CC BY
15во взаимно перпендикулярном направлении. Выведена система дифференциальных уравнений для расчета такой стержневой системы. Эта система дифференциальных уравнений с помощью разложения в ряды Фурье приведена к системе линейных алгебраических уравнений. При этом получается система уравнений на несколько порядков меньше системы уравнений, решаемой при расчете методом конечных элементов. Показан способ определения крутильных жесткостей перекрестно-стержневой системы. При подстановке определенных таким образом крутильных жесткостей в расчетную схему прогибы и усилия в перекрестно-стержневой системе практически совпадают с прогибами и усилиями, определенными с помощью метода конечных элементов как при стержневой схеме, так и при моделировании плоскими конечными элементами. Предложенная методика расчета позволяет рассчитывать железобетонные плиты, опертые по контуру, с учетом изменения жесткостных характеристик в результате образования трещин.
В перспективе предполагается разработка программы на ЭВМ для расчета с учетом трещинооб-разования.
Литература
1. Azizov T. Calculation of reinforced concrete ceilings with normal cracks accounting the Chebyshev approximation / T.Azizov, O. Melnik and others // 6 th International Scientific Conference "Reliability and
Durability of Railway Transport Engineering Structures and Buildings" Transbud-2017. - Kharkiv, April 19-21, 2017/ - S. 1-7.
2. Азизов Т.Н. Пространственная работа железобетонных перекритий. Теория и методы расчета. - Дисс. ... докт. техн.. наук. - Полтава, 2006. - 405 с.
3. Городецкий А.С., Евзеров И.Д. Компьютерные модели конструкцш. - К., 2007. - 394 с.
4. Гуревич А.Л., Карпенко Н.И., Ярин Л.И. О способах расчета железобетонных плит на ЭВМ с учетом процесса трещинообразования. // Строительная механика и расчет сооружений. - № 1, 1972.
5. Карпенко Н.И. К расчету железобетонных пластин и оболочек с учетоь трещин // Строительная механика и расчет сооружений. - № 1, 1971.
6. Карпенко Н.И. Теория деформирования железобетона с трещинами. / Н.И. Карпенко; - М.: Стройиздат, 1976. - 208 с.
7. Ржаницын А.Р. Строительная механика: Учеб, пособие для вузов. - М., 1982. - 400 с.
8. Срiбняк Н.М. Крутильна жорстшсть залiзо-бетонних елеменлв перекритлв з нормальними трь
щинами: автореф. дис.....канд. техн. наук 05.23.01
/ Срiбняк Наталiя Микола1вна; Одеська державна академгя будiвництва та архггектури. - О., 2009. -23 с.
9. Тимошенко С.П., Гудьер Д. Теория упру гости. - М., 1976. - 576 с.
10. Яременко А.Ф., Балдук П.Г. Механика материалов и конструкций. Одесса, 2001. - 251 с.
ОСОБЕННОСТИ СОСТАВА И СВОЙСТВ МАГМАТИЧЕСКИХ ПОРОД КАК СЫРЬЯ ДЛЯ
ПОРИСТОЙ КЕРАМИКИ
Белоусов О.Ю., Свидерский В.А., Черняк Л.П.
Национальный технический университет Украины «КПИ имени Игоря Скорского»
Украина, Kuев
FEATURE OF COMPOSITION AND PROPERTIES OF MAGMATIC ROCKS AS RAW MATERIAL
FOR POROUS CERAMICS
Belousov O., Sviderskyy V., Chernyak L.
National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute
Ukraine, Kyiv
АННОТАЦИЯ
Изучены разновидности магматических пород месторождений Закарпатья как возможные сырьевые материалы для изготовления пористой керамики. Установлены особенности химико-минералогического состава проб перлита, цеолита и андезита, связанные с генезисом этих пород вулканического происхождения. Проведен аналих энергетического состояния поверхности и лиофильности частиц природного сырья в сопоставлении с продуктом керамического производства - шамотом. Отмечена перспективность практического использования перлита, цеолита и андезита в качестве фракционированных наполнителей для регулирования степени лиофильности и коэффищента фильтрации пористых керамических изделий.
ABSTRACT
Varieties of igneous rocks from Transcarpathian deposits as possible raw materials for the manufacture of porous ceramics were studied. The features of the chemical and mineralogical compositions of perlite, zeolite and andesite samples associated with the genesis of these rocks of volcanic origin are established. An analysis of the surface energy state and the lyophilicity of particles of natural raw materials in comparison with ceramic chamotte
is made. The prospects of the practical use of perlite, zeolite and andesite as fractionated fillers to control the degree of lyophilicity and filtration coefficient of porous ceramic products are noted.
Ключевые слова: породы магматические, химический состав, фазовый состав, лиофильность, коэффициент фильтрации.
Keywords: igneous rocks, chemical composition, phase composition, liophilicity, coefficient of filtration.
Введение - постановка проблемы.
Использование в различных областях науки, техники, промышленности, городского и сельского хазяйства отдельных элементов и систем фильра-ции и очистки является весомым фактором оптимизации технологических процессов, решения вопросов ресурсосбережения и экологии.
При этом практическое распространение получили изделия из пористой керамики [1,2]. Выполнен ряд исследований и разработок по развитию технологи, расширению асслртимента таких изделий с учетом условий эксплуатации [3-6].
Керамику с пористостью 37-42 % для фильтрации и аэрации изготавливают по технологии, которая основывается на регулировании параметров пористости путем применения фракционированных наполнителей и специальных связующих компонентов. Изделия из таких масс формуют методами полусухого прессования или трамбования, сушат и обжигают при максимальной температуре 1150-12000С.
Получил распространение способ изготовления пористых изделий из смеси керамического шамота либо кварцевого песка со связующими - жидким стеклом и кремнефтористым натрием путем формования, сушки и обжига.
Суть способа состоит в применении наполнителя с заданной гранулометрией зерешз, которые после объемного распределенич при формовании и обжига должны образовать поры требуемого размера. При этом именно характеристики пористости считаются основным фактором, определяющим фильтрационные свойства материала [7,8].
Вместе с тем, с позиций современной химии поверхности и физической химии силикатов [9,10] очевидно, что эффективность фильтрации и очистки зависит не не только от характеристик пористости используемых изделий, но и от свойств поверхности пор, в том числе лиофильности. Это стало целью наших исследований применительно к некоторым магматическим породам как возможному сырью для производства пористой керамики.
Основная часть.
Методика и объекты исследования. В данной работе использовались хорошо апробированные в практике научных исследованиий методы физико-химического анализа сидикатных матералов [11-15]:
- определение химического состава (chemical composition analysis);
- рентгенофазовый анализ (X-ray diffraction analysis) порощковых препаратов с применением дифрактометра типа ДРОН-3М (излучение CuKa 12, напряжение 40 kV, ток 20 mA, скорость съемки 2 градуса/мин.);
- методы оценки энергетического состояния поверхности и лиофильности частиц по смачиванию при натекании полярной и неполярной жидкостью.
Объектами исследования были выбраны при-родне материалы - породы вулканического происхождения месторождений Закарпатья: берегов-ский перлит, сокирницкий цеолит, хустский андезит.
Для сравнения указанных природных матера-лов с с апробированным в производстве пористой керамики был использован шамот ПрАТ «Майдан-Вильский комбинат огнеупоров» Хмельницко1 области, являющийся продуктом обжига каолина на максимальную температуру 1250 0С.
Химико-минералогический состав материалов. Исследуемые материалы существенно отличаются по химико-минералогическому составу и физико-химическим свойствам.
По химическому составу среди пород вудкани-ческого происхождения андезит отличается от перлита и цеолита наименьщим содержанием диоксида кремния (59,7 против 68-72 мас.%), большим содержанием оксида алюминия и соответственно мен-шим количественным соотношением SiO2: Al2O3 -3,5 против 5,2-5,6, наибольшим содержанием оксидов железа (8,4 против 1,5-1,9 мас.%), суммарным количеством щелочеземельных и щелочных оксидов RO+R2O - 11,5 против 8,6-9,6 (табл. 1).
Таблица 1.
Химический состав изучаемых материалов_
Материал Содержание оксидов, мас. %
SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 CaO MgO Na2O K2O п.п.п
перлит 72,08 12,92 1,50 0,90 0,88 0,63 3,76 4,33 3,00
цеолит 68,02 13,04 1,92 0,30 2,71 1,63 1,57 2,64 16,94
андезит 59.70 16.97 8.42 0.72 5.76 1.21 2.68 1.82 1.11
шамот М-В 64,26 25,07 1,40 0,29 0,48 0,42 1,09 3,28 2,32
В свою очередь проба перлита при RO+R2O = 9,6 мас.%отличается от цеолита и андезита преимущественным содержанием щелочных оксидов №20 + К20 = 8,1 мас.% и меньшим количеством щело-чеземельных оксидов Ca0+Mg0 - 1,5 против 4,37,0 мас.%.12,9-17
В целом пробы магматических пород отличаются от пробы керамического шамота меньшим
количеством А1203 12,9-17,0 против 25,1 мас.%, большим содержанием оксидов R0+R20 - 8,6-11,5 против 5,3 мас. %.
Результаты рентгенофазового анализа позволили установить особенности минералогического состава и структуры изучаемых материалов (рис. 14).
900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
70 68 66 64 62 60 58 56 54 52 50 48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2
Рис. 1. Дифрактограмма пробы перлита. Обозначения: v кварц, А полевой шпат
Очевидно, что структурные особенности материалов проявляются в степени развития стекло-фазы, составе кристаллических фаз и их количественных соотношениях.
Среди пород вулканического происхождения перлит отличается преимущественным развитием стеклофазы с включениями кристаллических фаз кварца и полевого шпата.
Пробы цеолита и андезита характеризуются преимущественным развитием кристаооических фаз. Однако их состав различен: в природном со-кирнитском цеолите основные кристаллические фазы представлены системой цеолит (клиноптило-лит) - кварц - полевые шпаты, в случае хустского андезита - системой олигоклаз (андезин) - авгит -магнетит с примесями роговой обманки и биотита.
Рис. 2. Дифрактограмма пробы цеолита. Обозначения: z цеолит, v кварц, + каолинит, А полевой шпат
Шамот, изготовленный из необогащенного каолина при обжиге на 1250 0С, характеризуется кристаллическими фазами кварца, кристобалита и муллита.
Рисунок 3. Дифрактограмма пробы андезита. Обозначения: А олигоклаз-андезин, • авгит, □ магнетит,о роговая обманка, х биотит
Рис. 4. Дифрактограмма пробы шамота. Обозначения: V кварц, Укристобалит, + муллит, А полевой шпат,о гидрослюда
Свойства поверхности и лиофильность материалов. Проведенный анализ степени смачивания частиц пород полярными и неполярными гид-костям, коэффициентов фильтрации и удельной эффективной поверхности) является важным для оценки эффективности применения изучаемых материалов в технологи производства и эксплуатации пористой керамики.
Полученные результаты экспериментов свидетельствуют о существенных отличиях вышеуказанных показателей свойств поверхности как между
пробами вулканических пород, так и по сравнению с керамическим шамотом (табл. 3).
Так, среди вулканических пород перлит характеризуется существенно меншим смачиванием водой, чем цеолгг и андезит: Вн составляет 0,45 против 0,69-0,71.
В случае неполярной жидкости (ксилол) наибольшим смачиванием отличается цеолит Вн1=0,47 против 0,31-0,35 для перлита и андезита..
Таблица 2.
Свойства поверхности изучаемых материалов_
Материал Смачивание при натекании Коэффициент фильтрации, К10-6 см3 •с/г Удельная эффективная поверхность, м2/г Условный tgS
вода ксилол вода ксилол
перлит 0,45 1,82 0,31 0,54 4,49 2,89 0,016
цеолит 0,71 2,97 0,47 2,10 18,1 12,9 0,025
андезит 0,69 1,35 0,35 0,63 10,11 5,03 0,027
шамотМ-В 0,79 1.32 0,45 0,69 12,30 6,17 0,028
Относительно коэффициента фильтраци очевидно, что цеолит отличается большими показателями, чем перлит и андезит: по воде - 2,97 против 1,35-1.82-Ш"6 см3-с/г, по ксилолу - 2,10 против0,54-0,63 10-6 смЧ/г.
Эффективная удельная поверхность изучаемых материалов является важным показателем для оценки факторов смачивания, структуры и энергетического состояния поверхности материалов.
Согласно экспериментальным данням среди изучаемых вулканичнских пород наибольшей удельной эфективной поверхностью по воде и ксилолу обладает цеолит - соответственно 18,1 и 12,9 м2/г, а наименьшей -перлит: 4,49 и 2,89 м2/г.
К керамическому шамоту по показателям коэффициентов фильтрации , удельной эффективной поверхности и условного tgS наиболее близок андезит, а по смачиванию водой и ксилолом - цеолит.
Выводы
1. Особенности состава и свойств поверхности исходных сырьевых компонентов относятся к факторам ошгашзации и повышения эксплуатационной эффективности фильтрующих материалов, в том числе пористой керамики.
2. Формирование свойств компонентов пористой керамiки соответствует принципу современного материаловедения про последовательность со-став^ структура^ свойства. При этом установленные особенности лиофильности, коэффициента фильтрации и фазообразования в случае магматических пород связаны с их генезисом - составом и условиями твердения продуктов вулканической активности.
3. Приведенные результаты ииследований показывают перспек-тивность использования разновидностей пород вулканического происхож-дения в технологи производства пористой керамики для регулирования степени лиофильности и коэффициента фильтрации.
Литература
1. Смирнова К.А. Изготовление, свойства и применение силикатных фильтрующих материалов. - М.: ВНИИЭСМ, 1965. - 30 с.
2. Смирнова К.А. Пористая керамика для фильтрации и аэрации. - М.: Стройиздат, 1968. -172 с.
3. Родина Т.И. Фильтрующая керамика для очистки промышленных серных кисдот / Т.И. Родина, П.Г. Трунов // Труды института НИИстрой-керамика. - 1968. - вып. 29. - С. 99 - 108.
4 Фарсиянц С.Ю., Опалейчук Л.С., Романова В.И. Новые виды фильтрующих изделий / С.Ю. Фарсиянц, Л.С. Опалейчук, В.И. Романова // Стекло и керамика. - 1989. - № 8. - С. 17-18.
5. Khemakhem Sabeur. New ceramic membranes for tangential waste-water filtration /Sabeur Khemakhem, R. Ben Amar, R. BenHassen, A. Larbot, M. Medhioub, A. BenSalah, L. Cot // Desalination, 2004/ - Vol. 167. - pp. 19-22.
6. Белоусов О.Ю. Пористая керамика для систем водоочистки / О.Ю. Ьелоусов // Строительные материалы и изделия. - 2007. - № 1(42). - С.27 -28.
7. Смирнова К.А. Факторы, определяющие основные свойства пористых материалов для фильтрации и аэрации. // Труды института НИИстройке-рамика. - 1968. - вып. 29. - С. 108 - 120.
8. Черепанов Б.С. Взаимосвязь структуры и свойств пористой керамики / Б.С. Черепанов, Д.И. Давидович, С.Ю. Фарсиянц // ВНИИЭСМ. Сер. Керамическая промышленность. - 1986. - Вып. 1. - С. 2 - 4.
9. Куковский Е.Г. Роль поверхности глинистых минералов во взаимодействии с дисперсионной средой // Физико-химическая механика и лио-фильность дисперсных систем. - К.: Наукова думка. -1968. - С. 14 - 19.
10. Свщерський В.А. Фiзико-хiмiчнi властиво-сл поверхш каолшв i каолшггвмюних глин та гх водних дисперсш / В.А. Сввдерський, В.Г. Сальник, Л.П. Черняк. - К.: Знання, 2012. - 166 с. - (Сучасна наука).
11. A Easton. Chemical Analysis of Silicate Rocks, Volume 6 / Elsevier, 1972. - 270 p.
12. D. Hutchison. Chemical Methods of Rock Analysis / UK: Butterworth-Heinemann, 1981. - 379 p.
13. Экспериментальная и техническая петро-графiя / [Е.Н. Граменицкий, А.Р. Котельников,
A.М. Батанова, Т.И. Щекина, П.Ю. Плечов] - М.: Научный Мир, 2000. - 416 с.
14. Свщерський В.А. 1нструментальш методи хiмiчного анатзу силжатних систем. Навчальний поабник / В.А. Сввдерський, Л.П. Черняк, В.Г. Сальник, В.М., О.О. Сжорський, Н.О. Дорогань //. -Кшв. - 2017. - 163 с.
15. Пащенко А.А., Крупа А.А., Свидерский
B.А. К вопросу опредиления гидрофобности пористых дисперсных материалов // Докл. АН УССР. -Сер. Б. - 1974. - №10. - С. 913-916.
