Сведения о ходе выполнения проекта Российского научного фонда № 23-19-00796

На базе БГТУ им. В.Г. Шухова проходят работы по проекту№ 23-19-00796 «Физико-химические принципы проектирования органоминеральных композиционных материалов для ремонта и реконструкции дорожных одежд», выполняемого за счет гранта Российского научного фонда.

Работы проводятся научным коллективом под руководством директора Инновационного научно-образовательного и опытно-промышленного центра Наноструктурированных композиционных материалов, заведующего кафедрой «Материаловедение и технология материалов», доктора технических наук, профессора РАН Строковой Валерии Валерьевны.

Описание выполненных работ и полученных научных результатов за I этап.

Работы первого этапа были посвящены оценке и установлению физико- механических, физико-химических и структурных особенностей сырьевых компонентов в виде техногенного сырья (производственные отходы) различного генезиса и продуктов вторичной переработки (разрушенные конструктивные элементы транспортной инфраструктуры) с учетом их дальнейшего использования в качестве активных компонентов вяжущих различного типа твердения, а также сырьевых материалов органоминеральных композитов для дорожного строительства. На основании многокритериального анализа нормативной документации, методик оценки не нормируемых характеристик сырьевых материалов, а также проведенных лабораторных исследований техногенного и вторичного сырья в части установления пригодности использования и необходимости его дополнительной обработки (модификации) с учетом функционального назначения в составе органоминеральных композитов, были установлены следующие необходимые и достаточные для оценки характеристики, рекомендуемые для системы поддержки принятия решения: для асфальтового гранулята с целью установления корректировки состава, применения конкретного вида вяжущего и технологии подготовки смеси органоминерального композита необходимо и достаточно установление зернового состава и степени старения вяжущего; для шлаков ключевое значение с позиции применения в дорожном строительстве имеет высокая устойчивость к распаду под воздействием различных химических реагентов, прочность, истираемость, морозостойкость; для зол-уноса характеристиками, играющими ключевую роль как при использовании в качестве модификаторов вяжущего, так и в качестве наполнителей, являются минерально-фазовый состав, активность, удельная поверхность, зерновой состав и пористость. Для каждого типа характеристик сырьевых материалов установлены граничные значения исходя из вида вяжущего и типа дорожно-строительного композита, в которых они могут быть использованы. Для анализа соответствия сырьевых компонентов обозначенным критериям в рамках проекта использованы следующие методы: рентгенофлуоресцентный и рентгенофазовый анализ, ИК-спектроскопия, спектрофотометрия, растровая электронная микроскопия с энергодисперсионным анализом, поляризационная микроскопия микроскопия, метод газопроницаемости, метод адсорбции газов БЭТ, лазерная гранулометрия, индикаторный метод определения донорно-акцепторной способности минерального сырья, метод экстрагирования, тензиометрия, измерение дзета-потенциала, а также методы оценки физико-механических характеристик, регламентированных государственными стандартами. По совокупности физико-механических, физико-химических и структурных особенностей произведено ранжирование исследованных материалов: по степени старения и необходимости дополнительной обработки; по химической активности по отношению к различным видам вяжущих; по удельной поверхности и пористости как компонентов битумоминеральных смесей; по структурно-топологическим свойствам как компонентов смесей с непрерывной гранулометрией. Проведено ранжирование проб асфальтового гранулята по эффективности применения в качестве компонента органоминеральных композитов. Разработан метод и технологические параметры кристаллохимической стабилизации шлакового щебня, обеспечивающие возможность его применения как самостоятельно для устройства слоев оснований автомобильных дорог, так и в составе органоминеральных композиционных материалов. Полученный материал обладает следующими свойствами: марка по прочности 1200, марку по истираемости ИII, устойчивость структуры УС1, морозостойкость F50. Кроме того, удельная эффективная активность естественных радионуклидов стабилизированного шлака соответствует нормативным требованиям для строительства дорог и аэродромов, следовательно, полученный материал может применяться без ограничений. Комплексный анализ свойств зол-уноса как активного компонента взамен части вяжущих различной природы и типов твердения, а также взамен части минерального наполнителя, позволил выявить виды, не требующие дополнительной обработки – кислая зола-уноса Троицкой ГРЭС и основная зола-уноса Назаровской ТЭС. Установлены критерии оценки и требования, предъявляемые к золам-уноса при их использовании в органоминеральных системах в зависимости от вида основного структурообразующего компонента (цемент/битумное вяжущее). Исключением является дисперсность, усредненным показателем которой является удельная поверхность. Для цементных систем требования ГОСТ регламентируют более 300 м 2 /кг, для битумных систем нет строго регламентируемого значения, но удельная поверхность традиционно используемых наполнителей соответствует указанному требованию. Для зол-уноса, рекомендуемых к использованию без дополнительной обработки, значения удельной поверхности попадают в диапазон 400–500 м 2 /кг. Для цементных систем важнейшими показателями, определяющими возможность и эффективность использования зол-уноса, являются минерально-фазовый состав и активность. Среди существующих 8 различных методов определения активности минерального сырья, потенциально способного выступать в качестве активных добавок в составе цементных систем, экспрессностью, позволяющей произвести прогнозную оценку влияния зол-уноса как активных минеральных добавок в составе цементных систем на свойства композиционных материалов как для строительной отрасли в целом, так и для дорожного строительства в частности, отличаются: определение t-критерия (ГОСТ 25094–2015, более 15); времени конца схватывания (1-е сутки) и водостойкости (целостность образцов). Установлено, что индикатором прогнозируемого максимального проявления пуццолановой активности зол-уноса является содержании более 70 % активных компонентов – рентгеноаморфной фазы (RAS) (что характерно для золы-уноса Троицкой ГРЭС); проявление одновременной пуццолановой активности и вяжущих свойств – идентифицируется суммарным содержанием RAS и клинкерных минералов (что характерно для золы-уноса Назаровской ТЭС). Для битумоминеральных систем, где основным структурообразующим компонентом является битум, среди нормируемых показателей для зол-уноса наиболее значимыми являются пористость (30–40%), битумоемкость (60–75 г/100 см 3 ), пористость по методу БЭТ (1000–3500 300 м 2 /кг), позволяющая оценить внутреннюю и внешнюю пористость материала и размер пор, и химический состав (содержание CaO более 10 %). На основе проведенных исследований разработаны обобщенные принципы выбора и оценки пригодности и эффективности техногенного сырья и вторичных материалов в качестве конкретных функциональных элементов консолидированной матрицы полидисперсных, полиминеральных, полиструктурных композитов дорожно- строительного назначения.

По результатам работ в рамках первого этапа опубликовано 8 научных публикаций, в том числе 1 публикация – в журнале, индексируемом в международных базах данных Scopus и Chemical Abstracts (квартильность Q2 по SJR), входящем в перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК РФ (К1 согласно распределению журналов, входящих Перечень рецензируемых научных изданий, по категориям от 06.12.2022 г.); 1 публикация – в журнале, индексируемом в международных базах данных Scopus и Springer (квартильность Q3 по SJR); 2 публикации – в журналах, входящих в перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК РФ, в ядро РИНЦ и RSCI (К1 согласно распределению журналов, входящих в Перечень рецензируемых научных изданий, по категориям от 06.12.2022 г.) и индексируемых в международной базе данных Chemical Abstracts; 4 публикации – в сборниках трудов конференций, индексируемых в РИНЦ. Основные результаты проекта докладывались на 8 мероприятиях (12 докладов) международного и всероссийского уровня. Получен патент на полезную модель. В рамках выполнения проекта членом научного коллектива защищена диссертация на соискание ученой степени кандидата наук.

Описание выполненных работ и полученных научных результатов за II этап.

Анализ базовых свойств исходного сырья, путем применения комплекса методик по определению их активности, позволил установить отсутствие необходимости дополнительной обработки, что существенно упрощает их практическое применение.

Для вяжущей системы «цемент – добавка из техногенного сырья» определены рациональные концентрационные пределы добавок в виде зол-уноса (ЗУ) различных типов, обеспечивающих марочную прочность вяжущего. Наибольшими значениями прочности обладают системы с использованием 25 % Троицкой ГРЭС (53,96 МПа) и 15 % Назаровской ТЭС (54,12 МПа). Установлена полифункциональность частиц зол-уноса в составе цементного камня (наполнитель / пуццолановый компонент / гидравлический компонент), обусловленная их составом и морфоструктурными особенностями.

Для вяжущей системы «битум – добавка из техногенного сырья». По данным структурно-механических свойств вязкого дорожного битума с применением различных концентраций зол-уноса установлен характер влияния минеральных добавок на свойства органического вяжущего: чем выше содержание оксида кальция, тем большей структурирующей способностью обладает зола. Это выражается в снижении значений комплекса следующих параметров: глубина проникания иглы, растяжимость, температура размягчения и ее изменение после старения. Использование всех зол-уноса в различной степени улучшает теплостойкость битума, характеризующуюся изменением температуры размягчения до и после старения, что обусловлено преобладанием и колебаниями в составе аморфизованных сферических частиц, которые замедляют процесс нагревания. Наиболее высокой структурирующей способностью обладает ЗУ Назаровской ТЭС (концентрация в составе вяжущего 10 %) и ЗУ Троицкой ГРЭС (концентрация в составе вяжущего 15 %). Структурирующий эффект при использовании ЗУ для модификации битума выражается в расширении диапазона эксплуатационных температур вяжущего, способствующего повышению долговечности композитов на его основе.

Для вяжущей системы «битумная эмульсия – добавка из техногенного сырья» установлены концентрационные пределы использования кислых зол-уноса, обеспечивающих сохранение качества эмульсионных систем до взаимодействия с минеральными материалами в составе композитов. Для среднераспадающейся битумной эмульсии максимально возможное количество ЗУ Троицкой ГРЭС или Рефтинской ГРЭС составило 4 %, а для медленнораспадающейся – 6 %. Модифицированные эмульсионные системы сохраняют стабильность, вязкость и способны должным образом распределяться по поверхности каменных минеральных материалов. Установлено, что при равномерном распределении в объеме эмульсий добавки выступают в роли регуляторов структурообразования и, как следствие, обеспечивают дисперсное упрочнение композиционных материалов с их использованием.

Для расширения спектра областей применения сталеплавильного шлака: предложена технология стабилизации отхода металлургического производства, обеспечивающая переработку и улучшение его свойств в рамках текущего технологического процесса; предложены рецептурно-технологические параметры получения составов полужестких и нежестких композиционных материалов на основе вторичного и техногенного сырья для устройства оснований и покрытий дорожных одежд.

По результатам работ в рамках второго этапа опубликовано 8 научных публикаций, в том числе: 1 публикация – в журнале, индексируемом в Scopus (Q1 по SJR, Q1 по CiteScore), Web of Science (ESCI) (Q2 по JCR), RSCI, РИНЦ, по ВАК К1, «Белый список» уровень 1; 1 публикация – в журнале, индексируемом в Scopus (Q3 по SJR, Q3 по CiteScore), Springer, РИНЦ, по ВАК К1, «Белый список» уровень 3; 1 публикация – в журнале, индексируемом в Chemical Abstracts, RSCI, ядро РИНЦ, по ВАК К1, «Белый список» уровень 3; 1 публикация – в журнале, индексируемом в RSCI, ядро РИНЦ, по ВАК К1, «Белый список» уровень 3; 2 публикации – в сборниках трудов конференций, индексируемых в РИНЦ; 2 монографии, индексируемые в РИНЦ.

В рамках выполнения проекта членом научного коллектива защищена диссертация на соискание ученой степени кандидата наук.