Основы наномодифицирования структуры неорганических систем твердения

 
 
 
О. В. АРТАМОНОВА 
 
 
 
 
 
 
ОСНОВЫ НАНОМОДИФИЦИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ  
НЕОРГАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ТВЕРДЕНИЯ  
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 

УДК 666.972.16 
ББК 30.36 
А86 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, член-корр. РААСН, профессор, зав. кафедрой технологии 
строительных материалов и метрологии Санкт-Петербургского 
государственного архитектурно-строительного университета Пухаренко Ю. В.; 
д-р техн. наук, заместитель заведующего лабораторией химических добавок 
и модифицированных бетонов НИИЖБ им. А. А. Гвоздева  
АО «НИЦ "Строительство"» Шейнфельд А. В.  
 
 
 
 
 
 
 
Артамонова, О. В. 
А86   
Основы наномодифицирования структуры неорганических 
систем твердения : монография / О. В. Артамонова. – Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 256 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-2090-7 
 
Представлен целостный взгляд на концепции и основания технологий 
наномодифицирования структуры неорганических гидратационно-синтезных, гидротермально-синтезных и термально-синтезных систем твердения. Предлагаются инженерные решения по повышению эффективности 
производства конструкционных и функциональных композитов. 
Для специалистов в области строительного материаловедения и технологии неорганических систем твердения, научных работников, преподавателей, аспирантов, студентов химических, инженерных и технических 
специальностей.  
 
УДК 666.972.16 
ББК 30.36 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-2090-7 © Артамонова О. В., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

 
СОДЕРЖАНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ 
....................................................................................... 
5 
ГЛАВА 1. Тенденции и проблемы развития современных 
технологий конструкционных и функциональных 
композиционных материалов .......................................................... 
8 
1.1. Состояние, тенденции и проблемы развития  
современных технологий композиционных материалов.......... 
8 
1.2. Концепции и основания технологии 
наномодифицирования структуры конструкционных  
и функциональных композитов ................................................ 
20 
ГЛАВА 2. Формирование структуры систем твердения 
композиционных материалов как результат научнообоснованной интеграции нанотехнологических  
принципов «сверху вниз» и «снизу вверх» .................................. 
25 
2.1. Структура композиционных материалов как объект 
наномодифицирования .............................................................. 
25 
2.2. «Система сложения» и «система роста»  
с их «нано» признаками как составляющие технологии 
структурообразования композитов........................................... 
32 
2.3. Системное представление технологии 
структурообразования композита как суммы явлений  
и процессов, определяемых реализацией  
нанотехнологических принципов «сверху вниз»  
и «снизу вверх» 
........................................................................... 
39 
ГЛАВА 3. Закономерности формирования неорганических 
систем твердения в эволюционном маршруте 
структурообразования и начала управляемой технологии 
наномодифицирования структуры композитов 
........................... 
47 
3.1. Эволюционный маршрут конденсации  
при формировании твердого состояния вещества:  
общая характеристика маршрута и его стадий 
........................ 
47 
3.2. Моделирование процессов наномодифицирования 
структуры конструкционных строительных композитов  
на основных стадиях эволюционного маршрута 
формирования твердого состояния .......................................... 
65 
3 

 
3.3. Принципы, методы, условия и факторы управления  
в технологии наномодифицирования систем твердения  
в структуре композитов ............................................................. 
86 
3.4. Нанодобавки в системе методов, условий и факторов 
технологии наномодифицирования структуры 
конструкуционных строительных композитов ....................... 
93 
ГЛАВА 4. Наномодифицирование структуры  
конструкционных и функциональных композитов  
с матрицами гидратационно-синтезного, гидротермальносинтезного и термально-синтезного типов твердения 
.............. 
107 
4.1. Эволюционный маршрут формирования твердого 
состояния гидратационных систем твердения в условиях 
нановоздействий; их эффективность 
...................................... 
107 
4.2. Эволюционный маршрут формирования твердого 
состояния гидротермально-синтезных систем твердения  
в условиях нановоздействий; их эффективность .................. 
146 
4.3. Эволюционный маршрут формирования твердого 
состояния термально-синтезных систем твердения 
 в условиях нановоздействий; их эффективность ................. 
166 
ГЛАВА 5. Прикладные задачи и решения  
в нанотехнологиях конструкционных  
и функциональных композитов 
................................................... 
197 
5.1. Основные положения технологии эффективного 
наномодифицирования структуры композитов  
с матрицами гидратационно-синтезного типов  
твердения на основе цемента .................................................. 
197 
5.2. Основные положения технологии эффективного 
наномодифицирования структуры композитов  
с матрицами гидротермально-синтезного  
типа твердения 
.......................................................................... 
205 
5.3. Основные положения технологии получения 
наноструктурированных термально-синтезных систем 
твердения для функциональной керамики специального 
назначения ................................................................................ 
213 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................ 
218 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
............................................................ 
222 
 
4 

 
ВВЕДЕНИЕ  
В последние два десятилетия произошёл качественный скачок в технологии получения композиционных материалов, обусловленный формированием наноконцепции в науке и практике. 
Положения нанохимии, определяющие содержание наноконцепции, основанные на этих положениях развивающиеся нанотехнологии, открывают новые возможности для совершенствования производства различных материалов и изделий, в том 
числе и строительных. 
В настоящее время актуальной является проблема теоретического обоснования и инженерного обеспечения решений по 
развитию современных высоких технологий конструкционных  
и функциональных композитов цементных, силикатных, керамических соответственно с гидратационно-синтезными, гидротермально-синтезными, термально-синтезными неорганическими системами их твердения. Данная монография посвящена вопросам технологии наномодифицирования структур различных 
систем твердения как основы повышения эффективности производства соответствующих композитов. При этом важной частью 
является разработка научно обоснованных принципов управления структурообразованием и структурой неорганических систем твердения на нано- и микроуровнях при получении современных высокотехнологичных конструкционных и функциональных композитов. 
Исходный блок информационного пространства исследований в этом направлении образуют работы ученых в области 
концепций современного естествознания и фундаментальных 
наук, определяющие базовые знания по нанохимии и нанотехнологиям (Н.В. Белов, Г.Б. Бокий, А.И. Гусев, А.В. Думанский, 
И.В. Мелихов, П.А. Ребиндер, Ю.Д. Третьяков, А. Вест, 
Р. Келсалл, Н.Г. Рамбиди, Р.Ф. Фейнман, М. Фольмер, 
K.J. Klabunde, Z.L. Wang, R.S. Williams и другие).  
В 
осуществленных 
на 
сегодняшний 
день 
работах 
отечественных и зарубежных авторов по нанотехнологиям 
конструкционных строительных материалов (Ю.М. Баженов, 
Б.В. Гусев, С.С. Каприелов, П.Г. Комохов, Е.В. Королев, 
Ю.В. Пухаренко, В.В. Строкова, Л.А. Урханова, В.Р. Фаликман, 
5 

 
Е.М. Чернышов, А.В. Шейнфельд, P.J.M. Bartos, K.L. Kovler,  
F. Sanchez и др.) показывается научная и практическая значимость нанотехнологических приемов формирования структур, 
анализируется возможность улучшения технических характеристик материалов. Однако возникает необходимость развития 
исследований и обеспечения более высокого фундаментального 
уровня 
реализации 
научных 
положений 
нанопарадигмы  
и наноконцепции, который позволил бы с достаточной полнотой 
раскрывать существо механизмов и определять условия 
эффективного управления структурообразованием конструкционных и функциональных композитов. 
В связи со сказанным, опираясь на достижения нанохимии 
и полученные коллегами результаты, представляется важным 
рассмотреть с общих позиций концепции и стратегии технологий синтеза структур различных композитов. При этом с учетом 
наноэффектов и наноявлений, сопровождающих получение 
твердого состояния материалов, требуется систематизировать 
принципиальные закономерности формирования и эволюции 
твердого тела через все исходные начальные и промежуточные 
стадии изменения его субстанционального состояния, пространственно-геометрических характеристик в многоуровневой по 
масштабу (от нано- до макро-) структуре, а затем выделить 
ключевые направления исследований в области разработки прикладных нанотехнологических приемов управления синтезом 
структур матричных систем композитов и структур самих композитов. 
Весь технологический процесс от его начала (от сырья) до 
завершения (до получения готовой продукции – композита) целесообразно рассматривать в категориях, которыми оперирует 
нанохимия, и дополнительно к тому, что «дают» для организации технологических процессов механика, физика и традиционная химия. В теоретических и экспериментальных исследованиях сегодня появляется требование и необходимость детального 
представления и понимания нанотехнологических принципов 
«сверху вниз» и «снизу вверх», выяснения как эти принципы 
сочленяются и работают, что мы должны делать для того, чтобы 
они вообще работали и работали наиболее эффективно. Если 
говорить обобщенно, то совершенно очевидно, что без рассмот6 

 
рения явлений механохимии (основы принципа «сверху вниз»)  
и процессов структурообразования вещества через стадии обретения им конденсированного состояния (основы принципа «снизу вверх») также не обойтись. В последнем случае без рассмотрения эволюционного маршрута преобразования исходных растворов в твердое тело (принцип «снизу вверх») реализовать 
возможности нанохимического подхода в технологии композитов не удастся.  
Особенностью данной монографии является рассмотрение 
не локальных, не точечных вопросов, связанных с применением 
отдельных приемов нанохимии (например, введение нанодобавок и т. п.), а выработка целостного взгляда на технологию конструкционных и функциональных композитов как технологию, 
опирающуюся на современную механо-физико-химическую 
платформу с её научными основаниями и инженерными приложениями. В данной книге предлагаются инженерные решения 
по повышению эффективности производства конструкционных 
и функциональных композитов на основе развития и применения научных и прикладных положений технологии наномодифицирования структуры их неорганических систем твердения.  
7 

 
ГЛАВА 1. Тенденции и проблемы развития современных 
технологий конструкционных и функциональных 
композиционных материалов 
1.1. Состояние, тенденции и проблемы развития 
 
современных технологий композиционных материалов 
На современном этапе развития материаловедения конструкционных и функциональных композиционных материалов 
определяющим является решение проблемы эффективности 
технологии по критериям ресурсоемкости в расчете на единицу 
измерения его конструкционного и функционального качества. 
Появление высоких технологий определяется научной обоснованностью решений, которые обеспечили прорывы и существенное повышение эффективности производства на основе 
использования достижений фундаментальных наук. 
Высокие 
технологии 
– 
это 
современные 
научнообоснованные технологии, которые опираются на самые последние достижения естественных (фундаментальных) наук, 
общие инженерных и специальных областей научного и прикладного знания.  
Фундаментальность, основательность научного знания  
в области материаловедения и технологии развивалась от парадигм, отражающих механизмы и закономерности формирования 
структур на макромасштабном уровне, в направлении парадигм, 
обеспечивающих переход к мезо-, микро-, ультрамикро-  
и, наконец, наномасштабным уровням [215]. В целом же решение инженерных задач синтеза систем твердения и конструирования структур конгломератных материалов нового поколения 
базируется на комплексном применении всех указанных парадигм, из которых наиболее приоритетной в ее разработке и развитии становится «парадигма 10–9». Достижения нанохимии  
и нанотехнологии открывают новые возможности для высоких 
технологий конструкционных и функциональных композиционных материалов. В этой связи принципиально важно «включить 
в действие» всю сумму накопленного знания и системно опереться на арсенал всех парадигм и соответствующих им технологических платформ формирования и получения оптимальных 
8 

 
структур конгломератных композиционных материалов – архаической, механо-физической, физико-химической, нанотехнологической платформ [27]. В научном смысле указанные платформы выстраиваются из суммы соответствующих фундаментальных 
и 
прикладных 
знаний, 
обеспечивающих 
научнообоснованное рассмотрение проблем конструирования и синтеза 
структур в их закономерной связи со свойствами получаемого 
материала.  
На примере конструкционных строительных композитов 
рассмотрим более детально объект, задачи и предмет технологических платформ производства строительных композитов 
(таблица 1.1); эволюцию технологических платформ производства строительных композитов; оценим прогресс развития технологий строительных композиционных материалов в ретроспекции (таблица 1.2), а также охарактеризуем состояние развития технологий на данный момент и тенденции их изменения. 
Например, в механо-физической платформе, отвечающей задачам формирования оптимальной макро- и мезоструктуры, это, 
прежде всего, механика и реология зернистых сред; в физикохимической платформе, нацеленной на решение задач управления формированием микроструктуры, это химическая кинетика 
гетерогенных процессов, коллоидная химия, физическая химия 
поверхностных явлений, кристаллохимия и др.; в нанотехнологической платформе, затрагивающей проблемы структурообразования матричной субстанции строительного композита на самом «тонком» уровне ее строения, при этом нанохимия, интегрировавшая современные достижения физики и химии твердого состояния. 
 
9 

управления 
и рецептурно-технологического 
Предмет системного исследования  
Эмпирические данные  
и технологические решения,  
получаемые как результат метода  
«проб и ошибок» 
Научно-обоснованные закономерности 
структурообразования на макро-  
и мезоуровнях структуры  
в технологических процессах  
перемешивания, формования,  
уплотнения 
Научно-обоснованные закономерности 
структурообразования на микро-  
и субмикроуровне структуры  
в технологических процессах  
перемешивания, формования,  
уплотнения и твердения 
Научно-обоснованные нанохимические 
закономерности эволюционного  
маршрута структурообразования  
твердого вещества матрицы композита 
на субмикро- и наноуронях строения 
 
 
 
 
10 
 
решаемые в технологической платформе 
Структура на макроуровне; обеспечение 
плотности упаковки крупнозернистых  
составляющих и однородности их  
размещения в объеме материала 
Структура на макро- и мезоуровне;  
обеспечение плотности упаковки крупно  
и мелкозернистых составляющих  
и однородности их размещения  
в объеме материала 
Структура на макро-, мезо- и микроуровне, 
структура матрицы как микробетона;  
обеспечение плотности и однородности  
матрицы и её физико-химических  
структурных связей 
Структура на макро-, мезо-, микро-,  
субмикро- и наноуровне; управление  
структурообразованием матричной  
субстанции с учетом возможностей  
нанотехнологий 
МЕХАНОПлатформа 
Объект и задачи структурообразования, 
Таблица 1.1 – Объект, задачи и предмет технологических платформ производства строительных композитов 
ФИЗИЧЕСКАЯ 
ХИМИЧЕСКАЯ 
АРХАИЧЕСКАЯ 
МЕХАНО-ФИЗИКОНАНОХИМИЧЕСКАЯ