Методика проектирования состава дисперсно-армированного серного материала

Методика проектирования состава дисперсно-армированного серного материала

Анализ научно-технической литературы показал [1−9], что в открытой печати недостаточно сведений о способах проектирования составов дисперсно-армированных серных материалов.

Очевидно, что методы проектирования составов серных бетонов не могут быть использованы при проектировании составов серных дисперсно-армированных материалов, так как при проектировании рецептуры композиционного материала предполагается получение материала с определенной структурой, а как известно, структура такого композиционного материала, как бетон, имеет существенные отличия от структуры дисперсно-армированного материала.

Оптимизацию составов дисперсно-армированных материалов целесообразно проводить аналогично оптимизации таких композиционных материалов, как бетон, то есть проводить последовательную масштабную оптимизацию на двух уровнях: микроструктуры (структуры серной мастики) и макроструктуры (структуры материала, армированного волокнами). В результате оптимизации состава мастики получают оптимальную структуру материала [10−13]. Очевидно, что введение волокон приведет к увеличению площади границы раздела фаз, к отклонению топологических параметров структуры мастики от оптимальных значений и, следовательно, к изменению свойств материала. Целесообразно предположить, что оптимизацию макроструктуры такого композита необходимо проводить при условии:

(1).

где оптимальная поверхность раздела фаз;, соответственно, суммарная поверхность частиц наполнителя и волокон.

Безусловно, условие (1) справедливо в достаточно узком диапазоне изменения количества волокнистого наполнителя, так как введение волокна приводит к изменению структуры, свойств и технологии изготовления материала.

Оптимальная поверхность раздела фаз равна:

(2).

где оптимальная объемная доля наполнителя в мастике; - общий объем; - диаметр частицы наполнителя.

Суммарная поверхность частиц наполнителя равна:

(3).

где объемная доля наполнителя; количество частиц наполнителя; поверхность одной частицы наполнителя.

Суммарную поверхность волокон определим:

(4).

где число волокон; поверхность одного волокна.

Количество волокон равно:

(5).

где объем волокон; объем одного волокна:

;(6).

здесь масса волокон:; плотность волокон; коэффициент армирования композита, выраженный в % от массы серы; плотность серы.

Объем волокна определяется по геометрическим размерам:

(7).

где, соответственно, диаметр и длина волокна.

Подставляя выражения (7) и (6) в формулу (5), получим:

.(8).

Поверхность одного волокна приближенно равна:

.(9).

Подставляя формулы (8) и (9) в выражение (4), получим:

.(10).

По Ромуальди число волокон в единице объема равно:

(11).

где площадь сечения образца материала; площадь поперечного сечения волокна; объемный коэффициент армирования материала.

Объемный коэффициент армирования связан с соотношением:

.(12).

Подставляя выражение (12) в формулу (11), получим:

.(13).

Значения можно также определить, используя решетчатое приближение (рис. 1):

(14).

где толщина прослойки серной мастики; максимальная степень наполнения.

Из выражений (13) и (14) равно:

.(15).

Рис. 1. — Структура дисперсно-армированного материала

Подставляя выражения (15), (10), (3), (2) в формулу (1), получим:

.(16).

Из формулы (16) определится:

.(17).

Определив объемную долю наполнителя в мастике, можно рассчитать расходы компонентов:

масса наполнителя.

;(18).

масса серы.

;(19).

масса волокна.

.(20).

При введении модификаторов (, где а_s количество добавки, выраженной в % от массы серы) суммарный объем компонентов превышает и поэтому необходимо ввести коэффициент пересчета:

(21).

где плотность модификатора.

Тогда уточненные расходы компонентов равны:

; ;

; .(22).

Подводя итог порядок расчета состава серного дисперсно-армированного материала можно представить следующим образом. По формуле (17) вычисляют объемную долю наполнителя, по зависимостям (18) …(20) расходы основных компонентов материала (серы, наполнителя и волокна). Затем по формуле (21) вычисляют коэффициент пересчета, а по зависимости (22) уточненные расходы компонентов материала. Настоящий алгоритм проектирования составов дисперсно-армированного серного композита можно использовать в практических целях, что существенно сокращает время и затраты на проведение экспериментальных исследований и выявления оптимальных решений.

• 1. Баженов Ю. А., Соколова Ю. А. Радиационно-защитные и коррозионно-стойкие серные строительные материалы. М.: Палеотип, 2006. 272 с.
• 2. Eisaburo O., Yukio T., Tatsuya M., Yukihiko H. Effekt of г — rau Irradiation on superplasticiser and superplasticised concretes. Review 37 Jer. Meet. Cem. Assoc. Jap. Tech. Sess. — Tokyо, 1993. — pp. 98 — 100.
• 3. Королев Е. В., Прошин А. П., Болтышев С. А., Королева О. В., Авдеева Е. Н. Выбор соотношения между мелкими и крупными заполнителям // Известия тульского государственного университета. Выпуск 3. Тула ТГУ, 2002. С. 142−146.
• 4. Королев Е. В., Прошин А. П., Болтышев С. А., Макаров О. В. Подбор состава радиационного — защитного серного бетона // Материалы научно-технического семинара. Совершенствование методов проектирования составов бетона. Украина, Ровно, Ровенский ГТУ, 2001. С. 104 — 109.
• 5. Кудрявцев П. Г., Фиговский О. Л. Нанокомпозитные органоминеральные гибридные материалы // Инженерный вестник Дона, 2014, № 2, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2476
• 6. Курилова С. Н. Прессованные цементно-минеральные композиты для дорожного строительства // Инженерный вестник Дона, 2017, № 2, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2017/4245
• 7. Makatious A.S., Megahid R.M. Sekondaty — dose distvibutions in light and heavy weight concrete shields. «Int. I. Appl. Radiat and Isotop» 1992. — № 7. — pp. 569 — 573.
• 8. Шитова И. Ю., Самошин Е. Н. Внутренние напряжения в наномодифицированных серных композиционных материалах //Современные проблемы науки и образования, 2015, № 1 (часть 1); с. 106. URL: science-education.ru/121−17 131
• 9. Яушева Л. С. Серобетоны каркасной структуры. Дис… канд. техн.наук. Саранск: МГУ им. Н. П. Огарева, 1998. 170 с.
• 10. Соломатов В. И. Развитие полиструктурной теории композиционных строительных материалов // Материалы юбилейной конференции. М.: МИИТ, 2001. С. 56−66.
• 11. Соломатов В. И. Элементы общей теории композиционных строительных материалов // Материалы юбилейной конференции. М.: МИИТ, 2001. С. 41−56.
• 12. Баженов Ю. М., Данилов А. М., Королев Е. В., Гарькина И. А. Системный подход к разработке и управлению качеством материалов специального назначения // Архитектура и строительство, 2006, № 1. С. 45−54.
• 13. Антонов А. В. Системный анализ. М.: Высшая школа, 2004. 454 с.