Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




19.09.2018


18.09.2018


17.09.2018


17.09.2018


14.09.2018


11.09.2018


07.09.2018


07.09.2018


07.09.2018


07.09.2018





Яндекс.Метрика
         » » Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

31.03.2016

Технология изготовления каркасных композитов связана с движением жидкостей (связующих). Характер протекания данных процессов при склеивании заполнителей в каркас, пропитке заполнителей и каркаса клеевыми и матричными композициями, а также при обеспечении устойчивости матричных композиций против расслаивания определяется законами и явлениями гидродинамики и гидростатики.
При склеивании заполнителей в каркас возникает необходимость в интенсификации или в ингибировании процесса их пропитки. Способность пористых заполнителей впитывать связующее определяется величиной открытой пористости и размером пор. Связующее впитывается за счет перепадов давлений от действия капиллярного потенциала "пористый заполнитель — связующее" и от понижения давления в порах заполнителя при вытеснении воздуха. Результирующий перепад давления будет равен сумме этих перепадов:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

где P1 и P2 — соответственно капиллярное и гидростатическое давление; δ — поверхностное натяжение; θ — краевой угол смачивания; г — радиус капилляра; р — плотность жидкости; q — ускорение свободного падения; l — длина пропитанного участка капилляра; α — угол наклона капилляра по отношению к горизонтальной плоскости.
Определим силу, способствующую перемещению жидкости в поры заполнителей. Для этого представим сечение поры (канала) в виде круга с радиусом r. Тогда сила, перемещающая жидкость внутри канала, определится из выражения
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

В то же время в связующих, имеющих структурную прочность, создается сила, препятствующая движению жидкости. Эта сила определится как произведение площади внутренней поверхности канала на величину начального сопротивления сдвигу:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

где αср — длина канала; τ0 — начальное сопротивление сдвигу.
При равновесии сил Fдв и Fпр клей каркаса будет обволакивать зерна заполнителя без впитывания, что приводит к равенству
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

Из этого условия определим структурообразующий параметр клея каркаса, при котором не происходит впитывание:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

Данное выражение может быть использовано при получении легких бетонов, для которых важным является сохранение пористости гранул.
На практике могут возникнуть случаи, когда необходимо повышение прочности гранул за счет их частичной пропитки. В этом случае необходимо применение неструктурированных или слабоструктурированных связующих. Процесс пропитки такими жидкостями подчиняется закону Пуазейля.
Получим выражение для контроля фронта пропитки гранул заполнителей. Вязкий клей обволакивает их по всей поверхности и образует замкнутый фронт пропитки, продвигающийся в глубь гранул под действием капиллярных сил. Данный процесс сопровождается защемлением воздуха и последующим его сжатием, причем давление воздуха во время пропитки возрастает. С учетом этого движущий перепад давления будет равен:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

где P1 — давление, возникающее под действием капиллярных сил; Pо — атмосферное давление; R0 и R1 — радиусы гранулы и непропитанного ядра; n = 3.
Подставив в зависимость (2.27) уравнение Пуазейля и выполнив преобразования, получим выражение для контроля процесса обработки зерен заполнителя вяжущим при получении каркаса:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

Основными показателями, определяющими качество структуры каркаса, служат пропускная способность, позволяющая заполнить поровое пространство связующим, и адгезия связующего (матрицы) к вяжущему каркаса.
Пропускная, способность каркаса определяется из соотношения диаметра заполнителя каркаса к диаметру наполнителя или заполнителя связующего, а также вязкостью последнего. Поступление связующего в перовые каналы каркаса можно отождествить с фильтрацией вязкой жидкости в пористой среде. Ее способность пропускать через себя жидкость зависит от диаметра пор (dn), вязкости, поверхностного натяжения и краевого угла смачивания жидкости. Диаметр пор математически вычисляется по методике определения пористости грунтов. Для этого крупный заполнитель в каркасе рассматриваем как фиктивную пористую среду, считая зерна шарами одинакового диаметра.
Шары в укладках образуют сложное поровое пространство в виде сообщающихся капиллярных трубок с кривой осью, совпадающей с ходом поверхности сферических частиц. Капиллярные трубки имеют переменное сечение с чередующимися сужениями и расширениями. Полости пор (расширения) соединены между собой проходами, которые Л.И. Хейфец и А.В. Неймарк назвали "горлами" пор. Модели порового пространства для гексагональной и кубической объемно центрированной упаковок представлены на рис. 2.1. Форма сечений полостей и проходов в каркасе будет близка к круглой за счет равновесного распределения клея каркаса в капиллярах (рис. 2.2).
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

Минимальные размеры пор получаются при наиболее плотвой укладке шаров — ромбической (рис. 2.3). Заполнители в каркасном, бетоне соприкасаются между собой без заметной раздвижки. В местах касания клей выдавливается в мениски из клеевой оболочки (рис. 2.4), что экспериментально установлено для крупнопористых бетонов С.М. Ицковичем, К.П. Галкиным. И.С. Николадышевым. С учетом этого площадь сечения пор будет равна:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

Площадь FAKM + FВLK + FCML есть площадь полукруга (Fпол), определяемая по формуле:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

где R — радиус заполнителя; δк.с — толщина клеевого слоя на зернах каркаса.
С учетом (2.29—2.31) площадь сечения пор в каркасе будет равна:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

Пропитка каркаса на максимальную глубину будет возможна только тогда, когда размеры наполнителя связующего (матричной части) будут находиться в определенном соотношении с размерами поровых каналов каркаса. Для определения этого соотношения представим поры каркаса в виде круглой трубы с радиусом Δn. Радиус сечения круглой поры можно определить из следующих выражений:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

где П — периметр поперечного сечения поры в каркасе.
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

Закупорка пор происходит при расположении трех песчинок одинакового диаметра в сечении поры. Тогда из подобия треугольников AOB и A1OB1 (рис. 2.5) находим:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

После некоторых преобразований получим:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

Подставив значения f и Δn в выражение (2.33) и выполнив преобразования, найдем:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

По этому соотношению на рис. 2.6 построены графические зависимости, позволяющие подбирать размеры наполнителей и заполнителей в композитах каркасной структуры по известной толщине оболочки на зернах каркаса.
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

Второй фактор, влияющий на процесс пропитки каркаса, — реологические параметры связующего (матрицы), где определяющую роль играют вязкость и расслаиваемость. Вязкость характеризуется внутренним трением, возникающим между частицами или слоями под действием внешних сил. По механическим свойствам, а также агрегатному состоянию пропиточные системы можно разделить на бесструктурные (свободнодисперсные) и структурированные (связнодисперсные). Свободнодисперсные системы подвижны и не оказывают сопротивления сдвигу. Таковы золи, ведущие себя как жидкости. Чаще всего они бывают гомогенными, их компоненты не имеют между собой поверхности раздела. Это истинные растворы, состоящие из растворителя и растворимого вещества. Связиодисперсные системы характеризуются наличием пространственной структуры и следовательно, обладают свойствами твердых тел. К таким системам следует отнести гели, студни (пасты). Структура в структурированных системах обусловливается наличием концентрации твердой фазы. К структурированным системам относятся и другие многофазные системы: эмульсии и аэрированные жидкости. Дисперсионная среда содержит во взвешенном состоянии мельчайшие капельки другой жидкости, а также дисперсную фазу в виде пузырьков воздуха.
Структурированные системы при механическом воздействии на них, например при вибрировании или перемешивании, теряют структуру и переходят в свободнодисперсные, а после снятия нагрузки вновь приобретают структуру.
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

Реология разделяет свободнодисперсные системы на ньютоновские жидкости, а связнодисперсные — на неньютоновские или вязкопластичные. Течение ньютоновских жидкостей изучается на основе закономерностей классической гидродинамики, а неньютоновских — реологией. Рассмотрим кривые течения жидкостей. На рис. 2.7 они приведены в двух координатах: скорость сдвига — напряжение сдвига и вязкость — напряжение сдвига. Графически закон Ньютона в первых координатах выражается наклонной прямой, проходящей через начало координат (кривая 1 рис. 2.7 а). Котангенс наклона прямой прямо пропорционален вязкости (кривая 1 рис. 2.7 б).
Ньютоновские жидкости характеризуются линейной зависимостью напряжения сдвига и градиента скорости деформаций:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

где τ — напряжение сдвига; η1 — коэффициент вязкости; γ — градиент скорости деформаций.
Уравнение Ньютона описывает закон, характеризующий то, что сопротивление, возникающее из-за недостаточной скользкости частиц жидкости, пропорционально градиенту скорости, с которой частицы разделяются.
При введении наполнителей в ньютоновскую жидкость до определенного предела пропорциональная зависимость между напряжением сдвига и градиентом скорости сдвига сохраняется, а вязкость повышается. Кривые 1, 2, 3, 4 рис. 2.7 б характеризуют повышение вязкости за счет введения дисперсной фазы. При достижении определенною ее содержания линейная зависимость между γ и τ нарушается и в соответствии с видом дисперсной фазы и ее концентрацией наблюдается псевдопластическое или пластическое течение. Для псевдопластических дисперсных систем характерна малая скорость сдвига при небольших напряжениях. Увеличение содержания дисперсной фазы в псевдопластических системах наибольшее влияние оказывает на начальный участок реологической кривой, в области же высоких напряжений сдвига происходит заметное увеличение скорости течения и уменьшение вязкости, которая может достигать величин, равных вязкости дисперсной среды. Оствальд объясняет такое поведение наличием у жидкости "структуры" и ее изменением в процессе течения. Как только у дисперсных сред появляется структурная вязкость, их следует относить к неньютоновским жидкостям.
Характер течения псевдопластических жидкостей подчиняется степенному закону Де-Виля и Оствальда:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

где n — показатель больше o1, характеризующий степень отклонения от линейной зависимости.
При установившейся структуре дисперсные системы неподвижны и нетекучи; чтобы такие системы вывести из равновесия, требуется приложить определенное усилие (τт). Моделью вязкопластичных (неньютоновских или бингамовских тел) жидкостей является следующее реологическое уравнение:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

где τт — предельное напряжение сдвига; η2 — пластическая вязкость. В практических условиях нередко возникает заинтересованность в уменьшении или увеличении вязкости матриц для каркасных бетонов.
Вязкость растворов (расплавов) снижается добавлением соответствующих растворителей, разбавителей, пластификаторов или нагреванием.
Уравнение движения полимерной жидкости в каналах разной формы представляется А.Я. Малкиным в виде:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

В уравнении (2.40) учитывается изменение вязкости пропиточной композиции в зависимости от температуры (T), скорости сдвига (γ) и степени превращения мономера (β). Для термопластичных материалов величина β не учитывается.
Эмпирическая формула для описания зависимости вязкости от состава жидких смесей предложена Аррениусом:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

где N1 и N2 — мольные доли компонентов; η1 и η2 — вязкости жидких компонентов смеси. Данная формула справедлива для случаев, когда добавление второго компонента не изменяет энергию активации вязкого течения.
В работе величину вязкости смеси эпоксидной смолы с дибутилфталатом предложено рассчитывать по формуле
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

где ηс, η1 и η2 — соответственно вязкость смеси, смолы и дибутилфталата; N — мольная доля смолы, рассчитываемая из ее среднемассовой молекулярной массы; а — константа (а = 0,6 при температуре до 35 °C и а = 0,2 при температуре выше 35 °С). Расчетные значения вязкости близки к экспериментальным; разница между ними составляет 2—15 %.
Вязкость увеличивается при наполнении и для систем, где отсутствует взаимодействие дисперсных частиц с дисперсионной средой, ее изменение может быть описано уравнениями Эйнштейна, Бекера или Гута:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

где ηо — вязкость ненаполненной системы; φ — оьъемная доля наполнителя; n, α и β — коэффициенты.
К пропиточным композициям, содержащим наполнители, необходимо предъявлять требования нерасслаиваемости. Наполнители должны находиться в связующем во взвешенном состоянии. Для выполнения этого требования пропиточная композиция должна при введении наполнителя приобретать структуру, обладающую некоторой прочностью. В случае, если плотность наполнителя больше плотности вяжущего, частицы первого будут оседать. Вяжущее препятствует движению, и в нем возникают касательные напряжения:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

где m — масса частицы в связующем; F — площадь поверхности частицы.
Сила сопротивления связующего движению частиц наполнителя вниз, приходящаяся на единицу площади, есть статическое напряжение сдвига θ. Принимая частицы наполнителя шарообразной формы диаметром d, определим массу частицы в связующем:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

где γг и γc — соответственно плотности наполнителя и связующего. Площадь поверхности частицы шарообразной формы равна:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

Формула (2.46) после подстановки выражений (2.47) и (2.48) будет иметь вид:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

В реальных условиях для предупреждения осаждения напряжения на поверхности частицы при ее движении должны превосходить статическое напряжение сдвига, что учитывается коэффициентом к. Его значение зависит от размера частиц и с ростом их диаметра увеличивается. При диаметре частицы до 2 мм к равно 2,5 — 3. Учитывая это, из выражения (2.48) получим предельный размер частицы, не оседающей в связующем:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

При заполнении пустот каркаса термопластами необходимо предотвращать застывание расплава во время пропитки. Согласно закону сохранения энергии и результатам экспериментальных исследований механизма течения в литниковых каналах расплав не охлаждается при течении со скоростью не ниже
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

где tp и tф — соответственно температуры расплава и поверхности канала; τо — напряжение сдвига у стенки канала.
Процесс пропитки каркаса в зависимости от кривой течения матрицы (см. рис. 2.7) можно в общем виде описать известными уравнениями. Движение вязкой жидкости через капилляр радиусом Rк описывается уравнением Пуазейля:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

где ηв — вязкость жидкости; ΔP = Pк — капиллярное давление; Q — расход жидкости; l — длина капилляра.
Движение вязкопластичных жидкостей через капилляр подчиняется уравнению Букингейма—Рейнера:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

где ηc — структурная, вязкость; τт — предельное напряжение сдвига.
Условием вязкопластичного течения в капилляре является неравенство τ > τт, т. е. оно существует, когда напряжение больше предельного напряжения сдвига. В этой связи самопроизвольное заполнение одиночного капилляра происходит только в том случае, если выполняется неравенство
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

При невыполнении условия (2.54) капилляр заполняется частично. В выражениях (2.52) и (2.53) величина Rк/8 есть проницаемость капилляра (K1). Для каркаса, аналогично пористым средам, проницаемость будет равна проницаемости в отдельной поре, умноженной на отношение пористости (П) к извилистости (С):
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

Извилистость учитывает удлинение истинного пути переноса матрицы внутри каркаса и определяется как отношение длины морового канала к прямому расстоянию переноса (толщине изделия). Учитывая, что клей каркаса незначительно изменяет характер порового пространства, для определения коэффициента С используем известные соотношения. При гексагональной упаковке монодисперсных шаров коэффициент извилистости равен 1,5, а для беспорядочной укладки получены теоретические формулы, связывающие коэффициент извилистости с пористостью материала:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

Тогда, подставляя значения К, С и заменяя радиус капилляра (Rк) на радиус пор каркаса (Δn), подсчитываемый по выражению (2.36), а также выполнив преобразования, получим уравнение гидравлической проницаемости для каркаса вязкими матрицами:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

Аналогично при применении матриц, имеющих структурную прочность, находим:
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов

При пропитке можно применять известные способы ускорения процесса: вакуумирование и внешнее давление. В этом случае изменяются скорость и предельная глубина пропитки. Показатели процесса пропитки рассчитываются по формулам, приведенным в табл. 2.2.
Гидравлические аспекты получения каркасных композитов