О влиянии энергетических полей на изменение свойств различных материалов

Key-word: energetic fields, electric, magnetic, laser, plasma, thermal, nanomodification, diffirence potential, mortar, soil, construction materials, low-energy impacts

В настоящее время многие энергетические поля -ЭП (вибрационные, электромагнитные-ЭМП, акустические-АП, температурные, плазменные радиационные) активно изучаются и используются для изменения и контроля свойств тел различного физического состояния [ 1-15]. Однако их эффективность во многих случаях (особенно для изменения обьемных свойств) изучена недостаточно. Наиболее изучено и нашло применение ЭМП – для изменения поверхностных свойств. Внешние энергетические поля для изменения полезных свойств материалов могут быть использованы как для всего обьема данного материала или изделия, так и для обработки его отдельных компонентов. Например, опытами доказана высокая эффективность повышения прочности строительных материалов типа бетонов за счет комбинированного воздействия ЭМП с использованием 1

нано- и микродобавок. Анализ опытов автора [ 1-5]и других исследователей[6,8,12,15] показывает, что использование импульсных и статических электрических, магнитных и акустических (УКВ) воздействий, могут дать значительный эффект при использовании в технологиях различных отраслей промышленности только с учетом физического состояния материалов. Реальные физические состояния тел являются вариациями нескольких идеализированных состояний: твердое (недеформируемое)-Т, жидкое (несжимаемое) - Ж, упругое - У, пластичное П, вязкое- В, порошковое (дисперсное) - Пр, эластичное -Э. Кроме этих 7 состояний ( с учетом отклонений от идеализации) можно отнести к числу наиболее важных физических состояний вариации: УП, УВ, ВП, УЭ, УВП, УПр, ЭП, ВЖ, УТ, ЖТ, ЖПр. Последние два тела имеют поры при сильной или слабой связи между частицами. Для диспергируемых тел в диапазоне от нано- до макрочастиц (до 1-2 мм) наблюдается наличие 2-3-х экстремумов размерных гранулометрических фракций доказывающих энергетическую иерархию размерных ассоциатов.

В процессах связанных с изменением свойств строительных материалов наибольшее значение имеют следующие частотные диапазоны ЭМП (в том числе для комбинированных технологий с добавками нанопорошков): 0,3– 3 МГц (например, плавка, закалка вихревыми токами); 3-30 МГц (машиностроение, строительные конструкции и деревообработка, химическая промышленность , медицина и ряд других областей). Изменение свойств связано с изменением энергетических потенциалов на фазовых границах тел (электрокинетического, диффузионного, температурного, капиллярного, адгезионно-когезионного, электродного). Автором проведена оценка этих потенциалов для пористых дисперсных тел ( близких к физическому состоянию ПрЖ). Для системы грунт-металл электродный потенциал А^ = 0,05 - 9,4В, капиллярный - до 100 кПа, адгезионнокогезионный (для влажных суглинков) - < 30000Па, температурный (для глинистых паст) р ≤ 1400кПа / град. Удельная энергия массоперемещения для ПрЖ (на примере влажных глинистых пород, раработка которых в строительстве затруднена) рассчитанная по значениям капиллярного, адгезионного, электрического, диффузионно-осмотического потенциалов составляет величину 0,15 - 12 Дж/г. Влагосодержашие дисперсные тела обладают некоторым собственным энергетическим потенциалом, который может (по отношению к другим телам с меньшим потенциалом) выступать как внешний источник энергетических воздействий на другие тела с возбуждением процессов химико-физических структурных превращений и соответствующих изменений свойств. Общий энергетический потенциал (ОЭП) обьединяет ряд частных потенциалов электромагнитных полей (ЭМП), механического (силового), термического и других воздействий. Важное значение для изменения свойств строительных материалов имеют микро- и наноразмерные фракции, которые содержатся во многих естественных глинистых, известковых и других пылеватых породах, а также, в производственных отходах при дроблении-измельчении, золе, шлаках, сухой пыли, мокрых осадков фильтрации и т.п. Опытным путем наноразмерные частицы могут быть выявлены при использовании некоторых сорбционных методов и электронной микроскопии. Теоретически, можно использовать логарифмическое распределение частиц дисперсных тел по размерам и закон Гиббса вероятности энергетического состояния частиц Произведение этих вероятностных параметров дает общую вероятность содержания наиболее активных частиц, однако экстремальные состояния при этом не выделяются. А это важно для выбора наиболее энергетических структур физических свойств материалов . Химические превращения (преимущественно для жидко-текучих сред) определяются общим электрохимическим потенциалом материальной системы, как возможность передать часть энергии для структурных превращений контактирующих тел . Отметим, что для влажных пористых минеральных смесей удельная энергия поровой прочно-связанной влаги – 250-600 Дж/г; диффузной - 100 – 200 Дж/г; свободной влаги – 72 Дж/г (при размере молекулы 10 -9 м ); адгезионно-когезионная прочность для суглинков (при показателе консистенции 0,1-0,7 ) равна 0,5-1,3 Дж/г, а поверхностная энергия равна 500-2000 Дж/м2 .

Расчетные удельные энергии массопереноса, в системе металл-грунт равны 0,5-12 Дж/г. Использование ианономатериалов в строительных технологиях весьма перспективно при наличии экономических способов тщательного распределения весьма малых количеств нанодобавок .

Наиболее известными наноуглеродными материалами являются фуллерены (фуллериты), тубулены (нанотрубки), графен. Отмечена возможность изменения интенсивности внутренних связей молекулы фуллерена за счет внешней энергии ( при воздействии света, радиации, высокого давления). Отмечается высокая способность фуллеренов как фрактальных структур в самоорганизации новых структур отличающихся по своему строению. Графен представляет структуру из монослойных атомов углерода с хорошей проводимостью. Углеродные нанотрубки ( моно и полислойные) имеют поперечный размер около 1нм при длине в несколько десятков микрон. Структура тубуленов образована свернутыми графитовыми листами с различным сочетанием 5, 6 и 7 –ми угольных ячеек. Бездефектные нанотрубки в 50-100 раз прочнее и в 3-4 раза легче сталей. Они обладают аномально высокой удельной поверхностью – около 1300 м2 /г, что определяет их большую поверхностную энергию и высокую адсорбционную способность ( особенно газов). Эффект резкого увеличения прочности ( но в гораздо меньшем масштабе) характерен для многих волокнистых композитов. Известны тонкодисперсные материалы на основе графита. Так называемый терморасширенный графит имеет удельную поверхность около 80 м2 /г, что почти в 10 раз выше удельной поверхности цемента . Такой графит ( расширяющийся при нагреве) представляет собой хлопья с толщиной близкой наноразмерной, имеет очень низкую обьемную плотность –около 0,05 г/см 3 и высокую адсорбционную способность к 3

гидрофобным примесям. Значительный практический интерес представляет использование наноуглеродных и нанокремнеземных частиц из природных минералов (шунгит и другие углесодержащие породы, глинистые минералы) и отходов промышленного производства.( зола, шлаки, некоторые виды сточных вод). Проблема разработки достаточно дешевых технологий извлечения наночастиц из указанных материалов находится в зачаточном состоянии. В зольных отходах после сжигания угля содержится до 10% несгоревшего углерода. Удельная поверхность частиц золы в 1,5 - 2 раза выше частиц цемента при содержании фракции менее одного микрона – около 2-3%. При использовании логарифмического закона нормального распределения частиц, теоретически, такая зола может содержать 0,03-0,2% наноразмерных углеродных частиц.

Энергетические воздействия на жидкие и твердые тела весьма разнообразны как по физическому характеру так и по динамике воздействия. Сами тела (в зависимости от их физического состояния) обладают некоторым собственным энергетическим потенциалом -СП, который может ( по отношению к другим телам с меньшим потенциалом) выступать как внешний источник энергетических воздействий на другие тела с возбуждением процессов химико-физических структурных превращений и соответствующих изменений свойств. Удельная поверхность частиц S данного тела играет первую роль эффективности воздействия ЭП. Некоторые типы ЭП способствуют измельчению ассоциатов и повышают S в 1,5-2 раза (например. электронно-пучковое воздействие энергией 20-30 Дж/см2). Акустическое воздействие ( вплоть до УКВ) наиболее эффектно для тел с жидкой фазой, когда возможен распад или значительное изменение сцепления ассоциатов. Однако характер воздействия ЭМП для этих изменений имеющий, как правило, поличастотный характер изучен недостаточно, особенно в связи с определением оптимального режима электромагнитного воздействия с целенаправленным изменением конкретных свойств данного материала. Следует подчеркнуть, что поличастотный характер изменения градиентов различных свойств отражает фазовые процессы физических превращений в обьеме среды на наноуровне поверхностей частиц.

Поверхностная прочность тел типа ТП, ЖТ, УП может сильно возрасти при использовании лазерного излучения и высоковольтного импульсного разряда ( например для твердых заполнителей бетонов до 30-50% ) [5]. Слабое и очень сильное импульсное магнитное поле -ИМП ( порядка 50 МА/м) заметно влияют на изменение поверхностной твердости в зависимости от времени действия , а ИМП - на фазовую структуризацию и химсостав сплавов. Следует отметить существенный эффект изменения твердости металлов и сплавов при низкоэнергетическом электронном облучении (до 75кЭв).

Оптимальный режим большинства ЭМП определяется напряженностью поля - Е, временем воздействия - t и температурой Т, скоростью относительного перемещения материала в поле - V и числом изменений 4

направлений потока материала относительно полюсов магнита. Это определяет оптимизацию воздействия [ 3 ].

Наличие существенной разности энергетических потенциалов на границе жидкость - твердое тело позволяет обьяснить переход наноуглеродных частиц минерала шунгита в воду затворения. Это создает предпосылки практического использования подобных наноструктурированных микросуспензий. По специальным опытам автора при длительном настое в воде порошка шунгита концентрация в жидкости наноуглеродных частиц составляет до 0,1- 0,15 % .В жидкости частицы менее 500 нм .подчиняются законам броуновского движения и не осаждаются. Вариантом метода обьемного насыщения активными наночастицами является выдержка наполнителя( щебня) в воде с активными наночастицами (например, в отходах гидролизного производства). После выдержки щебень высушивали при температуре 120 -180 градусов. Наблюдалось повышение прочности ( по дробимости) известнякового щебня. Равномерное обьемное распределение нанодобавок, составляющих доли процента, является труднодостижимой го задачей массового производства. Вследствие чего относительный эффект повышения прочности в лабораторных и производственных условиях может значительно различаться.

Одним из развивающихся направлений использования ЭМП -регулирование адгезии и когезии дисперсных материалов. В опытах с глинистыми пастами и строительными растворами при действии ЭМП для различных температур изменялись параметры смачивания ( угол смачивания и вязкость влаги или параметры когезии-адгезии влагосодержащих смесей), а также изменение электросопротивления, электродных и диффузных потенциалов системы грунт-металл. Время релаксации составляет от 3-4 часов до суток в зависимости от состава водного раствора или суспензии и режима ЭМП. Полиэкстремальный характер изменения физических свойств при действии магнитного поля указывает на необходимость контроля оптимизации режима ЭМП, особенно в комбинации c углекремнеземными и другими нанодобавками.

Для оценки изменеиия свойств омагниченной жидкости автором разработана простая методика этой оценки - по измерению относительной вязкости с определением скорости изменения угла скатывания капель жидкости по наклонной поверхности (до и после воздействия магнитного поля). Отметим, что зависимость силы прилипания ( адгезии)глинистых пород к металлу имеет полиэкстремальный характер: максимальное снижение ( в 1,5-2 раза) наблюдалось при напряженности магнитного поля 500-100 А/м. При росте напряженности адгезия может увеличиваться и таким образом нужно подобрать режим магнитной обработки в зависимости от поставленной задачи.

Волнообразный колебательный характер изменения градиента тока при твердении влажных паст со снижением электропроводности системы . показывает наличие фазовых изменений во время твердения и, если известно время периодов таких колебаний, представляется возможность 5

целенаправленного воздействия на влагосодержащую систему постоянного или переменного поля для регулирования конечных физико-механических свойств. Следует подчеркнуть малую энергоемкость ЭМП (до 100кА/м) для многих процессах используемых в промышленных и с/х технологиях. Например, прирост прочности (сжатие) цементнопесчаных образцов для различных комбинаций микродобавок и активации жидкой фазы составил 80 - 220% . Опыты с гипсом дали прирост прочности до 40%. В ряде случаев существенный эффект дает электрохимическая активация (ЭХА) жидкой фазы (при росте релаксационных процессов, изменении величин вязкости, рН , поверхностного натяжения). Можно сделать вывод о значительной эффективности комбинированных технологий, особенно, для материалов с пониженным содержанием влаги и полагать, что применение наноуглеродных добавок концентрацией 0,01 - 0,06% к массе связующего материала в сочетании с краткой импульсной электромагнитной обработкой позволит увеличить конечную прочность материалов на основе вяжущих веществ в 2,5-3 раза при условии правильного подбора соотношения компонентов начальной смеси и оптимального режима ее обработки.А это важно для выбора наиболее энергетических структур физических свойств материалов. Для дисперсно-пористых тел типа почвогрунтов и строительных смесей [1-3 ] возможно снижение их трения по рабочим поверхностям за счет уменьшения адгезионно-когезионного потенциала . В данном случае используется внешнее стационарное приложение электрического поля , (процесс электроосмоса), когда на границе влажная смесь - рабочая поверхность выделяется микрослой влаги служащий смазкой. По опытам с глинистыми грунтами ( на автогрейдерах, скреперах,ленточных конвейерах) практически достаточно установить генератор мощностью 0,3- 1 кВт /м² и создать напряжение на границе грунт- металл в пределах 35-50 В. Снижение усилия копания пластичных грунтов и смесей достигает 15-20% ,а общая производительность при разработке залипающих масс возрастает в 1,5-2 раза. Возможно комбинированное воздействие: дополнительная установка постоянных магнитов вблизи рабочих кромок . В этом случае эффект снижения адгезионно-когезионного залипания и соответствующее снижение усилия копания- перемещения существенно повышается.

Отметим, что для влажных пористых минеральных смесей удельная энергия поровой прочно-связанной влаги - 250-600 Дж/г; диффузной - 100 -200 Дж/г; свободной влаги - 72 Дж/г (при размере молекулы 10 — 9 м ); .адгезионно-когезионная прочность для суглинков (при показателе консистенции 0,1-0,7 ) равна 0,5-1,3 Дж/г, а ( поверхностная энергия равна 500-2000 Дж/м²).

Расчетные удельные энергии массопереноса, в системе металл-грунт равны 0,5-12 Дж/г.

Значительный практический интерес представляет использование наноуглеродных и нанокремнеземных частиц из природных минералов (шунгит и другие углесодержащие породы, глинистые минералы) и отходов промышленного производства.( зола, шлаки, некоторые виды сточных вод). Проблема разработки достаточно дешевых технологий извлечения наночастиц из указанных материалов находится в зачаточном состоянии. В зольных отходах после сжигания угля содержится до 10% несгоревшего углерода. Удельная поверхность частиц золы в 1,5 – 2 раза выше частиц цемента при содержании фракции менее одного микрона –около 2-3%. При использовании логарифмического закона нормального распределения частиц, теоретически, такая зола может содержать 0,03-0,2% наноразмерных углеродных частиц.

Энергетические воздействия на жидкие и твердые тела весьма разнообразны как по физическому характеру так и по динамике воздействия. Сами тела (в зависимости от их физического состояния) обладают некоторым собственным энергетическим потенциалом, который может ( по отношению к другим телам с меньшим потенциалом) выступать как внешний источник энергетических воздействий на другие тела с возбуждением процессов химико-физических структурных превращений и соответствующих изменений свойств. Концентрация наноуглеродных частиц в воде около 10 ^{- 7} мольных долей считается достаточной для агрегативной устойчивочти и управления кинетикой взаимодействия цемента с водой. При этом в опытах с концентрацией наномодифицированных присадок 10 ^{- 2}-10 ^{- 4} % достигнуто снижение вязкости цементного теста в 2-4 раза с повышением твердости и долговечности цементного камня. При использовании воды затворения с содержанием около 0,035 % наночастиц получен прирост прочности бетона с крупным заполнителем на 12-16%, для низкомарочных бетона – почти в 2 раза , для высокомарочных – до 30%, а для композиционных бетонов на основе волокнистых наполнителей – около 5%-10%. При этом наноуглеродная добавка бонее 1 % не дает эффекта

На основании опытов можно сделать предварительные выводы: - прирост прочности смесей на быстротвердеющих вяжущих ( типа гипс) значительно меньше , чем на медленнотвердеющем вяжущем при одинаковых микроконцентрациях наноуглеродной добавки, -дополнительное влияние магнитного поля ( в комплексе с нанодобавками ) может дать неоднозначный эффект в зависимости от режима омагничивания и минерального состава водных примесей,

• -    при малой влажности смеси повышение неоднородности распределения нанодобавки значительно влияло на конечный результат упрочнения, - эффективность использования низкоконцентрированных наноуглеродных суспензий из минерала шунгита ( содржащего наноуглерод) открывает перспективы возможности получения подобных наноуглеродных суспензий из других углесодержащих материалов ( сажи, золе сжигания, отходах угледобывающей, металлургической, топливной промышленности)

• -    возможно повышение прочности низкомарочных бетонов в 2-3 раза при рациональном сочетании наноуглеродных микродобавок и магнитной обработке оптимального режима

• -    дана оценка потенциалов влажных глинистых грунтов и их возможность 7

изменения при низкоэнергетической магнитной обработке (100-200 А/м)

• -    трение влажных дисперсных масс типа гпунтов может быть снижено в 2-3 и более раз при использовании электроосмоса и магнитного слабого поля (до 10-30 Тесла)

• -    электроимпульсное воздействие на металлические элементы конструкций могут существенно увеличить их долговечность при усталостном режиме нагружения.