CC BY
14УДК 691.5
В.Б. ПЕТРОПАВЛОВСКАЯ, канд. техн. наук, В.В. БЕЛОВ, д-р. техн. наук, Т.Б. НОВИЧЕНКОВА, Ю.Ю. ПОЛЕОНОВА, инженеры, Тверской государственный технический университет; А.Ф. БУРЬЯНОВ, канд. техн. наук, Московский государственный строительный университет
Использование отходов природного гипсового камня в производстве безобжиговых материалов
Обеспечение строительства ресурсосберегающими экологически чистыми материалами и изделиями — одна из первоочередных задач промышленности строительных материалов. Необходимо шире вовлекать в производство отходы промышленности, в том числе самой строительной индустрии. К таким отходам можно отнести отсевы и отходы дробления гипсовой породы, которые до настоящего времени практически не используются для получения товарной продукции строительного профиля. Вовлечение их в производственный процесс позволило бы не только удешевить получаемую продукцию, использовать ценное техногенное сырье, но и повысить экологическую составляющую.
Получение безобжиговых композитов на основе отходов гипсовой породы связано прежде всего с оптимизацией внутренней структуры композита, обеспечивающей высокие физико-механические характеристики материала [1, 2]. В связи с этим возникает необходимость применения математического моделирования, позволяющего использовать разработанные модели в качестве теоретической основы при создании программного комплекса для определения параметров технологии получения безобжиговых изделий [3].
В работе в качестве основного исходного материала использовался природный гипсовый камень Новомосковского месторождения Тульской области в виде отходов и отсевов дробления. Фракционный состав природного гипсового сырья представлен частицами размером менее 5 мм. В исследованиях использовались бинарные смеси порошков двуводного гипса, полученных помолом в лабораторной шаровой мельнице.
По минералогическому составу гипсовый камень Новомосковского месторождения представлен преимущественно селенитом (волокнистой разновидностью
гипса белого, светло-серого, иногда темно-серого цвета) с прослойками пятнистого и звездчатого гипса. Кристаллы гипса благодаря преимущественному развитию граней (010) имеют таблитчатый, редко столбчатый или призматический облик (рис. 1). Из призм наиболее часто встречаются (110) и (111), иногда (120) и др. Грани (110) и (010) часто обладают вертикальной штриховкой.
Плотность гипса составляет 2300 кг/м3, пористость 0,24%. Среднее содержание Са8042И20 - 88,78%. Качество природного гипсового сырья Новомосковского месторождения, в том числе по химическому составу, отвечает требованиям, предъявляемым к гипсовому камню 1-го и 2-го сортов.
Ввиду того что прочность безобжигового композита на основе отходов гипсовой породы определяется прочностью частиц материала, числом контактов между частицами твердой фазы и прочностью отдельного контакта, а число контактов, в свою очередь, зависит от размера частиц и способа их упаковки [4], в работе решалась задача по выявлению математической зависимости, описывающей процесс структурообразования с использованием критерия оптимальности - числа фазовых контактов, и количественной характеристики бинарной смеси — соотношения средних размеров частиц. В ходе разработки математической зависимости и исследований наряду с лабораторными испытаниями была разработана компьютерная пространственная модель [5], позволяющая оптимизировать структуру материала и произвести расчет необходимых характеристик смеси в условном единичном объеме.
Структурная топология определяет координацию ближайшего окружения частицы в трехмерном пространстве координационным числом и плотностью упаковки в системе [6]. Координационное число определя-
Рис. 1. Микрофотография кристаллов природного гипсового камня Рис. 2. Гексагональная упаковка крупных частиц в единичном объеме Новомосковского месторождения Тульской области
28
июль 2012
®
Рис. 3. Моделирование процесса формирования внутренней структуры дисперсной системы негидратационного твердения в единичном объеме
Рис. 5. Имитационная модель фазовых контактов
ется количеством зерен (частиц), соприкасающихся (контактирующих) с центральным зерном по отношению к его ближайшему окружению, т. е. числом зерен в ближайшем окружении центрального зерна.
Количество кристаллизационных контактов определяется соотношением размеров сблизившихся частиц и количественным содержанием частиц разного размера в составе дисперсной системы. Необходимо использовать бинарные смеси определенного типа, позволяющие получать максимальное количество контактов крупных и мелких частиц в упаковке [4].
Задача решалась путем создания математической модели, описывающей распределение твердых частиц в единице объема (элементарной ячейке) при условии образования максимального количества фазовых контактов, отвечающих механизму негидратационного твердения — мелкая частица должна располагаться в промежутке между двумя крупными частицами. Разработанная компьютерная программа для построения пространственной модели микроструктуры композиционных материалов на основе бинарной смеси позволяет смоделировать упаковку бифракционного массива частиц. С помощью данной программы, задавая начальные параметры, можно получить количественную оценку упакованного массива сферических частиц [5].
Структуре негидратационного твердения на основе дигидрата сульфата кальция наиболее соответствует гексагональная упаковка, поэтому в основу пространственной компьютерной модели был заложен именно такой тип упаковки крупных частиц (рис. 2).
В компьютерной модели укладка мелких частиц осуществляется по алгоритму перекатывающихся частиц (drop and roll) [7].
Рис. 4. Фрагмент модели внутренней структуры дисперсной системы негидратационного твердения в разрезе
b'.vK'V. ппгто.тпетпте
ЕфУЗШЫМН -м-1 i:LIм i
Рис. 6. Зависимость суммы координационных чисел ЕВ от соотношений объемных наполнений ф1 и ф2 и диаметров частиц бимодальной смеси
Упаковка сферических частиц реализуется моделированием случайной струи мелких частиц по принципу «одна после другой». Вновь образованные частицы падают в бункер с плоскими стенками, в котором уже размещена кристаллическая структура, состоящая из неподвижных крупных частиц (рис. 3). Бункер устанавливает конфигурацию трехмерной упаковки. Первоначальная позиция частиц (Х0, У0, /0) выбирается случайным образом, причем все положения частицы являются равновероятными. Отпущенная частица двигается в свободном падении в поле силы тяжести вдоль оси У, то есть с постоянными координатами Х0 и /0. Как только падающая частица наталкивается на препятствие — стенку бункера или уже упакованную частицу, она прилипает к ней (без соударения) и начинает скользить по поверхности в направлении минимума потенциальной энергии до следующего препятствия. Процесс движения частицы продолжается до тех пор, пока она не займет положение, устойчивое по отношению к силе тяжести. Остановка частицы происходит, очевидно, в точке пересечения трех поверхностей (три сферы, две сферы и плоскость и др.) или на поверхности, перпендикулярной направлению свободного падения частиц, например на дне бункера.
Таким образом, программа позволяет исследовать процесс упаковки бифракционного массива частиц, с возможностью задания их размеров и количества, что дает возможность получать различные структуры бинарных систем. Результатом работы программы является построенная трехмерная модель упаковки частиц; рассчитанный объем засыпанных частиц; объем пор; число контактов, образующихся на поверхности крупной частицы; количество контактов на единичной поверхности крупной частицы (рис. 4).
июль 2012
29
■Л; } (с * т \. : ' щ
в щ
Рис. 7. Микроструктура композита, полученного на основе бинарной смеси нормированного гранулометрического состава: а, б - непосредственно после прессования; в, г - на 7-е сутки твердения
Расчет количественных характеристик модели выполняется по формулам стереометрии суммированием объемов сферических тел. Модель имитирует распределение твердых частиц в единице объема (элементарной ячейке) с учетом образования максимального количества контактов при оптимальной плотности упаковки (рис. 5).
Модель применима только для полусухих бинарных сырьевых смесей двуводного гипса, используемых для получения безобжиговых строительных композитов методом гиперпрессования.
По результатам исследований и с использованием компьютерной модели формирования оптимальной структуры дисперсной системы негидратационного твердения на основе двуводного техногенного гипса была получена математическая зависимость, которая позволяет теоретически рассчитать оптимальный зерновой состав сырьевой смеси из порошков различной тонкости измельчения, обеспечивающий плотную упаковку в объеме при максимальном количестве контактов зерен разного размера.
Эти расчеты позволили определить математическую зависимость суммы координационных чисел от объемного наполнения крупными частицами и соотношения диаметров частиц бимодальной смеси (рис. 6).
По результатам исследований структуры дисперсной системы негидратационного твердения на основе дигидрата сульфата кальция рассчитаны оптимальные зерновые составы сырьевых смесей на отходах природного гипсового камня. Оптимальный состав обеспечивает максимально плотную упаковку в объеме при максимальном количестве фазовых контактов в структуре твердеющей системы.
Оптимизация гранулометрического состава сырьевых смесей на основе двуводного техногенного гипса позволяет повысить прочность получаемого композита более чем в два раза. Повышение прочности при использо-
вании оптимизированной сырьевой смеси обусловлено в первую очередь увеличением числа первичных кристаллизационных контактов, что подтверждается исследованием микроструктуры гипсового композита. Первичная структура композита (рис. 7, а, б) характеризуется наличием недостаточно развитых кристаллизационных контактов между частицами дигидрата. При дальнейшем твердении, как показано на микрофотографиях образующейся структуры, контакты развиваются, происходит срастание отдельных кристаллов в блоки, пористость структуры (рис. 7, в, г) уменьшается. Количество контактов определяется соотношением размеров сблизившихся частиц и количественным содержанием частиц разных размеров в составе смеси.
Таким образом, оптимизация гранулометрического состава безобжигового композита методами математического моделирования позволяет существенно упростить процесс подбора состава, значительно улучшить физико-механические характеристики получаемых материалов и изделий и расширить ресурсную базу гипсовой промышленности за счет эффективного использования отходов природного гипсового камня.
Получение гипсовых изделий на основе оптимизированной сырьевой смеси по энергосберегающей технологии позволит обеспечить строительство необходимыми энергоэффективными материалами и изделиями высокого качества.
Ключевые слова: двуводный гипс, отсевы и отходы дробления гипсовой породы, фазовые контакты, гранулометрический состав, бинарная смесь, внутренняя структура, негидратационное твердение, математическое моделирование, безобжиговые композиты.
Список литературы
1. Петропавловская В.Б., Белов В.В., Новиченкова Т.Б., Бурьянов А.Ф., Пустовгар А.П. Оптимизация внутренней структуры дисперсных систем негидратаци-онного твердения // Строительные материалы. 2010. № 7. С.22—23.
2. Петропавловская, В.Б., Белов В.В., Новиченкова Т.Б. Регулирование свойств безобжиговых гипсовых материалов // Строительные материалы. 2008. № 8. С. 14—15.
3. Петропавловская, В.Б., Белов, В.В., Бурьянов, А.Ф. Твердеющие кристаллизационные системы на основе порошков двуводного гипса // Строительные материалы. 2007. № 12. С.46-47.
4. Петропавловская В.Б. Способ изготовления изделий из гипса. Патент 2297399 Российская Федерация. № 2005137935; зарегистрировано 20.04.07.
5. Белов В.В, Новиченкова Т.Б., Образцов И.В. Расчет топологических параметров сыпучих дисперсных систем Патент 2011615905 Российская Федерация. № 2011614066, зарегистрировано 28.07.11.
6. Хархардин А.Н., Топчиев А.И. Уравнения для координационного числа в неупорядоченных системах // Успехи современного естествознания. 2003. № 9. С. 47-53.
7. Волошин В.П., Медведев, Н.Н., Фенелонов В.Б., Парман В.Н. Исследование структуры пор в компьютерных моделях плотных и рыхлых упаковок сферических частиц // Журнал структурной химии. 1999. Т. 40. № 4. С.46-60.
30
июль 2012
/Л ®
