Введение. В последние годы возрос интерес к созданию материалов, обладающих высокими теплозащитными свойствами, а также устойчивых к высоким температурам. Стойкость строительных материалов к воздействию высоких температур имеет огромное значение, особенно во время пожара. Штукатурные растворы с повышенной стойкостью к повышенным температурам могут обеспечить надежную пожарную защиту. Одним из способов повышения теплозащитных и термостойких материалов является использование в теплоизоляционных растворах эффективных заполнителей, имеющих пористое строение и обладающих термостойкими свойствами. В результате многолетних исследований российскими и зарубежными учеными накоплен значительный положительный опыт применения при создании легких растворов и бетонов различных пористых заполнителей, в частности, пемзы [1], диатомита [2], вулканического туфа, вспученного вермикулита [3], вспученного перлита [4–7], а также вспученной глины [8]. Особую значимость в современных условиях представляет использование отходов различных производств [9], скорлупы масличной пальмы [10], каучука [11], пенополистирола для вторичного использования.Особый интерес для создания эффективных теплозащитных растворов представляют такие легкие заполнители, как природный вермикулитовый заполнитель [12–15] входящий в группу гидрослюдистых минералов; перлит, пенополистирол [16–20], обладая низкой плотностью, они с успехом применяются в качестве легких заполнителей в легких растворах и обеспечивают высокие теплоизоляционные свойства [8, 9]. Вследствие высокой пористости указанных материалов, применение их в штукатурных теплоизоляционных растворах, позволит обеспечить повышенную теплозащиту наружных конструкций.Вермикулиты - это минералы из группы гидрослюд с переменным химическим составом (Mg, Fe)3[(Al, Si)4O10] ∙ (OH)2 ∙ 4H2O. Дифрактограмма вспученного вермикулита (d = 11,38; 4;54; 3,45; 2,66; 2,43; 2,19; 1,70; 1,44 Å) приведена на рисунке 1. Рис. 1. Дифрактограмма вермикулита При нагревании частицы вермикулита принимают форму удлиненных изогнутых и скрученных столбиков, образующихся в результате гидратации и других вторичных изменений различных слюд. Вермикулит состоит из мягких, гибких и неэластичных пластинок с совершенной спайностью, твердостью около 1,5 и представлен гидратированным силикатом магния, алюминия и железа, сформированным вследствие преобразования слюды, в которой слои первичной слюды чередуются с вермикулитом или гидробиотитом. Химический состав и физические свойства переходных разновидностей являются промежуточными между свойствами первичных слюд и собственно вермикулита. Вспученный перлит считается хорошим термостойким материалом, обладает звуко- и теплоизоляционными свойствами.Вспученный вермикулит отличается от других пористых заполнителей пластинчатым строением, малой прочностью, особо сильно развитой поверхностью, большим водопоглощением и значительной деформативностью. Куски вспученного вермикулита состоят из разделенных одна от другой воздушными прослойками пластинок толщиной 0,02…0,05 мм, объединенных в более крупные пластины, которые соединяясь между собой, образуют мелкие «гармошки». Поэтому истинная поверхность кусков вспученного вермикулита значительно больше, чем у других пористых заполнителей. Прочность кусков при сжатии перпендикулярно слоям составляет 0,15…0,3 кг/см2, а параллельно слоям 0,5…0,9 кг/см2. Водопоглощение вспученного вермикулита колеблется от 120 % до 400 % по массе в зависимости от плотности и зернового состава. Теплопроводность зерен вдоль слоев почти в 2 раза больше, чем перпендикулярно к ним.Структура вермикулита отличается тонким расслоением, наличием внутри вспученных пакетов большого количества крупных и мелких пор, имеющих продолговатую и замкнутую форму.Площадь крупных пор составляет около 30 % от всей площади разреза. Площадь, занятая веществом, составляет около 5,5 % от общей площади. При этом мелкие поры занимают примерно до 64,5 % всей площади. Под микроскопом при увеличении хорошо видны мелкие и мельчайшие поры (рис. 2), причём для хорошего вермикулита характерно сравнительно равномерное их распределение. Пористая структура с перемычками придает вермикулиту прочность и некоторую упругость. Вспученные листки создают теплоизоляционный слой, отчего скорость дегидратации внутренних слоев уменьшается, соответственно снижается степень вспучивания и несколько удлиняется его продолжительность. Внутри вспученного вермикулита наблюдается расслоение разделившихся пластин, образуются выпуклые линзы и крупные поры в них. Кроме того, внутри линз происходит расслоение на более мелкие хорошо вспученные области тех же форм.Вспученный вермикулит имеет кубовидную форму и бугристую поверхность. Он дает хаотическую ориентировку кускам в засыпке, хорошо сцепляется с вяжущим, отчего требует при изготовлении меньшего расхода цемента, придавая композиту более высокую прочность (рис. 2).Теплопроводность вспученного вермикулита зависит от плотности, температуры, размера кусков и ориентировки их по отношению к тепловому потоку. По данным Н.Н. Кальянова [21], при повышении температуры коэффициент теплопроводности увеличивается вследствие возрастающего влияния конвективного теплообмена внутри пор. При температуре до 100 ºС теплопроводность мелких фракций больше, чем крупных, имеющих меньшую плотность. При более высоких температурах наблюдается обратная зависимость, так как конвективный теплообмен в крупных фракциях больше, чем в мелких. Таким образом, для теплоизоляции при обычных температурах целесообразно использовать крупные фракции, а при высоких - мелкие.   Рис. 2. Структура вермикулитаРис. 3. Вспученный вермикулит на контакте с вяжущим Целью работы является получение эффективных теплоизоляционных растворов с низкими показателями по плотности и необходимыми показателями по прочности с использованием вспученного вермикулита.Материалы и методы. В работе в качестве сырьевых материалов для проведения испытаний использовали портландцемент ЦЕМ 0 42,5Н ГОСТ 31108–2020 с удельной поверхностью308 м2/кг.В качестве легкого наполнителя использовали вспученный вермикулит, полученный в результате термообработки природного вермикулита Потанинского месторождения (Челябинской области). Химический состав вермикулита представлен в таблице 1. Таблица 1Химический состав вермикулита (% по массе) Химический состав, %SiO2Al2O3Fe2O3FeOMgOCaONa2OK2OПрочее, %43,315,313,42,217,41,30,42,64,1  Механоактивацию вяжущих композиций различных составов проводили в вибрационной мельнице ВМ – 20. Продукты гидратации вяжущих композиций изучали методом рентгенофазового анализа на приборе ARL X’TRA Thermo Fisher Scientific. Исследование микроструктуры проводили с помощью сканирующего электронного микроскопа высокого разрешения TESCAN MIRA 3 LMU.Физико-механические и технологические характеристики вяжущих композиций определяли в соответствии нормативной документацией. Теплопроводность изучали на образцах размером 150×150×20 мм, высушенные до постоянной массы. Для проведения испытаний использовали прибор ИТС-1.Основная часть. С целью разработки эффективных составов теплоизоляционных растворов с низкой плотностью, на первом этапе были изучены составы вяжущих композиций с использованием в смесях различных дозировок цемента: 90 %, 80 %, 70 % и соответственно вспученного вермикулита: 10 %, 20 %, 30 %. Варьировалось водоцементное отношение в смесях: В/Ц = 0,3; 0,35; 0,4 с целью обеспечения одинаковой пластичности и хорошей формуемости.Смешение компонентов производили вручную в одинаковых условиях путем встряхивания в течение 5 мин в емкости объемом 3 л. Из свежеприготовленного раствора формовали образцы-кубики размером 30×30×30 мм. Отформованные образцы выдерживали в нормальных условиях при температуре 20 ± 3 ºС в течение 28 суток. Испытания образцов на сжатие проводили на гидравлическом прессе ПГМ-100МГ4.Анализ результатов физико-механических показателей вяжущих композиций свидетельствует (рис. 4), что при использовании цемента 90 % и вермикулита 10 % возможно получить плотность образцов 1094 кг/м3 при прочности на сжатие 1,7 МПа. Отмечается, что составы отформованные при В/Ц=0,35 и В/Ц=0,3 обладали соответственно низкой и очень низкой пластичностью, что затрудняло формование, вследствие недостаточного количества воды, хотя эти составы показали плотности 1048–959 кг/м3 при прочностях 1,2–0,8 МПа, соответственно.     Рис. 4. Физико-механические показатели вяжущих композиций при различных В/Ц   Составы растворов, приготовленные с содержанием вермикулита 20 % и 30 %, имели плотности в диапазоне 468–363 кг/м3, однако образцы не обладали достаточной прочностью для испытаний на прессе, разрушаясь в руках при подготовке к испытаниям, поэтому в дальнейших исследованиях растворы с такой дозировкой не рассматривались.Результаты испытаний растворов в соотношении цемент 90 % и вермикулит 10 % показали их эффективность и возможность получения растворов, обеспечивающих получение показателей плотности в диапазоне 1094–959 кг/м3 и показателей прочности на сжатие 0,8–1,63 МПа, однако, полученные результаты не обеспечили требуемых показателей по плотности, гарантировавших низкую теплопроводность. В связи с этим ставилась задача по поиску решения по снижению плотности раствора.При рассмотрении состава сухой теплоизоляционной смеси отмечается, что составляющие смеси имеют значительные отличия в средней плотности (в рыхлом состоянии), так средняя плотность портландцемента составляет 1000–1100 кг/см3, а плотность вспученного вермикулита 60–100 кг/см3. Это и явилось предпосылкой для создания вяжущих композиций с пониженной плотностью и достаточной прочностью при сжатии с последующим применением их в создании раствора пониженной плотности. В связи с поставленной целью были приготовлены составы вяжущих композиций, включающих портландцемент и вспученный вермикулит в различных соотношениях и механоактивированных в вибрационной мельнице (табл. 2). Таблица 2Составы и физико-механические характеристики вяжущих композиций,приготовленных в вибрационной мельнице № составовВремя помола, минСостав %Удельная поверхность м2/кгФизико-механические показатели в возрастах 7, 28 сут.Прочность, МПаПлотность, кг/м3вермикулитцемент728-0010030819,248,122001-0010903083,89,614591-15109050414,636,416201-210109058318,245,518031-315109059720,050,119171-430109061223,358,219331-540109060020,451,019202-0020802753,17,910432-15208051711,9629,915102-210208060416,040,216502-315208061218,045,217902-430208064320,350,918812-540208062018,646,517953-0030702752,05,29513-1530705467,819,714003-210307061611,127,815303-315307064213,634,216503-430307072217,142,817203-540307065014,235,51665   Для всех составов вяжущих композиций, приготовленных в вибрационной мельнице (рис. 5) отмечается, что при продолжительности помола возрастает удельная поверхность, при этом отмечается, что наибольший прирост удельной поверхности наблюдается к 10 мин времени помола, свыше этой величины эффективность помола снижается у составов композиционных вяжущих, содержащих10–20 % вермикулита. Наблюдается увеличение удельной поверхности у состава вяжущей композиции с 30 % вермикулита, что связано со значительным содержанием минерального наполнителя, представленного выветренной осадочной породой вермикулита, что связано с  его генезисом. Полученные данные свидетельствуют, что с увеличением продолжительности помола снижается прочность вяжущих композиции, вследствие переизмельчения минерального наполнителя, выступающего в качестве минеральной подложки для формирования кристаллической структуры композита.Сравнительные показатели средней плотности и прочности на сжатие гидратированных вяжущих композиций различных составов (табл. 2, рис. 6, 7), механоактивированных в вибрационной мельнице, свидетельствуют об эффективности механообработки. Так, если плотность исходного гидратированного портландцемента составляет 2200 кг/м3, то перемешанная вручную смесь при соотношении портландцемента 90 % и вермикулита 10 % имеет плотность1459 кг/м3 (состав 1-0). С увеличением продолжительности механоактивации указанных составов до 30 мин плотность возрастает до 1933 кг/м3 (состав 1–4), при дальнейшей активации до 40 мин. (состав 1–5), показатель плотности снижается до 1920 кг/м3.  Рис. 5. Влияние продолжительности помола на удельную поверхность вяжущих композиций    Рис. 6. Сравнительные показатели средней плотности вяжущих композиций различных составов,приготовленных в вибрационной мельнице в возрасте 28 суток Рассматривая смеси состава портландцемент 80 % и вермикулит 20 %, следует отметить, что ручное смешение обеспечило плотность1043 кг/м3 (состав 2-0), обусловленную меньшим содержанием портландцемента в сравнении с составами 1-5. Анализ изменения плотности с 1510 кг/м3 до 1881 кг/м3, гидратированных вяжущих композиций составов с 2-1 по 2-4, указывает на увеличение плотности составов до продолжительности помола до 30 мин.При дальнейшей механоактивации средняя плотность композиции состава 2-5 снижается до 1795 кг/м3, что связанно с уменьшением удельной поверхности материала, так как в составе присутствуют сырьевые компоненты с различными исходными плотностями, минеральным составом и особенностей их структур.Гидратированные вяжущие композиции составов 70 % портландцемента и 30 % вермикулита ручного смешения, имеют плотность951 кг/м3 вследствие значительного содержания пористого наполнителя.   Рис. 7. Сравнительные показатели прочности на сжатие вяжущих композиций различных составов, приготовленных в вибрационной мельнице в возрасте 28 суток  Механоактивация составов с 3–1 по 3–4 при различной продолжительности помола показала, что наблюдается увеличение средней плотности с 1400 кг/м3 до 1720 кг/м3 у составов с 3–1 по 3-4, а затем средняя плотность снижается до1665 кг/м3 при дальнейшей активации до 40 мин (состав 3–5).Результаты исследований влияния длительности механоактивации на среднию плотность составов с различным содержанием портландцемента и вермикулита свидетельствует, что все составы независимо от количества наполнителя при механоактивации до 30 мин приобретают наибольшую плотность, при которой формируется наиболее эффективная структура вяжущих композиций.Предел прочности при сжатии гидратированных вяжущих композиций составов с 1–1 по 3–5 (табл. 2) изменяется прямо пропорционально показателям средних плотностей. Механоактивация вяжущих композиций в зависимости от продолжительности обработки в сравнении с неактивированными смесями увеличивает прочность на сжатие в возрасте 28 суток: для состава 1–0 (9,6 МПа) в 3,8–6,1 раза, для состава 2–0 (7,9 МПа) в 3,8–6,5 раза и для состава 3–0 (5,2 МПа) в 3,8–8,2 раза.Таким образом, механоактивация в вибрационной мельнице исследуемых композиций при продолжительности механообработки до 30 мин позволяет получить вяжущие композиции с высокими показателями предела прочности при сжатии, превосходящие показатели исходного цемента на 20,1 % для состава: портландцемент 90 % и вермикулит 10 % (составов 1-4); на 6 % для состава: портландцемент 80 % и вермикулит 20 % (состав 2-4), а также позволяющие экономить до 10 – 20 % дорогостоящего энергоёмкого цемента.Проведенными исследованиями по определению теплопроводности вяжущей композиции был установлен показатель теплопроводности, равный 0,06 Вт/(м∙К). Применение полученных вяжущих композиций, приготовленных из смеси портландцемента и вермикулита, в сочетании с пористым заполнителем – вспученным вермикулитом в соответствии законом сродства структур [6], позволит получить теплоизоляционный раствор с высокими теплозащитными показателями и гарантированной прочностью.Сравнительный рентгенофазовый анализ гидратированной вяжущей композиции состава 1-4 (рис. 9) с гидратированным портландцементом (рис. 8) в возрасте 28 суток показал, что дифрактограммы вяжущих композиций содержат все фазы, свойственные портландцементу: (Ca)OH2 (d=4,93; 3,11; 2,63; 1,93; 1,79); CSH(I) (d = 3,04; 2,88; 1,83; 2,78; 1,66 Å); CSH (II) (d = 9,8; 3,04; 2,88; 2,81; 1,84 Å); 3CaO ∙ Al2O3 ∙ 3CaSO4 ∙ 32H2O (d = 9,83; 5,62; 4,69; 5,88; 3,48; 3,25; 2,72; 2,55; 2,25; 2,19; Å), а также дифракционные максимумы, присущие вермикулиту: (d = 11,38; 4;54; 3,45; 2,66; 2,43; 2,19; 1,70; 1,44 Å).                 Рис. 9. Дифрактограмма гидратированной вяжущей композиции состава 1-4 в возрасте 28 сут  Изучение микроструктуры цементных камней вяжущих композиций наилучших составов 1-4; 2-4; 3-4; в возрасте 7 и 28 суток, представленных на (рис. 10) свидетельствует, что все образцы, изготовленные на основе вяжущей композиции и различного количества минеральной добавки, имеют незначительные отличия, обусловленные количественным присутствием вермикулитового наполнителя. Во всех образцах отмечается слитная структура и значительное количество пор, созданных пористым вермикулитовым наполнителем, также отмечается пористость по всему объему, в этих порах прорастают гидросиликаты кальция и алюминия. Отчетливо просматривается формирование контактных зон на границах вермикулитового наполнителя и формирующихся кристалогидратов. Следует отметить, что на поверхностях наполнителя, как на подложке формируется равномерная кристаллическая структура, пронизывающая весь композит по объему, отчетливо видны срастания кристаллогидратов различных фаз. Микрофотографии свидетельствуют о текущем формировании гидроалюминатов и гидросиликатов в возрасте 7 и 28 суток, что свидетельствует о дальнейшем нарастании прочности в образце. Данные микроскопических исследований, четко согласуются с результатами и физико-механических испытаний.     Микроструктура цементного камня из вяжущей композиции состава 1–4 в возрасте 7 суток Микроструктура цементного камня из вяжущей композиции состава 1–4 в возрасте 28 суток   Микроструктура цементного камня из вяжущей композиции состава 2–4 в возрасте 7 суток Микроструктура цементного камня из вяжущей композиции состава 2–4 в возрасте 28 суток   Микроструктура цементного камня из вяжущей композиции состава 3–4 в возрасте 7 сутокМикроструктура цементного камня из вяжущей композиции состава 3–4 в возрасте 28 сутокРис. 10. Микроструктура цементных камней из вяжущих композиций, составов 1–4, 2–4, 3–4 в возрасте 7 и 28 суток Выводы. Цементный камень из разработанных вяжущих композиций создается за счет формирования пространственного каркаса, создаваемого пористым минеральным наполнителем, который за счет высокой дисперсности занимает значительный пространственный объем и на этом минеральном наполнителе, как на подложках, формируется кристаллическая структура, создаваемая гидросиликатами и гидроалюминатами кальция, постепенно наращивая как бы вторичный каркас кристаллическими новообразованиями на тонкодисперсных вермикулитовых зернах – пластинах. Разработанная вяжущая композиция обладает пористой структурой за счет введения вермикулитового наполнителя, что обеспечивает снижение теплопроводности создаваемого композита.Применение разработанных вяжущих композиций с высокими показателями по прочности до 58,2 МПа и относительно низкой плотностью 1933 кг/м3 позволят получить теплозащитные растворы, за счет создания пространственного высокопрочного каркаса и обеспечит высокие теплозащитные и термостойкие свойства строительным растворам и бетонам.