности системы за счет синтеза мелких кристаллов гидратных новообразований, в дальнейшем, за счет «фактора возврата» воды из межпорового пространства, формируются новообразования второй генерации. В этом процессе важную роль играет адсорбция воды частицами глинистой породы в составе ТОММ. Предложена рецептура композиционного вяжущего на основе порошковой матрицы для получения облегченного высокопрочного бетона со сложной системой пор. Открытые поры образуются за счет способа газовыделения в щелочных растворах вяжущего алюмосиликатного компонента, входящего в состав ТОММ, а закрытые поры – за счет применения микросфер. Разработаны составы и технология получения энергоэффективных высокопрочных легких бетонов конструкционного и конструкционно-звукоизоляционного назначения на основе тонкомолотых композиционных вяжущих с применением техногенного сырья и ТОММ. Достигнуты требуемые физико-технические характеристики бетона: средняя плотностью 1800–1900 кг/м3; прочность при сжатии 52–55 МПа, водопоглощение 1,5–1,6%, коэффициент водостойкости более 0,85, водонепроницаемость W4, коэффициент теплопроводности 0,36–0,67 Вт/(м∙ºС), морозостойкость F250–300, коэффициент шумопоглащения 0,05-0,06 при 1000 Гц. Для разработанных составов модифицированных легких бетонов достигнуты высокие темпы набора прочности при сжатии в возрасте 1 суток – 67–75% от проектной прочности, что позволяет производить распалубку изделий через 1 сутки после формования с частичным или полным действием эксплуатационной нагрузки. Разработана технология получения аморфизированнного алюмосиликтаного компонента (АСК) из золошлаковых отходов АЭС. Технология включает 5 стадий: дезинтеграцию, флотацию, двухступенчатую магнитную сепарацию и сушку. АСК по своей гранулометрии, химическому и минеральному составу имеет значительный потенциал для применения в качестве активной добавки в композиционном вяжущем. Максимальная прочность при сжатии 75 МПа достигается при замещении портландцемента на 30 мас. % АСК в случае совместной механоактивации композиционного вяжущего до Sуд= 500 м2/кг, что повышает более, чем в 2 раза прочностные характеристики композита без применения АСК. Опубликовано 6 статей, в том числе индексируемых в системах цитирования ВАК – 3, Russian Science Citation Index – 2, индексируемых в базе данных Scopus и/или Web of Science – 3, в том числе входящих в первый квартиль (Q1) – 1. Задачи, поставленные на третьем этапе реализации проекта, выполнены в полном объеме.

Публикации

1. Ядыкина В.В., Михайлова О.А., Лебедев М.С., Фомина Е.В. Влияние добавок на основе синтетических восков на адгезионные свойства битумных вяжущих Вестник Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета, Т.21, № 6, 2024 (год публикации - 2024)

2. Столетова И.А., Володченко А.А. Архитектурные бетоны для строительной 3D-печати Вестник Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета, Т. 21, № 6. (год публикации - 2024)
DOI:10.26518/2071-7296- 2024-21-6

3. Мохаммад Гематибахар, Амирали Милани, Роман Федюк, Мугахед Амран, Амир Бахтиари, Махмуд Карун, Мир Шариф Мусави Optimization of 3D-printed reinforced concrete beams with four types of reinforced patterns and different distances Engineering Failure Analysis, Volume 168, 109096 (год публикации - 2024)
DOI: 10.34910/MCE.126.8

4. Федюк Р.С., Лесовик В.С., Вавренюк С.В., Зайаханов М.Е. , Битуев А.В., Клюев С.В., Юй К., Лесовик Р.В., Бакатов К.А. Composite cement materials for structures foundation strengthening MAGAZINE OF CIVIL ENGINEERING, 17(3). Article no 12701. (год публикации - 2024)
DOI: 10.34910/MCE.127.1

5. Логанина В.И., Федюк Р.С., Лесовик В.С., Клюев С.В, Сабитов Л.С., Ломов М.И, Вавренюк С.В, Выходцев И.А. Application of fractal analysis to assess the quality of the appearance of paint and varnish coatings MAGAZINE OF CIVIL ENGINEERING, 17(2). Article No. 12608 (год публикации - 2024)
DOI: 10.34910/MCE.126.8

6. Столетова И.А., Фомина Е.В., Лесовик В.С. Композиционные вяжущие с использованием выветренных кварцитопесчаников Курской магнитной аномалии Вестник Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета, Т. 22, № 1. (год публикации - 2025)

Возможность практического использования результатов
Результаты работы соответствуют основным направлениям развития науки и технологий в области рационального природопользования, развития минерально-сырьевой базы, совершенствования технологий внедрения низкокачественного и неиспользуемого минерального сырья и многотоннажных техногенных отходов промышленного комплекса. Полученные в результате выполнения НИР данные способствуют изменению нормативно-правовых актов, направленных на стимулирование разведки и добычи энергосберегающего минерального сырья и вовлечение его в область строительного материаловедения. Освоение сырьевой базы лежит в основе решения экономических и социальных аспектов. Разработка самоорганизующейся системы строительных композитов с учетом реализации основных положений геоники позволяет перейти на новый уровень решения инженерных задач, отвечающим созданию строительных материалов нового поколения, надежных и долговечных, а также позволит решить ряд экологических, эксплуатационных и экономических задач современного строительства. Создаются предпосылки для формирования новых задач обновления производственных технологий, оборудования, стимулируя изменение характера инженерного образования, требует создания трансдисциплинарных команд специалистов с широким интеллектуальным диапазоном, обладающих ключевыми компетенциями мирового уровня по широкому спектру направлений.