 |
Задачи технического прогресса в технологии производства ДС композиционных материалов
|
|
|
|
Исходя из вышеизложенных положений, общими проблемными задачами, определяющими дальнейший технический прогресс в технологии производства дорожно-строительных композиционных материалов, можно считать [3]:
1) увеличение физико-химической поверхностной активности взаимодействующих фаз на границе их раздела;
2) достижение максимальной гомогенности (однородности) перерабатываемых смесей, особенно при смешении и уплотнении много- компонентных систем;
3) соблюдение принципа минимальной энергоемкости всех технологических процессов и в особенности сокращения продолжительности тепловых процессов при подготовке органических вяжущих с целью уменьшения их старения.
Решение перечисленных выше трех задач вполне достижимо с помощью современных технических средств, и это подтверждает исторический опыт в области технологии получения материалов. Действительно, на протяжении 200 лет в области технологий были известны и использовались в основном три классических приема:
1) механическое и химическое диспергирование (измельчение, растворение) исходных материалов;
2) изменение температуры и давления;
3) применение различных катализаторов, ускоряющих физико-химические процессы.
Только сравнительно недавно (30-40 лет тому назад) появился не менее важный новый технологический прием – активация жидких и твердофазных материалов, резко усиливающая их адгезионное взаимодействие на хемосорбционном уровне.
Исследования показали [3], что для любых композиционных материалов применим следующий принцип обеспечения их прочности: Е стр > Е в.с
где Е стр– энергия связи структурных компонентов композиционного материала (на границе раздела фаз); Е в.с– то же факторов внешней среды (механические транспортные нагрузки и погодно-климатическое воздействие).
|
|
|
При этом технологическое обеспечение неравенства (1) должно соотноситься с экономическим принципом, т. е. Е стр≡ Е ак, где Е ак– энергия, затрачиваемая на активацию компонентов дорожно-строительных материалов. Она должна корреспондироваться с требуемой структурной прочностью композита Е стр. Из (1) следует, что надежная работа дорожного покрытия возможна лишь при наличии у его материала некоторого запаса энергии струк- турных связей, т. е. если Е стр– Е в.с= +∆ Е. Исходя из этого можно считать, что в случае, если
∆ Е ≥ 0, активация компонентов предпочтительна, но не обязательна, а если ∆ Е < 0, то она необходима. В зависимости от эксплуатационного режима работы инженерной конструкции, где используются традиционные бетоны или другие композиты, следует установить не только необходимость проведения активации компонентов тех или иных материалов, но и точное значение величины ∆ Е, определяющей вид и энергоемкость активационных процессов.
Промышленное освоение методов активации строительных материалов стало возможным благодаря ряду теоретических и экспериментальных работ, выполненных различными отечественными и зарубежными исследователями (Е. Г. Аввакумов, П. Ю. Бутягин, Л. Б. Гезенцвей, В. А. Золотарев, В. А. Каргин, Я. Н. Ковалев, И. А. Рыбьев, В. И. Соломатов, Н. Б. Урьев, Г. Хайнике, И. А. Хинт, Г. Джоуст и др.)
Теоретическим фундаментом активационных технологий является физико-химическая механика дисперсных материалов, на основе теоретических положений которой в БНТУ сформировалось новое научное направление в дорожном материаловедении – «Физико-химические основы активации твердо- и жидкофазных компонентов дорожных строительных материалов и создание эффективных технологий для их получения» [3]. При этом ядро активационных технологий – это электрон-ионная технология, которая базируется на ряде известных физических явлений: электрогидравлическом, трибоэлектрическом и эффекте вихревого слоя. Такой (первый) путь повышения качества и ресурсосбережения в дорожной отрасли открывает принципиально новые перспективы использования некондиционного минерального (кремнеземистого) сырья и различных техногенных отходов промышленности. При этом резко сокращается стоимость конечной дорожно-строительной продукции как за счет снижения транспортных расходов, так и за счет сравнительно низких затрат при использовании местных или утилизированных материалов по сравнению с затратами на приобретение новых, дефицитных.
|
|
|
Вторым, не менее важным путем энергосбережения, являются анализ и реструктуризация теплоэнергетического хозяйства производственных предприятий дорожной отрасли, где используется теплоэнергетическая технология при производстве смесей (АБЗ) или прогрев готовых конструкций (заводы бетонных и железобетонных конструкций и полигоны).
Третьим, перспективным и совершенно новым (прорывным), является путь автономного круглогодичного приготовления асфальтовяжущего вещества на отдельных цехах и его доставки на АБЗ по мере потребности в выпуске асфальтобетонных смесей заданного объема. Это позволит исключить из состава АБЗ сложное энергетическое хозяйство для приема, хранения и подготовки битумов при их подаче к смесителю, а также сложное складское хозяйство для минерального порошка. Полученные предварительные результаты по капсулированию битумов (БНТУ) и гранулированию асфальтовяжущего вещества (БНТУ, БелдорНИИ) показали перспективность таких разработок.
Повышение качества и ресурсосбережения в дорожной отрасли должно быть основано на более расширенном использовании результатов фундаментальных наук. Представления о необходимости применять результаты фундаментальных наук при решении инженерных задач менялись на протяжении десятилетий и в различных областях прикладных дисциплин были востребованы по-разному и не всегда адекватно.
Например, в 1962 г. число ученых, работающих в области физики твердого тела и информационной технологии применительно к материальному производству, составляло всего несколько сотен человек во всем мире. Сегодня данные дисциплины оказывают решающее влияние на развитие многих отраслей науки и техники, а число ученых, работающих в этих областях науки, составляет десятки тысяч человек. Чем же объяснить подобный феномен? В известной мере на этот вопрос можно получить ответ, пользуясь представлениями лауреата Нобелевской премии И. Пригожина – выдающегося ученого в области физики неравновесных процессов [16]. По его теории, любая изучаемая система движется по определенной траектории развития, на которой появляются особые точки (бифуркации), где траектория в силу неравновесности разделяется на ветви. Причем все ветви теоретически равновозможны, но только одна из них, в силу объективных или субъективных причин, будет реализована на практике, т. е. станет доминирующей в данный момент времени. Нечто подобное можно проследить при анализе развития технологии получения дорожных и других композиционных материалов.
|
|
|
Действительно, вначале все минеральные материалы, используемые в бетонах, считались инертными, и только сравнительно недавно, в 1960-е гг., было показано, что путем специальной механохимической обработки заполнители начинают играть чрезвычайно активную структурирующую роль в композитах, повышая их прочность и долговечность в несколько раз. В природе все усреднено, и флуктуации (случайные отклонения физических величин от средних статистических), наблюдаемые при исследованиях на микроскопическом уровне, ответственны за выбор той ветви, которая возникает в точке бифуркации (по И. Пригожину), т. е. в точке причинного отклонения события от общепринятых представлений. Именно точки бифуркаций определяют на временной шкале траектории развития то событие, которое накопило критические потенциальные возможности и которое обязательно произойдет, ожидая лишь «созревшие» для этого условия реализации. Рассматривая эволюционный путь развития технологий строительных материалов с позиции неравновесных процессов, можно утверждать, что точки бифуркаций являются одновременно показателями (своеобразным барометром) нестабильности и жизненности какого-либо явления: в данном случае – рождающейся новой технологии.
|
|
|
Как показывает мировой опыт, фундаментальные разработки являются приоритетными, поскольку здесь возникает возможность прорыва в новые технологические области. Такой подход особенно актуален, когда нужно экономить во всем, но держать марку качества. Применительно к решению проблем дорожного материаловедения роль фундаментальных наук должна быть переосмыслена по-новому.
Однако необходимо учитывать, что их уровень определяется уровнем квалификации кадров, занятых в технологических областях. Именно поэтому стремление повысить качество и энергосбережение в дорожной отрасли должно стимулировать подготовку научных и инженерных кадров высокой квалификации, способных создавать и реализовывать новые эффективные технологии.
В заключение можно отметить следующее. Решение проблем дорожного материаловедения непосредственно связано с уровнем использования положений фундаментальных наук. Такое содружество является основой прорывных технологий, повышающих одновременно качество продукции и ресурсосбережение. Именно такая концепция должна стать ведущей идеологией теоретических и прикладных исследований в дорожном материаловедении в ХХI ст.
Дальнейшая задача исследований заключается в техническом совершенствовании и разработке технологического оборудования для активации твердых, жидких и газообразных компонентов дорожных композиционных материалов. При этом все технологические решения должны быть подчинены общей цели – достижению оптимальных структур получаемых материалов, обеспечивающих их долговечность при минимальных ресурсных затратах и максимальной охране окружающей среды.
В Ы В О Д
В зависимости от эксплуатационного режима работы инженерной конструкции, где используются дорожные композиты, нужно расчетом обосновывать необходимость проведения активации тех или иных их компонентов. Основа применяемых при этом активационных технологий – это электронно-ионная технология, базирующаяся на ряде известных физических явлений: электрогидравлическом, трибо-электрическом эффектах и эффекте вихревого слоя. Такой путь открывает принципиально новые перспективы использования техногенных отходов производства в качестве дешевых источников сырья для получения широкого ассортимента строительных материалов общего и специального назначений.
|
|
|
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Ковалев, Я. Н. Межфазные контакты в битумоминеральных системах и их усиление / Я. Н. Ковалев // Наука и техника. – 2014. – № 5. – С. 3–9.
2. Давыдов, В. Н. Изготовление изделий из асфальтобетонных смесей: учеб. пособие / В. Н. Давыдов. – М.: Изд-во АСВ, 2003. – 208 с.
3. Ковалев, Я. Н. Активационные технологии дорожных композиционных материалов / Я. Н. Ковалев. – Минск: БелЭн, 2002. – 336 с.
4. Витязь, П. А. Высокие технологии и наноматериалы в строительной индустрии / П. А. Витязь, В. Г. Горобцов // Строительная наука и техника. – 2009. – № 6. – С. 4–16.
5. Ребиндер, П. А. Физико-химическая механика / П. А. Ребиндер. – М.: Знание, 1958. – 64 с.
|
|
|
