俄罗斯科学家为北极地区的建筑开发了一种新的混凝土技术

在南乌拉尔国立大学,正在继续努力提高混凝土的使用寿命和强度。 科学家的研究可以促进北极,西伯利亚和远东地区的建设,因为这些地区气候条件恶劣,需要使用超坚硬的混凝土。 由于水泥和石头的水合结构的改变,可以获得具有这种性质的材料。 有关此研究的文章发表在《建筑材料案例研究》(Scopus数据库)上。

钢筋混凝土制品的耐久性

自19世纪中叶以来,混凝土和钢筋混凝土已用于建筑中,专家定期改善这些材料的性能。 它们可靠,对人类安全,并且具有几乎无限的原材料基础。

同时,专家们注意到钢筋混凝土结构的一个重大缺点:它们在恶劣的气候条件下寿命短。 需要在循环冻结期间保护钢筋和混凝土不断裂。 这是由于在建筑材料的孔中形成了冰。 原因还在于温度变化,硅酸盐矿物的浸出或水泥凝胶的老化引起的机械应力。

世界各地的科学家都在努力提高钢筋混凝土结构的耐久性。 对于南乌拉尔国立大学研究人员来说,这个问题也很有趣。 自1990年代以来,建筑与土木工程学院建筑材料与产品系对混凝土的耐久性进行了研究,并于2018年启动了相应的硕士项目。

南乌拉尔国立大学员工首次进行的一项新研究表明,有必要考虑到水泥和石头的水合在循环冷冻和解冻过程中的稳定性。

“在确保水泥和石头水合的稳定性的同时,混凝土的机械性能以及其耐久性均保持不变。АСИ 南乌拉尔国立大学高级讲师 基里尔·舒尔达科夫 说:“我们建议根据钢筋混凝土结构的使用条件和所使用的改性剂来评估使用寿命的临时指标中的耐久性。”

Испытание низкими температурами

Исследование проводилось в лаборатории ЮУрГУ при температуре -50 °С в 5 % растворе поваренной соли. Надо отметить, что иностранные коллеги исследователей ЮУрГУ были удивлены таким подходом, поскольку самые суровые условия испытаний у них минус 20 градусов. Однако именно воссозданные в лаборатории ЮУрГУ условия соответствуют национальному стандарту и позволяют создать материал, который выдержит, помимо эксплуатационных воздействий, испытания климатом Арктики, Сибири и Дальнего Востока.

图片:在5%氯化钠溶液中饱和冷冻的混凝土样品的相对变形

将水/水泥比小于0.35的高功能混凝土进行循环冻融。在周期性撞击之前和之后,分别评估材料结构的稳定性。结果,科学家得出结论,在水灰比恒定的情况下,混凝土的抗冻性等级可以改变4-5倍,但是引入了影响水合组成的各种改性剂。当水泥石中的硅藻土含量不超过5%时,形成稳定的氢硅酸盐凝胶。这是通过引入最佳剂量的现代改性添加剂来确保的。

水泥凝胶的结晶机理与最初形成的氢硅酸钙吸收石灰后碱度的提高有关。 引入火山灰(一种能提高混凝土强度和耐久性的矿物添加剂)可降低石灰的浓度,引起硅-氧四面体的活跃聚合,尤其是在循环冷冻期间,这有助于形成稳定的胶态分散氢硅酸钙,” 基里尔·舒尔达科夫 解释说。

南乌拉尔国立大学科学家的研究可以帮助在恶劣条件下建造建筑物,例如“西伯利亚力量” 的天然气管道以及北极地区的发展。

照片:南乌拉尔国立大学建筑与土木工程学院建筑材料与产品系高级讲师 基里尔·舒尔达科夫

但是科学家并不打算停止他们的工作。 下一步是研究混凝土的扩散渗透性。 根据ГОСТ 31384-2017标准,此特性决定了钢筋混凝土结构的使用寿命。

材料科学领域的研究是随着数字产业和环境发展南乌拉尔国立大学的科学和教育活动的三个战略方向之一。

南乌拉尔国立大学是5-100计划的参与者,该项目旨在提高俄罗斯大学在世界领先的研究和教育中心中的竞争力。

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