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

На базе БГТУ им. В.Г. Шухова подходят к завершению работы третьего этапа (2021 г.) проекта, выполняемого за счет гранта Российского научного фонда, проект № 23-19-00796 «Физико-химические принципы проектирования органоминеральных композиционных материалов для ремонта и реконструкции дорожных одежд».

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.