Введение. Строительное материаловедение как научное направление ориентировано на разработку и исследование строительных материалов широкого спектра применения. Ключевым направлением развития данной научно-прикладной отрасли является использование методологических и инструментальных подходов, обеспечивающих повышение эффективности строительной продукции, начиная со стадии ее проектирования и заканчивая эксплуатацией, и переработкой.В основе получения современных композитов с уникальными характеристиками лежат универсальные методологические принципы, принятые для традиционных материалов, но дополненные новыми научными знаниями, подходами к модификации сырьевых материалов, расширенными инструментальными возможностями.Эксплуатационные характеристики готовых материалов во многом зависят от свойств исходного природного и техногенного минерального сырья, а также способов и режимов его подготовки. Другим ключевым элементом в структуре композита, определяющим его физико-механические и технико-эксплуатационные характеристики, является матрица, формируемая в результате твердения по различным физико-химическим механизмам связующих и консолидирующая все составляющие в единый прочный конгломерат. В этой связи правомерно утверждать, что улучшение свойств вяжущего, как основы строительного композита, при одновременном сокращении его содержания в конечном продукте, позволит существенно повысить технико-экономическую эффективность производства.При проработке вопроса был осуществлен анализ литературных источников открытого допуска, представленных преимущественно в библиографической базе данных публикаций Российского индекса научного цитирования (РИНЦ), а также статьях зарубежных авторов. Временной период поиска составил последние 5–7 лет, отражающие наиболее активный этап в области расширения спектра разрабатываемых композиционных вяжущих, методов и подходов к оценке эффективности их использования. Отбор публикаций осуществлялся по критериям: – использование композиционных вяжущих для повышения эффективности строительной продукции;– применение минерального сырья природного и техногенного происхождения;– опыт внедрения технологий рециклинга в производство строительных материалов в случае использования отходов промышленности, относящихся к техногенному сырью;– методологические подходы оценки минерального сырья и строительных материалов на его основе.В настоящее время с учетом колоссальных и постоянно возрастающих объемов строительства первоочередной задачей является снижение потребления традиционных видов вяжущих без потери качества материалов на их основе. Это подразумевает переход на экологически эффективные технологии, обеспечивающие снижение промышленного прессинга на экосферу, рациональное недропользование с учетом истощающихся запасов качественного минерального сырья. При этом увеличение этажности городов, плотности городской застройки в совокупности с расширением и ростом загруженности транспортной системы страны диктуют необходимость повышения эффективности традиционных материалов и разработки новых, отличающихся высокими эксплуатационными характеристиками и пролонгированной долговечностью, стойкостью к внешним, в том числе неблагоприятным, факторам окружающей среды.Одним из решений указанных задач является использование композиционных вяжущих (КВ) [1–4], представляющих собой не механическую смесь компонентов, а синергетическую (взаимоусиливающую) дисперсную систему состава «базовое вяжущее – минеральный компонент». При этом состав и свойства минерального компонента, как критерии его выбора, должны определяться типом базового вяжущего вещества. Эффективность КВ обусловлена несколькими факторами. С одной стороны, использование физически и/или химически активных минеральных компонентов придает дополнительные связующие свойства системе, что способствует формированию консолидированной структуры с минимальной степенью дефектности. Подбор рационального состава КВ, которое является матрицей строительного композита, способен обеспечить экстремальные показатели качества продукта. С другой стороны, формируется «запас» прочности вяжущего, что позволяет снизить его долю в материале без потери конструктивных и эксплуатационных характеристик изделий на его основе. Однако, для реализации обозначенных функциональных возможностей, минеральный компонент, входящий в состав композиционного вяжущего, должен обладать достаточной активностью – способностью к химическому и/или физико-химическому взаимодействию с составляющими базового вяжущего [5–8]. В современных условиях производственные отрасли при потреблении сырьевых ресурсов все больше ориентируются на реализацию природоохранных и ресурсосберегающих технологий, в частности, путем рециклинга производства [9, 10]. Данный подход направлен на повторное использование побочных продуктов и отходов различных отраслей [11–15]. Отмечается, что модифицирование промышленными отходами цементных бетонов позволяет заменять до 45 % портландцемента в композиции при условии увеличения не только прочностных показателей, но и морозостойкости [15, 16]. Высокую популярность набирает использование бетонного лома в качестве минеральной добавки или вторичного заполнителя бетона, эффективность которого обусловлена положительным влиянием на физико-механические показатели композиционных вяжущих [17–19]. Для повышения эффективности композиционных гипсовых вяжущих веществ применяют минеральные добавки в виде отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов, что позволяет получать составы водостойких гипсовых композиций [20]. Отмечены исследования по производству вяжущих из гипсосодержащих отходов различных производств [21]. Большое количество минеральных отходов природного происхождения накапливается на поверхности в виде отвалов. При переработке таких отходов, перспективных для использования в качестве вторичного твердого сырья, наиболее распространенным способом их подготовки является механический. Ввиду того, что одной из самых крупнотоннажных отраслей по потребляемому сырью и производимой продукции является промышленность строительных материалов, для обеспечения ее потребностей традиционно применяется значительная часть попутной продукции горнодобывающих и горнообогатительных комбинатов. Это позволяет решить проблему накопления техногенных образований на территории Российской Федерации, значительная доля которых скапливается в хвостохранилищах, шламонакопителях, отвалах и занимает общую площадь более 2000 тыс. км2 [22]. Отходы горных пород, хранящихся в горнодобывающих районах, активно используют в качестве сырья при производстве строительных материалов широкой области назначения, что во многом обусловлено экономической целесообразностью, выраженной снижением себестоимости конечной продукции и повышением ряда свойств [22–24]. Помимо этого, переработка того или иного сырья решает экологические и социально-экономические проблемы, расширяя сырьевую базу «дефицитных» регионов, в которых наблюдается ограниченность природных ресурсов. Направление по утилизации отходов и реализации рециклинга в отрасли производства строительных материалов достаточно широко развито и находит все бóльшие области применения. В связи с чем, в данной работе представлена лишь малая доля работ, иллюстрирующих практическое применение отходов и вторичных продуктов природного и техногенного происхождения, преимущественно на примере композиционных вяжущих.Однако, несмотря на устоявшийся тренд на использование природного и техногенного местного сырья, выбор сырьевых компонентов для КВ с целью обеспечения требуемого качества готового продукта должен осуществляться не на принципах доступности и экономичности, а, в первую очередь, с позиции способности минерального компонента и базового вяжущего к химическому и физико-химическому взаимодействию в естественных (нормальных) и гидротермальных условиях. Это означает, что необходимо изначально устанавливать критерии для выбора сырья, которое, при минимальных энергозатратах на подготовку, может обеспечить получение прочной матрицы, обуславливающей производство материала с заданными свойствами [5]. Известно, что основополагающая ресурсная база промышленности строительных материалов – минеральное сырье, представленное горными породами различного генезиса, в том числе продуктами их дробления и/или обогащения. С целью достижения требуемого состава, дисперсности и других параметров, сырье подвергают модификации физическими, химическими или физико-химическими методами. Наиболее распространенным среди них с позиции доступности, простоты и экономической эффективности является метод механической активации с использованием помольного оборудования различных типов [25–29].Несмотря на существенный объем исследований по разработке композиционных вяжущих и материалов на их основе, в рассмотренных выше работах не прослеживается систематизированный характер: используется некое имеющееся в наличие оборудование, минеральное сырье, конкретный вид вяжущего вещества. Не всегда исследователь при выборе и оценке минеральных компонентов опирается на критерии энергоэффективности. Однако, данный критерий является интегральной характеристикой сырьевых материалов, которая включает совокупность типоморфных и, как следствие, физико-механических и физико-химических особенностей, и учитывает генетический тип минерального сырья, вид и степень механоактивационного воздействия. Выбор сырьевых компонентов и аппаратов для их дезинтеграции осуществляется, как правило, на принципе доступности. Отмечаются лишь отдельные попытки оценки влияния вида измельчительного агрегата и активационного воздействия на свойства получаемых порошков. Системные исследования по оценке эффективности механоактивации в системе «генетический тип пород – оборудование – вид вяжущего» отсутствуют. Существенная разрозненность получаемых в настоящее время данных обусловлена в большей степени междисциплинарностью задачи, требующей знаний в области петрологии и технологической минералогии, физикохимии поверхности, механики и технологии измельчения, строительного материаловедения и других смежных областях науки. Современное состояние исследований в области оценки, прогнозирования и управления физико-химическими и термодинамическими свойствами поверхности дисперсных систем показывает отсутствие комплексных решений и методик, позволяющих на стадии выбора и механоактивации минерального сырья оценить энергетический потенциал полидисперсного, полиминерального и полиструктурного дисперсного вещества как компонента композиционных вяжущих. Кроме того, использование новых минеральных дисперсных модификаторов требует комплексного междисциплинарного подхода с целью установления: целесообразности применения; характера и механизмов взаимодействия активированного вещества с вяжущими различного состава, способа твердения и функционального назначения; зависимостей изменения структурно-механических и реологических свойств вяжущих от вариативности свойств модификаторов.Одним из затруднений при формировании фундаментальной базы научно обоснованных закономерностей и моделей процессов механоактивации в системе «генетический тип пород – оборудование – вид вяжущего» является отсутствие единой системы (алгоритма) применяемых методов оценки эффективности механоактивации. Как правило, используется ограниченное число исследований, по принципу «то, что есть в наличии». Применяются в основном нормативные, т.е. определяемые требованиями ГОСТ [11, 15], методы оценки физико-механических и физико-химических свойств дисперсного вещества как компонента композиционных вяжущих, являющиеся, как правило, косвенными с позиций оценки активности вещества. Они являются необходимыми, но недостаточными для решения обозначенной задачи. С другой стороны, несмотря на междисциплинарность строительного материаловедения, в его фундаментальном аспекте отсутствуют научно обоснованные методики и модели оценки термодинамических свойств поверхности, как показателей эффективности механоактивации минерального сырья. Их наличие позволило бы осуществить рациональный выбор типа горных пород, либо отходов различных производств, механического оборудования для их дезинтеграции с учетом вида базового вяжущего вещества для повышения эффективности КВ.Влияние механоактивации распространяется не только на размерность исходного сырья, но и на свойства его поверхности. При этом степень этого влияния определяется рядом факторов: технологическими режимами и параметрами обработки [30, 31], генетической принадлежностью сырья и его типоморфными особенностями [5, 32, 33]. Комплексное влияние технологических параметров, стадийности, интенсивности, продолжительности механоактивации в сочетании с петрографическими характеристиками (минералогическим составом и морфоструктурными параметрами) породы обуславливает эффективность механического воздействия в части изменения активности для последующего взаимодействия компонентов КВ. При этом оценка общей склонности поверхности высокодисперсных систем к трансформационным превращениям возможна только исходя из термодинамической характеристики ее энергетического состояния, которое определяется как уровнем общего запаса потенциальной энергии горной породы (зависит от генезиса), так и ее части, перешедшей в поверхностную энергию при образовании новой поверхности тонкодисперсных частиц твердых тел в процессе механоактивации [34–36]. Следует учитывать, что количественно данный энергетический переход дополняется: размером частиц, их структурой и формой, минеральным составом, дефектностью кристаллической решетки породообразующих минералов, газовоздушными и другими включениями, химической природой и т.д.Рациональный выбор сырья с позиции эффективности механоактивации затруднен отсутствием энергетического критерия, позволяющего ранжировать сырье по величине свободной внутренней энергии породообразующих минералов и породы в целом. Но в качестве оценочного параметра можно рассматривать поверхностное натяжение, являющееся мерой накопления энергии в разуплотненном поверхностном слое [33, 37, 38]. Дискретная природа частиц порошкового образца определяет шероховатость и пористость их поверхности, что, в свою очередь, затрудняет процесс определения краевого угла смачивания порошковых материалов [39–41]. При этом высокая воспроизводимость и корректность измерения данного показателя являются обязательными, так как он лежит в основе расчета величины поверхностного натяжения твердой фазы, термодинамически описывающего процессы структурообразования в дисперсных системах.Данные предпосылки лежат в основе исследования физико-химических свойств поверхности порошковых материалов, по результатам которых предложены методологические основы количественной оценки энергетического состояния поверхности высокодисперсных систем минерального сырья различного генезиса [36]. Авторами установлены зависимости между размерными, топологическими и структурными параметрами тонкодисперсных систем, установлена роль дисперсионных и поляризационных составляющих поверхностного натяжения в высокодисперсных системах, предложены термодинамическая и энергетическая модели оптимизации их состава.По результатам проведенного обзора результатов современных исследований в области физикохимии и термодинамики поверхности высокодисперсных систем выделены методики оценки эффективности механоактивированного вещества для оптимального выбора минерального сырья, измельчительного агрегата и технологии механоактивации при производстве КВ. В данном контексте дисперсные системы минерального сырья, характеризующиеся полидисперсностью, полиминеральностью и полиструктурностью, рассматриваются как активные компоненты композиционных вяжущих. Оценка их энергетического состояния должна осуществляться комплексно по нескольким критериям, в числе которых, физические (дисперсность, размер частиц и прочее), химические показатели (сорбционная емкость, активные центры, свободная энергия поверхности и др.), а также физико-механические показатели КВ, являющиеся интегральными характеристиками свойств применяемых компонентов. Таким образом, выбор рационального способа измельчения, обеспечивающего экстремальную активность, будет основываться в том числе на данных о генетических и типоморфных особенностях минерального сырья.Материалы и методы. Работа носит обзорно-проблемный характер и направлена на оценку механоактивированного минерального сырья для композиционных вяжущих. Литературный обзор проводился путем обработки, анализа и обобщения данных из открытых первоисточников, представленных на портале Научной электронной библиотеки eLIBRARY.RU, зарубежных публикаций – на платформе поисковой системы Google Scholar.В качестве объекта изучения представлено сырье природного или техногенного происхождения (отходы промышленности, вторичные продукты промышленности, отсевы дробления), имеющее преимущественно силикатный и алюмосиликатный состав. Выборка сырьевых материалов различного генезиса осуществлялась согласно критериям распространённости; технологичности, то есть объемам фактического потребления строительной отраслью, потенциальной энергозатратностью на измельчение и др.; физико-механическим, структурно-текстурным и химико-минеральным параметрам. Также следует выделить востребованность данного сырья для получения различных видов строительных материалов (использование в качестве крупного и мелкого заполнителя, минеральных добавок и т.д.) и опыт применения в составе композиционных вяжущих. Необходимость и степень механоактивации определяется первоначальной дисперсностью и исходными свойствами сырья, технологией производства конечного материала и областью его применения. Объединение методологических подходов в единую картину диагностики сырья с позиции эффективности применения в составе композиционных вяжущих и дальнейшей оценки материалов на их основе являлось целью работы и представлено в основной части статьи, на основании чего предложена декомпозиция исследований с указанием необходимых методов.Основная часть. Решение указанных проблем лежит в разработке обобщенных принципов повышения эффективности композиционных вяжущих за счет рационального использования механоактивированного минерального сырья, которые должны сочетать в себе пересечение научных интересов и подходов в области инженерных наук, а также химии и наук о материалах в системе «объект механоактивации – инструмент механоактивации – показатель механоактивации – продукт совершенствования методами механоактивации». При этом практические и технологические задачи должны решаться с привлечением системно-структурного подхода в триаде «состав (сырье) – параметры структуры (сырье и консолидированное вяжущее) – свойства/качество (консолидированное вяжущее)». Предлагается концепция повышения эффективности композиционных вяжущих различного состава и способа твердения как базового компонента строительных композитов функционального назначения, заключающаяся в: оценке эффективности (пригодности) и степени механоактивации минерального сырья в зависимости от вида механического воздействия и технологических параметров дезинтеграции (интенсивности, длительности, энергозатратности и т.д.); комплексной оценке свойств механоактивированного сырья как компонента композиционных вяжущих различного состава для экспресс-диагностики и прогнозной оценки их эффективности; оценке эффективности управления процессами структурообразования матриц при твердении вяжущих различного состава.При этом обоснование выбора, изучение процессов и технологических решений механоактивации минерального сырья для получения эффективных композиционных вяжущих предлагается реализовывать с учетом оценки взаимодействий в системе «объект механоактивации – инструмент механоактивации – показатель механоактивации – продукт совершенствования методами механоактивации», где: I – объект механоактивации – минеральное сырье различных генетических типов: обоснование выбора генетических типов, изучение влияния продуктов диспергирования минерального сырья на процессы структурообразования и свойства композиционных вяжущих; оценка параметров энергоэффективности диспергирования в зависимости от типа помольного агрегата и генетического типа минерального сырья; оценка энергетического фактора дисперсионного взаимодействия, физико-химической и химической активности поверхности высокодисперсных систем для участия в процессах структурообразования;II – инструмент механоактивации – виды механического воздействия, реализованные путем использования различных типов помольного оборудования;III – показатель механоактивации – спектр физико-химических и энергетических характеристик поверхности измельченного вещества с точки зрения химии поверхности; комплексные количественные критерии оценки способности измельченного вещества участвовать в трансформационных превращениях, являясь активным компонентом КВ;IV – продукт совершенствования методами механоактивации – композиционные вяжущие, полученные на основе базовых вяжущих веществ различного типа твердения: изучение влияния механоактивированного минерального сырья различного генетического типа и происхождения на процессы структурообразования КВ.  Рис. 1. Декомпозиция методологии проведения оценки минерального сырьяс позиции механоактивации при получении композиционных вяжущих На основании результатов обобщения теоретических и методологических положений рационального использования минерального сырья, и подходов к его оценке разработана декомпозиция (см. рис. 1), отражающая перечень необходимых показателей и методик, позволяющих учитывать различные характеристики минерального сырья и проводить его многокритериальное ранжирование по степени эффективности использования при производстве КВ. Распределение методов оценки на этапы осуществлялось согласно предложенной системе «объект механоактивации – инструмент механоактивации – показатель механоактивации – продукт совершенствования методами механоактивации». Комплексное установление значимости того или иного вида сырья не обеспечивается в полной мере требованиями ГОСТ. В связи с чем, на каждом этапе исследования введены дополнительные показатели, позволяющие осуществить оценку и ранжирование минерального сырья. Следует отметить, что этап, касающийся инструмента механоактивации, умышленно опущен. Для его оценки могут применяться такие показатели, как энергонасыщенность и стоимость промышленного оборудования, продолжительность технологической обработки и т.д.Несомненно, в современных условиях активно развивается научное направление по механизации и автоматизации промышленности, появляются новые подходы за счет усовершенствования оборудования и разработки уникальных комплексов технического оснащения. Но фактически большое количество лабораторного оборудования не выходит на площадки массового производства. В реальных условиях не менее 90 % предприятий промышленности строительных материалов для механоактивации применяют традиционный помольный агрегат – шаровую мельницу, несмотря на имеющиеся недостатки [42, 43]. Таким образом, ввиду отсутствия на данный момент альтернативы шаровым мельницам, стабильно использующимся на производстве, и невозможности масштабирования результатов лабораторных исследований, подразумевающих использование других помольных агрегатов в производственных условиях, снижается значимость подбора инструмента механоактивации отличного от шаровой мельницы. И включение в декомпозицию данного этапа с материаловедческой точки зрения становится бессмысленным. Таким образом, на данный момент оценка эффективности механоактивации может осуществляться только с позиции обоснованного выбора минерального сырья при использовании одного постоянного инструмента воздействия – шаровой мельницы. Но при этом в дальнейшем может быть осуществлен рациональный выбор способа механоактивации для получения требуемых показателей механоактивируемого сырья и конечного продукта с его использованием. Рассмотрение показателей по I этапу и их анализ (при условии единства инструмента механоактивации и подбора оптимального способа) может позволить провести ранжирование минерального сырья, спрогнозировать потенциальную эффективность механоактивации для каждого конкретного вида сырья природного и техногенного происхождения. В декомпозицию в показатели, характеризующие объект механоактивации, не внесены химические и/или физические свойства (плотность, влажность, пустотность, модуль крупности, водопоглощение и др. – в зависимости от конкретного вида сырья), определение которых подразумевается по умолчанию, а методики регламентированы соответствующими нормативными документами.Реализация исследований в соответствии с предложенной концепцией с учетом специфики функционирования элементов системы по отдельности и в комплексе позволит выявить взаимосвязи между генезисом и типоморфными особенностями минерального сырья (объект), технологическими подходами к его эффективной механической активации (инструмент), физико-химическими свойствами поверхности (показатель) механоактивированного дисперсного сырья как активного компонента, и процессами структурообразования и, как следствие, свойствами композиционных вяжущих (продукт совершенствования), полученных на его основе.Предлагаемые термодинамические критерии оценки свойств поверхности исходного и механоактивированного сырья по величине активности дадут возможность количественно оценить способность высокодисперсного материала к трансформационным превращениям при механоактивации, в том числе, способность высокоразвитой поверхности материала к самопроизвольным процессам компенсации избыточной поверхностной энергии и долю общего запаса потенциальной энергии системы, перешедшей в свободную поверхностную энергию. Определение реакционной активности может базироваться на определении:– сорбционной емкости, что подразумевает оценку взаимодействия сырьевых материалов с Ca(OH)2 не только единоразово через 72 часа после смешивания (по методике), но и в процессе достижения этого времени с целью контроля технологических свойств смеси [5];– кислотно-основных свойств, которые позволяют контролировать изменение характеристик поверхности в реальных процессах [44, 45];– активности поверхности, определяемой как отношение величины свободной поверхностной энергии к удельной массовой энергии атомизации, и позволяющей сделать вывод о возможности использования диспергированного минерального сырья в качестве компонентов строительных материалов [35, 38, 46];– t-критерия – показателя возможности использования минерального сырья как пуццоланового компонента в составе КВ. На основании его расчета оценивается однородность и симметричность распределения результатов определения прочности образцов.В дополнение к этому посредствам апостериорной методики следует рассчитывать фрактальную размерность по данным прочности и пористости композитов, что позволяет получить дополнительную информацию об их структурообразовании. Фрактальный анализ [47] параметров структуры готовых композитов, полученных при различных условиях механоактивации, позволит создать комплексную методику оценки физико-химических и поверхностных свойств порошков минерального сырья различной генетической принадлежности как компонента КВ. Выводы.Обоснована необходимость систематизации имеющихся междисциплинарных знаний в области применения минерального сырья различного генезиса для создания композиционных вяжущих на основе традиционных вяжущих веществ, а также генерации принципиально новых знаний, закономерностей и методов получения материалов с требуемыми показателями качества с использованием ресурсо- и энергосберегающих технологий, в том числе базирующихся на использовании вторичных ресурсов (отходов) различных производств.Сформулировано комплексное решение вышеуказанных задач, заключающееся в разработке алгоритма прогнозной оценки эффективности механоактивирующего воздействия на минеральное сырье природного и техногенного происхождения. Использование предложенного алгоритма обеспечит рациональный выбор минерального сырья, технологий и параметров его механоактивации при получении композиционных вяжущих. Обоснованное использование минеральных сырьевых компонентов в качестве реакционно-активных составляющих композиционных вяжущих, которые являются наиболее материало- и энергоемкими компонентами конечного композита, позволит снизить промышленный прессинг на экосферу при производстве бетонов и бетонных изделий различного назначения.Подтверждена необходимость использования междисциплинарного подхода при обосновании выбора процессов и режимов механоактивации минерального сырья для получения эффективных композиционных вяжущих. Междисциплинарные исследования взаимосвязей в тетраде «объект механоактивации – инструмент механоактивации – показатель механоактивации – продукт совершенствования методами механоактивации» позволят осуществить:– разработку технологических принципов энергоэффективной механоактивации минерального сырья различного генезиса, заключающихся на обоснованном выборе измельчительного агрегата и параметров технологического процесса, обеспечивающих высокую производительность при минимальной энергоемкости механоактивационных процессов;– комплексную оценку активности дезинтегрированного минерального сырья различного генезиса как интегральной характеристики, связывающей площадь границы раздела фаз, гранулометрический состав, морфоструктурные особенности с его сорбционной емкостью, характером донорно-акцепторных поверхностных центров, энергетическим состоянием и другими параметрами. Это в совокупности позволит провести ранжирование минерального сырья природного и техногенного происхождения по эффективности применения в составе композиционного вяжущего, оптимизировать процесс механоактивации с позиции выбора рационального способа и разработать обобщенные рекомендации по подбору технологических режимов измельчения с учетом генезиса минерального сырья для получения активных минеральных компонентов композиционных вяжущих различного состава, типа твердения и функционального назначения;– разработку физико-химических принципов управления процессами структурообразования композиционных вяжущих различного состава в системе «базовое вяжущее вещество – минеральный компонент» на всех этапах жизненного цикла системы для обеспечения заданных функциональных свойств и реализации прогнозной оценки эксплуатационных характеристик композитов на их основе.