CC BY
20
Методика проектирования состава дисперсно-армированного
серного материала
С.А. Болтышев, И.Ю. Шитова ФГБОУВО Пензенский государственный университет архитектуры и строительства,
г.Пенза
Аннотация: введение волокна в состав композита приводит к изменению структуры, свойств и технологии изготовления материала. В настоящей работе представлена методика расчета составов диспресно-армированных серных материалов. Представлены формулы для определения суммарной поверхности частиц наполнителя и волокон; поверхности, количества и объема одного волокна; коэффициента армирования; объемной доли наполнителя; масс серы, наполнителя, волокон и модификаторов. Ключевые слова: проектирование, сера, серный бетон, серная мастика, дисперсно-армированный материал, композит, наполнитель, волокно, оптимизация состава, объемная доля, коэффициент армирования, плотность, структура.
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
1
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:
= Яу- + 8у! = шш^ (1)
где 8 ор- - оптимальная поверхность раздела фаз; Я у, - 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:
6У/,ор- Уо
8 °р'" ^ • (2)
где V/ ор- - оптимальная объемная доля наполнителя в мастике; У0 - общий объем; й/ - диаметр частицы наполнителя.
Суммарная поверхность частиц наполнителя равна:
- 6^Уо 2 6vfУ0 Бг = Нг - 8/ = /■-П./ = -/°, (3)
где V у- - объемная доля наполнителя; N у - количество частиц наполнителя;
Б у - поверхность одной частицы наполнителя.
Суммарную поверхность волокон определим:
Б! = N1 - 8 А , (4)
где N1 - число волокон; 8/1 - поверхность одного волокна. Количество волокон равно:
Уп
= ф, (5)
У А
где У л - объем волокон; У а - объем одного волокна:
тл (1 ЦК Р,
УЛ =—=—--; (6)
Р, Ра
здесь т 1 - масса волокон: т, = (1 -V ^ )У0цр,,; р^ - плотность волокон; ц
- коэффициент армирования композита, выраженный в % от массы серы; р,
- плотность серы.
Объем волокна определяется по геометрическим размерам:
— п 1
= 4 а Ц, (7)
где а,, 1 - соответственно, диаметр и длина волокна.
Подставляя выражения (7) и (6) в формулу (5), получим:
4(1 -VI )цУ0 р,
МА =-^-1--Р. (8)
пйА " А Р А Поверхность одного волокна приближенно равна:
Б А ■ I,. (9)
Подставляя формулы (8) и (9) в выражение (4), получим:
4(1 -VI)У р, ЗА, =-dí--Р ■ <10)
аА р А
По Ромуальди число волокон в единице объема равно:
4 Ц0 Р
п
п 1 я
(11)
где Р - площадь сечения образца материала; А - площадь поперечного сечения волокна; цо - объемный коэффициент армирования материала. Объемный коэффициент армирования связан с ц соотношением:
V
Мс
/I
т
/I
(1 -У/ )PsVo М (1 -Уг )Р* М
/
К
К Р/1 Vo Р/1 Р/1
Подставляя выражение (12) в формулу (11), получим: 4 (1 -У/)Р8М 4^ _(1 -У/)М Р*
2 3 2 *
р/1 П р п й р р/1
(12)
П/1 _ 2
(13)
п~ Р/1 пй/ п Значения П/1 можно также определить, используя решетчатое приближение (рис. 1):
4П7
п
/I
п(й/1 + к* У
(14)
где И3 - толщина прослойки серной мастики; п - максимальная степень наполнения.
Из выражений (13) и (14) м равно:
М
тг2Пй а Р/1
4(1 -V/ )(й/ + Н3 )2 Р8
(15)
У / \ О У о У о / ч / \ У о! \
\ V — У ч ^У \
о ) о 1 о I о , >>
\ V /' У ч_ ч /' ч /"'***" / \ ч Ч ''
ч \ v с \ О ) О X о . / ^У /
к
Рис. 1. - Структура дисперсно-армированного материала Подставляя выражения (15), (10), (3), (2) в формулу (1), получим:
л2цй.
6у/ ,орК й,
6У/Ко
+ ■
ч "/ (йл + К У
Из формулы (16) У/ определится:
(16)
1
1^1/- йА ' й /
'' - ''216 . (17)
Определив объемную долю наполнителя в мастике, можно рассчитать расходы компонентов:
- масса наполнителя
т/ =у/Уо Ра ; (18)
- масса серы
та =(1 -УГ V Р3; (19)
масса волокна
О о
71 цй ЛрпУо
т> ^ V КР'=(20)
При введении модификаторов (тс = а8т8 = 0,01- а3 (1 -V/ )Ко р3, где а3
- количество добавки, выраженной в % от массы серы) суммарный объем компонентов превышает ¥о и поэтому необходимо ввести коэффициент пересчета:
V I р
К = — = 1 +-+ 0,01-а5 (1 -vf), (21)
* К 4(й/ + к3)2 ^ рс К }
где рс - плотность модификатора.
Тогда уточненные расходы компонентов равны:
/1 . / 1 .
тг =--тг; т„ =--т„;
/ к / к
/1 . /1
тА1 = Т' тА; тс = Т' тс
(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.
Литература
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 у - 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 у - 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/121-17131
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.
References
1. Bazhenov Ju.A., 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.
2. 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. Tokyo, 1993. pp. 98-100.
3. Korolev E.V., Proshin A.P., Boltyshev S.A., Koroleva O.V., Avdeeva E.N. Izvestija tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Vypusk 3. Tula TGU, 2002. pp. 142-146.
4. Korolev E.V., Proshin A.P., Boltyshev S.A., Makarov O.V. Materialy nauchno-tehnicheskogo seminara. Sovershenstvovanie metodov proektirovanija sostavov betona. Ukraina, Rovno, Rovenskij GTU, 2001. pp. 104-109.
5. Kudrjavcev P.G., Figovskij O.L. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2476
6. Kurilova S.N. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2017/4245
7. 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.
8. Shitova I.Ju., Samoshin E.N. Sovremennye problemy nauki i obrazovanija, 2015, № 1 (chast' 1); p. 106. URL: science-education.ru/121-17131
9. Jausheva L.S. Serobetony karkasnoj struktury [Serebyany frame structure]. Dis... kand. tehn.nauk. Saransk: MGU im. N.P. Ogareva, 1998. 170 p.
10. Solomatov V.I. Materialy jubilejnoj konferencii. M.: MIIT, 2001. pp. 56-66.
11. Solomatov V.I. Materialy jubilejnoj konferencii. M.: MIIT, 2001. pp. 41-56.
12. Bazhenov Ju.M., Danilov A.M., Korolev E.V., Gar'kina I.A. Arhitektura i stroitel'stvo, 2006, №1. pp. 45-54.
13. Antonov A.V. Sistemnyj analiz [System analysis]. M.: Vysshaja shkola, 2004. 454 p.
