CC BY
11Научная статья УДК 691.3
ГРНТИ: 67.09 Строительные материалы и изделия ВАК: 2.1.5. Строительные материалы и изделия doi:10.51608/26867818_2023_1_106
ГИПСОВЫЕ ДИСПЕРСНО-АРМИРОВАННЫЕ КОМПОЗИЦИИ С ДОБАВОЧНЫМ КОМПЛЕКСОМ
НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ
© Авторы 2023 ПЕТРОПАВЛОВСКАЯ Виктория Борисовна
SPIN: 5987-6237 доктор технических наук, доцент, профессор кафедры ПСК
Author! D: 407660 Тверской государственный технический университет
ORCID 0000-0002-5412-5576 (Россия, Тверь)
ЗАВАДЬКО Мария Юрьевна
кандидат технических наук
Тверской государственный технический университет (Россия, Тверь)
Аннотация. Разработка конкурентоспособных бесцементных материалов и изделий, отвечающих современным требованиям по качеству, эксплуатационным характеристикам, эффективности и безопасности является одной из актуальных задач строительного материаловедения на современном этапе развития строительной отрасли.
Тем не менее, проблематика проектирования оптимальных структур материалов на основе именно гипсового вяжущего до сих пор занимают второстепенные позиции.
Цель данной работы - разработка гипсовых дисперсно-армированных композиций на основе ресурсов местной сырьевой базы в виде техногенного базальтового порошка с применением комплексного подхода к проектированию их структуры.
Проведенные исследования доказывают целесообразность применения технологии контактно-конденсационного твердения для изготовления гипсовых дисперсно-армированных композитов с добавочным комплексом на основе техногенных отходов для улучшения прочностных и эксплуатационных характеристик и снижения затрат при их производстве.
Ключевые слова: строительные материалы; гипсовое вяжущее; гипсовые дисперсно-армированные композиции; техногенные отходы; модифицированный гипсовый камень
Для цитирования: Петропавловская В.Б., Завадько М.Ю. Гипсовые дисперсно-армированные композиции с добавочным комплексом на основе техногенных отходов // Эксперт: теория и практика. 2023. № 1 (20). С. 106-110. с1о1:10.51608/26867818_2023_1_106.
Original article
GYPSUM DISPERSED REINFORCED COMPOSITIONS WITH AN ADDITIVE COMPLEX BASED ON TECHNOGENIC WASTE
© The Author(s) 2023 PETROPAVLOVSKAYA Victoria Borisovna
doctor of technical sciences, associate professor Tver State Technical University (Russia, Tver)
ZAVADKO Maria Yurievna
candidate of technical sciences Tver State Technical University (Russia, Tver)
Annotation. Development of competitive cement-free materials and products that meet modern requirements in quality, performance, efficiency and safety is one of the topical issues of construction materials science at the current stage of development of the construction industry.
ЭКСПЕРТ: ■ ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2023. № 1 (20)
However, the problem of designing optimal structures of materials based on gypsum binder still occupies secondary positions. The aim of this work is the development of gypsum dispersed-reinforced compositions on the basis of resources of the local raw materials in the form of technogenic basalt powder, with the application of an integrated approach to the design of their structure. The conducted studies prove the expediency of the application of contact-condensation hardening technology for the manufacture of gypsum dispersed reinforced composites with an additive complex based on technogenic waste to improve strength and performance and reduce costs in their production.
Keywords: building materials; gypsum binder; gypsum dispersed reinforced compositions; technogenic waste; modified gypsum stone
For citation: Petropavlovskaya V.B., Zavadko M.Yu. Gypsum dispersed reinforced compositions with an additive complex based on technogenic waste // Expert: theory and practice. 2023. № 1 (20). Pp. 106-110. (In Russ.). doi:10.51608/26867818_2023_1_106.
Гипсовое вяжущее обладает рядом преимуществ, однако зачастую достичь требуемых прочностных характеристик получаемых материалов и изделий на его основе может позволить лишь планомерное проектирование композиций, исходя из особенностей каждого компонента. Вопросы важности планомерного управления и проектирования структуры композитов для достижения требуемых характеристик поднимались в работах Д.Н. Коротких, Е.М. Чернышова [1-2], И.А. Чакурина [3]. Методология проектирования оптимальных структур цементных бетонов подробно изложена в трудах В.В. Белова и И.В. Образцова [4-5].
Однако, вопросы проектирования оптимальных структур материалов на основе именно гипсового вяжущего до сих пор занимают второстепенные позиции и не освещены в полной мере на сегодняшний день. Посредством проведения оптимизации гипсовых дисперсных модифицированных систем, исходя из расчета их топологических характеристик, на первом этапе с помощью компьютерного моделирования, возможно достичь не только наиболее плотной упаковки частиц при проектировании модифицированных гипсовых вяжущих, но и увеличения количества контактов в процессе структурообразо-вания вяжущего. В свою очередь на следующем этапе каждый компонент может быть исследован с позиций его физико-химической роли [6].
Целью проведения исследований являлась разработка гипсовых дисперсно-армированных композиций на основе ресурсов местной сырьевой базы в виде техногенного базальтового порошка с применением комплексного подхода к проектированию их структуры.
В целях получения гипсовых композиций с повышенными физико-механическими характеристиками при проведении исследований на первом этапе рассматривались особенности влияния на гипсовое вяжущее техногенного базальтового порошка как механического агента - высокодисперсного наполнителя. Известно, что микро- и нанодисперс-ные наполнители в составе минеральных вяжущих посредством формирования наиболее плотных упа-
ковок частиц и увеличения количества контактов способствуют повышению прочности получаемого камня [7-12]. Роль базальтового порошка как механического агента в формировании структуры гипсового камня обусловливает при проектировании и разработке дисперсно-армированных композиций необходимость проведения первого этапа - компьютерного моделирования, позволяющего, исходя из формы и размеров частиц, спрогнозировать получение наиболее плотных упаковок и выявить оптимальную гранулометрию получаемых многокомпонентных дисперсных систем. В работах В.В. Белова отмечается в первую очередь практическая эффективность применения специальных расчетных методик и компьютерного моделирования, как этапов проектирования строительных материалов, позволяющая из набора компонентов реальной гранулометрии получать оптимальные составы [10-11].
При проведении исследований компьютерное моделирование дисперсно-армированных гипсовых композиций на основе техногенного базальтового порошка в целях формирования наиболее плотных зернистых систем проводилось с использованием программного комплекса на основе модифицированного метода Drop And Roll, разработанного на базе Тверского государственного технического университета [12]. Расчётный метод заключался в постепенном стохастическом заполнении частицами сферической формы единичного объёма упаковки по результатам которой были получены массивы центров сфер и произведены расчеты (рис. 1, табл. 1).
Эффективность полученных по результатам моделирования зерновых составов проверена экспериментально с применением математического планирования, где в качестве варьируемых выбраны факторы, определяющие процентное содержание базальтового порошка (Х1) и водотвердое отношение (Х2). Содержание базальтового порошка варьировалось от 8 до 12 % от массы гипсового вяжущего с шагом 2 % и водотвердое отношение - от 0,73 до 0,79 с шагом 0,03.
В результате проведенного эксперимента получены уравнения, описывающие совместное влия-
Рисунок 2 - Влияние В/Т и содержания техногенного базальтового порошка на предел прочности при сжатии гипсового камня на 7 сутки твердения
Рисунок 3 - Влияние В/Т отношения и содержания техногенного базальтового порошка на среднюю плотность гипсового камня на 7 сутки твердения
ф
2023. № 1 (20)
ние входных параметров на предел прочности при сжатии, среднюю плотность (1, 2). На их основе построены графики зависимостей прочности (рис. 2) и средней плотности (рис. 3) от содержания базальтового полидисперсного порошка.
Y(M=f(Xi,X2)=10,95-0,32%+0,3ГХ2+0,0ГХ12-1,28^Х22+0,2ГХ^Х2
Y1(pop)=f(Xi,X2)=1003,052-n,172-Xi-22,66rX2+16,286ai2+16,314a22-8,075%a2
(1) (2)
Установлено, что состав, оптимальный по критерию плотности упаковки, соответствует данным экспериментов по прочности. Оптимальное содер-
жущего. Техногенный базальтовый порошок способствует увеличению рН дисперсионной среды (табл. 2), что может приводить к повышению активности ионов Са2+, увеличению растворимости сульфата кальция и формированию дополнительных структурных связей на границе раздела фаз вяжущего и наполнителя.
Проведенные микроструктурные исследования гипсового камня с техногенным базальтовым порошком (рис. 4, слева) подтвердили повышение плотности упаковки гидратных фаз, которое обусловлено направленным подбором зернового состава смесей, а также активным формированием фазовых контактов на де фектной поверхности базальта с последующим «обрас-
Таблица 2 — рН водных растворов сульфата кальция и техногенного базальтового порошка
Содержание порошка, в % от массы вяжущего б
рН водного раствора при 1=25 °С 8,32
8,32
10
8,48
12 8,47
rv т ! \ • ,
BLX
& щ\ у ЧШ. >?А
«ль
■V <4
Ж
tTXsU ¿Л 2» w » ч
SCI 10kV WO 13mm SUS <2,0» lOyiti
Рисунок 4 - Микроструктура модифицированного гипсового камня
жание базальтового порошка в количестве 10-11 %. Относительная погрешность расчета до 0,1 % позволяет говорить о близости полученных значений экспериментальных и расчетных данных, а незначительное расхождение результатов обусловлено шириной распределения частиц техногенного базальтового порошка, фактор формы (пологости) кривой распределения которого составляет 5,15 (рис. 4).
На втором этапе исследований оценивались возможности физико-химического взаимодействия техногенного базальтового порошка и гипсового вя-
танием» зародыша контакта фазообразующим веществом, т.е. облегчением кристаллизации. Мелкокристаллическая структура гипсового камня способствует повышению его прочности.
Таким образом, проведенные эксперименты подтверждают целесообразность применения технологии контактно-конденсационного твердения для изготовления композитов с улучшенными прочностными и эксплуатационными характеристиками и повышенной долговечностью с целью улучшения их свойств и снижения затрат.
Библиографический список
1. Чернышов, Е. М. Высокотехнологичные высокопрочные бетоны : вопросы управления их структурой / Е. М. Чернышов, Д. Н. Коротких // Наука и инновации в строительстве - SIB - 2008 : материалы международного конгресса, Воронеж, 10-15 ноября 2008 года. Том 1,Книга 2(О-Я). - Воронеж: ВГАСУ, 2008. - С. 616-620. - EDN YUIHHU.
2. Чернышов, Е. М. Опыт системной экспериментальной оценки современных высокотехнологичных бетонов по комплексу критериев сопротивления разрушению / Е. М. Чернышов, Д. Н. Коротких // Бетон и железобетон. -2021. - № 1(603). - С. 30-39. - EDN OXBSCJ.
3. Чакурин, И. А. Проектирование состава тяжелых бетонов с учетом сродства структур / И. А. Чакурин, И. Л. Чулкова // Фундаментальные основы строительного материаловедения : Сборник докладов Международного онлайн-конгресса, Белгород, 06-11 октября 2017 года. - Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2017. - С. 741-748. - EDN YLPFKP.
4. Белов, В. В. Методология проектирования оптимальных структур цементных бетонов / В. В. Белов, И. В. Образцов, П. В. Куляев // Строительные материалы. - 2013. - № 3. - С. 17-21. - EDN PXESYZ.
5. Белов, В. В. Методология проектирования оптимальных структур цементных бетонов / В. В. Белов, И. В. Образцов, П. В. Куляев // Строительные материалы. - 2013. -№ 3. - С. 17-21. - EDN PXESYZ.
6. Казаков, Е. Г. О механизме повышения прочности тампонажного камня, содержащего алюмосиликатные микросферы / Е. Г. Казаков, Н. С. Карнеева, И. Ю. Пахаруков // Территория Нефтегаз. - 2008. - № 2. - С. 26-29. - EDN KTZUPF.
7. Топология измельченных микро- и нанодисперс-ных материалов различного минерального состава / А. Н. Хар-хардин, В. В. Нелюбова, А. Л. Попов, В. В. Строкова // Региональная архитектура и строительство. - 2017. - № 2(31). -С. 5-12. - EDN ZRETSL.
8. Хархардин, А. Н. Топологические свойства дисперсных материалов и других дискретных систем / А. Н. Хархардин, В. В. Нелюбова, В. В. Строкова // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2015. - № 10(682). - С. 100109. - ЕЭЫ МКДЕР.
9. Гранулометрический состав как критерий регулирования свойств дисперсных систем / В. Б. Петропавловская, Т. Б. Новиченкова, В. В. Белов, А. Ф. Бурьянов // Строительные материалы. - 2013. - № 1. - С. 64-65. - ЕЭЫ КРОИт.
10. Белов, В. В. Оптимальные зерновые составы композиционных материалов с минеральными наполнителями /
B. В. Белов, П. В. Куляев // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2018. - № 5-6(232-233). -
C. 18-21. - ЕЭЫ ХУ^В.
11. Белов, В. В. Оптимизация гранулометрического состава сухой огнеупорной смеси методом компьютерного проектирования / В. В. Белов, И. В. Образцов // Интеллектуальные строительные композиты для зеленого строительства : международная научно-практическая конференция, посвященная 70-летию заслуженного деятеля науки РФ, члена-корреспондента РААСН, доктора технических наук, профессора Валерия Станиславовича Лесовика, Белгород, 15-16 марта 2016 года. Том Часть 1. - Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2016. - С. 102-110. - ЕЭЫ WHQSKV.
12. Петропавловская, В. Б. Возможности моделирования в контексте анализа гранулометрии и плотности упаковки частиц при разработке строительных композиций, модифицированных отходами / В. Б. Петропавловская, М. Ю. За-вадько, А. И. Корнеев // Инновационные, информационные и коммуникационные технологии : сборник трудов XVIII Международной научно-практической конференции, Сочи, 01-10 октября 2021 года. - Москва: Ассоциация выпускников и сотрудников ВВИА имени профессора Н.Е.Жуковского содействия сохранению исторического и научного наследия ВВИА имени профессора Н.Е. Жуковского, 2021. - С. 274-277. - ЕЭЫ KFARQL.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Статья поступила в редакцию 17.01.2023; одобрена после рецензирования 16.02.2023; принята к публикации 20.02.2023.
The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The article was submitted 17.01.2023; approved after reviewing 16.02.2023; accepted for publication 20.02.2023.
