Повышение эксплуатационных характеристик защитных композитов

Создание экологичного строительного материала для защиты среды обитания человека возможно осуществить лишь с позиции трансдисциплинарного похода с учетом современных достижений геоники (геомиметики) и микромеханики композиционных сред. Разработана широкая номенклатура базальтофибробетонов на композиционных вяжущих, обладающих улучшенными физико-механическими свойствами (R_cж>48 МПа; R_изг>12 МПа) и эксплуатационными характеристиками (марка по водонепроницаемости – W18, марка по морозостойкости – F300, высокая термостойкость в диапазоне температуры 700–1100^оС). Установлен характер влияния состава и технологии изготовления цементных композитов на их поровую структуру, что положительно сказывается на характеристиках газо-, водо- и паропроницаемости. Выявлено, что водопоглощение у образцов модифицированного бетона ниже, чем у контрольного образца, это объясняется снижением показателя поровой структуры λ в 28,4 раза, а среднего диаметра пор в 3,05 раза. Общий объем пор у модифицированного бетона оказался ниже и уменьшался с увеличением дозы нанокремнезема. Получена высокая ранняя прочность, что позволяет применять материалы для оперативного ремонта и строительства в условиях чрезвычайных ситуаций.

В.С. ЛЕСОВИК^1,2, д-р техн. наук, член-корр. РААСН;
Р.С. ФЕДЮК³, канд. техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.);
А.М. ГРИДЧИН¹, д-р техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
Г. МУРАЛИ⁴, PhD (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)

¹ Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46)
² Центральный научно-исследовательский и проектный институт Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации (ЦНИИП Минстроя России) (119331, г. Москва, пр-т Вернадского, 29)
³ Дальневосточный федеральный университет (690922, г. Владивосток, о. Русский, п. Аякс, 10)
⁴ Университет САСТРА, Индия (Tirumalaisamudram, Thanjavur – 613401, Tamilnadu, India)

1. Ramakrishnan K., Depak S.R., Hariharan K.R., Abid S.R., Murali G., Cecchin D., Fediuk R., Mugahed Amran Y.H., Abdelgader H.S., Khatib J.M. Standard and modified falling mass impact tests on preplaced aggregate fibrous concrete and slurry infiltrated fibrous concrete. Construction and Building Materials. 2021. Vol. 298. 153857. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.123857
2. Лесовик В.С. Cтроительные материалы. Настоящее и будущее // Вестник МГСУ. 2017. № 1. С. 9–16.
2. Lesovik V.S. Construction Materials. Present and future. Vestnik MGSU. 2017. No. 1, pp. 9–16. (In Russian).
3. Лесовик В.С., Фомина Е.В., Айзенштадт А.М. Некоторые аспекты техногенного метасоматоза в строительном материаловедении // Строительные материалы. 2019. № 1–2. С. 100–106. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-767-1-2-100-106
3. Lesovik V.S., Fomina E.V., Ayzenshtadt A.M. Some aspects of technogenic metasomatosis in construction material science. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2019. No. 1–2, pp. 100–106. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-767-1-2-100-106 (In Russian).
4. Лесовик В.С. Геоника (геомиметика). Примеры реализации в строительном материаловедении. Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2016. 287 с.
4. Lesovik V.S. Geonika (geomimetika). Primery realizacii v stroitel’nom materialovedenii [Geonics (geomimetics). Examples of implementation in building materials science]. Belgorod: Publishing house of BSTU named after V.G. Shukhov. 2016. 287 p.
5. Баженов Ю.М., Прошин А.П., Еремкин А.И., Королев Е.В. Сверхтяжелый бетон для защиты от радиации // Строительные материалы. 2005. № 8. С. 6–8.
5. Bazhenov Yu.M., Proshin A.P., Yeremkin A.I., Korolev Ye.V. Extra Heavy Concrete for Radiation Protection. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2005. No. 8, pp. 6–8. (In Russian).
6. Королев Е.В., Очкина Н.А., Баженов Ю.М., Прошин А.П. Радиационно-защитные свойства особотяжелых растворов на основе высокоглиноземистого цемента // Строительные материалы. 2006. № 4. С. 54–56.
6. Korolev E.V., Ochkina N.A., Bazhenov Yu.M., Proshin A.P. Radiation-protective properties of very heavy mortars based on high-alumina cement. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2006. No. 4, pp. 54–56 (In Russian).
7. Страхов В.Л., Гаращенко А.Н. Огнезащита строительных конструкций: современные средства и методы оптимального проектирования // Строительные материалы. 2002. № 6. C. 2–5.
7. Strakhov V.L., Garashchenko A.N. Fire protection of building structures: modern means and methods of optimal design. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2002. No. 6, pp. 2–5 (In Russian).
8. Каприелов С.С., Травуш В.И., Карпенко Н.И., Шейнфельд А.В., Кардумян Г.С., Киселева Ю.А., Пригоженко О.В. Модифицированные высокопрочные бетоны классов В80 и В90 в монолитных конструкциях. Ч. II // Строительные материалы. 2008. № 3. С. 9–13.
8. Kaprielov S.S., Travush V.I., Karpenko N.I., Sheinfeld A.V., Kardumyan G.S., Kiseleva Yu.A., Prigozhenko O.V. Modified high-strength concretes of B80 and B90 classes in monolithic structures. Part II. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2008. No. 3, pp. 9–13 (In Russian).
9. Constantinides G., Ulm F.-J., Van Vliet K.J. On the use of nanoindentation for cementitious materials. Materials and Structures. 2003. Vol. 36, pp. 191–196. DOI: 10.1617/14020
10. Constantinides G., Ulm F.-J. The effect of two types of C–S–H on the elasticity of cement-based materials: Results from nanoindentation and micromechanical modeling. Cement and Concrete Research. 2004. Vol. 34. Iss. 1, pp. 67–80. https://doi.org/10.1016/S0008-8846(03)00230-8
11. Cheng Y.T. Cheng C.M. Scaling relationships in conical indentation of elastic perfectly plastic solids. International Journal of Solids Structures. 1999. Vol. 36. Iss. 8, pp. 1231–1243. https://doi.org/10.1016/S0020-7683(97)00349-1
12. Ganneau F.P., Constantinides, G., Ulm F.-J. Dual-indentation technique for the assessment of strength properties of cohesive-frictional materials. International Journal of Solids Structures. 2006. Vol. 43. Iss. 6, pp. 1727–1745. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2005.03.035
13. Donev A. Cisse I., Sachs D., Variano E.A., Stillinger F.H., Connely R., Torquato S., Chaikin P.M. Improving the density of jammed disordered packings using ellipsoids. Science. 2004. Vol. 303. Iss. 5660, pp. 990–993. DOI: 10.1126/science.1093010
14. Sloane. N.J.A. Kepler’s conjecture confirmed. Nature. 1998. Vol. 395, pp. 435–436.
15. Oliver W.C. Pharr G.M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. Journal of Materials Research. 1992. Vol. 7 (6), pp. 1564–1583. DOI: https://doi.org/10.1557/JMR.1992.1564
16. Ulm F-J., Constantinides G., Heukamp F.H. Is concrete a poromechanics material? A multiscale investigation of poroelastic properties. Materials and Structures. 2004. Vol. 37 (265), pp. 43–58. https://doi.org/10.1007/BF02481626
17. Ulm F.-J., Vandamme M., Bobko C., Ortega J.A., Tai K., Ortiz C. Statistical indentation techniques for hydrated nanocomposites: concrete, bone, and shale. Journal of American Ceramic Society. 2007. Vol. 90 (9), pp. 2677–2692. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2007.02012.x
18. Cariou S., Ulm F.-J., Dormieux L. Hardness-packing density scaling relations for cohesive-frictional porous materials. Journal of Mechanics Physic Solids. 2008. Vol. 56, pp. 924–952. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2007.06.011
19. Bobko C.P., Gathier B., Ortega J.A., Ulm F.-J., Borges L., Abousleiman Y.N. The nanogranular origin of friction and cohesion in shale – A strength homogenization approach to interpretation of nanoindentation results. International Journal of Numerical Analysis Methods Geomechanics. 2011. Vol. 35, pp. 1854–1876. https://doi.org/10.1002/nag.984
20. Vandamme M., Ulm F.-J., Fonollosa P. Nanogranular packing of C–S–H at substochiometric conditions. Cement and Concrete Research. 2010. Vol. 40. Iss. 1, pp. 14–26. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2009.09.017
21. Chen J.J., Sorelli L., Vandamme M., Ulm F.-J., Chanvillard G. A coupled nanoindentation/SEM-EDS study on low water/cement ratio Portland cement paste: Evidence for C–S–H/Ca(OH)2 nanocomposites. Journal of American Ceramic Society. 2010. Vol. 93, pp. 1484–1493. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2009.03599.x
22. Salemi N., Behfarnia K. Effect of nano-particles on durability of fiber-reinforced concrete pavement. Construction and Building Materials. 2013. Vol. 48, pp. 934–941. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2013.07.037
23. Adetukasi A.O. Fadugba O.G., Adebakin A.O., Adetukasi I.H., Omokungbe O. Strength characteristics of fibre-reinforced concrete containing nano-silica. Materials Today: Proceedings. 2021. Vol. 38. Part 2, pp. 584–589. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.03.123
24. Konkol J., Prokopski G. Fracture toughness and fracture surfaces morphology of metakaolinite-modified concrete. Construction and Building Materials. 2016. Vol. 123, pp. 638–648. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.07.025
25. De Jong M.J., Ulm F.-J. The nanogranular behavior of C–S–H at elevated temperatures (up to 700 degrees C). Cement and Concrete Research. 2007. Vol. 37, pp. 1–12. DOI:10.1016/j.cemconres.2006.09.006
26. Zhu W., Hughes J.J., Bicanic N., Pearce C.J. Nanoindentation mapping of mechanical properties of cement paste and natural rocks. Materials Characterization. 2007. Vol. 58, pp. 1189–1198. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2007.05.018
27. Hou P., Wang, K., Qian, J., Kawashima S., Kong D., Shah S.P. Effects of colloidal nano-SiO₂ on fly ash hydration. Cement and Concrete Composites. 2012. Vol. 34. Iss. 10, pp. 1095–1103 https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2012.06.013
28. Hou P.K., Kawashima S., Wang K.J., Corr D.J., Qian J.S., Shah S.P. Effects of colloidal nanosilica on rheological and mechanical properties of fly ash-cement mortar. Cement and Concrete Composites. 2013. Vol. 35. Iss. 1, pp. 12–22 https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2012.08.027
29. Sharma U., Singh L.P., Ali D., Poon C.S. Effect of particle size of silica nanoparticles on hydration reactivity and microstructure of C–S–H gel. Advanced Civil Engineering Materials. 2019. Vol. 8 (3). 20190007. https://doi.org/10.1520/ACEM20190007
30. Singh L.P., Zhu W., Howind T., Sharma U. Quantification and characterization of C-S-H in silica nanoparticles incorporated cementitious system. Cement and Concrete Composites. 2017. Vol. 79, pp. 106–116 https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2017.02.004
31. John E., Matschei T., Stephan D. Nucleation seeding with calcium silicate hydrate – A review. Cement and Concrete Research. 2018. Vol. 113, pp. 74–85. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.07.003
32. Abdolhosseini Qomi, M.J. Combinatorial molecular optimization of cement hydrates. Nature Communications. 2014. Vol. 5 (4960), pp. 1–10. https://doi.org/10.1038/ncomms5960
33. Cong X., Kirkpatrick R.J. 29Si and 17O NMR investigation of the structure of some crystalline calcium silicate hydrates. Advanced Cement Based Materials. 1996. Vol. 3, pp. 133–143.
34. Lee, S.Y., Hyder, L.K., Alley P.D. Microstructural and mineralogical characterization of selected shales in support of nuclear waste respository studies. In: Bennet, R.H., Bryant, W.R., Hulbert, M.H. (Eds.), Microstructure of Fine-Grained Sediments, from Mud to Shale. Springer-Verlag, New York. 1991, pp. 545–560.
35. Oliver W.C., Pharr G.M. Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology. Journal of Materials Research. 2004. Vol. 19 (1), pp. 3–20. https://doi.org/10.1557/jmr.2004.19.1.3
36. Anstis G.R., Hantikul P., Lawn B.R., Marshall D.B. A Critical evaluation of indentation techniques for measuring fracture toughness: I, direct crack measurements. Journal of the American Ceramic Society. 1981. Vol. 64. No. 9, pp. 533–538. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1981.tb10320.x
37. Potapov V., Efimenko Yu., Fediuk R., Gorev D., Kozin A., Liseitsev Yu. Modification of cement composites with hydrothermal nano-SiO₂. Journal of Materials in Civil Engineering. 2021. DOI: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0003964
38. Zhdanok S.A., Potapov V.V., Polonina E.N., Leonovich S.N. Modification of cement concrete by admixtures containing nanosized materials. Journal of Engineering Physics and Thermophy. 2020. Vol. 93, pp. 648–652. https://doi.org/10.1007/s10891-020-02163-y
39. Ткачев А.Г., Золотухин И.В. Аппаратура и методы синтеза твердотельных наноструктур. М.: Маши-ностроение, 2007. 316 с.
39. Tkachev A.G., Zolotuhin I.V. Apparatura i metody sinteza tverdotel’nyh nanostruktur [Apparatus and methods for the synthesis of solid-state nanostructures]. M.: Mashinostroenie. 2007. 316 p.
40. Potapov V., Efimenko Y., Fediuk R., Gorev D. Effect of hydrothermal nanosilica on the performances of cement concrete. Construction and Building Materials. 2021. 269. 121307. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.121307