Применение методов фрактальной геометрии для исследования ячеистого бетона

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального  образования

«Вятский  государственный гуманитарный университет»

(ВятГГУ)

 

 

Химический  факультет 

 

Кафедра химии

 

 

 

 

 

Курсовая  работа

 

Применение  методов фрактальной геометрии  для исследования ячеистого бетона.

 

 

 

 

 

Выполнила студентка  гр. Х–31

Вожегова  Ю. Н.

 

Научный руководитель

Резник Евгений  Наумович

кандидат  биологических наук, доцент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Киров

2011

Содержание.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.                                                                           4

1.1 Пористые неметаллические материалы и изделия.                                  4

1.2 Фрактальные структуры в химии.                                                              9

2. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА.                                                               14

2.1 Метод определения водопоглощения.                                                      14

2.2 Компьютерная программа «Fractal».                                                         18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Актуальность.

Разработка инновационных методов  исследования пористых строительных материалов, не требующих больших материальных и временных затрат, выполнение которых  возможно в полевых условиях, является актуальной проблемой, имеющей важное практическое значение.

 

Цель работы: Изучение возможности  применения методов фрактальной  геометрии для исследования пористых строительных  материалов.

 

Задачи:

• Провести литературный обзор по теме исследования.
• Изучить физико-химические методы определения структуры и состава пористых строительных материалов.
• Освоить компьютерную программу для определения фрактальной размерности.
• Определить фрактальную размерность ячеистого бетона.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.ЛИТЕРАТУРНЫЙ  ОБЗОР

1.1 Пористые неметаллические материалы и изделия

К неметаллическим пористым материалам относятся легкие бетоны.

Бетоны со средней плотностью 500-1800 кг/м3 относятся к группе легких бетонов, отличающихся высокой пористостью.

По способу создания искусственной  пористости легкие бетоны делят на: легкие бетоны с легкими пористыми заполнителями; крупнопористые (беспесчаные) бетоны, изготовляемые с применением однофракционного плотного или пористого крупного заполнителя без песка; ячеистые бетоны, в структуре которых имеются искусственно созданные ячейки, заменяющие зерна заполнителей.

По назначению легкие бетоны делят на: теплоизоляционные, основное назначение которых — обеспечить необходимое термическое сопротивление ограждающей конструкции (средняя плотность их — менее 500 кг/м3);

конструктивные, предназначенные воспринимать значительные нагрузки в зданиях и сооружениях, средняя плотность их —1400—1800 кг/м3; конструктивно-теплоизоляционные со средней плотностью 500—1400 кг/м3.

При изготовлении легких бетонов  с пористыми заполнителями природные  пористые заполнители (пемзу, туф) используют в местах их добычи.

Из искусственных (керамзит, шлаковая пемза, аглопорит) чаще применяют керамзит для получения керамзитобетона. Применяют крупные пористые за полнители, мелкие пористые керамзитовые и перлитовые пески используют реже.

Свойства легких бетонов  с пористыми заполнителями определяются во многом свойствами заполнителей. У пористых заполнителей низкая средняя плотность (менее 1000 кг/м3), а их прочность меньше прочности бетона. Они способны поглощать много воды. Все это приводит к тому, что прочность легких бетонов зависит от марки цемента и его количества.

Бетонные смеси на пористом заполнителе из-за шероховатой поверхности  и небольшой плотности его  зерен имеют пониженную удобоукладываемость и требуют эффективных методов уплотнения. Поглощение воды пористыми заполнителями играет положительную роль при твердении бетона, так как вода, содержащаяся в заполнителе, обеспечивает необходимую влажность бетона во время твердения.

При плотности ниже, чем  плотность кирпича, бетоны на пористых заполнителях достаточно прочные и  морозостойкие, поэтому при одинаковой

теплопроводности толщина  стен жилых зданий из легкого бетона 250—320 мм (масса 1 м2 стены 250—350 кг), из кирпича — 510—640 мм (масса 1 м2 стены 1000—1200 кг).

Конструкционные легкие бетоны применяют для несущих конструкций зданий, например, плит перекрытий, с целью уменьшения массы конструкций, так как основная нагрузка на бетонные конструкции — собственный вес бетона.

Ячеистые бетоны на 80—85 % по объему состоят из замкнутых пор (ячеек) размером 0,5—2 мм, играющих роль заполнителя. Средняя плотность ячеистых бетонов 250—1200 кг/м3. Ячеистые бетоны по способу получения называют пено- и газобетон. Для получения пенобетона тесто из вяжущего материала при взаимодействии алюминия с водой выделяется водород, вспучивающий массу.

В качестве вяжущего материала  для ячеистых бетонов применяют цемент и известь с тонкомолотыми добавками (песка, золы, шлаков), а также гипса. Ячеистые бетоны на основе извести называют пено- и газосиликатными. Для твердения ячеистых бетонов на цементе и извести используют тепловлажностную обработку в автоклаве.

Ячеистые бетоны из-за высокой  пористости характеризуются повышенным водопоглощением и соответственно низкой морозостойкостью. Однако из них изготовляют стеновые блоки и панели, поверхность которых защищают от действия воды (применяют окраску, декоративно-защитные покрытия). Эффективно применять ячеистые бетоны в слоистых конструкциях в качестве внутреннего теплоизоляционного слоя.

Легкие бетоны ввиду универсальности свойств применимы в различных строительных элементах зданий и сооружений. Так, из легких бетонов на пористых заполнителях, обладающих низкой теплопроводностью, изготовляют панели для стен и перекрытий отапливаемых зданий. Из напряженного армированного бетона выполняют пролетные строения мостов, ферм, плит для проезжей части мостов; из легких бетонов строят плавучие средства.

К неметаллическим пористым материалам относится также пеностекло.

Пеностекло представляет собой пористый материал, в котором мелкие газовые поры размером 0,1-5 мм образуются в связи с добавками к стеклу различных газообразователей.

Основное сырье для  производства пеностекла — стеклянный порошок, получаемый измельчением стекольного боя или специального низкосортного стекла, которое варится в небольших ванных печах и гранулируется охлаждением струи стекломассы в воде.

Пеностекло обычно получают по порошковому методу. Порошок стекла и газообразователь измельчаются и перемешиваются в шаровой мельнице и вибромельнице. В качестве газообразователя при производстве теплоизоляционного пеностекла применяют антрацит, кокс, ламповую сажу, древесный уголь. При производстве звукоизоляционного пеностекла применяют мрамор, известняк. Количество добавляемых газообразователей 1-2%.

Регулируя количество и вид  газообразователя, размеры зерна порошка стекла и газообразователя, а также температурный режим вспенивания, можно получать требуемые размеры и структуру пор (открытые или замкнутые поры), а следовательно, и требуемые изоляционные свойства пеностекла.

Технология изготовления пеностекла простая. Приготовленную шихту засыпают в формы из жаропрочного металла. Формы устанавливают на вагонетки или металлические ползуны и вводят в печь вспенивания. В печи температура шихты быстро поднимается до 850 °С.

При этой температуре порошок  стекла в поверхностном слое плавится, образуя газонепроницаемую корку. Выделяющиеся из газообразователя газы, не покидая шихты, вспенивают ее. Объем массы значительно увеличивается, и она заполняет всю форму. После вспенивания блоки пеностекла отжигают в конвейерной печи.

Более производительными  являются печи, в которых производится и вспенивание, и отжиг пеностекла. Однако такие печи являются более сложными и дорогостоящими агрегатами. Вспенивание пеностекла может осуществляться также на конвейере туннельной печи, состоящем из примыкающих друг к другу поддонов из жаропрочной стали. При вспенивании на конвейере образуется непрерывная лента, от которой на выходе из печи отпиливаются блоки, подаваемые в печь отжига. После отжига блоки пеностекла подвергаются холодной обработке для получения блоков стандартных размеров. Блоки распиливают пилами из твердых сплавов и шлифуют абразивными дисками.

Пеностекло может быть получено также введением газов в стекломассу или добавкой газообразователей к шихте.

Пеностекло используется в виде блоков или плит толщиной 100 или 120 мм и размерами до 900x500 мм. Выпускается пеностекло с плотностью 150—250 кг/м3.

Благодаря тепло- и морозостойкости, а также химической стойкости пеностекло нашло применение в строительстве в качестве утеплителя стен и перекрытий, а также для теплоизоляции оборудования. Для крепления блоков пеностекла применяют цементные растворы или битумные мастики. Широко используют пеностекло в качестве внутреннего теплоизоляционного

слоя многослойных панелей. Применение пеностекла позволяет благодаря низкой плотности и теплопроводности уменьшить массы строительных конструкций при улучшении их теплоизоляционных свойств.

Пеностекло с сообщающимися  порами поглощает около 50 % звука  и может использоваться в качестве звукоизоляции. Производится также пеностекло со специальными прочностными или электрическими свойствами, например высококремнеземистое пеностекло — «пеносил».

При механической обработке  пеностекла в качестве отходов получаются крошки пеностекла, используемые в строительстве в качестве теплоизоляционной засыпки.

К неметаллическим пористым материалам относятся легковесные огнеупоры.

Легковесные огнеупорные  и высокоупорные изделия различаются по химическому составу и плотности: шамотные и полукислые, динасовые, каолиновые и высокоглиноземистые. Легковесные огнеупоры изготавливают

методом выгорающих добавок, пенометодом или химическим методом (газообразованием). При методе выгорающих добавок в шихту массы для пластического или полусухого прессования добавляют древесные опилки, антрацит, коксик, выгорающие в процессе обжига. Так изготавливают динасовый и другие виды легковесов. При пенокерамическом методе керамическую массу в виде шликера перемешивают в смесителе с заранее приготовленной пеной (пена из канифольного мыла, стабилизированная столярным клеем).

При этом минеральные частицы  шликера втягиваются в стенки пузырьков пены. Пеномассу заливают в формы, и после сушки обжигают. Этим способом получают более высокопористые изделия, чем способом выгорающих добавок. Легковесный пенодинас получают, смешивая пеномассу со шликером из тонкомолотого кварцита с глиноземистым цементом в качестве связки. При пено-шамотном методе изготовления легковесов изделия формуют из масс с добавкой пористого шамота (с зернми 0,5— 1 мм), полученного пенокерамическим способом. При химическом способе порообразователем служат газы, выделяющиеся в массе шликера в результате химической реакции, например при реакции добавки u1076 доломита (3 %) с раствором двухпроцентной серной кислоты. Для стабилизации массы добавляют около 5,5 % гипса. После обжига изделия подвергают механической обработке.

Металлофосфатный химический способ получения пористой керамики предусматривает вспенивание вязких водных суспензий тонкомолотых материалов парами воды, выделяющимися при взаимодействии ортофосфорной кислоты, например с гидроксидом алюминия или при потере воды кислыми фосфатами при термообработке при 80—160 °С. На основе процессов, протекающих при выделении воды из этих материалов, разработана технология пористого огнеупорного заполнителя — фосфозита, получаемого при 300 °С в сушильном барабане вспучиванием гранул, формуемых через перфорированную решетку на ленточном прессе. Пористые гранулы получают также из шликера в аппаратах кипящего слоя (шликер вспрыскивается в слой гранул, продуваемых горячими дымовыми газами, при 400—800 °С).

Стекловолокнистые огнеупорные  теплоизоляционные материалы и изделия применяют в рабочем (незащищенном) слое футеровки тепловых агрегатов, не подвергающемся действию расплавов, агрессивных газовых сред, истирающих усилий, механических ударов и газовых потоков со скоростью более 10 м/с, в промежуточном (защищенном) слое футеровки.

 

1.2 Фрактальные структуры в химии

 

Фрактальными называют объекты, характеризующиеся  дробной (fractal) размерностью.  
Фрактальная размерность кластера служит количественной характеристикой того, как кластер заполняет занимаемое им пространство.  
Основное свойство фрактальных структур – самоподобие.  
Такие структуры выглядят одинаково в разных пространственных масштабах, и по виду отдельного фрагмента можно сделать заключение о строении всего объекта.

Вязкие  пальцы.

При вдавливании жидкости пористые тела также формируются  фрактальные структуры. При течении  в пористых средах образуются так  называемые вязкие пальцы. Их появление обусловлено неустойчивостью движущегося фронта и обычно имеет место при вытеснении из пористых сред более вязкой жидкости менее вязкой фрактальную размерность вязких пальцев определяют используя соотношение

,                                  (24)

 где  - число пор, заполненных более вязкой жидкостью, - соответствующие префактор, а - радиус инерции жидкого кластера. При анализе процесса формирования вязких пальцев в большинстве случаев рассматривают несмешивающиеся жидкости, гораздо реже - частично смешивающиеся. Образование вязких пальцев может происходить и при вытеснении дисперсий чистым растворителем, поскольку вязкость дисперсий всегда выше вязкости растворителя.

В качестве модельного течения  в пористой часто рассматривают  так называемые течение Хеле-Шоу - вытеснение вязкой жидкости из пространства между двумя прозрачными плоскими пластинами (рис. 6).