Расчет составов полимербетонов
Определение оптимальной толщины пленки связующего, обусловливающей максимальную прочность, проводилось нами на смоле ФАМ вязкостью 20 с по ВЗ-4, которая была принята эталонной. При постоянном расходе связующего изменялось количество наполнителя, имеющего одинаковую удельную поверхность. Из приготовленной мастики формовали литые цилиндрические бездефектные образцы и стандартные лопатки и определяли предел прочности при разрыве. Результаты испытании показали, что с увеличением количества наполнителя прочность на разрыв повышается, достигает своего максимума, а затем падает. Оптимальная толщина пленки связующего вокруг зерен наполнителя соответствует максимальной прочности мастики.
Обобщенная зависимость прочности полимерной мастики ог дисперсности наполнителя характеризовалась максимальным значением в интервале 2000—3000 см2/г.
С увеличением до определенного предела степени наполнения экстремально изменяются средняя плотность, пористость и прочность при сжатии и изгибе. При этом экспериментальные значения этих характеристик распределяются в довольно узкой области.
Следовательно, оптимальному содержанию в системе наполнителя соответствует определенная структура и комплекс оптимальных физико-механических езойств, названный нами правилом экспериментальных значений. Из этого правила следует, что если у правильно подобранного состава материала две-три определенные характеристики оптимальны, то можно с достаточной уверенностью предполагать, что и ряд других характеристик будет иметь оптимальные значения.
Таким образом, можно сделать очень важные выводы, для каждого вида термореактивной синтетической смолы и минерального наполнителя существует строго определенная степень наполнения, обеспечивающая максимальную прочность мастики; уменьшение или увеличение степени наполнения приводит к значительному падению прочности системы; оптимальное количество наполнителя определяется не только природой синтетической смолы и наполнителя, но и дисперсностью последнего.
Зная закономерность изменения прочности в зависимости от степени наполнения, вязкость синтетической смолы и удельную поверхность наполнителя, можно вычислить математическую зависимость этих величин и дать расчетную формулу для определения минимально необходимого количества связующего при составлении рецептуры той или иной мастики.
Расчеты показывают, что для оптимальных составов полиэфирных, фурановых и других мастик приведенная толщина пленки связующего вокруг каждого зерна наполнителя составляет 1,5—2 мкм, а общая толщина пленки между зернами в монолитной композиции колеблется в пределах 3—4 мкм.
Существуют два принципиально различных способа подбора гранулометрического состава плотных смесей многокомпонентных систем: с прерывистой и непрерывной гранулометрией. Первый способ не нашел достаточного распространения при подборе составов цементных бетонов ввиду некоторой сложности определения прерывистости фракций и дополнительных расходов, связанных с рассевом щебня и песка. Кроме того, как показали исследования Б. Г. Скрамтаева, К. Г. Зеленова, В. В. Кураева и других авторов, при использовании смесей с прерывистой гранулометрией не было получено преимуществ, оправдывающих эти дополнительные расходы. Так как даже незначительное снижение расхода полимерного связующего, которое может дать сверхплотный подбор составов заполнителей, приводит к значительному снижению стоимости полимербетонов, то в этом случае экономически целесообразно пойти на подбор составов с использованием прерывистой гранулометрии. Если рассмотреть наиболее плотную упаковку зерен заполнителей на геометрических моделях, состоящих из однородных шаров, то оказывается, что минимальным количество шаров в единице объема будет в том случае, когда центры их совпадают с узлами кубической решетки, и максимальным — при ромбоэдрической укладке.
Акад. Н. В. Белов считает, что при кубической укладке шаров одинакового диаметра образуются октаэдриче-ские пусготы, а при ромбоэдрической — тетраэдрические по типу геометрических фигур, образуемых шарами вокруг соответствующей «дырки». Для случая бесконечной укладки шаров можно рассчитать количество пустот каждого сорта, приходящихся в среднем на один шар.
Если при плотной упаковке пустоты заполнить соответствующими им по диаметру шарами, то нетрудно подсчитать, что шар, наиболее плотно заполняющий октаэдр ическую пустоту, имеет диаметр, равный 0,414 диаметра основного шара, а диаметр шара для тетраэдрической пустоты составит 0,225 диаметра основного шара.
Для шаров одинакового диаметра наиболее вероятная и устойчивая форма укладки — ромбоэдрическая. Иная картина наблюдается при укладке шаров различного диаметра. Например, коэффициент заполнения произвольного объема гранулами полистирола случайного гранулометрического состава колеблется в пределах 0,58—0,62. Это говорит о том, что укладка гранул полистирола, которые являются почти идеальными шарами, более близка к кубической. Кроме того, как указывает акад. Н. В. Белов, значительная часть существующих в природе минералов тоже имеет кубическую упаковку. Следовательно, с достаточным основанием можно предположить, что укладка зерен заполнителя также должна иметь кубическую упаковку.
Видно, что третья фракция щебня увеличивает степень заполнения примерно на 1%. Поэтому для полимер бетона с максимальной крупностью щебня до 30 мм можно рекомендовать одну фракцию щебня, а для полимербетонов с крупностью щебня 35—50 мм — две фракции.
Таким образом, для получения плотного полимербетона с двумя фракциями щебня 1 ч по массе мастики и примерно 1,12 ч. по массе песка должны заполнить 44% пустот, образованных щебнем, т. е. 21% мастики и 23% песка.
При рассмотрении реальных систем неправильная геометрическая форма зерен заполнителей, их шероховатость, образование в процессе укладки сводов или сот значительно искажают картину и влияют на плотность упаковки. К этому необходимо добавить влияние краевого эффекта, так как в отличие от геометрической модели с бесконечной укладкой шаров реальные конструкции имеют вполне определенные размеры. В этом случае вокруг основных зерен заполнителя, граничащих с плоскостью опалубки или оснастки, группируется меньшее число зерен, эквивалентных соответствующим пустотам, или размеры этих пустот отличаются от размеров пустот в объеме изделия. Все эти отклонения практически не поддаются математической обработке. Поэтому закономерности, справедливые для идеальных систем, были приняты нами в качестве исходных. При подборе оптимальных составов полимербетонов все величины экспериментально уточнялись.
Фракционированный подбор заполнителей производится в специальном приборе, предназначенном для этих
целей.
Прибор представляет собой съемный цилиндр, укрепленный на основании с внутренним диаметром цилиндра 160 и высотой 400 мм. В направляющей втулке, смонтированной на двух стойках, свободно перемещается шток с наглухо укрепленным диском. Шток имеет метрическую шкалу с ценой деления 1 мм; 10 мм по штоку соответствуют 200 см3 цилиндра. Весь прибор струбцинами крепится к плите лабораторного вибростола. По разности между суммой объемов до смешивания и объемов, полученных после смешивания и виброуплотпепия, строится графил изменения плотности сухой смеси, который показывает, что максимальная плотность смеси получается при определенном соотношении крупной и мелкой фракции заполнителя. За постоянное значение принимают массу смеси двух ранее взятых фракций и к ней добавляют массу щебня следующей более мелкой фракции.
Таким образом, можно последовательно осуществить плотный подбор сухого состава заполнителей с любым количеством фракций. При этом необходимо иметь в виду, что на приборе с внутренним диаметром цилиндра 160 мм максимальный размер щебня не должен превышать 40 мм.
Как показали проведенные исследования, при получении составов с прерывистой гранулометрией основная трудоемкость падает на рассев мелкодисперсных фракций и определение их оптимального количества в смеси. При этом разница в размерах последующих и предыдущих зерен не выходит за пределы размеров стандартного набора сит, а эффект уплотнения по сравнению с эффектом уплотнения нерассеянных составов становится столь незначительным, что теряется смысл в таком фракционировании. Поэтому нами был принят способ подбора плотных составов полимер бетонов с использованием «полупрерывистой гранулометрии», который предусматривает фракционирование одного лишь щебня и выбор соответствующего модуля крупности песка. Тонкомолотые добавки имеют непрерывную гранулометрию, т. е. они используются без рассева. Этим способом были подобраны плотные составы полимербетонов с расходом синтетической смолы от 7,5 до 8,5% (165—185 кг/м3) по массе наполнителей и заполнителей при ранее принятом расходе связующего от 220 до 240 кг/м3, а в некоторых случаях и до 320 кг/м3.
Проведенные исследования позволили разработать экспериментально-теоретический метод подбора оптимальных составов полимербетонов, который имеет следующие особенности. Составы полимербетонов проектируют в три стадии: вначале экспериментально определяют оптимальный состав клеящей мастики, затем теоретически вычисляют размеры щебня для состава бетона с «полупрерывистой гранулометрией», количество фракций и их соотношение между собой, после этого состав заполнителей уточняется на приборе для подбора сухой смеси.