авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

«Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ...»

-- [ Страница 2 ] --

и в этом случае прочность бетона снижается пропорционально уменьшению количества связующего.

Образование жёсткого каркаса из зёрен заполнителя, то есть при формировании структуры с контактным расположением зёрен заполнителя, приводит к некоторому повышению прочности бетона, которое зависит от плотности каркаса. Плотные каркасы образуются при использовании прерывистого гранулометрического состава заполнителей. При этом эффект упрочнения реализуется в смесях, содержащих 4…5 фракций заполнителя.

На свойства как микроструктуры, так и бетонов значительное влияние оказывает пористость. Минимальное значение пористости характерно для оптимальной структуры: у связующих такая структура формируется при f,opt, а у бетонов – при зап. Увеличение св opt прочности, представленное на рис. 2.1 и 2.3, объясняется снижением пористости в результате уменьшения количества вяжущего вещества, которое, находясь в вязкопластичном состоянии, в процессе перемешивания вовлекает воздух. Снижение прочности связующего и бетона при зап зап f f,opt и обусловлено недостатком вяжущего вещества. Установлено, что св св opt значительное влияние на свойства композитов оказывают не только абсолютные значения пористости, но и её дифференциальные и интегральные характеристики (распределение пор по диаметрам, удельная поверхность порового пространства, величина открытой пористости и др.).

Анализ многочисленных экспериментальных данных показывает, что зависимость прочности от пористости композитов удовлетворительно описывается экспоненциальной функцией R = a exp( b П ), где a, b – эмпирические коэффициенты.

Rб Структура с «плавающими» Структура с контактным Rсв зернами заполнителя расположением зерен заполнителя Rб, max Rзап Rсв зап зап св св opt Рисунок 2.3 – Обобщённая зависимость прочности бетона Достижением полиструктурной теории является создание каркасных бетонов, получаемых пропиткой связующим подготовленного каркаса из крупного заполнителя [69]. Такая технология позволяет на стадии проектирования материала определять критерии для оптимизации структуры каркаса и связующего, что обеспечивает получение композитов с заданными свойствами на основе различных вяжущих, в том числе малосовместимых.

В рамках полиструктурной теории были получены следующие научно-технические результаты [69, 70]:

показана возможность регулирования физико-технических свойств композитов 1) изменением фильности поверхности заполнителей и устрой-ства эластичных слоёв по их поверхности;

в рамках интенсивной раздельной технологии обоснованы целесообразность 2) использования антагоничных поверхностно-активных веществ и добавок, проведения технологического процесса в различных температурных условиях, а также применения турбулентных и других быстроходных смесителей;

3) доказана рациональность дифференцированного подхода к выбору режимов уплотнения смесей, так как реологические свойства микро- и макроструктуры различны;

4) обоснована целесообразность полидисперсного армирования;

5) разработана интенсивная раздельная технология, обеспечивающая получение стойких и долговечных строительных композитов и позволяющая сократить длительность тепловой обработки на 15…20 %. Предлагаемая технология следует из полиструктурной теории, и она основана на принципе раздельного формирования микро- и макроструктур композита в режимах, близких к оптимальным.

Дальнейшее развитие полиструктурной теории предполагает решение следующих задач [69, 70]:

1) установить зависимости свойств композитов от концентрации клеящего вещества и параметра, интегрально определяющего интенсивность энергетического взаимодействия в контактной зоне;

разработать двухстадийные композитов, методы проектирования составов 2) базирующиеся на оптимизации составов на уровне микро- и макроструктуры;

3) решить топологические проблемы упаковки смеси заполнителей различной плотности, разных размеров и формы;

разработать бетонных смесей, новые методы оценки удобоукладываемости 4) приготовленных по интенсивной раздельной технологии;

5) установить закономерности (гидродинамические) движения масс связующих, в том числе цементных суспензий, в быстроходных смесителях и расширить представления об особенностях подвергающихся сильным гидратации вяжущих и о структурообразовании смесей, гидромеханическим воздействиям;

6) определить технологические режимы изготовления композитов с учётом многообразия требований к бетонным смесям, применяемым вяжущим веществам, заполнителям и другим компонентам материала.

Преодоление неопределённостей целей при многокритериальной оптимизации 2. В строительном материаловедении исследователь часто решает задачи в условиях ограниченности информации об исследуемом процессе или объекте, так как «адекватное реальности описание проблемы практически всегда содержит различного типа неопределённости, отражающие то естественное положение, в котором находится исследователь: любое его знание относительно и неточно [71]».

Указанное особенно справедливо при разработке нового строительного материала, который должен по показателям эксплуатационных свойств, экономическим и технологическим характеристикам превосходить базовый материал. В этом случае возникает задача по формализации и формулировке единой цели при наличии большого количества частных критериев (т.е. показателей эксплуатационных свойств, определяющих качество материала;

технико экономических показателей технологии и др.):

f1 ( x1, x2,...xm ) f1,max, f 2 ( x1, x2,...xm ) f 2,max, … f n ( x1, x2,...xm ) f n,max.

Часто задачу синтеза строительного материала формулируют таким образом, что критерии являются противоречащими друг другу, например: добиться максимального качества материала при минимуме затрат. Подобные формулировки строго научного смысла не имеют, так как минимум затрат – нуль, а с нулевыми затратами произвести какую-либо работу нельзя.

Обозначенная проблема и есть проблема неопределённости цели (желаний). Она типична для любого крупного технического, народнохозяйственного проекта. Для преодоления неопределённостей необходимо сформулировать ещё дополнительные гипотезы, не вытекающие из постановки задачи.

Принято различать три типа неопределённостей [71]:

1) неопределённость целей;

2) неопределённость знаний об окружающей обстановке (неопределённость природы);

3) неопределённость действий реального противника или партнёра.

Подробно рассмотрим преодоление неопределённости целей.

а) Линейная свертка. Вместо n частных критериев fi предлагается рассматривать один критерий вида n F ( x) = ci f i ( x), i = где ci – некоторые положительные числа, нормированные заданным способом (например, n ci = 1 ).

i = Такой способ свёртки вводит, по существу, отношение эквивалентности различных критериев (целевых функций), так как величины ci показывают, насколько изменяется целевая функция F (x) при изменении критерия f i (x ) на единицу: ci = dF / df i.

Коэффициенты ci – результат экспертизы – отражают представление исследователя (заказчика) о содержании компромисса, который она вынуждена принять. Таким образом, содержание компромисса состоит в ранжировании целей, которое вместе с назначением весовых коэффициентов и является той дополнительной гипотезой, которая позволяет свести задачу со многими критериями к задаче с единственным критерием.

б) Использование контрольных показателей. Часто в задачах планирования и * * * проектирования задаётся некоторая система нормативов: f1, f 2, …, f n. Это значит, например, что параметры нового материала (конструкции) должны быть таковы, чтобы максимизировать функции f i (x ) при условиях f i ( x) f i, i= 1, 2, …, n.

* В таких случаях целевую функцию удобно представить в виде f i ( x) F ( x) = min * fi и искать вектор х, который обеспечивает максимальное значение F(x). Смысл здесь достаточно прост. При данном значении вектора х величина F(x) даёт значение наихудшего из по казателей f i (x ). Значит, условие F(x)max означает выбор такой системы рецептурных и технологических факторов х, которая максимизирует отношение i-го реально достигнутого * значения критерия к его контрольному значению. Если значения f i жёстко не заданы (не установлены фиксированные значения), то они могут быть определены в результате экспертного опроса.

в) Простейший способ преодоления неопределённости целей. Предположим, что введена * некоторая система контрольных показателей f i, относительно которых критерии f i (x ) должны удовлетворять ограничениям f i ( x) f i, * i=1, 2,…, n.

Предположим также, что, кроме того, среди критериев fi выделен некоторый основной, например f i (x ). Тогда задача сводится к однокритериальной f i ( x) max при удовлетворении установленных ограничений.

Схема подобной редукции к однокритериальной задаче является, вероятно, самой простой и наиболее употребительной в инженерной практике. Задача технолога (проектировщик) сводится только к назначению допустимых границ используемых показателей.

г) Введение метрики в пространстве целевых функций. Рассмотрим ещё одну широко используемую гипотезу. Предположим, что система однокритериальных задач решена f i ( x) max, i=1, 2,…, n и в i-й задаче определён вектор х=хi, доставляющий максимальное значение критерию f i (x ) :

f i ( xi ) f i, i=1,…, n Совокупность скалярных величин f i определяет в пространстве критериев некоторую точку, которая получила название точки «абсолютного максимума». Если векторы xi различны, то не су ществует такого выбора, который позволил бы достичь этой точки: точка ( f1, f 2,…, f n ) является недостижимой в пространстве критериев. Введём теперь положительно определённую матрицу R =(rij). Тогда скалярная величина ( f ( x) h= f i )rij ( f i ( x) f j ) i i, j определяет в пространстве критериев некоторое расстояние от точки, соответствующей данному вектору х, до точки «абсолютного максимума». В частном случае, когда R – единичная матрица, ( f ( x) h= fi ) i i есть евклидово расстояние от точки (f1(x), f2(x),…, fn(x)) до точки ( f1, f 2,…, f n ) в пространстве критериев.

В качестве нового скалярного критерия можно принять функцию h. Её минимизация даёт определённую, полезную исследователю информацию: показывает предельные возможности достижения «абсолютного максимума».

Введение подобных критериев также соответствует определённым гипотезам, принятие которых исследователь осуществляет на основе эвристического анализа.

д) Компромиссы Парето. Решая многокритериальные задачи, естественно попытаться найти способы сведения их к задачам с одним критерием, так как для однокритериальных задач существуют хорошо разработанные методы решения. Эти способы часто имеют неформальный характер, так как они не могут быть получены как результат решения математической задачи.

Решение многокритериальных задач можно проводить также путём сокращения множества исходных вариантов, то есть исключения из неформального анализа тех вариантов решений, которые заведомо будут плохи. Один из подобных путей предложил итальянский экономист В.

Парето в 1904 г.

Предположим, что сделан некоторый выбор. Обозначим его через х* и предположим, что существует некоторый другой выбор x, такой, что для всех критериев fi(x) имеют место нера венства f i ( x ) f i (x * ), i=1, 2,…, n, причём хотя бы одно из неравенств – строгое.

Очевидно, что выбор x предпочтительнее х*. Поэтому все векторы х*, удовлетворяющие неравенствам, следует исключить из рассмотрения. Имеет смысл заниматься сопоставлением, подвергать неформальному анализу только те векторы х*, для которых не существует такого x, при котором для всех критериев удовлетворяются неравенства. Множество всех таких значений х* называют множеством Парето, а вектор х* – неулучшаемым вектором результатов (вектором ( ) для любого i следует f (x ) = f (x ).

Парето), если из f i ( x ) f i x * * i i В теории принятия решений существует термин «принцип Пaрето», заключающийся в том, что выбирать в качестве решения следует только тот вектор х, который принадлежит множеству Парето. Принцип Парето не выделяет единственного решения, он только сужает множество альтернатив. Окончательный выбор остаётся за лицом, принимающим решение.

Определение химического состава радиационно-защитного материала 2. Специфика взаимодействия ионизирующего излучения с веществом накладывает определённые ограничения на возможности материаловедов в синтезе защитных материалов.

Очевидно, что структура радиационно-защитного материала должна быть плотной, обеспечивающей эффективное поглощение излучения. При этом такие материалы вследствие значительных структурных преобразований не будут обладать высокой стойкостью.

Кристаллическая структура радиационно-стойкого материала должна быть рыхлой, обеспечивающей относительную «прозрачность» материала к излучению. Отсюда очевидно, что эффективность защитного материала определяется видом излучения, предназначением и химическим составом композита.

Выбор химических элементов. Практика эксплуатации особо тяжёлых и гидратных бетонов показывает, что эффективность таких материалов определяется сочетанием лёгких, средних и тяжёлых элементов [72…74]. При выборе таких элементов необходимо учитывать как их защитные характеристики, так и доступность (объём добычи). Одним из возможных обобщённых критериев выбора химических элементов для радиационно-защитных материалов является обобщённый критерий эффективности:

( fn )i (Vд )i (µ )i ( hn )i = + + (Vд )э 1 (µ )э 2 ( fn )э 3 ( hn )э, kef (2.1) где µ – коэффициент ослабления гамма-излучения;

fn – коэффициент выведения быстрых нейтронов;

hn – коэффициент выведения тепловых нейтронов;

Vд – объём добычи элемента;

i – коэффициенты весомости;

индексы «i» и «э» соответственно относятся к выбираемому и эталонному элементам.

Базами данных могут служить геологические сведения и физические свойства элементов, например [75, 76]. Для расчёта по выражению (2.1) эталонными элементами (контрольными показателями) выбраны: плутоний (при энергии гамма-излучения 0,5 МэВ – µ = 82,2 см-1;

при Дополнительной гипотезой для преодоления неопределённости при определении химических элементов является установление контрольных показателей (см. подразд. 2.1.3.).

энергии 1,0 МэВ – µ = 32,4 см-1;

при энергии 2,0 МэВ – µ = 19,6 см-1), гадолиний ( hn = 4,9 барн) и водород ( fn = 0,344 см-1).

Анализ расчётных данных показывает, что для значений критерия эффективности свойственен существенный разброс: большинство элементов имеют значение kef 0,0001. Только 20 элементов обладают достаточно высокими значениями kef (табл. 2.1).

Таблица 2. Значения kef для некоторых элементов Значения kef 1,0–0,1 0,1–0,01 0,01–0,001 0,001–0, B, F, Сu, Cr, Zn, Ba, H C, Na, Cl, Mn, N, O, Al, S, K, Ca, Fe Pb Si Также следует отметить, что распределение элементов по атомной массе соответствует основным положениям космохимии [77] (наибольшее количество химических элементов относится к лёгким и средним элементам).

0, Относительное значение 0, 0, характеристики 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 20 40 60 80 Порядковый номер гамма-излучение;

тепловые нейтроны;

быстрые нейтроны Рисунок 2.4 – Зависимость эффективности защиты от порядкового номера элемента Pb Si H Среднегеометрическое значение Значение коэффициента эффективности 0, Среднеарифметическое значение 0, 0, Cl 0, Mn 0, 0, 0, 0, 0, 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Порядковый номер элемента Рисунок 2.5 – Распределение элементов по эффективности Анализ полученных данных (рис. 2.4, 2.5) показывает, что радиационно-защитные свойства химических элементов для каждого вида излучения (кроме тепловых нейтронов) изменяются в зависимости от заряда ядра атома: с его увеличением эффективность защиты от гамма-излучения возрастает, а коэффициент выведения быстрых нейтронов уменьшается.

Это вызывает естественные сложности при определении химического состава защитного композита: при использовании критерия (среднеарифметическое значение) ( ) 1 (µ ) ( hn )i k= + + fn ( ) i i 3 (µ ) ( hn )э fn э э элементами, эффективными для защиты от ионизирующего излучения, являются: водород, свинец, кремний, а при использовании критерия (среднегеометрическое значение) вида:

k = 3 (µ )i ( fn )i ( hn )i (µ )э ( fn )э (hn )э эффективные элементы – кремний, хлор и марганец.

Очевидно, что на основе указанных элементов синтезировать защитный композит с высокими показателями эксплуатационных свойств затруднительно.

Определение химического состава композита. Учитывая аддитивное влияние каждого элемента на величину защитных характеристик, закономерно предположить, что идеальный защитный материал должен содержать водород, кремний и свинец в количествах, равных 33,3%.

Установление рецептурных ограничений на содержание отдельных указанных химических элементов приводит к закономерному пропорциональному увеличению содержания оставшихся эффективных элементов. Отсюда очевидно, что остальные химические элементы (кроме водорода, кремния и свинца) в композите будут содержаться в микроколичествах, выполняя при этом функции легирующих элементов, модификаторов и т.д.

Важным свойством, определяющим эффективность материала, является однородность состава, обеспечивающаяся равномерным распределением компонентов в объёме композита.

Рациональным способом однородного распределения элементов, содержащихся в микроколичествах, является их размещение на высокоразвитой границе раздела фаз. Указанное предполагает целесообразность увеличения дисперсности специальных наполнителей и (или) предварительную обработку их поверхности, а также синтез наноструктур.

Рассмотрим, например, одно из содержащих эффективные элементы (водород и кремний) вяжущих веществ, традиционно применяемых в строительной индустрии [78, 79] для изготовления радиационно-защитных бетонов, – жидкое стекло. Его химический состав накладывает очевидные ограничения на количества натрия, кремния, кислорода и водорода в композите. Учитывая указанное и используя формулы для расчёта защитных характеристик ослабления излучения, получаем:

µ µ = k P ;

i =1 i i fn = P( fn )i ;

hn = P(hn )i, i i i = i = µ (где Pi – содержание элемента;

– массовый коэффициент ослабления гамма-излучения i химическим элементом;

k – средняя плотность композита) составы жидкостекольных композитов, имеющие максимальные значения обобщённого коэффициента эффективности:

Отсюда также становится очевидным правомерность использования результатов определения эффективных элементов как среднеарифметического значения вкладов отдельных защитных характеристик.

[µ ( E ) ] + ( ) ( hn )i i fn i = + 3 max.

[µ ( E ) ] ( ) kef ( hn ) H (2.2) 1 Pb fn H Анализ расчётных данных показывает, что значения kef зависят от количества жидкого стекла Pw (5…50 %) и его силикатного модуля M Si (1…15):

– для смешанного гамма-нейтронного (быстрые и тепловые нейтроны) излучения ( 1 = 2 = 3 =0,33 по уравнению (2.2)) ( )P 7 5 4 + 3 kef = 9 10 M Si + 3 10 M Si + 3 10 M Si 2,4 10 w + 0,3364 1 10 6 M Si + 3 105 M Si 2 10 4 M Si + 6 106 M Si ;

4 3 – для смешанного гамма-нейтронного (быстрые нейтроны) излучения ( 1 = 2 =0,5) 7 5 4 3 kef = 0,0042 Pw + 0,5088 4 10 M + 10 2 10 + 0,0009 M Si ;

M M Si Si Si – для смешанного гамма-нейтронного (тепловые нейтроны) излучения ( 1 = 3 =0,5) kef = 2 6 5 3 Pw + 6 10 + 6 10 M Si 4,7 M M Si Si 4 2 4 3 0,4513 4 10 M + 1,18 10 13,48 10 + 0,6243M Si ;

M M Si Si Si – для нейтронного (быстрые и тепловые) излучения ( 2 = 3 =0,5) kef = 6 5 3 Pw + + 4 10 + 4 10 M Si 0,3 M M Si Si 8 6 4 3 + 0,1411 5 10 M + 10 + 2 10 + 0,0002 M Si.

M M Si Si Si Составы некоторых жидкостекольных композитов, а также защитные характеристики приведены в табл. 2.2.

Анализ табл. 2.2 показывает, что обеспечить высокую эффективность защиты от ионизирующего излучения можно формированием многослойной конструкции, в которой каждый слой имеет высокие защитные характеристики к определённому виду излучения. При этом изменение рецептуры слоя не значительно.

Анализ полученных данных позволяет сформулировать принципы создания радиационно защитных материалов:

1. Химический и фазовый составы материала должны быть эффективными и определяться фактической материально-технической базой.

2. Фазовый состав должен обеспечивать получение композита с заданными показателями качества – совокупностью эксплуатационных свойств.

3. Распределение химических элементов по объёму радиационно-защитного материала (как в микро-, так и в макрообъёме) должно быть однородным.

4. Размещение химических элементов, содержащихся в микроколичествах, должно осуществляться на границах раздела фаз.

5. Формирование структуры материала с минимальными внутренними напряжениями должно осуществляться путём уменьшения размеров частиц дисперсной фазы.

Применение многокомпонентных дисперсных фаз нецелесообразно вследствие 6.

существенного снижения устойчивости технологического процесса изготовления материала (воспроизводимости технологии).

7. Эффективность радиационной защиты повышается при использовании многослойных композиционных материалов, в которых индивидуальные слои эффективно поглощают только определённый вид излучения. При этом изделие должно работать как монолитный материал.

Таблица2. Составы радиационно-защитных композитов на основе жидкого стекла и их защитные характеристики Защитные Химический состав, % характеристики Композиция б µ *, т, Mn 10-2, Cu Na Ca Zn Cr Ba Pb Fe Al Cl Si Н O K C N B F S барн см-1 см- Состав № (содержание 1,69·10- 1,78·10- 4,93·10- 7,30·10- 1,75·10- 3,09·10- 4,23·10- 1,57·10- 1,62·10- 1,32·10- 1,53·10- 1,40·10- 1,22·10- 2,58·10- 2,85·10- 14, 74, 0, 3, 6, 11,06 2,67 11, вяжущего – 25%, МSi=3, m(H2O)=4,5) Состав № (содержание 1,58·10- 1,66·10- 4,60·10- 6,81·10- 1,64·10- 2,88·10- 3,95·10- 1,47·10- 1,52·10- 1,23·10- 1,42·10- 1,31·10- 1,14·10- 2,41·10- 2,66·10- 18, 69, 1, 3, 6, 10,40 3,25 10, вяжущего – 30%, МSi=3, m(H2O)=9) Состав № (содержание 1,58·10- 1,66·10- 4,60·10- 6,81·10- 1,64·10- 2,89·10- 3,95·10- 1,47·10- 1,52·10- 1,23·10- 1,42·10- 1,31·10- 1,13·10- 2,41·10- 2,66·10- 16, 69, 0, 3, 9, 10,37 2,85 16, вяжущего – 30%, МSi=5, m(H2O)=4,5) П р и м е ч а н и я.* – при энергии гамма-квантов 1 МэВ;

цветом выделены эффективные элементы, а также максимальные значения защитной характеристики отдельного вида излучения;

m(H2O) – содержание воды в композите;

MSi – силикатный модуль.

Выбор типа структуры радиационно-защитного материала 2. Требования к качеству и безопасности современных строительных изделий и конструкций, а следовательно, и к качеству строительных материалов постоянно повышаются, для чего необходим рациональный выбор как компонентов материала, так и его структуры. Требования можно классифицировать на частные и комплексные. Частные требования определяют достаточно малый перечень свойств и узкие диапазоны их варьирования. Такие требования формулируются для материалов функционального (специального) назначения: радиационно-защитных, химически стойких, коррозионно-стойких, теплоизоляционных, жаростойких и т.д. Комплексные требования характеризуются широким перечнем свойств и значительными диапазонами их изменения.

Примером строительных материалов, удовлетворяющих комплексным требованиям, являются градиентные эпоксидные материалы, обладающие высокой атмосферо- и химической стойкостью, а также прочностью. Указанные свойства определяются как свойствами полимерной матрицы, так и низкой пористостью композита, то есть основной задачей исследователя является определение значений рецептурных и технологических факторов, минимизирующих пористость материала.

Часто при разработке материала требуемые показатели могут быть достигнуты только при одновременном формировании различных типов структур, которые реализуемы только при различных технологиях изготовления.

Пусть для i-го свойства qi установлены допустимые границы:

qi [qi,min, qi,max ], i = 1, N.

Предположим, что выбранная технология может обеспечить изменение i-го свойства в интервале qi ;

очевидно, что при выполнении условия * [q ] q, i = 1, N * i,min, qi,max i выбранная технология позволяет получить материал с заданными показателями качества. В том случае, если, независимо от выбора технологии, хотя бы для одного показателя качества [qi,min, qi,max ] qi*, то при выбранной технологии требуется привлечение дополнительных технологических приёмов.

Данные технологические приёмы должны быть такими, чтобы выполнялось условие [q ] U q T * i,min, qi,max, ij j = где T – количество технологий.

Последнее условие обосновывает использование в строительном материаловедении трёхфазных комбинированных структур (рис. 2.6).

ВИДЫ структур композиционных материалов Комбинированные Структуры Структуры структуры с твёрдыми включениями (двухфазные с газообразными включениями системы типа Т/Т) (двухфазные системы типа Т/Г) (трёхфазные системы типа Т/Г/Т) Волокнистая Дисперсная Ячеистая Поризованная Крупнозернистая С «плавающими» С контактным С замкнутыми С открытыми Хаотичное Направленное зёрнами расположением воздушными воздушными армирование армирование зёрен (частиц) ячейками ячейками (частицами) Длинными Короткими волокнами волокнами Рисунок 2.6 – Классификация видов структур композиционных строительных материалов (Т – твёрдая фаза;

Г – газовая фаза) Для выделенных типов структур зависимости эксплуатационных свойств от содержания компонентов (в первом приближении) имеют вид:

– для материалов со структурой типа «Т/Т»:

qi = qm,i (1 v f ) + q f,i v f, при v p v f ;

– для материалов со структурой типа «Т/Г»:

qi = qm,i (1 v f ), v f v p ;

– для материалов со структурой типа «Т/Г/Т»:

qi = qm,i (1 v f v p ) + q f,i v f, где индексы «m», «f» и «p» используются для обозначения вяжущего вещества, дисперсной фазы и воздушных пор;

v f и v p – объёмные доли дисперсной фазы и воздушных пор соответственно ( v f + v p + vm = 1).

Из представленных уравнений следует, что для материалов со структурой типа «Т/Т»

свойства могут варьироваться в интервале q f,i qi qm,i, для материалов со структурой типа «Т/Г»:

qm,i qi q p,i.

При прочих равных условиях управление структурой и свойствами трёхфазных материалов (типа «Т/Г/Т») осуществляется посредством направленного изменения содержания воздушных пор: при p p (здесь p – объёмная доля воздушных пор, формирующихся при j j осуществлении j-й технологии) свойства материала приближаются к свойствам материала с типом структуры «Т/Г», а при p 0 – к свойствам материала с типом структуры «Т/Т». Отсюда очевидно, что для материала с типом структуры «Т/Г/Т» при прочих равных условиях диапазон qi * значительно шире (особенно при p v p,max ).

Сравнительный анализ поризованной (воздушные поры располагаются только в вяжущем веществе) и крупнозернистой (зёрна дисперсной фазы склеены тонкими прослойками вяжущего вещества) структур показывает, что из комбинированных структур (рис. 2.3) наибольшее значение p имеет крупнозернистая структура. Свойства крупнозернистой структуры можно варьировать в широком диапазоне за счёт выбора типа упаковки дисперсных частиц (табл.2.3).

Таблица 2. Объём пустот при различных системах укладки шаров [80] Число контактов Укладка Пустотность, % с соседними шарами Кубическая 6 47, Простая шахматная 8 39, Двойная шахматная 10 30, Пирамидальная 12 25, Тетрагональная 12 25, Таким образом, строительные материалы, к которым предъявляются комплексные требования, должны иметь крупнозернистую структуру, отдельные фрагменты (слои) которой могут иметь различную пористость.

Декомпозиция системы критериев качества радиационно-защитного 2. композиционного материала и его структурных составляющих Представление композиционных строительных материалов полиструктурными позволяет поэтапно оптимизировать их структуру и свойства (рис. 2.7). Это значительно расширяет возможности исследователя: каждый структурный уровень рассматривается как новый материал с заданными показателями качества, получение которого является самостоятельной задачей, решаемой с привлечением индивидуальных рецептурных и технологических ресурсов – рецептурно-технологических факторов.

Для композитов специального назначения на основе расплавов классификация управляющих рецептурно-технологических факторов приведена на рис. 2.8 (технологические факторы представлены экстенсивными (ёмкостными) показателями).

Количество структурных уровней зависит от рецептуры композита и опыта исследователя (технолога). В общем случае выделяют микро-, мезо- и макроструктуру.

Управление свойствами субмикроструктуры – атомарным или молекулярным уровнем – в настоящее время не проработано и носит частный характер, так как многообразие механизмов взаимодействия между атомами и молекулами имеет универсальный характер и не зависит от структурного уровня материала.

Уровень микроструктуры выделяют для композитов, получаемых на вяжущих веществах, не содержащих дисперсные фазы. К таким вяжущим веществам относятся синтетические смолы, термопласты, термореактивы, металлы и др. Затвердевшие материалы на основе минеральных вяжущих веществ являются композиционными, состоящими из непрореагировавших зёрен вяжущего (для портландцементов такие частицы получили название «клинкерный фонд») и продуктов гидратации (клеящее вещество). Структура таких вяжущих топологически подобна и которые свойственны дисперсным фазам мезо- макроструктурам, (соответственно, наполнителям и заполнителям).

Управляющие факторы Рецептура Технология Гипотезы о видах вяжущего вещества СТРУКТУРА и дисперсной фазы Микроструктура Мезоструктура Макроструктура Интенсивные СВОЙСТВА Экстенсивные Технологические Эксплуатационные Качество композиционного материала Эксплуатационные факторы, область применения Рисунок 2.

7 – Схема конструирования композита специального назначения с использованием представлений полиструктурной теории Интенсивность теплоотдачи Энергозатраты при твердении Продолжительность охлаждения Скорость охлаждения Давление прессования Продолжительность Технологические Технология прессования прессования Энергозатраты при формовании Частота колебаний Литая и вибротехнологии Амплитуда колебаний Продолжительность уплотнения Скорость вращения ротора Геометрические размеры Энергозатраты при перемешивании смесителя Продолжительность перемешивания Управляющие факторы Скорость перемешивания Энергозатраты при Продолжительность модифицировании вяжущего модифицирования Температура расплава Армирующие добавки Соотношение L/D Длина волокна Концентрация волокон Модификаторы Химический состав Химические добавки Концентрация добавки Химический состав Соотношение диаметров Заполнители Крупность заполнителя Соотношение масс фракций Рецептурные Дисперсные фазы Количество фракций Химический состав Дисперсность Наполнители Объемная доля Химическая активность Физико-химическая активность Шероховатость поверхности Смачиваемость Химический состав Вяжущее (расплав) Наночастицы Концентрация Физико-химическая активность Рисунок 2.8 – Классификация рецептурно-технологических факторов для композитов на основе расплавов Для каждого структурного уровня устанавливают показатели качества, по которым проводится оптимизация. Для крупнозернистых бетонов – трёхфазных дисперсных систем – дополнительно выделяют уровень каркаса, склеенного из зёрен заполнителя, а также мезоструктуру (пропиточная композиция) и макроуровень (бетон). Показатели качества для указанных структурных уровней крупнозернистого (каркасного) радиационно-защитного бетона приведены на рис. 2.9…2.11. При «переходе» на следующий структурный уровень (к новому материалу) оптимизированные рецептура и технология предыдущего уровня уточняются.

Поэтому последовательное совмещение уровней (от микро- до макроструктуры) требует выделения критериев (свойств), обеспечивающих получение качественного композиционного материала на уровне макроструктуры (продукт технологии).

Для топологически подобных структурных уровней, то есть содержащих дисперсные фазы (например мастики и бетона), таким критерием является подвижность смеси. Часто материал (композит) рассматриваемого структурного уровня, полученный из смеси с требуемой подвижностью, обладает меньшей прочностью по сравнению с композитом, структура которого оптимизирована по прочности. Однако использование подвижной смеси обеспечивает изготовление качественного материала на последующем структурном уровне, для которого рецептура и технология приготовления определяются собственными показателями качества. В этом случае реализуется принцип совмещения структур, согласно которому оптимальный по выбранному показателю качества материал уровень) получают из (структурный неоптимальных предыдущих структурных уровней.

Для материалов, не содержащих дисперсные фазы, оптимизацию рецептуры и технологии приготовления целесообразно проводить по прочности. Другие показатели качества не оптимизируются, однако принимается, что их значения должны быть в заданном диапазоне.

Определение значений рецептурно-технологических факторов, обеспечивающих получение материала с заданным качеством (оптимизация материала), осуществляется по полученным экспериментальным зависимостям различными методами, в частности методом нелинейного программирования [81].

Фильтрационная способность Степень заполнения межзерновых пустот пропиточной композицией свойства Открытая и кажущаяся Пористость Технологические Геометрические размеры пор Параметры порового пространства Параметры состояния Средняя плотность Распределение пор по размерам Коэффициент теплопроводности Теплофизические Предел прочности при сжатии Предел прочности при изгибе Механические Физико-механические и Модуль упругости деформативные Деформативные Модуль деформативности Коэффициент водостойкости Качество каркаса Коэффициент стойкости в растворах солей Коэффициент стойкости в растворах кислот Коэффициент стойкости в растворах щелочей Воздействие жидких флюидов Температура эксплуатации Коэфициент термостойкости свойства Коэффициент теплостойкости Рисунок 2.9 – Показатели качества каркаса радиационно-защитного каркасного бетона Стойкость в агрессивной Воздействия температуры Эксплуатационные Коэффициент выведения нейтронного среде излучения Коэффициент линейного ослабления Радиационное воздействие -излучения Коэффициент радиационной стойкости Радиационный разогрев Коэффициент теплопроводности Коэффициент теплоемкости Сопротивление удару Теплофизические Сопротивление износу Предел прочности при сжатии Предел прочности при изгибе Физико-механические и Механические деформативные Коэффициент трещиностойкости Коэффициент интенсивности напряжений Деформативные Модуль упругости Коэффициент гигроскопичности Модуль деформативности Сорбционные Коэффициент Пуассона Коэффициент проницаемости Границы микротрещинообразования свойства Коэффициент диффузии Коэффициент водостойкости Коэффициент стойкости в растворах солей Воздействие жидких флюидов Эксплуатационные Коэффициент стойкости в растворах кислот Стойкость в агрессивной Коэффициент стойкости в растворах щелочей среде Температура эксплуатации Коэфициент термостойкости Воздействия температуры Коэффициент теплопроводности Подвижность Коэффициент теплоёмкости (вязкость) Марка по морозостойкости Коэффициент теплостойкости Радиационное воздействие Коэффициент выведения нейтронного излучения свойства Способность заполнять Коэффициент линейного ослабления -излучения пустоты каркаса за Технологические фиксированное время Коэффициент радиационной стойкости Качество пропиточной Радиационный разогрев защитных каркасных бетонов Открытая и кажущаяся композиции для радиационно радиационно-защитного каркасного бетона Закрытая Пористость Параметры порового пространства Рисунок 2.10 – Показатели качества пропиточной композиции Средняя плотность показатели и структурные Параметры состояния Коэффициент водостойкости Коэффициент стойкости в Воздействие жидких растворах солей Свойства флюидов Коэффициент стойкости в растворах кислот Эксплуатационные Технологические Коэффициент стойкости в растворах щелочей Температура эксплуатации Коэффициент термостойкости Коэффициент теплопроводности Воздействие температуры Теплоемкость каркасный бетон свойства Прочность Пористость Стойкость в Марка по морозостойкости Радиационно -защитный Деформативные агрессивной среде Коэффициент теплостойкости Удобоукладываемость Сорбционные свойства Коэффициент выведения нейтронного излучения вариатропно-каркасного бетона Коэффициент линейного ослабления -излучения Закрытая Радиационное воздействие Коэффициент радиационной Подвижность Коэффициент Однородность стойкости гигроскопичности Модуль упругости Радиационный разогрев Сопротивление удару Рисунок 2.11 – Показатели качества радиационно-защитного Сопротивление износу Открытая и кажущаяся Коэффициент Пуассона Коэффициент диффузии Модуль деформативности Предел прочности при изгибе Коэффициент проницаемости Предел прочности при сжатии Границы трещинообразования Особенностью каркасных бетонов является их получение путём совмещения двух структур композиции и крупнопористого каркаса «самодостаточных» (пропиточной заполнителей), имеющих специфические показатели качества. В общем случае к этим компонентам каркасного бетона устанавливаются различные требования, в том числе затрудняющие их совмещение: например, для пропиточной композиции – по прочности, которая, как правило, достигает максимальных значений у жёстких, малоподвижных смесей, а для каркаса – по максимальной плотности, что значительно снижает его пропиточную способность.

Установление таких приоритетов для пропиточной композиции и каркаса является очевидным и продиктовано достижением технико-экономической эффективности (максимальная экономия вяжущего вещества, снижение усадки и т.д.). При этом нет принципиальных трудностей в создании каркасного бетона на компонентах с такими показателями качества. Однако ограниченность в технологических возможностях (определяемая уровнем развития техники) требует поиска компромисса, заключающегося в установлении требований к составляющим структурам каркасного бетона, обеспечивающих их совмещение на уровне современного развития техники. На основе указанного можно сформулировать критерии, по которым возможно оптимизированы соответствующие составы: пропиточная композиция – по подвижности смеси в вязкопластичном состоянии, крупнопористый каркас – по пустотности, характеризующей его пропиточную способность и плотность (другие свойства составляющих каркасного бетона должны находиться в заданном диапазоне значений). Возможные отклонения от установленных значений решаются корректировкой вида компонентов каждой составляющей каркасного бетона.

Проведём оценку влияния поверхностных явлений, возникающих на границе раздела фаз, на пропитку каркаса. В работе [82] показано, что пропитку каркаса можно рассматривать как движение вязкой среды по капилляру. Объёмный расход жидкой фазы Q определяется по закону Пуазейля rк4 P Q=, (2.3) 8µlк где P – перепад давлений на границах капилляра;

µ – динамическая вязкость жидкой фазы;

rк, lк – соответственно, радиус и длина капилляра.

Указанный закон не учитывает поверхностных явлений. Если технически реализуется условие, при котором создаётся постоянное внешнее давление P, то наличие дополнительного вн давления, вызванного физико-химическими взаимодействиями на границах раздела фаз, может изменить кинетику пропитки. Это дополнительное давление подчиняется закону Лапласа Pл = cos, (2.4) rк где – поверхностное натяжение жидкой фазы;

– краевой угол смачивания.

Отсюда продолжительность пропитки каркаса с объёмом пустот V 8µlкV t пр =.

4 (2.5) rк Pвн + cos rк Результаты расчёта продолжительности пропитки каркаса гипотетическим расплавом приведены на рис. 2.12…2.14. В расчётах принято: толщина изделий – 0,05 м;

вязкость расплава – 6,510-3 Пас;

поверхностное натяжение – 57 мН/м;

плотность упаковки зёрен заполнителя – гексагональная;

внешнее давление – 105 Па (1 атм).

Давление, Па - - - 2,5 1, Диаметр частицы, мм Рисунок 2.12 – Зависимость лапласовского давления от диаметра частиц заполнителя и краевого угла смачивания tпр, с 1, 2, 5 Диаметр частицы, мм Рисунок 2.13 – Зависимость продолжительности пропитки от диаметра частиц заполнителя и краевого угла смачивания 1, продолжительности пропитки, % Относительное изменение 0, -0, - -1, 140 1, 2, 180 10 Диаметр частицы, мм Рисунок 2.14 – Зависимость относительного изменения продолжительности пропитки от диаметра частиц заполнителя и краевого угла смачивания Анализ зависимостей, представленных на рис. 2.12…2.14, показывает, что величина дополнительного давления для частиц заполнителя с размерами 1,25…10 мм не превышает Па, а относительное изменение продолжительности пропитки – 1,5 %. Влияние размеров частиц и краевого угла смачивания, Pл и tпр очевидно: с увеличением дисперсности, а следовательно, и уменьшением радиуса капилляров (для кубической упаковки радиус капилляра rк = 0,207 d з, для гексагональной – rк = 0,077 d з, где d з – диаметр частицы заполнителя) величина лапласовского давления, продолжительность пропитки и относительное изменение продолжительности пропитки увеличиваются по абсолютному значению.

Таким образом, проведённые расчёты показывают, что поверхностные явления на границе раздела фаз не оказывают существенного влияния на технологию изготовления радиационно защитных бетонов каркасной структуры. Каждая структурная составляющая каркасного бетона (пропиточная композиция и крупнопористый каркас) оказывает на его эксплуатационные свойства самостоятельное влияние: многие показатели качества радиационно-защитного бетона каркасной структуры могут быть рассчитаны по методу аддитивного сложения (правилу смесей).

Методика определения управляющих рецептурных и технологических факторов 2. Композиционные строительные материалы являются типичными сложноорганизованными техническими системами [83]. При их исследовании возникает необходимость построения организационной иерархии, которая является следствием сложности строительных материалов.

Основная задача иерархической организации в строительном материаловедении состоит в обоснованном выделении структурных уровней, определении требований к уровням, выявлении факторов, оказывающих влияние на структурообразование, и в установлении закономерностей для управления структурой и свойствами исследуемого уровня. Элементарными управляющими целесообразно считать факторы, оказывающие доминирующее влияние на факторами рассматриваемое свойство материала. При этом их дальнейшая декомпозиция невозможна. При определении управляющих факторов целесообразно выделить технологические процессы, обеспечивающие получение материала, и показатели режимов этих процессов, а также явления, протекающие на границе раздела фаз (явления, формирующие интенсивные свойства материала), и интегральные факторы рецептуры (табл. 2.4). Очевидно, что дифференцированное рассмотрение фаз материала, технологии изготовления и явлений, протекающих при структурообразовании, а также выделение факторов без учёта их взаимосвязей и взаимных влияний скрывает их интегральный характер.

Таблица 2. Фазы, процессы и явления в композиционных строительных материалах Фазы Процессы Явления 1. Вяжущее вещество 1. Подготовка сырьевых 1. Внутренние 2. Клеевая композиция компонентов напряжения 3. Наполнитель 2. Дозирование 2. Смачивание 4. Заполнитель 3. Перемешивание 3. Структура вяжущего вблизи 5. Модификатор 4. Уплотнение границы раздела фаз 5. Тепловая обработка (добавка) В основу методики определения управляющих рецептурных и технологических факторов положен принцип выделения основных процессов, обеспечивающих изготовление материала, явлений, протекающих при структурообразовании, а также факторов, оказывающих влияние на процессы и явления, с их декомпозицией до элементарных факторов и ранжированием путём построения графа. Ранжирование факторов целесообразно проводить по количеству обращений (ссылок): факторы, имеющие максимальное количество ссылок, располагаются на первом уровне и т.д.

Декомпозиция экстенсивных свойств каркасных бетонов для защиты от радиации представлена на рис. 2.15, а декомпозиция интенсивных свойств по структурным уровням – на рис. 2.16…2.18.

Вяжущее вещество Количество клея Концентрация модификаторов Способ нанесения Клеевая композиция Объемная доля Дисперсность Наполнители Рецептурные Количество фракций Соотношение масс фракций Дисперсные фазы Крупность заполнителя Заполнители Соотношение диаметров Концентрация добавки Химические добавки бетонов Температура расплава Продолжительность Энергозатраты при модифицирования модифицировании вяжущего Скорость перемешивания Экстенсивные свойства Продолжительность перемешивания Геометрические размеры Энергозатраты при перемешивании смесителя Скорость вращения ротора Продолжительность уплотнения Амплитуда колебаний Литая и вибротехнологии Частота колебаний Энергозатраты при формовании Продолжительность Технология прессования Технологические прессования Давление прессования Скорость охлаждения Продолжительность охлаждения Энергозатраты при твердении факторов, которые определяют только количество каждого компонента (фазы) в композите.

Интенсивность теплоотдачи Рисунок 2.15 – Декомпозиция экстенсивных свойств радиационно-защитных каркасных Из рис. 2.15 видно, что управление экстенсивными свойствами осуществляется посредством Интенсивные свойства пропиточной композиции Вид вяжущего Вид дисперсной фазы I уровень Структура пропиточной композиции Внутренние напряжения Количество вяжущего вещества и дисперсных фаз, включая пористость Прочностные и деформативные свойства вяжущего Прочностные и деформативные свойства дисперсных фаз Структура надмолекулярного слоя на границе раздела фаз II уровень Поверхностные явления Режим перемешивания Режим формования Режим тепловой обработки и охлаждения Вязкость расплава Смачиваемость поверхности наполнителя Дисперсность наполнителя Прочность, модуль упругости и термическая усадка вяжущего III уровень Прочность, модуль упругости и сжимаемость дисперсной фазы Продолжительность и интенсивность перемешивания Продолжительность изотермической выдержки и температура процесса Интенсивность уплотнения Скорость охлаждения Шероховатость поверхности дисперсной фазы IV уровень Химическая активность дисперсной фазы Вид и количество добавки (ПАВ) Процедурный фактор введения добавки Рисунок 2.16 –Декомпозиция интенсивных свойств пропиточной композиции Интенсивные свойства крупнопористого каркаса Вид клеевой композиции Вид заполнителя I уровень Структура каркаса Внутренние напряжения Количество клеевой композиции и заполнителя Прочностные и деформативные свойства клеевой композиции Прочностные и деформативные свойства заполнителя II уровень Структура клеевого слоя на границе раздела фаз «заполнитель – клей»

Поверхностные явления Режим перемешивания Режим формования Режим тепловой обработки и охлаждения Вязкость клеевой композиции Смачиваемость поверхности наполнителя Крупность зёрен заполнителя Прочность, модуль упругости и термическая усадка клеевой композиции III уровень Прочность, модуль упругости и сжимаемость заполнителя Продолжительность и интенсивность перемешивания Продолжительность изотермической выдержки и температура процесса Интенсивность уплотнения Скорость охлаждения Шероховатость поверхности дисперсной фазы IV уровень Химическая активность дисперсной фазы Вид и количество добавки (ПАВ) Процедурный фактор введения добавки Рисунок 2.17 – Интенсивные свойства крупнопористого каркаса Интенсивные свойства клеевой композиции Вид вяжущего Вид дисперсной фазы I уровень Структура клеевой композиции Внутренние напряжения Количество вяжущего и дисперсн ых фаз, включая воздушные поры Прочностные и деформативные свойства вяжущего Прочностные и деформативные свойства дисперсных фаз II уровень Структура надмолекулярного слоя на границе раздела фаз Поверхностные явления Режим перемешивания Способ нанесения Режим тепловой обработки и охлаждения Вязкость клеевой композиции Смачиваемость поверхности наполнителя Дисперсность наполнителя Модуль упругости и термическая усадка вяжущего III уровень Модуль упругости и сжимаемость дисперсной фазы Продолжительность и интенсивность перемешивания Продолжительность изотермической выдержки и температура процесса Скорость охлаждения Шероховатость поверхности дисперсной фазы IV уровень Химическая активность дисперсной фазы Вид и количество добавки (ПАВ) Процедурный фактор введения добавки Рисунок 2.18 – Интенсивные свойства клеевой композиции Как видно из рис 2.16…2.18, разложение явлений, процессов и рецептурных факторов, оказывающих влияние на интенсивные свойства, проводится до элементарных рецептурных и технологических факторов. Расположение этих факторов в иерархической структуре может быть различным (от II до IV уровня). Значимость факторов в иерархической структуре возрастает от нижнего уровня к верхнему. Элементарные рецептурные и технологические факторы для пропиточной композиции, крупнопористого каркаса и клеевой композиции приведены в табл.2.5…2.7.

Таблица 2. Перечень элементарных управляющих рецептурно-технологических факторов для пропиточной композиции Фактор Рецептурный Технологический Уровень № № Наименование фактора Наименование фактора п/п п/п Количество вяжущего вещества и II дисперсных фаз, включая воздушные поры Прочность, модуль упругости, термическая усадка вяжущего Прочность, модуль упругости, сжимаемость наполнителя Дисперсность наполнителя Продолжительность и III 1 интенсивность перемешивания Интенсивность уплотнения Продолжительность изотермической выдержки и температура процесса Скорость охлаждения Вид и количество добавок Процедурный фактор IV 1 введения добавки Химическая активность поверхности наполнителя Шероховатость поверхности наполнителя Таблица 2.


Перечень элементарных управляющих рецептурно-технологических факторов для крупнопористого каркаса Фактор Рецептурный Технологический Уровень № № Наименование фактора Наименование фактора п/п п/п Количество клеевой композиции и II заполнителя Прочность, модуль упругости, усадка клеевой композиции Прочность, модуль упругости, сжимаемость заполнителя Крупность зёрен заполнителя Продолжительность и III 1 интенсивность перемешивания Интенсивность уплотнения Продолжительность твердения и температура процесса Вид и количество добавок Процедурный фактор введения IV 1 добавки Шероховатость поверхности заполнителя Таблица 2. Перечень элементарных управляющих рецептурно-технологических факторов для клеевой композиции Фактор Рецептурный Технологический Уровень № № Наименование фактора Наименование фактора п/п п/п Количество вяжущего вещества и II дисперсных фаз, включая воздушные поры Прочность, модуль упругости, термическая усадка вяжущего Прочность, модуль упругости, сжимаемость наполнителя Дисперсность наполнителя III Продолжительность и интенсивность Вид и количество добавок перемешивания IV Продолжительность изотермической выдержки и температура процесса Скорость охлаждения Химическая активность Процедурный фактор введения 2 поверхности наполнителя добавки Шероховатость поверхности наполнителя Принятие технологического регламента изготовления позволяет значительно уменьшить количество управляющих факторов (табл. 2.8).

Таблица 2. Перечни элементарных управляющих рецептурно-технологических факторов Структурный уровень каркасного бетона для защиты от радиации Пропиточная Крупнопористый Клеевая композиция композиция каркас № Наименование фактора № № Наименование фактора Наименование фактора п/п п/п п/п Количество вяжущего Количество клеевой Количество вяжущего 1 1 вещества и дисперсных композиции и вещества и дисперсных фаз, включая воздушные заполнителя фаз, включая воздушные поры поры Прочность, модуль Прочность, модуль Прочность, модуль 2 2 упругости, термическая упругости, усадка упругости, термическая усадка вяжущего клеевой композиции усадка вяжущего Прочность, модуль Прочность, модуль Прочность, модуль 3 3 упругости, сжимаемость упругости, сжимаемость упругости, сжимаемость наполнителя заполнителя наполнителя Дисперсность Крупность зёрен Дисперсность 4 4 наполнителя заполнителя наполнителя Вид и количество Вид и количество Вид и количество 5 5 добавок добавок добавок Химическая активность Шероховатость Химическая активность 6 6 поверхности наполнителя поверхности поверхности заполнителя наполнителя Шероховатость Шероховатость 7 поверхности наполнителя поверхности наполнителя На основе проведённых выделения факторов и ранжирования (упорядочивание с учётом приоритетов) можно сделать вывод о том, что видовые свойства компонентов оказывают существенное влияние на технологический процесс и показатели качества. При изготовлении материала с заданным качеством могут использоваться различные компоненты (формирование альтернативы). На основе требований, предъявляемых к радиационно-защитным материалам, анализа механизмов взаимодействия ионизирующего излучения с веществом и на базе априорной информации о традиционных радиационно-защитных материалах осущесвляется выбор компонентов (сокращение альтернатив) каждого структурного уровня.

Методики уменьшения количества альтернатив 2. 2.7.1 Выбор вида вяжущего вещества В строительных композитах вяжущее вещество выполняет важную функцию – объединяет (соединяет) в единое целое компоненты материала. При этом свойства композита не являются суммой свойств компонентов, то есть проявляется синергетический эффект. Очевидно, что источником этого эффекта являются физико-химические процессы, протекающие на границе раздела фаз «вяжущее вещество – дисперсная фаза» и инициируемые вяжущим веществом, испытывающим во времени физическое и (или) физико-химическое преобразование. Многолетняя практика применения вяжущих веществ, на основе которых изготавливаются разнообразные строительные материалы, а также разносторонние научные исследования позволили сформулировать требования к их качеству (определённый набор свойств), что отражено в соответствующих нормативных документах.

К вяжущим веществам для композитов, эксплуатирующихся в особо агрессивных средах (радиационные воздействия, химически активные среды и др.), предъявляются дополнительные требования по эксплуатационным свойствам. В частности, для радиационно-защитных строительных материалов такими дополнительными свойствами являются следующие:

радиационно-защитные свойства, оцениваемые по коэффициенту ослабления 1) ионизирующего излучения;

2) радиационная стойкость (коэффициент радиационной стойкости);

3) радиационный разогрев конструкции (коэффициент теплопроводности);

4) теплостойкость конструкции (коэффициент теплостойкости);

5) стойкость материала в жидких и газообразных флюидах, формируемых окружающей средой (коэффициент химической стойкости).

В представленном перечне выделены только некоторые эксплуатационные свойства, на которые при осуществлении выбора обращается особое внимание. Полный перечень свойств, определяющих понятие качества вяжущего вещества для радиационно-защитных строительных композитов, приведен ранее. Указанным требованиям соответствует большое количество традиционных и комбинированных вяжущих [84].

Как правило, выбор вяжущего вещества осуществляется из некоторой совокупности альтернатив, которые формируются после проведения системных исследований, включающих два основных этапа: определение цели и генерирование альтернатив [85]. В этом случае процедура выбора представляется как операция над множеством альтернатив, в результате которой это множество сужается до подмножества выбранных альтернатив. При этом необходимо учитывать, что принятие решения (выбор из альтернатив) может проводиться в условиях неопределённости, то есть при отсутствии полной и достоверной информации об альтернативах. Кроме того, альтернатива формулируется как многокритериальная задача: качество компонента (вяжущего вещества) оценивается по большой совокупности свойств, часто противопоставленных друг другу (правило «створа» по И.А. Рыбьеву [84]). В этом случае процесс выбора осуществляется из альтернатив с противоречащими критериями.

Наиболее разработанным является критериальный подход, который предполагает, что каждую альтернативу можно оценить численно, значением критерия. При этом критерий должен соответствовать требованиям универсальности и полноты. Универсальностью обладают обобщённые параметры оптимизации (суперкритерии qo ), которые строят как функции от нескольких частных параметров qi :

аддитивные функции i qi p qo = i =1 si или мультипликативные функции i qi p qo =, i =1 si где si – коэффициент, обеспечивающий безразмерность критериального значения;

i, i – коэффициенты, отражающие относительный вклад частных критериев в обобщённый критерий.

Процедура выбора в данном случае сводится к максимизации обобщённого критерия:

x* = arg max qo (qi ( x ),...q p ( x )) при x X, * где x – наилучшая альтернатива;

X – множество альтернатив.

Формирование обобщённого критерия qs для выбора вяжущего вещества, пригодного для изготовления радиационно-защитных композиционных материалов, проводится по трём основным группам показателей:

1) технологическим qt ;

2) эксплуатационным qe ;

3) технико-экономическим qek.

Целесообразно представить обобщённый критерий qs как аддитивную функцию, то есть qs = t qt + e qe + ek qek, где t + e + ek = 1.

Группы технологических, эксплуатационных и технико-экономических свойств представлены частными свойствами, которые сгруппированы в соответствующие критерии qi посредством мультипликативных функций (табл. 2.9).

Таблица 2. Группы свойств и их количественная оценка № Наименование Расчетная Пояснения п/п параметра формула 1 2 3 Технологический показатель qt o, – соответственно вязкости o Коэффициент k = 1 эталонного (воды) и предлагаемого вязкости вяжущих o, – соответственно краевой угол cos() Коэффициент k = 1 + cos( ) смачивания эталонного и предлагаемого 2 смачиваемости 2 o вяжущих (принимается равным o =0о) Эксплуатационный показатель qe o, – соответственно адгезионная Коэффициент адгезионной прочность на границе «вяжущее – k = o прочности на дисперсная фаза» эталонного и границе раздела фаз предлагаемого вяжущих Ro, R – соответственно прочность R Коэффициент kR = 4 эталонного (проектная прочность) и прочности Ro предлагаемого вяжущих µ o, µ – соответственно коэффициент µ Коэффициент kµ = ослабления ионизирующего излучения µo ослабления эталонного (свинца) и предлагаемого вяжущих * k st, k st – соответственно коэффициент Коэффициент k st стойкости эталонного kY = (принимается радиационной 6 * * k st равным и предлагаемого k st =1) стойкости вяжущих o, – соответственно коэффициент Коэффициент k = 7 теплопроводности эталонного o теплопроводности (алюминий) и предлагаемого вяжущих Окончание табл. 2. 1 2 3 * соответственно kst,T, kst,T – k st,T Коэффициент коэффициент теплостойкости kT = 8 * теплостойкости эталонного равным k st,T (принимается * kst,T =1) и предлагаемого вяжущих Технико-экономический показатель qek Ti,o, ti,o – соответственно температура и продолжительность стадии технологического процесса производства эталонного вяжущего;

T j, n Ti,oti,o Коэффициент соответственно температура и tj– ke = i энергозатратности 9 m T jt j продолжительность стадии технологии j технологического процесса производства предлагаемого вяжущего.

Toto Значение принимается равным 600оС·ч ( to =30 суток при To =20оС) В качестве эталонного вяжущего принимается некоторое абстрактное вещество, обладающее предпочтительными свойствами. Выбранные параметры подобраны таким образом, что значение каждого коэффициента соответствует условию ki 1. Отсюда значения каждого показателя и суперкритерия (с учётом равенства t + e + ek = 1) также отвечают условиям qi 1.


Максимальное значение обобщённого критерия равно qs = 1. Оптимальному виду вяжущего вещества соответствует qs = max.

Некоторые значения свойств могут превышать показатели идеального вяжущего. В этом случае принимается ki = 1.

Значения i неизвестны, что вносит очевидную неопределённость в принятие решения. Для преодоления указанной неопределённости строят таблицу (табл. 2.10), в которой исходы выражают различные предпочтения в принятии решения (столбцы) (технологичность, долговечность материала, экономическая эффективность и др.).

Таблица 2. Матрица принятия решения при наличии неопределенности Исходы Альтернативы y1 y2 yj x1 q11 q12 q1j x2 q21 q22 q2j x3 q31 q32 q3j xi qi1 qi2 qij Целесообразно предположить следующие исходы:

1) технологичность смеси yt ( t = 0,57 ;

e = 0,29 ;

ek = 0,14 );

2) эксплуатационные свойства материала ye ( t = 0,29 ;

e = 0,57 ;

ek = 0,14 );

3) технико-экономическую эффективность yek ( t = 0,14 ;

e = 0,29 ;

ek = 0,57 );

4) равнозначность qt, qe и qek показателей yr ( t = 0,33 ;

e = 0,33 ;

ek = 0,33 ).

Оптимальному виду вяжущего вещества также соответствует q i j = max.

Результаты расчётов обобщённого критерия для выбора вяжущего для изготовления каркасного бетона представлены в табл. 2.11.

Таблица 2. Результаты расчётов обобщённого критерия Исход Альтернативы yf ye yr Металлы Свинец 0,371 0,265 0, Алюминий 0,293 0,195 0, Сталь 0,117 0,086 0, Минеральные вяжущие Портландцемент М 400 0,141 0,142 0, Строительный гипс 0,141 0,141 0, Органические вяжущие Эпоксидная смола 0,132 0,132 0, Сера 0,145 0,106 0, Битум 0,060 0,059 0, Анализ табл. 2.11 показывает, что для изготовления каркасных радиационно-защитных бетонов целесообразно использовать: для металлических бетонов – свинец, а для каркасных бетонов на металлическом заполнителе – портландцемент, серу и эпоксидную смолу.

2.7.2 Выбор вида наполнителя В теории композиционных материалов показано, что на свойства дисперсно-упрочнённых композитов значительное влияние оказывают вид, дисперсность и количество наполнителя.

Причём зависимость структурно-чувствительных свойств композита от указанных факторов имеет экстремальный характер. Для получения композитов, стойких в особо агрессивных средах, необходимо учитывать не только рецептурно-технологические факторы, но и устойчивость компонентов материала в агрессивной среде. При этом высокой стойкостью должны обладать не только наполнитель и вяжущее, но и соединения, которые могут образоваться при взаимодействии компонентов на границе раздела фаз.

При выборе наполнителя для изготовления композиционных материалов, работающих в условиях воздействия радиации, необходимо учитывать их функциональную принадлежность: для радиационно-защитных материалов используют наполнители, обеспечивающие эффективное поглощение ионизирующего излучения, а для радиационно-стойких композитов наполнители, позволяющие регулировать процессы структурообразования и свойства материла. При этом такие наполнители поглощают незначительное количество энергии ионизирующих излучений, что сопровождается небольшими структурными преобразованиями и, следовательно, обеспечивает высокую радиационную стойкость наполнителя и композита. Поэтому выбор вида наполнителя для композиционного материала, подвергающегося воздействиям радиации, базируется на подборе его химического состава, обеспечивающего эффективное поглощение ионизирующего излучения или относительную «прозрачность» наполнителя к нему. От этого зависит масса конструкции радиационной защиты:

1 µ µ µ B µ ln эт + mк = М эт, B н эт н н н mк относительное изменение массы конструкции защиты;

М эт – масса конструкции где µ защиты из эталонного материала;

B фактор накопления;

массовый коэффициент ослабления излучения;

индексы «эт», «н» обозначения для базового и нового радиационно-защитного материала конструкции, соответственно.

При Bэт = Bн влияние химического состава очевидно:

µ µ m к = 1.

эт н µ µ масса конструкции защиты уменьшается.

При эт н Повышение эффективности материала сопровождается, как правило, увеличением затрат на его изготовление. Целесообразность увеличения себестоимости материала оценивают по показателю q ef :

µ = C, qef µ где C, относительное изменение себестоимости и массового коэффициента ослабления, соответственно.

Применение материала эффективно при выполнении следующего условия (рис. 2.19):

q ef 1.

Данное условие устанавливает разбиение множества всех материалов на два подмножества:

эффективные материалы (область ниже прямой q ef = 1 ) и неэффективные материалы (область выше прямой). Кривая относительного изменения стоимости разрабатываемого материала q ef = 1 в двух точках: в начале координат и в точке C пред, пересекает прямую соответствующей предельно целесообразному изменению стоимости материала.

Тем самым в пространстве критериев установлена граница множества Парето.

При этом формулировка цели оптимизации как одновременного достижения наилучших защитных показателей при наименьшей стоимости приводит к задаче, не имеющей решения.

В некоторых случаях снижение радиационного воздействия до безопасного уровня требуется осуществить при ограниченных геометрических размерах конструкции. В этом случае эффективность композита оценивают по коэффициенту k G, равному:

k G = hн hэт1, где hн, hэт толщина защитного слоя, изготовленного, соответственно, из нового и базового материалов.

Применение материала эффективно при условии: k G 1.

C µ C = µ C Н Н Cпред µ µ пред Рисунок 2.19 – Граница множества Парето в пространстве критериев Значения q ef и k G для композитов, изготовленных на различных наполнителях, доступных на территории РФ и в Пензенской области, приведены в табл. 2.12.

Расчёты показывают, что применение галенита, оксида свинца, сажи, а также свинцовой дроби (в качестве заполнителя) для изготовления защитных материалов неэффективно по показателю qef и, возможно, по k G. Использование других видов дисперсных фаз рационально для приготовления специальных мастик и бетонов.

Наполнители для композитов специального назначения должны не только обладать эффективным химическим составом, но и:

1) хорошо смачиваться вяжущим;

2) не вступать в химическое взаимодействие с вяжущим или образовывать соединения, устойчивые в эксплуатационных средах;

3) иметь температурный коэффициент линейного расширения, близкий по значению к аналогичному показателю для вяжущего;

4) иметь невысокий модуль упругости;

5) обладать высокой стойкостью к эксплуатационным воздействиям.

Очевидно, что определить вид наполнителя, соответствующего указанным требованиям, трудно. Поэтому целесообразно использовать комплексные наполнители, каждый компонент которых позволяет регулировать процесс структурообразования или функциональные свойства материала. В качестве таких наполнителей могут быть использованы смеси веществ, оптимально сочетающие химические элементы большой и малой атомной массы (смесь барита и угольной сажи, отходы тяжёлых флинтов и др.).

Таблица 2. Значения qef и hG для серных композитов, изготовленных на различных наполнителях Состав µ, Стоимость,, кг/м Наполнитель С:Н:З kG qef руб./м см- (% по объему) 1, 50:50 3060 7790,3 0,187 0, Барит 20:30:50 3828 13414,4 0,232 1,23 0, * 20:30:50 7328 299479,4 0,500 12,76 0, 1, 50:50 2290 901,6 0,140 0, Ферроборовый 1, 20:30:50 2596 1234,2 0,155 0, шлак * 20:30:50 6866 295346,2 0,471 13,36 0, 50:50 5655 325384,8 0,389 17,82 0, Оксид свинца * 20:30:50 8885 490036,2 0,621 16,81 0, Отход стекольного 50:50 3440 8527,4 0,227 0,80 0, производства 20:30:50 4436 13435,5 0,295 0,97 0, * (ПМО) 20:30:50 7556 299921,7 0,524 12,19 0, 50:50 1890 15513,6 0,120 2,75 1, Сажа * 20:30:50 6626 304113,4 0,460 14,08 0, 1, 50:50 2190 401,0 0,143 0, Известняк 1, 20:30:50 2436 433,4 0,161 0, * 20:30:50 6806 295045,9 0,474 13,26 0, 1, 50:50 2190 327,4 0,139 0, Кварцевый 1, 20:30:50 2436 315,5 0,155 0, песок * 20:30:50 6806 295001,7 0,471 13,34 0, 1, 50:50 2365 2014,4 0,154 0, Ангидрит 1, 20:30:50 2716 3014,7 0,178 0, 20:30:50* 6911 296013,9 0,480 13,14 0, 50:50 4640 135211,1 0,317 9,08 0, Галенит 20:30:50 6356 216129,4 0,439 10,47 0, 20:30:50* 8276 375931,9 0,578 13,85 0, П р и м е ч а н и я : С сера;

Н наполнитель;

З заполнитель (* свинцовая дробь);

средняя плотность;

µ линейный коэффициент ослабления для энергии гамма-квантов 1 МэВ.

Осуществить выбор оптимального наполнителя из группы функционально отобранных дисперсных фаз можно посредством анализа влияния на структурно-чувствительные свойства композита нескольких основных рецептурных факторов. Структура и свойства композитов зависят от множества рецептурно-технологических факторов. Практическое выявление необходимых закономерностей целесообразно производить с использованием принципа Парето:

20 % рецептурно-технологических факторов на 80 % определяют качество структуры и свойства композиционного материала. Это приводит к необходимости выявления группы основных рецептурных и технологических факторов, которые оказывают доминирующее влияние на структуру и свойства композита.

Отличие композитов от механических смесей разнородных компонентов заключается в преобладающем влиянии границы раздела фаз на процессы структурообразования таких материалов. Качество сформировавшейся структуры оценивают интегральным показателем макроскопической прочности материала, зависящей от площади поверхности межфазной границы.

Последняя определяется объёмной степенью наполнения vf и дисперсностью частиц df или удельной поверхностью наполнителя Sуд. Этими факторами также определяется экономическая эффективность применения наполнителя: увеличение объёмной степени наполнения снижает расход вяжущего, а повышение удельной поверхности наполнителя сопровождается возрастанием энергозатрат на измельчение.

Естественно, возникает задача именно для указанных рецептурных факторов установить закономерности их совместного влияния на структурно-чувствительные свойства композита (например прочность).

а) б) Прочность при сжатии, МПа 28 30 26 24 22 20 15 12 100 150 200 250 300 350 400 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0, Удельная поверхность, м Объемная степень наполнения 2/кг Рисунок 2.20 – Зависимость предела прочности при сжатии серных мастик от Sуд (а) и vf (б):

1 – vf = 0,1;

2 – vf = 0,3;

3 – vf = 0,5;

4 – S уд = 100 м2/кг;

5 – S уд = 170 м2/кг;

6 – S уд = 250 м2/кг;

7 – S уд = 400 м2/кг Практически влияние каждого из указанных факторов устанавливается в отдельности.

() () R = R vf R = R S уд Экспериментально-статистические зависимости и обычно аппроксимируются полиномами второй степени (рис. 2.20).

Совместное влияние vf и Sуд также представляется моделью второго порядка. При этом ( ) R = R f, S уд установленная закономерность адекватна современным теоретическим положениям [70].

( ) На рис. 2.21 приведена экспериментальная зависимость R = R v f, S уд, полученная для радиационно-защитного композита кусочно-линейной интерполяцией результатов усреднения по выборке требуемого объёма. Анализ экспериментальных данных показывает, что в диапазоне 250 S уд 400 м2/кг прочность композита практически не зависит от удельной поверхности наполнителя. Экстремальное значение прочности композита достигается на прямой v f = 0,3, максимальное значение изменяется от 27 МПа (при S уд = 250 м2/кг) до 25 МПа (при S уд = м2/кг), что существенно ниже экстремального значения прочности во всей исследованной области.

Из представленных данных следует, что увеличение удельной поверхности наполнителя более 250 м2/кг не является целесообразным.

( ) R = R v f, S уд Возможность представления зависимости моделью второго порядка подтверждается и видом линий равной прочности. Вблизи экстремального значения форма линий несущественно отличается от эллиптической: вблизи экстремума линии равной прочности можно рассматривать как пересечение плоскости R = const с поверхностью, порядок которой не выше двух (рис. 2.22).

( ) Сопоставление зависимостей R = R v f, S уд, представленных на рис.2.21 и 2.22, показывает, что вблизи экстремума наблюдается статистически значимое отличие значения (величины) эмпирической макроскопической прочности от значения, вычисленного по экспериментально-статистической модели (рис. 2.23), что свидетельствует о более весомом совместном влиянии указанных факторов – синергетическом эффекте – на прочность серных композитов. Фактическое значение синергетического эффекта равно:

R kR =, Ro где R – разность между величиной эмпирической прочности и значением, вычисленным в точке, соответствующей наибольшему значению эмпирической прочности Ro.

R,МПа Sуд, м 2 кг vf vf Sуд, м 2 кг vf Sуд, м2 / кг Рисунок 2.21 – Эмпирическая Рисунок 2.22 – Зависимость ( ) ( ) зависимость R = R v f, S уд R = R v f, S уд, построенная по экспериментально-статистической модели* Кроме основных рецептурных факторов ( S уд R,МПа и vf) коэффициент позволяет оценивать kR влияние на прочность материала других трудно учитываемых факторов (смачиваемость наполнителя, внутренние напряжения, адгезионная vf прочность и др.).

Sуд, м кг Экономическую эффективность применения наполнителя учитывают показателями:

vf df kv = kd = ;

, f do vf Sуд, м 2 кг где do – граница дисперсности, отделяющая f мелкий заполнитель от наполнителя;

Рисунок 2.23 – Разность между величиной – эмпирической прочности и значением, Вид модели: R = 42,2+0,501S уд+169v f 0,265S уд v f 1,18 10 3 S уд 174v 2.

* f максимальная плотность упаковки частиц наполнителя.

Выбор оптимального наполнителя из группы предварительно отобранных по функциональному признаку проводят по скалярному мультипликативному критерию:

k f = k R kd kv, где k R – коэффициент, учитывающий синергетический эффект в совместном влиянии характеристик наполнителя;

и k v – коэффициенты, учитывающие экономическую kd эффективность применения данного вида наполнителя.

Оптимальный наполнитель выбирается из группы функционально подобных с учётом условия k f = max. Целесообразность применения других наполнителей может быть определена на основании их принадлежности иной функциональной группе, а также по таким показателям, как стоимость, возможность утилизации отходов и т.д.

2.7.3 Выбор вида заполнителя Многие свойства бетона и бетонной смеси зависят от пустотности смеси заполнителей. При исследовании плотности упаковки частиц заполнителя используют различные теоретические модели: модель «фиктивного грунта», теорию графов, перколяционную модель, модель П.И.

Боженова и др. [70, 80, 86].

Оптимальное количество фракций заполнителя, определяемое этими моделями, различно.

Так, согласно моделям «фиктивного грунта» и П.И. Боженова оно зависит от минимальной толщины бетонируемой конструкции или от расстояния «в свету» между стержнями арматурного каркаса. При использовании теории графов оптимальное количество фракций равно девяти, а в перколяционной модели двум фракциям.

Разработана также статистическая модель зерновой смеси. Рассмотрим эту модель. Объём V заполнен N частицами заполнителя, причём содержит n1 частиц первой фракции, n2 частиц второй фракции, n3 частиц третьей фракции,..., nm частиц m-й фракции. В процессе перемешивания плотность упаковки частиц изменяется. Каждое значение плотности упаковки частиц соответствует определённому расположению частиц заполнителя относительно друг друга.

Каждое такое взаимное положение частиц называется состоянием системы N частиц. Общее количество состояний, в которых могут находиться N частиц, равно N!, а число состояний, при которых изменение положения частиц относительно друг друга не приводит к изменению плотности упаковки частиц, равно n1!n2!n3!...nm! Отсюда число способов возможных размещений N частиц, при которых плотность упаковки частиц будет изменяться, равно:

N!

Nk =.

n1!n 2 !n3 !... n m !

Из всех возможных способов размещения N частиц только один соответствует принятой расчётной схеме расположения частиц в заполняемом объёме. Поэтому подбирают такой гранулометрический состав заполнителей, для которого значение N k будет минимальным.

Оценку эффективности зернового состава целесообразно проводить по показателю ln( N k ) k эф = 1.

N С увеличением количества применяемых фракций заполнителя коэффициент эффективности уменьшается (рис. 2.24) и возрастает с ростом соотношения диаметров смежных фракций заполнителя (рис. 2.25).

а) б) Объемная степень наполнения, % Коэффициент эффективности, % Объемная степень наполнения, % 100 80 60 40 20 0 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 К оличество ф ракц ий К оличество ф ракц ий коэф ф ициен т напол нения;

теоретическая кри вая;

коэф ф ициен т эф ф екти вности зерно вого состава эксперим ен тальная кри вая Рисунок 2.24 – Зависимость kфр и объёмной степени наполнения от количества фракций заполнителя:

а – расчётная;

б – экспериментальная б) а) Объемная степень наполнения, % Коэффициент эффективности, % 80 2 4 8 2 4 8 С оотнош ен ие диам етро в зерен двухф ракци онная смес ь;

трехф ракционная смесь Рисунок 2.25 – Зависимость kфр и объёмной степени наполнения от соотношения диаметров зёрен заполнителя:

а – расчётная;

б – экспериментальная Оптимальной является зерновая смесь, состоящая из двух фракций заполнителя с соотношением диаметров зёрен k8.

Кроме очевидной технической целесообразности увеличения количества фракций в зерновой смеси заполнителя важно рассмотреть также экономический аспект, который учитывает не только изменение себестоимости материала, но и затраты на получение однородной смеси:

kфр = зап kэфCот1, где зап – объёмная доля заполнителя;

Cот – относительная себестоимость материала, C Cот = См (k тCs )1 = зап зап + 1 ;

kт – коэффициент, учитывающий технологические затраты;

C s Cs – стоимость связующего;

Cзап – стоимость заполнителя.

При увеличении показателя kфр введение дополнительного количества фракций заполнителя целесообразно (рис. 2.26).

Расчёты показывают, что только при относительной стоимости заполнителя C зап C s 0, введение дополнительного количества фракций является эффективным. При CзапCs 0, увеличение количества фракций заполнителя обосновывается только необходимостью достижения заданных качественных показателей бетона. Это является справедливым для радиационно защитных материалов, для которых максимальное количество фракций заполнителя целесообразно принять не более двух.

kфр 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1 2 3 4 5 Количество фракций заполнителя – при Сзап/Сs= 0,5;

– при Сзап/Сs= 0,25;

– при Сзап/Сs= 0,1;

– при Сзап/Сs= 2, Рисунок 2.26 – Зависимость kфр от количества фракций заполнителя и относительной стоимости материала Важной задачей в технологии каркасных бетонов является рациональный выбор геометрического размера и формы зерна заполнителя при заданном типоразмере изделия. При этом необходимо обеспечить высокую степень наполнения и приемлемую пропиточную способность каркаса.

Определение формы зерна заполнителя. Рассмотрим два варианта. В первом варианте зёрна заполнителя неправильной формы вписываются в сферу диаметром D (рис. 2.27). При этом выполняются условия:

li D, i = 1...3 ;

Vз D, (2.6) где li – протяженность зерна заполнителя в i-м направлении;

Vз – объём зерна заполнителя.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.