name: ЦЕМЕНТНЫЕ КОМПОЗИТЫ, МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ДОБАВКОЙ С НАНОЧАСТИЦАМИ SiO2, ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ 3D-ПЕЧАТИ
keyword_list: Цементные композиты Микромодифицирование Наномодифицирование Полифункциональные добавки Многокомпонентные добавки Диоксид кремния Строительная 3D-печать
abstract: Целью диссертационной работы является разработка научно обоснованного технологического решения, направленного на получение цементных композиционных материалов для строительной 3D-печати, обладающих заданным комплексом свойств путем модификации их структуры многокомпонентной полифункциональной добавкой с наночастицами SiO2.
  
  Исходя из поставленной цели и на основании выдвинутой ведущей научной гипотезы определены основные задачи диссертационного исследования:
  1) систематизировать и обосновать требования к составу многокомпонентных полифункциональных добавок для цементных композиционных материалов, используемых в технологии строительной 3D-печати;
  2) исследовать влияние комплексных кремнеземсодержащих добавок различного состава и дисперсности на пластичность и формоустойчивость, а также на процессы схватывания, структурообразования и набора прочности цементных систем;
  3) изучить влияние наноразмерных добавок на структурообразование и прочностные характеристики цементного камня при его длительном твердении;
  4) исследовать влияние многокомпонентной полифункциональной добавки с наночастицами SiO2 на структурообразование, физико-механические свойства и физико-климатическую стойкость цементных композитов для строительной 3D-печати;
  5) сформулировать рекомендации к процессу получения многокомпонентной полифункциональной добавки с наночастицами SiO2 для цементных композитов, применяемых в технологии строительной 3D-печати, а также к процессу их модифицирования. Предложить рациональные составы модифицированных композиционных материалов. Выполнить оценку технико-экономических особенностей использования многокомпонентной полифункциональной добавки с наночастицами SiO2 в технологии цементных композитов.
  
  Итоги выполненного исследования
  1. Проведен анализ научно-технической литературы, в ходе которого установлена возможность получения цементных композитов для строительной 3D-печати с улучшенными свойствами за счет оптимизации их структуры на различных масштабных уровнях (микро-, ультрамикро-, нано-) при использовании многокомпонентных полифункциональных добавок. Показано, что в качестве основных составляющих таких добавок целесообразно использовать неорганический (частицы SiO2 полидисперсного состава), органический (суперпластификатор на 
  основе поликарбоксилатных эфиров) и армирующий (полипропиленовое волокно) компоненты.
  2. Исследовано влияние кремнеземсодержащих добавок полидисперсного состава (метакаолина, натриевого жидкого стекла, комплексной наноразмерной добавки на основе частиц SiO2 (КНД)) в сочетании с суперпластификатором на процессы схватывания, реологические характеристики, процессы гидратации, структурообразования и набора прочности цементных систем. Показано, что КНД, за счет входящих в её состав наноразмерных частиц SiO2, обладающих высокой химической активностью, позволяет получить цементные смеси, обладающие требуемым временем начала схватывания (210 мин), а также критериями пластичности и формоустойчивости (оценкой предела пластичности Ki(I), структурной прочностью σ0 в момент начала деформирования, пластической прочностью σпл, величиной относительных пластических деформаций Δпл в момент начала трещинообразования), необходимыми для осуществления бездефектного процесса безопалубочной строительной 3D-печати. При этом, КНД способствует образованию в цементной системе гидросиликатов кальция различной основности преимущественно пластинчатой и волокнистой морфологии, которые образуют однородную, плотную мелкозернистую структуру, обеспечивающую высокие прочностные показатели цементной системе (65 МПа и 93 МПа в 1 и 28 сутки твердения соответственно).
  3. Впервые изучены процессы самопроизвольного структурообразования наномодифицированных цементных систем при продолжительности твердения до 10 лет. Установлено, что КНД оказывает положительное влияние на структуру и прочностные свойства цементного камня как на ранних (до 1 года), так и на продолжительных (10 лет) сроках твердения. При этом, в наномодифицированном цементном камене формируются устойчивые гидратные новообразования пластинчатой и волокнистой морфологии, способные к формированию плотной структуры, обеспечивающей его высокие прочностные свойства – 93 МПа через 28 суток твердения, ~ 155 МПа через 10 лет твердения.
  4. Исследовано влияние многокомпонентной полифункциональной добавки с наночастицами SiO2 («наночастицы SiO2 – суперпластификатор - полипропиленовое волокно») на пластичность и формоустойчивость цементных композитов с кварцевым песком и известняковой мукой, а также на процессы их схватывания. Установлено, что введение многокомпонентной добавки с наночастицами SiO2 в исходную сырьевую смесь способствует сокращению времени начала схватывания композиционных смесей до 105 – 120 минут, а также достижению ими значений показателей пластичности и формоустойчивости (Ki(I) = 0,90 – 3,66 кПа, σ0 = 1,17 – 5,44 кПа, σпл = 26,75 – 57,80 кПа, Δ = 0,07 – 0,14 мм/мм), которые определяют возможность бездефектной экструзии слоя и безопалубочной печати без деформирования и трещинообразования слоев. Показано, что применяемая добавка способствует формированию достаточно плотной микроструктуры из гидросиликатов кальция различной основности преимущественно пластинчатой и волокнистой морфологии, что обеспечивает исследуемым цементным композитам достаточно высокие прочностные свойства на протяжении нормированного времени твердения (35 – 53 МПа в 1 сутки твердения, 82 – 85 МПа в 28 сутки твердения), а также необходимые показатели физико-климатической стойкости (ρ = 2100 – 2300 кг/м3, водопоглощение 7,1 и 11,2 % для составов Ц – В – СП – КНД – П – ВЛ и Ц – В – СП – КНД – ИМ – ВЛ соответственно, марку по морозостойкости F150, усадочные деформации в эксплуатационном диапазоне обезвоживания менее 0,08 мм/м, а при полном обезвоживании – менее 1,35 мм/м).
  5. Предложены составы цементных композитов, модифицированных многокомпонентной добавкой состава «наночастицы SiO2 – суперпластификатор – полипропиленовое волокно», обладающие необходимыми характеристиками для реализации безопалубочной технологии строительной 3D-печати. На основании полученных результатов сформулированы рекомендации к технологическому регламенту получения многокомпонентной полифункциональной добавки с наночастицами SiO2 для цементных композитов, применяемых в технологии строительной 3D-печати, а также к технологическому регламенту их модифицирования. Оценка технико-экономических аспектов использования многокомпонентной добавки с наночастицами SiO2 в технологии цементных композиционных материалов позволила установить, что относительный показатель конкурентоспособности предлагаемой добавки в 1,2 – 1,4 раза превосходит аналогичный показатель для других добавок, наиболее часто используемых для модифицирования цементных композитов. Установлено, что использование разработанных композиционных смесей для строительной 3D-печати является целесообразным, поскольку позволяет сократить в 1,5 – 2 раза прямые затраты и затраты живого труда при возведении малоэтажного жилого объекта по сравнению с другими вариантами строительства.
chairman_dissertation_council.name: Галина
chairman_dissertation_council.surname: Славчева
chairman_dissertation_council.patronymic: Станиславовна
chairman_dissertation_council.position: Профессор
chairman_dissertation_council.degree: Доктор технических наук
chairman_dissertation_council.rank: Доцент
chairman_dissertation_council.wos_research_id: U-4421-2018
chairman_dissertation_council.scopus_author_id: 57195684636
chairman_dissertation_council.rinc_id: 174467
chairman_dissertation_council.territory: РОССИЯ
organization_supervisor.name: Лариса
organization_supervisor.surname: Клюева
organization_supervisor.patronymic: Александровна
organization_supervisor.position: Начальник ОДС
organization_supervisor.territory: РОССИЯ
rubrics.code: 67.15.63
rubrics.name: Производство прочих строительных материалов и изделий
rubrics.code: 67.15.35
rubrics.name: Промышленное изготовление бетонных смесей, строительных растворов
rubrics.code: 67.09.05
rubrics.name: Общая характеристика и классификация строительных материалов и изделий. Материаловедение
oecds.code: 02.01.FA
oecds.name: CONSTRUCTION & BUILDING TECHNOLOGY
speciality_codes.name: Строительные материалы и изделия
speciality_codes.code: 2.1.5.
supervisors.fio: Артамонова О.В.
supervisors.scientific_degree: Доктор технических наук
supervisors.speciality_code: Строительные материалы и изделия
supervisors.responsible_type: Научный руководитель
opponents.fio: Пухаренко Ю.В.
opponents.scientific_degree: Доктор технических наук
opponents.speciality_code: Строительные материалы и изделия
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Чернышева Н.В.
opponents.scientific_degree: Доктор технических наук
opponents.speciality_code: Строительные материалы и изделия
opponents.responsible_type: Оппонент
protection_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
protection_organization.ogrn: 1033600070448
protection_organization.supervisor_name: ДМИТРИЙ
protection_organization.supervisor_surname: ПРОСКУРИН
protection_organization.supervisor_patronymic: КОНСТАНТИНОВИЧ
protection_organization.organization_type: Организация
protection_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
protection_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения
author_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
author_organization.ogrn: 1033600070448
author_organization.supervisor_name: ДМИТРИЙ
author_organization.supervisor_surname: ПРОСКУРИН
author_organization.supervisor_patronymic: КОНСТАНТИНОВИЧ
author_organization.organization_type: Организация
author_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
author_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения