ПОЛИСТРУКТУРНАЯ ТЕОРИЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕ КОМПОЗИТОВ С ЗАДАННЫМ УРОВНЕМ КАЧЕСТВА

Антонова Е.А., Данилов А.М.

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

Накопление экспериментальных данных, их обобщение, развитие технологий производства и повышение требований к качеству строительных материалов способствуют развитию научных и прикладных основ строительного материаловедения, методологических принципов синтеза материалов. В эволюции представлений о строительных материалах выделяются три этапа [1], которые различаются методологией исследования и уровнем практических разработок. Первый этап – зарождение новой технологии. Этому периоду соответствует начальное накопление данных, опыта и навыков производства нового материала. Здесь доминирует рецептурный подход, а в исследованиях – метод проб и ошибок. Управление технологическим процессом имеет интуитивный характер, основанный только на опыте технолога.

Второй этап – становление новой технологии. На этом этапе развитие технологии основывается на обобщении накопленных данных, выявлении закономерностей влияния различных факторов на свойства материала. Исследования проводятся уже с привлечением фундаментальных наук. Формируются представления о влиянии управляющих факторов на структуру материала и ее взаимосвязи со свойствами. Проводится классификация управляющих факторов; выделяются доминирующие. На этом этапе в материаловедении и возникла полиструктурная теория. В ней изучение материала происходит по схеме: «рецептурно-технологические факторы – состав, структура – свойства». И на этом этапе пока знания о технологии имеют, в основном, эмпирический характер; не содержат обобщающих закономерностей, основанных на фундаментальных законах природы. Главную функцию в принятии решения имеет человек – оператор.

Эффективная технология вырабатывается на третьем этапе. На этом этапе основополагающим принципом является получение строительного материала с заданным уровнем качества. Понятие качества расширяется: включаются не только требования по изготовлению материала (технологическому процессу), но и его соответствие условиям эксплуатации изделия (эксплуатационные свойства и долговечность). В технологии рассматриваются два взаимосвязанных цикла: технологический и эксплуатационный. На каждом из циклов проводится оценка влияния управляющих воздействий на качество материала. При их отклонении от заданных параметров принимается решение об изменении рецептуры и условий изготовления материала (условия структурообразования).

Эффективность управления технологическим процессом зависит от степени изученности материала (адекватности его модели) и процессов, уровня техники и доли ручного труда, организации системы сбора информации на технологических переделах, технического контроля и оперативности принятия управленческих решений. Важно владеть в деталях знаниями как о технологическом процессе, так и о процессе структурообразования под действием эксплуатационных факторов. Естественно возникает задача идентификации технологического процесса и построения адекватной модели системы «рецептурно-технологические факторы – структура – качество материала».

В рамках полиструктурной теории для каждого масштабного уровня указываются закономерности формирования свойств композитов от структурообразующих факторов. Микроструктура (связующее) образуется при совмещении низковязких вяжущих веществ и наполнителей (тонкомолотых дисперсных фаз). На этом масштабном уровне преобладающее влияние на структуру и свойства композита оказывают поверхностные явления, протекающие на границе раздела фаз «вяжущее вещество – наполнитель», которые зависят от физико-химической активности поверхности, дисперсности и количества наполнителя (величина общей поверхности раздела фаз ;– количество наполнителя, кг; – удельная поверхность наполнителя, м²/кг). При оптимизации микроструктуры серных композитов, исходя из деформативности, эксплуатационной стойкости и других физико-технических свойств (по каждому в отдельности), были получены близкие значения точек экстремума (подтвердилось «правило створа»); при этом точки экстремума по подвижности смеси с указанными не совпали. Макроструктура композиционных материалов (бетонов) формируется при совмещении связующего (связующие в строительстве самостоятельно применяют в виде клеев, мастик, замазок, композиций для различных покрытий и инъекций) с природными или искусственными заполнителями. При этом микроструктура является только одним из компонентов бетона. Прочность макроструктуры меньше прочности связующего.

Отметим, создание каркасных бетонов, получаемых пропиткой связующим подготовленного каркаса из крупного заполнителя, связано именно с полиструктурной теорией. Такая технология позволяет уже на стадии проектирования материала определить критерии для оптимизации структуры каркаса и связующего для получения композитов с заданными свойствами на основе различных вяжущих, в том числе мало совместимых. Налицо возможность регулирования физико-технических свойств композитов изменением свойств поверхности заполнителей и введением эластичных слоев по их поверхности, выбором режимов уплотнения смесей (реологические свойства микро- и макроструктуры различны), использованием полидисперсного армирования.

Предлагаемый подход широко использовался при разработке сверхтяжелых бетонов для защиты от радиации [1].

Литература

1. Баженов Ю.М., Гарькина И.А., Данилов А.М., Королев Е.В. Системный анализ в строительном материаловедении: монография. -М.: МГСУ: Библиотека научных разработок и проектов. -2012. –432 с.