CC BY
15
Исследования средней плотности и пористости серных композиционных материалов на кварцевом наполнителе
И.Ю. Шитова, Н.А. Орлов ФГБОУВО Пензенский государственный университет архитектуры и строительства,
г.Пенза
Аннотация: параметры структуры строительного материала, в том числе, серного, зависят от большого числа рецептурно-технологических факторов. В настоящей работе представлены экспериментальные зависимости средней плотности и пористости серного композиционного материала от объемной степени наполнения, удельной поверхности наполнителя, концентрации аппрета и времени изотермической выдержки. Установлено, что наиболее плотные серные композиты получены на кварцевом наполнителе с удельной поверхностью 180 м2/кг, обработанном 30%-ти и 50%-ным раствором каучука и подвергшиеся изотермической выдержке в течение 2.. .3 ч.
Ключевые слова: сера, кварцевый наполнитель, аппрет, наполнитель, объемная степень наполнения, средняя плотность, пористость, дисперсность.
Эксплуатационные свойства композиционных материалов обуславливается качеством их структуры, оценить которую позволяют показатели средней плотности и пористости, зависящие, в свою очередь, от множества рецептурно-технологических факторов.
В настоящей работе проводили исследования зависимостей параметров структуры композитов от удельной поверхности и объемной доли наполнителя, а также массовой доли аппретирующего агента и времени изотермической выдержки. Для изготовления композита в качестве вяжущего использовали серу, наполнителя - кварцевый песок различной дисперсности, аппрета (использованного для дезактивации активной поверхности измельченного кварцевого песка [1, 2]) - растворы различной концентрации синтетического каучука марки Polyoil 110 в органическом растворителе.
Как известно [3-10], увеличение объемной доли дисперсной фазы приводит к закономерному повышению средней плотности и, соответственно, уменьшению пористости материалов на основе серного
вяжущего, что подтверждается данными рис. 2 и рис. 3. Однако представленная на рис. 2 зависимость рср = у(уу) имеет нелинейный
характер, отличный от теоретического ртр = Vуру + (1 - Vу ) (где Vу -
объёмная степень дисперсной фазы; ру, р5 - плотность наполнителя и
вяжущего, соответственно), что можно объяснить влиянием пористости в серных композитах (рис. 1):
рпР ^уРу +(1 ^уК
где vп - пористость. а)
р,
ср
б)
Ц)бщ П2
И,
Птт
Рис. 1. - Зависимости средней плотности и пористости серных мастик от
объёмной степени наполнения
0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 Объемная степень наполнения
♦ - кварцевая мука с £уд = 180 м2/кг; 4 - то же, с £уд = 300 м2/кг; □ - то же, с £уд = 420 м2/кг
Рис. 2. - Зависимость средней плотности серных мастик от степени наполнения и дисперсности наполнителя
14,00 13,00 12,00 11,00 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00
0,2
0,25
0,3 0,35 0,4 0,45 Объемная степень наполнения ► - кварцевая мука с £уд = 180 м2/кг; ь - то же, с £уд = 300 м2/кг; ■ - то же, с £уд = 420 м2/кг
Рис. 3. - Зависимость общей пористости серных мастик от степени наполнения и дисперсности наполнителя
V
V
V
V
0,1
0,15
0,5
0,1
0,15
0,2
0,25
:
Зависимость общей пористости серных мастик от объемной степени наполнения имеет экстремальный характер, при этом увеличение дисперсности наполнителя ведет к смещению экстремума в область меньших степеней наполнения (рис. 3).
В серных композиционных материалах порообразование обусловлено двумя процессами - физическим и химическим. Сущность физического процесса заключается в уменьшении объёма серы на 14,1% при переходе из жидкого состояния в твёрдое (то есть, при ее кристаллизации). Химический процесс определяется протеканием химических реакций между наполнителем и расплавом серы, в результате которых образуются соответствующие сульфиды и газообразный диоксид серы. Эти два процесса взаимосвязаны между собой и напрямую зависят от вида, количества и дисперсности наполнителя.
Из рис. 3 видно, что при достижении определённой степени наполнения, пористость материала начинает возрастать, что можно объяснить дефицитом вяжущего, который приводит к образованию в композите участков (агрегатов) из несмоченных частиц наполнителя.
Таким образом, при малых степенях наполнения V/ < V/ ор1 главным
фактором порообразованиям является процесс кристаллизации серы. Постепенное увеличение количества наполнителя приводит к закономерному снижению пористости (нисходящая ветвь П = / (V /) на рис. 3).
Минимальные значения пористости наблюдаются при объёмной доле наполнителя, равной V /-орХ. При дальнейшем увеличении степени
наполнения V/ > V/ ор1 доминирующими факторами порообразования при
температуре изготовления материала являются процессы агрегирования частиц наполнителя и поризация смеси выделяющимся диоксидом серы.
Протекание таких процессов ведет к увеличению пористости серных мастик (восходящая ветвь П = у (V у) на рис. 3).
Математическая обработка данных рис. 2 и 3 показывает, что зависимости средней плотности и пористости серных мастик от степени наполнения материала описывается следующими функциями:
рт = а + ^у + ^у , (1)
П = а + bv у + су 2 (2)
где а, Ь, с - эмпирические коэффициенты, значения которых приведены в
табл. 1 и 2.
Таблица 1
Значения эмпирических коэффициентов уравнения (1)
Удельная поверхность, 2/ м /кг Эмпирические коэффициенты
а Ь с
180 1762,12 1541,02 -1794,56
300 1780,71 1311,90 -1438,10
420 1784,24 1169,18 -1217,69
Таблица 2
Значения эмпирических коэффициентов уравнения (2)
Удельная поверхность, 2/ м /кг Эмпирические коэффициенты
а Ь с
180 14,44 -44,85 78,78
300 13,64 -34,74 62,91
420 13,51 -28,42 52,93
Значительное влияние на структурные показатели серного композита оказывают также массовая доля аппрета и время изотермической выдержки (рис .4).
а)
б)
Рис. 4. - Зависимости средней плотности и пористости серных композитов на кварцевом наполнителе с удельной поверхностью 180 (а), 300 (б) и 420 (в) м2/кг от времени изотермической выдержки и массовой доли аппрета
Анализ экспериментальных данных рис. 4 показывает, что увеличение концентрации каучука и времени изотермической выдержки приводит к повышению средней плотности, а, следовательно, уменьшению общей пористости материала. Кроме этого, изотермическая выдержка в течение 1 часа композитов на кварцевом наполнителе, поверхность которого предварительно была обработана высококонцентрированными растворами аппрета, приводит к снижению средней плотности. Объяснить это можно интенсивным выделением газообразных продуктов процесса вулканизации каучука, которые не успевают удаляться из сферы реакции. С увеличением времени изотермической выдержки газообразные продукты реакции диффундируют из смеси, что закономерно приводит к повышению средней плотности.
Таким образом, наиболее плотные серные композиты получены на кварцевом наполнителе с удельной поверхностью 180 м /кг, обработанном 30%-ти и 50%-ным раствором каучука и подвергшиеся изотермической выдержке в течение 2.. .3 ч.
Литература
1. Шитова И.Ю., Зангиева О.П. Структурообразование в наномодифицированных серных композиционных материалах // Современные проблемы науки и образования, 2015, № 1. URL: science-education.ru/121-17709
2. Шитова И.Ю., Самошина Е.Н., Махомбетова К.Н. Внутренние напряжения в наномодифицированных серных композиционных материалах // Современные проблемы науки и образования, 2015, № 1 (часть 1). URL: science-education.ru/121-17131
3. Eisaburo O., Yukio T., Tatsuya M., Yukihiko H. Effekt of y-rau Irradiation on superplasticiser and superplasticised concretes. Review 37 Jer. Meet. Cem. Assoc. Jap. Tech. Sess. Tokyо, 1993. pp. 98 - 100.
4. Болтышев С.А., Шитова И.Ю. Методика проектирования состава дисперсно-армированного серного материала // Инженерный вестник Дона, 2G17, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2G17/4435
5. Королев Е.В., Прошин А.П., Баженов Ю.М., Соколова Ю.А. Радиационно-защитные и коррозионно-стойкие серные строительные материалы. М.: Палеотип, 2GG6. 272 с.
6. Королев Е.В., Прошин А.П., Баженов Ю.М., Соколова Ю.А. Радиационно-защитные и коррозионно-стойкие серные строительные материалы. М.: Палеотип, 2GG4. 464 с.
7. Королев Е.В., Прошин А.П., Ерофеев В.Т., Хрулев В.М., Горетый В.В. Строительные материалы на основе серы. Пенза-Саранск: МГУ, 2GG3. 372 с.
8. Курилова С.Н. Прессованные цементно-минеральные композиты для дорожного строительства // Инженерный вестник Дона, 2G17, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2G17/4245.
9. Makatious A.S., Megahid R.M. Sekondaty y-dose distvibutions in light and heavy weight concrete shields. «Int. I. Appl. Radiat and Isotop» 1992. №7. pp. 569 - 573.
1G. Яушева Л.С. Серобетоны каркасной структуры: дис... канд. техн. наук: G5.23.G5. Саранск: МГУ им. Н.П. Огарева, 1998. 17G с.
References
1. Shitova I.Ju., Zangieva O.P. Sovremennye problemy nauki i obrazovanija (Rus), 2G15, № 1 URL: science-education.ru/121-177G9
2. Shitova I.Ju., Samoshina E.N., Mahombetova K.N. Sovremennye problemy nauki i obrazovanija (Rus), 2G15, № 1 (chast' 1) URL: science-education.ru/121-17131
3. Eisaburo O., Yukio T., Tatsuya M., Yukihiko H. Review 37 Jer. Meet. Cem. Assoc. Jap. Tech. Sess. Tokyo. 1993. pp. 98 - 1GG.
4. Boltyshev S.A., Shitova I.Ju. Inzhenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2017/4435
5. Korolev E.V., Proshin A.P., Bazhenov Ju.M., Sokolova Ju.A. Radiacionno-zashhitnye i korrozionno-stojkie sernye stroitel'nye materialy [Radiation-protective and corrosion-resistant sulfur construction materials]. M.: Paleotip, 2006. 272 p.
6. Korolev E.V., Proshin A.P., Bazhenov Ju.M., Sokolova Ju.A. Radiacionno-zashhitnye i korrozionno-stojkie sernye stroitel'nye materialy [Radiation-protective and corrosion-resistant sulfur construction materials]. M.: Paleotip, 2004. 464 p.
7. Korolev E.V., Proshin A.P., Erofeev V.T., Hrulev V.M., Goretyj V.V. Stroitel'nye materialy na osnove sery [Sulfur-based building materials]. Penza-Saransk: MGU, 2003. 372 p.
8. Kurilova S.N. Inzhenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2017/4245.
9. Makatious A.S., Megahid R.M. «Int. I. Appl. Radiat and Isotop» 1992. №7. pp. 569 - 573.
10. Jausheva L.S. Serobetony karkasnoj struktury [Sulphur concrete of frame structure]: dis... kand. tehn. nauk: 05.23.05. Saransk: MGU im. N.P. Ogareva, 1998. 170 p.
