Строительство и архитектура/4.Современные строительные материалы

Гришина А.Н., к.т.н.; Королев Е.В., д.т.н., профессор

ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет»

Прочность радиационно-защитных жидкостекольных связующих, отвержденных хлоридом бария

Радиационно-защитные строительные материалы на основе водных растворов силикатов натрия являются типичными композиционными материалами, в которых дисперсная фаза может выполнять функцию инертного компонента – наполнителя или заполнителя [1]. Известно, что существуют три типа разрушения бетонов: «по заполнителю», «по контактному слою «связующее – заполнитель» и «по связующему». Для радиационно-защитных бетонов рационально использование в качестве заполнителя свинцовой дроби [2, 3] при этом разрушение «по заполнителю» и «по границе раздела фаз «связующее – заполнитель» не реализуется вследствие высокой пластичности свинца. Отсюда прочность радиационно-защитных жидкостекольных бетонов, наполненных свинцовой дробью, будет определяться только прочностью связующего.

Декомпозицией интенсивных свойств жидкостекольных композитов установлено, что прочность связующих определяется следующими рецептурными факторами: видом, количеством и дисперсностью наполнителя, а также видом и концентрацией добавок [4]. При использовании выбранных дисперсных фаз, имеющих показатели свойств, соответствующие нормативам, доминирующее значение имеет степень наполнения материала (рис. 1 и 2).

Рис. 1. Зависимость прочности жидкостекольных связующих от степени наполнения:

· – борат цинка; * – свинцовый сурик; □ – смесевой наполнитель, состав которого приведен в [5] (совмещение компонентов перемешиванием); ○ – смесевой наполнитель (совмещение компонентов совместным помолом)

Рис. 2. Зависимость прочности жидкостекольных связующих от степени наполнения:

· – борат цинка; □ – свинцовый сурик; Δ – смесевой наполнитель (совмещение компонентов перемешиванием); ○ – смесевой наполнитель

(совмещение компонентов совместным помолом)

Анализ рис. 1 и 2 показывает, что зависимость прочности материала от степени наполнения дисперсными фазами имеет экстремальный характер, адекватно описываемый математической моделью вида:

,

где – объёмная доля наполнителя; a – прочность вяжущего, МПа; b, c, d – эмпирические коэффициенты, характеризующие влияние степени наполнения (значения коэффициентов приведены в табл. 1).

Таблица 1

Значения эмпирических коэффициентов

Наполнитель	Эмпирические коэффициенты
	a, МПа	b, МПа	c	d
Борат цинка	2,28	–10,27	–7,00	11,66
	3,86	–16,78	–9,40	23,30
Свинцовый сурик	2,30	–5,97	–3,62	2,76
	3,77	–10,26	–3,62	2,74
Смесевой наполнитель (совмещение компонентов перемешиванием)	2,13	–5,16	–4,70	5,59
	3,71	–7,94	–5,00	6,47
Смесевой наполнитель (совмещение компонентов совместным помолом)	2,12	–4,86	–4,82	5,93
	3,30	–7,92	–4,96	6,19

Примечание. В числителе значения эмпирических коэффициентов для , в знаменателе – то же, для .

Анализ табл. 1 показывает, что существует определённая закономерность между значениями эмпирического коэффициента b, характеризующего влияние наполнителя, и прочностью материала: с увеличением абсолютных значений b наблюдается снижение прочности композита.

Каждый наполнитель, вследствие различий в физико-химических свойствах, будет оказывать индивидуальное влияние на прочность материала.

Теоретически прочность композиционного материала может быть представлена как сумма вкладов, вносимых вяжущим и дисперсной фазой :

.

Учитывая структуру материала, и запишем следующим образом:

;

,

где - удельная поверхность наполнителя; - средняя плотность материала наполнителя; , - коэффициенты, характеризующие влияние вяжущего и наполнителя, соответственно.

Значительный научный и практический интерес представляет установление закономерностей во влиянии структуры материала и геометрических параметров дисперсной фазы на коэффициенты и . Для этого с использованием экспериментальных данных зависимостей прочности при сжатии связующего по граничным условиям определяют значения коэффициентов А и В:

- при

;

- при

,

где - прочность вяжущего; - прочность вяжущего без воздушных пор.

Коэффициент А имеет единицу измерения , а коэффициент В - , что аналогично единице измерения поверхностного натяжения.

Коэффициент А для всех составов жидкостекольных дисперсно-наполненных композитов имеет одинаковое значение, равное 7,92 МПа, а значения коэффициента В различны. Анализ показывает, что коэффициент B имеет сложную зависимость от дисперсности наполнителя и определяется содержанием модификатора и равномерностью распределения частиц наполнителя в смеси (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость коэффициента В от диаметра частиц наполнителя:

□ – борат цинка; ○ – свинцовый сурик;

♦ – смесевой наполнитель (совмещение компонентов перемешиванием);

– смесевой наполнитель (совмещение компонентов совместным помолом)

Анализ рис. 3 показывает, что при одном способе совмещения компонентов коэффициент В возрастает с увеличением диаметра частиц дисперсной фазы. При незначительном изменении состава наполнителя, введение модификатора и изменение технологии совмещения компонентов приводит к увеличению величины вклада наполнителя в прочность композита. Такое изменение значений коэффициента В хорошо согласуется с теорией Дж. Ленга, в соответствие с которой крупнодисперсный наполнитель оказывает более интенсивное влияние на прочность композитов [6].

Прочность бетонов зависит от их структуры: для бетона, имеющего структуру «с плавающими зёрнами заполнителя» его введение приводит к снижению прочности бетона; для типа «структура с контактным расположением зёрен» – зависимость имеет экстремальный характер, величина которого зависит от плотности каркаса заполнителей и прочности его зёрен. Как правило, смещение координаты оптимального количества заполнителя достигается использованием интенсивных способов формования, то есть при подведении большего количества внешней энергии к бетонной смеси наблюдается смещение величины в область больших степеней наполнения. При этом при прочих равных условиях величина прочности бетона закономерно снижается [7, 8].

Таким образом, выявлено влияние дисперсной фазы на прочность материала и его трещиностойкость: показано, что вклад наполнителя в прочность композита возрастает с увеличением диаметра его частиц. Установлено, что концентрационные зависимости прочности имеют классический экстремальный характер; полученные закономерности изменения прочности дисперсно-наполненных жидкостекольных материалов от вида и количества наполнителя позволяют определить оптимальные степени их наполнения.

Литература:

1. Гришина А.Н., Королев Е.В. Прочность жидкостекольных композитов, отвержденных ферроборовым шлаком // Строительные материалы. 2012. № 6. С. 66-68.

2. Данилов А.М., Королев Е.В., Самошин А.П., Смирнов В.А. Материалы специального назначения: выбор элементного состава // Региональная архитектура и строительство. 2009. № 2. С. 37-40.

3. Королев Е.В., Гришина А.Н. Основные принципы создания радиационно-защитных материалов. определение эффективного химического состава // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2009. № 1 (11). С. 261-265.

4. Королев Е.В., Гришина А.Н. Методологические принципы создания радиационно-защитных композиционных материалов на основе жидкого стекла // Труды международного форума по проблемам науки, техники и образования — М.: Академия наук о Земле, 2007. - С. 42-43.

5. Гришина А.Н. Структура и свойства радиационно-защитных жидкостекольных композиционных материалов повышенной плотности. диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Воронежский государственный архитектурно-строительный университет. Пенза, 2010.

6. Королев Е. В. , Гришина А. Н. Реологические свойства радиационно-защитных жидкостекольных строительных материалов // Вестник Волжского отделения РААСН. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2010. – вып. № 13. – C.220–224.

7. Баженов Ю. М. Технология бетона. – М.: Высшая школа, 1987 – 414 с.

8. Баженов Ю. М., Фаликман В. Р. Новый век: новые эффективные бетоны и технологии // Материалы I Всероссийской конференции. – М., 2001. – С.91–101.