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 23-79-01286
НазваниеТеоретические и экспериментальные исследования механизма обеспечения долговечности цементных композитов для Арктики
Руководитель Шулдяков Кирилл Владимирович, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" , Челябинская обл
Конкурс №84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций
Ключевые слова цементные композиты, долговечность, портландит, структура гидратных фаз, микроструктура, пуццоланизация, морозостойкость, C-S-H, Арктика
Код ГРНТИ67.09.33
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Одним из приоритетных направлений обеспечения национальной безопасности и экономического развития Российской Федерации является освоение северной строительно-климатической зоны. Для создания современной и надежной инфраструктуры в Сибири и на Арктическом побережье требуются материалы, которые длительное время, под воздействием интенсивных эксплуатационных нагрузок в экстремальных природно-климатических условиях, будут соответствовать проектным техническим характеристикам. Для увеличения стойкости и долговечности цементных композитов к возрастающим эксплуатационным и экстремальным природно-климатическим воздействиям необходимо выработать научно обоснованный подход к технологическим методам формирования цементных композитов.
Требования обеспечения долговечности цементных композитов, которые изложены в Российских и зарубежных стандартах, заключаются в повышении их плотности, путем снижения водоцементного отношения, повышением прочности бетона и расхода цемента. Данный подход доказал свою эффективность, но этих мер недостаточно для создания надежных и долговечных конструкций и сооружений в суровых климатических условиях. Необходим принципиально новый подход, который бы позволил установить взаимосвязь между формирующейся структурой цементного камня, видом применяемых модификаторов и стойкостью цементных композитов. В соответствии с современными представлениями об обеспечении морозостойкости высокопрочных цементных композитов (P.C. Aitcin, R.D.Hooton, G.Fagerlund и другие) класса В60 и более, для них характерно отсутствие капиллярной пористости, поэтому их морозостойкость не связана с плотностью бетона и льдообразованием. На величину морозостойкости таких высокопрочных цементных композитов влияет наличие демпфирующего компонента структуры, который обеспечивает релаксацию температурно-влажностных напряжений. При эксплуатации цементных композитов в их структуре могут происходить процессы кристаллизации, которые будут снижать количество слабозакристаллизованных гидросиликатных фаз, что приведет к накоплению деструктивных явлений и потере прочности бетона в конструкции. Таким образом, необходимо исследовать факторы влияющие на стабилизацию микроструктуры гидратов цементных композитов при агрессивных внешних циклических воздействиях.
К подобным выводам пришли ученые из Американского института бетона (ACI), так перед комитетом 201, занимающимся вопросами долговечности цементных композитов, в 2019 году была поставлена задача по разработке свода правил, в котором регулируется величина стойкости конструкций и сооружений с учетом структуры бетона. Японские ученые, для создания цементных композитов со сроком службы превышающим 500 лет, предлагают в качестве критериев оценивать прочность, плотность, морозостойкость и ряд других параметров. Но все эти параметры, как изложенные в национальных стандартах, так и предлагаемые в научных публикациях, не являются постоянными во времени, так как связаны с особенностями формирования и стабильностью микроструктуры гидратных фаз цементного камня.
Повысить стабильность гелеобразной структуры цементного камня и, следовательно, увеличить стойкость цементных композитов к внешним физико-механическим воздействиям возможно за счет снижения основности гидросиликатных фаз и содержания портландита в цементном камне, являющегося основной причиной перекристаллизации цементного геля. Остаточное содержание портландита должно сохранить щелочные свойства бетона и его защитные действия по отношению к стальной арматуре, а его конкретные значения необходимо выявить экспериментально, в зависимости от химического и минералогического состава цемента, а также вида применяемых модификаторов. Таким образом предлагаемые теоретические и экспериментальные исследования положены в основу теории обеспечения долговечности цементных композитов, в условиях резко-континентального и арктического климата.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Направленное формирование структуры цементного камня преимущественно из низкоосновных гидросиликатных фаз при введении поликарбоксилатного суперпластификатора ВПК и микрокремнезема позволяет получать тяжелый бетон с высокими эксплуатационными характеристиками, обеспечивающими прочность на сжатие не менее 61 МПа в возрасте двух суток и 94 МПа в 28 суток, с маркой по морозостойкости F2500 и водопоглощением по массе Wм не более 3 %.
2. Из полученных данных известно, что совместное введение добавок ВПК и микрокремнезема приводит к формированию преимущественно слабозакристаллизованной C-S-H(I) фазы с соотношением CaO/SiO₂ = 1,1-1,3, а также способствует уменьшению содержания свободного портландита с 5,3% до 3,2% в модифицированном цементном камне
3. Максимальную морозостойкость имеет состав бетона с добавоками ВПК и МК. Замена поликарбоксилатного пластификатора ВПК на FFC при постоянном водовяжущем отношении приводит к снижению марки по морозостойкости с F2500 до F2400, а при использовании СП-1 – до F2300. Это обусловлено различными структурными особенностями формируемого цементного камня. Составы без минеральных добавок характеризуются морозостойкостью F200.
4. Водопоглощение бетона связано со степенью закристаллизованности гидратных фаз цементного камня. Совместное применение микрокремнезема и пластификаторов обеспечивает минимальное водопоглощение (3,0–3,7%), что объясняется образованием преимущественно гелевой пористости при введении МК. Введение доменного гранулированного шлака в количестве 30% от массы вяжущего увеличивает водопоглощение бетона на 17% по сравнению с контрольными составами без минеральных добавок. При повышении дозировки ДГШ до 50% прирост водопоглощения достигает 51%.
5. Модуль упругости бетона количественно характеризует упругие свойства и жесткость материала. Увеличение данного параметра свидетельствует о повышении сопротивления деформациям. Максимальные значения модуля упругости наблюдаются при использовании МК в сочетании с пластификаторами ВПК и FFC, 43,5 и 43,1 ГПа соответственно. Минимальные значения зафиксированы для композиций с 50% ДГШ и пластификатором СП-1 (35,4 ГПа). Введение 10% МК повышает модуль упругости на 1,6–3,4 ГПа, по сравнению с составами, модифицированными только суперпластификаторами.
6. Введение доменного гранулированного шлака в бетонные смеси приводит к изменению состава гидратных фаз цементного камня. При дозировке ДГШ 50% от массы вяжущего происходит перекристаллизация на низкоосновные гидросиликаты кальция, такие как ксонотлит и трускотит. Эти фазы менее стабильны и могут снижать морозостойкость бетона. Разные пластификаторы способствуют перекристаллизации по-разному, что влияет на прочность и долговечность бетонных конструкций.
Публикации
1. Шулдяков К.В. Повышение стойкости цементных композитов к суровым условиям эксплуатации Челябинск: Изд-во. ЮУрГУ, 2024, Материалы XVII Всероссийской научно-практической конференции «Инновации в строительстве. Технологии КНАУФ». – Челябинск: Изд-во. ЮУрГУ, 2024. – 144-148 с (год публикации - 2024)
2. Шулдяков К.В., Павлюк Д.С., Зимаков К.И. Влияние различных видов супрепластификаторов и активных минеральных добавок на структуру цементного камня и морозостойкость бетона Строительные материалы (год публикации - 2025)
3. Шулдяков К.В., Павлюк Д.С., Зимаков К.И. Исследование долговечности и структурной деградации цементного камня при циклических воздействиях Известия высших учебных заведений. Строительство (год публикации - 2025)
Возможность практического использования результатов
Нет