РАЗДЕЛ 2
ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МATEPИАЛOB. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Характеристика материалов, используемых в исследованиях
2.1.1. Особенности свойств серы как связующего вещества.
Чистая сера представляет собой желтое кристаллическое вещество с плотностью в твердом состоянии 2100 кг/м3, температурой плавления - 119, кипения - 445 и воспламенения (214 - 280) °С [19,20]. При плавлении сера переходит в легкоподвижную жидкость, вязкость которой изменяется, достигая минимума при 155 °С - 6,5 · 10-3 Па · с и максимума при 187 °С - 93,3 Па · с (рис.2.1).
При температуре выше 158 °С расплав серы буреет и при 187 °С переходит в вязкую темно-коричневую массу. Вязкость расплава серы можно регулировать вводя различные активные добавки: йод, фосфор, нафталин, дициклопентадиен, стирол и др. С повышением температуры поверхностное натяжение и мольная поверхностная энергия жидкой серы на границе с воздухом уменьшается. Эти характеристики расплава можно снижать вводя в него поверхностно-активные вещества, например жидкое стекло, пирофосфат натрия и др. Плотность жидкой серы при повышении температуры от 120 до 180 °С снижается от 1810 до 1762 кг/м3. Кривая теплоемкости расплава имеет пикообразный максимум при 158 °С (1,9 кДж/(кг · °С) ) . Удельная теплоемкость твердой серы - 0,7, жидкой - 1,47 - l,84 кДж/(кг · °С).
Приведенные на рис. 2.1 кривые отображают изменение вышеприведенных свойств расплава серы в зависимости от температуры, которые наиболее важны при разработке технологических параметров приготовления серных мастик и бетонов. Исходя из того, что минимальная вязкость расплава серы обуславливает наименьшие затраты энергии и улучшает условия перемешивания компонентов бетонной смеси, температурный режим приготовления серных мастик и бетонов выбран в интервале (145-155)°С. При этих температурах достигается некоторый минимум поверхностной энергии и поверхностного натяжения расплава серы на границе с воздухом, что, как известно, улучшает условия смачивания и адгезию расплава с поверхностью наполнителей и заполнителей при перемешивании и формировании структуры материала.
Рис.2.1. Зависимость вязкости (а), поверхностного натяжения (б),
поверхностной энергии (в) и плотности (г) расплава сери от температуры.
Изменения свойств расплава обусловлены молекулярным состоянием серы. Сера является неорганическим полимером ?21?, т.е. ее атомы имеют тенденцию комбинироваться друг с другом, образуя молекулы различных размеров и модификаций. Причем в молекулу могут соединяться от двух до несколько сот тысяч атомов. В зависимости от внешних условий расплав серы может состоять из системы молекул при различном соотношении их модификаций.
При остывании сера содержит 3 основные модификации: S?8, S?8, Sх ?22?. S?8 - циклооктосера, кристаллы ромбической сингонии, температура устойчивости - 112,8 °С, плотность кристаллов - 2,03 - 2,09 г/см3, теплота плавления - 49,9 кДж/кг; S?8 - циклооктасера, кристаллы призматической сингонии, температура устойчивости - 119,3 °С, плотность - 1,96 - 1,99 г/см3, теплота плавления - 38,5 кДж/кг. Молекулы S?8, и S?8 представляют коронообразные кольца, которые отличаются углом связи S - S, ( S?8 - 108°, S?8 - 113°), что и обуславливает отличие всех вышеприведенных свойств ?22, 23?. Sх - остаток серы, который включает все другие молекулярные формы с длинной цепочкой (S?,), встречающиеся только в расплаве при температуре выше температуры равновесной полимеризации - 159 °С.
Для остывшего расплава серы характерен процесс "старения", который обусловлен переходом различных модификаций в наиболее стабильную S?8 форму серы при температуре ниже 96 °С. Процесс "старения" серы связан с изменением объема. Более объемная форма S?8 ( ? = 0,5155 см3/г ) переходит в более компактную форму S?8 (? =0,4833 см3/г ), при этом происходит усадка и возникают внутренние напряжения, сопровождаемые растрескиванием. Аморфная составляющая Sх, присутствующая в массе серы, по мнению авторов ?22?, может выступать в качестве амортизатора напряжений.
Аллотропное превращение серы в процессе старения из S?8 в S?8 происходит относительно быстро, в то время как переход Sх в форму кристаллических колец S8 - очень медленно. Процесс старения зависит от температуры окружающей среды, а также "тепловой предыстории" расплава, его температуры и времени выдержки при этой температуре [22]. Установлено, что чем выше температура расплава и длительнее выдержка, тем большее количество Sх содержится в затвердевшей сере и тем медленнее идет процесс старения.
При плавлении серы и последующем ее охлаждении происходит процесс перекристаллизации. Охлажденная матрица представлена моноклинной и орторомбической серой. В течение времени, примерно на протяжении 14 сут, S?8 переходит в S?8 , что сопровождается ростом прочности серы на сжатие.
Сера по своей природе хрупкий материал. С целью устранения этого недостатка, снижения температуры плавления и замедления процесса кристаллизации в расплав вводят пластифицирующие добавки, например дициклопентадиен, стирол, нафталин, хлорпарафин и другие, механизм действия которых изучен недостаточно.
В табл. 2.1 приводятся некоторые усредненные характеристики технической серы по данным [23, 24, 25].
Таблица 2.1
Основные физико-механические и теплофизические характеристики технической серы [23, 24, 25]
ПоказательЕдиница
измеренияВеличинаПредел прочности:
при сжатии
на растяжение при изгибеМПа
25 - 30
1,5 - 2,0Микротвердость (средняя)МПа716Модуль упругости при сжатии МПа13,9 ? 103Объемная усадка%13 - 15Коэффициент линейного температурного расширения°С - 155 ? 10-6Теплопроводность при 20 °СВт/(м ? °С)0,27Водопоглощение %0 - 0,2
2.1.2. Характеристика серы.
В настоящих исследованиях использовали техническую серу сорта 9950, соответствующую ГОСТ 127-76? производства Яворовского ПО "Сера"