Методика проектирования состава дисперсно-армированного серного материала

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВО Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, г.Пенза

Методика проектирования состава дисперсно-армированного серного материала

С.А. Болтышев, И.Ю. Шитова

Аннотация

армированный серный волокно наполнитель

Введение волокна в состав композита приводит к изменению структуры, свойств и технологии изготовления материала. В настоящей работе представлена методика расчета составов диспресно-армированных серных материалов. Представлены формулы для определения суммарной поверхности частиц наполнителя и волокон; поверхности, количества и объема одного волокна; коэффициента армирования; объемной доли наполнителя; масс серы, наполнителя, волокон и модификаторов.

Ключевые слова: проектирование, сера, серный бетон, серная мастика, дисперсно-армированный материал, композит, наполнитель, волокно, оптимизация состава, объемная доля, коэффициент армирования, плотность, структура.

Анализ научно-технической литературы показал [1-9], что в открытой печати недостаточно сведений о способах проектирования составов дисперсно-армированных серных материалов.

Очевидно, что методы проектирования составов серных бетонов не могут быть использованы при проектировании составов серных дисперсно-армированных материалов, так как при проектировании рецептуры композиционного материала предполагается получение материала с определенной структурой, а как известно, структура такого композиционного материала, как бетон, имеет существенные отличия от структуры дисперсно-армированного материала.

Оптимизацию составов дисперсно-армированных материалов целесообразно проводить аналогично оптимизации таких композиционных материалов, как бетон, то есть проводить последовательную масштабную оптимизацию на двух уровнях: микроструктуры (структуры серной мастики) и макроструктуры (структуры материала, армированного волокнами). В результате оптимизации состава мастики получают оптимальную структуру материала [10-13]. Очевидно, что введение волокон приведет к увеличению площади границы раздела фаз, к отклонению топологических параметров структуры мастики от оптимальных значений и, следовательно, к изменению свойств материала. Целесообразно предположить, что оптимизацию макроструктуры такого композита необходимо проводить при условии:

,(1)

где оптимальная поверхность раздела фаз; , соответственно, суммарная поверхность частиц наполнителя и волокон.

Безусловно, условие (1) справедливо в достаточно узком диапазоне изменения количества волокнистого наполнителя, так как введение волокна приводит к изменению структуры, свойств и технологии изготовления материала.

Оптимальная поверхность раздела фаз равна:

,(2)

где оптимальная объемная доля наполнителя в мастике; - общий объем; - диаметр частицы наполнителя.

Суммарная поверхность частиц наполнителя равна:

,(3)

где объемная доля наполнителя; количество частиц наполнителя; поверхность одной частицы наполнителя.

Суммарную поверхность волокон определим:

,(4)

где число волокон; поверхность одного волокна.

Количество волокон равно:

,(5)

где объем волокон; объем одного волокна:

;(6)

здесь масса волокон: ; плотность волокон; коэффициент армирования композита, выраженный в % от массы серы; плотность серы.

Объем волокна определяется по геометрическим размерам:

,(7)

где , соответственно, диаметр и длина волокна.

Подставляя выражения (7) и (6) в формулу (5), получим:

.(8)

Поверхность одного волокна приближенно равна:

.(9)

Подставляя формулы (8) и (9) в выражение (4), получим:

.(10)

По Ромуальди число волокон в единице объема равно:

,(11)

где площадь сечения образца материала; площадь поперечного сечения волокна; объемный коэффициент армирования материала.

Объемный коэффициент армирования связан с соотношением:

.(12)

Подставляя выражение (12) в формулу (11), получим:

.(13)

Значения можно также определить, используя решетчатое приближение (рис. 1):

,(14)

где толщина прослойки серной мастики; максимальная степень наполнения.

Из выражений (13) и (14) равно:

.(15)

Рис. 1. - Структура дисперсно-армированного материала

Подставляя выражения (15), (10), (3), (2) в формулу (1), получим:

.(16)

Из формулы (16) определится:

.(17)

Определив объемную долю наполнителя в мастике, можно рассчитать расходы компонентов:

масса наполнителя

;(18)

масса серы

;(19)

 масса волокна

.(20)

При введении модификаторов (, где а_s количество добавки, выраженной в % от массы серы) суммарный объем компонентов превышает и поэтому необходимо ввести коэффициент пересчета:

,(21)

где плотность модификатора.

Тогда уточненные расходы компонентов равны:

; ;

; .(22)

Подводя итог порядок расчета состава серного дисперсно-армированного материала можно представить следующим образом. По формуле (17) вычисляют объемную долю наполнителя, по зависимостям (18) …(20) расходы основных компонентов материала (серы, наполнителя и волокна). Затем по формуле (21) вычисляют коэффициент пересчета, а по зависимости (22) уточненные расходы компонентов материала. Настоящий алгоритм проектирования составов дисперсно-армированного серного композита можно использовать в практических целях, что существенно сокращает время и затраты на проведение экспериментальных исследований и выявления оптимальных решений.

Литература

1. Баженов Ю.А., Соколова Ю.А. Радиационно-защитные и коррозионно-стойкие серные строительные материалы. М.: Палеотип, 2006. 272 с.

2. Eisaburo O., Yukio T., Tatsuya M., Yukihiko H. Effekt of г - rau Irradiation on superplasticiser and superplasticised concretes. Review 37 Jer. Meet. Cem. Assoc. Jap. Tech. Sess. - Tokyо, 1993. - pp. 98 - 100.

3. Королев Е.В., Прошин А.П., Болтышев С.А., Королева О.В., Авдеева Е.Н. Выбор соотношения между мелкими и крупными заполнителям // Известия тульского государственного университета. Выпуск 3. Тула ТГУ, 2002. С. 142-146.

4. Королев Е.В., Прошин А.П., Болтышев С.А., Макаров О.В. Подбор состава радиационного - защитного серного бетона // Материалы научно-технического семинара. Совершенствование методов проектирования составов бетона. Украина, Ровно, Ровенский ГТУ, 2001. С. 104 - 109.

5. Кудрявцев П.Г., Фиговский О.Л. Нанокомпозитные органоминеральные гибридные материалы // Инженерный вестник Дона, 2014, №2, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2476

6. Курилова С.Н. Прессованные цементно-минеральные композиты для дорожного строительства // Инженерный вестник Дона, 2017, №2, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2017/4245

7. Makatious A.S., Megahid R.M. Sekondaty - dose distvibutions in light and heavy weight concrete shields. «Int. I. Appl. Radiat and Isotop» 1992. - №7. - pp. 569 - 573.

8. Шитова И.Ю., Самошин Е.Н. Внутренние напряжения в наномодифицированных серных композиционных материалах //Современные проблемы науки и образования, 2015, № 1 (часть 1); с. 106. URL: science-education.ru/121-17131

9. Яушева Л.С. Серобетоны каркасной структуры. Дис… канд. техн.наук. Саранск: МГУ им. Н.П. Огарева, 1998. 170 с.

10. Соломатов В.И. Развитие полиструктурной теории композиционных строительных материалов // Материалы юбилейной конференции. М.: МИИТ, 2001. С. 56-66.

11. Соломатов В.И. Элементы общей теории композиционных строительных материалов // Материалы юбилейной конференции. М.: МИИТ, 2001. С. 41-56.

12. Баженов Ю.М., Данилов А.М., Королев Е.В., Гарькина И.А. Системный подход к разработке и управлению качеством материалов специального назначения // Архитектура и строительство, 2006, №1. С. 45-54.

13. Антонов А.В. Системный анализ. М.: Высшая школа, 2004. 454 с.

References

1. Bazhenov Ju.A., Sokolova Ju.A. Radiacionno-zashhitnye i korrozionno-stojkie sernye stroitel'nye materialy [Radiation-protective and corrosion-resistant sulfur construction materials]. M.: Paleotip, 2006. 272 p.

2. Eisaburo O., Yukio T., Tatsuya M., Yukihiko H. Effekt of г-rau Irradiation on superplasticiser and superplasticised concretes. Review 37 Jer. Meet. Cem. Assoc. Jap. Tech. Sess. Tokyo, 1993. pp. 98-100.

3. Korolev E.V., Proshin A.P., Boltyshev S.A., Koroleva O.V., Avdeeva E.N. Izvestija tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Vypusk 3. Tula TGU, 2002. pp. 142-146.

4. Korolev E.V., Proshin A.P., Boltyshev S.A., Makarov O.V. Materialy nauchno-tehnicheskogo seminara. Sovershenstvovanie metodov proektirovanija sostavov betona. Ukraina, Rovno, Rovenskij GTU, 2001. pp. 104-109.

5. Kudrjavcev P.G., Figovskij O.L. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2476

6. Kurilova S.N. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2017/4245

7. Makatious A.S., Megahid R.M. Sekondaty - dose distvibutions in light and heavy weight concrete shields. «Int. I. Appl. Radiat and Isotop» 1992. №7. pp. 569-573.

8. Shitova I.Ju., Samoshin E.N. Sovremennye problemy nauki i obrazovanija, 2015, № 1 (chast' 1); p. 106. URL: science-education.ru/121-17131

9. Jausheva L.S. Serobetony karkasnoj struktury [Serebyany frame structure]. Dis… kand. tehn.nauk. Saransk: MGU im. N.P. Ogareva, 1998. 170 p.

10. Solomatov V.I. Materialy jubilejnoj konferencii. M.: MIIT, 2001. pp. 56-66.

11. Solomatov V.I. Materialy jubilejnoj konferencii. M.: MIIT, 2001. pp. 41-56.

12. Bazhenov Ju.M., Danilov A.M., Korolev E.V., Gar'kina I.A. Arhitektura i stroitel'stvo, 2006, №1. pp. 45-54.

13. Antonov A.V. Sistemnyj analiz [System analysis]. M.: Vysshaja shkola, 2004. 454 p.

Размещено на Allbest.ru