ЗАКОН  СРОДСТВА  СТРУКТУР  —  ОСНОВНОЙ  ПРИНЦИП  ПРОЕКТИРОВАНИЯ  МНОГОСЛОЙНЫХ  СИСТЕМ

Куприна  Анна  Александровна

аспирант,  Белгородский  государственный  технологический  университет,  РФ,  г.  Белгород

Прасолова  Екатерина  Олеговна

аспирант,  Белгородский  государственный  технологический  университет,  РФ,  г.  Белгород

E-mail :  anna-121989@mail.ru

Современный  этап  развития  общества,  с  его  огромным  объемом  информации,  повышенными  нагрузками,  стрессами,  характеризуется  необходимостью  создания  комфортной  среды  обитания  для  человека.  Это  позволит  решить  сложные  задачи  укрепления  РФ.  Одним  из  возможных  путей  решения  является  переход  к  индивидуальному  строительству,  которое  сегодня  развивается  быстрыми  темпами  [3—4,  20].

Блоки,  кирпичи  являются  главными  конструкционными  материалами,  обеспечивающие  благоприятную  среду  обитания  человека.  Однако  с  совершенствованием  геометрии,  поверхности  стенового  материала,  возникает  необходимость  нового  подхода  к  проектированию  составов  растворной  составляющей  кладки.  Задачей  является  формирование  единого  композиционного  материала  с  высокой  адгезией  отдельных  слоев  друг  к  другу.

На  основании  многочисленных  исследований,  разрушение  каменных  конструкций  происходит  большей  частью  по  границе  стеновой  материал-шов,  что  характеризуется  слабой  адгезией  цементно-песчаного  раствора  к  основанию  и  говорит  о  необходимости  работы  в  направлении  формирования  прочного  контактного  слоя  элементов  кладки.

Прочность  сцепления  является  многофакторным  параметром,  на  ее  величину  влияет:

·     адсорбционные  свойства  камня;

·     состояние  поверхности  стенового  материала  (открытая  пористость,  ее  структура  и  т.  д.);

·     вид  применяемого  стенового  материала;

·     степень  удобоукладываемости  раствора  (подвижность,  консистенция);

·     водоудерживающая  способность;

·     однородность  массы  раствора;

С  целью  решения  поставленных  задач,  сегодня  необходимо  развивать  новое  научное  направление  в  кибернетике  —  ГЕОНИКА-ГЕОМИМЕТИКА  [7—9,  16,  21],  которая  позволит  выйти  на  новый  этап  проектирования,  производства  и  эксплуатацию  материала  [1,  5—6,  18—19].  Формирование  структуры  многослойных  систем  (каменная  кладка)  на  основе  геонических  принципов  позволит  создавать  материалы  с  широким  диапазоном  свойств  и  большим  потенциалом  долговечности  [10—13].

Отметим,  человеческая  деятельность,  связанная  с  производством  строительных  материалов  и  конструкций,  напоминает  геологические  процессы  по  формированию  структуры  горных  пород  рис.  1  [2,  14—15,  17].

Рисунок  1.  Искусственный  материал  и  его  природный  аналог.  а  —  Трещина  раздвига  в  слоистом  песчанике,  заполненная  полевым  шпатом,  б  —  Старинная  каменная  кладка  (Германия)

Стратифицированные  слоистые  толщи  обладают  важнейшим  свойством,  которое  Николаус  Стено  еще  в  1669  году  сформулировал  в  виде  закона:  «Каждый  верхний  слой  откладывается  только  после  того,  как  отложился  нижний  слой.  Между  отложениями  первого  и  второго  слоев  существовал  перерыв».  Данный  закон  справедлив  и  при  возведении  каменной  кладки,  что  подтверждает  концепцию  копирования  геологических  процессов  при  формировании  искусственных  конструкций.

Кладка  —  сложноструктурированный  композиционный  анизотропный  материал  со  своей  неоднородной  структурой  на  всех  иерархических  уровнях  системы  (от  макро-  до  субмикро),  где  в  качестве  крупного  заполнителя  выступает  «стеновой  материал».  Каменная  кладка  —  материал  неоднородный,  пронизан  системой  пор  и  пустот  (от  гелевых  до  каппилярных),  трещин  различной  природы,  пустот,  образовавшихся  в  результате  перекристаллизации  новообразований  (микроуровень),  неравномерности  постели  материала  кладки  (макроуровень).  Данная  система  несплошностей  и  неоднородностей  приводит  к  тому,  что  под  нагрузкой  изменение  структуры  сопровождается  развитием  или  появлением  трещин  разного  уровня  (микро-,  мезо-,  макротрещины).  Рассмотрим  кладку,  как  композиционный  материал.  Как  описывается  во  многих  трудах,  разделение  структуры  на  блоки  происходит  до  приложения  нагрузки,  что  связано  с  различными  коэффициентами  объемных  деформаций  растворной  составляющей  и  материала  кладки  (макроуровень  системы),  на  микроуровне  трещины  возникают  в  результате  объемных  изменений  матричного  материала  на  поверхности  раздела  с  заполнителем.  Появление  дислокаций  в  матрице  на  различных  иерархических  уровнях  приводит  к  тому,  что  высокие  прочностные  характеристики  крупного  заполнителя  не  реализуются.  Прочность  кладки  составляет  всего  10—15  %  от  прочности  стенового  материала,  а  прочность  бетона  достигает  порядка  80  МПа,  при  потенциально  возможной  600—800  МПа  (прочность  эттрингита  и  ГСК).

В  связи  с  этим,  экстенсивный  путь  развития  прочности  и  деформационных  свойств  кладки  исчерпал  себя,  поскольку  увеличение  прочностных  характеристик  стенового  материла  и  раствора  мало  отражается  на  прочности  кладки  в  целом.  Кладка  на  80—85  %  состоит  из  камней  или  блоков,  а  раствор  является  слабым  звеном  в  кладке.  «Идеальной»  кладка  будет  тогда,  когда  мы  приблизимся  к  прочности  основного  элемента  кладки  —  стенового  блока.

Впервые,  на  основе  принципа  сродства  структур,  в  работе  [6]  доказана  возможность  управления  процессами  структурообразования,  а  также  направленного  формирования  капиллярно-пористой  структурой  в  минеральных  системах.

Для  индустриализации  строительства  из  силикатного  кирпича  в  сейсмоопасных  районах  были  разработаны  составы  кладочных  растворов  на  основе  принципа  сродства  структур.

Разработанные  составы  кладочного  раствора  для  силикатного  кирпича  на  основе  тонкомолотого  сырья  с  использованием  протеинового  модификатора  обеспечили  образование  плотной  структуры  на  границе  раствор-стеновой  материал,  пор  и  пустот  не  наблюдается.

Растворы  обладают  высокой  проникающей  способностью  к  материалу  кладки,  что  увеличило  прочность  сцепления  кладки  на  40  %.

Микрофотография  контактной  зоны  силикатный  кирпич  —  кладочный  раствор  (рис.  2)  свидетельствует  о  формировании  плотных  контактных  срастаний  на  границе  между  матрицей  кирпича  и  растворным  слоем.

Рисунок  2  Микрофотография  контактной  зоны  силикатный  кирпич-кладочный  раствор

Сформированный  кладочный  шов  является  достаточно  однородным  с  наличием  равномерно  распределённых  по  объему  пор  и  пустот  и  идентичен  основной  базовой  матрице  —  силикатному  кирпичу,  что  обеспечит  кладке  достаточную  прочность  и  долговечность.

Экспериментальные  данные  показали,  что  разрушение  кладки  происходит  не  по  границе  раздела  структурных  элементов,  а  по  самому  композиту-силикатному  кирпичу.  Совместная  работа  разработанных  компонентов  системы  на  основе  закона  сродства  структур  обеспечит  высокую  сейсмостойкость  кладки.

Химическое  и  минеральное  сродство  кладочных  и  штукатурных  растворов  к  материалам  кладки  (керамический,  силикатный  кирпичи,  КСЦ,  ячеистый  бетон)  обеспечит  надежный  и  прочный  адгезионно-когезионный  контакт  элементов  многослойных  конструкций.

Список  литературы:

1.Использование  принципов  геоники  в  практике  водоочистки  /  Лесовик  В.С.,  Сапронова  Ж.А.,  Фетисов  Р.О.,  Ипанов  Д.Ю  //  Известия  Самарского  научного  центра  Российской  академии  наук.  —  2012.  —  Т.  14.  —  №  5-3.  —  С.  782—787.

2.Композиционное  вяжущее  с  использованием  кремнистых  пород  /  Лесовик  В.С.,  Строкова  В.В.,  Кривенкова  А.Н.,  Ходыкин  Е.И  //  Вестник  Белгородского  государственного  технологического  университета  им.  В.Г.  Шухова.  —  2009.  —  №  1.  —  С.  25—27.

3.Лесовик  В.С.  Геоника  (геомиметика)  как  трансдисциплинарное  направление  исследований  //  Высшее  образование  в  России.  —  2014.  —  №  3.  —  С.  77—83.

4.Лесовик  В.С.,  Беленцов  Ю.А.,  Куприна  А.А.  Использование  положений  геоники  при  проектировании  конструкций  для  работы  в  условиях  динамических  и  сейсмических  нагрузок  //  Известия  высших  учебных  заведений.  Строительство.  —  2013.  —  №  2—3.  —  С.  121—126.

5.Лесовик  В.С.,  Загороднюк  Л.Х.,  Чулкова  И.Л.  Закон  сродства  структур  в  материаловедении  //  Фундаментальные  исследования.  —  2014.  —  №  3-2.  —  С.  267—271.

6.Лесовик  В.С.,  Чулкова  И.Л.  Управление  структурообразованием  строительных  композитов:  Монография.  Осмск:  СибАДИ,  2011.  —  462  с.

7.Лесовик  В.С.  Архитектурная  геоника  //  Жилищное  строительство.  —  2013.  —  №  1.  —  С.  9—12.

8.Лесовик  В.С.  Геоника.  Предмет  и  задачи:  Монография.  Белгород:  Изд-во  БГТУ  им.  В.Г.  Шухова,  2012.  —  213  с.

9.Лесовик  В.С.  Архитектурная  геоника.  Взгляд  в  будущее  //  Вестник  Волгоградского  государственного  архитектурно-строительного  университета.  Серия:  Строительство  и  архитектура.  —  2013.  —  №  31-1  (50).  —  С.  131—136.

10.Лесовик  B.C.,  Строкова  В.В.  О  развитии  научного  направления  «наносистемы  в  строительном  материаловедении»  //  Строительные  материалы.  —  2006.  —  №  9.  —  С.  93—101. 

11.Лесовик  В.С.  Генетические  основы  энергосбережения  в  промышленности  строительных  материалов  //  Известия  высших  учебных  заведений.  Строительство.  —  1994.  —  №  7.  —  С.  96.

12.Лесовик  В.С.,  Жерновой  Ф.Е.,  Глаголев  Е.С.  Использование  природного  перлита  в  составе  смешанных  цементов  //  Строительные  материалы.  —  2009.  —  №  6.  —  С.  84—87.

13.Лесовик  В.С.,  Строкова  В.В.,  Володченко  А.А.  Влияние  наноразмерного  сырья  на  процессы  структурообразования  в  силикатных  системах  //  Вестник  Белгородского  государственного  технологического  университета  им.  В.Г.  Шухова.  —  2010.  —  №  1.  —  С.  13—17.

14.Лесовик  В.С.  Повышение  эффективности  производства  строительных  материалов  с  учетом  генезиса  горных  пород:  Монография.  М.:  Издательство  Ассоциации  строительных  вузов,  2006.  —  526  с.

15.Лесовик  В.С.,  Агеева  М.С.,  Иванов  А.В.  Гранулированные  шлаки  в  производстве  композиционных  вяжущих  //  Вестник  Белгородского  государственного  технологического  университета  им.  В.Г.  Шухова.  —  2011.  —  №  3.  —  С.  29—32.

16.Оценка  энергетического  состояния  сырья  для  получения  строительных  материалов  /  Вешнякова  Л.А.,  Фролова  М.А.,  Айзенштадт  А.М.,  Лесовик  В.С.,  Михайлова  О.Н.,  Махова  Т.А  //  Строительные  материалы.  —  2012.  —  №  10.  —  С.  53—55.

17.Строительные  материалы  для  эксплуатации  в  экстремальных  условиях  /  Гридчин  А.М.,  Баженов  Ю.М.,  Лесовик  В.С.,  Загороднюк  Л.Х.,  Пушкаренко  А.С.,  Василенко  А.В:  Учебное  пособие.  М.,  2008.  —  534  с.

18.Фролова  М.А.,  Лесовик  В.С.  «Зеленые»  строительные  композиты  для  архитектурной  геоники  северо-арктического  региона  //  В  сборнике:  Научные  и  инженерные  проблемы  строительно-технологической  утилизации  техногенных  отходов  БГТУ  им.  В.Г.  Шухова.  Белгород,  2014.  —  С.  29—33.

19.Creating  Effective  Insulation  Solutions,  Taking  into  Account  the  Law  of  Affinity  Structures  in  Construction  Materials  /  Lesovik  V.S.,  Zagorodnuk  L.H.,  Shkarin  A.V.,  Belikov  D.A.,  Kuprina  A.A  //  World  Applied  Sciences  Journal.  —  2013.  —  №  24  (11).  —  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://idosi.org/wasj/wasj24%2811%2913/15.pdf  (дата  обращения:  04.06.2014).

20.Estimation  test  of  power  properties  of  a  surface  /  Frolova  M.A.,  Tutygin  A.S.,  Aizenstadt  A.M.,  Lesovik  V.S.,  Makhova  T.A.,  Pospelova  T.A  //  Nanosystems:  Physics,  Chemistry,  Mathematics.  —  2011.  —  №  4.  —  рр.  120—125.

21.Lesovik  V.S.  Geoniks.  Subject  and  objectives:  monograph.  Belgorod:  Publ.  House  of  BGTU,  2012  —  100  p.