Вязкоупругие свойства пропиточных растворов для пропитки строительных материалов

С целью получения новых качеств пористо-капиллярные тела подвергают пропитке специальными растворами. Это в первую очередь относится к строительным материалам. Так, с целью повышения срока службы изделия из древесины обычно подвергают антисептированию путем их пропитки специальными растворами. Но древесина обладает низкой проницаемостью [1], и ее пропитка представляет собой сложный технологический процесс: предварительно подвергают вакуумированию с последующей выдержкой в пропиточном растворе при избыточном давлении. Также для увеличения скорости пропитки и глубины проникновения пропиточного раствора пористо-капиллярные тела подвергают ультразвуковому воздействию [2]. При разработке технологии пропитки раньше учитывалось только взаимодействие жидкости со стенками капилляра, а вязкоупругие свойства пропиточных растворов, являющиеся определяющими факторами в большинстве технологических процессов, не рассматривались. Нами проведены исследования вязкоупругих свойств различных пропиточных растворов: пека и битума в дизельном топливе, а также креозота [2]. Пек – органические остатки целлюлозного производства. Исследования вязкоупругих свойств различных пропиточных растворов проводились нами акустическим резонансным методом [3]. Пьезокварцевый кристалл в виде прямоугольного бруска соприкасается на одном конце с прослойкой исследуемой жидкости, накрытой твердой накладкой (рис.1).

Рис.1. Пьезокварцевый кристалл (1) с добавочной связью прослойка жидкости (2) и накладка (3)

При тангенциальных смещениях грани пьезокварца прослойка жидкости испытывает деформации сдвига. При этом в зависимости от толщины жидкой прослойки меняются параметры резонансной кри- вой пьезокварца.

Из теории метода [4] для комплексного модуля сдвига и тангенса угла механических потерь получены следующие расчетные формулы:

G* = 4 . ² Mf _¥ * H и tan _в = G- = f ,

S

G '    A f '

где G * - комплексный модуль сдвига жидкости;

М - масса пьезокварца, f₀ - резонансная частота пьезокварца;

A f * - комплексный сдвиг резонансной частоты;

Н - толщина жидкой прослойки;

S - площадь основания накладки.

Из этих формул видно, что при наличии сдвиговой упругости у жидкостей зависимость сдвига резонансной частоты от обратной толщины жидкой прослойки должна быть линейной. Для всех исследованных концентраций раствора пека в дизельном топливе получаются линейные зависимости сдвигов частот от обратной толщины прослойки жидкости. Это говорит о том, что данные растворы обладают сдвиговой упругостью при частоте колебаний 74 кГц. Вычисленные вязкоупругие свойства растворов пека в дизельном топливе представлены в таблице 1. Табличные вязкости растворов были определены нами с помощью вискозиметра ВПЖ-2, а эффективные вязкости рассчитывались по формуле Максвелла:

П м

G '(1 + tan² 9 )

2 n f ) tan 9

Таблица 1

Концентрационные зависимости вязкоупругих свойств раствора пека с дизельным топливом при комнатной температуре

Жидкость	G ', 105, Па	G ", 105, Па	П м , Пз	tan 9	П т , Пз
Пек 50 %	0,56	0,13	5,55	0,23	0,561
Пек 40 %	0,54	0,14	4,81	0,26	0,284
Пек 25 %	0,50	0,16	3,83	0,32	0,097
Пек 12,5 %	0,43	0,13	3,62	0,30	0,040
Дизтопливо	0,42	0,12	3,49	0,28	0,023

1,5 я о -I-----------------------------------------,-----------------------------------------г

0                      10                     20

Концентрация,%

Рис. 2. Зависимость действительного модуля сдвига растворов битума в дизельном топливе от концентрации

Из таблицы видно, что как действительный модуль сдвига, так и эффективная и табличная вязкости уменьшаются со снижением концентрации пека; здесь эффективная вязкость намного превышает по значению табличную вязкость. Следующим объектом исследования стали растворы битума в дизельном топливе различной концентрации.

Зависимости сдвигов частот для исследованных растворов битума также оказались линейными. На рисунке 2 показана зависимость модуля сдвига для данного раствора от концентрации.

Результаты исследований растворов битума в дизельном топливе представлены в таблице 2. Здесь также наблюдается уменьшение вязкоупругих параметров со снижением концентрации битума.

Таблица 2

Концентрационные зависимости вязкоупругих свойств раствора битума с дизельным топливом при комнатной температуре

Жидкость	G ', 105, Па	G '', 106, Па	tan θ	η м , Пз
Битум 20 %	1,36	0,39	0,29	3,13
Битум 10 %	0,78	0,22	0,28	1,82
Битум 5 %	0,56	0,15	0,27	1,28
Дизтопливо	0,45	0,12	0,28	0,99

Результаты наших исследований находятся в согласии с работой [5], в которой были исследованы динамические свойства асфальтообразующих битумов различной природы. Японскими исследователями показано, что модули упругости исследованных веществ лежат в диапазоне 104-106 Па при комнатной температуре и порядка 107 Па в области температуры стеклования.

Нами также проведено исследование вязкоупругих свойств креозота и их зависимость от температуры. Результаты исследования для креозота представлены в таблице 3.

Таблица 3

Температурная зависимость вязкоупругих свойств креозота

t, ºC	G ', 105, Па	tan θ
20	1,82	0,34
25	1,48	0,40
30	1,33	0,45
35	1,13	0,50
40	0,99	0,40
45	0,80	0,36
50	0,62	0,40
60	0,48	0,39
70	0,35	0,35
80	0,27	0,33

Из таблицы видно, что модуль упругости креозота уменьшается экспоненциально в зависимости от температуры. Зависимость тангенса угла механических потерь имеет два максимума, что говорит, вероятно, о наличии двух релаксационных частот, связанных с двумя видами релаксации в креозоте.

Таким образом, исследования вязкоупругих свойств пропиточных растворов показали, что все исследованные растворы обладают низкочастотной сдвиговой упругостью, зависящей от концентрации и температуры.

Полученные в данной работе результаты исследования вязкоупругих свойств пропиточных растворов в зависимости от концентрации и температуры помогут выбрать их оптимальные значения для эффективной пропитки пористо-капиллярных строительных материалов и выбора лучшего режима ультразвуковой пропитки.