Диссертация (1141519), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Отношение объѐма межзерновых пустот к объѐму сыпучей системы выражается величиной пустотности, используемой в расчетахтакже в виде критериальной безразмерной величины. Величину пористости твердых тел представляется возможной определить расчетным путѐм с использованием плотности (ρ) и кажущейся плотности (γкаж) материала:Vпор.
= 1 – γкаж/ρ(3.6)Расчетным путем величина пустотности определяется с использованиемплотности (ρ) материала твердых тел и насыпной плотности (γ) сыпучей системы:Vп =1 – γ/ρ(3.7)Пористость минералов природного происхождения является их постояннойфизической характеристикой, а пористость материалов, полученных синтетическим путѐм, определяется технологией их производства. В ходе операций, связанных с приготовлением составов сыпучих систем, пористость исходных сырьевыхматериалов остается величиной постоянной. Пустотность же систем на основе измельченных сыпучих материалов является величиной переменной, зависящей от большого числа факторов (форма и размер зерен, число монофракций всмеси, степень уплотнения, соотношение размерностей объѐма смеси и размеров50зерен, порядок совмещения монофракций в процессе приготовления сыпучей смеси). Размеры пор (rпор) значительно меньше размеров межзерновых пустот (Rпус)поэтому заполнение объѐма пор происходит в первую очередь газообразными веществами, во вторую очередь – жидкими компонентами, и только при условии соизмеримости размеров пор и размеров мельчайших частиц может иметь местозаполнение пор твердыми телами, сопровождаемое вытеснением объѐма газаили жидкости (явление экструзии), эквивалентного объѐму монолитного материала твердого тела.
В связи с наличием во фракциях сыпучих материалов межзерновых пустот, соизмеримых с размерами твердых тел, обеспечивается возможность заполнения пустот твердыми телами меньших размеров. При этом происходит снижение свободного объѐма и соответственно уплотнение системы твердыммонолитным веществом. Фундаментальную основу этого направления составляютприродные физические явления заполнения межзерновой пустотности монофракций с большими размерами твердых тел монофракциями с меньшими размерамитвердых тел и явления раздвижки тел большего размера телами меньших размеров. С учетом указанных явлений величину пустотности монофракций и сыпучихсистем оптимально рассчитанного гранулометрического состава определяют сиспользованием следующих аналитических выражений: пустотность 1м3 монофракции измельченного материала:Vп =1 – γ/ρ(3.8)объем пустот любого насыщенного объѐма:Vп = Vп (1 – γ/ρ)(3.9)Установление количественных взаимосвязей между монолитным и свободным объѐмами зернистой системы является важнейшей предпосылкой решениянаучной задачи.
Ее цель - разработка методов проектирования сложных зернистых систем оптимального состава. На их основе обеспечивается проектированиесоставов армированных композиционных материалов с регулируемым гранулометрическим составом и, следовательно, комплексом физико-механическихсвойств.513.2. Типы структур зернистых систем МЗКБ и соответствующие имсхемы и эффекты взаимодействияС целью повышения эксплуатационных характеристик требуется создатьдостаточно плотную и оптимальную по распределению фракций структуру МЗКБ.Поэтому следует рассмотреть схемы взаимоотношения фракций на разных уровнях.
Основные схемы взаимоотношения фракций на микро-, мезо- и макроуровнях дисперсных систем МЗКБ представлены на рисунке 3.5.1. Количественно-модальная2. Пространственно-структурнаяА.По заполненностименьшими фракциями•••••МонофракционныеБифракционныеТернарныеКватернарныеПолифракционныеБ. По взаимнойориентации гранул• Законтактная - кубическая• Контактная - гексагональная• Порфировая - пирамидальная•В зависимостиот количествафракций модальности4.Функциональная- тетрагональная(простые идвойные )В зависимости•двот•пространственноструктурногорасположениягранул3. Эффективная• Скелетная (раздвигаемая)• Раздвигаемораздвигающая• Раздвигающая фракцииВ зависимостиотфункциональной роли гранул вупаковкеВ зависимостио типа влияниягранул друг надруга•••УплотненногоЗаполненногоРаздвинутого типаРисунок 3.5 – Общая схема взаимоотношения фракций на микро-, мезо- имакроуровнях дисперсных системПри законтактной структуре жесткий скелет заполнителей связан вяжущим(тонкодисперсным наполнителем) в точечных контактах между зернами заполнителя, где частички заполнителя не покрыты сплошной оболочкой вяжущего (тонкодисперсного наполнителя- далее наполнителя), а межзерновые пустоты не заполнены вяжущим (рисунок 3.6).52Зерна заполнителяЗерна вяжущего (наполнителя)Рисунок 3.6 – Законтактная схема упаковкиТакая структура (рисунок 3.6) является непрочной, макропористой, характеризуется малым координационным числом и неплотной упаковкой частиц, и какследствие низкими механико-прочностными, деформативными и технологическими свойствами.
При контактной структуре(рисунок 3.7) частички за-полнителя создают жесткий скелет, соприкасаясь между собой через тонкий слойвяжущего (наполнителя), при этом каждое зерно заполнителя покрыто слоем вяжущего (наполнителя), а межзерновые пустоты заполнены вяжущим и (или) тонкодисперсным наполнителем.Зерна заполнителяЗерна вяжущего (наполнителя)Рисунок 3.7 – Контактная схема упаковкиДанная система (рисунок 3.7) является наиболее оптимальной с позицииэкономии компонентов смеси, плотности упаковки, физико-механических и реологических характеристик.
Порфировая структура характеризуется типом упаковки, когда частицы мелкого заполнителя флотируют в вяжущем (наполнителе),а зерна крупного заполнителя находятся на значительном удалении друг от друга(рисунок 3.8).Зерна крупного заполнителяЗерна заполнителя средней крупностиЗерна вяжущего (наполнителя)Рисунок 3.8 – Порфировая схема упаковки53Принцип рационализации гранулометрии заполнителя и вяжущей части сиспользованием тонкодисперсного минерального компонента – известняковогопорошка, с достижением наиболее высоких показателей прочности и долговечности, базируется именно на подобных системах.Данная система (рисунок 3.8) является слабосвязной, рыхлой, с нестабильным и нежестким скелетом (каркасом), созданным заполнителями. При проектировании оптимальных составов компактных и стабильных карбонатных композитов следует избегать образования подобных структур.Взаимодействия частиц как фактор влияния их на укладку и изменение физико-механических свойств весьма разнообразны.По вертикальной оси выражается проявление масштабного фактора, а погоризонтальной – различных физико-химических процессов (явлений) на границераздела фаз (рисунок 3.9).Масштабные явленияЭффекты на макроуровнеЭффекты на мезоуровнеЭффекты на микроуровнеРисунок 3.9 – Схема взаимодействия уровней в эффективной топологииВ процессах формирования структур зернистых систем в эффективной топологической схеме (рисунок 3.9), где на первый план выходит явление взаимного влияния частиц друг на друга в результате уплотнения [106], установлено проявление следующих явлений:- явление заполнения объѐма пустот между телами минералов другими минералами меньших размеров и жидкими веществами – учитывается коэффициентом уплотнения - υ;- явление раздвижки тел больших размеров телами меньших размеров ипрослойками жидких веществ - учитывается коэффициентом раздвижки - α;- совместное проявление явлений заполнения объѐма пустот и раздвижки54минералов больших размеров телами меньших размеров и прослойками жидкихкомпонентов.
Проявление эффективных физических явлений можно наблюдать вбинарных системах, сформированных на основе смежных фракций зернистых материалов (d1+d2 при d1>d2).Явление заполнения объѐма пустот твердых тел другими телами меньшихразмеров:ФракцияФракция d2d1заполняемый компонентзаполняющий компонентЯвление раздвижки твердых тел больших размеров телами меньших размеров:Фракцияd1Фракция d2d1>d2раздвигаемый компонентраздвигающий компонентСовместное проявление явлений заполнения пустот и раздвижки однихтвердых тел другими:Фракция d1Фракция d2d1>d2заполняемо-раздвигаемыйкомпонентзаполняюще-раздвигающийкомпонентУстановлено проявление следующих закономерностей:-закономерность «заполняя-заполняюсь»:Фракцияd1> d2Фракция+d2> d3заполняемыйзаполняемо-заполняющийкомпоненткомпонент-закономерность «раздвигая-раздвигаюсь»:Фракция+d3заполняющийкомпонент55ФракцияФракцияd1>+раздвигаемыйd2>+d3раздвигаемо-раздвигающийкомпонент-совместноеФракцияраздвигающийкомпонентпроявлениекомпонентзакономерностей«заполняя-заполняюсь»и«раздвигая – раздвигаюсь»:Фракцияd1>Фракция+Фракцияd2>+заполняемо-заполняемо-заполняющий-раздвигаемыйи раздвигаемо-компонентd3заполняющийи раздвигающийраздвигающий компоненткомпонентЗернистые системы уплотненного типа, представляют собой моно- или полимодальные системы, при которых зерна более крупных фракций контактируютмежду собой, оставляя зерна менее крупных фракций без непосредственного контакта.
В этом проявляется эффект контактной обедненности более мелких зерновых фракций, который сглаживается уменьшением (сравниванием) размеровконтактирующих зерен (рисунок 3.10)D1D1D2Мономодальная системаБинарная система (D1>D2)Рисунок 3.10 – Разновидности систем уплотненного типаУплотненная система (рисунок 3.10) может быть определена в терминахпространственно-структурной топологии как стабильная законтактная.D1D1D2D2D3Бинарная система (D2<<D1)Тернарная система (D1>>D2>>D3)Рисунок 3.11 – Системы заполненного типа56Заполненная система (рисунок 3.11) может быть определена в терминахпространственно-структурной топологии как стабильная контактная, с учетомпространственной сбалансированности влияния частиц друг на друга по всемтрем осям.Раздвинутый тип упаковок зернистых систем (рисунок 3.12) отличается отзаполненного и уплотненного формально увеличением объема систем с увеличением содержания меньших по размеру фракций, где наиболее полно проявляетсяэффект раздвижки зеренD1D2Рисунок 3.12 – Системы раздвинутого типаРаздвинутая система на базе уплотненного (при D1>D2) или заполненного(при D1>>D2) типов.
Раздвинутая система (рисунок 3.12) может быть определена втерминах пространственно-структурной топологии как стабильная порфироваяпервого порядка, с учетом пространственной сбалансированности влияния частицдруг на друга по всем трем осям и эквивалентности объемов систем.Роль различных фракций в мелкозернистом композите неоднозначна в контексте выполняемых ими функций. Например, фракция известнякового наполнителя-модификатора реологических свойств мелкозернистого композита в тожесамое время может выполнять роль скелетной фракции для более дисперсных частиц вяжущего и (или) наполнителя. При этом ожидается взаимная интеграцияфизико-химических закономерностей от гравитационных и механических явленийдо адгезионно-адсорбционных явлений на границе раздела фаз, капиллярных явлений (силы Ван-Дер-Ваальса).573.3. Способы создания плотных структур МЗКБ с повышенной трещиностойкостьюСуществует принцип [107], согласно которому для вяжущих систем, в которых размер зерен наполнителя значительно меньше размера зерен вяжущего,оптимальной является конфигурация, характеризующаяся отсутствием взаимного контактирования частиц цемента между собой за счет расположения частиц микронаполнителя вокруг частиц цемента (их окутывания).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
