РАЗРАБОТКА ЦЕМЕНТНОГО ПРОДУКТА НА ОСНОВЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА И МЕСТНОГО ГИПСА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СВЕТОПРОЗРАЧНОГО БЕТОНА

 

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты комплексного исследования по разработке цементного продукта для производства светопрозрачного бетона на основе местных сырьевых ресурсов Республики Каракалпакстан. Основное внимание уделено химическому составу портландцементного клинкера ООО «Каракалпакцемент» и природного гипса, их влиянию на формирование структуры цементного камня, механические и оптические свойства композиционного материала.

Проведённые эксперименты включали: химический и минералогический анализ клинкера, определение состава гипса, микроструктурное исследование цементного камня (SEM, XRD), а также испытания образцов светопрозрачного бетона на прочность при сжатии и изгибе, измерение коэффициента светопропускания.

Результаты показали, что цементный продукт характеризуется высокой гидравлической активностью, оптимальной структурой матрицы и плотным сцеплением с оптическими волокнами. Образцы светопрозрачного бетона демонстрируют прочность при сжатии 48–52 МПа и коэффициент светопропускания 1,0–3,6% в зависимости от толщины, что соответствует требованиям к декоративно-конструкционным материалам.

ABSTRACT

The article presents the results of a comprehensive study aimed at developing a cement-based product for the production of light-transmitting concrete using local raw materials of the Republic of Karakalpakstan. The main focus is on the chemical composition of the Portland cement clinker produced by “Karakalpaksement” LLC and natural gypsum, as well as their influence on the formation of the cement stone structure and on the mechanical and optical properties of the composite material.

The experiments conducted included chemical and mineralogical analysis of the clinker, determination of the gypsum composition, microstructural examination of the cement stone (SEM, XRD), as well as testing of light-transmitting concrete samples for compressive and flexural strength, and measurement of the light transmission coefficient.

The results showed that the cement product is characterized by high hydraulic activity, an optimal matrix structure, and strong bonding with optical fibers. The light-transmitting concrete samples demonstrated a compressive strength of 48–52 MPa and a light transmission coefficient of 1.0–3.6%, depending on the thickness, which meets the requirements for decorative and structural materials.

 

Ключевые слова: светопрозрачный бетон, портландцементный клинкер, гипс, оптические волокна, химический состав, микроструктура, прочность, светопропускание.

Keywords: translucent concrete, Portland cement clinker, gypsum, optical fibers, chemical composition, microstructure, strength, light transmittance.

 

Введение

Развитие современного строительства сопровождается постоянным поиском новых материалов, способных одновременно обеспечивать высокие эксплуатационные характеристики и расширять архитектурно-дизайнерские возможности. В этом контексте важное значение имеет государственная поддержка химической и строительной отраслей.

Постановлением Президента Республики Узбекистан от 3 апреля 2019 года № PQ-4265 «О мерах по дальнейшему реформированию химической промышленности и повышению её инвестиционной привлекательности» утверждена программа развития химической промышленности на 2019–2030 годы. Документ направлен на модернизацию производства, глубокую переработку минерального сырья, внедрение современных технологий, а также расширение номенклатуры конкурентоспособных и высокотехнологичных материалов. В рамках постановления особое внимание уделяется повышению эффективности предприятий АО «Ўзкимёсаноат», расширению объёмов производства и стимулированию создания новых композиционных материалов, в том числе для строительной индустрии [1].

Одним из таких перспективных материалов, отвечающих задачам технологического обновления отрасли, является светопрозрачный бетон — инновационный композит, способный пропускать свет за счёт интеграции оптических волокон или светопроводящих элементов в цементно-песчаную матрицу.

Применение данного материала открывает новые подходы в проектировании зданий и сооружений, повышает эстетическую выразительность конструкций, способствует созданию энергоэффективных систем освещения и расширяет функциональные возможности инженерных объектов.

Ключевым элементом технологии производства светопрозрачного бетона является качество и характеристики цементного продукта, применяемого в составе композиции.

Цемент выполняет роль матрицы, обеспечивающей прочность, однородность структуры и долговечность материала. Именно цемент определяет:

— прочностное развитие композита на различных сроках;

— устойчивость к усадочным деформациям;

— адгезию между оптическими волокнами и цементным камнем;

— равномерность распределения светопроводящих элементов;

— стабильность структуры в процессе эксплуатации.

В связи с этим выбор состава цемента, определение его минералогических и физико-химических свойств, а также регулирование параметров твердения имеют первостепенное значение при изготовлении светопрозрачного бетона. Особое внимание уделяется качеству портландцементного клинкера и регулированию сроков схватывания с помощью гипса, так как эти компоненты определяют протекание процессов гидратации и формирование структуры цементного камня.

В условиях Республики Каракалпакстан производство вяжущих материалов активно развивается, что создаёт благоприятные предпосылки для внедрения современных строительных технологий. Исследование местных сырьевых ресурсов, их характеристик и возможности применения в инновационных композитах является важным научно-практическим направлением.

В частности, портландцементный клинкер, выпускаемый промышленными предприятиями региона, и местный гипс обладают потенциалом для использования в производстве высококачественного цементного продукта, необходимого для получения светопрозрачного бетона.

Таким образом, актуальность настоящего исследования обусловлена необходимостью научно обоснованного подбора и подготовки цементного продукта для технологии светопрозрачного бетона с учётом свойств доступного местного сырья.

Работа направлена на изучение характеристик исходных материалов, определение требований к их качеству, а также разработку подходов к получению цементного вяжущего, обеспечивающего требуемые прочностные и структурные параметры инновационного композита.

Разработка светопрозрачных композиционных материалов в последние десятилетия значительно активизировалась вследствие растущего спроса на инновационные, энергоэффективные и архитектурно выразительные строительные решения. Первые практически реализованные концепции светопроводящих цементных композитов относятся к работам Á. Лосонци, который в 2001–2004 годах разработал материал LiTraCon, основанный на интеграции оптических волокон в мелкозернистую цементную матрицу с целью обеспечения светопропускания. Данный технологический подход стал фундаментом для последующих научных исследований и способствовал формированию направления light-transmitting concrete как самостоятельной области материаловедения [2, 3].

1. Технологические основы светопрозрачного бетона. В последние годы светопроводящий бетон на основе оптических волокон (LTC) становится темой активных исследований. Как указывается в обзоре [4], светопропускание такого бетона зависит от множества факторов: содержания, диаметра и плотности оптических волокон, свойств цементной матрицы, а также технологии заливки. При оптимальном сочетании этих параметров удаётся сохранить достаточную прочность бетона, одновременно обеспечив относительное светопропускание. При этом авторы подчёркивают, что дальнейшие исследования необходимы для повышения долговечности, улучшения сцепления «волокно–матрица» и разработки технологических стандартов для массового применения LTC [4].

2. Роль цемента и клинкера в формировании структуры композита. Цементное вяжущее является основным компонентом, определяющим эксплуатационные свойства светопрозрачного бетона. Состав клинкера и его минералогическая структура определяют скорость твердения, интенсивность гидратационных реакций и формирование микроструктуры цементного камня. Классические исследования Тейлора (H. F. W. Taylor, 1997) и основополагающий труд Lea’s Chemistry of Cement and Concrete (2003) подчёркивают, что минералы C₃S и C₂S формируют основную прочность цемента, а также определяют его поведение на ранних и поздних стадиях твердения [5, 6].

Экспериментальные исследования [7] показали, что плотность и диаметр пластиковых оптических волокон значительно влияют на светопропускание и прочность бетона: при оптимальной плотности волокон (около 7×7 на поверхность) светопропускание достигало ~84 lux, а прочность на сжатие увеличивалась примерно на 15 % по сравнению с обычным бетоном [7].

3. Интеграция оптических волокон в цементную матрицу. Важным направлением является изучение взаимодействия оптических волокон и цементной матрицы. Исследования показали, что для успешной интеграции волокон критически важны следующие параметры: тип волокон (пластиковые или стеклянные), их диаметр и ориентация, доля волокон в смеси, а также качество цементной матрицы, включая гранулометрию заполнителя, однородность и минимизацию пористости. Например, в эксперименте [8] использование пластиковых оптических волокон диаметром 0,75–1,5 мм при выравнивании волокон параллельно друг другу позволило достичь высоких показателей светопропускания и прочности на сжатие, что подтверждает эффективность данной интеграции [8].

Обзорные исследования показывают, что оптимальное соотношение состава матрицы и параметров волокон обеспечивает минимизацию микротрещин и пустот вокруг волокон, что напрямую влияет на долговечность и светопропускание LTC [9, 10]. При этом необходимо учитывать трудности, связанные с ухудшением удобоукладываемости бетонной смеси при увеличении доли волокон, необходимость контроля сцепления «волокно‑матрица» и экономическую эффективность использования оптических волокон [11].

Таким образом, интеграция оптических волокон в цементную матрицу требует комплексного подхода: правильного подбора состава смеси, контроля качества матрицы и оптимального размещения волокон, что позволяет создавать светопроводящие бетонные конструкции с высокими эксплуатационными характеристиками и архитектурной ценностью.

4. Значение гипса как регулятора сроков схватывания. Гипс (CaSO₄·2H₂O) является ключевым компонентом при помоле портландцемента. Его добавляют обычно в количестве 3–5 % для регулирования времени схватывания цемента. Основная функция гипса — замедлять гидратацию трикальцийалюмината (C₃A), чтобы предотвратить преждевременное схватывание (flash set) и обеспечить технологическое время для транспортировки, укладки и уплотнения бетонного раствора [12, 13].

Механизм действия гипса заключается в образовании эттрингита — сульфоалюминатной фазы, которая покрывает частицы C₃A и замедляет их реакционную активность. Количество гипса и его химическая форма (дигидрат, гемигидрат или ангидрит) напрямую влияют на скорость схватывания и прочностные характеристики цемента [14, 15].

Оптимальное содержание гипса (~3, 5 %) обеспечивает баланс между достаточным временем схватывания и необходимой прочностью после твердения. Превышение дозы гипса может привести к чрезмерной задержке схватывания или снижению прочности [15].

Цель настоящей работы заключается в разработке цементного продукта на основе портландцементного клинкера и природного гипса месторождений Республики Каракалпакстан для получения светопрозрачного бетона, а также в комплексном изучении его химического состава, микроструктуры, гидратационных процессов, механических и оптических свойств.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Провести химический и минералогический анализ портландцементного клинкера, определить содержание основных минералов (C₃S, C₂S, C₃A, C₄AF) и оценить их влияние на гидравлическую активность цемента.
2. Исследовать химический состав природного гипса, установить его оптимальное содержание в цементе для регулирования сроков схватывания и предотвращения ложного схватывания.
3. Изучить процессы гидратации и микроструктуру цементного камня (SEM, XRD), сформировавшегося при совместном помоле клинкера и гипса, определить однородность структуры и качество межфазной границы.
4. Определить механические свойства композиционного материала с оптическими волокнами, включая прочность при сжатии и изгибе на различных сроках твердения.
5. Измерить коэффициент светопропускания образцов светопрозрачного бетона и выявить влияние пористости, диаметра волокон, их ориентации и плотности распределения на оптические свойства материала.
6. Разработать научно обоснованные рекомендации по созданию цементного вяжущего и технологических параметров для производства светопрозрачного бетона из местного сырья.

Материалы и методы.

Портландцементный клинкер. В качестве основного компонента для получения цементного вяжущего использовался портландцементный клинкер промышленного производства ООО «Каракалпакцемент». Перед проведением лабораторных исследований клинкер проходил следующие операции:

Первичное дробление на щёковой дробилке до фракции 5–10 мм.

Вторичное измельчение в планетарной мельнице до достижения требуемой тонкости помола.

Гомогенизация в течение 15 мин., обеспечивающая равномерность химического состава.

Хранение в герметичных контейнерах во избежание ложного воздушного схватывания.

Гипс (CaSO₄·2H₂O). Использовался природный гипс местного происхождения, применяемый для регулирования сроков схватывания цемента. Подготовка гипса включала:

Дробление до фракции менее 3 мм.

Просеивание на ситах №008 и №0063.

Сушка при 45–50 °С в течение 24 часов для исключения поверхностной влаги.

Анализ содержания кристаллизационной воды методом ТГА.

Заполнители. Для изготовления светопрозрачного бетона применялся:

Кварцевый песок с модулем крупности 1,8–2,0.

Микрокремнезём (при необходимости), используемый для повышения плотности матрицы.

Песок перед использованием промывался, высушивался и просеивался для обеспечения однородности.

Оптические волокна. Использовались прозрачные полиметилметакрилатные (PMMA) оптические волокна диаметром 1 мм и 2 мм. Оптические волокна имели следующие характеристики:

коэффициент светопередачи 92–95%;

рабочая температура – от –40 до +80 °С;

минимальная радиусная деформация — 20 мм.

Волокна нарезались строго по длине образцов, торцы шлифовались до гладкого состояния.

Лабораторные методы анализа сырья

Химический анализ. Для определения химического состава клинкера и гипса использовались следующие методы:

XRF (рентгенофлуоресцентный анализ) — определение основных оксидов (CaO, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, MgO).

TGA/DTA (термогравиметрия и дифференциальный термический анализ) — определение доли гидратной влаги и потерь при прокаливании.

ICP-OES (оптическая эмиссионная спектрометрия) — определение следовых элементов.

Оборудование калибровалось по международным эталонам.

Минералогический состав. Изучался методом:

XRD (рентгеноструктурный анализ) с использованием программы Rietveld для количественной оценки минералов C₃S, C₂S, C₃A, C₄AF.

Определение тонкости помола. Тонкость помола цемента определялась:

методом Блэйна (ГОСТ 310.3–76);

методом лазерной дифракции (particle-size analyzer).

Подготовка цементного продукта

Помол клинкера и гипса. Образцы готовились путём совместного помола клинкера и гипса в лабораторной шаровой мельнице в следующих соотношениях:

– 95–97% клинкер

– 3–5% гипс

Помол велся в течение 25–40 минут в зависимости от требуемой тонкости.

Определение оптимального содержания гипса. Содержание гипса подбиралось по следующим критериям:

– нормальная густота;

– время начала и конца схватывания (ГОСТ 310.3–76);

– отсутствие «ложного схватывания»;

– стабильность структуры при твердении.

Приготовление светопрозрачного бетона.

Состав бетонной смеси. Для экспериментальных образцов применялось соотношение:

цемент : песок = 1 : 2

В/Ц = 0,35–0,40

При необходимости вводился суперпластификатор на основе поликарбоксилатов (0,5–1,0% от массы цемента).

Расположение оптических волокон. Светопроводящие волокна укладывались:

– в 5–10 параллельных слоёв;

– с межволоконным шагом 5 мм;

– строго горизонтально, без перегибов.

Для фиксации применялись специальные направляющие матрицы.

Укладка и формование. Смесь укладывалась послойно:

– Первый слой смеси (10–15 мм).

– Раскладка оптических волокон.

– Второй слой смеси.

– Лёгкое вибрирование (5–7 секунд).

– Формы: 40×40×160 мм и 100×100×100 мм.

Твердение. Образцы выдерживались:

первые 24 часа — в формах под полиэтиленовой плёнкой;

28 суток — в камере нормального твердения (20 ± 2 °С, влажность 95%).

Методы испытаний готовых образцов

Прочностные испытания. Прочность при сжатии и изгибе — по ГОСТ 310.4–81.

Испытания на 3, 7, 14 и 28 сутки.

Оптические свойства. Светопропускание оценивалось:

при помощи люксметра и лазерного диода;

измерением коэффициента трансмиссии (Lout / Lin × 100%).

Микроструктурный анализ. Для изучения структуры использовались:

SEM (сканирующая электронная микроскопия) — анализ микропор;

EDS (энергодисперсионная спектроскопия) — распределение элементов;

Петрографический анализ — изучение контакта волокон с матрицей.

Плотность, пористость, водопоглощение. Определялись методом гидростатического взвешивания.

Обработка и анализ данных. Для статистической интерпретации результатов применялись:

– дисперсионный анализ (ANOVA);

– метод линейной регрессии — для связи между составом цемента и светопропусканием;

– анализ корреляции Пирсона;

– определение погрешностей по ISO 5725.

Графическая обработка проведена в OriginPro, Excel ва SPSS.

Результаты и обсуждение

1. Химический состав сырья и его влияние на свойства цемента. Проведённые исследования химического состава клинкера показали, что комбинация оксидов CaO, SiO₂, Al₂O₃ и Fe₂O₃ соответствует типичной структуре клинкеров для портландцемента с высокой активностью. Установлено, что высокий уровень CaO не приводит к «переизвесткованности» системы, так как он сбалансирован оптимальной долей SiO₂. Это способствует формированию большой доли алита (C₃S), определяющего высокую раннюю прочность цемента, что было подтверждено результатами механических испытаний.

Минералогический состав клинкера. По данным количественного XRD-анализа долевое распределение минералов составило:

C₃S – 56–62%;

C₂S – 16–22%;

C₃A – 6–8%;

C₄AF – 8–10%.

Такой распределённый состав считается оптимальным для цемента, предназначенного для светопрозрачных бетонов, так как он обеспечивает:

Равномерное тепловыделение в процессе гидратации, что предотвращает деформации оптических волокон.

Плотную структуру цементного камня, важную для минимизации рассеивания света.

Стабильность усадки, обеспечивающую прочное сцепление цементной матрицы с оптическими волокнами.

Применённый гипс обеспечил формирование эттрингита (AFt-фазы) на ранних стадиях гидратации. Это предотвратило быстрое схватывание и обеспечило оптимальную подвижность смеси при укладке оптических волокон.

2. Структурные особенности образцов и микроскопический анализ

Микроструктура цементного камня. SEM-исследования показали, что структура цементного камня характеризуется:

• мелкопористой капиллярной системой;
• плотным и равномерным распределением C-S-H геля;
• отсутствием крупных пор (>100 мкм), которые критически ухудшают светопропускание.

Межзерновые прослойки C-S-H геля формируют равномерный каркас, создающий оптимальную платформу для интеграции оптических волокон. Контакт цементной матрицы и волокон. SEM-изображения зоны контакта показали:

• плотное прилегание цементных гидратов к поверхности волокон;
• отсутствие разрывов и пустот на межфазной границе;
• упрочнение межфазной зоны за счёт равномерного образования C-S-H и эттрингита.

Это доказывает, что подобранное водоцементное отношение (0,35–0,40) и скорость гидратации клинкерных минералов способствовали созданию стабильной межфазной зоны, что является ключевым фактором светопрозрачного бетона.

3. Механические свойства композиционного материала

Прочность при сжатии и изгибе. Результаты механических испытаний показывают устойчивый рост прочности в течение всего периода твердения:

Результаты испытаний на прочность при сжатии и изгибе приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты испытаний на прочность

Возраст образца	Прочность при сжатии	Прочность при изгибе
3 суток	26–28 МПа	6,2–6,8 МПа
7 суток	36–39 МПа	7,4–8,1 МПа
14 суток	42–46 МПа	8,1–8,9 МПа
28 суток	48–52 МПа	9,2–10 МПа

 

Как видно из представленных в таблице результатов, прочность на сжатие и изгиб образца в возрасте 3 суток составила 26–28 и 6,2–6,8 МПа соответственно, образца в возрасте 7 суток – 36–39 и 7,4–8,1 МПа, образца в возрасте 14 суток – 42–46 и 8,1–8,9 МПа, а образца в возрасте 28 суток – 48–52 и 9,2–10 МПа соответственно.

Ниже представлены графики прочности на сжатие и изгиб в зависимости от суток на рисунках 1 и 2.

 

Рисунок 1. Рост прочности при сжатии

 

Рисунок 2. Рост прочности при изгибе

 

Прочность образцов почти не уступает обычному цементно-песчаному бетону, несмотря на наличие оптических включений. Это объясняется:

• плотным межфазным контактом;
• равномерной структурой цементной матрицы;
• минимальной пористостью;
• стабильной гидратацией клинкерных минералов.

Влияние распределения волокон на прочность. Отмечено, что увеличение количества волокон при плотности ≥10% от объёма приводит к снижению прочности на 12–15%. Это связано с появлением дополнительных межфазных поверхностей и разрывов в цементной матрице.

Однако при рекомендуемых дозировках (5–7% объёмного содержания) прочность остаётся в пределах нормативов для конструкционных композитов.

4. Оптические свойства светопрозрачного бетона. Светопередача является критическим параметром материала. Измерения коэффициента трансмиссии показали:

при толщине 40 мм → 2,8–3,6%;

при толщине 100 мм → 1,0–1,5%.

На рисунке 3 ниже представлен график зависимости толщины образца от светопропускания.

 

Рисунок 3. Зависимость светопропускания от толщины

 

Влияющие факторы на светопрозрачность. Установлено, что на оптические свойства влияют:

1. Качество межфазного контакта. Чем плотнее цементная матрица прилегает к волокну, тем меньше световых потерь.

2. Ориентация волокон. При отклонении волокон от прямой линии на 5–7° коэффициент светопропускания снижается на 15–18%.

3. Количество пор. Корреляция между пористостью и оптической прозрачностью имеет отрицательную связь (r = –0.78).

4. Диаметр волокон. Оптические волокна Ø2 мм обеспечили на 30% больший поток света, чем Ø1 мм.

Характеристика светорассеяния. Фотографирование распределения света при помощи лазерного источника выявило:

отсутствие значительного рассеяния;

линейный характер светового выхода;

высокую стабильность светового пятна.

5. Корреляционный и статистический анализ. Для оценки значимости факторов был выполнен статистический анализ.

ANOVA-анализ. ANOVA показал, что наиболее значительные факторы, влияющие на прочность:

Состав цемента – p < 0.001

Тонкость помола – p < 0.01

Доля волокон – p < 0.05

Корреляционные связи. Важнейшие зависимости:

плотность цемента ↔ прочность → r = 0.92

светопропускание ↔ равномерность размещения волокон → r = 0.87

пористость ↔ прочность → r = –0.81

Эти данные свидетельствуют, что структурная однородность цемента является ключевым фактором, определяющим и механические, и оптические свойства материала.

Обсуждение результатов. Комплексные результаты исследования показали:

1. Цементный продукт, приготовленный на основе клинкера «Каракалпакцемент» и местного гипса, обладает высокой гидравлической активностью, что обеспечивает получение плотной цементной матрицы.

2. Микроструктурные характеристики цемента оптимальны для интеграции оптических волокон: не наблюдается разрывов, пустот или зон слабости.

3. Светотехнические свойства композита соответствуют значениям лучших зарубежных аналогов, что подтверждает правильность выбранной методики приготовления цемента и бетонной смеси.

4. Достигнутые механические и оптические свойства демонстрируют, что разработанный состав может быть успешно применён в:

• декоративных панелях,
• фасадных конструкциях,
• интерьере,
• архитектурных дизайнерских решениях,
• инженерных объектах, требующих визуальной диагностики.

В таблице 2 представлен сравнительный анализ разработанного прозрачного бетона и промышленных аналогов.

Таблица 2.

Сравнительный анализ разработанного светопрозрачного бетона и промышленных аналогов

Показатель	Разработанный материал (данное исследование)	Промышленные образцы (LiTraCon, Lucem, LTC)	Примечание
Тип цементной матрицы	Портландцементный клинкер «Каракалпакцемент» + природный гипс	Специальные цементы с микрокремнезёмом, модификаторами	Промышленные образцы используют более дорогие добавки
Минералогическая структура	Высокое содержание C₃S (56–62%), плотная C–S–H матрица	Сверхплотная структура за счёт ультрадисперсных добавок	Различие влияет на прочность и светопропускание
Метод укладки оптических волокон	Ручная укладка, возможны отклонения 5–7°	Роботизированная укладка, идеальная геометрия	Отклонения уменьшают светопропускание
Тип оптических волокон	PMMA диаметром 1–2 мм	Высококачественные PMMA или стекловолокно	Разница влияет на коэффициент пропускания
Светопропускание при толщине 40 мм	2,8–3,6 %	3–5 %	Показатели близки, соответствуют мировому уровню
Светопропускание при толщине 100 мм	1,0–1,5 %	1,2–2,0 %	Разница незначительная
Прочность при сжатии (28 сут.)	48–52 МПа	50–65 МПа	Значения сопоставимы, различие зависит от добавок
Прочность при изгибе	9,2–10 МПа	10–12 МПа	Показатели практически равны
Пористость	Низкая, без крупных пор	Очень низкая (вакуумирование)	Промышленные образцы более плотные
Технология формования	Виброуплотнение вручную	Вакуумное уплотнение, автоматизация	Технологическая сложность — главное отличие
Себестоимость	Низкая (местное сырьё)	Очень высокая	Основное преимущество разработанного материала
Локализация сырья	95–100 % местных компонентов	Зависимость от импорта	Наш материал полностью локализован
Области применения	Декоративные панели, интерьеры, фасады	Архитектурные премиум-проекты	Функциональные возможности сходны

 

На основе представленного сравнения установлено, что разработанный светопрозрачный бетон по прочностным и оптическим характеристикам практически соответствует промышленным аналогам, таким как LiTraCon и Lucem. При этом материал обладает значительными преимуществами: значительно более низкая себестоимость, использование местного сырья и меньшая технологическая сложность производства. Светотехнические показатели находятся на уровне мировых образцов, а механическая прочность — на уровне конструкционных композитов, что подтверждает перспективность разработки для широкого применения в архитектурных и дизайнерских конструкциях.

Заключение

Проведённые экспериментальные исследования, посвящённые разработке цементного продукта для производства светопрозрачного бетона на основе местных сырьевых ресурсов Республики Каракалпакстан, позволили получить комплексные данные о влиянии химического состава клинкера, доли гипса, структуры цементного камня и параметров технологического процесса на формирование механических и оптических свойств инновационного композиционного материала.

1. Основные выводы по химическому составу сырья

Установлено, что портландцементный клинкер, производимый ООО «Каракалпакцемент», обладает оптимальным содержанием основных оксидов (CaO, SiO₂, Al₂O₃) и низкой долей нежелательных примесей (MgO, Fe₂O₃), что способствует формированию минералов C₃S и C₂S в благоприятных пропорциях.

Минералогический анализ показал высокое содержание алита (56–62%), что обеспечивает интенсивный набор ранней прочности, минимизацию усадки и высокую совместимость с оптическими волокнами.

Местный природный гипс с высоким содержанием SO₃ обеспечил стабильное регулирование сроков схватывания, что позволило достичь требуемой подвижности смеси при укладке оптических волокон и исключить явления ложного схватывания.

2. Выводы по структуре цементного камня

Микроструктурный анализ (SEM, XRD) подтвердил формирование плотной, мелкопористой, однородной структуры цементного камня с равномерным распределением C-S-H геля.

Межфазная граница между оптическими волокнами и цементной матрицей характеризуется высоким качеством сцепления, отсутствием трещин и пустот, что является ключевым критерием для получения светопрозрачного бетона с высокой оптической стабильностью.

Установлено, что подобранные параметры помола (удельная поверхность 300–350 м²/кг) обеспечили оптимальное соотношение гидратационных продуктов и повышение структурной плотности цемента.

3. Выводы по механическим свойствам светопрозрачного бетона

Механические испытания показали, что прочность образцов достигает 48–52 МПа при сжатии и 9,2–10 МПа при изгибе на 28 сутки, что соответствует требованиям к конструкционным цементным композитам.

Введение оптических волокон не вызвало критического снижения прочности благодаря плотной цементной структуре и высокому качеству межфазного контакта.

Повышение доли волокон выше 10% объёмного содержания привело к умеренному снижению прочности (10–15%), что необходимо учитывать при проектировании конструкций.

4. Выводы по оптическим характеристикам

Коэффициент светопропускания составил 2,8–3,6% для образцов толщиной 40 мм, что соответствует международным аналогам и подтверждает эффективность подобранной методики интеграции волокон.

Определено, что качество сцепления волокон с цементной матрицей напрямую влияет на уровень светопередачи, снижая рассеивание и увеличивая линейность светового луча.

Установлены ключевые факторы, влияющие на оптическую прозрачность:

• ориентация волокон (отклонение ≥5° снижает светопередачу до 15–18%);
• пористость матрицы (корреляция r = –0.78);
• диаметр волокон (Ø2 мм → +30% светопередачи по сравнению с Ø1 мм).

5. Научно-практическая значимость исследования

Исследование доказало, что сочетание клинкера и гипса местного происхождения может быть эффективно применено для получения высококачественного цементного продукта, пригодного для инновационных архитектурных материалов.

Полученные результаты расширяют научное понимание механизмов взаимодействия оптических волокон и цементной матрицы, что способствует развитию технологий светопрозрачных композитов.

Выработанные рекомендации могут использоваться:

• предприятиями цементной промышленности при адаптации состава цемента;
• проектными организациями — при расчёте светопрозрачных конструкций;
• научными лабораториями — при дальнейших исследованиях микроструктуры композиционных материалов.

6. Итоговое заключение

В целом проведённая работа показала, что местные сырьевые ресурсы Республики Каракалпакстан полностью подходят для разработки цементного вяжущего, предназначенного для светопрозрачного бетона, а предложенная технологическая схема обеспечивает высокие механические и оптические свойства готового композиционного материала.

Полученные научные результаты создают прочную основу для дальнейших исследований в области:

• повышения светопропускания материала,
• оптимизации состава цементной матрицы,
• разработки новых архитектурных и инженерных решений,
• внедрения светопрозрачного бетона в промышленный масштаб.

Работа обладает высокой практической ценностью и открывает широкие перспективы для применения инновационных материалов в строительной отрасли региона.

 

Список литературы:

1. Постановление Президента Республики Узбекистан от 3 апреля 2019 года PQ-4265 «О мерах по дальнейшему реформированию химической промышленности и повышению ее инвестиционной привлекательности». https://lex.uz/docs/-4271630.
2. Losonczi Á. LiTraCon – Light-Transmitting Concrete. – Официальный технический материал и описание технологии. – 2004. – Доступно на официальном сайте компании LiTraCon: https://litracon.hu
3. Luhar I., Luhar S., Nicolaides D. Light-Transmitting Concrete: A Review // Buildings. – 2021. – Т. 11, № 10. – Ст. 480. – DOI: 10.3390/buildings11100480.
4. Development of Optical Fiber Light-Transmitting Concrete (LTC)—A Review — Bai J., Zhang W., Tian J., Wu X., Zheng M. (2025) Jurnal: Buildings, 2025, 15(1), 104. DOI: 10.3390/buildings15010104
5. Taylor, H. F. W. Cement Chemistry. Academic Press. (1997) ISBN: 978‑0‑7277‑2592‑9. II-том, Ст. 480.
6. Hewlett, P. C. (Ed.). Lea’s Chemistry of Cement and Concrete (4th ed.). Elsevier/Butterworth‑Heinemann (2003), page-1087–1092, ISBN: 978‑0‑7506‑6256‑7. https://shop.elsevier.com/books/leas-chemistry-of-cement-and-concrete/hewlett/978-0-7506-6256-7
7. Shahmir, A., & Bhat, S. (2020). Structural and Luminance Properties of Light Transmitting Concrete. Advances in Computational Sciences and Materials, 4(3), 45–55.
8. Robles, A., et al. Light Transmitting Cement-Based Material (LTCM) as a Green Material for Building. Polipapers, 2020. https://polipapers.upv.es/index.php/JARTE/article/view/13832
9. Said, S. H. State-of-the-art developments in light transmitting concrete. 2020. https://keu92.org/uploads/eng_research/Shwan%20Hussain%20Said.pdf
10. MDPI. Materials for Light Transmitting Concrete: Properties and Performance. 2020. https://www.mdpi.com/1996-1944/13/10/2414
11. Journals Bilpub. Light-Transmitting Concrete: Design and Applications. 2020. https://journals.bilpub.com/index.php/jbms/article/view/9578
12. Rahman H., Sagitha A., Puspita D., Salasa A., Puput Dwi R. Optimization of Gypsum Composition Against Setting Time And Compressive Strength In Clinker For PCC. International Conference on Chemical and Material Engineering (ICCME 2020), 2021. Доступно: https://repo.jayabaya.ac.id/799
13. S. Yamauti, R. Kondo, Ray. Effects of the Modification of Gypsum on Setting and Hardening of Portland Cement. Journal of the Ceramic Association, Japan, 62(703), 1954, pp. 776–779. Доступно: https://cir.nii.ac.jp/crid/1390001205248769664
14. U.I. Ashaka, B.A. Abatcha, and M.A. Muhammad. ASSESSMENT OF GYPSUM QUALITY ON SETTING TIME ABOUT CEMENT. JEES Fudutsinma University, 2023. Доступно: https://jees.fudutsinma.edu.ng/index.php/jees/article/download/48/53
15. Sh. Hassan, H. Salah, N. Shehata. Effects of alternative calcium sulphate-bearing materials on cement characteristics in vertical mill and storing. Construction and Building Materials, 2021. Доступно: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214509521000048