Гранулометрический состав как критерий регулирования свойств дисперсных систем Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.9

В.Б. ПЕТРОПАВЛОВСКАЯ (victoriapetrop@gmail.com), Т.Б. НОВИЧЕНКОВА, кандидаты техн. наук, В.В. БЕЛОВ, д-р техн. наук, Тверской государственный технический университет; А.Ф. БУРЬЯНОВ, д-р техн. наук, Московский государственный строительный университет

Гранулометрический состав как критерии регулирования свойств дисперсных систем

В последние годы наблюдается тенденция управления качеством вяжущих веществ путем оптимизации зернового состава и его стабилизации в процессе получения в условиях производства. Известно, что тонкость помола и зерновой состав вяжущего определяют строение поро-вого пространства, а значит, и основные физико-механические показатели материалов на их основе.

Подбор зернового состава вяжущего различными исследователями осуществляется путем оптимизации по различным критериям: остатку на сите, величине удельной поверхности, среднему диаметру, тонине помола, определяемой ситовым анализом, содержанию отдельных фракций, эксергетическим характеристикам и др.

По отношению к цементу часто выдвигаются дополнительные требования, характеризующие его качество: водо-отделение цементного раствора, темпы твердения, прочность при изгибе, эффективность при пропаривании и др.

В качестве универсального критерия качества вяжущего (цемента) наиболее часто предлагается использовать характеристику его удельной поверхности, определенную по Блэйну. В качестве доказательства специалистами приводятся данные по высокой удельной поверхности высококачественных цементов, произведенных на российских или импортных заводах [1]. В то же время многими исследователями отмечается, что выбор в качестве критерия удельной поверхности вяжущего, даже в сочетании с остатком на сите № 008, не может сегодня решить задачу управления качеством вяжущих веществ. Так, цементы, имеющие одинаковую тонину помола, но полученные в разных измельчительных аппаратах, имеют и разные технические свойства — водопо-требность, прочность в ранние сроки твердения и др. [2].

Кроме того, при выборе в качестве основного критерия удельной поверхности для достижения ее высоких показателей приходится значительно увеличивать энергозатраты на помол, тем самым увеличивая стоимость готового продукта, хотя и в этом случае могут не обеспечиваться требования потребителя [1].

Более точным критерием может являться средний размер частиц в составе вяжущего. Он может быть рассчитан математически или определен опытным путем на современных средствах измерения. При этом в качестве параметра может быть выбран среднеарифметический, среднегеометрический или гармонический средний диаметр частиц в составе вяжущего. Если частица имеет несферическую форму, для которой используются формулы расчета среднего диаметра, то вводится понятие геометрического коэффициента формы, с помощью которого неправильную форму частиц приводят к сферической.

Наиболее полную информацию о гранулометрическом составе вяжущих дают дифференциальные кривые распределения/(х), т. е. плотности вероятностей, и интегральные кривые распределения F(х). Они характеризуют распределения частиц вяжущего с эквивалентным диаметром х и их гранулометрический состав. Функции /(х) и F(х) имеют следующую взаимосвязь:

Л

Р(х) = \Ях)(1х.

Математическим описанием распределения частиц по размерам в составе порошков занимались многие исследователи, предложены различные уравнения для описания функций распределения [3]. Знание закона распределения размеров частиц в составе сырьевых порошков позволяет решать теоретические и прикладные задачи:

• обоснованно экстраполировать дисперсный состав по всему необходимому диапазону размеров частиц, главным образом в самых мелких фракциях;

• вычислять распределение частиц по их поверхности, числу частиц, объему и др.;

• обоснованно выбирать средние показатели, характеризующие порошки;

• более точно производить технические расчеты;

• упростить исследование на моделях.

Наиболее широкое распространение получила формула Розина—Раммлера—Шперлинга—Беннета (сокращенно Розина—Раммлера), описывающая функцию распределения:

ОД = 1-ехр[-(^)"] ,

где г0 — характеристический размер зерна цемента; п — коэффициент равномерности его зернового состава [4].

Однако во многих работах теоретически и экспериментально доказывается, что уравнения Розина— Раммлера к высокодисперсным составам применять нельзя. Логарифмически нормальный закон распределения А.Н. Колмогорова имеет большие преимущества для описания распределения дисперсных систем по сравнению с законом Розина—Раммлера:

сЬс т ШЫа 21п% J ,

(Ш

где сЬс — частота наблюдения величины х; х — размер частиц; х0 — медиана распределения; о — стандартное отклонение (среднее квадратическое).

Для гипсового полугидрата предложено уравнение, которое позволяет по известному весовому распределению найти распределение числа частиц [4].

Согласно исследованиям гранулометрического состава цементов методом лазерной гранулометрии установлено [1], что большинство отечественных цементов представляет полифракционный мономодальный продукт, отвечающий классическому виду нормального закона распределения. Тогда как зарубежные цементы представляют собой бимодальную смесь частиц, т. е. систему, имеющую в распределении две моды.

Исследования гипсовых вяжущих веществ также показали, что получение оптимального бимодального распределения частиц в составе вяжущего (рис. 1) обеспечивает наиболее выгодные показатели его качества, в первую очередь прочность в разные сроки твердения (раннюю и конечную прочность согласно требованиям ГОСТа).

Как показали многочисленные исследования, гранулометрический состав вяжущих во многом определяет прочность затвердевшего камня. При корректировании состава необходимо учесть, что прочность дисперсных систем, к которым относятся и неорганические вяжу-

научно-технический и производственный журнал ^'/РО^Г/^/]^})^^ 64 январь 2013 Ы *

Рис. 1. Бимодальное распределение частиц в составе безобжигового гипсового вяжущего

Рис. 2. Координационные элементы структуры регулярной плотнейшей укладки сферических частиц вяжущего

Y

X,

X

Рис. 3. Схема движения сферической частицы при стохастической укладке: 1 - начальное положение частицы; 2 - положение частицы при первом контакте; 3 - неустойчивое положение; 4 - устойчивое положение в точке пересечения трех поверхностей

X

Рис. 4. Схема движения сферической частицы при регулярной укладке: 1 - начальное положение частицы; 2 - положение частицы при первом контакте; 3 - устойчивое положение в точке пересечения трех поверхностей

щие, состоящие из частиц твердого вещества, определяется также прочностью частиц, образующих материал, числом контактов между частицами твердой фазы и средней прочностью отдельного контакта [5]. Следовательно, оптимизация гранулометрического состава должна проводиться из условия обеспечения наибольшего количества фазовых контактов между твердыми частицами вяжущего. Количественной характеристикой, отражающей число фазовых контактов, может служить одна из фундаментальных топологических величин — координационное число. Оно определяется количеством частиц (зерен), соприкасающихся с центральной частицей (зерном), по отношению к его ближайшему окружению, т. е. числом частиц в ближайшем окружении центральной частицы (рис. 2). Величина координационного числа является безразмерной, усредненной характеристикой и зависит от плотности упаковки.

Плотность определяется характером упаковки. При стохастической упаковке частиц вяжущего (рис. 3) чем больше плотность упаковки элементов структуры, тем большее их число будет в ближайшем окружении центральной частицы. При регулярной упаковке бимодальной системы (рис. 4) суммарное координационное число будет определяться соотношением средних диаметров крупных и мелких частиц (фракций) [6].

В настоящее время для гранулометрического анализа вяжущих используются различные методы: сухой и мокрый рассев на аналитических ситах, седиментаци-онные, микроскопию, лазерная дифракцию и др. Метод лазерной дифракции представляется одним из наиболее

эффективных. Однако необходимо иметь в виду, что и он имеет определенные упрощения. Можно оценивать тот или иной порошок только по усредненным значениям: использование суспензии для измерения зависимости интенсивности рассеянного света от угла рассеяния не позволяет достоверно оценить реальные порошки вяжущего, особенно гипсового, склонного при помоле к когезионно-му слипанию и образованию глобул.

Присутствие таких агрегатов в составе порошков может оказать существенное влияние на технические свойства вяжущих ввиду того, что создаются предпосылки для формирования максимального количества именно кристаллизационных контактов.

Поэтому регулирование и оптимизация гранулометрического состава вяжущих систем требуют использования не только анализа, но и математического аппарата, в первую очередь моделирования. Это связано прежде всего со сложностью процессов, протекающих в реальных системах, особенно если проектируется состав вяжущего на нескольких структурных уровнях. Такой подход особенно актуален для безобжиговых гипсовых систем, в основу создания которых положен принцип целенаправленного управления струк-турообразованием за счет использования оптимизированного гранулометрического состава вяжущего [5].

Таким образом, регулирование и оптимизация гранулометрического состава вяжущих методами моделирования позволяет повысить их качество и эффективность, значительно

сократив при этом затраты на их производство.

Ключевые слова: вяжущие вещества, оптимизация,

гранулометрический состав.

Список литературы

1. Сивков С.П. Современные тенденции в производстве цемента в РФ // Российский ежегодник ССС. 2011. С. 76-80.

2. Гаркави М.С., Артамонов А.В. и др. Цементы центробежно-ударного измельчения // Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии. Материалы XV академических чтений РААСН. Казань. 2010. С. 24-27.

3. Петропавловская В.Б., Бурьянов А.Ф. и др. Оптимизация внутренней структуры дисперсных систем негидратационного твердения // Строительные материалы. 2010. № 7. С. 22-23.

4. Zvereva N.A., Valtsifer V.A. Internai structure of a powder during of its compacting // 14 International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA. Praha (Czech Republic). 2000. Р. 63.

5. Петропавловская В.Б., Новиченкова Т.Б. и др. Использование отходов природного гипсового камня в производстве безобжиговых материалов // Строительные материалы. 2012. № 7. С. 28-30.

6. Белов В.В. и др. Модификация структуры и свойств строительных композитов на основе сульфата кальция. М.: Де Нова, 2012. 196 с.

Y

rj научно-технический и производственный журнал

M ® январь 2013 65