Осенний марафон строительного материаловедения

Аналитический обзор

Осенний марафон строительного материаловедения

Р.З.Рахимов, Н.Р.Рахимова

Проведён анализ организации и докладов двух международных форумов строительного материаловедения, прошедших осенью 2015-го года - XIX Международной конференции по строительным материалам "Ibaisul" в Веймаре и XIV-го Международного конгресса «Химия цемента» в Пекине, которые определили современное состояние и направления дальнейшего развития мирового строительного материаловедения в области исследований, разработок, производства и применения минеральных вяжущих и материалов на их основе.

Ключевые слова: строительные материалы, вяжущие, химия цемента, бетон, добавки, долговечность

Autumn Marathon of Building Materials Science.

By R.Z.Rahimov, N.R.Rahimova

The analysis of the organization and the reports of the two international forums dedicated to building materials, held in the autumn of 2015 year - XIX International conference on building materials "Ibaisul" in Weimar and XIV International Congress on the Chemistry of cement in Beijing, which determined the current status and directions of further world development of building materials in the research, development, production and use of mineral binders and materials based on them.

Key words: building materials, binders, chemistry of cement, concrete, additives, admixtures, durability

Осенью 2015-го года совпало проведение двух крупных событий, связанных с оценкой современного состояния и направлений дальнейшего развития мирового строительного материаловедения в области исследований, разработок, производства и применения минеральных вяжущих и материалов на их основе, - с 16-го по 18-ое сентября Международная конференция по строительным материалам "Ibaisul" в Веймаре (ФРГ) и с 13-го по 16-ое октября Международный конгресс «Химия цемента» в Пекине (КНР).

На конференции в Веймаре было представлено 279 докладов от имени более восьмиста авторов из 25 стран. Около 50% докладов было представлено немецкими учёными. Второе и последующие места по числу поданных докладов заняли, соответственно, Россия, Украина, Нидерланды, Узбекистан и т.д. Из России наибольшее количество докладов было представлено учёными Белгородского ГТУ имени В.Г. Шухова, Казанского ГАСУ и Российского ХТУ имени Д.И. Менделеева.

В программу работы конгресса в Пекине после тщательного отбора были включены 729 докладов более полутора тысяч авторов из ведущих университетов, научных и общественных организаций 44 стран. Наибольшее количество докладов было представлено из Китая - 319, Германии - 77, Швейцарии - 66, США - 63, Франции - 56, Великобритании - 54. Из России были представлены 12 докладов, пять из которых с участием авторов настоящей статьи от Казанского ГАСУ, четыре сообщения были подготовлены группой авторов с участием профессора РХТУ имени Д.И. Менделеева Ю.Р. Кривобородова. Два доклада были представлены специалистами из Магнитогорска с участием профессора М.С. Гаркави и один - из Санкт-Петербургского технического университета.

На конференции и конгрессе были заслушаны, соответственно, 3 и 24 пленарных доклада ведущих учёных из разных стран, посвящённых обзору состояния: будущего мировой и Китайской цементной промышленности, достижений в исследованиях гидратации цемента и его продуктов; структуры и свойств систем различных минеральных вяжущих с химическими и минеральными добавками, активированных щелочами материалов; влияния механических нагрузок, воздействия температуры и факторов окружающей среды на свойства минеральных вяжущих и материалов на их основе.

Особое внимание привлекли пленарные доклады, статьи сделанные и на конференции, и на конгрессе.

К. Скривенер (Швейцария) произвела анализ достижений в исследованиях сульфатной коррозии бетона и гидратации цемента. Привела доказательства подтверждения геохимической теории растворения как причины возникновения индукционного периода против теории непроницаемых слоев; электронная микроскопия показывает, что иглы С^-Н растут на поверхности зерен; на пике тепловыделения поверхность покрыта, но замедление может быть связано с контролем диффузии. Отметила повышение интереса к атомному моделированию и эффективность использования нового аналитического оборудования в совершенствовании знаний о влиянии конструирования молекул суперпластификаторов различного назначения.

Х.-М. Людвиг (ФРГ) в области цемента выделил два мега-тренда. Первый в Западной Европе - специализация вяжущих для конкретных областей применения. Стала необходимой их широкая номенклатура. Второй тренд - экологическая проблема производства и применения цемента в связи с высокой эмиссией диоксида углерода. Приведены соображения о перспективах развития производства цемента в целом в мире и в

отдельных странах до 2050 года. Отмечены уже реализуемые направления снижения эмиссии СО2: совершенствование технологии, использование альтернативного топлива с высоким содержанием биомассы, улучшение энергоэффективности, уменьшение содержания клинкера в цементе, производство и применение альтернативных вяжущих, в том числе новых - магнийсиликатного, карбонатного с аморфным или метаста-бильным СаСО3, карбосиликатного, гелитцемента.

Доклады И. Планка (ФРГ) были посвящены обзору применяемых в настоящее время химических добавок, их эффективности и развития современных бетонов. Приведены сведения о составах, структуре и эффективности известных и новых разновидностей: поликарбоксилатных суперпластификаторов, в частности, новых, модифицированных ор-гано-силанами, фосфатами и специальных по назначению; стабилизаторов, противоусадочных - неопентилгликоля, полипропиленгликоля и др; реагентов по уходу за бетоном. Отмечено, что будущее сулит дальнейшее развитие номенклатуры химических добавок по назначению и эффективности и возрастание их роли в дальнейшем совершенствовании свойств бетонов.

Общее внимание привлек доклад Д. Ху о будущем цементной промышленности Китая, который производит половину всего мирового объёма. Её будущее увязывается с решением задач снижения эмиссии СО2. Отмечено, что предпринимаемые в этом направлении меры уже позволили за 13 лет с начала XXI века снизить почти в три раза эмиссию СО2 на тонну производимого цемента.

Все обзоры состояния исследований и разработок по различной тематике конференции и конгресса позволяли их участникам квалифицированно оценивать значимость сведений, представленных в частных докладах на секционных заседаниях.

На конференции "1Ьа1^иГ работали секции: «Неорганические вяжущие», «Бетоны и долговечность бетонов» и «Стеновые материалы, содержание зданий и сооружений и рециклинг».

На секционных заседаниях конференции была произведена презентация отдельных докладов, представлявших общий интерес, среди которых: прогресс в исследованиях, модифицированных полимерами цементных растворов; устойчивое развитие строительства - шансы и потенциал; морозостойкость бетонов - новые знания по механизму и прогнозу; будущее в применении полимеров для модификации бетонов; модифицированные полимерами растворы и бетоны - длительный опыт и новые знания; гипсосодержа-щие композиционные вяжущие - будущее экологического строительства.

На секции «Неорганические вяжущие» были представлены доклады, посвящённые:

- исследованиям влияния: химического состава гидросиликатов кальция на прочность цементных материалов, альтернативного топлива на качество клинкера, нанокомпозитов

«гидросилиаты кальция - поликарбоксилаты» на раннюю прочность цементного камня, пластифицирующих добавок на гидратацию и образование фаз гидросиликатов кальция и на свойства тампонажного цемента; цементов на старение, эффективность и адсорбционные свойства поликарбосилатов; зол и других минеральных добавок на гидратацию и раннюю прочность сульфоалюминатного цемента, сульфата кальция на гидратацию вяжущего из портланд- и сульфоалюминатного цементов; добавок термоактивированных глин, шлаков, углеродных нанотрубок на свойства цементов; щелочей на гидратацию белит-кальцийсульфоалюминатного цемента и состав новообразований;

- исследованиям структуры и свойствам и разработке малоусадочного цемента, цемента с низким содержанием щелочей, геополимеров на основе метакаолина; активированного щелочами тампонажного цемента, шлакозольного вяжущего с добавками известняка и вяжущего для заливочных масс;

- моделированию: кинетики гидратации цемента, термодинамическому -гидросиликатов кальция.

В российских докладах, включённых в программу конференции по этой секции, были представлены результаты:

- исследований структуры и свойств дорожных бетонов на модифицированном тонкомолотом цементе; структуры цементного камня, модифицированного многослойными углеродными нанотрубками; влияния состава и структуры щелочных растворов на свойства активированных щелочами вяжущих, гидратации тампонажного цемента при низких температурах, гидратации и твердения цемента с добавками метакаолина, структурообразования новой генерации композиционных вяжущих, кристаллизации сульфата натрия в микропорах гипсового камня, влияния модифицированных добавок на свойства гипсоцементнопуццоланового вяжущего; твердения кислотоупорного цемента;

- разработок шлакощелочных вяжущих с добавками молотого камня цементных растворов, модифицированных базальтовой минеральной добавкой гипсовых вяжущих, вяжущих на основе природного ангидрита с тонкомолотыми добавками отходов промышленности, геополимерного вяжущего на базе магматической породы и бетонов на его основе.

Секция «Бетоны и долговечность бетонов» включала доклады, посвящённые результатам:

- разработок фибробетонов со стальной и базальтовой фиброй, текстильбетонов и тонкостенных конструкций и оболочек из них, строительных элементов из полимербетонов, бетона на основе малоклинкерного вяжущего и специально карбонизированного мелкого заполнителя из дробленого старого бетона, экобетонов с микро- и эконаполнителями, ультралёгких бетонов на основе цемента и щелочного вяжущего, наноструктурных серных композитов для дорожных конструкций, бетонных дорожных плит с применением различных вяжущих в их верхних и нижних слоях - химически высокостойких бетонов;

- исследований коррозии арматуры в сульфоалюминат-ных композициях, влияния контактной зоны в бетоне на его морозостойкость; сульфатной, солевой, хлоридной, щелоче-силикатной, морозной и морозно-солевой коррозии бетонов на основе различных вяжущих; водостойкости специальных цементных и эстрих-гипсовых композитов, влияния старения внутренних и наружных слоев высокопрочного бетона при морозной и морозно-солевой коррозии.

В докладах, представленных авторами из России на этой секции, была произведена презентация результатов:

- разработок пескобетона с базальтовой фиброй, текстильбетона на основе композиционного вяжущего, самоуплотняющегося пескобетона на основе наномоди-фицрованного вяжущего для монолитного строительства, фибробетона с использованием побочных продуктов добычи рудного сырья Курской магнитной аномалии, применения серы в строительных материалах, мультифункциональных добавок для беспрогревного бетона, пенобетона на основе специальных вяжущих с использованием промышленных отходов, управления процессом структурообразования при твердении шприцбетона для туннельного строительства, бетонов на базе бесклинкерного композиционного гипсового вяжущего повышенной водостойкости;

- исследований эмиссии аммиака в цементном бетоне, возможностей приложения фрактальной геометрии в исследованиях свойств строительных материалов, сульфатной коррозии цементных и щелочных композитов, возможностей применения методов механического разрушения в исследованиях трещинообразования в шлакощелочных бетонах, проблем щелоче-силикатной реакции.

Доклады серии «Стеновые материалы, содержание зданий и сооружений и рециклинг» были посвящены:

- исследованиям влияния неоднородности бетона на несущую способность конструкций, добавок на свойства строительных растворов для реставрации исторических памятников, модификации герметизирующих композиций для повышения надежности нефте- и газохранилищ, активации шлифпорошков для получения пуццолановых добавок для растворов и бетонов, различных факторов на конечные свойства бетонов; обработки продукции мусоросжигающих печей для производства новых строительных материалов, повышения качества поверхности покрытий из гипсовых смесей оптимизацией смесительного агрегата, стойкости наружной теплоизоляции слоистых стен, свойств грунтов и биологического шлама при биологической очистке;

- разработке огнестойких гипсовых плит с алюмоси-ликатными микросферами, оптимальных составов сухих строительных смесей, нового пенообразователя для лёгких и ультралёгких ячеистых бетонов, системы строительных элементов из пенобетона.

Российскими участниками этой секции были представлены результаты разработок: пенобетонов на основе шлакощелочных вяжущих на сталеплавильных шлаках, полифунк-

циональных добавок в сырьевую шихту стеновой керамики и исследований возможностей совершенствования свойств в технологии пенобетонов и применения комплексных на-номодификаторов для повышения прочности и уменьшения теплопроводности автоклавных бетонов.

На конгрессе «Химия цемента» помимо упомянутых выше были представлены дополняющие их и индивидуальные пленарные доклады следующей тематики: химия цементного клинкера, достижения в исследованиях гидратации цемента, процессы эффективного и устойчивого производства цемента, жидкие и твёрдые фазы продуктов гидратации силикатов кальция, состояние и развитие стандартизации цементных материалов, химические добавки - влияние на микроструктуру и прочность бетонов, влияние окружающей среды на цементные материалы и их применение, реология материалов на основе цементов, достижения в разработках и исследованиях активированных щелочами материалов, альтернативные подходы к сокращению эмиссии СО2 вяжущего в бетоне, достижения в понимании роли цементов с минеральными добавками в бетонах, исследования долговечности и структуры бетонов, методы испытаний и их практические приложения.

На секции «Химия клинкера» в докладах были представлены сведения:

- об особенностях структуры и состава клинкеров цементов: ординарного, низкоэмиссионного и высокопрочного портландцемента; алит-йелимитового, высокомагниевого, алитового высокомагниевого; сульфоалюминатного, белит-алитового сульфоалюминатного; кальций-бариевого сульфоалюминатного; барийсодержащего сульфоалюминатного; низкоуглеродного;

- о новых методах оптимизации производства клинкера сухим способом и по энергосберегающим технологиям;

- о влиянии на структурообразование и состав отдельных разновидностей клинкеров введения: ионов Си2+, Zn2+, Сг+, Cd2+, РЬ4+ и мультиионов; примесей А1, Fe, Мд; добавок фтора, серы и фосфора; оксидов Fe, Мд, К, Ва; кристаллических свойств кварца в сырьевой смеси очищенных отходов алюминиевого производства, кальциевого-карбидного шлака; безжелезистого шлака от плавления цинка, отхода переработки нефти, местных отходов; использования альтернативного топлива. Для участников секции представили интерес российские доклады «Фазовый состав и свойства цементов на основе клинкера, полученного плавлением» и «Влияние альтернативного топлива на качество клинкера».

В докладах секции «Гидратация портландцемента» были представлены результаты следующих исследований и разработок:

- влияние на процессы гидратации и формирование структуры и свойств продуктов гидратации отдельных минералов и цементов добавок: стирол-бутадиенового латекса и гидроксипропилметилцеллюлозы, суперабсорбирующих полимеров, метилцеллюлозы, винилацетатных-этиленовых сополимеров, поликарбоксилатных суперпластификаторов

с разной молекулярной структурой, эмульгатора, сахарозы; медного шлака, волокнистого бумажного отхода, углеродных нанотрубок и нанокремнезёма, фосфогипса, ионов магния и цинка, хлоридов натрия и калия, сульфита кальция, цинкосо-держащего отхода, тонкодисперсного гидроксида железа и гипса; температуры и давления;

- кинетика гидратации, структурообразования и свойств продуктов гидратации отдельных клинкерных минералов и в целом ординарного, высокобелитового, тампонажного, шлако-портландцемента, алит-белитового цемента с добавками золы, белитового сульфоалюминатного цемента, известнякового и доломитового цементов; серо-фосфор-гипсошлакового цемента;

- моделирование: атомного - строения бездефектных и дефектных тоберморитовых структур; молекулярного - растворения трехкальциевого силиката, математического - усадки твердеющего цементного теста и раствора.

На этой секции были представлены презентации российских докладов: «Регулирование процессов структурообразования цементного камня многослойными углеродными нанотрубками», «Цементы центробежно-ударного измельчения низкой водопотребности и бетоны на их основе», «Самоорганизация вяжущих систем».

Доклады секции «Добавочные цементирующие материалы» были посвящены преимущественно исследованию структуры и свойств и разработке вяжущих систем с минеральными добавками. Были представлены результаты исследований твердения структуры, свойств и разработок добавочных цементирующих материалов, растворов и бетонов:

- с индивидуальными и мультикомпозиционными минеральными добавками к различным вяжущим - микрокремнезёма, метакаолина, оливинового нанокремнезема, цеолита, известняка, доломита, баритсодержащего стекла, фосфатов и фторидов, обожжённых глин; сталеплавильных и нежелезистых шлаков, нанозолы, зол от сжигания бытовых и древесных отходов, зольного шлама, перлитсодержащего отхода и отходов производства санитарной керамики, цементной пыли;

- на основе бездобавочного портландцемента, шлако- и зольного портландцементов; глиноземистого, тампонажного, сульфоалюминатного, алит-кальциевого сульфоалюминатного, смешанного, известкового цементов, ангидритового и активированных щелочами вяжущих;

По тематике этой секции российскими учеными было представлены доклады «Ускорение твердения портландцемента» и «Композиционный портландцемент с комплексной минеральной добавкой».

На секции «Добавки» были сделаны доклады, касающихся исследований влияния добавок и условий твердения на процессы гидратации, структуру и свойства продуктов гидратации трехкальциевого силиката и вяжущих систем, растворов и бетонов:

- на основе цементов различного состава, портландцементов с добавками; тампонажного и глиноземистого, алитового

и сульфоалюминатного цементов; полифазного клинкера; известкового теста;

- с химическими добавками: суперпластификаторов -поликарбоксилатов различной химической и молекулярной структуры, лигносульфонатов различного происхождения, модифицированного лигнина на основе полинафталинсуль-фоната; воздухововлекающих, новых замедлителей и ускорителей твердения; триэтаноламина, суперадсорбирующих полимеров, алкиноламинов, гуаровой смолы; винилацетат-этиленового, частично стабилизированного поливинилал-коголем, сахарозы, карбамида;

- с минеральными добавками: золы, шлаков, углеродных и титановых нанотрубок, нано- и микрокремнезема, продуктов сжигания угля с различным содержанием кислорода, бамбукового каолина, термоактивированных глин, полукарбонизированных рисовых волокон, отходов из карбида кремния, отсевов заполнителей, медесодержащих хвостов ГОК.

Для участников этой секции представил интерес российский доклад авторов данной статьи «Гидратация и свойства смешанных цементов с метакаолином и суперпластификатором».

Результаты исследований и разработок, представленных на секции «Долговечность», были посвящены изменениям структуры и свойств вяжущих, растворов и бетонов в зависимости от особенностей деформации при твердении и различных воздействий, в частности при:

- пенетрации и диффузии хлоридов в камень вяжущих; раствор и бетон при изгибающих и сжимающих нагрузках и периодическом увлажнении и высушивании, переносе их в частично насыщенный раствор, снижении пенетрации хлоридов в системах с добавками различных силанов, влияния изменения концентрации хлоридов в имитирующих поровых жидкостях на точечное сопротивление коррозионностойкой стали; проницаемости хлоридов в бетоне под влиянием морозного разрушения в воде и солевых растворах; химическом и физическом связывании хлоридов в цементных материалах; учёте взаимосвязи между диффузией свободного и общего содержания хлорида в бетоне; связывании хлоридов в цементных материалах; учёте взаимосвязи между диффузией свободного и общего содержания хлорида в бетоне; связывании хлоридов в вяжущих системах с противоусадочными добавками;

- влиянии сульфатов на микроструктуру гидросиликатов цементного камня и растворных смесей с различным водо-цементным отношением, разрушение микроструктуры сульфоалюминатного цемента при периодическом увлажнении и высушивании; на свойства экобетона и сульфатостойкость композиционных цементов с добавками высокотитанового шлака и молотых бетонных отходов; на стойкость новых сульфатостойких цементов;

- влиянии реакции щелочей с кремнезёмом заполнителя на микроструктуру кварца, на подавление AL2O3 и AL(OH) в бетоне, на бетоны конструкций метро;

- карбонизации портландцементных растворов с добавками известняка и метакаолина, влиянии карбонизации

с различной скоростью на микроструктуру гидросиликатов кальция, зависимости её для бетона от вида заполнителей и одновременного замораживания-оттаивания и влиянии её на солестойкость бетона;

- воздействии периодического замораживания-оттаивания на свойства и гидратацию различных цементных систем, морозостойких бетонов, эффективность противоморозно-упрочняющих добавок на морозостойкость бетонов при одновременном воздействии увлажнения и высушивания;

- воздействии высоких температур на физические свойства нанопор гидросиликатов кальция, свойства и гидратацию трёхкомпонентных цементных систем и систем с минеральными добавками, на бетоны конструкций атомных станций;

- биодеградации цементных материалов городских конструкций, в биогазовом автоклаве и в канализационных системах;

- усадке цементноцеолитовых систем, послойной усадке самоуплотняющегося бетона, ранней аутогенной усадке маг-незиально-фосфатного камня.

Часть докладов была посвящена разработке и применению различных методов исследований: 3D-числового корреляционного определения усадки растворов, микроскопического определения различия свойств клинкера в присутствии химических добавок; электронной дифракции обратного рассеивания в сканирующей электронной микроскопии микроструктуры кварца в контексте реакции щелочь-реакционноспособный заполнитель; коррекции коэффициента диффузии хлоридов, полученного ускоренным методом на основе электрической проводимости поровой жидкости бетона; имитационной биодеградации цементных материалов в канализационных системах; сорбции воды в ненасыщенных цементных материалах с использованием рентгеновской компьютерной томографии.

Отдельные доклады были посвящены моделированию: усадки гидросиликатов кальция, мультимасштабного и 3D-переноса ионов в цементных композитах, систем на основе глиноземистого цемента, молекулярной связи наночастиц, гидросиликатов кальция, морозного разрушения бетонов на основе лабораторных тестов.

В некоторых докладах были приведены результаты исследований долговечности отдельных цементных систем в зависимости от разновидностей и состава индивидуальных и комплексных минеральных добавок при воздействии кислотного дождя, морской воды и противоморозной самолётной

жидкости. В числе сообщений на этой секции состоялась презентация доклада из России «Взаимозависимость между распределением размера частиц нанодисперсных минеральных добавок и кинетикой реакции щелочь-кремнезём».

Большинство из 129 сообщений секции «Альтернативные вяжущие» были посвящены результатам исследований и разработок активированных щелочами шлакощелочных, золощелочных вяжущих и геоцементов с использованием различных шлаков, зол и осадочных пород, растворов и бетонов на их основе. В совместной работе, посвящённой достижениям в их исследованиях и разработках, Д. Провис (Великобритания), А. Паломо (Испания) и К. Ши (Китай) отметили, что щелочная активация - высоко и быстрораз-вивающаяся сфера в научном сообществе, рассматриваемая как элемент обеспечения устойчивого развития производства строительных материалов.

Отдельные доклады секции посвящены исследованиям и разработке низкоэмиссионных, безэмиссионных, био-, биокальцитных, биофосфатных, магнезиально-силикатных, магнезиально-фосфатных, белит-йелимит-ферритового, эко-устойчивого, глиноземистых, сульфоалюминатных, с низким содержанием клинкера цементов, на основе фосфогипса и из-вестково-пуццолановых вяжущих. По этой секции состоялась презентация российских докладов: «Модифицированный романцемент», «Состав и структура камня композиционного гипсового вяжущего с известью и гибридной минеральной добавкой», «Отверждение нитратных солевых растворов бездобавочными и композиционными с добавкой метакаолина шлакощелочными вяжущими».

Секция «Стандарты и коды» включала семь докладов, по-свящённых подходам к ограничениям и рекомендациям по исследованиям отдельных показателей свойств цементов, цементного теста и камня в США, Японии и преимущественно в Китае.

Работа конгресса завершилась принятием решения о проведении очередного XV конгресса «Химия цемента» в 2019 году в Праге.

На заключительных пленарных заседаниях конференции в Веймаре и конгресса в Пекине был отмечен высокий уровень и актуальность рассмотренных частных задач и общих проблем в решении эффективности научных исследований, производства и применения минеральных вяжущих и материалов на их основе для обеспечения дальнейшего устойчивого развития мировой цивилизации.