Об энергетике регулирования свойств материалов

Заднепровский Р.П.

НИИ инновационных технологий (Волгоград), Россия

Энергетические показатели сцепления исходных дисперсных материалов являются главным фактором разработки параметров технологий использования таких материалов для получения конечной продукции в различных областях промышленности . Для горных пород расчетные и экспериментальные значения сил сцепления частиц меняются в широком диапазоне. Силы сцепления между микрокристаллами глинистых горных пород имеют интервал 0,1 – 0,001 Н при числе контактов п = 10⁶ - 10⁸ на 1см². Энергетический показатель единичного контакта для коагуляционных связей U = 10^-7 – 10^-5 , а для кристаллизационных связей – порядка 10^-1 - 10^-3 Дж/см³. Ориентировочно, для глобулярной структурной модели материала n = 1/ 4(рr)² . Здесь r – эффективный радиус частиц дисперсий, р – показатель пористости. Для глинистых пород величина 0,6 > р > 0,26. Энергетический показатель сцепления глинистых пород Э = 1-10 Дж/г. Для влажности нижнего предела пластичности глин , когезионный показатель (сцепление) Р_к < 3. 10⁴ Па, а для сухих глинистых пород достигает 10⁶ Па. Затвердевшие цементы имеют прочность на сжатие (1 – 8) 10⁷ Па, но прочность на растяжение в 8-15 раз меньше. Для повышения общей прочности изделий на основе различных вяжущих добавок ( глина, цемент, известь и др.) необходимо резкое увеличение количества контактов молекулярно-ионного сцепления. Представляется реальным повышение числа контактов в 5-10 раз, а теоретически – до 100. Это следует из более глубоких термодинамических соображений и размерно-энергетической иерархии частиц ( от наноразмерных до кластерно-кристаллических ассоциатов). Относительная пористость для большинства дисперсных пород 0,3 < 0,7. Повышение числа контактов возможно при использовании электромагнитных, акустических и тепловых полей и изменения структуры при измельчении.

Электромагнитная активация (ЭМА) жидкостей приводит к изменению структурно-физических свойств водосодержащих материалов, и тем самым, открывает перспективы новых практических реализаций. Наложение электрического поля напряженностью Е=2-3В/см до начала интенсивного структурообразования приводит к росту периода твердения грунтов и строительных растворов. Магнитная обработка глинистых паст при напряженности до 50 кА/м и скорости пересечения магнитного поля 0,3- 1,3 м/с повышает или снижает до 35% (в зависимости от режима омагничивания) их когезию и адгезию к металлам.. Воздействие ЭМА является элементом нанотехнологий (для объемного материаловедения), позволяющее длительное время (от нескольких часов

до нескольких суток) создавать существенное неравновесное энерготермодинамическое состояние воднодисперсных систем (ВДС) и тем самым влиять на ее конечное состояние в процессах фазопревращений или переноса веществ. Для режима воздействия ЭМА разработана методика определения его оптимизации по показателям изменения углов смачивания и скатывания, электродного потенциала, капиллярного поднятия и измерению сил адгезии и когезии. В опытах отмечена возможность значительного

повышения эффективности комбинированного воздействия слабых электромагнитных полей с акустическими и тепловыми полями для минеральных ВДС. Структура материалов меняется от зернистой до слоистой и волокнистой. Вследствие этого универсального эффективного способа и устройства для измельчения не существует. Можно использовать способы измельчения основанные на ударно-импульсном воздействии, виброударном, истирании-раздавливании, резании и комбинации указанных способов. Тонкому измельчению способствует использование гидроударных и газовых струй. В специальных случаях используются электромагнитные, термические воздействия и другие физико-химические явления (например, эдектрогидравлический удар). В реальных измельчающих установках механического типа ударное воздействие всегда сопровождается трением и вибрацией. Чрезвычайно важная роль удельной поверхности исходных компонентов строительных смесей для достижения высокой прочности и долговечности конечных строительных материалов определяет значительность проблемы снижения энергоемкости и соответствующих экономических затрат для различных способов получения тонкодисперсных компонентов . Возможна предварительная расчетная оценка энергоемкости получения основных исходных компонентов заданной дисперсности ( по удельной поверхности –S ) по стандартным показателям прочности: предельным напряжениям разрушения материалов на растяжение-, сжатие-или сдвиг-. Наименьшая энергоемкость соответствует разрушению растяжением , однако преимущественное использование этого типа разрушения в практических технологиях не достигается или отсутствует. В различных конструкциях измельчающих устройств, преимущественно, происходит разрушение при сжатии и использовании предельных касательных напряжений. Общая энергия на измельчение представляется в виде: N = , где - соответственно, затраты энергии ( удельные мощности) на: разрушение межчастичных связей до конечной стадии измельчения; сообщение кинетической энергии продуктам измельчения; трение; динамические потери в рабочем органе ( холостой ход, разгон- торможение); процессы реагрегации. Под реагрегацией понимается самопроизвольный процесс укрупнения ультрамелких частиц появляющихся при измельчении. Предполагается, что всегда существуют мельчайшие частицы и их агрегаты с внутренним сцеплением ( когезией) более значительным, чем межчастичные связи. Характеристику прочности ( как энергию межчастичных связей) можно представить в виде: , где А – удельная работа на образование единицы поверхности ( Нм/м). В этом случае, энергоемкость измельчения (Дж/кг), где y- плотность , d₁ , d₂ – начальный и исходный ( минимальный) среднеинтегральный размер частиц. Удельная поверхность – S =b/d , где коэффициент формы частиц b=2-4. Опыты с наноуглеродными и нанокремнеземными добавками к цементу показали положительный эффект при весьма малой доле наночастиц (до 10^-3 %) , однако их высокая стоимость оправдывается лишь при повышении прочности более 25-30%. В ряде случаев отмечается парадоксальные изменения прочности и пластичности. На фоне общей закономерности роста прочности при снижении пластичности может наблюдаться и отрицательный эффект при вводе микро- и нанодобавок на разных стадиях структурообразования не отвечающих достаточному энергетическому уровню. Эффективная доля активных добавок( например, углеродно-кремнеземного состава) составляет 0,01- 0,001%. Эффективность использования для повышения прочности строительных материалов низкоконцентрированных суспензий из минерала шунгита открывает возможность получения подобных наноуглеродных суспензий из отходов угледобывающей, металлургической,топливной промышленности ( сажа, зола, шлаки и т.п.). При рациональном сочетании активных нанодобавок и ЭМА оптимального режима возможно повышение прочности низко марочных бетонов в 2-3 раза.