Исследование релаксационных процессов в портландцементе после действия лазерного излучения

- представители Городского Совета, частные владельцы недвижимости, представители коммерческих организаций.

В права и обязанности Комиссии входят:

- организация разработки, согласования и утверждения проектов зонирования; внесение изменений и дополнений в правила вступившего в действие плана зонирования;

- предоставление всем заинтересованным лицам (физическим и юридическим) информации об ограничениях и /или/разрешениях на использование и изменение объектов недвижимости;

- оказание консультационных услуг по вопросам зонирования;

- рассмотрение планов участков и предоставление зональных согласований;

- контроль соответствия использования и из-

менения недвижимости плану зонирования.

Библиографический список

1. Горбачев В.Г. Интегрированные системы в территориальном управлении - миф или реальность? / В.Г.Горбачев // Управление развитием территории. -М.: Изд-во ГИС- Ассоциации, 2008. - № 1.

2. Градостроительный кодекс РФ, 2003.

3. Земельный кодекс РФ, 2001.

4. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03. Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов. - М.: Минздрав России, 2003.

5. Матвеев П.И. Инструментальное средство автоматизации социального картографирования / П.И.Матвеев, Л.Н.Запанкова // Имитационное моделирование в исследованиях проблем регионального развития. - Апатиты, 1999. - С.66-70.

УДК 53.093, 537.226

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛАКСАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ПОРТЛАНДЦЕМЕНТЕ ПОСЛЕ ДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Л.А.Щербаченко1, Н.А.Шурыгина2, С.С.Барышников3

Иркутский государственный университет, 664003, г. Иркутск, ул. К.Маркса, 1.

Рассмотрены диэлектрические свойства полиминеральной дисперсной системы в зависимости от влажности исследуемых образцов, а также действия лазерного излучения. Получены количественные зависимости диэлектрических параметров от дозы облучения. Граф. 3. Табл. 4. Библиогр. 3 назв.

Ключевые слова: лазерное излучение, цементные частицы, полиминеральная дисперсная система. THE RESEARCH OF RELAXATION PROCESSES IN PORTLAND CEMENT AFTER THE ACTION OF LASER RADIATION

L.A. Scherbachenko, N.A. Shurigina, S.S. Barishnikov

Irkutsk State University 1 C.Max St., Irkutsk, 664003

The authors consider dielectric properties of a polymineral disperse system depending on moisture content of the samples under examinations. Also they view the influences of laser radiation. The quantitative dependencies of dielectric parameters from the radiation dose are obtained. 3 graphs, 4 tables, 3 sources.

Key words: laser radiation, cement particles, a polymineral disperse system.

Влияние внешнего излучения на гетерогенную дисперсную систему проявляется в характере изменения ее макроструктурного параметра £', значения тангенса угла диэлектрических потерь tg б, а также фактора диэлектрических потерь £''. Изучение адсорбционных свойств полиминеральных дисперсных систем, изменяющихся в результате увеличения числа активных центров на поверхности полиминеральной частицы под действием лазерного излучения, позволяет прогнозировать эффективность такого воздействия на свойства материалов, созданных на их основе.

«Для ускорения твердения можно интенсифицировать образование первичной нанодисперсной системы за счет изменения ионного состава воды, регу-

лирования ее адсорбционных свойств применением электрофизических методов внешнего воздействия и усилением диспергирования путем дополнительного подвода тепла к системе» [1]. В качестве такого источника может выступать лазерное излучение.

В работе исследовался портландцемент, 50 % по массе которого составляли частицы 10 мкм. Предварительное исследование показало, что такие частицы являются наиболее электроактивными, адсорбционная способность таких частиц выше других фракций помола. «Химический состав клинкера в цементных частицах практически неизменен (табл. 1) и вместе с дисперсностью оказывает большое влияние на формирование и упрочнение структуры цементного геля»

1Щербаченко Лия Авенировна, доктор технических наук, профессор, тел.: (3952) 24-21-98.

Scherbachenko Lia Avenirovna, a doctor of technical sciences, a professor, tel.: (3952) 24-21-98.

2Шурыгина Наталья Александровна, старший преподаватель, тел.: 8-904-1-40-72-13, e-mail: shurygina_n@mail.ru

Shurigina Natalja Alexandrovna, a senior lecturer, tel.: 8-904-1-40-72-13, e-mail: shurygina_n@mail.ru.

'Барышников Сергей Сергеевич, аспирант, тел.: (3952) 24-21-98.

Barishnikov Sergey Sergeevich, a post graduate, tel.: (3952) 24-21-98.

[2]. «В заводских цементах более 60% составляют частицы, проходящие через сито 10 000 отв/см2, при этом в среднем 32% падает на долю фракций 0,5 мкм и менее; 41% - это фракции от 6,3 до 8,3 мкм; 21,5% -фракции от 16 до 25 мкм и 5,5% - фракции от 50 до 60 мкм. Если поместить препараты не высушенного цементного порошка под микроскоп, можно заметить, что мельчайшие фракции не способны существовать самостоятельно (разрозненно) и объединяются в отдельные агрегаты (флокулы) размером 20 мкм и более» [3].

Таблица 1

Химический состав различных фракций исследуемого цемента, %

Данные ситового анализа Цемент не просеянный Остаток на сите с 4900 отв/см Остаток на сите с 10 000 отв/см2 Прошло через сито с 10 000 отв/см2

SiO2 21,74 21,58 21,76 21,6

Fe2O3 3,44 3,58 3,58 3,51

AI2O3 7,56 7,72 7,02 6,99

CaO 61,66 62,13 61,91 61,56

MgO 3,64 3,64 3,6 3,64

SO3 0,58 0,61 0,61 0,58

п.п.п. 1,68 1,04 1,22 2,6

В процессе эксперимента образцы облучались He-Ne лазером ЛГН - 111 (длина волны излучения l = 632,8 нм, мощность излучения 16 мВт) в течение различных промежутков времени от 10 минут до 3 суток. После каждого облучения исследовалась частотная зависимость макроструктурного параметра e' - действительной части диэлектрической проницаемости и величины тангенса угла диэлектрических потерь tg 8.

Поглощенная энергия в образце рассчитывалась в соответствии с выражением

L

W = -L (a -1>,

где 11 - интенсивность падающего излучения; t - время облучения; Б1- площадь пятна излучения; а - коэффициент, рассчитываемый по формуле:

а = — К.

Здесь 12 - интенсивность отраженного излучения; К -коэффициент, учитывающий отношение площадей пятна излучения к площади фотоприемника, причем V

К - = ^,

V/

где Б2 - площадь диска фотоприемника; Б1 - площадь пятна излучения.

В работе исследовались частотные зависимости значений действительной части диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, образцов портландцементного порошка с преобладающей крупностью частиц размером 10 мкм, находящихся при нормальных температурно-влажностных условиях от дозы лазерного облучения. Образцы массой 0,900±0,005г. первоначально высушивались при температуре 371 К до получения постоянного значе-

ния массы (считали, что относительная влажность образца равно нулю). Затем образцы длительно находились при комнатных условиях (Т = 293 К, в = 70 %). Таким образом, мы получали равновесное значение влагосодержания в системе «полиминеральная частица-вода», достигаемое при комнатной температуре. Затем образцы подвергались лазерному облучению. Предварительная подготовка образцов позволила фиксировать непосредственное воздействие излучения, максимально исключая процессы адсорбции и десорбции воды в системе.

Интенсивности 11 и 12 замерялись с помощью фотодиодного датчика ФДГ-500СТ. По результатам измерения 11 = (17,66 ± 0,05) мВт, 12 = (0,35 ± 0,05) мВт. Радиусы окружностей пятна и фотоприемника измерены с точностью ±0,01 мм и составляют ^ = 0,004 м и Р2 = 0,007 м. Облучение осуществлялось лазером, расположенным в полуметре от измерительной ячейки. «Боковая» засветка образцов в эксперименте исключалась. С учетом всех предыдущих выводов и расчетов вычислялась интегральная доза лазерного излучения. Дозы облучения рассчитывались по времени его воздействия на образец. Исследуемые образцы подвергались воздействию лазерного излучения инте-

8 2 9 2 9

гральными дозами 4,5-10 Дж/м , 3-10 Дж/м , 7-10 Дж/м2, 3-1010 Дж/м2, 5,5-1010 Дж/м2. После процесса облучения измерительную ячейку снова включали в установку по определению значений емкости исследуемой системы и проводимости. По этим значениям согласно расчетным формулам рассчитывались значения действительной части диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь.

£ 21

18

15

12

0

2 2,8 3,3 3,7 4 4,4 4,8 5,2 5,6 6 ^

Рис.1. Частотная зависимость действительной части £' диэлектрической проницаемости диспергированного порошка портландцемента после облучения лазерным излучением при Т = 293 К: 1 - интегральная доза 4,5-10 Дж/м2; 2 - 3-109 Дж/м2; 3 - 7-109 Дж/м2; (4 -3)-1010 Дж/м2; 5 -5,5-1010 Дж/м2

Обработка результатов измерений производилась статистическим методом (методом коэффициента Стьюдента). Относительная погрешность измерений исследуемых диэлектрических параметров находится в пределах инженерной точности и составляет 5%. С целью получения материалов для статистической об-

9

6

3

работки данных эксперимент повторяли с пятью аналогичными образцами в течение десяти подходов.

На рис. 1 представлены экспериментальные результаты исследования изменений макроструктуры портландцемента крупностью частиц до 10 мкм после лазерного облучения. Полученные данные показывают изменение макроструктуры образцов. На графиках рис. 1 четко прослеживается уменьшение действительной части диэлектрической проницаемости при лазерном облучении во всем исследуемом интервале частот внешнего электрического поля. В частотной зависимости наблюдается максимум действительной части диэлектрической проницаемости е' в интервале частот 700 - 1500 Гц для всех доз лазерного излучения (рис. 1, кривые 1-5). Увеличение интегральной дозы лазерного излучения приводит к изменению мак-роструктурного параметра е', значение которого уменьшается от 20 единиц до 8 относительных единиц на частоте 200 Гц.

На рис. 2 представлены графики полученных экспериментальных результатов изучения зависимости диэлектрических потерь в диспергированных порошках портландцемента после лазерного облучения.

Таким образом, в работе установлено, что, во-первых, при облучении лазерным излучением в частотной зависимости величины тангенса угла диэлектрических потерь ^д 8) наблюдается максимум на частоте 103 Гц для всех исследуемых образцов.

Во-вторых, интегральные дозы облучения

*10"

2,8 3,3

3,7

4,4

4,8

5,2 5,6

Рис.2. Частотная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь увлажненного образца портландцемента после облучения лазерным излучением при комнатной температуре: 1 -интегральная доза 4,5-10в Дж/м2; 2 - 3109 Дж/м2; (3 - 7)109 Дж/м2; 4 -31010 Дж/м2; 5 - 5,51010 Дж/м2

По результатам эксперимента можно сделать выводы об изменениях макроструктурного параметра е' и угла диэлектрических потерь tgд при облучении образцов предложенными дозами облучения. Данный факт свидетельствует о неэффективности лазерной обработки образцов портландцемента с целью улучшения свойств материалов, изготовленных на их основе. Далее в работе исследована зависимость от дозы лазерного облучения значений действительной

Таблица 2

Дозная зависимость действительной части диэлектрической проницаемости е' и тангенса угла диэлектрических потерь 5 образцов портландцемента при лазерном облучении на частоте внешнего электрического поля 103 Гц при комнатной температуре и относительной массовой влажности 10 %, преобладающая крупность частиц 10 мкм

интегральные дозы облучения от 4,5-108 до 5,5-1010 Дж/м2 вызывают уменьшение потерь ^д 8) в образцах в диапазоне частот внешнего электрического поля 100 - 106 Гц. Значения tg 8 для необ-лученных образцов (р = 1,2 %) составляют 0,082 единиц, а после лазерного воздействия значения tg8 уменьшились до 0,037 - 0,033 единиц. Частотная за-

Исследуемый параметр Интегральные дозы лазерного облучения исследуемых образцов, Дж/м2

4,5-108 3109 7-109 3-101и 5,5-101и

е' 35,9 33,3 28,5 26,8 24

5,5

5

4,5

4

3,5

3

2,5

2

5

1,5

2

4

6

1д I

висимость tg8 свидетельствует о незначительном уменьшении концентрации релаксаторов. Для более наглядного представления взаимосвязи электрического параметра £' образца портландцемента с дозами лазерного облучения был построен график зависимости действительной части диэлектрической проницаемости образца от дозы облучения на разных частотах внешнего переменного электрического поля. На рис. 3 представлена экспериментальная зависимость значений действительной части диэлектрической проницаемости образцов портландцемента с массовой долей 50% частиц крупностью 10 мкм, находящихся при нормальных температурно-влажностных условиях (Т=293 К, в = 1,2 %), для разных значений частоты внешнего электрического поля.

части диэлектрической проницаемости е' и тангенса угла диэлектрических потерь tg 8 мелкодисперсных образцов портландцемента с дополнительным введением влаги. Для этого образец портландцемента с преобладающей дисперсностью 10 мкм прогревался в сушильном шкафу при температуре 371 К до установления постоянной массы (т0). Считали, что эти образцы находятся при нулевой влажности (в = 0). Далее исследуемый образец помещали в эксикатор до получения значения относительной влажности образца 10 %. После этого образец облучали лазерным излучением в течение установленного времени. Полученные результаты представлены в табл. 2.

И, Дж/мЛ2

Рис. 3 Зависимость действительной части диэлектрической проницаемости от дозы лазерного облучения, для частот: 1 -100 Гц, 2 - 500 Гц, 3 - 1000 Гц, 4 - 3000 Гц, 5

- 5000 Гц, 6 - 10000 Гц.

Анализируя данные эксперимента при лазерном облучении установили, что дополнительная энергия, которая переходит от лазерного излучения к исследуемой гетерогенной системе «частица портландцемента - водная пленка», способна активировать структурные дефекты, которые мигрируют вдоль водных пленок к поверхности кристалла, что приводит к наблюдаемым результатам.

Наблюдаемое в эксперименте увеличение диэлектрической проницаемости исследуемой системы в диапазоне частот от 100 до 103 Гц при облучении образцов можно объяснить тем, что лазерное облучение приводит к нагреву полислоев водной пленки, являющейся физически адсорбированной водой с ориентированными молекулярными диполями. Нагрев дезориентирует диполи воды, облегчая их тепловое движение, что и приводит в электрических полях к возрастанию поляризации. Нагревание полислоев воды может привести к тому, что с увеличением дозы

облучения часть связанной воды из лигандного слоя может переходить в объемное состояние и также вносить свой вклад в увеличение поляризации исследуемой системы.

По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы:

1. Исследование диэлектрических свойств увлажненных образцов с массовой долей 50 % частиц размером 10 мкм выявило уменьшение значений диэлектрической проницаемости на 10 единиц и тангенса угла диэлектрических потерь образцов на 0,01 при увеличении дозы лазерного облучения от 4,5-108, 3-109, 7-109, 3-1010, 5,5- 1010 Дж/м2 на всех частотах исследуемого диапазона.

2. Частотные зависимости значений действительной части диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь проходят через максимум в области частот 103 Гц. Спад диэлектрической проницаемости исследуемых образцов, вероятно, связан с увеличением хемосорбционного ориентированного слоя воды из-за более активной (за счет притока энергии лазерного излучения) реакции взаимодействия молекул воды с поверхностью полиминеральной частицы.

3. По результатам эксперимента можно сделать вывод о неэффективности использования воздействия лазерного излучения интегральными дозами от 4,5 - 108 до 5,5 - 1010 Дж/м2 на полиминеральную дисперсную систему при условии Т = 293 К и максимальной влажности образцов в = 10 %, с целью улучшения ее электромеханических свойств.

Библиографический список

1. Коломиец В.И. К вопросу начального структурообразо-вания цементного камня / В.И.Коломиец, А.Т.Беккер //Сборник научных трудов: 2-ая Всероссийская (Международная) конференция по бетону и железобетону. -М., 2006. - Т.2. - С.254-259.

2. Сыркин Я. М. Зависимость прочности цемента от его дисперсности / Я.М.Сыркин, И.А.Сибирякова // Цемент. - 1970. - № 6. - С. 6-7.

3. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона / И.Н.Ахвердов. -М.: Стройиздат, 1981. - 305 с.