2131

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

3. Реализация расч¸тной схемы

Моделирование является начальной стадией цикла разработки изделия или технологии. Этим обусловлено наличие большого числа коммерческих пакетов программ автоматизированного проектирования (CAD/CAE), включающих средства численного исследования свойств материалов и конструкций. Отдельные подзадачи моделирования методом частиц можно решить средствами коммерческих пакетов, но доступ к необходимой информации о характеристиках каркаса в процессе численного моделирования затруднён.

Доступны библиотеки процедур, содержащие реализации метода частиц. К сожале-

нию, в большинстве случаев затраты времени исследователя на сопряжение программных интерфейсов существенно превышают затраты времени на анализ и реализацию вычислительного ядра метода частиц на универсальном алгоритмическом языке; реализации расчетной схемы (1)...(12) до настоящего времени не известны.

Для численного решения (12) при выбранных начальных условиях предлагается использовать метод вложенных форм (для которого характерны достаточная вычислительная эффективность при сохранении высокой точности, а также простота реализации адаптивного шага по времени). Расчётная схема реализована в автономном программном обеспечении, укрупнённая схема которого представлена на рис. 6. Вычисление правой части (12) выполняется с использованием параллельного программирования (обработка в нескольких нитях исполнения).

Вычислительное ядро реализовано на языке ANSI C. На платформе Windows оно дополняется реализованным на Delphi интерфейсом пользователя. Интерфейсный блок взаимодействует с ядром через сформулированные на проблемно-ориентированном языке описания задач моделирования.

Геометрия расчётной области представляется описанием составных объектов [6]. Исходные данные, на основании которых моделируются начальные условия для системы частиц, представляющих каркас композиционного материала, включают: число частиц; плотность распределения, которому подчинены радиусы и массы частиц; характер распределения координат частиц (кубическая или гексагональная решётка, фиксированные координаты) или плотность распределения координат; минимальное допустимое расстояние между отдельными частицами.

Результаты вычислительного эксперимента представляются ядром в текстовой форме, в том числе – на языке пакета 3D Studio MAX (может быть использован для визуализации конфигураций частиц).

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Заключение

Даётся схема применения методов и средств имитационного моделирования, используемая при решении задачи разработки каркасных композиционных материалов.

Моделирование макроструктуры каркасного композита выполняется с учётом сил, действующих на частицы каркаса через слои клеевой композиции. Расчётная схема реализована в автономном программном обеспечении.

Анализ результатов численного эксперимента [1] свидетельствует об адекватности предложенной расчётной схемы.

Список литературы

1.Королёв, Е.В. Радиационно-защитные композиты вариатропно-каркасной структуры на основе расплавов [Текст]: монография / Е.В. Королев, А.П. Самошин, О.В. Королева, В.А. Смирнов. – Пенза: Изд-во ПГУАС, 2010. – 247 с.

2.Королёв, Е.В. Структура и свойства крупнопористых каркасов для радиационнозащитных материалов [Текст] / Е.В. Королёв, О.В. Королёва, А.П. Самошин, В.А. Смирнов // Известия КазГАСУ. – Казань, 2010. – №1(13). – С. 308–315.

3.Королёв, Е.В. Метод молекулярной динамики: моделирование композитов каркасной структуры [Текст] / Е.В. Королёв, В.А. Смирнов, О.В. Королёва, А.Н. Гришина // Вiсник Одеськоi Державноi Академii Будiвництва та Архитектури. Вип. 39, ч. 1. – Одеса: Зовнiшрекламсервiс, 2010. – С. 399–403.

4.Поттер, Д. Вычислительные методы в физике [Текст] / Д. Поттер. – М.: Мир, 1975. – 394 с.

5.Frenkel, D. Understanding Molecular Simulation: From Algorithms to Applications [Text] / D. Frenkel, B. Smit. – San Diego: Academic Press, 2002. – 442 p.

6.Данилов, А.М. Моделирование систем частиц: постановка начальных условий [Текст] / А.М. Данилов, Е.В. Королев, В.А. Смирнов // Труды VI Международной конференции SICPRO-2007. – М.: ИПУ РАН, 2007. – С. 1463...1473.

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

УДК 691.17:519.85:51-74

НАПОЛНЕННЫЕ ЭПОКСИУРЕТАНОВЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Т.А. Низина, А.Н. Зимин

Приведены результаты экспериментальных исследований по разработке наполненных эпоксиуретановыхкомпозитоввкачествезащитныхпокрытийстроительныхконструкций.

Ключевые слова: эпоксиуретановые композиты, эпоксидное и уретановое связующие, модификаторы, наполнители.

FILLED EPOXYURETHANE COMPOSITE BUILDING MATERIALS

T.A. Nizina, A.N. Zimin

The results of experimental studies on the development of filled epoxyurethane composites as structures protective coatings are given.

Keywords: epoxyurethane composites, epoxy and urethane binder, modifiers, fillers.

Полимерные составы на основе эпоксидных связующих активно применяются в качестве защитно-декоративных покрытий на объектах гражданского и промышленного строительства. Однако покрытия, получаемые на основе низковязких эпоксидных связующих и аминных отвердителей, имеют низкую эластичность, что приводит к необходимости их дополнительной модификации.

Одним из наиболее перспективных направлений разработки эффективных защитных покрытий с повышенными деформационно-прочностными характеристиками является модификация эпоксидных связующих уретановыми олигомерами. Эпоксиуретановые связующие, получаемые в процессе совмещения эпоксидов и уретанов, обладают комплексом улучшенных характеристик. Анализ проведенных ранее исследований на основе метода последовательного симплекс-планирования [1] показал, что введение в состав эпоксидных композитов уретановых модификаторов позволяет повысить предел прочности при растяжении и изгибе, а также относительное удлинение при растяжении на 27...34 %. Экспериментальные исследования подтвердили перспективность выбранного способа модификации составов на основе эпоксидного связующего ЭД-20 полиуретановыми композициями, состоящими из различных комбинаций масло касторовое:Совермол 815 (1...3 отн. ед.). Отношение полиуретанового связующего к эпоксидному (У:ЭО) варьировалось в интервале от 0 до 0,8; содержание отвердителя ПЭПА составляло 7...13 % от массы эпоксидного связующего.

Анализ полигонов частот [2] позволил выявить области исследуемых факторов, дающих оптимальные решения: отношение У:ЭО=0,02...0,26; соотношение масло кас-

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

торовое:Совермол 815=1,3...3; содержание отвердителя ПЭПА от 7 до 11,2 %. Установлено, что наибольшее модифицирующее воздействие на эпоксидные композиты оказывает введение до 20 % уретановых связующих; поэтому дальнейшие исследования были проведены для составов с соотношением У:ЭО 0,2.

Оптимизация составов на основе метода скаляризации [3] с целью повышения прочностных характеристик эпоксидных композитов при растяжении и изгибе с одновременным обеспечением показателей предела прочности при сжатии не ниже показате-

лей, свойственных контрольному немодифицированному составу ( Rр.треб. 32,48 МПа; Rизг.треб. 34,6 МПа; Rсж.треб. 108,9 МПа), показала, что целевая функция

достигает максимальных значений для композитов с содержанием уретановых связующих 2...12 % от массы эпоксидного связующего и соотношением масло касторовое:Совермол 815=1,9...3. Выявлено, что с повышением количества отвердителя ПЭПА с 7 до 9,4 % происходит уменьшение области компромиссных составов, а также снижение максимума целевой функции.

Ниже приводятся результаты исследований наполненных эпоксиуретановых композитов с повышенными упругопрочностными характеристиками. Варьируемыми

факторами являлись: соотношение У:ЭО ( x1 ), степень наполнения ( x2 ), содержание мела ( v1 ), маршалита ( v2 ) и резиновой крошки ( v3 ) в смеси наполнителей (см.

таблицу). Для наглядности изображения влияния вида наполнителя на изменение физико-механических характеристик композитов использовалась модель, основанная на применении треугольных диаграмм Розенбома– Гиббса.

Уровни варьирования переменных факторов

Изолинии влияния для полиномиальных моделей

y b1 v1 b2 v2 b3 v3 b12 v1 v2 b13 v1 v3 b23 v2 v3 c11 v1 х1 c21 v2 х1c31 v3 х1 c12 v1 х2 c22 v2 x2 c32 v3 x2 c121 v1 v2 x1 c131 v1 v3 х1

c231 v2 v3 х1 c122 v1 v2 х2 c132 v1 v3 х2 c232 v2 v3 х2 ,

описывающих изменение упругопрочностных характеристик эпоксиуретановых композитов в зависимости от структурных параметров, приведены на рис. 1–3 (диаграммы «треугольники на квадрате» показывают влияние на характеристики соотношения

наполнителей при фиксированных уровнях параметров x1 и x2 (см. рис. 1); диаграм-

мы «квадраты на треугольнике» иллюстрируют изменение характеристик в зависимости от соотношения уретанового и эпоксидного связующих и степени наполнения при определенной комбинации наполнителей (см. рис. 2); изоповерхности влияния мела, маршалита и резиновой крошки и их доли в смеси наполнителей в зависимости от степени наполнения и соотношения У:ЭО (см. рис. 3)).

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

Рис. 1. Диаграмма «треугольники на квадрате» изменения предела прочности при сжатии эпоксиуретановых композитов в зависимости от структурных параметров (МПа)

Рис. 2. Диаграмма «квадраты на треугольнике» изменения предела прочности при изгибе эпоксиуретановых композитов в зависимости от структурных параметров (МПа)

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Из рис. 1 следует, что вид и количество наполнителя оказывают существенное влияние на свойства полимерных композитов. Плотность эпоксиуретановых композитов повышается с ростом степени наполнения и доли маршалита в смеси наполнителей. Увеличение в составе эпоксиуретановых композитов количества эпоксидной смолы ведет к повышению, а содержания полиуретанового связующего и доли резиновой крошки в смеси наполнителей – к снижению предела прочности при сжатии

(см. рис. 1, 3, а-в).

Наблюдается (см. рис. 2) повышение предела прочности при изгибе в случае наполнения эпоксиуретановых композитов мелом и комбинацией мел:маршалит при соотношении наполнителей 70:30 %. Предел прочности при растяжении достигает максимальных значений при степенях наполнения от 25 до 75 %, соотношении наполнителей мел:маршалит = 50:50 % для композитов, не содержащих уретановых связующих, а также при 25 %-й степени наполнения составов резиновой крошкой и соотношении У:ЭО = 0,1 (см. рис. 3, г-е).

Наибольшие значения относительного удлинения при растяжении зафиксированы для эпоксиуретановых композитов при 25 %-й степени наполнения резиновой крошкой и относительном содержании уретанового связующего У:ЭО=0.1, а также для эпоксидных композитов с 75 %-й степенью наполнения и соотношением наполнителей мел : маршалит = 50:50 %. Для составов, наполненных мелом и комбинацией «мел + резиновая крошка», наблюдается увеличение модуля упругости при сжатии с уменьшением степени наполнения и повышением соотношения У:ЭО.

На основе метода экспериментально-статистического моделирования выполнялся анализ влияния уретанового модификатора на свойства разрабатываемых композитов. В данном случае оптимизация велась по величине, определяемой как отношение характеристики композита с уретановым модификатором к аналогичному параметру состава без модификатора. Изолинии, построенные по максимальным относительным значениям исследуемых параметров, достигаемым при различных комбинациях наполнителей, свидетельствуют о возможности повышения предела прочности и относительного удлинения при растяжении, соответственно, на 36 и 25 % (рис. 4).

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1.Наиболее оптимальным наполнителем для получения эпоксиуретановых композитов с высокими упругопрочностными показателями является мел или комбинация наполнителей мел + маршалит при соотношении наполнителей (50...70) : (30...50) %. Введение в состав эпоксиуретановых композитов от 60 до 80 % резиновой крошки позволяет существенно повысить деформативные характеристики (относительное удлинение при растяжении и предельную сжимаемость при сжатии), однако это приводит к значительному снижению прочностных параметров.

2.Максимальный эффект повышения предела прочности и относительного удлинения при растяжении зафиксирован для композитов со степенью наполнения 75 % и соотношением уретанового и эпоксидного связующих, равным 0,1. Наибольший прирост предела прочности при сжатии для этой области исследования составляет

14 %.

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

а

б

в

Рис. 3. Изоповерхностиизмененияпределовпрочностиприсжатии(а, б, в), МПа, эпоксиуретановых композитов в зависимости от степени наполнения – 25 (а), 50 (б), 75 % (в) (начало)

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

г

д

е

Рис. 3. Изоповерхностиизмененияпределовпрочностиприрастяжении(г, д, е), МПа, эпоксиуретановых композитов в зависимости от соотношения У:ЭО – 0 (г), 0.05 (д), 0.1 (е) (окончание)

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

Рис. 4. Изолинии изменения максимальных относительных значений предела прочности и относительного удлинения при растяжении в зависимости от структурных параметров

Проведенные исследования позволили выявить оптимальное содержание уретанового модификатора в составе эпоксиуретановых связующих. Разработаны высоконаполненные эпоксиуретановыесоставы, обладающиеповышеннымкомплексомдеформационно-прочностных характеристикпосравнениюснемодифицированнымиэпоксиднымикомпозитами.

Список литературы

1.Низина, Т.А. Результаты экспериментальных исследований эпоксиуретановых композитов [Текст] / Т.А. Низина, А.Н. Зимин // Актуальные вопросы строительства: материалы Междунар. науч.-техн. конф. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2008. –

С. 123–128.

2.Низина, Т.А. Применение концепции полей свойств материалов для оценки эффективности движения в симплекс-планировании [Текст] / Т.А.Низина, А.Н. Зимин

//Актуальные вопросы строительства: материалы Междунар. науч.-техн. конф. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2008. – С. 129–133.

3.Гарькина, И.А. Преодоление неопределенностей целей в задаче многокритериальной оптимизации на примере разработки сверхтяжелых бетонов для защиты от радиации [Текст] / И.А. Гарькина, А.М. Данилов, Е.В. Королев, В.А. Смирнов // Строительные материалы. – 2006. – № 9. Сер. Наука. – № 8. – С. 23–26.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

УДК 547:551.3.051

УЧЕТ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРУКТУРЫ ДИАТОМИТА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПЕНОСТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ

Е.А. Никифоров, Ю.А. Убаськина, Г.К. Рябов, Е.Г. Фетюхина

Приведены результаты изучения структуры диатомита с целью определения возможности его использования при производстве пеностеклокерамических теплоизоляционных изделий. Установлено, что структурные элементы диатомита при минимальной термической обработке (до ~400 °С) приобретают размеры наночастиц с сохранением мезопор. В результате диатомит приобретает устойчивость к действию кислот и щелочей.

Ключевые слова: диатомит, пеностеклокерамика, теплоизоляционные изделия.

REGARDING DIATOMITE SPECIAL STRUCTURE

IN THE PRODUCTION OF FOAMGLASSCERAMIC THERMAL

INSULATION PRODUCTS

E.A. Nikiforov, Y.A. Ubaskina, G.K. Ryabov, E.G. Fetyuhina

The authors give some research results of diatomite structure to determine its possible use for manufacture of foamglassceramic thermal insulation products. It is established that at minimal thermal processing (up to ~ 400 °C) the diatomite structural elements acquire the dimensions of nanoparticles with mesopores. As a result diatomite possesses resistance to acids and alkalis.

Keywords: diatomite, foamglassceramic, thermal insulation products.