Моделирование межфазной адгезии между геополимерным вяжущим и минеральными заполнителями методом Монте-Карло

  • Яков Михайлович Ермолов ЮРГПУ (НПИ) им. М. И. Платова, ул. Просвещения 132, Новочеркасск 346428, Российская Федерации https://orcid.org/0000-0002-2065-6168
  • Андрей Александрович Васильченко ФГБОУ ВО «Ростовский государственный университет путей сообщения», пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, Ростов-на-Дону 344038, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-6336-4379
  • Василий Борисович Мищиненко ФГБОУ ВО «Ростовский государственный университет путей сообщения», пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, Ростов-на-Дону 344038, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-9799-0519
Ключевые слова: геополимер, межфазная адгезия, минеральный заполнитель, кварц, кальцит, альбит, микроклин, метод Монте-Карло

Аннотация

В последнее время растет интерес к использованию силикоалюмофосфатных и щелочных алюмосиликатных геополимеров в качестве экологической альтернативы традиционными портландцементными вяжущими в строительном индустрии. Передача напряжения от матрицы к заполнителю в бетонах на основе геополимерных вяжущих осуществляется через межфазную границу. Адгезия геополимерной матрицей и минерального заполнителя определяется преимущественно химической природой компонентов границы раздела «заполнитель-геополимер». Однако до настоящего времени этот аспект остается малоизученным. Для заполнения данного пробела, в работе моделированием методом Монте-Карло изучено адсорбционное поведение и механизм межфазного взаимодействия алюмосиликатного олигомера кольцевого типа, формирующего структуру геополимерного геля, с минеральными заполнителями.

Установлены равновесные низкоэнергетические конфигурации структуры адсорбированного олигомера на поверхностях кварца, кальцита, альбита и микроклина, а также рассчитаны энергии адсорбции

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Яков Михайлович Ермолов, ЮРГПУ (НПИ) им. М. И. Платова, ул. Просвещения 132, Новочеркасск 346428, Российская Федерации

к. т. н., инженер лаборатории рециклинга отходов топливной энергетики, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М. И. Платова (Новочеркасск, Российская Федерация)

Андрей Александрович Васильченко, ФГБОУ ВО «Ростовский государственный университет путей сообщения», пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, Ростов-на-Дону 344038, Российская Федерация

заведующий научно-исследовательской испытательной лабораторией «Испытания и мониторинг в гражданском и транспортном строительстве», Ростовский государственный университет путей сообщения (Ростов-на-Дону, Российская Федерация)

Василий Борисович Мищиненко, ФГБОУ ВО «Ростовский государственный университет путей сообщения», пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, Ростов-на-Дону 344038, Российская Федерация

ассистент кафедры «Транспортные машины и триботехника», Ростовский государственный университет путей сообщения (Ростов-на-Дону, Российская Федерация)

Литература

Davidovits J. Geopolymers: ceramic-like inorganic polymers. Journal of Ceramic Science and Technology. 2017;8(3): 335–350. https://doi.org/10.4416/JCST2017-00038

Jwaida Z., Dulaimi A., Mashaan N., Othuman Mydin M. A. Geopolymers. The green alternative to traditional materials for engineering applications. Infrastructures. 2023;8(6): 98. https://doi.org/10.3390/infrastructures8060098

Ansari M. A., Shariq M., Mahdi F. Geopolymer concrete for clean and sustainable construction – a state-of-the-art review on the mix design approaches. Structures. 2023;55: 1045–1070. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2023.06.089

Martínez A., Miller S. A. A review of drivers for implementing geopolymers in construction: codes and constructability. Resources, Conservation and Recycling. 2023;199: 107238. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2023.107238

Manzoor T., Bhat J. A., Shah A. H. Performance of geopolymer concrete at elevated temperature − a critical review. Construction and Building Materials. 2024;420: 135578. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.135578

Goryunova K., Gahramanli Y., Muradkhanli V., Nadirov P. Phosphate-activated geopolymers: advantages and application. RSC Advances. 2023;13(43): 30329−30345. https://doi.org/10.1039/d3ra05131e

Matalkah F., Ababneh A., Aqel R. Synthesis of calcined kaolin-based geopolymer foam: assessment of mechanical properties, thermal insulation, and elevated temperature stability. Ceramics International. 2023;49(6): 9967−9977. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.11.174

Liu X., Hu C., Chu L. Microstructure, compressive strength and sound insulation property of fly ash-based geopolymeric foams with silica fume as foaming agen. Materials. 2020;13(14): 3215. https://doi.org/10.3390/ma13143215

Ettahiri Y., Bouargane B., Fritah K., … Novais R. M. A state-of-the-art review of recent advances in porous geopolymer: applications in adsorption of inorganic and organic contaminants in water. Construction and Building Materials. 2023;395: 132269. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.132269

Liu J., Xu Y., Zhang W., Ye J., Wang R. Solidification performance and mechanism of typical radioactive nuclear waste by geopolymers and geopolymer ceramics: a review. Progress in Nuclear Energy. 2024;169: 105106. https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2024.105106

Kasprzhitskii A., Ermolov Y., Mischinenko V., Vasilchenko A., Yatsenko E. A., Smoliy V. A. Mechanism of Cs immobilization within a sodalite framework: the role of alkaline cations and the Si/Al Ratio. International Journal of Molecular Sciences. 2023;24(23): 17023. https://doi.org/10.3390/ijms242317023

Zhu Y., Zheng Z., Deng Y., Shi C., Zhang Z. Advances in immobilization of radionuclide wastes by alkali activated cement and related materials. Cement and Concrete Composites. 2022;126: 104377. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2021.104377

Wang Y. S., Peng K. D., Alrefaei Y., Dai J. G. The bond between geopolymer repair mortars and OPC concrete substrate: Strength and microscopic interactions. Cement and Concrete Composites. 2021;119: 103991. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2021.103991

Tan J., Dan H., Ma Z. Metakaolin based geopolymer mortar as concrete repairs: Bond strength and degradation when subjected to aggressive environments. Ceramics International. 2022;48(16): 23559−23570. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.05.004

Xu F., Chen G., Li K., … Zhang X. Interfacial bond behavior between normal OPC concrete and self-compacting geopolymer concrete enhanced by nano-SiO2. Construction and Building Materials. 2024;411: 134617. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.134617

Guan X., Jiang L., Fan D., Garcia Hernandez, A., Li B., Do H. Molecular simulations of the structure-property relationships of N-A-S-H gels. Construction and Building Materials. 2022;329: 127166. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.127166

BIOVIA, Dassault Systemes, Materials Studio, 2020, San Diego: Dassault Systemes, 2020.

Perdew J. P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple. Physical Review Letters. 1996;77: 3865–3868. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865

Inada Y., Orita H. Efficiency of numerical basis sets for predicting the binding energies of hydrogen bonded complexes: evidence of small basis set superposition error compared to Gaussian basis sets. Journal of Computational Chemistry. 2008;29(2): 225–232. https://doi.org/10.1002/jcc.20782

Wu X., Vargas M. C., Nayak S. Towards extending the applicability of density functional theory to weakly bound systems. Chemical Physics. 2001;115(19): 8748–8757. https://doi.org/10.1063/1.1412004

Grimme, S. Semiempirical GGA-type density functional constructed with a long-range dispersion correction. Journal of Computational Chemistry. 2006;27(15): 1787–1799. https://doi.org/10.1002/jcc.20495

Lombard C. J., van Sittert C. G. C. E., Mugo J. N., Perry C., Willock D. J. Computational investigation of α-SiO2 surfaces as a support for Pd. Physical Chemistry Chemical Physics. 2023;25 (8): 6121–6130. https://doi.org/10.1039/d2cp04722e

Wang C., Guo X., Wang H. Elastic, electronic and thermodynamic properties of β-SiO2 doped by Ar: a first-principles investigation. Materials Today Communications. 2023;36: 106610. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2023.106610

Graf D. L. Crystallographic tables for the rhombohedral carbonates Locality: synthetic. American Mineralogist. 1961;46: 1283–1316.

Harlow G. E., Brown G. E. Low albite: an X-Ray and neutron diffraction study. American Mineralogist. 1980;65: 986–995.

Bailey S. W. Refinement of an intermediate microcline structure. American Mineralogist. 1969;54: 1540–1545.

Metropolis N., Rosenbluth A. W., Rosenbluth M. N., Teller A. H, Teller E. Equation of state calculations by fast computing machines. Chemical Physics. 1953;21(6): 1087–1092. https://doi.org/10.1063/1.1699114

Sun H. Compass: an ab initio force-field optimized for condensed-phase applications - Overview with details on alkane and benzene compounds. The Journal of Physical Chemistry B. 1998;102(38): 7338–7364. https://doi.org/10.1021/jp980939v

Yeh I. C., Berkowitz M. L. Ewald summation for systems with slab geometry. Chemical Physics. 1999;111(7): 3155–3162. https://doi.org/10.1063/1.479595

Luzar A., Chandler D., Structure and hydrogen bond dynamics of water-dimethyl sulfoxide mixtures by computer simulations. The Journal of Chemical Physics. 1993;98: 8160–8173. https://doi.org/10.1063/1.464521

Chindaprasirt, P., Rattanasak, U. Calcium wastes as an additive for a low calcium fly ash geopolymer. Scientific Reports. 2023;13(1): 16351. https://doi.org/10.1038/s41598-023-43586-w

Yip C. K., Provis J. L., Lukey G. C., van Deventer J. S. J. Carbonate mineral addition to metakaolin-based geopolymers. Cement and Concrete Composites. 2008;30(10): 979-985. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2008.07.004

Опубликован
2024-12-04
Как цитировать
Ермолов, Я. М., Васильченко, А. А., & Мищиненко, В. Б. (2024). Моделирование межфазной адгезии между геополимерным вяжущим и минеральными заполнителями методом Монте-Карло. Конденсированные среды и межфазные границы, 27(1), 154-159. https://doi.org/10.17308/kcmf.2025.27/12493
Раздел
Краткие сообщения