Введение Актуальность работы обусловлена необходимостью в создании новых жаростойких материалов для объектов, которые работают в условиях повышенных температур. Современные объекты специального строительства требуют от теплоизоляционных материалов не только низкой теплопроводности, но и способности выдерживать длительный высокотемпературный нагрев без разрушения. Ключевыми отраслями, где необходимо внедрение таких материалов, являются: Ракетно-космическая отрасль. В этой сфере требуется создание долговечной облицовки газоходов, способной выдерживать высокотемпературное газодинамическое воздействие при старте ракет-носителей, поскольку существующие материалы значительно деградируют [1,2]. Второе — атомная энергетика. Необходимо создание нового жаростойкого материала с повышенными демпферными свойствами, в частности для конструкции обечайки промежуточной реакторной установки БРЕСТ-ОД-300. Решение этих задач и являлось целью данного исследования, которое заключается в создании нового жаростойкого пенобетона (ЖПБ) на основе портландцемента (ПЦ). Целевые физико-механические свойства для ЖПБ на основе ПЦ Для решения поставленной задачи необходимо было обеспечить ЖПБ ряд ключевых физико-механических характеристик (Таблица 1). Таблица 1 Целевые физико-механические свойства для ЖПБ на основе ПЦ № п/п Параметр Значение 1 Марка по средней плотности D700 2 Класс по прочности на сжатие B1,5 3 Класс по предельно допустимой температуре применения И6 (600°C) 4 Коэффициент теплопроводности 𝝀 = не более 0,2 Вт/(м·°C) 5 Коэффициент температурного расширения (КТР) Отрицательное значение   Однако ключевой и наиболее сложной задачей было обеспечение совместной работы материалов в конструкции. Дело в том, что при высокотемпературном воздействии металлические элементы конструкций расширяются. Чтобы компенсировать это расширение и предотвратить разрушение ЖПБ под действием температуры, он должен сжиматься. Для достижения этого эффекта материал должен обладать отрицательным коэффициентом температурного расширения и повышенными деформативными свойствами. Задача исследования Из трудов таких ученых, как К. Д. Некрасов, М. Г. Масленникова и О. В. Болотникова, известно [3-5], что ключевой проблемой при создании жаростойких бетонов на ПЦ является портландит (Ca(OH)₂), который образуется в результате гидратации цемента. При температуре около 585 °C он разлагается на СаО и воду, что и приводит к образованию трещин. В пенобетонах эта проблема усиливается, поскольку в нём соотношение цемента к заполнителю составляет 2:1, в то время как в обычных бетонах — примерно 1:3. Таким образом, цемента, а следовательно, и образующегося портландита, значительно больше. Материалы и методы В данной работе предложен новый подход, который позволит превратить этот недостаток — избыток ПЦ — в преимущество за счет его полного связывания в термостойкие фазы (Рис. 1). Рис. 1. Схема перехода недостатка использования портландцемента в ЖПБ в его преимущество  Такие фазы обеспечат устойчивость к повышенным температурам не только портландцементному камню, но и ЖПБ на его основе. Из анализа литературы таких ученых как М. М. Сычев, К. Д. Некрасов, М. Г. Масленникова и других известно [3, 4], что для процессов связывания Ca(OH)2 необходимо использование тонкомолотых добавок, например, на основе SiO2. Основная научная идея работы заключается в том, что необходимо подобрать такую природу тонкомолотой добавки, которая позволит связать весь избыточный Ca(OH)2 в термостойкие фазы. Температура разрушения термостойких фаз портландцементного камня представлена в Таблице 2.  Таблица 2 Температура разрушения термостойких фаз портландцементного камня № п/п Фазы портландцементного камня Название фазы портландцементного камня Т, ⁰С 1 С4S3H Фошагит 650–700 2 С6S6H Ксонотлит 775–800 3 С2S3H2 Гиролит 140–150; 700–780 4 С3S10H3 Трускотит 600–700 5 С5S2H Кальциевый хондродит 650–700   Из трудов научной школы профессора Сватовской Ларисы Борисовны известно [6], что для синтеза строительных материалов повышенного качества сырье можно рассматривать по значению энергетической характеристики его основного катиона — орбитальной электроотрицательности (ОЭО, χ, эВ) — чем выше это значение ОЭО (Таблица 3), тем более прочная связь образуется между сырьевыми компонентами. Таблица 3 Энергетическая характеристика катиона сырья (ОЭО) № Катион металла (Me) сырьевого компонента ОЭО, χ, эВ Вид сырья 1 Алюминий (Al3+) 6,01 Керамический кирпич, алюмосиликатные микросферы, шамотный порошок 2 Титан (Ti4+) 4,35 Титан-содержащее сырье 3 Магний (Mg2+) 2,42 Магний-содержащее сырье 4 Железо (Fe3+) 2,22 Железо-содержащее сырье   Из таблицы видно, что наибольшее значение этой величины соответствует катиону алюминия (6,01 эВ), который содержится в большом количестве в керамических материалах. С учетом вышесказанного, в составе ЖПБ предложено использовать в качестве части тонкомолотой добавки керамический кирпич, в качестве части мелкого заполнителя –алюмосиликатные микросферы и молотый шамотный порошок. На Рис. 2 представлена качественная схема, которая иллюстрирует связывание портландита с керамическими компонентами за счет образования между ними новой связи. Рис. 2. Качественная схема образования новой связи между Ca(OH)2 и катионами керамического сырья С целью подтверждения возможности прохождения таких процессов в пенобетоне был выполнен термодинамический расчет возможных реакций твердения ПЦ (Таблица 4, процессы 1, 4) и взаимодействия тонкомолотой добавки на основе SiO2 с Ca(OH)2 (процессы 2, 3, 5). Таблица 4 Термодинамический расчет образования термостойких фаз № Катион металла (Me) сырьевого компонента 600 ⁰С Термостойкие фазы 1 2(C3S)+3H2O+SiO2 →C4S3H+ +2Ca(OH)2 -160,16 С4S3H 2 4Ca(OH)2+3SiO2 → C4S3H +3H2O -339,47 3 6Ca(OH)2 +6SiO2 → C6S6H+5H2O -243,29 С6S6H 4 2(C3S)+6H2O → C3S2H3+3Ca(OH)2 138,11 С3S2H3 5 2Ca(OH)2+3SiO2+1/2H2O→C2S3H2+2,5H2O -940,16 С2S3H2   Расчет производился в соответствии с третьим законом термодинамики и показал принципиальную возможность образования термостойких фаз в составе ЖПБ. Результаты В результате теоретического и экспериментального подбора состава, был получен состав ЖПБ на основе ПЦ, представленный в [1, 7]. С учетом поставленной задачи синтеза ЖПБ на основе ПЦ и научных основ были выбраны следующие компоненты: Вяжущее — портландцемент; С целью повышения долговечности, предложено использовать комплексную тонкомолотую добавку, включающую молотый гранулированный шлак и тонкомолотый кирпич марки М200. Аморфное строение этих компонентов способствует образованию термостойких фаз в составе ЖПБ. Заполнители: песок дробленый породы диабаз, шамотный порошок (огнеупорные заполнители) и алюмосиликатные микросферы. Микросферы представляют собой полые шарики с гладкой поверхностью, заполненные внутри газом СО2. Использование микросфер позволяет снизить коэффициент теплопроводности ЖПБ. (коэффициентом теплопроводности ~ 0,016 Вт/м·0С.) Базальтовое фиброволокно с целью придания материалу необходимых демпферных свойств. Поскольку в составе ЖПБ используются компоненты с высокой удельной поверхностью (тонкомолотый гранулированный шлак и тонкомолотый кирпич), то реологические характеристики пенобетонной смеси значительно ухудшаются. С целью повышения растекаемости смеси предложено использовать комплексную добавку пластифицирующего действия [1, 7]. В качестве пенообразователя предложено использовать: пенообразователь на протеиновой. Как видно из данных представленных в Таблице 5, основные физико-механические характеристики полученного ЖПБ полностью соответствуют целевым значениям, показанным в таблице 1, что подтверждает высказанные ранее предположения. Таблица 5 Физико-механические свойства ЖПБ на основе ПЦ № п/п Параметр Значение 1 Марка по средней плотности D700 2 Класс по прочности на сжатие B1,5 3 Класс по предельно допустимой температуре применения (в соответствии с ГОСТ 20910) И6 (600°C) 4 Остаточная прочность после прогрева 60% 5 Число воздушных теплосмен (в соответствии с ГОСТ 20910) Т20 6 Коэффициент теплопроводности 𝝀 = 0,15 Вт/(м·°C) 7 Коэффициент температурного расширения (КТР) минус 6,52·10-6 К-1, при 100 °C; минус 18,30·10-6 К-1, при 200 °C; минус 19,00·10-6 К-1, при 300 °C; минус 22,07·10-6 К-1, при 400 °C.   Для подтверждения образования термостойких фаз в составе ЖПБ были проведены физико-химические исследования образцов с помощью рентгенофазового, дериватографического и микроскопического анализов (Рис. 3). Рис. 3. Рентгенограммы образцов ЖПБ Результаты рентгенофазового анализа показали наличие целевых термостойких фаз: Ксонотлита (С6S6H); Афвиллита (С3S2H3);  Фошагита (С4S3H). Полученные данные рентгено-фазового анализа нашли своё подтверждение в результатах дериватографического анализа (Рис. 4). Рис. 4. Дериватограммы образцов ЖПБ Проведённые физико-химические исследования показали отсутствие в образцах фазы портландита (Ca(OH)₂). Это позволяет утверждать, что он полностью прореагировал с компонентами комплексной тонкомолотой добавки и керамического сырья, перейдя в термостойкие фазы. Таким образом, образование этих фаз и полное связывание портландита обеспечили полученному материалу достаточную прочность на сжатие и необходимую прочность после прогрева, что и определяет его долговечность в условиях эксплуатации при повышенных температурах. Заключение На основе полученного ЖПБ на ПЦ, были разработаны технические решения его применения в конструкции газохода универсального стартового комплекса «Ангара» вместо металлооблицовки [1, 7]. Такое техническое решение позволит повысить долговечность конструкции и увеличить срок ее эксплуатации. В атомной энергетике жаростойкий пенобетон был рекомендован для применения в конструкции обечайки промежуточной реакторной установки БРЕСТ-ОД-300. Научная и практическая значимость работы подтверждена созданием нового материала, его успешным промышленным внедрением и комплексным исследованием свойств. В рамках перспективных направлений планируется: Углублённое исследование долговечности ЖПБ в атомной энергетике. Поскольку срок эксплуатации реактора составляет более 30 лет, то планируется изучение возможных твердофазных реакций в составе ЖПБ на основе ПЦ, которые предположительно могут протекать при длительном воздействии температуры. Основная цель — это возможное подтверждение образования новых керамических фаз в его составе, таких как муллит, анортит или ранкинит. Расширение сфер применения для ЖПБ. Например: в промышленном и гражданском строительстве — это футеровка дымовых и промышленных труб; в авиационной отрасли — для создания демпфирующих полос на взлётно-посадочных полосах; в транспортной инфраструктуре — в качестве энергопоглощающих элементов на высокоскоростных магистралях.