Способ регулирования параметров электромагнитного излучения композиционного материала

Способ регулирования параметров электромагнитного излучения композиционного материала

Реферат

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. - C.28), 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 значений параметров его электромагнитного излучения, регулирование параметров электромагнитного излучения 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 минеральной смеси путем варьирования расхода или замены компонентов: вяжущее, жидкость затворения, заполнитель и т.п. 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.). Применение таких добавок, в свою очередь, приводит к неконтролируемому изменению электромагнитного излучения композиционного материала из-за изменения его структуры. 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 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 при постоянном составе композиционной смеси и без замены ее компонентов.

Поставленная цель достигается тем, что 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, регулирование параметров электромагнитного излучения через изменение состава композиционной смеси, отличающемся тем, что при определении свойств заполнителя дополнительно определяют возможный диапазон изменения его обменной активности А, зависимость частоты электромагнитного излучения ν композиционного материала от А, устанавливают обменную активность А₀, обеспечивающую требуемую частоту электромагнитного излучения ν₀ композиционного материала, после чего обрабатывают его до достижения им обменной активности А₀.

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). Так, 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 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 источниками 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 так же 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, комбинированным (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. Такое изменение характеризуется соответствующим увеличением или снижением его обменной активности А (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; Моррисон С. Химическая физика поверхности твердого тела. - М.: Мир, 1980. - С.199…334). Эта величина является обобщенным показателем состояния заполнителя. Она учитывает геометрические параметры его зерен, их трещиноватость, пористость, размер трещин и пор, шероховатость, неровности поверхности, количество и величины зарядов, активных по отношению к процессам твердения композиционного материала центров 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, характеризуемое соответствующим изменением его обменной активности А. Использование при приготовлении композиционных смесей такого заполнителя с разными значениями А приводит к формированию композиционных материалов с разной структурой. Следствием различия в структуре является изменение параметров электромагнитного излучения композиционного материала. Таким образом, обработка заполнителя и, как следствие, изменение его обменной активности позволяют регулировать параметры электромагнитного излучения путем активного воздействия на процессы формирования структуры композиционного материала без изменения состава композиционной смеси.

Осуществление изобретения

Для изготовления композиционного материала - бетона (раствора) с гидравлическим вяжущим 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. Дополнительно отбирают заполнитель, делят его на опытные пробы. Проводят их термо-влажностную обработку способом (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), используемым в реальной технологии приготовления бетонной смеси и производства бетона, например, путем подогрева заполнителя в зимних условиях. Для каждой опытной пробы устанавливают определенные параметры обработки. При этом охватывают весь диапазон варьирования таких параметров. После обработки для каждой опытной пробы заполнителя определяют значение его обменной активности A_i. На основании полученных результатов устанавливают возможный диапазон изменения А. Затем изготавливают опытные образцы бетона. Для этого осуществляют дозирование, совместное перемешивание вяжущего, опытной пробы заполнителя с фиксированным значением A_i, жидкости затворения. Выдерживают опытные образцы бетона. Для каждого измеряют параметры электромагнитного излучения. Таким образом, для каждого опытного значения A_i заполнителя получают значение параметра электромагнитного излучения бетона, например частоту ν_i. Устанавливают зависимость ν от А. То есть, не изменяя состав бетонной смеси, а лишь используя один и тот же заполнитель, но с разными значениями А, получают бетон с разной структурой и, как следствие, с разными параметрами электромагнитного излучения ν. По этой зависимости для требуемого значения частоты ν₀ электромагнитного излучения бетона определяют требуемое значение обменной активности A₀ заполнителя. Обрабатывают необходимое для производства требуемого объема бетона количество заполнителя до достижения им обменной активности А₀. С использованием такого заполнителя приготавливают бетонную смесь и получают бетон. Частота его электромагнитного излучения составит ν₀. Таким образом, без изменения состава бетонной смеси на одном заполнителе, варьируя его обменную активность А, получают бетоны с разными заданными 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 проведен 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/см; 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 и обработали. При этом диапазон изменения его обменной активности A_i (в относительных единицах) составил для разных проб от 0,0248 до 0,1350. Из растворной смеси 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. Измерения проводили при температуре 20°C. В таблице значения обменной активности А представлены в относительных единицах, а частотная характеристика - в виде приращения изменения частоты ν_i.

Таблица
Обменная активность заполнителя А	0,0248	0,0340	0,0375	0,0435	0,0600	0,1350
Приращение частоты электромагнитного излучения νi, Гц	23,6	28,0	36,6	50,0	38,2	8,0

На основе этих результатов зависимость приращения частоты электромагнитного излучения ν от обменной активности заполнителя А аппроксимирована полиномом второго порядка (коэффициент достоверности аппроксимации r²=0,806)

ν=-9360,8*А²+1333,0*А-1,6869,

где ν - частота электромагнитного излучения;

А - обменная активность заполнителя.

Представленные экспериментальные результаты и полученная на их основе зависимость свидетельствуют о том, что варьированием (путем обработки) обменной активности заполнителя можно регулировать частоту электромагнитного излучения композиционного материала. Для условий эксперимента такое варьирование можно осуществлять в диапазоне от 8,0 до 50 Гц. Обработав заполнитель до приобретения им требуемой обменной активности А₀, получают бетон с требуемой частотой электромагнитного излучения ν₀. Для прототипа же характерно лишь конкретное, любое из представленных, или промежуточное значение обменной активности, и соответствующее ему значение частоты электромагнитного излучения. Так как по прототипу обменная активность не контролируется, но имеет для заполнителя лишь одно значение, то и получить бетон с требуемой частотой электромагнитного излучения ν₀ невозможно.

Таким образом, 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 без изменения его состава, 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 при постоянном составе композиционной смеси и без замены ее компонентов.

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, регулирование параметров электромагнитного излучения через изменение состава композиционной смеси, отличающийся тем, что при определении свойств заполнителя дополнительно определяют возможный диапазон изменения его обменной активности А, зависимость частоты электромагнитного излучения ν композиционного материала от А, устанавливают обменную активность А₀, обеспечивающую требуемую частоту электромагнитного излучения ν₀ композиционного материала и после чего обрабатывают его до достижения им обменной активности А₀.