Министерство образования и науки Российской федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Образовательный творческий академический центр

«АРХСТРОЙНАУКА»

О.В. Артамонова синтез наномодифицирующих добавок для технологии строительных композитов

Монография

В оронеж 2016

УДК 54.00

ББК 24.00

А86

Рецензенты:

В.А. Кузнецов, д-р хим. наук, проф.

Воронежского государственного университета;

М.А. Гончарова, д-р тех. наук, проф. Липецкого государственного технического университета

ISBN 978-5-89040- 597-5

Обсуждается проблема и дается анализ разработок нанодобавок для модифицирования структур строительных композитов. Рассматриваются теоретические основы синтеза наномодифицирующих добавок и предлагается системная оценка эффективности применение добавок наномодификаторов в технологии цементных бетонов.

Книга будет интересна и полезна научным сотрудникам, специалистам и преподавателям вузов, работающим в области материаловедения строительных композитов и изделий.

Ил. 18. Табл. 11. Библиогр.: 72 назв.

УДК 54.00

ББК 24.00

Печатается по решению научно-технического совета

Воронежского ГАСУ

ISBN 978-5-89040- 597-5 © Артамонова О.В., 2016

© Воронежский ГАСУ, 2016

О главление

Предисловие

Монография посвящена проблемам синтеза наномодифицирующих добавок для современных высоких технологий строительных композитов, в первую очередь цементных бетонов.

В последнее десятилетие технология строительных композитов развивается в рамках нанотехнологической платформы, которая предполагает решение научных и инженерных задач управления процессами их структурообразования на ультрамикро- и наномасштабных уровнях строения твердой фазы и порового пространства материалов.

Научно-инженерный опыт свидетельствует, что фактически нет таких технологических параметров получения строительных композитов, масштабных уровней их структуры, конструкционных и функциональных свойств, на которые нельзя было бы влиять с помощью добавок различного назначения, вида и механизмов их действия. В ряду возможных добавок для технологии строительных композитов особое место занимают нанодобавки, которые способны принципиально изменять кинетику эволюционного маршрута формирования продуктов в гидратационных, гидротермально-синтезных, термально-синтезных системах твердения.

В связи с этим актуальным является развитие фундаментальных и поисково-прикладных исследований, обеспечивающих научное обоснование условий применения нанодобавок как одного из определяющих факторов в общей системе факторов управления процессами структурообразования.

Такая концепция принята автором монографии при определении её состава и содержания.

Автор, являющийся одним из ведущих специалистов по развиваемому Образовательным творческим академическим центром «Архстройнаука» Воронежского ГАСУ направлению нанотехнологий модифицирования структур строительных композитов, в первой главе монографии характеризует современную технологическую платформу производства строительных композитов и раскрывает место «нанопарадигмы» в ней. Далее автор определяет содержание работы по проблеме создания нанодобавок, опираясь при этом на эволюционную модель образования твердого вещества в системах твердения, дает систематизацию, классификацию и номенклатуру возможных наномодификаторов, формулирует при этом требования к нанодобавкам по их структурообразующему действию, способам введения в формовочные смеси, рациональным дозировкам и др. Значительный объем монографии занимает глава посвященная синтезу индивидуальных наномодификаторов вида гидратированных оксидов. В исследованиях этого вопроса автор исходит из кристаллохимического соответствия структуры нанодобавки и формирующихся при её влиянии минералов новой фазы, определяющих развитие явления твердения строительного композита.

Монография завершается изучением вопросов эффективности применения наномодификаторов. При этом в качестве определяющего принят кинетический подход, позволяющий в рамках теории кинетики гетерогенных процессов оценить меру влияния видов, дозировок добавок, в первую очередь синтезированных автором, на эффективную энергию активации, температурный коэффициент скорости реакции, динамику и продолжительность процесса твердения. Эффекты влияния наномодификаторов характеризуются посредством комплексной оценки достигаемых положительных изменений в технологии.

Данную монографию, по существу, можно рассматривать как введение в достаточно новую и, безусловно, актуальную область научно-инженерного знания, представляющую интерес для специалистов связанных с проблемами совершенствования и повышения эффективности производства строительных композитов, а также для научных сотрудников, преподавателей, магистрантов и аспирантов.

Директор Образовательного

т ворческого академического центра

«Архстройнаука», академик РААСН Е.М. Чернышов

Введение

Исследование роли и значения наноразмерных частиц при модифицировании структуры цементных бетонов является важным этапом в создании строительных композитов нового поколения, а также в целом в развитии научных основ их материаловедения и высоких технологий.

В данной монографии представлен теоретический анализ и рассмотрены экспериментальные исследования, относящиеся к следующим актуальным на сегодняшний день вопросам: обоснования природы и выбора состава наноразмерных модификаторов; разработки метода синтеза наноразмерных частиц (НРЧ) для применения их при модифицировании структуры цементного камня и бетонов; решения проблем технологии введения и распределения наноразмерных частиц в объеме цементной смеси; получения данных о взаимосвязи свойств и параметров структуры твердения цементного камня, модифицированного НРЧ. В монографии последовательно раскрываются ответы на эти вопросы, при этом рассматривается нанопарадигма в современной технологической платформе, эволюционная модель образования твердого вещества и условия управления структурообразованием новой фазы, синтез индивидуальных и комплексных наномодификаторов на основе наноразмерного SiO₂, а также эффективность применения добавок наномодификаторов на примере цементных систем. С практической точки зрения акцентируется внимание на кинетических характеристиках процессов структурообразования цементных систем твердения в присутствии нанодобавок и условия повышения энергоэффективности этих процессов.

Монография предназначена для научных сотрудников, специалистов и преподавателей вузов, работающих в области строительного материаловедения, а также может быть полезна магистрантам и аспирантам, специальности 05.23.05 «Строительные материалы и изделия».

Автор выражает признательность коллегам кандидату химических наук, доценту Октябрине Романовне Сергуткиной; докторам технических наук Галине Станиславовне Славчевой и Дмитрию Николаевичу Коротких за совместную работу; искреннюю благодарность доктору технических наук, профессору, академику РААСН, директору Образовательного творческого академического центра «Архстройнаука» Евгению Михайловичу Чернышову за научные консультации и помощь в подготовке данной монографии.

Глава 1. Современная технологическая платформа производства строительных композитов. Нанопарадигма в современной технологической платформе

В последнее двадцатилетие мы являемся участниками формирования новой парадигмы в материаловедении, определяемой развитием наноконцепции в науке, технологии и технике. Современное строительное материаловедение, находясь в рамках действия предшествующих парадигм фундаментальности его теоретического и прикладного научного знания, также начинает все более активно опираться на наноконцепцию и наноподходы при решении задач синтеза и конструирования структур, при обосновании принципов и разработке приемов технологий композитных материалов [1]. При этом возникают проблемы приложения современной физики и реализации достижений химии (нанохимии), оперирующих с атомным, молекулярным и нанометровыми уровнями структурных преобразований вещества, в исследованиях и разработках по технологии твердофазных строительных материалов класса неметаллических неорганических систем с аморфной, поликристаллической и (или) аморфно-поликристаллической структурой омоноличивающей субстанции, с конгломератным типом строения, композитных по своему составу.

В этом контексте целесообразно остановиться на вопросе эволюции фундаментальности материаловедческого и технологического научного знания (рис. 1, табл. 1). Фундаментальность, основательность научного знания в области строительного материаловедения и технологии развивалась от парадигм, отражающих механизмы и закономерности формирования структур на макромасштабном уровне, в направлении парадигм, обеспечивающих переход к мезо-, микро-, ультрамикро- и, наконец, наномасштабным уровням. В целом же решение инженерных задач синтеза систем твердения и конструирования структур конгломератных строительных материалов нового поколения базируется на комплексном применении всех указанных парадигм, из которых наиболее приоритетной в ее разработке и развитии становится «парадигма 10^-9» [2].

8

Рис. 1. Эволюция технологических платформ производства

Строительных композитов [2]

Таблица 1

Объект, задачи и предмет технологических платформ производства строительных композитов

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПЛАТФОРМА	ОБЪЕКТ И ЗАДАЧИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ, РЕШАЕМЫЕ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЛАТФОРМЕ	ПРЕДМЕТ СИСТЕМНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ И РЕЦЕПТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
А 9 РХАИЧЕСКАЯ	Структура на макроуровне; обеспечение плотности упаковки крупнозернистых составляющих и однородности их размещения в объеме материала	Эмпирические данные и технологические решения, получаемые как результат метода «проб и ошибок»
МЕХАНО-ФИЗИЧЕСКАЯ	Структура на макро- и мезоуровне; обеспечение плотности упаковки крупно и мелкозернистых составляющих и однородности их размещения в объеме материала	Научно-обоснованные закономерности структурообразования на макро- и мезоуровнях структуры в технологических процессах перемешивания, формования, уплотнения
МЕХАНО-ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ	Структура на макро- , мезо- и микроуровне, структура матрицы как микробетона; обеспечение плотности и однородности матрицы и её физико-химических структурных связей	Научно-обоснованные закономерности структурообразования на микро- и субмикроуровне структуры в технологических процессах перемешивания, формования, уплотнения и твердения
НАНОХИМИЧЕСКАЯ	Структура на макро- , мезо-, микро-, субмикро- и наноуровне; управление структурообразованием матричной субстанции с учетом возможностей нанотехнологий	Научно-обоснованные нанохимические закономерности эволюционного маршрута структурообразования твердого вещества матрицы композита на субмикро- и наноуронях строения
СОВРЕМЕННАЯ	Сумма «объектов» и «задач»	Сумма «решений»

В бетоноведении например, в процессе реализации зарождавшихся и утверждавшихся научных парадигм структурообразования последовательно решались задачи: получения плотнейших упаковок крупнозернистых и мелкозернистых заполнителей конгломератных макро- и мезоструктур; формирования структур микробетона; оптимизации соотношения аморфной и кристаллической составляющей твердеющего цементного камня; регулирования химико-минералогического, дисперсного и морфологического состава и состояния новообразований; обеспечения самоармирования сростка новообразований; модифицирования структуры цементного камня введением поверхностно-активных веществ, ультрамикродисперсных частиц [3].

При решении этих задач затрагивались и включались в действие все более глубокие явления и механизмы структурообразования, относящиеся к масштабу частиц все меньшего размера. При этом в энергетический баланс процессов формирования структуры вовлекались новые виды сил, соотносимых в их действии с площадью поверхности раздела фаз и поверхностной их энергией. Все вышесказанное привело к повышению, например, прочности бетона почти на порядок.