CC BY
13
По -
с. 2, В)+Сс2) 1=1 ¡=*+1
+ с„2 ви
+\
/ 100
(4)
и
где Св, Сс, См
г
качество
2); В,
кое кос
оценка в баллах (высо-4, среднее — 3, низ-- весомость показателей при балле 4. В« — весомость показателей при балле 1 Ви — весомость показателей при балле 2: ¡, и — число показателей с одинаковой оценкой. -
Качсттво работы будет овггаться летворите^ышм, если
Пс < По ^ п.
Например, подставив данные из табл. 2 в уравнение (4), получим П< « - 3,2, т. е. качество выполнения вспашки среднее.
Такую оценку качества механизированных работ целесообразно применять ко •сем операциям технологического протес са: обработке почвы, посеву и посадке, ухоцу за посевами и посадками, уборке (2).
ЬИЬЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Аблин Л. Км Карпов А. М Огтмсзация ргжимои использования мшшшнентршегарных агрега-кы (на примере пахотных с трактором Т-4 А) // Вопрскм эксплуатации маигинно-тракторного парка. Челябинск, 1975 С 15 — 23,
2 Карпов А. М К вопросу комплексной оценка »естна ^ ■ аниэированных работ в полевод-
стве // Повышение эффективности использования сельскохозяйственной техники Нечерноземной вены РСФСР. Межвуз об научн. тр Саранск, \НУ С 153 156.
3. Кирг^ая Ю. К. Резервы в ишомон нии машинно-т|пк10рно10 ^рарка. М. Колос, 1996 256 с.
ООООООООООО>ООСООООООООООООООО
*
СТРУКТУРНЫЕ АСПЕКТЫ ФОРМИРОВАНИЯ КАРКАСНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В. Т. ЕРОФЕЕВ, кандидат технических наук
Каркасные композиционные строительные материалы относятся к высоконапот ненным композитам. Их получают путем предварительного соединения посредством склеивания или сплавления зерен крупного заполнителя в пористый каркас, пустоты которого затем заполняются матричной композицией. Данная технология позволяет получать различные виды эффективных строителиых материалов и изделий, применяющихся ш строительстве: полимер-бетонные покрытия и полы; облицовочные птигки; слоистые изделия; электропроводящие материалы и т д. |2, 9 |.
Физико-техничсчкие свойства каркасных композитов и строительных изделий на их основе предопределяются структурными показателями клея каркаса, запот
нителеи и матрицы, характером геометрической упакевки заполнителей в каркасе, особенностями взаимодействия на границах заполнитель — клей, каркас -- матрица. В соответствии с .полиструктурной теорией |8 разрабатываемой профессором В И. Соломатовым для анализа структуры каркасных композитов выделим четыре структурных уровня: микроструктура — структура клея каркаса; меэост-руктура - структура матрицы; макроструктура — структура каркаса; общая структура (каркасный композит) — трех-компонентная система (клей каркаса, заполнители, матрица).
Основными требованиями, предыюляе-мыми к микроструктуре, народу с бездефектностью. высокой пречностью на рас-
«Н1
...»
способ-
тяжение, сжатие, сдвиг и долговечностью, являются высокая адгезионная прочность клея к поверхносги заполните ность релаксировать напряжения, возникающие от усадочных и температурных деформаций матрицы, а также при механическом нагружении композита. Этим требованиям в большей степени отвечают не-наполненные и мал она полненные композиты с объемной степенью наполнения
v - 0 т 0,3.
Вопросам формирования и исследования структуры ненаполненных и малопв-полненных полимерных композитов гюевя-
разработки В. Е. Гуля, П. И. Зубо-Ю. С. Липатова, Л. А. Сухаревой, позволяющие за счет технологических мероприятий, а также введения растворителей, модификаторов, пластификаторов, пигментов создавать материалы с наперед заданными физико-техническими и структурными показателями: жесткие и упру гие; стойкие к химическим агрессивным средам и циклически действующим температурам. Данные композиционные материалы находят широкое применение в < и честве лаков, красок, клеев и т. д.
К мезоструктуре (пропиточным композициям) наряду с высокой адгезионной чрочжи.гью к поверхности каркаса и дол говечностью в условиях во {действия различны^ агрессивных сред при изготовлении некоторых изделий могут предъявляться высокие требования по усилению прочности и жесткости. В качестве пролито-*чых матриц пригодны композиции с различной степенью наполнения: v » 0 + Ушах Однако с целью удешевления композитов, а также изготовления элементов, способных успешно работатъ г, условиях больших статических сжимающих нагрузок, наиболее оправдано применение выооконаполненных составов. Высо-коиаполненные композиты обладают повышенной жесткостью и прочностью при сжатии по сравнению с ненап<\лненными.
Важнейшими структурными показателями наполненных композиций являются степень наполнения и расстояние между частицами наполнителя. Объемная доля наполнителя в наполненных компсякцнях определяется из уравнения объемного расхода составляющих ее компонентой и согласно |6, 7, 10, II I записывается:
рн ш г / (1+1/3 So а р\д
з
(1)
где <ри расход наполнителя; г — плотность упаковки частиц; 55о 3 6 /дг рн — удельная поверхность наполнителя, йт — диаметр частиц; а — расстояние между частицами в связующем; ри — плотность наполнителя.
Расстояние между частицами наполнителя в композиции находится из рассмотрения модели в виде куба (6), в котором наполнители в объеме (ук) располагаются по кубической укладке. Расчеты проводятся следующим образом. Объем (ук) разбивается на N маленьких кубиков одинакового объема, в котором находится по одной частице наполнителя. Центр тяжести наполнителя располагается в центре кубика. В этом сл\чае сторона маленькою кубика будет равна а * с!г. Считая, что объем композиционного материала (Ук) равен сумме объемов наполнителя (уи) и с?«дующего (Ус>, и принимая форму наполнителей шарообразной, запишем:
N л dr/ 6
Yw- V
н
N( a+dr)3- N л dr/6
(7т / 6) d?
— — 1 - ■ ■ ^ —
(а + 1Ь)3-Чл/6) dr
(2)
Решение \ равнения (2) относительно
(а) дает:
а
/
Л
6 v„
l-3
1
dr
(3)
l*
В и хнических расчетах удобней пользоваться характеристикой массовой степе« ни наполнителя (р ж т„/пк (где тн — масса наполнителя, Шс — масса связующего). которая с показателем объемной доли наполнителя ун связана следующей
зависимосше:
Vh —
Шн
LUL
__esjt
|(mH/>H) + mc//0t)1 Рс + р Hf
1
I +(/>с 'fPн) '
(4
Заменяя в выражении (3) объемные содержания всей композиции и наполнителя массовыми частями, получим:
а
л (тс'£с + Гон (/Он)
6 mH 'pw
I dr tf)
Параметрами, характеризующими егруктуру каркаса (макроструктуры) д являются толщина пленки клеевой композиции на зернах заполнителя и геометрическая упаковка заполнителей. Зерна заполнителя должны быть ПОЛНОСТЬЮ ПОКрЫ71,1
пленкой связующего. Как неполное покрытие зерен связующим, так и ело избыток ухудщают свойства каркаса. При недостатке связующего каркас имеет низкую прочность и разрушается под воздействием различных факторов. При его избытке происходит закупорка пор в каркасе, что не позволяет производить качественную пропитку его пустот.
Толщина пленки связующего на зернах заполнителя подсчитывается по формуле:
д
к.с
Vk.K/S,
(6)
где Ук.к — Б — суммарная поверхность заполнителей.
Суммарная поверхность единицы объема заполнителей определяется произведением площади поверхности одного заполнителя на количество заполнителей:
S = я N d
2
(7)
где N и d дйаметр зерен.
соответственно количество и
Для определения геометрических показателей каркаса рассмотрим элементарную ячеик\ в которой заполнитель представляется в виде жестких сфер одинакового размера Такая модель принимается многими авторами для моделирования композитов, составленных на различных связующих и на гранулированных и волокнистых заполнителях, а также грунтовых масс [4, 121. В этом случае модели представляются в виде некоторой укладки шаров одинакового диаметра. При этом различают гексагональные, кубические упаковки, упаковки Фревеля — Крессли, Майера — Стоува и др. Для этих моделей существует универсальное соотношение между пористостью, удельной поверхностью и радиусом шара:
объем клея в каркасной смеси; гае R
R = 3(1-£)/5, радиус шара; Е = 1
S -
(8)
4/3 яИ3 п
пористость; ь — удельная поверхность, выраженная через радиус, п — число шаров в единице объема.
Регулярные упаковки характеризуются также координационным числом упаковки, которое равно числу контактов шаров с соседними шарами. Чем больше координационное число упаковки, тем меньше пористость (табл.).
Таблица
Характеристики регулярных упаковох
Характеристики
Вид упаковки
пористость
Гексагональная
Кубическая гранецентрированная Кубическая объемно центрированная
Простая кубическая Гетраэдрическая
12 12
0,2595 0,2595
8
6
0,3198 0,4764 0,6599
Плотность и пустатность заполнителей в единице объема можно определить из соотношений:
Я3= л/ [6 (l-Cos/3) VI 4- 2 Cos ft 1 ;
Пз - (1 -я3) (9)
где Р — у ran, образованный между линиями, соединяющими центры соприкасающихся шаров.
Для трехкомпонентной системы (общей структуры), т. е. каркасного композита, важнейшими структурными показателями являются количественное содержание составляющих компонентов и адгезионное взаимодействие между ними. Учитывая, что заполнители в каркасном композите соприкасаются между собой без заметной раздвижки, для расчета содержания крупного заполнителя могут быть испольэова-
ны данные, приведенные в таблице. Объемное содержание компонентов в композите определяется видом геометрической упаковки заполнителей. Рассмотрим случай наиплотнейшего заполнения объема заполнителями. Запишем единичное выражение объема каркасного композита:
Укж + Ум+ Кз = 1,
(10)
где УК к * Ум и У3 — соответственно объем клея каркаса, матрицы и заполнителей.
Степень заполнения объема шарами в случае наиплотнейшей гексагональной упаковки составляет:
0,7405 - л VТ/ 6.
(11)
Тогда количество шаров в объеме (V) будет равно:
N
л У? Уш 6 '
(12)
3
где Уш ^ я <1У6 — объем одного шара.
Записывая в формуле (12) объем шара через его диаметр, получим:
N = уП/(1
3
(13)
С учетом (6) суммарная поверхность единицы объема заполнителей будет рав-
3 = VI Л/(I.
(14)
Подставив значение Б в формулу (5>, получим выражение для определения доли объема клея в единице объема каркаса:
У
к.с
¿К С' 5 = у/7! лдк.с /<1.
(15)
С учетом известных объемов заполни-
теля и клея каркаса получим долю объема матрицы в единице оаьеАа каркаса:
У
м
1-0,7405 -уП л дКХ /й.
(16)
При формировании структуры конструкционных композиционных материалов особое внимание должно быть обращено на образование поверхностных соединений с более сильными связями (высокой адгезионной прочностью). В настоящее время существуют различные теории, по-разному объясняющие адгезию: механическая, молекулярная (адсорбционная), электростатическая, диффузионная, реологическая и
химическая |1, 3, 5 |. Данные теории, кроме механической, рассматривают адгезию как результат взаимодействия молекул, между которыми могут действовать физические, химические и межмолекулярные силы. Механическая теория объясняет адгезию как механическое соединение, возникающее за счет заклинивания и зацепления клея в неровностях, полостях, порах склеиваемых материалов.
В связи с вышеуказанным для обеспечения высокой адгезионной прочности, во-первых, необходимо способствовать получению плотного контакта между клеем и субстратом и, во-вторых, для усиления процессов взаимодействия осуществлять направленный подбор клея и субстрата с требуемыми физическими и химическими свойствами. Первое условие определяется смачивающей способностью дслея. Смачиваемость выражается через удельную работу адгезии. Удельная работа адгезии, т е. работа, затраченная на преодоление сил сцепления двух поверхностей для их разделения, определяется известной зависимостью Юнга:
л
% д.
и а = лЛ + У а ~ У 5а,
(17)
где уа, уьа — свободные поверхностные энергии поверхностей взаимодействия соответственно твердое тело — газ, жидкость — газ и твердое тело — жидкость.
Запишем выражение, связывающее поверхностные энергии со значением краевого угла смачивания ,(в):
у$ - = У а Соя в
(18)
Тогда, подставив (18) в (17), получим уравнение Дюпре:
У а = У а (1 + Соя в).
(19)
Лучшее смачивание происходит, когда поверхностная энергия твердого тела больше поверхностной, энергии на границе твердое тело — жидкость. При в » 0 происходит абсолютная смачиваемость поверхности жидкостью (жидкость свободно растекается по поверхности подложки), при в = л — абсолютная несмачиваемость. Принято считать поверхность гидрофильной (смачиваемой), если данная жидкость образует с ней угол в < л /2; при в > л /2 поверхность называется гид-
рофобной. Краевой утл смачивания зависит от шероховатости и температуры смачиваемой поверхности, содержания поверхностно-активных веществ в жидкости или на поверхности материала. При этом известно, что на гидрофильных поверхностях увеличение температуры приводит к улучшению смачиваемости (уменьшение б), а на гидрофобных — к ухудшению смачиваемости (увеличение в); увеличение шероховатости твердой поверхности увеличивает и ее смачиваемость, т. е. снижает значение б.
Для того чтобы создать условия хо-
рошего адгезионного взаимодействия, необходимо осуществлять целенаправленный подбор клея и наполнителей с требуемыми физико-химическими свойствами. Значительная роль при этом принадлежит таким показателям, как полярность, водородный* показатель и диэлектрическая проницаемость. Более высокая совместимость достигается, если данные свойства у клея и субстрата являются близкими» Наиболее стабильной является химическая связь. Согласно правилу Дебройна силы адгезии максимальны при одинаковой полярности контактирующих поверхностей.
ЬИЬЛИО)ТАФНЧНСКИЙ список
1. Берлин А. А., Васин В. Е. Основы а,чгезии полимеров. 2-е код. М. Химия, 1974. 39! с.
2. Ерофеев В. Т. Рациональные виды строительных материалов и изделий на основе каркасных бетонов // Вести Мораов. ун-та. 1992. № 1. С. 45 — 49.
3. Зимон А. Д. Алания жидкости и смачивание М.: Химия, 1974. 416 с.
4. Лейбензон Л. С. Движение природных жидкостей и газов в порисюй среде. М.: Гостехиздат, 1947. 244 с.
5. Липатов Ю. С. Межфазные явления в полимерах. Киев: \ (ауковв думка, 1980. 260 с.
Ч
6. Магрунов М. Аи, Гафуров А^ У марсе А. В.
Расчет расстояния между частицами наполнителя в композиционном материале // Пластические массы. 1983. № 9. С. 59 — 60.
7. Симонов-Емельянов И Д., Кулезнев В. Н., Трофимичева Л 3. Обобщенные параметры напол-
ненных полимеров // Пластические массы. 1989. N9 I. С 19 - 22.
8. Соломатов В. И. Элементы Общей теории композиционных строительных материалов // Изв вузов. Сер. Строительство и архитектура. 1980 № 8. С. 61 — 70.
9. Соломатов В. И. Технология полимербетонон и армополимербегонных изделий. М.: Стройиздаг. 1984. 144 с.
10. Соломатов В. И., Бобрынэев А. Щ Хим члер К. Г. Полимерные коююэдионные материалы в строительстве / Под ред. В. И. Соломатова М.: Стройиадат, 1988. 312 с.
11. Хгарцин А. Н. Плотность упаковки часгиц наполнителя в компоэгадиях // Пластические массы.
1989. № 1. С 46 — 48.
12. Хейфсц Л И, НеАмарк А. В. Мнсгофаэ-ные процессы в пористых средах. М.: Химии, 1982. 320 с.
ДЕМПФИРУЮЩИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
В. Д. ЧЕРКАСОВ, кандидат технических наук
Полимерные композиционные материалы находят широкое применение в элементах различных конструкций, воспринимающих и рассеивающих определенную часть подводимой механической энергии. В связи с этим представляет практический интерес изучение демпфирующих свойств данных материале)», оцениваемых следую-
щими характеристиками: коэффициентом потерь п, тангенсом угла потерь у, логарифмическим декрементом колебаний д. Все эти характеристики связаны между собой следующим соотношением:
