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 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…29), включающий определение свойств вяжущего, заполнителя и жидкости затворения, установление состава 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 их регулирование через изменение состава композиционной смеси.

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 композиционной 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 при требуемом механическом напряжении в композиционном материале 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 в известном способе регулирования параметров электромагнитного излучения композиционного материала, включающем определение свойств вяжущего, заполнителя и жидкости затворения, установление состава 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 их регулирование через изменение состава композиционной смеси, отличающемся тем, что к композиционному материалу прикладывают механическое напряжение σ и устанавливают зависимость частоты ν электромагнитного излучения от механического напряжения σ, по ней определяют требуемое механическое напряжение σ₀, обеспечивающее требуемую частоту электромагнитного излучения ν₀ и прикладывают к композиционному материалу механическое напряжение σ₀.

При реализации этого способа имеет место следующее. Композиционный материал представляет собой 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 поведение при действии механической нагрузки и возникающих при этом напряжений.

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; Придатко 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 процессов формирования структуры композиционного материала 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. - С.394…400).

В композиционном материале неизбежны процессы неравновесного развития структурных деформаций из-за микро- и макротрещинообразования, неравномерного сжатия и сдвига отдельных структурных элементов и т.п. (Тейлор X. Химия цемента. М.: Мир, 1996. - С.265…326). Такие процессы характерны для композиционного материала при формировании его структуры.

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.

Характер поведения композиционного материала при действии механической нагрузки определяется количеством сростков между кристаллами цементного камня, цементным камнем и заполнителем на единицу площади его сечения и свойствами такого сростка и заполнителя (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 механические свойства композиционного материала есть проявление взаимодействия этих элементов между собой и их распределения в композиционном материале.

Композиционный материал характеризуется наличием дефектов в виде структурных несовершенств, в том числе трещин (Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. - М.: Высш. шк., 2000. - С.115…148). При приложении к материалу механического воздействия по всему его объему и в зонах расположения дефектов происходят постоянные изменения состояния его атомов. Разрываются внутренние связи и образуются новые (Орехов В.Г., Зерцалов М.Г. Механика разрушений инженерных сооружений и горных массивов. - М.: Изд-во АСВ, 1999. - C.151…164). Изменяется характер электромагнитного взаимодействия между атомами в материале. Происходит перестроение как кристаллической решетки отдельных кристаллов, так и их кристаллических сростков. Такие процессы сопровождаются как поглощением, так и излучением энергии (Пестриков В.М., Морозов Е.М. Механика разрушения твердых тел. - СПб.: Профессия, 2002. - С.5…14).

Взаимодействие элементов структуры композиционного материала (сжатие, сдвиг и т.п.) при его механическом нагружении вызывает пьезоэффекты. Это характерно в том числе для широко используемого в качестве заполнителя кварца. Пьезоэффекты также являются причиной излучения.

Таким образом, для композиционного материала, при его механическом нагружении, характерен широкий диапазон возможных частот (длин волн) излучения фотонов - от радиоволнового до ультрафиолетового.

Таким образом, механическое воздействие вызывает в композиционном материале напряжения, которые проявляются в изменении параметров взаимодействия атомов, ионов, молекул, элементов структуры композиционного материала. А такие изменения приводят к соответствующим изменениям параметров электромагнитного излучения. То есть между механическим напряжением и параметрами электромагнитного излучения имеется 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. Осуществляют дозирование, совместное перемешивание вяжущего, заполнителя, жидкости затворения, получая композиционную смесь, и укладывают ее в форму. Получают образец композиционного материала. Выдерживают образец бетона. Проводят его механическое нагружение. Нагружение осуществляют, увеличивая прикладываемое сжимающее напряжение σ_i ступенями. На каждой ступени измеряют параметры электромагнитного излучения бетона, например частоту ν_i. Устанавливают зависимость ν от σ. По ней определяют требуемое механическое напряжение σ₀, обеспечивающее требуемую частоту электромагнитного излучения ν₀. Прикладывают к композиционному материалу механическое напряжение σ₀.

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. 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°C. Затем осуществляли нагружение опытного образца сжимающей нагрузкой, создавая механическое сжимающее напряжение σ. Нагружение осуществляли ступенями σ_i. На каждой ступени σ_i определили частоту ν_i электромагнитного излучения. Измерения проводили при температуре 20°C. Прочность раствора составляла 16,0 МПа. Полученные результаты приведены в таблице. Частотная характеристика электромагнитного излучения представлена в виде приращения изменения частоты ν_i.

Эти экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что варьированием механического напряжения можно регулировать частоту электромагнитного излучения композиционного материала.

Сжимающее механическое напряжение σ_i, МПа 0 1,0 3,0 5,0 7,0 9,0 Приращение частоты электромагнитного излучения ν_i, Гц 17,5 20,0 23,0 27,0 33,0 41,0

Для условий эксперимента, изменяя механическое сжимающее напряжение в диапазоне от 0 до 9 МПа, можно изменить приращение частоты электромагнитного излучения в диапазоне от 17,5 до 41,0 Гц.

На основе результатов, представленных в таблице, зависимость приращения частоты электромагнитного излучения ν от механического напряжения сжатия аппроксимирована уравнением регрессии первого порядка (коэффициент достоверности аппроксимации r²=0,969):

ν=2,484·σ+16,57,

где ν - приращение частоты электромагнитного излучения, Гц;

σ - механическое сжимающее напряжение, МПа.

Это выражение позволяет, для условий эксперимента, вычислить значение требуемого значения напряжения механического сжатия σ₀ бетона, обеспечивающего 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. То есть предлагаемый способ дает возможность регулировать параметры электромагнитного излучения бетона и путем механического нагружения достичь требуемого значения частоты электромагнитного излучения. Для прототипа такая возможность отсутствует. Возможно получить любое из указанных значений частоты. При этом изменение ее значения может быть любым в диапазоне от 17,5 до 41 Гц.

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 области электротехники, а именно к способу регулирования параметров электромагнитного излучения композиционных материалов, и может быть использовано в строительной или медицинских отраслях, где необходимо применение композиционного материала с требуемым уровнем электромагнитного излучения. Способ включает определение свойств и расхода вяжущего, заполнителя и жидкости затворения, дозирование и их совместное перемешивание с получением композиционной смеси и композиционного материала, регулирование параметров электромагнитного излучения через изменение состава композиционной смеси, для чего после получения композиционного материала к нему прикладывают механическое напряжение σ и устанавливают зависимость частоты ν электромагнитного излучения от механического напряжения σ и по полученной зависимости определяют требуемое механическое напряжение σ₀, обеспечивающее требуемую частоту электромагнитного излучения ν₀, и прикладывают к композиционному материалу механическое напряжение σ₀. Обеспечение приращения требуемой частоты электромагнитного излучения композиционного материала, например бетона, а также повышение точности ее регулирования в зависимости от величины его механического сжатия являются техническим результатом изобретения. 1 табл.

Способ регулирования параметров электромагнитного излучения композиционного материала, включающий определение свойств вяжущего, заполнителя и жидкости затворения, установление состава 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 их регулирование через изменение состава композиционной смеси, отличающийся тем, что к композиционному материалу прикладывают механическое напряжение σ и устанавливают зависимость частоты ν электромагнитного излучения от механического напряжения σ, по ней определяют требуемое механическое напряжение σ₀, обеспечивающее требуемую частоту электромагнитного излучения ν₀, и прикладывают к композиционному материалу механическое напряжение σ₀.