книги / Силикатные и полимерсиликатные композиты каркасной структуры роликового формирования

Любая реологическая модель должна отражать основные механиче­ ские свойства среды: упругость, вязкость и пластичность. Идеально уп­ ругая среда описывается моделью Гука и представляется в виде пружи­ ны, для которой график зависимости напряжений от деформаций опре­ деляется известным законом:

где Е — модуль линейной деформации, е — относительное удлинение. Пластические или жесткопластические материалы достаточно точно

характеризуются моделью Сен-Венана, представленной в виде ползуна с сухим кулоновским трением. Условием появления пластических дефор­ маций (как остаточных деформаций сдвига) в данном материале являет­ ся превышения напряжения величины пределы пластичности [ еп7].

Идеально вязкие тела описываются моделью Ньютона, в которой работа внешних сил направлена на преодоление сил вязкого трения. Ме­ ханическим эквивалентом такой модели служит поршень с отверстиями малого диаметра, перемещающийся в наполненном жидкостью цилинд­ ре. Напряжения в вязкой модели определяются выражением

(2Л7>

где т| — коэффициент динамической вязкости, 9 — скорость переме­

щения, Z — расстояние.

Каркас и каркасный бетон представляют собой сложную многоком­ понентную структуру, в которой имеются и твердые частицы (заполни­ тель) различной крупности, и жидкая фаза (связующее), распределенная по поверхности твердых частиц. Соответственно силы взаимодействия между отдельными составляющими весьма многообразны и описать их поведение при механическом воздействии простейшей моделью невоз­ можно. Сложные реологические модели достаточно точно описываются определенным механическим сочетанием простых моделей.

Поведение бетонной смеси, уплотняемой укаткой, наиболее адекватно описывается моделью упругопластической среды (Бингама). Схематично реологическую модель системы «уплотняющий каток — каркас (или кар­ касный бетон)» можно представить в виде, приведенном на рис. 2.1.

Пружина у имитирует упругомгновенную деформацию (модель Гука) системы, элемент ж имитирует пластическое деформирование системы до достижения предела текучести. Напряжения в вязкой составляющей имити­ руются элементом в. Напряжения в системе в общем виде определяются с

41

! р

t

Ряс. 2.1. Реологическая модель системы уплотнения «каток— каркас (или каркасный бетон)»

Пренебрегая некоторыми различиями структурно-механических свойств каркаса и матрицы, а также отличиями в условиях их укладки по роликовой технологии, для описания процесса уплотнения можно исполь­ зовать единый подход, согласно которому процесс деформирования мате­ риала с его последующим уплотнением рассматривается как плоская зада­ ча. Применим для данного случая метод совместного решения приближен­ ных уравнений равновесия и условия пластичности.

Расчетная схема взаимодействия уплотняющего ролика с бетонной смесью показана на рис. 2.2.

Для анализа механизма уплотнения массива материала в зоне дефор­ мирования, ширина которой равна горизонтальной проекции дуги контакта прямого уплотняемого материала с рабочей поверхностью катка, выделим бесконечно малый объем на участке единичной длины dx и рассмотрим условия равновесия сил, действующих на него при уплотнении. Совместное

42

решение уравнений равновесия относительно осей X иУ и уравнения пла­ стичности для граничных условий x = l, hx =h0 ,Px =Pzi =<j0 + ax после

ряда преобразований и упрощений позволяет получить уравнение вида:

где AQ/AV — характеризует изменение объема уплотняемого материала;

А — постоянная величина, определяемая значениями коэффициентов сцеп­ ления уплотняемого материала с поверхностью ролика (ц ,) и основания

(И2);

Полученное уравнение устанавливает взаимосвязь основных парамет­ ров, определяющих механизм уплотнения материала прессующим роликом. Оно объединяет как свойства бетонной смеси ( о 0), (р ,,ц 2 ) так и парамет­

ры уплотняющего ролика ( ф ,^ ! hk).

Рис. 2.2. Расчетная схема взаимодействия ролика с бетонной смесью

43

Глава 3

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И С ВО Й С ТВ

МАТРИЧНЫ Х СОСТАВОВ Н А О СН О ВЕ

ЖИДКОГО СТЕКЛА

3.1.Компоненты и составы, использованные при проведении исследований

Вкачестве основного вяжущего при изготовлении жидкостекольных композиций использовалось натриевое жидкое стекло, химический состав и свойства которого приведены в табл. 3.1.

Отвердителем жидкого стекла служил кремнефтористый натрий в виде техни­ ческого порошкообразного продукта 1-го или 2-го сорта, соответствующий требо­ ваниям ГОСТ 87—77. Технический продукт содержит 90— 95 % чистого кремнефто­ ристого натрия. В качестве вяжущего при получении каркасов нами были исполь­ зованы: эпоксидная смола, битум и портландцемент.

Наполнители представляли собой размолотые в шаровой мельнице дисперсные порошки из исходного минерального сырья, а также отходов промышленных предприятий. В качестве наполнителей использовали квар­ цевый песок, измельченный порошок диатомита, пиритные огарки, извест­ няк, керамзитовую пыль, бой стекла, перлит.

Кварцевый песок Вольский и месторождений Мордовии с содержани­ ем глинистых примесей до 7 %. Кислотостойкость песка составляет 99,5 %, что объясняется тем, что более чем на 99 % он состоит из кварца (Si02), а количество карбонатных примесей менее 0,05 %. Химический состав песка, %: Si02 - 91,93; А120 3 — 5,36; F e A — 0,56; СаО — 0,04; MgO — 0,9; дру­ гие соединения — 1,21.

Перлитовая мука с истинной плотностью перлита 2,38 г/см3, насып­ ной плотностью в уплотненном состоянии 1,15 г/см3. Объем пустот на еди­ ницу объема материала составляет 51,6 %. Химический состав перлита, %: Si02 — 13,65; АЬОз — 12,41; F e A — 0,38; СаО — 0,51; MgO — 0,38; S03 — 0,26; Na20 — 3,62; К20 — 3,28.

44

Тонкоизмельченный диатомит с удельной поверхностью 3 000— 3 500 см^г и размером частиц, приближающимся к соответствующим величинам для кремнеземов в коллоидном состоянии. Химический состав, %: Si02 — 81,3; А120 3 — 5,1; FezOj — 2,46; СаО — 1,1; MgO — 0,85; ППП — 9,19.

П ирит ны е огарки. Отходы производства при плавлении пирита — серно­ го колчедана состава Fe2S. Химический состав, %: F e ^ — 67,0; А120 3 — 4,9; Р20 — 4,5; S 03 — 2,0; MgO — 1,4.

Тонкоизмельченный известняк. Получен путем измельчения известняко­ вых пород Ельниковского карьера Республики Мордовия. Удельная поверх­ ность 3 000— 3 500 см2/г. Химический состав, %: СаО — 54,95; Si02 — 0,72; MgO — 0,7; Fe20 3 — 0,4; ППП — 43ДЗ.

Тонкоизмельченный керамзит . Получен путем измельчения отходов керамзита Саранского завода крупнопанельного домостроения. Химический состав, %: S i02 — 55,1; А120 3 — 20,57; Fe20 3 — 8,0; Na20 — 0,63; СаО — 2,35; MgO — 2,95; другие соединения — 10,4. Плотность в сухом состоянии 750—760 кг/м3. Удельная поверхность 3 000—3 500 см2/г.

Тонкоизмельченный бой стекла. Отход производства Саранского элек­ тролампового завода. Химический состав, %: S i02 — 72,9; А120 3 — 1,5; Fe20 3 — 0,12; Na20 — 12,0; СаО — 5,0; MgO — 3,2; другие соединения — 5,28. Плотность в сухом состоянии 860—870 кг/м3. Удельная поверхность 3 000— 3 500 см2/г.

М одиф иц и рую щ и е добавки. В качестве модификаторов для компози­ тов на основе жидкого стекла использовались: фуриловый спирт, дибутилфталат, отработанное машинное масло, а также кремнефтористый натрий, который применялся также в качестве отвердителя жидкого стекла.

Исследованные составы приведены в табл. 3.2—3.3.

Таблица 3.2

Составы композитов на основе жидкого стекла (мастичные составы), мае. ч. на 100 мае. ч. жидкого стекла

Содержание

мотвердителя —

45

1220 Тоже— 150

1320 Тоже— 175

Таблица 3.3

Составы композитов на основе жидкого стекла, модифицированных добавками, мае ч. на 100 мае. ч. жидкого стекла

46

3.2.Прочность жидкостекольных композитов

Прочность композиционных материалов на основе жидкого стекла, как и других композитов, определяется многими факторами: непосредственно прочностью связующего и наполнителя, соотношением их прочностных свойств, степенью адгезионного взаимодействия между связующим и напол­ нителем и т. д. В данной работе проводились испытания кварцнаполкенных жидкостекольных композитов на прочность на растяжение при изгибе и при сжатии. Испытания при сжатии заключались в установлении кубиковой и призменной прочности. Образцы изготавливались в виде призм-балочек раз­ мером 1x1x3 см и кубиков с размером ребра 1 см. Предыдущие исследования показали, что биологическое сопротивление жидкосгекольных композитов зависит от количественного содержания в них кремнефтористого натрия, а прочность — от количества кварцевого песка [86]. В этой связи варьируемы­ ми факторами в составах были приняты количество кремнефтористого на­ трия и кварцевого песка. Зависимости изменения прочностных свойств ком­ позитов отданных факторов представлены на рис. 3.1— 3.2.

Количество отвердителя, мае. ч.

Количество отвердителя, мае, ч.

Рис. 3.1. Зависимости изменения относительной прочности на растяжение композитов на основе жидкого стекла от количественного

содержания отвердителя:

а— при трехточечном изгибе; 6 — кубиковой прочности;

в— призменной прочности при одноосном сжатии

47

Количество отвердителя, мае. ч.

Количество отвердителя, мае. ч.

Рве. 3.2. Зависимости изменения относительной прочности на растяжение

а—при трехточечном изгибе; б — кубиковой прочности;

в— призменной прочности при одноосном сжатии

Анализируя результаты, представленные на графиках, можно сделать вывод о том, что наибольшую прочность на растяжение при изгибе и на сжатие имеют композиты с содержанием кремнефтористого натрия 18 мае. ч. на 100 мае. ч. жидкого стекла и 150 мае. ч. кварцевого песка, а наименьшую — композиты с содержанием 16 мае. ч. кремнефтористого натрия на 100 мае. ч. жидкого стекла и 250 мае. ч. кварцевого песка.

3.3.Усадка композиций

Композиционные материалы на жидком стекле (силикатные системы) имеют довольно большую усадку при твердении, чего нельзя сказать о полимерсиликатных системах, усадка которых в 2— 3 раза ниже, чем у первых [247]. В связи с этим были проведены исследования, направленные на уменьшение усадочных деформаций жидкостекольных композиций при твердении.

48

—содержание наполнителя 125 мае. ч.

-О - —тоясе 150мае. ч.

— тооке200мае. ч. ^ — тооке250мае. ч.

Рис. 3.4. Зависимость изменения усадочных деформации композитов на основе жидкого стекла от времени отверждения

При уменьшении количественного содержания наполнителя усадка жидкостекольных композитов увеличивается. Видимо, это объясняется тем, что при обволакивании жидким стеклом частиц наполнителя вслед­ ствие малого содержания последнего пленка вяжущего вокруг каждой частицы оказывается слишком большой по толщине. При окончательном затвердевании, некоторое количество жидкого стекла (из-за толщины пленки обволакивания) остается в несвязанном состоянии. В дальнейшем в жидкостекольном составе остаются поры от испаряющейся воды. Из-за увеличивающейся пористости увеличивается и усадка. При увеличении содержания наполнителя до 200 мае. ч. и выше на 100 мае. ч. вяжущего, наоборот, последнего не хватает на полное обволакивание частиц напол­ нителя. Из-за этого, а также из-за большой суммарной поверхности на­ полнителя не все частицы кварцевого песка оказываются покрыты жид­ ким стеклом (или покрыты слишком тонкой пленкой). Структура компо­ зита оказывается уплотненной еще на начальной стадии твердения. По­ этому в высоконаполненных составах не наблюдается большой усадки.

3.4.Водостойкость

Сцелью определения водостойкости жидкостекольных композитов были изготовлены образцы-призмы размером 1x1x3 см из смесей с различ­ ными наполнителями и добавками. При этом изменялось содержание на­ полнителя и отвердителя. Физико-механические показатели композитов определялись после 28 суток выдерживания в среде. Результаты испытаний (рис. 3.5—3.7) показали, что при выдерживании в воде у всех составов на­ блюдается снижение прочности.

50