CC BY
7Научная статья УДК 691.54
ГРНТИ: 67 Строительство и архитектура
ВАК: 2.1.1 Строительные конструкции, здания и сооружения, 2.1.5 Строительные материалы и изделия с1сн:10.51608/26867818_2023_3_69
РАЗРАБОТКА КОМПОЗИЦИОННОГО ВЯЖУЩЕГО С БИОЦИДНЫМИ СВОЙСТВАМИ
© Авторы 2023
SPIN: 9764-3898
AutorlD: 318240
ORCID: 0000-0002-0241-3808
Scopus ID:57219486118
ResearcherlD: ABF-6031-2021
SPIN: 4425-5045
AutorID: 161483
ORCID: 0000-0001-8407-8144
Scopus Author ID: 56662851300
SPIN: 8674-6046 AutorID: 661151 ORCID: 0000-0002-0885-0937 Scopus ID:6504731515 ResearcherID: S-6516-2016
SPIN: 5569-3057 AutorID: 761852 ORCID: 0000-0003-1506-8502 Scopus Author ID: 57191250834
ЕЛЬЧИЩЕВА Татьяна Федоровна
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Архитектура и градостроительство» Тамбовский государственный технический университет (Россия, Тамбов, e-mail: elschevat@mail.ru)
ЕРОФЕЕВ Владимир Трофимович
академик РААСН, декан архитектурно-строительного факультета, директор НИИ «Материаловедение», заведующий кафедрой строительных материалов и технологий, доктор технических наук, профессор
Российская академия архитектуры и строительных наук; Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева (Россия, Саранск, e-mail: yerofeevvt@mail.ru) МОНАСТЫРЕВ Павел Владиславович
член-корреспондент РААСН, директор Института архитектуры, строительства и транспорта, доктор технических наук, профессор Российская академия архитектуры и строительных наук; Тамбовский государственный технический университет (Россия, Тамбов, e-mail: monastyrev68@mail.ru) ЕРОФЕЕВА Ирина Владимировна кандидат технических наук, доцент
Национальный исследовательский Московский государственный
строительный университет
(Россия, Москва, e-mail: ira.erofeeva.90@mail.ru)
Аннотация. Статья посвящена разработке нового перспективного вяжущего на основе портландцемента, отвечающего современным требованиям строительного материаловедения в части обеспечения биоцидных свойств строительных материалов (бетонов, кладочных и штукатурных растворов, сухих строительных смесей), что является весьма актуальным при эксплуатации наружных ограждающих конструкций зданий и сооружений.
Ключевые слова: строительные материалы; композиционное вяжущее; биоцидные добавки; строительная отрасль; материаловедение
Для цитирования: Разработка композиционного вяжущего с биоцидными свойствами / Т.Ф. Ельчищева, В.Т. Ерофеев, П.В. Монастырев, И.В. Ерофеева // Эксперт: теория и практика. 2023. № 3 (22). С. 69-73. Со ¡: 10.51608/26867818_2023_3_69.
Original article
DEVELOPMENT OF A COMPOSITE BINDER WITH BIOCIDAL PROPERTIES
© The autors 2023 ELCHISHCHEVA Tatyana Fedorovna
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department "Architecture and Urban Planning" Tambov State Technical University (Russia, Tambov, e-mail: elschevat@mail.ru) EROFEEV Vladimir Trofimovich
Academician of RAACS, Dean of the Faculty of Architecture and Construction,
Director of the Research Institute "Materials Science", Head of the Department
of Building Materials and Technologies, Doctor of Technical Sciences, Professor
Russian Academy of Architecture and Construction Sciences;
National Research Mordovian Ogarev State University
(Russia, Saransk, e-mail: yerofeevvt@mail.ru)
MONASTYREV Pavel Vladislavovich
Corresponding Member of RAACS, Director of the Institute of Architecture,
Construction and Transport, Doctor of Technical Sciences, Professor
Russian Academy of Architecture and Construction Sciences;
Tambov State Technical University
(Russia, Tambov, e-mail: monastyrev68@mail.ru)
EROFEEVA Irina Vladimirovna
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
Moscow State University of Civil Engineering
(Russia, Moscow, e-mail: ira.erofeeva.90@mail.ru)
Abstract. The article is devoted to the development of a new promising binder based on Portland cement, which meets the modern requirements of building material science in terms of ensuring the biocidal properties of building materials (concrete, masonry and plaster mortars, dry building mixtures), which is very relevant in the operation of external enclosing structures of buildings and structures.
Keywords: building materials; composite binder; biocidal additives; construction sphere; material science
For citation: Development of a composite binder with biocidal properties / T.F. Elchishcheva, V.T. Erofeev, P.V. Monastyrev, I.V. Erofeeva // Expert: theory and practice. 2023. № 3 (22). Рр. 69-73. (In Russ.). doi:10.51608/26867818_2023_3_69.
Введение
Разработка новых строительных материалов (бетонов, кладочных и штукатурных растворов, сухих строительных смесей) с учетом сложных условий эксплуатации наружных ограждающих конструкций зданий является важным разделом строительного материаловедения [1-3]. Весьма актуальным при их изготовлении является применение перспективных вяжущих на основе портландцемента, применяющихся для изготовления высокопрочных бетонов. Важными характеристиками материала является повышение трещиностойкости (оценивается удельными энергозатратами на статическое разрушение образца, статическим джей интегралом, характеризующим энергию вязкого или пластического разрушения материала у вершины трещины и статическим коэффициентом интенсивности напряжений при нормальном разрыве) [4-5]. Повышение биозащитных свойств (оценивается показателем развития
микроорганизмов на поверхности образцов) также важно вследствие непосредственного контакта наружных ограждающих конструкций со средой, содержащей влагу, загрязняющие вещества и биологические компоненты [6-9].
Проведенный патентный поиск показал, наиболее близкие характеристики составов для планирующейся разработки композиционного вяжущего с высокими прочностными свойствами и показателями биостойкости имеют пять исследованных составов композиционного вяжущего:
- сырьевая смесь для приготовления легкого бетона. Состав - портландцемент, бокситовый шлам, зола-унос, вода. Соотношение коэффициентов основности золы и шлама составляет 0,5-1,15, коэффициент основности шлама 1,16 ^11 1766866, МПК С04В 28/02, С04В 18/04, опубл. 07.10.1992). Основные недостатки смеси - низкие показатели прочности и ограниченное применение кислой золы-уноса,
что не позволяет решать в полном объеме экологические проблемы;
- золоцементное вяжущее (зольцит). Содержит кислую золу-унос ТЭЦ, бокситовый или нефелиновый шлам, комплексную добавку, портландцемент. Удельная поверхность размолотого состава 450-550 м2/кг (Ри 2452703, МПК С04В 7/28, опубл. 10.06.2010). Недостатки -низкая прочность цементного камня на основе вяжущего и невозможность его применения для зимнего бетонирования;
- смесь на основе портландцемента, включает песок с модулем крупности 2,4, щебень фракции 1020 мм, тонкомолотый доменный шлак с удельной поверхностью 330 м2/кг, комплексную добавку (водный раствор поликарбоксилатного полимера СР-WRM, представленного сополимером акриловой кислоты и этилового эфира метакриловой кислоты с плотностью р=1,033 г/см3, водородным показателем рН=6,5, и поликарбоксилатного полимера Б!ка *^ссс^е 225 на основе эфира аллила и ангидрита малеиновой кислоты) и воду (Ри 2717399, МПК С04В 28/04, С04В 28/00, С04В 18/06, С04В 24/26, С04В 111/20, опубл. 24.03.2020). Недостатки -недостаточная прочность бетона на растяжение при изгибе и низкая биостойкость;
- композиционное вяжущее. Включает портландцемент, доменный гранулированный шлак, карбонатную муку, карбонат калия, сухой гиперпластификатор РДЫТАРИТ РС160. Вяжущее получают путем совместного помола компонентов в вибрационной мельнице до удельной поверхности 510-560 м2/кг (Ри 2658416, МПК С04В 7/19, С04В 14/26, С04В 22/08, С04В 111/20, опубл. 21.06.2018). Недостатки - получаемый на основе вяжущего бетон имеет недостаточную прочность на сжатие и низкую биостойкость;
- сырьевая смесь для изготовления мелкозернистого бетона (состав принят в качестве прототипа). Содержит компоненты, в частях по массе: портландцемент М500 - 24-26, кварцевый песок - 74-76, агар (в качестве водоудерживающей добавки) - 0,05-0,5, вода - 12-14 (Ри 2662167, МПК С04В 28/04, С04В 24/38, С04В 111/20, опубл. 24.07.2018). Недостатки -низкая прочность и модуль упругости цементного камня, низкая биостойкость, что ведет к снижению долговечности бетонов на его основе.
Однако указанные недостатки сырьевых смесей и композиционных вяжущих и низкие показатели биостойкости не могут позволить рекомендовать их к применению при изготовлении изделий и возведении наружных ограждающих конструкций в сложных условиях эксплуатации и воздействии агрессивной биологической среды.
Материалы и методы
Для разработки состава композиционного вяжущего, изделия из которого отвечают требованиям
прочности и биостойкости, применялись следующие строительные материалы: портландцемент М500-Д0 Н (производство «Ульяновский цементный завод», г. Ульяновск), ГОСТ 31108 [10]; сухой суперпластификатор «Melflux 5581F» (производство BASF Construction Additives, Германия); смесь кварцевого и доломитового порошков состава 3:1 с дисперсностью, соответственно, 300 и 600 м2/кг; биоцидная наномодифици-рованная добавка РОСИМА вТ (НМ) в виде водной суспензии. Указанная добавка состоит из добавки РОСИМА вТ, произведенной компанией The Dow Chemical Company, США, и нанодисперсных форм неорганических и органических соединений. Добавки РОСИМА вТ включает смесь хлорметил- / метилизо-тиазолинона, четвертичного аммониевого соединения, формальдегида и производные формальдегида. Нанодисперсные формы неорганических и органических соединений представляют собой смесь наполнителя, суперпластификатора и углеродных кластеров фуллероидного типа, и улучшают технологические и функциональные свойства добавки РО-СИМА GT Наполнитель является носителем фулле-роидных кластеров и представляет собой смесь на-ночастиц в виде попутных продуктов синтеза фулле-роидных кластеров - 3-5 % (масс.) и минеральной добавки (например, шунгитового порошка) - 95-97 % (масс.).
Поиск рациональных составов композиционного вяжущего производился на основании лабораторных исследований с использованием метода математического планирования эксперимента.
Изготовление образцов для испытания цементного камня из композиционного вяжущего проходило по следующей схеме. В работающий смеситель вводились все сухие компоненты, подавалась вода затворения [11] с растворенными в ней добавками (пластифицирующей и биоцидной). Далее проводилось формование образцов. Набор прочности композитов происходил в нормальных условиях в течение 28 суток, затем определялись их физико-механические характеристики стандартными методами -прочность при изгибе, сжатии, раскалывании, выявлялась биологическая стойкость образцов.
Прочность изготовленных образцов цементных композитов определялась в соответствии со стандартами [12-13], интенсивность развития плесневых грибов - по стандарту [5].
Результаты
На основании проведенных лабораторных исследований авторским коллективом был разработан состав композиционного вяжущего, который включает, % по массе: портландцемент - 45,0-52,0; сухой суперпластификатор «Melflux 5581F» - 0,2-0,22; кварцевый порошок на основе песка Смольнинского карьера (пос. Смольный, Республика Мордовия) с
удельной площадью поверхности Буд=300 м2/кг -35,0-39,0; доломитовый порошок с Буд=600 м2/кг (химический состав, %: СаО - 30,4, М§0 - 21,7, СО2 -47,9) - 11,8-13,98; водная суспензия - 1,0-1,8; вода по ГОСТ 23732-2011 [12] - составляет остальной процент. Количество воды для приготовления составов принималось с учетом обеспечения равной подвижности смеси.
На разработанные составы авторским коллективом получен Евразийский патент на изобретение «Композиционное вяжущее» № 040942 [6]. Композиционное вяжущее, состав которого представлен в таблице 1, предназначено для изготовления конструкций и изделий из бетонов и других цементных композитов различных видов в гражданском и транспортном строительстве.
Таблица 1 - Содержание компонентов в составах композиционного вяжущего
Компоненты Номера составов Прото-
смеси, мае. % 1 2 3 4 5 тип
Портландце- 52 50,5 49 47,5 45 26
мент
Кварцевый пе-
сок — — — — 74
Агар 0,5
Сухой суперпластификатор 0,2 0,2 0,21 0,21 0,22
Кварцевый по- 35 36 37 38 39 -
рошок, Буд = 300 м2/кг
Доломитовый
порошок, Буд = 600 м2/кг 11,8 12,1 12,39 12,69 13,98 _
Водная суспен-
зия, состоящая
из смеси хлор-метнл-/метили-
зотиазолона,
четвертичного
аммониевого
соединения, формальдегида
и производных формальдегида
и нанодисперс-ных форм неор- 1 1,2 1,4 1,6 1,8 -
ганических и ор-
ганических
соединений,
представляющих собой смесь
наполнителя, су-
перпластифика-
тора и углерод-
ных кластеров фуллероидного
типа
с учетом обеспечения равной
Вода подвижности смеси 14
Физико-механические свойства и биостойкость цементного камня на композиционном вяжущем (в возрасте 28 суток, при нормальных условиях твердения) и различных соотношениях компонентов приведены в табл. 2.
Таблица 2 - Свойства цементного камня на композиционном вяжущем
Компоненты смеси Номера составов
1 2 3 4 5 Прототип
Прочность при изгибе, МПа 9,1 12,9 13,5 13,0 10,0 8,0
Прочность при раскалывании, МПа 5,1 6,1 6,9 6,7 6,1 3,0
Удельные энергозатраты на статическое разрушение образцов, Дж/м2 140, 0 141, 0 151, 0 147, 0 143,0 65,0
Статический джей интеграл, Дж 45,3 45,9 46,1 45,5 44,9 9,5
Статический коэффициент интенсивности напряжений при нормальном разрыве, МПа@м1/2 0,55 0,65 1,35 1,30 1,28 0,52
Степень развития плесневых грибов: Метод 1 Метод 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -
Радиус зоны ин-гибнрования роста грибов, мм 1,0 2,0 4,0 6,0 10,0 -
Характеристика материалов, ГОСТ 9.049.91 [5] Ф Ф Ф Ф Ф НГ
В таблице указаны характеристики композитов: Ф - фунгицидный; НГ - негрибостойкий.
Обсуждение
Физико-механические характеристики изделий из цементного камня, полученного на основе композиционного вяжущего, повышаются, что ведет к повышению прочности и увеличению долговечности бетонов, изготовленных на его основе. Расход портландцемента снижается, что достигается его заменой активированным наполнителем минерального происхождения. Наполнитель состоит из смеси кварцевого и доломитового порошков и водной суспензии.
Преимущества состава по сравнению с прототипом: повышение прочности на изгиб и сжатие,
биологическая стойкость цементного камня; экономический эффект за счет снижения расхода портландцемента путем его замены реакционно-реологическим наполнителем минерального происхождения и применением в рецептуре биоцидной добавки.
Прочность изготовленных образцов цементных композитов зависит от соотношения компонентов в составе композиционного вяжущего. По сравнению с составом-прототипом (табл. 1 и 2) прочность при изгибе оказалась выше на 13,7-68,8 %, при сжатии - на 2-33,7 %, при раскалывании - на 70,0130,0 %. Развития плесневых грибов на поверхностях образцов не наблюдалось, они обладают фунгицид-ными свойствами. Радиус зоны ингибирования роста грибов (отсутствия грибов вокруг образцов) составляет 1,0-10,0 мм.
Заключение
В ходе проведенных исследований разработаны составы композиционного вяжущего, использование которых в составах строительных материалов позволяют получить материал обладают повышенными физико-механическими и биоцидными свойствами, что позволяет их рекомендовать для применения в качестве строительных материалов для изго -товления изделий для наружных ограждающих конструкций, эксплуатация которых происходит в сложных условиях воздействия среды и биологических компонентов.
Библиографический список
1. Городнов, И. И. Обзор работ по оптимальному и рациональному конструированию композитных балочных систем / И. И. Городнов, А. И. Шеин, В. А. Монахов // Региональная архитектура и строительство. - 2021. - № 1(46). - С. 109-121.
2. Логанина, В. И. Влияние вида отделочного покрытия на влажностный режим стен из газобетона / В. И. Логанина, М. В. Фролов, Е. А. Журавлева // Технологии бетонов. - 2023. - № 3(188). - С. 69-74.
3. Высокофункциональные бетоны для станкостроения с применением нано- и микромасштабных сырьевых компонентов / В. А. Береговой, Е. В. Снадин, А. С. Иноземцев, А. С. Пилипенко // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. - 2023. - Т. 15, № 3. - С. 200210. - ЭО! 10.15828/2075-8545-2023-15-3-200-210.
4. Структурообразование, технология изготовления и свойства бетонов нового поколения / В. Т. Ерофеев,
О. В. Тараканов, И. Н. Максимова [и др.]. - Саранск : изд, 2023. - 248 с.
5. Клейменов, А. А. Статистические методы оценки эффективности добавок при проектировании композитов / А. А. Клейменов, Д. С. Ликучев, И. А. Гарькина // Образование и наука в современном мире. Инновации. - 2023. - № 1(44). - С. 186-195.
6. Ермаков, А. А. Физико-механические свойства пеностеклокерамики на основе кремнистых пород с высоким содержанием CaCO3 / А. А. Ермаков, А. И. Родин // Ога-рёв-Online. - 2021. - № 6(159).
7. Тараканов, О. В. Применение минеральных шла-мов и карбонатных пород в производстве цементных материалов / О. В. Тараканов, Е. А. Белякова, Р. Н. Москвин // Эксперт: теория и практика. - 2023. - № 1(20). - С. 130-132. - DOI 10.51608/26867818_2023_1_130. - EDN PKNPUU.
8. Порошковые и порошково-активированные бетоны с использованием горных пород и зол ТЭЦ / Е. А. Белякова, Р. Н. Москвин, О. В. Тараканов, В. С. Юрова. - Пенза : Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, 2022. - 176 с. - ISBN 978-5-9282-1725-9.
9. Будылина, Е. А. Синтез материалов с регулируемыми свойствами / Е. А. Будылина, И. А. Гарькина, А. М. Данилов // Региональная архитектура и строительство. -2022. - № 2(51). - С. 39-44. - DOI 10.54734/20722958_2022_2_39. - EDN HPCDKG.
10. ГОСТ 31108-2020 Цементы общестроительные. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2020. 19 с.
11. ГОСТ 23732-2011. Вода для бетонов и строительных растворов. Технические условия. М.: Стандартин-форм, 2012. 12 с.
12. ГОСТ 30744-2001. Цементы. Методы испытаний с использованием полифракционного песка. М.: МНТКС, 2002. 30 с.
13. ГОСТ 10180-2012. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам. М.: Стандартин-форм, 2018. 32 с.
14. ГОСТ 9.049.91. Единая система защиты от коррозии и старения. Материалы полимерные и их компоненты. Методы лабораторных испытаний на стойкость к воздействию плесневых грибов. М.: Изд-во стандартов, 1992. 11 с.
15. Ерофеев В.Т., Пухаренко Ю.В., Ерофеева И.В., Родин А.И., Емельянов Д.В., Балатханова Э.М. (RU), Аль-Ду-лайми С.Д.С. (Щ),Светлов Д.А., Максимова И.Н., Ельчи-щева Т.Ф., Богатов А.Д., Казначеев С.В., Гладкин С.С., Сальникова А.И., Чуваткин А.А. (RU) Композиционное вяжущее // Евразийский патент на изобретение № 040942 от 22.08.2022. Опубл. бюл. Евразийского патентного ведомства «Изобретения (евразийские заявки и патенты)» №8 от 19.08.2022 г.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Статья поступила в редакцию 17.06.2023; одобрена после рецензирования 21.08.2023; принята к публикации 21.08.2023.
The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The article was submitted 17.06.2023; approved after reviewing 21.08.2023; accepted for publication 21.08.2023.
