Содержание к диссертации
Введение
1. Процессы раннего формирования структуры бетона, их место и значение в технологии бетонных и железобетонных изделий 31
1.1 . Научно-практические предпосылки управления процессами формирования структуры бетона 31
1.1.1. Структурные характеристики бетона с позиций механики дисперсных систем 31
1.1.2. Исходные предпосылки изучения процессов формирования структуры бетонов 37
1.2. Процесс формирования структуры бетона как
объект исследования и управления 47
1.3. Методологические аспекты исследований 58
1.3.1. Представление процесса формирования ранней структуры бетона как сложной системы 58
1.3.2. Структура исследований, взаимосвязь и последовательность выполнения этапов исследований 63
2. Влияние состава и свойств твердой фазы на формирование структуры массивов сухих дисперсно-зернистых систем 66
2.1. Теоретические аспекты формирования структуры сухих дисперсно-зернистых систем 67
2.2. Результаты исследования процессов формирования структуры сухих тонкодисперсных систем 75
2.3. Выводы 100
3. Выявление и исследование основных факторов, влияющих на формирование структуры влажных дисперсно-зернистых материалов 102
3.1. Влияния влажности, дисперсности и свойств поверхности твердой фазы на энергетическое состояние дисперсно- зернистой системы 103
3.1.1. Теоретические предпосылки исследования 103
3.1.2. Влияние капиллярной влаги 104
3.1.3. Влияние пленочной влаги 108
3.1.4. Влияние дисперсности и шероховатости поверхности частиц 118
3.2. Исследование влияния капиллярно-пленочных взаимодействий на процессы формирования структуры дисперсно-зернистых систем 130
3.2.1. Теоретические предпосылки к исследованию капиллярно-пленочных взаимодействий 130
3.2.2. Исследование математической модели обводненной дисперсно-зернистой системы 135
3.2.3. Экспериментальные исследования капиллярно-пленочных взаимодействий в обводненных дисперсно-зернистых системах 142
3.2.4. Капиллярно-пленочные переходы в дисперсно-зернистых системах 146
3.2.5. Роль влажностного фактора в процессе структурообразования дисперсных систем 150
3.3. Выводы 155
4. Особенности проявления реологических свойств агрегированными дисперсно- зернистыми системами 158
4.1. Основные теоретические положения современной реологии 158
4.2. Результаты исследования реологических свойств 167
4.3. Выводы 174
5. Исследование процессов формирования структуры дисперсно-зернистых систем в условиях вибрационных воздействий 176
5.1. Теоретические и практические предпосылки исследования вибрационного разжижения и формирования структуры дисперсно-зернистых систем 176
5.2. Разработка и идентификация модели релаксации плотности
сухих дисперсно-зернистых систем в условиях вибрационных воздействий 189
5.2.1. Исследования модели процесса релаксации плотности 190
5.2.2. Идентификация модели процесса релаксации плотности... 193
5.3. Исследование влияния вибрации на процессы формирования структуры увлажненных дисперсно-зернистых систем 199
5.3.1. Обоснование методов исследования вибрационных процессов применительно к дисперсно-зернистым системам 199
5.3.2. Исследование энергетических показателей вибрационных процессов как оценочных характеристик структурообразования грубодисперсных систем 204
5.3.3. Исследование энергетических показателей вибрационных процессов как оценочных характеристик структурообразования микрогетерогенных систем 212
5.4. Выводы 236
6. Теоретические и практические предпосылки управления процессами раннего формирования структуры бетонов 240
6.1. Исследование роли межфазных и межчастичных взаимодействий в процессах вибрационного формования изделий из смесей тяжелого бетона 241
6.1.1 .Обоснование содержания исследований 241
6.1.2. Основные методические приемы 242
6.1.3. Исследование процессов разжижения и формирования структуры бетонной смеси при вибрационном воздействии 248
6.1.4. Исследование инерционных свойств вибрируемой бетонной смеси как фактора управления процессом 265
6.1.5. Исследование процессов вибрационного формирования структуры бетонной смеси в условиях дополнительных статических нагрузок 272
6.2. Выводы по разделу 6.1 280
6.3. Роль межфазных и межчастичных взаимодействий в структуры газонаполненных бетонов 286
6.3.1.Теоретические и практические предпосылки исследований..286
6.3.2. Оценка эффективности использованных в исследованиях воздухововлекающих ПАВ 289
6.3.3. Результаты исследования механизма адсорбции воздухововлекающих ПАВ на твердой фазе 306
6.3.4. Результаты исследований процессов воздухововлечения... 311
6.3.5. Энергетические соотношения в процессах формирования газонаполненной структуры 319
6.3.6. Реологические свойства газонаполненных бетонов 330
6.3.7 Устойчивость пузырьков газовой фазы в условиях напряжения сдвига 338
6.4. Выводы по разделу 6.3 342
7. Практические вопросы управления процессами раннего формирования структуры бетонов 344
7.1. Виброплощадки с автоматизированным управлением 344
7.1.1. Результаты промышленных испытаний виброплощадки грузоподъемностью 8 т для производства изделий широкой номенклатуры 350
7.1.2. Результаты промышленных испытаний виброплощадки грузоподъемностью 10 т для производства железобетонных шпал 355
7.1.3. Результаты разработки технических параметров пригруза для промышленной автоматизированной резонансной виброплощадки 359
7.2. Разработка и создание лабораторной виброплощадки с расширенными функциональными возможностями 364
7.3. Результаты разработки установки для автоматического регулирования формовочных свойств бетонной смеси 372
7.4. Результаты разработок и внедрения установок для приготовления газонаполненных бетонов 379
7.4.1. Основные принципы управления процессом формирования структуры газонаполненных бетонов 380
7.4.2. Обоснование методики расчета смесителя 381
7.4.3. Основные результаты внедрения технологии газонаполненных бетонов 386
8.Основные выводы 390
Список литературы 399
- Научно-практические предпосылки управления процессами формирования структуры бетона
- Теоретические аспекты формирования структуры сухих дисперсно-зернистых систем
- Влияния влажности, дисперсности и свойств поверхности твердой фазы на энергетическое состояние дисперсно- зернистой системы
- Основные теоретические положения современной реологии
Введение к работе
Согласно прогнозам и в 21-ом веке бетон будет одним из основных строительных материалов [1]. Современные потребности строительства выявили необходимость создания бетонов, обладающих разнообразными, порой уникальными свойствами. Уже сейчас для их изготовления применяются бетонные смеси на различных видах вяжущих с наполнителями из тонкодисперсных составляющих, разнообразных фибр, газа, с использованием поверхностно-активных веществ, техногенного сырья. Эти бетоны, по сравнению с классическими, отличаются повышенным содержанием высокодисперсных систем, в которых влияние внутренних сил значительно. В современных технологиях действию внутренних сил, проявляющихся на межфазных границах, в межчастичном и межагрегатном взаимодействии, обосновано отводится важная роль. Область межфазных границ часто рассматривается как самостоятельная форма существования материала с особыми физико-химическими характеристиками, обладающая избытком поверхностной энергии. Эти особенности являются предпосылками, как для возникновения самоорганизации, так и для целенаправленного формирования свойств материала под влиянием относительно слабых внешних воздействий. Отмеченное дало основание рассматривать фактор внутренних сил, одним из основополагающих факторов в управлении процессами технологии бетонов, в том числе и процессом формования. Важность этого технологического предела заключается в том, что именно здесь осуществляется формирование ранней структуры бетона, определяющее в дальнейшем основные его свойства. Между тем, многие факты свидетельствуют о неполном раскрытии научного потенциала технологического передела формования, что является существенным препятствием на пути новых технических и технологических ре-
шений. В представленной на защиту диссертационной работе рассматриваются проблемы одного из основополагающих процессов формования -формирования ранней структуры бетона (с момента приготовления смеси до начала схватывания) в многочисленных вариантах реализации этого сложного процесса, но с единых научных позиций, созвучных положениям современного раздела науки - механики гетерогенных сред.
Формирование ранней структуры бетонов различных видов при формовании изделий рассматривается нами как совокупность процессов, протекающих на фоне непрерывно изменяющихся энергетических взаимодействий фаз, составляющих бетонную смесь. Имеются в виду твердая жидкая и газообразная фазы. Межфазные взаимодействия, согласно классическим представлениям, обусловлены ионно-электростатическими и молекулярными силами и проявляются они в виде поверхностного натяжения, капиллярно-пленочных давлений в межчастичных, межагрегатных, межпоточных взаимодействиях. Уровень межфазных взаимодействий зависит от многих технологических факторов и при определенных условиях оказывает решающее влияние на получаемую структуру бетона. Под определенными условиями подразумеваются свойства и соотношения фаз, характер и интенсивность внешних воздействий, и, соответственно, складывающийся баланс внутренних и внешних сил.
Работа в целом относится к области заводской технологии бетона и железобетона, в то же время ее результаты могут быть распространены на процессы формирования структуры широкого класса композиционных материалов.
Современные методы управления технологическими процессами базируются на системном подходе, комплексном решении задач их оптимального функционирования. Необходимость применения системного подхода к процессам формирования структуры определяется их сложностью, нестационарностью, нелинейностью, многомерностью. Системный
анализ включает следующие этапы: постановку задачи, выделение и структуризацию исследуемых систем, предусматривающей расчленение ее на подсистемы, создание модели управления системы с последующей ее идентификацией. Разработка модели управления осуществлялась на базе обобщенной модели, которая строилась путем накопления информации о процессе, максимально отражающей его сущность. Основополагающим при построении модели является выполнение операции идентификации. Под идентификацией технологического процесса понимается построение его функционирования по полученным в реальных условиях работы объекта входным и выходным переменным. Так, например, в диссертации при исследовании процессов формирования структуры бетона в качестве входов рассматривались физико-химические свойства составляющих, количественные соотношения между ними, параметры вибрационных воздействий, величины внешнего давления, свойства добавок, температурные условия и т.д., а выходов - характеристики структуры бетонов, в том числе плотность, пористость, параметры их распределения. В качестве параметров оптимизации рассматривались свойства бетона, материальные и энергетические затраты. В такой постановке решались практически все задачи, поставленные в диссертации. При этом нами использовались системы управления, как с прямой, так и обратной связью.
Количественное описание процесса формирования структуры связано со значительными трудностями. Для его исследования, как сложной системы, была привлечена методология анализа и синтеза, широко используемая в трудах академика В.В.Кафарова и его учеников [2]. Для анализа процесса формирования ранней структуры, как совокупности физико-химических эффектов и явлений, выделено пять иерархических уровней. На первом уровне рассматривались взаимодействия на границе раздела фаз систем «цемент-вода», «кварцевый песок-вода» проявляющиеся через адсорбционные и хемосорбционные явления, образование двойных элек-
трических слоев, поверхностное натяжение. На втором уровне изучались совокупности физико-химических эффектов, протекающих в масштабе коллоидных и микрогетерогенных частиц и определяющих процессы формирования фрактально-кластерных структур в изучаемых системах. На третьем уровне исследовались диссипативные явления при относительном и пульсационном движении, как отдельных твердых частиц или пузырьков, так и фрактально-кластерных образований; массообмен, возникающий при относительном движении дисперсной фазы (пузырька, частицы, фрактального кластера) в объеме системы под действием архимедовой и инерционной сил, сил трения; массообмен, возникающий вследствие капиллярно-пленочных взаимодействий. На четвертом уровне рассматривались явления, внутри - и межпоточного движения, характеризуемого изменением величин скоростей деформаций, коэффициентов вязкости. Пятый уровень иерархической структуры определяет динамику системы в масштабе аппарата, с оценкой количества подводимой внешней энергии, расходуемой на уплотнение или усреднение многокомпонентной системы, диссипацию и т.д.
В диссертационной работе исследования выполнялись последовательно в несколько взаимосвязанных этапов. Первоначально были обобщены имеющиеся и получены новые данные о величинах силовых и энергетических показателей в межфазных и межчастичных взаимодействиях, процессах структурообразования, реологии дисперсно-зернистых систем при действии различных факторов, таких как дисперсность, свойства поверхности, влажность, наличие поверхностно-активных веществ в сочетании с вибрационными и вибропрессующими воздействиями. Установленные количественные закономерности формирования структуры дисперсно-зернистых систем, наряду с основополагающими данными технологии бетонов, явились базовыми для решения проблем управления процессами формирования ранней структуры бетонов.
В настоящее время благодаря развитию соответствующих разделов фундаментальных наук и достижениям в области технологии бетонов созданы предпосылки для качественно нового рассмотрения процессов формования. Теоретической базой исследований в диссертации являются современные представления о роли межфазных и межчастичных взаимодействий в процессах формирования структуры дисперсных материалов, изложенные в механике гетерогенных сред [3], вибрационной механике [4], статистической физике [5], данные соответствующих разделов физической и коллоидной химии [6,7]. Вместе с тем, основой современного учения о процессах формирования ранней структуры бетонов служат: практические и теоретические результаты, накопленные к настоящему времени по этой проблеме в работах И.Н. Ахвердова, Ю.М. Баженова, Г.И. Горчакова, И.А. Иванова, Ф.И. Иванова, П.Г. Комохова, В.В. Михайлова, А.В. Нехорошева, И.А. Рыбьева, В.И. Соломатова; важнейшие достижения в области реологии дисперсных систем, полученные П.А.Ребиндером, Б.Н.Урьевым; закономерности вибрационного уплотнения бетонной смеси, представленные в исследованиях А.Е. Десова, Б.В. Гусева, Г.Я. Кунноса, Н.В. Михайлова, И.Ф. Руденко, О.А. Савинова, В.Н.Шмигальского; результаты углубленного изучения вибрационного формирования структуры бетонов, реализованного в работах В.В. Помаз-кова, А.А. Афанасьева и других ученых. Широкому распространению вибрационных способов уплотнения и транспортирования дисперсных материалов способствовало развитие соответствующего раздела механики - виброреологии, основные положения которой изложены в трудах И.И. Блехмана, И.И. Быховского, И.Ф. Гончаревича. В этих трудах получили теоретическое обоснование явления изменения важнейших характеристик дисперсных систем под действием вибрации, например таких как, эффективная вязкость и плотность. Существенный импульс развитию современного структурного материаловедения в последние годы дали рабо-
ты, выполненные Ю.М.Баженовым, А.Н.Бобрышевым, В.И.Калашниковым, И.А.Рыбьевым, П.Г.Комоховым, В.И.Соломатовым [8], Е.М.Чернышовым [9], Е.И.Шмитько [10] и др., в которых реализуется подход, основанный на неформальном представлении многоуровневой структуры композиционных материалов, дана качественная и количественная оценка структурных уровней и показана возможность управления свойствами материалов через их структуру.
Таким образом, обобщенные результаты теоретических и практических исследований в области технологии бетонов, соответствующих разделов фундаментальных наук, уже создали предпосылки для комплексного решения научной проблемы управления процессами раннего формирования структуры бетона с позиций обеспечения требуемого качества изделий, материало-и энергосбережения, создания основ АСУТП. С развитием этого направления связаны цель, задачи и содержание диссертационной работы.
Основной целью диссертационной работы является разработка научных и научно-практических подходов к оптимальному управлению процессами формирования ранней структуры бетонов при широком варьировании составов в условиях переменных статических и динамических силовых воздействий.
В соответствии с целью диссертационной работы определены следующие ее задачи:
1. Рассмотреть концептуально проблему управления применительно к
выдвинутой цели. С позиций теории системного анализа идентифициро
вать структуру объекта управления, определить номенклатуру управ
ляющих факторов, выявить наиболее значимые внутренние связи, обос
новать цели управления и критерии оптимизации процесса структурооб-
разования. Оценить возможности энергетического подхода для разработ
ки математических моделей рассматриваемого процесса, в которых
смогли бы найти отражение такие основополагаю-
щие для процессов структурообразования явления, как межфазные и межчастичные, внутриагрегатные и межагрегатные силовые воздействия, обусловленные поверхностными и межфазными энергиями, позволяющие оценить вклад внутренних сил в процесс формирования структуры бетонов и, в конечном счете, оптимизировать этот процесс в соответствии с намеченными критериями.
2. Исследовать процессы, раскрывающие роль дисперсности, свойств поверхности и природы твердой фазы в формировании структуры дисперсных и дисперсно-зернистых систем: систематизировать и развить представления о роли внутренних сил в формировании структуры; выявить вклад дисперсности, фрактальности поверхности и природы частиц в межчастичном и межагрегатном взаимодействии; уточнить механизм самоорганизации структуры микрогетерогенных систем с учетом термодинамических предпосылок и закономерностей проявления свойств фрактальности и агрегирования; получить количественные зависимости для целенаправленного создания заданных структур материалов.
3. С позиций современных физико-химических представлений и на основе применения машинного и физического моделирования исследовать теоретические и практические вопросы роли жидкой фазы в процессах самоорганизации структуры влажных дисперсно-зернистых материалов; уточнить и получить обосновывающие данные о влиянии влаги на формирование ранней структуры бетона, изучить закономерности обводнения и получить данные об энергии взаимодействия жидкой фазы и твердых частиц различной природы, уточнить механизм межчастичного взаимодействия при первичном увлажнении с учетом топологии, фрактальности создаваемой структуры в целом и отдельных частиц твердой фазы, рассмотреть области преимущественного действия капиллярных и пленочных сил, как фактора межчастичного
расстояния, уточнить механизм капиллярно-пленочных переходов в исследуемых системах с учетом дисперсности твердой фазы и свойств ее поверхности; рассмотреть возможность включения в общую модель процесса формирования ранней структуры дисперсно-зернистых систем элементов, отражающих закономерности формирования межфазных границ, энергетических взаимодействий фаз при наличии фрактальности поверхности раздела, представлений о конкурирующем капиллярно-пленочном взаимодействии.
Выполнить теоретические и практические исследования структурно-реологических свойств дисперсно-зернистых систем на основе современных представлений реологии дисперсных систем и статистической физики в преломлении на структурно-реологические свойства цементных суспензий, растворов и бетонных смесей, с учетом фрактально-кластерных проявлений в микрогетерогенной составляющей бетонов; осуществить исследования характеристик структуры систем, таких как фрактальность, концентрация кластеров, их размеры, плотность, масса, в широком диапазоне изменения величин напряжений сдвига, дисперсности твердой фазы, водотвердого отношения.
Выполнить теоретические и практические исследования процесса вибрационного формирования структуры дисперсно-зернистых систем: систематизировать и развить представления о явлениях диссипативно-сти, изменения эффективной вязкости и плотности вибрируемых сухих и влажных систем, о механизме относительного пульсационного движения составляющих, характеризуемом интенсивностью межфазного взаимодействия, работой внутренних сил, энергией смеси; разработать методологию исследований процессов релаксации плотности грубо-и микрогетерогенных систем с привлечением положений виброреологии и статистической физики; исследовать влияние внутренних сил на энергетические показатели и динамику вибрационного разжи-
жения и формирования плотной структуры сухих и влажных грубо-дисперсных систем; получить количественные результаты, раскрывающие механизм вибрационного формирования структуры микрогетерогенных систем, различной степени влажности, оценить вклад внутренних сил, проявляющихся через коагуляционные, капиллярно-пленочные взаимодействия и определяемые степенью увлажнения, дисперсностью, свойствами поверхности, в энергетику и динамику процессов виброожижения и уплотнения, определить влияние видов межчастичных взаимодействий на характеристики и типы формирующихся фрактально-кластерных структур систем, их устойчивость в условиях вибрационного сдвига, дать количественную оценку типу этих структур по показателям фрактальности, размерам, плотности; уточнить модельные представления об энергии вибрируемых дисперсно-зернистых систем, закономерностях релаксации плотности фрактально-кластерных структур, энергетических соотношениях внутренних и внешних сил. 6. Изучить научно-практические вопросы вибрационного формирования структуры бетонных смесей на основе результатов исследований вибрационного формирования структуры дисперсно-зернистых систем, их структурно-реологических свойств; разработать методологические подходы к исследованию процессов вибрационного формирования ранней структуры бетонов, структурно-реологических характеристик бетонной смеси; определить величину вклада внутренних сил в процессы виброожижения и уплотнения бетонных смесей, при этом исследовать закономерности взаимодействия грубодисперсных составляющих и агрегатов из микрогетерогенных частиц, оценить их влияние на реологические свойства смеси, энергетические показатели, динамику и степень уплотнения бетонной смеси; с энергетических позиций дать количественную оценку влияния на процессы виброожиже-
ния и уплотнения смеси таких важных технологических факторов, как распределение гранулометрии заполнителей, наличие пластифицирующей добавки, дополнительного прессующего давления; исследовать закономерности изменения инерционных и диссипативных свойств вибрируемой смеси и установить связь этих свойств с показателями плотности и реологическими характеристиками; в плане управления дополнить модель раннего формирования структуры бетона представлениями о вибрационном разжижении, формировании плотных структур, данными о влиянии на них ряда определяющих технологических факторов.
Исследовать закономерности механизма раннего структурообразова-ния дисперсно-зернистых систем при наличии замкнутых воздушных пузырьков с учетом действия внутренних сил; на основе данных о межфазных, межчастичных, межагрегатных и внутрипоточных взаимодействий в дисперсных системах, результатов исследований явлений адсорбции воздухововлекающих ПАВ, межфазных и межчастичных взаимодействий при воздухововлечении и усреднении смесей, структурно-реологических свойств смесей, устойчивости газовой фазы в условиях сдвига, структуры формирующихся потоков, энергетических показателей процессов решить задачи управления процессами раннего формирования структурой газонаполненных бетонов.
На основе новых представлений о процессах формирования ранней
структуры бетонов различных видов, об оптимальных направлениях структурообразования решить практические задачи, касающиеся способов формования изделий из бетонов различных видов, создания необходимого для этого формовочного оборудования, систем регулирования и управления.
Исследования и разработки, обобщенные в диссертации, проведены автором в период с 1981...2001 г.г. на кафедре технологии вяжущих веществ и бетонов и в Проблемной лаборатории силикатных материалов и конструкций (ПНИЛ) Воронежского инженерно-строительного института (с июля 1993 г. Воронежская государственная архитектурно-строительная академия, с ноября 2000 г. Воронежский государственный архитектурно-строительный университет) в плане выполнения хоздоговорных и госбюджетных НИР, в том числе следующих важнейших плановых и конкурсных НИР:
«Исследовать и усовершенствовать технологический процесс производства шпал на технологических линиях с целью повышения производительности на 25 % с выпуском шпал улучшенной конструкции повышенного качества» (программа Госстроя СССР 011.031, программа Минпромстройматериалов СССР на 1981...1985 г.г., шифр 2.04.035.01.
«Разработать научно-технические основы ресурсосберегающих технологических процессов производства строительных материалов и изделий на базе рационального комплексного использования природного и техногенного сырья ЦЧР и КМА ("Программа КМ А", 1986...1990 г.г.).
«Разработать научно-практические основы ресурсосберегающих технологических процессов производства традиционных и новых строительных материалов и изделий на базе оптимального использования природного и техногенного сырья ЦЧР» (базовое финансирование госбюджетных НИР Госкомвуза РФ, 1990...1993 г.г.).
«Исследование закономерностей структурного материаловедения и разработка экологически чистых, ресурсоэкономичных строительных материалов и технологий их производства, в том числе на ос-
нове техногенного сырья» (госбюджетная тема ПНИЛ 1996...2000 г.г., задание Министерства на проведение научных исследований).
«Разработка и развитие теории синтеза и конструирования структур строительных композитов» (госбюджетная тема ПНИЛ 2001...2005г.г., задание Министерства на проведение научных исследований).
Межвузовская научно-техническая программа «Строительство» (конкурсное финансирование Госкомвуза РФ, 1992...1993 г.г.).
Региональная научно-техническая программа «Черноземье» РАН (конкурсное финансирование, 1993...1995 г.г., 1996...2001 г.г.).
«Исследование межчастичных взаимодействий в дисперсных системах с различными свойствами поверхности твердой фазы на примерах бетонов и бетонных смесей» (конкурс грантов по фундаментальным проблемам в области архитектуры и строительных наук Министерства общего и профессионального образования РФ, 1996...1997 г.г.).
«Исследование процессов структурообразования в дисперсных системах, разработка научных и практических основ управления этими процессами» (конкурс грантов по фундаментальным проблемам в области архитектуры и строительных наук Министерства общего и профессионального образования РФ, 1998...1999 г.г.).
Научная новизна работы. Развиты научно-прикладные основы управления процессами раннего формирования структуры бетонов, в том числе в условиях статических и динамических воздействий. На основе системного подхода, теории управления, физико-химических, статистических представлений о механизме процессов самоорганизации структуры сухих и влажных дисперсно-зернистых систем, о механизме формирования их структур в условиях динамических воздействий сформулирова-
ны концептуальные и методологические принципы исследования и управления процессами формирования структуры бетонных смесей. Выполнен системный анализ процессов формования дисперсно-зернистых систем на различных масштабных уровнях при статических и динамических воздействиях, предложена структура процесса как объекта исследования и управления, установлена совокупность технологических факторов и параметров, определяющих состояние системы.
Получили развитие представления о процессах раннего формирования структуры дисперсно-зернистых и дисперсных материалов, разработана общая количественная модель этих процессов.
Выявлена роль дисперсности и свойств поверхности частиц твердой фазы в процессах самоорганизации структуры систем. Показано, что при последовательном повышении дисперсности происходят изменения как количественных показателей систем, так и качественный вид формирующихся структур, осуществляется переход от систем, характеризующихся классическими показателями плотности упаковок к системам с фрактально-кластерными структурами, проявляющимися на различных масштабных уровнях. Показано, что в масштабе отдельных частиц, поверхность которых проявляет фрактальные свойства, формируются «цепочные» структуры, отличающиеся высокой пустотностью. По этим «цепочкам» передаются в системе напряжения и деформации.
В методическом аспекте использование ультразвукового, микроскопического методов исследований с привлечением разработок статистической физики по проблемам фрактальности, кластерообразования позволили расширить существовавшие возможности в исследовании процессов раннего формирования структуры материалов и в решении задач управления ими. Установленные закономерности структурных эволюции в условиях изменения дисперсности позволили целенаправленно подойти к решению практических вопросов в прогнозировании формирующихся
структур и соответственно выбору гранулометрии заполнителей с учетом плотности упаковок грубодисперсных составляющих и проявления фрактально-кластерных свойств микрогетерогенными составляющими.
Обобщены и развиты представления о роли воды в самоорганизации дисперсно-зернистых систем с учетом свойств поверхности частиц, топологии их структуры, явлений агрегирования. Уточнена общая количественная модель процесса раннего формирования структуры дисперсно-зернистых материалов с помощью следующих дополняющих моделей: обводнения с учетом формирования межфазных границ при фрактальном характере поверхности твердой фазы; энергии взаимодействия неоднородных фаз с нерегулярными границами; разуплотнения систем при их первичном уплотнении; капиллярно-пленочных взаимодействий как функции межчастичного расстояния и степени увлажнения; конкурирующего капиллярно-пленочного взаимодействия. Установлено, что фрактальность поверхности твердой фазы при первичном увлажнении снижает энергию межфазного взаимодействия, в свою очередь уровень капиллярно-пленочных воздействий изменяет условия формирования фрактально-кластерных структур.
Уточнены и получили развитие знания о структурно-реологических свойствах систем в условиях сдвиговых деформаций с учетом наличия в них агрегированных структур. Установлен механизм разрушения самоорганизующейся сети взаимосвязанных фрактальных кластеров при напряжениях превышающих предельное напряжение сдвига до достижения устойчивого размера агрегатами, при котором силы связи между частицами равны или превышают момент сил сдвига. Получены количественные показатели геометрии агрегатов, их концентрации, размеров, плотности.
Обобщены и развиты представления о роли вибрации в формировании структуры увлажненных дисперсных и дисперсно-зернистых систем. Разработаны модели, дополняющие основную модель раннего формирования
структуры: релаксации плотности сухих и влажных грубодисперсных и микрогетерогенных систем; энергии смеси с уточнением вклада в неё относительного движения фаз, капиллярно-пленочного взаимодействия; энергозатрат на процессы виброожижения и виброуплотнения систем. Подтверждена основополагающая роль ускорений колебаний и возникающего относительного движения составляющих систем в процессах разжижения и уплотнения. Отмечено, что в микрогетерогенных системах относительное движение осуществляется агрегатами частиц, размеры которых определяются дисперсностью, свойствами поверхности и видом межчастичных взаимодействий. Показан вклад капиллярно-пленочных взаимодействий в энергетику процессов. Изучен механизм вибрационного формирования структуры влажных микрогетерогенных систем, к особенностям которого следует отнести формирование фрактальных кластеров, содержащих зоны пониженной плотности и трехмерных сводов с повышенной плотностью, воспринимающих вибрационные импульсы. Силовые своды вследствие относительного движения агрегатов переформируются с увеличением плотности, возрастает и их концентрация за счет присоединения к ним более мелких агрегатов и отдельных мелких частиц из зон невысокой плотности. Вместе с тем даже при достижении максимального показателя плотности системы ее структура характеризуется существенной неоднородностью по плотности.
Показано, что разработанные методологические подходы к исследованию механизмов вибрационного формирования структуры дисперсно-зернистых систем оказались плодотворными применительно к процессу уплотнения бетонных смесей. К особенностям механизма вибрационного уплотнения бетонной смеси следует отнести взаимодействие при относительном пульсационном движении агрегатов микрогетерогенной составляющей и грубодисперсных частиц. Происходящие при действии вибрации структурные перестройки продолжаются на всех масштабных уров-
нях до установления равновесия между силами вибрационного сдвига и внутренними силами. Однако и при достижении максимальной степени уплотнения бетонной смеси микрогетерогенная составляющая отличается неоднородностью по плотности. К особенностям вибрируемых бетонных смесей следует отнести асимптотический характер снижения эффективной вязкости, изменения инерционных и диссипативных свойств, их связь с показателем степени уплотнения. Показано, что раскрытие механизма вибрационного уплотнения бетонной смеси позволило сформулировать научные и методологические подходы к решению актуальных проблем формования. Опираясь на них, были решены задачи по оценке эффективности ряда технологических факторов, а именно с энергетических позиций оценена роль прерывистой гранулометрии заполнителей, пластификаторов, дополнительного прессующего воздействия.
На основе результатов исследований формирования структуры дисперсно-зернистых материалов и их структурно-реологических свойств развиты представления и решены практические задачи оптимизации и управления процессом получения газонаполненных бетонов в массооб-менных аппаратах. Показана основополагающая роль процессов воздухо-вовлечения и усреднения. Установлено, что в основе воздухововлечения лежит механизм турбулентной диффузии. Определяющим в формировании газовой фазы является баланс сил поверхностного натяжения и сил капиллярно-пленочного взаимодействия. Воздухововлечение и усреднение смеси происходит на фоне структурно-реологических перестроек в условиях сдвига. В переформировании первоначальной фрактально-кластерной структуры особая роль принадлежит газовым пузырькам, способствующих ослаблению межагрегатных связей, повышению фракталь-ности поверхности агрегатов и увеличению их концентрации. Определены области устойчивых режимов работы аппаратов при формировании
структуры газонаполненных бетонов. Основными показателями при этом выступают критерии Вебера и Рейнольдса.
Рассмотрены условия комплексного управления процессами, протекающими при формировании бетонов с различными типами структур, условия их оптимизации по критериям энергоемкости и качества выпускаемой продукции.
Практическое значение работы определяется возможностями решения на основе ее научных результатов прикладных задач управления процессами раннего формирования структуры бетонов, обоснования новых режимов формования, совершенствования аппаратов и устройств для формования, создания локальных средств контроля и автоматизации, автоматизированных систем управления.
Методологические положения, позволяющие применять к процессам формирования структуры широкого класса бетонов принципы системного анализа сложных процессов, принципы оптимального управления, методы моделирования и модели процессов самоорганизации систем с учетом дисперсности и фрактальных свойств поверхности частиц, капиллярно-пленочных проявлений, формирования структуры дисперсно-зернистых систем в условиях динамических воздействий при релаксации плотности сухих и влажных грубодисперсных и микрогетерогенных систем с учетом их агрегирования, структурно-реологических свойств систем в условиях сдвига, энергетических зависимостей процессов разжижения и уплотнения, новые подходы к оценке энергетического состояния и динамики процессов формирования структуры имеют значение с точки зрения постановки и выполнения прикладных исследований, ориентированных на реализацию системно-структурного подхода и современных принципов управления процессами формирования структур бетонов.
На основе представленных в диссертации теоретических и практических положений по существу рассматриваемых вопросов решены при-
кладные задачи по повышению качества выпускаемой продукции, снижению энергозатрат на производство. Результаты выполненных исследований легли в основу проектирования и создания автоматизированных резонансных виброплощадок в комплекте с вибропригрузом для формования железобетонных шпал, виброплощадок для формования изделий широкой номенклатуры, лабораторной виброплощадки с расширенными функциональными возможностями, устройства для регулирования реологических свойств бетонных смесей, аппаратов для приготовления газонаполненных бетонов, систем автоматического регулирования.
Внедрение результатов. Результаты исследований прошли проверку и внедрены на следующих предприятиях: заводе ЖБИ №2 (г. Воронеж), ОАО «Воронежстрой» (г. Воронеж), заводе «Спецжелезобетон» (г. Лиски Воронежской обл.), Челябинском ПО «Строммаш» (г. Челябинск), НПКО «Промавтоматика» (г. Воронеж), заводе КПД-2 Воронежского ДСК, ЗАО «Хохольский песчаный карьер» (п. Хохольский, Воронежской обл.), ОАО «Стройдеталь» (г. Липецк), ЗАО «Полипор» (г. Воронеж).
Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 290600 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций». Моделирование процессов виброуплотнения бетонной смеси осуществляется в курсе «Процессы и аппараты в технологии строительных материалов и изделий», оптимизации режимов формования, составов смесей тяжелого и газонаполненных бетонов в курсах «Технология бетонных и железобетонных изделий», «Основы технологии монолитного бетона и железобетона», а так же при выполнении студенческих НИР, курсовых и дипломных проектов.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и получили одобрение на: координационном совещании (ВНИИжелезобетон, НИИЖБ Госстроя СССР) «Теория и практика формования железобетонных изделий и конструкций» - Москва, 1985 г.; рее-
публиканском научно-техническом семинаре «Интенсификация производства изделий из ячеистого бетона» - Киев, 1986 г.; научно-практической конференции «Практика, проблемы разработки и внедрение ресурсосберегающих технологий» - Липецк, 1987 г; научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов Минстройматериалов СССР и Минвуза РСФСР «Актуальные проблемы строительства» - Воронеж, 1987 г.; семинаре Воронежского НТО «Бетон и железобетон - ресур-со- и энергосберегающие конструкции и технология» -Воронеж, 1988 г.; третьей международной школе-симпозиуме АН СССР ДВО «Физика и химия твердого тела» - Благовещенск, 1991 г.; научно-практической конференции «Теория и практика применения суперпластификаторов в композиционных строительных материалах» - Пенза, 1991 г.; международной конференции «Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций» - Белгород, 1993 г.; международной конференции «Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций» - Белгород, 1995 г.; международной конференции «Промышленность стройматериалов и стрйиндустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений» Белгород, 1997 г.; международном семинаре «Компьютерное моделирование и обеспечения качества» - Одесса, 1997 г.; международном семинаре «Моделирование в материаловедении» - Одесса, 1998 г.; четвертых академических чтениях РААСН «Современные проблемы строительного материаловедения» -Пенза, 1998 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительного материаловедения» -Томск, 1998 г.; втором Всероссийском семинаре «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении» - Воронеж, 1999 г.; пятых академических чтениях РААСН «Современные проблемы строительного материаловедения» - Воронеж, 1999 г.; международной научно-практической конференции «Качество, безопасность,
энерго- и ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительстве на пороге XXI века» - Белгород, 2000 г.; международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы, теория и практика» - Пенза, 2000, 2001 г.г.; шестых академических чтениях РААСН «Современные проблемы строительного материаловедения» - Иваново, 2000 г.; международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» - Тула, 2001 г.; седьмых академических чтениях РААСН «Современные проблемы строительного материаловедения» - Белгород, 2001г.; ежегодных (1991...2001 г.г.) научно-технических конференциях ВГАСУ. По результатам исследований получено 5 авторских свидетельств СССР на изобретения, опубликовано 6 информационных листков Воронежского межотраслевого территориального ЦНТИ.
Публикации. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, опубликованы более чем в 40 печатных работах, в том числе в коллективной монографии.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов и содержит 300 страниц машинописного текста, 179 рисунков, 28 таблиц, списка использованной литературы (398 наименований), отдельным томом даны приложения, содержащие рабочие материалы в форме расчетов, программ ЭВМ, методик, а так же документы, отражающие результаты производственных внедрений и экономическую эффективность.
На защиту выносятся: - методология исследований процессов раннего формирования структуры бетона; методологические принципы управления процессом; структурная модель процессов раннего формирования как объекта исследования и управления;
-теоретические и практические данные по проблемам ранней самоорганизации дисперсных и дисперсно-зернистых систем; представления о механизме процессов самоорганизации структур под действием внутренних сил, определяемых факторами дисперсности, свойств поверхности, влажности; модели: межфазных взаимодействий в системах «цемент-вода», «песок-вода» с учетом фрактальности поверхности и дисперсности частиц; капиллярно-пленочных явлений в межчастичных и межфазных взаимодействиях;
- теоретические и практические данные по проблеме раннего формирования структуры дисперсных и дисперсно-зернистых систем в условиях вибрационных воздействий: представления о механизме вибрационного формирования структуры, учитывающего взаимодействие внешних и внутренних сил; моделей релаксации плотности при вибрировании грубо-и микрогетерогенных систем, энергии смеси с уточнением вклада энергии относительного движения, вязкого течения, поверхностных явлений; энергетических затрат на процесс уплотнения дисперсно-зернистых систем с учетом их влажности и дисперсности; результаты теоретических исследований, раскрывающих природу образования фрактально-кластерных структур в исследованных системах, их перестройку при вибрационном уплотнении, систему межчастичных и межагрегатных связей, определяемых на различных масштабных уровнях молекулярными, коа-гуляционными, капиллярно-пленочными взаимодействиями; -теоретические и экспериментальные результаты исследований структурно-реологических свойств дисперсно-зернистых систем; методологию исследований структурно-реологических свойств дисперсно-зернистых систем, состоящих из взаимосвязанных фрактальных агрегатов, в условиях течения при сдвиге; представления о механизме течения дисперсно-зернистых систем при сдвиге; количественные показатели структурно-
реологических свойств цементно-песчано-водных систем, а именно показатели фрактальности агрегатов, их концентрации, размеров, плотности; -теоретические и экспериментальные разработки, практические данные по проблеме вибрационного формирования структуры бетонов: представления о механизме вибрационного разжижения бетонной смеси как многокомпонентной системе; теоретические и экспериментальные результаты исследований, определяющие природу явления виброразжижения бетонных смесей на различных масштабных уровнях - межфазном, межчастичном, межагрегатном, внутри и межпоточным, с учетом изменения при вибрации энергии взаимодействия фаз, агрегирования частиц при изменении свойств жидкости, взаимодействия грубодисперсной составляющей с агрегатами при гидродинамическом или инерционном типе относительного движения крупного заполнителя; представления о механизме вибрационного уплотнения бетонных смесей, рассматриваемого на различных масштабных уровнях, учитывающего динамику взаимодействий грубо-и микрогетерогенной составляющих при их относительном движении и уплотнении смеси; модельные представления и результаты исследований механизмов виброожижения и уплотнения бетонных смесей при совместном действии вибрации и прессующего давления; энергетические соотношения, учитывающие взаимодействие внутренних и внешних сил, при вибропрессовании; методологические подходы, позволяющие с энергетических позиций оценивать роль технологических факторов на процессы виброформования, реализуемые на примере определения влияния на них пластификаторов и гранулометрии заполнителей; экспериментальные зависимости энергозатрат на процесс уплотнения бетонных смесей от состава, структуры смеси и параметров вибрации; теоретические и экспериментальные исследования инерционных и диссипативных характеристик вибрируемой бетонной смеси, закономерности их изменения и связь со свойствами смеси - плотностью, эффективной вязкостью;
- научные и экспериментальные результаты по проблеме получения газонаполненных бетонов способом диспергации при премешивании; представления о механизмах адсорбции воздухововлекающих ПАВ в цемент-но-песчано-водных системах, турбулентной диффузии газа при воздухо-вовлечении, усреднения состава смеси при перемешивании с учетом структурно-реологических перестроек, деформирования и разрушения газовой фазы; теоретические изыскания и результаты экспериментальных исследований, уточняющих влияние баланса капиллярно-пленочных сил и поверхностного натяжения в формировании пузырьков газовой фазы, роль газовой фазы в межчастичных, межагрегатных взаимодействиях и формирующихся фрактально-кластерных структурах; экономичные режимы обеспечивающие устойчивость газовой фазы при перемешивании; -практические разработки по созданию: промышленных автоматизированных резонансных виброплощадок, оснащенных системой автоматического контроля уплотнения, обеспечивающих требуемое качество изделий, снижение энерго-и материальных затрат; лабораторной виброплощадки с расширенными функциональными возможностями, обеспечивающей снижение затрат труда. при организации контроля вязкости и степени уплотнения на производстве, лабораторных испытаниях; системы автоматической корректировки состава смеси при ее приготовлении; установок и технологических линий по изготовлению изделий и конструкций из газонаполненных бетонов.
Автор выражает глубокую благодарность д-ру физ.- мат. наук, профессору, заведующему кафедрой физики ВГАСУ П.А. Головинскому за научные консультации в разработке математических моделей процессов, связанных с ранним формированием структуры дисперсно-зернистых материалов.
З!
Научно-практические предпосылки управления процессами формирования структуры бетона
Зернистые материалы, в которых формовочные смеси, в том числе и бетонные, является всего лишь одним из примеров, повсеместны в нашей ежедневной жизни. Они играют важную роль в отраслях промышленности, геологических процессах, земледелии, биологии, медицине и др. Исследованию свойств зернистых систем посвящены многочисленные труды [3,4,11...20]. Внешне зернистые материалы просты и представляются большими скоплениями дискретных частиц. Все же, несмотря на эту кажущуюся простоту, зернистый материал ведет себя по-другому в сравнении с твердыми телами, жидкостью или газами. Этот материал с особыми свойствами и требует дополнительного рассмотрения. В отличие, например, от обычных газов, так же состоящих из дискретных частиц с незначительными силами отталкивания, тепловая энергия в зернистых материалах не играет определяющей роли, и обычные термодинамические представления в них не работают. Например, многочисленные исследования [14,20,21] показали, что колебания или циклические сдвиги зернистого материала стимулируют движение частиц различных размеров для их распределения в разных областях обрабатываемого объема. Это разделение, казалось бы, нарушает принцип, согласно которому энтропия системы при смешивании должна увеличиться. Однако в зернистом материале фактор энтропии может легко перевешиваться динамическим преимуществом системы. Определяющим являются геометрические, массовые характеристики частиц, поверхностные силы, потенциальная и кинетическая энергия, подводимая к системе. При этом потенциальная энергия зернистого материала, определяемая гравитационными силами, при тем-пературе « 20 С, более чем в 10 раз превышает его тепловую энергию [22]. При увлажнении зернистые системы становятся связанными. В этом случае проявляются силы, способствующие при прочих равных условиях появлению так же стягивающих сил. Повышению связанности дисперсной системы способствуют не только увлажнение, но и ряд других факторов, например рост дисперсности [16,17,23]. Приведенные данные лишь частично подчеркивают многообразие свойств зернистых систем, возможность их существенной трансформации при воздействии внутренних и внешних факторов.
Существующее многообразие бетонных смесей предопределяется различной структурой, а также составом и свойствами сырьевых материалов. Вместе с тем, можно с некоторой долей условности выделить основные структурные характеристики, присущие всем классам бетонных смесей. Подробно о структуре бетонной смеси изложено в основополагающих трудах Ю.М. Баженова [24,25]. Поэтому в нашей работе отмечаются лишь те из известных факторов, изложенные в отмеченных трудах, которые потребуются в дальнейшем.
Рассмотрим структурные характеристики двух противоположных по пористости бетонов: тяжелого бетона и пенобетона. Известно, что бетонные смеси являются многофазными системами, в которых дисперсионной фазой выступает вода, а дисперсной - частицы заполнителя, вяжущего и воздушные включения. В смесях тяжелого бетона твердая фаза представлена частицами крупного, мелкого заполнителей и цемента, занимающих до 90 % объема бетонной смеси. Удельная поверхность крупного запол нителя примерно равна 0,2-103 м2, мелкого заполнителя - 2,2-103 м2, це-мента - 1-Ю м на 1 м бетонной смеси. Газообразная фаза в смесях тяжелого бетона до уплотнения представлена в виде воздушных полостей сообщающихся с атмосферой, замкнутых обводненных пузырьков воздуха, а также воздуха, находящегося в межзерновых капиллярах и порах заполнителей и ее объем может составлять до 30 % объема смеси. Воздушные включения имеют размеры от одного до нескольких миллиметров, а минимальные размеры замкнутых обводненных пор 4-Ю"6 м [18]. В процессе уплотнения из смесей тяжелого бетона удаляются, практически, все крупные воздушные полости и остаются условно замкнутые пузырьки, причем их объем обычно не превышает 2 % от общего объема смеси. Частицы заполнителей переукладываются, образуя более плотную, чем первоначальная, упаковку.
Суммарная удельная поверхность твердой фазы в 1 м смеси пенобето-на бетона равна примерно 1-Ю м . Содержание газовой фазы в ячеистых бетонах может превышать 80 % общего объема смеси. До 5% объема приходится на крупные воздушные полости. Размеры пузырьков вовлеченного в бетонную смесь воздуха (пузырьки пены) обычно лежат в диапазоне 1-Ю"3 ... 4-Ю"6 м [27] , а их удельная суммарная поверхность примерно равна 0,7-10 м/м бетонной смеси. Жидкая фаза в бетонных смесях, представленная водой, занимает до 15 % объема смеси. Вода находится на поверхности частиц заполнителя и цемента, в межзерновых капиллярах, а также в порах заполнителей.
Теоретические аспекты формирования структуры сухих дисперсно-зернистых систем
Проблемы обеспечения плотных упаковок дисперсно-зернистых систем с целью получения материалов с высокими физико-механическими свойствами актуальны и по сей день. Представления о плотных упаковках используются в различных областях практической деятельности: в керамике и огнеупорах, в порошковой металлургии, в производстве вяжущих веществ и бетонов при изучении проблем гидродинамики и аэродинамики, фильтрации нефти и газов, в кристаллографии и стереохимии и других областях. Известно, что плотность упаковки сухих зернистых материалов (при В/Т- 0) зависит от многих факторов, в первую очередь таких, как форма частиц, распределения частиц по размерам, характеристика поверхности и т.д. Поэтому при моделировании плотных упаковок очень часто форма частиц идеализируется и представляется, например, в виде шара. Такой методический прием позволил получить важные практические результаты.
Одна из первых значительных работ в области механики зернистых сред по исследованию плотных упаковок была выполнена Г. Дересевичем [92]. Следуя этой работе, рассмотрим наиболее важные аспекты проблемы.
Для анализа различных упаковок зернистых материалов применяются понятия плотной упаковки - Р, определяемой как отношение объема пространства занятого твердой фазой, ко всему объему системы и "координационного числа" упаковки, указывающим, с каким числом шаров находится в контакте каждый шар системы. Показано, что эти параметры не зависят от размеров шаров. Рассматривается идеальный случай формирования структуры из шаров одного диаметра, когда граничные условия не создают возмущений, мешающих образованию соответст ется при простой кубической упаковке с координационным числом равным шести, а наибольшая Р = 0.7405 при пирамидальной и тетраэдральной упаковке с координационным числом равным двенадцати (рис. 2.1). Так как при свободной укладке процесс формирования носит стохастический характер, то экспериментально полученная максимальная плотность укладки из шаров одинакового размера не превышала 63 % [93... 95].
С практической точки зрения больший интерес представляет плотность упаковки, достигаемая при использовании шаров различных размеров. В упаковках одинаковых шаров присутствуют пустоты двух характерных форм - треугольной и четырехугольной. Заполняя пустоты шарами размером г2/г] = V2 - 1, а вновь образовавшиеся пустоты шарами r3/rj = V3/2-1, и затем последовательно образующиеся пустоты шарами r4/r} = (l+3a3)/6(l+a), a=l+V2/3 - V2/ r5/ r} = 1-J/V2 - r4 /V/ получили плот ность упаковки равную 85,19 % [96]. В работе [97] показано, что при заполнении обоих типов пустот шарами с размером r rs по схемам с кубической симметрией может быть достигнута плотности упаковки, равная 0,889. В реальных системах с гранулометрией, подобранной в соответствии с теоретическими рекомендациями, плотность упаковок не превышает 83 %[92].
Двумерная иллюстрация процедуры упаковки [96]
Потребности получения плотных упаковок дисперсных систем во многих областях промышленности и до настоящего времени стимулирует это направление исследований. Существенный толчок в развитии это направления дали разработки новых математических методов и совершенствование вычислительной техники [98...105]. Были реализованы различные подходы. Аналитические подходы, при которых изучались соотношения между композицией частиц и объемной плотностью для бинарных и многокомпонентных смесей [102], логарифмически-нормальные законы и гауссовское распределение использовались в [103]. В исследованиях [105,106] был применен новый подход к проблеме плотных упаковок. С помощью известного метода "Voronoi-Delaunay" минимизировалась величина порового пространства между частицами. На рис. 2.2 схематично дается последовательность осуществления минимизации пространства. В начальной стадии все внутрипоровые сферы (пустые круги) распределены в порах между сферическими частицами (полные диски) (а). Некоторые из внутрипо-ровых сфер представляют как новые частицы системы (выбрана самая большая сфера). В результате, получают новую конфигурацию час
Влияния влажности, дисперсности и свойств поверхности твердой фазы на энергетическое состояние дисперсно- зернистой системы
Исследуемые нами дисперсно-зернистые системы обладают развитой структурой порового пространства. Поровое пространство представлено совокупностью извилистых капилляров с переменным сечением по длине. В основном эти капилляры сообщающиеся. Размеры пор в дисперсно-зернистых системах определяются дисперсностью частиц и их упаковкой. Распределение пор по размерам достаточно большое. Размеры пор изменяются примерно в диапазоне от 1-Ю"3 до Ы0"7м. Экспериментально полученные соотношения между дисперсностью и размером пор при свободной укладке систем [151] показали, что у исследуемых систем мини-мальный средний радиус пор равен приблизительно 5-10" м.
Сечения капилляров имеют разнообразную геометрию. В модельных системах, представленных сферами одинакового размера, в зависимости от вида их упаковки, сечения капилляров могут иметь форму как треугольную, так и тетраэдрическую или ромбоэдрическую [149]. В реальных системах оценку структуры пор дать чрезвычайно сложно. На размеры пор в дисперсных системах существенное влияние оказывает характеристика поверхности частиц. Так за счет различной степени шероховатости поверхности частиц у фракций со средним диаметром частиц 3 и 10 мкм средний размер пор может различаться в 2... 3 раза [151].
В обводненных дисперсных системах находящуюся в них влагу подразделяют на пленочную, капиллярную или стыковую и межзерновую [16, 149]. Разделение влаги по видам осуществляется с учетом ее взаимодействия в системе. Рассмотрим основные виды взаимодействия воды в системах. При непосредственном контакте с водой поровое пространство системы может быть обводнено полностью. В отсутствие непосредственного контакта с водой равновесное влагосодержание системы определяется относительной влажностью воздуха и температурой. Относительная влажность воздуха определяет и виды связи воды с твердой фазой в системах [149]. Так, например, при р = 0...0,1 влага адсорбируется в виде мономолекулярного слоя на поверхности твердой фазы; при р = 0,1...0,9 формируется полимолекулярный слой влаги; при ср =0,9...1,0 вода поглощается капиллярами. Считается, что формирование пленочной влаги сопровождается выделением тепла, а капиллярной без выделения тепла. В тоже время процесс десорбции капиллярной и пленочной влаги требует энергетических затрат. Рассмотрим более детально процессы формирования видов влаги в дисперсно-зернистых системах.
При увлажнении дисперсных систем в порах возникают капилляры с искривленной поверхностью на границе жидкость - твердое тело. Определяющим для таких капилляров является разница давлений в соприкасающихся жидкой и газообразной фаз в условиях равновесия. Согласно закону Лапласа-Юнга капиллярное давление равно ра -рр =Ар = а(Цгх + 1/г2), (3.1) где ра,рр- давление в фазах а и /?, Ар- капиллярное давление, а -поверхностное натяжение на границе жидкость-газ, г,, г2 - главные радиусы кривизны поверхности. Из (3.1) следует, что независимо от агрегатного состояния фаз в состоянии равновесия давление с вогнутой стороны поверхности всегда больше, чем с выпуклой. В теории капиллярной конденсации одним из ключевых является уравнение Томсона-Кельвина, показывающего, что давление пара над каплей больше давления пара над плоской поверхностью жидкости 2avnl рг/р=е , (3.2) где рг - давление пара над выпуклой поверхностью, р- давление пара над плоской поверхностью, vm - мольный объем жидкости, г - радиус вогнутого мениска жидкой фазы. Из (3.2) следует, что с ростом кривизны вогнутой поверхности жидкости в капиллярах давление пара над ней уменьшается avm (к-[+к1) рг=р0е , (3.3) 2 где kvk2- кривизны поверхности, , + к2 = -. г
Согласно (3.3) в капиллярах, имеющих пленки адсорбированной жидкости и вогнутые поверхности, конденсация пара произойдет при меньших давлениях, чем над жидкостью с плоской поверхностью. Это явление и предопределяет капиллярную конденсацию пара в порах адсорбента [6].
По современным представлениям теории капиллярности поверхностное натяжение следует рассматривать как поверхностное натяжение пленки на границе раздела жидкой и газообразных фаз [152... 154]. Такой подход предопределяет зависимость величины поверхностного натяжения от радиуса кривизны [155]
Основные теоретические положения современной реологии
Результаты исследований, представленные в предыдущих разделах убедительно показали формирование фрактально-кластерных структур в самоорганизующихся «сухих» и влажных цементно-водных и песчано-водных системах. Изучение структурно-реологических свойств таких систем потребовало применения соответствующих методологических подходов, базирующихся на современных представлениях реологии дисперсных систем, статистической физики и др. В настоящее время в других отраслях знаний, например, таких как сейсмология, грунтоведение, медицина, биология и др. уже накоплен значительный научный и практический материал для решения подобных задач.
Известно, что предсказание реологических свойств высококонцентрированных дисперсно-зернистых систем является важной проблемой практического значения, в том числе и в технологии бетонов. Реология этих систем, состоящих, как правило, из твердой, жидкой и газообразных фаз определяется межчастичным взаимодействием. В классической реологии межчастичное взаимодействие исследуется опосредованно путем уста новления связи между напряжением и деформацией (рис. 4.1). Эта связь в исследуемых системах в отличие от систем типа ньютоновских, имеет нелинейный характер
Одной из основных характеристик систем является величина "эффективной" вязкости - г/0, которая определяется как котангенс угла наклона прямой, соединяющий начало координат и исследуемую точку на кривой — = /(г). Условно на кривой могут быть выделены три основ-dn ные области [192]. В первой области при напряжениях сдвига от нуля до предельного напряжения сдвига - т0 система проявляет упругие свойства, во второй, лежащей в диапазоне т0-тк, система обладает структурой с практически не нарушенными связями, в третьей при тк - тр происходит разрушение структуры, с достижением при определенных величинах г минимальных величин "эффективной" вязкости. Эта закономерность поведения дисперсных систем в условиях механических воздействий является основополагающей при реализации многих технологических процессов и имеет большое практическое значение.
Выполненные в последнее время многочисленные исследования [193...209] позволили уточнить механизм разрушения и формирования структуры дисперсных систем в условиях сдвиговых деформаций, получить их количественные оценки. В связи с этим последовательно рассмотрим структурно-реологические характеристики дисперсных систем, следуя изложенному в работе [204].
Результаты компьютерного моделирования [205,206] и физического эксперимента [190,210,211] показывают, что в статическом состоянии в суспензиях различного назначения формируются фрактально-кластерные структуры с фрактальной размерностью 2 D 2,3 для трехмерных агрегатов. При небольших концентрациях ф фк- суспензия состоит из индивидуальных кластеров конечных размеров. Если ф = ф,, то присутствуют отдельные кластеры и формирующийся бесконечный кластер. В случае ф фк- формируется структура из фрактальных кластеров. При этом размеры кластеров максимальны. Наибольший радиус фрактальных агрегатов может быть определен из уравнения где ф - объемная концентрация твердой фазы; ф"- объемная критическая концентрация твердой фазы, характеризующая порог между жидким и твердым состоянием системы и соответствующая предельному напряжению сдвига; RF - максимальный средний радиус кластера, а - радиус частицы; D - фрактальная размерность.
Важным моментом кластерообразования в суспензиях является увеличение плотности агрегатов за счет вытеснения из них части жидкой фазы. Рассмотрим закономерности изменения структуры дисперсных систем с учетом концентрации и свойств твердой фазы в условиях сдвига. Известно, что разбавленные системы, представленные жидкой вязкой фазой и жесткими частицами в условиях сдвиговых напряжений при невысоких числах Рейнольдса ведут себя подобно ньютоновским жидкостям.
