Развитие методологии исследований, направленной на управление структурообразованием цементных композитов

Введение. Развитие методологии исследований, направленной на управление структурообразованием цементных композитов, является актуальной задачей современной технологии бетонов, включающих многокомпонентные смеси и добавки. Решение данной задачи предусматривает применение методов количественной оценки структуры и свойств на различных масштабных уровнях и этапах структурообразования. Цель работы — развитие методологии исследований на основе анализа и установления закономерностей формирования структуры и свойств на различных масштабных уровнях и этапах структурообразования, направленной на повышение эффективности технологии цементных композитов и бетонов.

Материалы и методы. Анализ структурообразования дисперсных систем и цементных композитов проводили на основе модели фрактальных кластеров и теории протекания (перколяции). Применяли физико-химические методы — оптическую и электронную микроскопию, вискозиметрию, определение активности; компьютерное и математическое моделирование; физико-механические испытания.

Результаты. Обоснованы направления развития методологии исследований на основе системного подхода, отличающегося применением модели фрактальных кластеров, для установления количественных показателей на различных масштабных уровнях и этапах структурообразования. Структурно-феноменологический анализ дисперсных систем и композитов позволил уточнить и дополнить представления о механизме их структурообразования. Установлены количественные зависимости между фрактально-кластерными процессами на микроуровне и свойствами с учетом дисперсности, природы и характеристик поверхности минеральных компонентов в составе цементных композитов. На базе метода исследования структурообразования на мезо- и макроуровнях, базирующегося на геометрическом моделировании плотных упаковок, скорректирован гранулометрический состав заполнителей для получения более плотной структуры бетона.

Выводы. Методология исследований расширяет возможности управления структурообразованием и прогнозирования формирующихся структур цементных композитов. На основе системных исследований от микро- до макро-уровня с оценкой эффективности минеральных компонентов в составе органоминеральных добавок, а также оптимизации гранулометрического состава заполнителей получены цементные бетоны с улучшенными физико-механическими свойствами.

1. Алексеева Е.В., Бобрышев А.Н., Воронов П.В., Головинский П.А., Лахно А.В., Перцев В.Т. Структурно-реологические свойства дисперсно-зернистых систем : монография. Воронеж : ВГАСУ, 2010. EDN QNOZJR.

2. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Дондуков В.Г. Цементы и добавки для производства высоко-прочных бетонов // Строительные материалы. 2017. № 11. С. 4–10. EDN ZWUFVB.

3. Калашников В.И., Тараканов О.В. О применении комплексных добавок в бетонах нового поколения // Строительные материалы. 2017. № 1–2. С. 62–67. EDN XXIHSZ.

4. Alatawna A., Birenboim M., Nadiv R., Buzaglo M., Peretz-Damari S., Peled A. et al. The effect of compatibility and dimensionality of carbon nanofillers on cement composites // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 232. P. 117141. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.117141

5. Pan G., Li P., Chen L., Liu G. A study of the effect of rheological properties of fresh concrete on shotcrete-rebound based on different additive components // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 224. Pp. 1069–1080. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.07.060

6. Hedayatinia F., Delnavaz M., Emamzadeh S.S. Rheological properties, compressive strength and life cycle assessment of self-compacting concrete containing natural pumice pozzolan // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 206. Pp. 122–129. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.02.059

7. Svintsov A.P., Shchesnyak E.L., Galishnikova V.V., Fediuk R.S., Stashevskaya N.А. Effect of nano-modified additives on properties of concrete mixtures during winter season // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 237. P. 117527. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.117527

8. Ashwini R.M., Potharaju M., Srinivas V., Kanaka D.S., Rathnamala G.V., Paudel A. Compressive and flexural strength of concrete with different nanomaterials : a critical review // Journal of Nanomaterials. 2023. Vol. 2023. Pp. 1–15. DOI: 10.1155/2023/1004597

9. Ndahirwa D., Zmamou H., Lenormand H., Leblanc N. The role of supplementary cementitious materials in hydration, durability and shrinkage of cement-based materials, their environmental and economic benefits : a review // Cleaner Materials. 2022. Vol. 5. P. 100123. DOI: 10.1016/j.clema.2022.100123

10. Lee J., Lothenbach B., Moon J. Performance improvement of Portland-limestone cement by mechanochemical activation // Cement and Concrete Research. 2024. Vol. 176. P. 107411. DOI: 10.1016/j.cemconres.2023.107411

11. Wang A., Pan Y., Zhao J., Liu P., Wang Y., Chu Y. et al. Research progress of resourceful and efficient utilization of coal gangue in the field of building materials // Journal of Building Engineering. 2025. Vol. 99. P. 111526. DOI: 10.1016/j.jobe.2024.111526

12. Алфимова Н.И., Шадский Е.Е., Никифорова Н.А. Эффективность использования органоминерального модификатора на основе вулканогенно-осадочных пород // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2016. № 2 (17). С. 120–128. EDN UBCXGV.

13. Тараканов О.В., Акчурин Т.К., Утюгова Е.С. Эффективность применения комплексных органо-минеральных добавок для бетонов // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2020. № 1 (78). С. 174–181. EDN SBKZAG.

14. Ткач Е.В., Рахимов М.А., Тоимбаева Б.М., Рахимова Г.М. Влияние органоминерального модификатора на физико-механические и деформативные свойства бетона // Фундаментальные исследования. 2012. № 3–2. С. 428–431. EDN PBAOWR.

15. Нгуен Тхе Винь Т.В., Нгуен Динь Чинь Д.Ч., Баженов Ю.М. Разработка органоминеральных модификаторов для получения высокопрочных бетонов с компенсированной усадкой // Вестник МГСУ. 2012. № 1. С. 72–76. EDN PCITEL.

16. Zhang S., Qiao W.-G., Chen P.-C., Xi K. Rheological and mechanical properties of microfine-cement-based grouts mixed with microfine fly ash, colloidal nanosilica and superplasticizer // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 212. Pp. 10–18. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.03.314

17. Володин В.В., Тараканов О.В., Низина Т.А., Кяшкин В.М., Балыков А.С. Гидратация цементных вяжущих с минеральными добавками на основе глинистых и карбонатных пород // Вестник МГСУ. 2024. Т. 19. № 8. С. 1317–1327. DOI: 10.22227/1997-0935.2024.8.1317-1327. EDN AOVNKP.

18. Королев Е.В., Гришина А.Н., Айзенштадт А.М. Анализ структурообразования композитов с использованием фрактальной размерности // Строительные материалы. 2020. № 9. С. 54–61. DOI: 10.31659/0585-430X-2020-784-9-54-61. EDN FMNDZB.

19. Усачев С.М., Перцев В.Т. Совершенствование технологии вибропрессованных бетонов : монография. Воронеж : ВГАСУ, 2007. 142 с. EDN QNNHFP.

20. Головинский П.А., Ушаков И.И. Теория фрактального роста трещин и сопутствующая акустическая эмиссия // Сборник тезисов ФиПС. 1999. С. 20–24.