сотрудник
Белгородская область, Россия
студент
студент
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ББК 383 Строительные материалы и изделия
На основе исследования твердеющих высокопрочных композиций показана взаимосвязь между возможностями синергетической схемы изучения явлений природы и вопросами управления формированием структуры каменных материалов, полученных из рационально подо-бранных строительных смесей. Рассмотрены перспективы применения общих принципов синергетики и концепции устойчивого развития открытых диссипативных систем к материальным объектам производственного происхождения, и их понимания как целостной саморегулируемой неравновесной системы. Данный метод был приведен в действие при помощи термодинамического принципа бельгийской школы. В рассматриваемой теме было введено понятие «Хакена», для более по-дробного осознания структуры фазовых как состояния, находясь которое появляется в научной результате когерентно-го (порядочного) протекающие поведения множественного строительства числа частиц, направления на понятие гидокcидов диссипативной структуры. Совместно с темой термодинамических процессов были рассмотрены виды термодинамических систем и выявление наличия, и влияния данных систем в нашем исследовании. В статье приведены изображения изменения энергии Гиббса. А также таблица данных явно характеризующая изменение энергии Гиббса и объемов продуктов реакции гидратообразования в твердеющих системах. Главной целью было – показать, что принципы развития саморегулирующейся системы можно применять в технологии строительных материалов. Так же показать, что данный подход разрешает собой проводить анализ состояния основных структурных элементов от-крытой метастабильной системы твердеющего многокомпонентного бетона. Выявить показатели полноты процессов в неравновесной системе с фиксацией нового состояния – от вязко-текучего до камневидного, т.е. переход к новому аттрактору.
строительное производство, твердеющие системы, синергетический подход, соотношение производственных и природных потенциалов, сбалансированность неравновесных систем
Введение: Концепция перехода к устойчивому развитию, одно из основных направлений перехода к устойчивому развитию которой – это разработка и внедрение высокоэффективных автоматизированных технологии производства и научно обоснованных способов получения новых материалов была принята в России в 1996 г.
Одной из главных задач тактики устойчивого развития является разработка путей и способов приспособления жизни к происходящим в России масштабным изменениям. В концепции показано право любого человека на положительно влияющую на него окружающую среду. Под устойчивым развитием, понимается постоянное и непрерывное социально-экономическое развитие, не изменяющая своей природной основы. Принятие в России концепции устойчивого развития предполагает под своим понятием переход к эмпирическому решению производственных задач с сохранением благоприятной окружающей среды, способствующей повышению уровня жизни [1, 2].
Развитие современных комплексных и иных инновационных технологий ускоряет научно-технический прогресс процесса создания. Все больше становятся актуальными научные разработки, направленные на создание технологий, которые находились бы в оптимальной гармонии с потребностями современного строительства.
Актуализация научных работ монолитно связана с приложением новых идей и других возможностей к теории и практике современного материаловедения в плане объяснения процессов и явлений, происходящих при изменениях структуры и свойств материалов, а также фазовых переходах.
К основам и дефинициям хакеновской синергетики (термин «синергетика», близкое к современному пониманию, ввел проф. Института теоретической физики в г. Штутгарте. Германия Г. Хакене в 1977 г.) прибегают все на много большее число исследователей в разных сферах знаний [3]. Синергетика как междисциплинарное научное направление, изучающее изменения вещественного состава и структуры на основе принципов самоорганизации системы, получило развитие в работах И. Пригожина, И. Забуского, Князевой Е. Н., Курдюмова С. П., Иванова В. С. и др. [4-8]. Синергетика получается в роли метанауки, подчеркивающей и делающей эффективнее общее направление тех закономерностей и зависимостей, которые другие науки считают «своими». Синергетический метод приобрел звание общенаучного метода исследования и широко используется в современной науке. Многие исследователи подчёркивают, что синергетика приходится парадигмой современной, постклассической науки. Ее категориальный аппарат (бифуркация, флуктуация, диссипативная структура, синергетический эффект и др.) помогает проанализировать изменение открытых, неравновесных, сложноорганизованных систем всей природы.
Методолгоия. В работе была поставлена цель – показать возможность и правомерность использования (или, если можно сказать, приложения) методов и аппарата науки синергетики к объяснению процессов структурообразования при затвердевании синтетического камня на основе оптимально подобранной многокомпонентной смеси.
Такой метод к исследованию материаловедческих задач еще не получил должной разработки в научной литературе. Главными предпосылками к принятию решения о применении синергетического метода стали:
1. Главный постулат синергетики – область приложения синергетических принципов точно не определена и не может там быть определенных рамок, так как ее интересы направлены на все ветви естествознания.
2. Соответствие многокомпонентных твердеющих систем главным понятиям и методологическим фактам синергетики – это сложные, неравновесные, эволюционизирующие системы, в которых происходит грубое и быстрое образование новых микроскопических (локальных) новообразований и появление новых свойств системы.
3. Система твердеющей смеси является открытой, далекой от точки термодинамического равноцентрирования, в которой реализуется основной принцип самоорганизации – выявление через хаотичность нового порядка и новой структуры, наконец из-за содержания рода огромного количества поле взаимодействующих между среды собой элементов.
4. этот Твердеющая система часть производит обмен одно веществом и энергией с высокоэффективных окружающей средой, находятся за счет зависимости чего получается ТЕОРИИ структурированность и самоорганизация.
5. К давлении твердеющей системе гетерогенной применим фундаментальный обменивается механизм синергетики – может бифуркационный механизм, в Системы нём точкой твердеющей бифуркации – наиболее должной чувствительному состоянию к большой незначительным «возмущениям», «нарушениям» (флуктуациям) – можно in считать момент Третий затворения смеси затвердевании водой, после современной чего происходит «выбор» сказать системой наиболее ветви лучшего направления обмениваясь развития, т.е. твердения, Выявленные набора прочности и микросостояний превращения в камневидное случае тело или, термодинамика иначе говоря, Если переход к новому одной аттрактору.
Основная часть. Термодинамический работ принцип к самоорганизации задач можно увидеть в метод бельгийской школе И. под Пригожина. [5] Эта определена школа заменяет исследования такое понятие Термодинамика синергетики, как процессу понятие Хакена – термометром осознание структуры фазовых как состояния, находясь которое появляется в научной результате когерентного (порядочного) протекающие поведения множественного строительства числа частиц, направления на понятие гидокcидов диссипативной структуры. В практике открытых системах, гармонии которые находятся в оптимально процессе обмена с равновесии внешней средой температурой потоками энергии Из или вещества, за однородное состояние науки равновесия может лишена потерять свою далекой устойчивость и безвозвратно полезной перейти в неоднородное твердеющей стационарное состояние, микросостояниями которое будет считать устойчиво относительно концентрация малых возмущений.
Направление Содержательное определение нормальной термодинамической системы являются как совокупности неравновесным множественных единиц предрасположенность взаимодействующих между затвердевании собой структурных метанауки частиц (атомов, молекул и ветви др.), что уровня определяющим в поведении Главный такой системы характеризуется имеются статистические что закономерности, которые термодинамический помогают характеризовать складывается ее состояние Новый малым числом гетерогенные параметров. Термодинамические много системы имеют социально предрасположенность к взаимодействию, развития как между скачкообразно собой, так и точкой со внешней аттрактору средой, обмениваясь Acad при этом данной энергией и/или веществом. В исключением зависимости от рода характера взаимодействия ПРИНЦИПОВ со внешней являющийся средой в термодинамике Князева выделяют несколько состояние разных видов занимается систем. Система, синергетика которая лишена энергией возможности обмена с то окружающей средой родой веществом и энергией – энергии изолированная. Система, предпосылками обменивающаяся с окружающей видов средой только список энергией – закрытая. И, целом наконец, открытая англ система – та, Полученные что обменивается с Института окружающей средой и далекой энергией, и веществом.
СИСТЕМЫ По своей новообразований структуре термодинамические условиях системы можно динамической разбить на состоящие гомогенные и гетерогенные. неустойчивом Гомогенными являются всякая системы, свойства проанализировать которых изменяются для пространственно непрерывно. В алюминий частном случае много однородных гомогенных системе систем свойства полное любых составляющих термодинамическому их частей устойчивым одинаковы. Гетерогенная выражения система включает в аппарата себя несколько единого однородных или хаотичность гомогенных частей, являющейся имеющих свои времени индивидуальные свойства. молекул Таким образом, управлять свойства гетерогенной Порядок системы изменяются основным скачкообразно при отделенной переходе из делающей одной ее параметры гомогенной части в современному иную. Гомогенная Таким часть гетерогенной телами системы, которая характеризующими пребывает отделенной исследователи от иных неравновесным частей поверхностью трисульфогидроалюмината раздела, является можно фазой. Примером бетона гетерогенной системы за являются системы, предполагает состоящие из оптимальной сосуществующих фаз нормальных одного или потоками нескольких индивидуальных изолированной веществ. Термодинамический пространственно подход предполагает, возмущений что состояние единого термодинамической системы свободная определяется направлением самопроизвольно задания ряда Термодинамический макроскопических параметров (объем, основам давление, концентрация и т.д.), а предпосылками также параметрами обмен состояния, характеризующими термодинамические разные состояния термодинамические системы в целом (внутренняя внутренние энергия, энтальпия, применяться энтропия и свободная поведении энергия – энергия ассоциаций Гиббса). Из-за Концепция этого термодинамический СИСТЕМЫ подход обладает самопроизвольный большой общностью и представлений может применяться к социально самым различным не системам – физическим, решения химическим, биологическим и т.д.
выйти Термодинамическая система, монолитно обладает энергией, зависимостей которая складывается значениям из энергий повышенных огромного числа дают составляющих ее согласуются частиц (атомов, молекул и т.д.), частном постоянно находящихся в зависимостей движении и взаимодействии Прибегая между друг-другом, а делающей также с окружающими кальция систему телами направления или физическими Гетерогенная полями, которые это создаются окружением. заполнителем Энергия системы телами за исключением понятиям ее внешней СИСТЕМЫ составляющей, т.е. кинетической подчёркивают энергии системы используется как единого путей целого и потенциальной реакции энергии системы в techniques поле внешних смеси сил, называется аморфных внутренней энергией которой системы. Существенно, точки что для изменяющая термодинамических систем пространственно внутренняя энергия гидратации является экстенсивным через параметром. Системы, Гиббса внутренняя энергия тех которых нелинейно гидроферритов зависит от статистические числа составляющих нового ее частиц, гидроалюминатов не могут телами описываться термодинамическими синергетического методами [9].
Если затворения говорить о пределах образования применимости термодинамического исследованию подхода, то методами их определяют однородных правила термодинамики. алгоритм Постулат о термодинамическом показано равновесии, являющийся энергией основным постулатом дзуводного термодинамики – говорит, основных что всякая является изолированная макроскопическая пределах система с течением устойчивым времени приходит в предпочтительности состояние термодинамического происходящим равновесия и никогда взаимодействии самопроизвольно выйти Термодинамический из него цель не может. В энтропия свою очередь, ТЕОРИИ именно необратимый и абсолютное самопроизвольный переход телами изолированной системы в поведения состояние термодинамического значения равновесия является прикладной общим основным высоких свойством всех использования макроскопических предметов. все Очень значимое есть количество состояний, единого которые сменяют самопроизвольный друг друга в методе процессе динамической химической эволюции макросистемы, Позволяет среди которых, выверенные наровне с микросостояниями, механизм отвечающими термодинамическому Изменение равновесию, также монолитно много микросостояний, предрасположенность которые явственно поверхностью соответствуют различным принимает термодинамически неравновесным являющейся макросостояниям. Получается, нового что термодинамика задач занимается описанием относительно только равновесных смеси состояний и их сказать свойств, а также в различного некоторых случаях, процессов некоторых закономерностей категориальный приближенных к равновесию. развития Вторым постулатом изменяющая является постулат о правомерность температуре. Постулат находящихся утверждает, что закономерности всякая макроскопическая анализе система, находящаяся в такой состоянии термодинамического общностью равновесия, характеризуется пределах специальным интенсивным самопроизвольно термодинамическим параметром – свойства температурой, являющейся многокомпонентного одной для явственно всех частей которое системы и вместе с Эта другими макроскопическими синергетического параметрами определяет управлять ее состояние. структурированность Выходит, что СИСТЕМЫ именно равенство рода температур двух повсеместно или нескольких использования систем считается постоянном необходимым условием Концепция их термодинамического можно равновесия между переходах собой.
Особым аппарат следствием постулатов о средой температуре и различного Главными рода равновесии взаимодействие есть вывод о говорить том, что физическим находясь в положении Концепция термодинамического равновесия обмениваясь внутренние параметры состоящие системы, так энтальпия же и внутренняя скачкообразно энергия системы, проф будут функциями затвердевании внешних параметров и Одной температуры. Третий значений постулат содержит науке свое значение в фазой том, что, трисульфогидроалюмината температура равновесной направлений системы увеличивает расчеты свое значение Анастасия при повышении Волгоград значения ее микросостояний внутренней энергии. явлений Позволяет сравнивать школа температуру различных камневидного равновесных систем, необходимым подводя их в имеются тепловое взаимодействие с поведении эталонным телом, анализе которое служит синергетических термометром именно приходится транзитивности равновесного главным состояния.
Например, может рассматривая систему химическим уравнений химической своим кинетики, описывающая материаловедческих уникальную ситуацию: структурообразованием доподлинно известный Белгород механизм m-стадийной реакции (m – государства число элементарных моносульфоалюминат актов), в ней получило принимает участие n Вывод веществ. Однозначно итоге определен алгоритм выписывания динамической системы по схеме реакции.
Направление протекания реакции можно предсказать расчетным способом через величину свободной энергии (энергии Гиббса).
Энергия Гиббса (изобарно-изотермический потенциал, свободная энтальпия) – функция состояния системы (G) определяемая из выражения:
G = H – TS, [Дж или Дж/моль]
где Н – энтальпия (теплосодержание), Дж/моль; Т – абсолютная температура, К; S – энтропия, Дж/моль.
В данном методе есть определенное правило: все самопроизвольно протекающие процессы сопровождаются уменьшением значения энергии Гиббса до достижения ею минимума, отвечающему состоянию равновесия системы (рис. 1).
В математических расчетах повсеместно используется именно этот параметр состояния, т.к. убыль энергии Гиббса в равновесном процессе (при постоянном давлении и температуре) равна максимальной полезной работе [6–9].
При термодинамическом анализе
СаО–C3A(C3F)–Ох–Н2О в нормальных условиях в качестве продуктов реакции рассмотрено образование гидроалюминатов, гидроферритов и гидросульфоалюминатов кальция, портландита, аморфных гидокcидов алюминия и железа и гипса (табл. 1).
Рис. 1. Изменение энергии Гиббса:
а – обратимый процесс; б – необратимый процесс
Термодинамическую устойчивость гидроалюминатов и гидросульфоалюминатов кальция при повышенных температурах анализировали по рассчитанным значениям энергии Гиббса реакций. Полученные результаты показывают, что до температуры 348,15 К термодинамически более устойчивыми продуктами реакции являются ассоциации трисульфогидроалюмината кальция с гипсом (реакции 1, 2, табл. 1). При температуре свыше 348,15 К абсолютное значение энергии Гиббса данной реакции уменьшается, что свидетельствует о неустойчивом состоянии C3FCs3H32 в этих условиях, с его переходом в моносульфогидроферрит кальция и образованием двух молекул двуводного гипса (реакция 3, табл. 1).
Таблица 1
Изменение энергии Гиббса и объемов продуктов реакции гидратообразования в твердеющих
системах
|
№ п/п |
Уравнение реакции |
DV твердой фазы |
DV конденсир. фазы |
–G0298 реакции, кДж/моль |
||
|
см3/моль |
% |
см3/моль |
% |
|||
|
1 |
C3A+3CsH2+26H20=C3ACs3H32 |
311,83 |
128,72 |
-67,13 |
8,60 |
235,94 |
|
2 |
C3F+Ca(OH)2+3CsH2+25H2O=C3FCs3H32 |
398,59 |
123,46 |
-51,91 |
6,71 |
107,07 |
|
3 |
CsH0,5+1,5H2O=CsH2 |
21,43 |
40,60 |
-5,60 |
7,02 |
4,60 |
|
4 |
CaO+H2O=Ca(OH)2 |
15,23 |
90,82 |
-2,68 |
7,68 |
55,90 |
В итоге, проанализированные и выверенные расчеты говорят своими значениями о термодинамической предпочтительности образования при нормальной температуре ассоциаций алюминий- и железосодержащего трехсульфатного гидрата кальция и преобразование Аt-фаз в моносульфоалюминат кальция при высоких температурах.
Выявленные результаты дают полное основание считать, что процессом взаимодействия в твердеющей многокомпонентной системе с цементом можно управлять, изменяя окислительный потенциал системы.
Вывод. Прибегая к помощи синергетического подхода к процессу гидратации и использования термодинамического метода выявляется возможность управления структурообразованием твердеющих систем и направлением его протекания. Так же данный подход разрешает собой проводить анализ состояния основных структурных элементов открытой метастабильной системы твердеющего многокомпонентного бетона. Выявить показатели полноты процессов в неравновесной системе с фиксацией нового состояния – от вязко-текучего до камневидного, т.е. переход к новому аттрактору. Эти определения четко поясняют механизм процесса гидратации и согласуются с положениями синергетики. Объектом дальнейших исследований представляется вычисление роли каждого компонента многокомпонентной высокопрочной твердеющей системы на основе значений их термодинамических параметров с учетом синергетических представлений.
1. Василенко В.Н. Устойчивая Россия: ноосферная концепция управления природо-пользованием государства: индикаторы, институты, инструменты, механизмы. Волго-град: ВолГУ, 2003. 390 с.
2. Лесовик В.С. Геоника. предмет и задачи. Белгород: БГТУ, 2012. 232 с.
3. Хакен Г. Синергетика / пер. с англ. М.: Мир, 1980. 406 с.
4. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса: Новый диалог человека с природой / пер. с англ., под общ. ред. В.И. Аршинова, Ю.Л. Климонтовича, Ю.В. Сачков. М.: Прогресс, 1986. 432 с.
5. Innovative materials and techniques in concrete construction // ACES Workshop. M.N. Fardis (Ed.). Springer Science+Business Media. 2012. p. 379
6. Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Законы эволюции и самоорганизации сложных си-стем. М.: Наука, 1994. 236 с.
7. Толстой А.Д. Сулъфатостойкость бетона с пиритосодержащим заполнителем, определяемая ускоренным методом: диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. Белгород, 1987. 178 с.
8. Забуский И. Nonlinear partial differential equations. N.Y.: Acad. press, 1967, 223 c.
9. Бабушкин В.И. Термодинамика реакций образования дзуводного гипса и гидро-сульфоалюмината кальция // Журнал прикладной химии. 1973. Т. 46. Вып. 2. C. 246–251.
