Использование в строительных технологиях XXI века многофункциональных материалов обусловливает актуальную потребность разработки на глобальном рынке востребованных, конкурентоспособных композитов. В настоящее время остается острым проблема трансформации инновационного материаловедения из «набора технологических рецептур» в междисциплинарную науку с уникальной структурообразовательной методологией [1]. Создание композиционных стройматериалов предполагает улучшение технологических характеристик: механических, теплофизических, а также химическую стойкость, долговечность и т.п.; уменьшение себестоимости материалов, в том числе и за счёт утилизации разнообразных отходов.
Данная статья нацелена на рассмотрение особенностей протекания физико-химических процессов микроструктурообразования твердофазных композиционных стройматериалов.
Строительные материалы представляют собой композиты, в которых структурообразовательные процессы протекают в направлении установления термодинамического равновесия. Одним из эффективных способов подъема качества строительных композиционных материалов (СКМ) в проектируемых зданиях, сооружениях является получение вяжущих с применением активных минеральных нанокомпонентов [2]. В результате совмещения наполнителей и вяжущей матрицы образуется уникальный комплекс технологических свойств СКМ, не только отражающий начальные характеристики, но и включающий параметры, которыми исходные компоненты не обладают. Для повышения стабильности СКМ путем уменьшения интенсивности взаимодействия матрицы (вяжущих) и армирующих компонентов (наполнителей) на межфазной границе используют различные методы:
- разработка наполнителей (заполнителей), термодинамически стабильных по отношению к вяжущей матрице;
- применение легирования для снижения активности диффундирующих компонентов.
Термодинамически равновесное состояние на межфазной границе СКМ (поверхности раздела) компонентов может реализовываться только при соответствующем сочетании кинетических факторов: скорости диффузии и т.п. Метастабильное фазовое состояние бетонов на основе портландцемента характеризуется трансформациями полимерных гидросиликатов кальция. Процесс твердения завершается, когда СКМ набирает необходимую прочность: например, для портландцемента — 28 суток.
Эффективность и работоспособность СКМ зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения. Процесс разработки СКМ включает следующие стадии: формирование комплекта проектных данных; выбор состава композита и технологии его производства; оценка важнейших характеристик полученного материала. Для того, чтобы СКМ обладал стабильными технологическими характеристиками, его компоненты должны быть термодинамически совместимы. Термодинамическая совместимость проявляется в способности вяжущей матрицы и армирующих наполнителей (заполнителей) находиться в состоянии равновесия неограниченное время при эксплуатации.
Процессы структурообразования в СКМ сопряжены с трансформациями вяжущих матриц и армирующих компонентов, иногда межфазными преобразованиями на принципе сродства [3]. Для уменьшения продолжительности технологического синтеза обычно используются приемы, позволяющие снизить диффузионные затруднения, сопутствующие протеканию твердофазных взаимодействий при формировании СКМ, учитывая динамизм структурообразования [4].
Общность физико-химических закономерностей структурообразования нанокомпозитов отражает многообразие композиционных материалов, применяемых в стройиндустрии. Нахождение оптимальной микроструктуры строительного композита предполагает возможности его изготовления на основе разнообразных вяжущих (гипсовых, цементных, битумных, полимерных и т.д.), но и включения различных дисперсных фаз (тонкодисперсных минеральных или полимерных порошков, грубодисперсных заполнителей, непрерывной арматуры). В работе [5] проанализированы технологические платформы конструирования бетонов с высоким потенциалом сопротивления к разрушению.
Инновационные стройматериалы, изготовленные с помощью наноструктурированных вяжущих, состоят из аморфных новообразований, полученных на основе взимопереходов золь↔гель. Прочность взаимодействия между вяжущей матрицей и армирующим наполнителем (заполнителем) определяют адгезионные связи, которые обусловлены ковалентными, ионными, Ван-дер-Ваальсовыми силами. Вяжущие СКМ являются микрогетерогенными мультифрактальными системами, содержащими полимерные наноассоциаты [6, 7]. Например, структура керамических СКМ формируется в результате протекания сложных неравновесных физико-химических процессов на различных стадиях технологии и для их понимания целесообразно использовать термодинамику необратимых процессов — синергетику.
Управление конструированием фрактальной наноструктурой СКМ дает возможность создавать инновационные материалы с уникальными технологическими характеристиками. При создании композиционных стройматериалов необходимо учитывать также эксплуатационные свойства, позволяющие получать нанокомпозиты со стойкими к коррозии характеристиками (рис. 1)
Строительные конструкции, здания на базе традиционных вяжущих в процессе эксплуатации подвержены агрессивному воздействию коррозионных сред. Неравновесное состояние широко используемых вяжущих обусловлено наличием избыточной поверхностной энергии, присутствием микропор и т.п. В микроструктуре СКМ формируются кластеры — группы частиц, «цементированных» вяжущей матрицей; неагрегированные частицы и т.п. Для создания СКМ с многофункциональными параметрами: резервом структурообразования, долговечности, надежности и работоспособности изделий, конструкций, необходимо использовать современные методы компьютерного моделирования.
Возникновение и развитие коррозии СКМ зависит от микроструктуры и свойств агрессивной среды, температуры среды, плотности материала, его напряженного состояния, толщины и плотности защитного слоя и других факторов. Повышение коррозийной стойкости СКМ [8] может обеспечиваться соответствующим подбором компонентных составов, увеличением плотности выбором специальных вяжущих и заполнителей, применением наиболее эффективных методов уплотнения смеси, путем обработки поверхностного слоя (пропитка фторосиликатами), введением разнообразных добавок (силикатов и алюминатов натрия и др.), поверхностно-активных веществ, кремнийорганических макромолекул [9], поливинилацетата, изменяющих микроструктуру и т.п.
Универсальным методом повышения коррозионной стойкости бетонов и СКМ в агрессивных средах является замедление диффузии вглубь изделий. При проектировании строительных конструкций, предназначенных для эксплуатации в агрессивной среде, их коррозионную стойкость следует обеспечивать защитой поверхности строительных конструкции: Ø лакокрасочными покрытиями; Ø комбинированными и кольматирующими (способствующие заполнению микропор) покрытиями как на цементно-полимерной, так и на полимерной основе.
Ассоциация материаловедческих, технологических, экономических и др. подходов с учетом физико-химических особенностей структурообразования доставляет обоснованные рекомендации для изготовления композиционных наноматериалов для стройиндустрии. Синергетическая конвергенция технологий [10] (взаимоусиливающее схождение), ликвидируя ограниченную специализацию и учитывая социальные риски, позволяет создать принципиально инновационные СКМ.
Таким образом, исследование физико-химических процессов структурообразования позволяет получать новое поколение стройматериалов конструкционного и функционального назначения, увеличивать их прочность, долговечность, устойчивость к действию неблагоприятных факторов.