Войти  |  Регистрация
Авторизация

Усадка жидкостекольных дисперсно-наполненных композитных материалов



Усадка является термодинамически обоснованным (часто обратимым) процессом уменьшения линейных размеров и объема материала вследствие удаления физической и/или физико-химической воды, перестройки структуры и др.
Усадочные деформации и стерические эффекты на границе раздела фаз «вяжущее вещество — дисперсная фаза» являются причиной возникновения внутренних напряжений, которые облегчают образование трещин и способствуют разрушению материала. Поэтому одним из ключевых исследований является установление закономерностей влияния различных рецептурных и технологических факторов на усадку композитов.
Известны рецептурные и технологические способы уменьшения величины усадки жидкостекольных материалов: регулирование вида, количества и удельной поверхности (крупности) дисперсной фазы; вида и количества модификатора; изменение условий перемешивания и твердения смеси. Так, например, увеличение степени наполнения обеспечивает снижение линейной усадки жидкостекольных мастик до 0,6...0,8 %, жидкостекольных бетонов общестроительного назначения — до 0,145...0,195 %, а радиационно-защитных бетонов на основе отходов тяжелых флинтов — до 0,26%.
Вид и количество дисперсных фаз, а также технологический режим изготовления оказывают существенное влияние на усадку радиационно-защитных композитных материалов (рис. 72...76).
Полученные экспериментальные данные показывают, что кинетика изменения усадки дисперсно-наполненных жидкостекольных материалов, отвержденных хлоридом бария, адекватно описывается классической моделью вида:
Усадка жидкостекольных дисперсно-наполненных композитных материалов

где Lmax — максимальное значение усадки композитов, %; k — кинетический коэффициент, сут-1; t — время, сут.
Усадка жидкостекольных дисперсно-наполненных композитных материалов
Усадка жидкостекольных дисперсно-наполненных композитных материалов

Значения эмпирических коэффициентов модели L=f(t) представлены в табл. 43 и 44.
Анализ рис. 72...74 и табл. 43 указывает на закономерное снижение величины усадки при увеличении степени наполнения связующего. В выбранных диапазонах варьирования степени наполнения величины линейной усадки составляют: для бората цинка — 0,72...0,20 %, для свинцового сурика — 0,99...0,26 % и для смесевого наполнителя — 0,26...0,21 %. Эти значения усадки для дисперсно-наполненного материала несколько превышают значение аналогичного показателя для жидкостекольного вяжущего, отвержденного хлоридом бария, модифицированного смесью ПВА в количестве 7 % и NaOH — 17 % от массы отвердителя и равного 0,22 %.
Усадка жидкостекольных дисперсно-наполненных композитных материалов
Усадка жидкостекольных дисперсно-наполненных композитных материалов

Для объяснения этого экспериментально установленного факта, возникающего при введении дисперсной фазы, разработаем модель усадки жидкостекольных материалов, отвержденных хлоридом бария. Гидросиликаты бария имеют нитевидную форму и образуют специфическую сетчатую структуру (рис. 77, а). Отдельные элементы такой структуры можно представить в виде ячейки, стороны которой представлены в виде стержней длиной l0 и размером поперечного сечения h (рис. 77, б).
Предположим, что усадка вызывается силой Р. При превышении P некоторого критического значения P* стержень может изгибаться, что эквивалентно деформированию модели, т.е. усадке материала. Значение P* с учетом принятых обозначений определится по формуле Эйлера:
Усадка жидкостекольных дисперсно-наполненных композитных материалов

где E — модуль упругости; l — длина; Imin — момент инерции сечения, равный:
Усадка жидкостекольных дисперсно-наполненных композитных материалов

Отсюда критическое напряжение равно:
Усадка жидкостекольных дисперсно-наполненных композитных материалов

Очевидно, что при образовании гидросиликатов бария, идентичных по химическому составу, E = const. Поэтому σ* будет определяться геометрическими характеристиками стержней модели.
При увеличении содержания хлорида бария или при введении дисперсной фазы происходит изменение образующейся структуры, сопровождающееся увеличением числа нитевидных гидросиликатов бария, что эквивалентно увеличению количества ячеек в модели (рис. 78).
Очевидно, что при V = const (здесь V — объем гидросиликатов бария) увеличение количества ячеек приводит к изменению геометрических характеристик стержней модели.
Усадка жидкостекольных дисперсно-наполненных композитных материалов

Установим зависимость изменения геометрических характеристик стержней от количества ячеек. По данным рис. 78, а определим объем гидросиликатов бария:
Усадка жидкостекольных дисперсно-наполненных композитных материалов

Значения изменения соотношения ho/lo при формировании различного количества ячеек приведены в табл. 45.
Усадка жидкостекольных дисперсно-наполненных композитных материалов

Анализ табл. 45 показывает, что изменение структуры модели, состоящей из длинных стержней (ho/lo = 0,001), сопровождается увеличением парам стержней h/l > ho/lo с повышением количества формирующихся ячеек. Такое изменение приводит к повышению критического напряжения σ*, и, следовательно, уменьшению величины усадки. Для моделей, сформированных из стержней с параметрами ho/lo = 0,01, соотношение h/l изменяется в широком диапазоне: h/l ≤ 1 и h/l ≥ 1. Это указывает, что при таких параметрах модели может наблюдаться как уменьшение, так и увеличение ее усадки. На сценарий изменения усадки будут оказывать влияние внешние условия (например технологические: режим тепловой обработки, влажность среды и т.д.). Изменение структуры модели, составленной из коротких стержней (ho/lo = 0,05), приводит к уменьшению парам h/l ≤ ho/lo и, следовательно, создает условия для увеличения усадки. Полученные результаты моделирования объясняют экспериментальные данные по влиянию количества отвердителя или дисперсной фазы (наполнителя) на усадку жидкостекольных строительных материалов, отвержденных хлоридом бария.
Введение наполнителя приводит к изменению строения жидкостекольного вяжущего: по сравнению с нитевидными гидросиликатами бария, образующимися в условиях отсутствия дисперсной фазы, формируется концентрированная структура, состоящая из продуктов отверждения с малыми геометрическими параметрами (h/l). Это закономерно приводит к увеличению усадки материала. Дальнейшее введение наполнителя приводит к протеканию двух конкурирующих процессов, заключающихся в изменении строения гидросиликатов бария (процесс № 1) и заполнении пустот между нитевидными продуктами твердения частицами дисперсной фазы (процесс № 2). Постепенное заполнение пустот приводит к закономерному снижению усадки. Такие материалы обладают существенно меньшей усадкой (в 2,3...4 раза известных аналогов).
Введение заполнителя закономерно приводит к снижению величины усадки (до 0,073 %). Причем с увеличением степени наполнения связующего и давления прессования снижение величины усадки возрастает. Так, для образцов бетона состава № 1, отформованного при давлении 8 МПа, линейная усадка равна 0,086 %, а при давлении 20 МПа — 0,076 %, т.е. меньше на 11,6 %. При прочих равных условиях увеличение степени наполнения связующего, применяемого для изготовления бетона (составы № 1 и № 2), также способствует снижению усадки на 7,6 %. При этом объемная степень наполнения связующего изменяется только на 5,7 %.
Таким образом, установлен механизм влияния степени наполнения на усадочные деформации дисперсно-наполненных жидкостекольных композитов, который заключается в том, что введение наполнителя приводит к изменению строения жидкостекольного вяжущего: наблюдается формирование более плотной сетки гидросиликатов бария, состоящей из более тонких нитей, а также заполнение объема пустот между нитями продуктов отверждения частицами наполнителя. Эти конкурирующие процессы доминируют при различных степенях наполнения: при малом количестве наполнителя преобладает процесс формирования более плотной сетки, состоящей из тонких нитевидных продуктов, поэтому по сравнению с жидкостекольным вяжущим такие композиты имеют большую усадку. При более высоких степенях наполнения вследствие заполнения объема пустот частицами наполнителя такие материалы обладают существенно меньшей усадкой (в 2,3...4 раза известных аналогов). Введение заполнителей и повышение давления прессования также способствуют снижению величины усадки материала. Величина линейной усадки радиационно-защитных бетонов более чем в 1,8 раза меньше аналогов.
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent