СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2011 года по МПК G21F1/04 

Область техники

Изобретение относится к строительству, а именно к способам регулирования параметров электромагнитного излучения композиционных материалов, например строительного бетона, раствора, используемых при устройстве несущих и ограждающих бетонных и железобетонных конструкций, специальных и отделочных покрытий, например гидроизоляционное, штукатурное, бетонное покрытие пола и т.п. Оно может быть использовано также в медицине и других отраслях, в которых необходимо использовать композиционные материалы с требуемым уровнем электромагнитного излучения или регулировать его воздействие на элементы окружающей среды и человека (Карандашов В.И., Петухов Е.Б., Зродников B.C. Фототерапия (светолечение) / Под ред. Н.Р.Палеева. - М.: Медицина, 2001. - 392 с.; Готовский Ю.В., Перов Ю.Ф. Особенности биологического действия физических и химических факторов малых и сверхмалых интенсивностей и доз. - М.: ИМЕДИС, 2003. - С.59…144).

Уровень техники

Известны способы регулирования электромагнитного излучения объектов (Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Изд. Центр «Академия», 2008. - С.294…475). Существенным недостатком, препятствующим получению технических результатов, которые обеспечиваются предлагаемым изобретением, является то, что для этого необходимо при приготовлении минеральной смеси в ее состав дополнительно вводить специальные компоненты. Такими компонентами должны являться вещество или устройство с определенными параметрами электромагнитного излучения. Это удорожает получение композиционного материала либо делает невозможным приготовление минеральной смеси.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ регулирования параметров электромагнитного излучения композиционного материала (Богословский В.А., Жигалин А.Д., Хмелевской В.К. Экологическая геофизика. - М.: Изд-во МГУ, 2000. - С.28), включающий, определение свойств вяжущего, заполнителя и жидкости затворения, установление их расхода для композиционной смеси, дозирование и совместное перемешивание вяжущего, заполнителя и жидкости затворения с получением композиционной смеси, ее укладку, уплотнение и выдерживание с получением композиционного материала, определение значений параметров его электромагнитного излучения и прочности,

Известный способ имеет следующие" недостатки. Использование основных показателей свойств вяжущего, заполнителя и жидкости затворения (ГОСТ 8736-95. Песок для строительных работ. Технические условия. - М.: Изд-во стандартов, 1996. - 14 с.; Новые способы производства отделочных работ. М.: Стройиздат, 1990. - С.12…17) обеспечивает возможность получения композиционного материала с определенными фиксированными значениями параметров электромагнитного излучения. Для их регулирования изменяют состав минеральной смеси путем варьирования расхода или замены компонентов: вяжущее, жидкость затворения, заполнитель и т.п. Но и варьирование расхода компонентов не позволяет изменять значения параметров электромагнитного излучения в сколько-нибудь широком диапазоне из-за того, что при этом существенно изменяются другие свойства смеси и композиционного материала (удобоукладываемость, прочность, адгезия к основанию и т.п.). Так, при уменьшении расхода вяжущего уменьшается прочность получаемого композиционного материала, увеличивается его водопроницаемость, снижается долговечность. Это объясняется уменьшением степени заполнения межзернового пространства, неполной смазки вяжущим поверхности заполнителя. Увеличение расхода вяжущего приводит к возрастанию усадки композиционного материала и его трещиноватости, снижению его долговечности при одновременном увеличении стоимости. Регулирование электромагнитного излучения посредством уменьшения расхода растворителя, например воды, сопровождается снижением удобоукладываемости смеси и для ее сохранения необходимо использовать специальные добавки (Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. - М.: Изд-во Технопроект, 1998. - 768 с.). При этом изменяется структура материала. Применение таких добавок, в свою очередь, приводит к неконтролируемому и не связанному с изменением прочности варьированию параметров электромагнитного излучения композиционного материала. Регулирование значений параметров электромагнитного излучения путем замены компонентов (например, замена одного цемента другим, используемого заполнителя другим и т.п.) требует наличия таких компонентов с различными свойствами. Следствием является увеличение площадей складов для их хранения, возрастание затрат на приготовление смесей. При этом с течением времени под воздействием естественных и искусственных факторов (Патент РФ №2292070. Способ регулирования усадки бетона. G05D 21/00 / Придатко Ю.М., Готовцев В.М., Доброхотов В.Б., Шабров В.Л. и др. // БИ №2, 2007; Техническая мелиорация пород / Под ред. С.Д.Воронкевича. - М.: Изд-во МГУ, 1981. - С.26…33; Гаррелс Р., Макензи Ф. Эволюция осадочных пород. - М.: Мир, 1974. - С.110…139) свойства компонентов смесей изменяются. Поэтому даже наличие разнообразных по своим свойствам компонентов не позволяет получить требуемые значения параметров электромагнитного излучения и прочность композиционного материала и не обеспечивает возможность их варьирования в требуемом диапазоне.

Целью предлагаемого способа является увеличение диапазона и повышение точности регулирования параметров электромагнитного излучения композиционного материала.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе регулирования параметров электромагнитного излучения композиционного материала, включающем определение свойств вяжущего, заполнителя и жидкости затворения, установление их расхода для композиционной смеси, дозирование и совместное перемешивание вяжущего, заполнителя и жидкости затворения с получением композиционной смеси, ее укладку, уплотнение и выдерживание с получением композиционного материала, определение параметров его электромагнитного излучения и прочности, отличающемся тем, что дополнительно варьируют свойства и расход вяжущего, заполнителя и жидкости затворения, после выдерживания и получения композиционного материала определяют для него возможный диапазон изменения частоты ν электромагнитного излучения и прочности R, зависимость частоты ν электромагнитного излучения от R, определяют требуемую прочность R₀, обеспечивающую требуемую частоту электромагнитного излучения ν₀ и получают композиционный материал с прочностью R₀.

При реализации этого способа имеет место следующее. Композиционный материал представляет собой сложную многоэлементную, многофазную систему и имеет сложную структуру (Железобетон в XXI веке: Состояние и перспективы развития бетона и железобетона в России / Госстрой России; НИИЖБ. - М.: Готика, 2001. - С.22…171). Именно структура материала определяет его прочность. Ее значение есть функция количества сростков между кристаллами цементного камня на единицу площади его сечения и прочности одного такого сростка (Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. - М.: Стройиздат. С.403…455). Эти факторы зависят от структуры композиционного материала, природы составляющих его элементов: атомов, ионов, молекул (Рамачандран В., Фельдман Р., Бодуэн Дж. Наука о бетоне: Физико-химическое бетоноведение. - М.: Стройиздат, 1986 - 278 с.). То есть прочность есть проявление взаимодействия этих элементов и их распределения в композиционном материале.

Для композита, получаемого из смесей на водной основе, в его структуре выделяют следующие основные элементы (Баженов Ю.М. Технология бетона. - М.: Изд-во АСВ, 2002. - С.110…116; Тейлор X. Химия цемента. - М.: Мир, 1996. - С.447…451; Придатко Ю.М. Заполнитель - ведущий фактор формирования свойств бетона // Гидроизоляционные и кровельные материалы. Сб. докладов 4-й Международной науч.-техн. конф. - С.-Петербург, 2007. - С.84…89): ядро зерна заполнителя, его аутогенная пленка, оболочка из кристаллизованных продуктов гидратации и гидролиза вяжущего, межзерновой цементный камень, включающий непрореагировавшую часть зерен вяжущего, контактные слои между этими элементами. Все элементы содержат воду, наличие которой определяет саму возможность формирования структуры такого композиционного материала и во многом определяет его физическое состояние и свойства (Вода в дисперсных системах / Б.В.Дерягин, Н.В.Чураев, Ф.Д.Овчаренко и др. - М.: Химия, 1989. - 288 с.; Зимон А.Д., Лещенко Н.Ф. Коллоидная химия. - М.: АГАР, 2001. - С.15…208). Формирование такой структуры представляет собой результат взаимосвязанных, взаимоопределяющих друг друга физических, химических, механических, биологических, комбинированных процессов взаимодействия компонентов исходной смеси, образования новых веществ (Зимон А.Д., Лещенко Н.Ф. Коллоидная химия. - М.: АГАР, 2001. - С.15…208; Ахвердов А.Н. Основы физики бетона. М.: Стройиздат, 1981. - С.8…71; Соломатов В.И., Тахиров М.К., Тахер Шах Мд. Интенсивная технология бетонов. - М.: Стройиздат, 1989. - С.5…46; Придатке Ю.М., Доброхотов В.Б., Шабров В.Л., Кузнецова Н.Е. Акватехнология модификации минеральных смесей и получаемых на их основе бетонов, растворов // Бетон и железобетон - пути развития. Научные труды 2-й Всероссийской (Международной) конф. по бетону и железобетону. Том 3. - М.: 2005. - С.372…379) и их эволюции (Мелихов И.В. Физико-химическая эволюция твердого вещества. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. - 309 с.).

Сущность таких процессов определяется природой составляющих ее элементов - атомов, ионов, молекул (Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. - М.: Высш. шк., 2000. - С.8…148), которые взаимодействуют между собой и образуют продукты различного состава и структуры (Киселев В.Ф., Козлов С.Н., Зотеев А.В. Основы физики поверхности твердого тела. - М.: Изд-во МГУ, 1999. - С.47…117; Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. - М.: КомКнига, 2006. - C.115…484). Они представляют собой квантовые системы (Грибов Л.А., Муштакова С.П. Квантовая химия. - М.: Гардарики, 1999. - С.9…138). Изменение их состояния может сопровождаться как поглощением, так и излучением (Краткий курс физической химии / Под ред. Кондаратьева С.Н. - М.: Высш. шк., 1978. - С.41…56) электромагнитных волн в виде фотонов (Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М.Прохоров. Ред. кол. Д.М.Алексеев, А.М.Бонч-Бруевич, А.С.Боровик-Романов и др. - М.: Сов. Энциклопедия, 1983. - С.206…208).

Композиционный материал представляет собой не индивидуальное вещество, а комплекс соединений, имеет сложную структуру. Поэтому и его спектр излучения и поглощения является сложным. Волна излучения представляет колеблющееся электромагнитное поле. Для его возникновения необходима осцилляция электрических зарядов. Это касается и внутримолекулярных, и макропроцессов. Излучение композиционного материала в инфракрасной области связано с процессами гидратации вяжущего, которые сопровождаются существенным тепловым эффектом. Они определяются колебательными и деформационными изменениями в составе сложных многоатомных молекул, образующих кристаллические и аморфные элементы композиционного материала. Область видимого и ультрафиолетового диапазона излучения отвечающая переходам валентных электронов соотносится с протекающими реакциями. Однако основная доля компонентов бетона является непрозрачной в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах. Поэтому излучение в этом диапазоне определяется поверхностью твердого тела. При этом источником возбужденных состояний атомов и молекул являются протекающие в массе материала процессы, передающие энергию поверхностным слоям. Движение электрических зарядов в теле бетона обусловлено характерными процессами изменения строения поверхностных слоев макроминеральных частиц. Такие процессы сопряжены с изменением строения границы жидкая фаза - твердое вещество из-за образования и изменения двойного электрического слоя на поверхности коллоидных частиц при гидратации вяжущего (Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М.: Изд-во МГУ, 1982. - C.173…195). Кроме того, сами минералы, слагающие композиционный материал, обладают электрической проводимостью. Так, кварц, особенно в условиях допирования поверхности многозарядными ионами железа, алюминия, марганца и т.п., обладает полупроводниковыми свойствами. Поэтому двойной электрический слой образуется не только вне, но и внутри твердых частиц (Дамаскин Б.Б., Петрий О.А., Цирлина Г.А. Электрохимия. М.: Химия, 2001. - 394…400). При этом протекающие в бетоне процессы приводят к перетеканию зарядов, как по поверхности частиц, так и внутри них. Перетекание же зарядов может являться причиной изменений электромагнитного поля образца бетона. Движение зарядов как внутри частиц, так и в целом в объеме образца (т.е. на макрорасстояния, измеряемые размерами от 10^-6 до 10^-2 м) может являться источником электромагнитных волн большой длины, то есть радиодиапазона. А так как большинство компонентов композиционного материала прозрачно для проникновения волн большой длины, то можно зафиксировать излучение не только поверхности, но и глубинных слоев. В композиционном материале неизбежны процессы неравновесного развития структурных деформаций из-за микро- и макротрещинобразования, неравномерного сжатия и сдвига отдельных структурных элементов и т.п. (Тейлор X. Химия цемента. М.: Мир, 1996. - С.265…326). Эти процессы вызывают пьезоэффекты и также являются причиной излучения. Таким образом, для композиционного материала характерен широкий диапазон возможных частот (длин волн) излучения фотонов - от радиоволнового до ультрафиолетового.

Обработка заполнителя любым известным механическим, физическим, химическим, биологическим (Придатко Ю.М. Заполнитель - ведущий фактор формирования свойств бетона // Гидроизоляционные и кровельные материалы. Сб. докладов 4-й Международной науч.-техн. конф. - С.-Петербург, 2007. - С.84…89; Ицкович С.М., Чумаков Л.Д., Баженов Ю.М. Технология заполнителей бетона. - М.: Высш. шк., 1991. - 272 с.; Моррисон С. Химическая физика поверхности твердого тела. - М.: Мир, 1980. - 488 с.; А.с. №1186598. Способ приготовления бетонных и растворных смесей / C04D 20/02; А.с. №1296537. Способ активации мелкого минерального заполнителя бетона / С04В 14/00 и т.п.) способами позволяет регулировать его состояние. Следствием является изменение структуры получаемого композиционного материала, его прочности. Такое изменение состояния заполнителя характеризуется соответствующим увеличением или снижением его способности заполнителя взаимодействовать с вяжущим (Придатко Ю.М. Заполнитель - ведущий фактор формирования свойств бетона // Гидроизоляционные и кровельные материалы. Сб. докладов 4-й Международной науч.-техн. конф. - С.-Петербург, 2007. - С.84…89; Моррисон С. Химическая физика поверхности твердого тела. - М.: Мир, 1980. - С.199…334). Она зависит от геометрических параметров зерен заполнителя, их трещиноватости, пористости, размера трещин и пор, шероховатости, неровности поверхности, количества и величины зарядов активных по отношению к процессам твердения композиционного материала и т.п. Процессы изменения состояния заполнителя определяются наличием в твердом теле различных по своей природе вакансий, примесей, дислокации, микротрещин, межфазных границ, микропустот, включений других фаз и т.п. При этом происходит обмен местами соседних атомов, согласованное перемещение группы различных атомов, перемещение их по вакансиям и т.п. (Верещагин И.К., Кокин С.М., Никитенко В.А., Селезнев В.А., Серов Е.А. Физика твердого тела. - М.: Высш. шк., 2001. - С.79…87). Возможно формирование новых зональных микроструктур, подобно тому, как это происходит, например, при образовании «квантовых точек» (Андриевкий Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 192 с.; Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. - 134 с.). Таким образом, в результате обработки изменяется качество заполнителя. Использование при приготовлении композиционных смесей заполнителя до обработки и после нее, приводит к формированию композиционных материалов с разной структурой. Следствием различия в структуре является изменение параметров электромагнитного излучения композиционного материала. Таким образом, обработка заполнителя позволяет регулировать параметры электромагнитного излучения путем активного воздействия на процессы формирования структуры композиционного материала без изменения состава композиционной смеси.

То есть прочность и параметры электромагнитного излучения композиционного материала есть проявление одних и тех же процессов взаимодействия атомов, ионов, молекул, элементов структуры композиционного материала. Поэтому между его прочностью и параметрами электромагнитного излучения имеется определенная взаимосвязь.

Осуществление изобретения

Для изготовления композиционного материала (бетона, раствора) на гидравлическом вяжущем при постоянном составе композиционной смеси способ реализуют следующим образом. Определяют стандартные показатели свойств цемента (активность), заполнителя (гранулометрический состав, модуль крупности и т.п.) и воды. Устанавливают их расход для приготовления бетонной смеси. Отбирают заполнитель, делят его на опытные пробы. Проводят их обработку (например, термовлажностную: патент РФ №2292070. Способ регулирования усадки бетона. G05D 21/00 / Придатко Ю.М., Готовцев В.М., Доброхотов В.Б., Шабров В.Л. и др. // БИ №2, 2007; патент РФ №2095810. Способ определения прочности бетона. G01N 33/38 / Придатко Ю.М., Лебедев А.Б., Шабров В.Л. // БИ №31, 1997). При такой обработке используют реальную технологию приготовления бетонной смеси. Например, путем подогрева заполнителя в зимних условиях. Для каждой опытной пробы заполнителя устанавливают определенные параметры обработки. При этом охватывают весь диапазон их варьирования. После обработки каждую опытную пробу заполнителя используют для приготовления опытных образцов бетона. Для этого осуществляют дозирование - совместное перемешивание вяжущего - опытной пробы заполнителя, жидкости затворения. Выдерживают опытные образцы бетона. Обработка заполнителя при разных технологических параметрах (например, температура, влажность, продолжительность) позволяет получить бетоны с разной структурой и, следовательно, с разной прочностью и параметрами электромагнитного излучения. Для каждого такого образца бетона измеряют параметры электромагнитного излучения, например частоту ν_i, и определяют прочность R_i. Устанавливают зависимость ν от R. По этой зависимости для требуемого значения частоты ν₀ определяют требуемое значение прочности R₀. Обрабатывают необходимое для производства требуемого объема бетона количество заполнителя, использование которого обеспечивает получение бетона прочностью R₀. С использованием такого заполнителя приготавливают бетонную смесь и получают бетон. Частота его электромагнитного излучения составит ν₀. Таким образом, при постоянном составе композиционной смеси на одном заполнителе, варьируют прочность R и, таким образом, получают бетоны с разными параметрами электромагнитного излучения ν.

Эффективность предлагаемого способа, по сравнению с известным по прототипу, оценивали путем сравнения возможности регулирования параметров (частоты) электромагнитного излучения бетона (раствора) по обоим способам. Для этого провели эксперимент. При его выполнении использованы следующие материалы: заполнитель - речной кварцевый песок - мелкий, модуль крупности 1,94; насыпная плотность 1,51 г/см³; плотность частиц песка 2,59 г/см³; зерновой состав, % по массе: размер отверстия сита, мм, 1,25 - 3,25%; 0,63 - 13,43%; 0,315 - 60,33%; 0,16 - 20,34%; менее 0,16 - 2,65%; вяжущее - цемент - Старый Оскол, портландцемент; марка ПЦ 400 Д0; плотность частиц - 3,1 г/см³; вода - водопроводная.

С использованием таких компонентов готовили растворную смесь следующего состава: Ц:П=1:2,78; В/Ц=0,63. Отобрали 6 опытных проб песка, обработали и использовали для приготовления растворных смесей. Из них изготовили опытные образцы-призмы размером 4×4×16 см. Уплотнение осуществляли вибрированием с частотой 50 Гц и амплитудой 1,5 мм. Выдерживали опытные образцы-призмы в воздушно-влажных условиях при температуре 20±2°С. Затем определили частоту ν_i электромагнитного излучения каждого опытного образца и их прочность R_i. Измерения проводили при температуре 20°С. Полученные результаты приведены в таблице. Частотная характеристика электромагнитного излучения представлена в виде приращения изменения частоты ν_i.

Таблица Прочность раствора при испытании на сжатие R_i, МПа 11,5 13,5 16,2 13,7 15,9 7,8 Приращение частоты электромагнитного излучения ν_i, Гц 23,6 28,0 36,6 50,0 38,2 8,0

Эти экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что варьированием прочности можно регулировать частоту электромагнитного излучения композиционного материала. Для условий эксперимента такое варьирование можно осуществлять в диапазоне от 8,0 до 50 Гц. Обработав заполнитель, получают раствор с разной структурой. Такой раствор имеет разную прочность и частоту электромагнитного излучения. Получают раствор с требуемой прочностью R₀. Его структура определяет требуемую частоту электромагнитного излучения ν₀.

На основе результатов, представленных в таблице, зависимость приращения частоты электромагнитного излучения ν от прочности R аппроксимирована полиномом второго порядка (коэффициент достоверности аппроксимации r²=0,731):

ν=-0,4581·R²+14,816·R-80,947

где ν - приращение частоты электромагнитного излучения, Гц;

R - прочность раствора при испытании на сжатие, МПа.

Это выражение позволяет, для условий эксперимента, вычислить значение требуемой прочности раствора R₀, обеспечивающей достижение требуемой частоты его электромагнитного излучения ν₀.

Из представленных экспериментальных результатов и полученной на их основе зависимости следует, что предлагаемый способ позволяет получить бетоны одинакового состава, но с различной частотой электромагнитного излучения, а для прототипа - характерно лишь одно конкретное значение ν_i. To есть предлагаемый способ дает возможность регулировать параметры электромагнитного излучения бетона, а для прототипа такая возможность отсутствует.

Вывод: заявляемый способ обеспечивает возможность увеличить, по сравнению с известным уровнем техники, диапазон и повысить точность регулирования частоты электромагнитного излучения композиционного материала.

Изобретение относится к строительству, а именно к способам регулирования параметров электромагнитного излучения композиционных материалов, например строительного бетона, раствора, и может быть использовано, когда требуется изготовить материал с требуемым уровнем электромагнитного излучения при постоянном составе композиционной и на одном заполнителе. Техническим результатом изобретения является увеличение диапазона и повышение точности регулирования параметров электромагнитного излучения композиционного материала Способ включает определение свойств вяжущего заполнителя и жидкости затворения, их расход для композиционной смеси, получение композиционного материала, его уплотнение, определение возможного диапазона изменения частоты ν электромагнитного излучения от прочности R, определение зависимости частоты ν электромагнитного излучения от R, и определение требуемой прочности R₀, которая обеспечивает требуемую частоту электромагнитного излучения ν₀, после чего получают композиционный материал с прочностью R₀. 1 табл.

Способ регулирования параметров электромагнитного излучения композиционного материала, включающий определение свойств вяжущего, заполнителя и жидкости затворения, установление их расхода для композиционной смеси, дозирование и совместное перемешивание вяжущего, заполнителя и жидкости затворения с получением композиционной смеси, ее укладку, уплотнение и выдерживание с получением композиционного материала, определение параметров его электромагнитного излучения и прочности, отличающийся тем, что дополнительно варьируют свойства и расход вяжущего, заполнителя и жидкости затворения, после выдерживания и получения композиционного материала определяют для него возможный диапазон изменения частоты ν электромагнитного излучения и прочности R, зависимость частоты ν электромагнитного излучения от R, определяют требуемую прочность R₀, обеспечивающую требуемую частоту электромагнитного излучения ν₀, и получают композиционный материал с прочностью R₀.