В статье приводятся данные по исследованию технологических свойств серных композиционных материалов. В результате экспериментов установлены закономерности изменения предельного напряжения сдвига серных мастик на кварцевой муке и аппретированной кварцевой муке от рецептурно-технологических факторов. Получена математическая модель, описывающая влияние продолжительности изотермической выдержки на подвижность серных мастик.
Ключевые слова: серный композит, серная мастика, кварцевая мука, апперт, аппретированная кварцевая мука, предельное напряжение сдвига.
Реологические свойства композитов на основе серного вяжущего зависят от ряда рецептурно-технологических факторов, а именно: вида и дисперсности наполнителя, степени наполнения материала, вида и количества модифицирующей добавки, а также от интенсивности физико-химического взаимодействия на границе раздела фаз «сера - наполнитель», температуры компонентов при совмещении, способа и условий приготовления материала [4].
Для описания поведения строительных материалов в период нахождения их в пластичновязком состоянии используют такие характеристики как коэффициент структурной вязкости и предельное напряжение сдвига [1, 5…7]. В настоящей работе реологические свойства исследуемых серных мастик оценивали величиной предельного напряжения сдвига, которую определяли с помощью цилиндрического вискозиметра по величине гравитационного расплыва при температуре 150...160 °С [3] и рассчитывали по формуле:
, (1)
где t - предельное напряжение сдвига, Па; h и d - высота и диаметр вискозиметра, м; 
- плотность серной мастики, кг/м3; g - ускорение свободного падения; D - диаметр расплыва серной мастики, м; k - коэффициент, учитывающий перераспределение напряжений в вязкопластических телах, равный 2.
Результаты исследований представлены на рис. 1.
Рис. 1. Зависимость предельного напряжения сдвига серных мастик от степени наполнения и удельной поверхности наполнителя
Математическая обработка экспериментальных данных, представленных на рис. 1, показывает, что зависимость предельного напряжения сдвига серных мастик от степени наполнения описывается функцией вида:
, (2)
где 
— предельное напряжение сдвига; nf — объёмная доля наполнителя; а, b — эмпирические коэффициенты, значения которых приведены в табл. 1.
Анализ уравнения (1) показывает, что коэффициент а равен предельному напряжению сдвига ненаполненного серного вяжущего, а коэффициент b характеризует влияние наполнителя на подвижность мастики.
Таблица 1
Значения эмпирических коэффициентов
|
Удельная поверхность, м2/кг |
Эмпирические коэффициенты |
|
|
a |
b |
|
|
180 |
2,67 |
7,92 |
|
300 |
3,43 |
8,08 |
|
420 |
4,67 |
8,83 |
Анализ экспериментальных данных (рис. 1) показывает, что с увеличением удельной поверхности наполнителя наблюдается закономерное снижение подвижности серных мастик.
Для серных композитов на аппретированном каучуком наполнителе важным фактором является продолжительность изотермической выдержки tT, определяющая количество образующейся полимерной серы, степень превращения аппрета и свойства образующегося вулканизата (рис. 2).
|
а) |
|
|
б) |
|
|
в) |
|
Рис. 2. Зависимость предельного напряжения сдвига серных мастик на кварцевой муке от продолжительности изотермической выдержки и концентрации аппрета: а) кварцевая мука с Sуд = 180 м2/кг, nf = 0,4; б) то же с Sуд = 300 м2/кг, nf = 0,35; в) то же с Sуд = 420 м2/кг, nf = 0,3
Анализ данных, представленных на рис. 2 показывает, что с увеличением продолжительности изотермической выдержки серных композитов, наполненных кварцевой мукой без аппрета, наблюдается незначительное снижение подвижности смеси, что очевидно связано с образованием некоторого количества полимерной серы. Зависимость предельного напряжения сдвига серной мастики на неаппретированной кварцевой муке от продолжительности изотермической выдержки описывается функцией вида:
, (3)
где 
— предельное напряжение сдвига, Па; 
— продолжительность изотермической выдержки; а, b — эмпирические коэффициенты, значения которых приведены в табл. 2.
Введение в расплав серы наполнителя, обработанного аппретом, приводит к увеличению предельного напряжения сдвига серных мастик (рис. 2), что можно объяснить протеканием двух конкурирующих процессов, связанных с вулканизацией каучука.
Очевидно, что образование полимерной серы и вулканизата приводит к снижению подвижности смеси с увеличением времени реакции:
. (4)
Кроме того, одновременно с процессами образования полимерной серы и вулканизата происходит выделение газообразных продуктов вулканизации, которые способствуют снижению величины предельного напряжения сдвига:
. (5)
С учётом влияния газовой фазы совместное влияние указанных процессов на предельное напряжение сдвига описывается функцией вида (в соответствии с законом Гута-Марка газовая фаза снижает вязкость системы [2]):
, (6)
где а, b, c, d — эмпирические коэффициенты, значения которых приведены в табл. 2.
Таблица 2
Значения эмпирических коэффициентов уравнений (5) и (6)
|
Концентрация аппрета, % от массы серы |
Эмпирические коэффициенты |
|||
|
a |
b |
c |
d |
|
|
Sуд=180 м2/кг (nf =0,4) |
||||
|
0 |
37,23 |
0,07 |
– |
– |
|
0,2 |
31,97 |
1,01 |
1,53 |
2,49 |
|
0,6 |
35,84 |
3,99 |
2,42 |
1,62 |
|
1,0 |
43,11 |
4,28 |
3,84 |
2,06 |
|
Sуд=300 м2/кг (nf =0,35) |
||||
|
0 |
37,53 |
0,08 |
– |
– |
|
0,2 |
32,00 |
2,01 |
1,97 |
2,43 |
|
0,6 |
36,23 |
6,87 |
4,04 |
0,89 |
|
1,0 |
35,65 |
7,08 |
6,86 |
1,64 |
|
Sуд=420 м2/кг (nf =0,3) |
||||
|
0 |
37,99 |
0,08 |
– |
– |
|
0,2 |
31,16 |
4,03 |
3,04 |
1,08 |
|
0,6 |
31,00 |
14,32 |
9,41 |
0,68 |
|
1,0 |
32,98 |
34,58 |
20,99 |
0,82 |
Анализ результатов проведённых исследований показывает, что на реологические свойства серных мастик значительное влияние оказывают процессы, протекающие на границе раздела фаз «сера - наполнитель», интенсивность которых можно регулировать количеством и дисперсностью наполнителя, концентрацией аппрета, а также продолжительностью изотермической выдержки.
Литература:
1. Баженов Ю. М. Технология бетона [Текст] / Ю. М. Баженов — М.: Издательство строительных вузов, 2002–500 с.
2. Захарченко В. Н. Коллоидная химия [Текст] / В. Н. Захарченко. — М.: «Высшая школа», 1989. — 237 с.
3. Калашников В. И. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Вяжущие вещества» [Текст] / В. И. Калашников, М. О. Коровкин, Ю. С. Кузнецов. - Пенза: ПГАСИ, 1995. - 33 с.
4. Королев Е. В. Серные композиционные материалы для защиты от радиации [Текст] / Е. В. Королев, А. П. Прошин, В. И. Соломатов — Пенза: ПГУАС, 2001. — 210 с.
5. Патуроев В. В. Полимербетоны и конструкции на их основе [Текст] / В. В. Патуроев, К. В. Михайлов, Р. Крайс. — М., Стройиздат, 1989. — 304 с.
6. Урьев Н. Б. Высококонцентрированные дисперсные системы [Текст] / Н. Б. Урьев. — М.: «Химия», 1980. — 320 с.
7. Хигерович М. И. Физико-химические и физические методы исследования строительных материалов [Текст] / М. И. Хигерович, А. П. Меркин — М.: «Высшая школа», 1968. — 191 с.
