CC BY
19УДК 666.91
В.Б. ПЕТРОПАВЛОВСКАЯ, канд. техн. наук, В.В. БЕЛОВ, д-р техн. наук, Т.Б. НОВИЧЕНКОВА, инженер, Тверской государственный технический университет; А.Ф. БУРЬЯНОВ, канд. техн. наук, ОАО «ВНИИСТРОМ им. П.П. Будникова» (Московская обл.); А.П. ПУСТОВГАР, канд. техн. наук, Московский государственный строительный университет
Оптимизация внутренней структуры дисперсных систем негидратационного твердения
Вопросы направленного формирования структуры композиционных материалов, определяющей в дальнейшем свойства строительных смесей, бетонов и изделий на их основе, широко рассматриваются исследователями [1, 2]. Введение в состав композиционного материала минерального наполнителя с подобранным гранулометрическим составом позволяет уплотнить структуру получаемого композита, тем самым повысить прочностные характеристики, снизить расход вяжущего [3]. Однако для плотноупакованных систем характерны более высокая
140 120 100 80 60 40 20 0
у = 3,2418х2 - 0,4426х + 0,3906
7 т
Рис. 1. Модель внутренней структуры дисперсной системы негидратационного твердения
100
80
60
40
20
3
- 1 У
1 Л2\4 |
10 100 Размер частиц, мкм
Рис. 2. Интегральные кривые зернового состава порошков двуводного техногенного гипса: 1 - порошок грубого помола; 2 - механоак-тивированный порошок; 3 - бинарная смесь порошков 1 и 5 с преобладанием порошка грубого помола; 4 - бинарная смесь порошков 1 и 5 оптимального состава; 5 - порошок тонкого помола
водопотребность, низкая подвижность. Получение прочной структуры требует наличия в системе супер-и гиперпластификаторов [4].
Несколько меньше исследований посвящено направленному образованию структуры минеральных вяжущих за счет подбора гранулометрии порошков [5, 6]. В.А. Валь-цифером рассматриваются двух-фракционные системы на основе полуводного гипса. Описания структур двухфазных систем реальных материалов получены с использованием математического моделирования, где в качестве объектов моделирования выбраны суспензии [5]. Такая модель применима для композиционных материалов на основе полуводного гипса, когда в системе присутствует дисперсионная среда в достаточном количестве. Однако такие модели не применимы для систем, получаемых методом полусухого или гиперпрессования, когда дисперсионная среда присутствует в виде тончайших пленок на поверхности твердой фазы.
Двухфракционные смеси порошков разной степени и характера измельчения применимы и к цементным композициям.
Математическая модель, предлагаемая А.Ф. Полаком для дисперсных систем на основе двуводного гипса, также предусматривает наличие в системе достаточного количества дисперсионной среды, растворение двуводного гипса и формирование структуры идет в условиях фильтр-прессования [6].
Ввиду того что при фильтр-прессовании происходит удаление из системы свободной части дисперсионной среды, вместе с ней выводятся тончайшие частицы гипса, обусловливающие максимальную растворимость дисперсной фазы.
Применение систем с минимальным количеством дисперсионной среды дает возможность использовать все растворившееся ве-
щество для образования контактов при условии сближения частиц дисперсной фазы. При использовании гиперпрессования как способа формования систем на основе дву-водного гипса происходит уменьшение толщины пленок на частицах твердой фазы в момент приложения внешнего давления и образования первичных контактов [7]. Одновременно прочность образующейся структуры определяется также и количеством контактов, что в свою очередь зависит от характеристик дисперсности системы. Регулируя соотношение частиц разного размера в составе дисперсной системы, возможно направленно выстраивать образующуюся структуру негидратационного твердения. Ввиду того что количество кристаллизационных контактов в дисперсной системе негидратаци-онного твердения 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.
В данном исследовании рассмотрена бинарная дисперсная система, состоящая из частиц твердого материала сферической формы. В качестве объекта моделирования выбрана смесь порошков, полученных на основе двух монофракций двуводного техногенного гипса. Соотношение размеров (диаметров) элементарных частиц в составе бинарной системы колеблется от 1 до 16. Задача решалась путем создания математической модели, описывающей распределение твердых частиц в единице объема (элементарной ячейке) с учетом образования максимального количества кристаллизационных контактов структуры при условии, что мелкая частица
2
3
4
5
6
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал
22 июль 2010 *
должна располагаться в промежутке между двумя крупными частицами с заполнением всех образующихся пустот.
Разработана топологическая модель внутренней структуры дисперсной системы негидратационного твердения. Частицы различных размеров под действием сдвигового течения соударяются и образуют в дисперсной системе временные агломераты частиц. В расчетной ячейке частицы распределяются случайным образом. Для разработки топологической модели была использована компьютерная модель, описывающая процесс формирования внутренней структуры дисперсной системы негидратационного твердения в единичном объеме.
В результате проведенной статистической обработки экспериментальных данных по исследованию топологической модели внутренней структуры дисперсной системы негидратационного твердения получено уравнение, описывающее зависимость количества контактов В между крупными и мелкими частицами в элементарной ячейке от соотношения размеров (диаметров) частиц m.
Произведен расчет количества эффективных контактов (B = 804) для образования оптимальной структуры дисперсной системы не-гидратационного твердения, полученной по результатам экспериментов (рис. 1).
В целях оптимизации структуры безобжиговых композитов проведен анализ зернового состава порошков двуводного гипса, измельченных в лабораторной шаровой мельнице до различной тонкости, и бинарной системы на их основе, а также смеси порошков с добавкой активированного порошка двуводного гипса, полученного механической активацией порошка тонкого помола в лабораторном диспергаторе. Исследовались порошки двуводного гипса — отхода Конаковского фаянсового завода. Удельные поверхности исследованных материалов и их смесей варьировались от 767 до 1350 м2/кг. Гранулометрический состав оценивали с использованием дифракционного лазерного анализатора частиц «Fritsch Particle Sizer 'analysette 22'». Оценку производили по интегральной и дифференциальной кривым распределения, среднему размеру частиц и удельной поверхности. Фактор формы (ФФ) определяли по интегральной кривой распределения по отношению размеров частиц, соответствующих 50 и 20% содержанию частиц в составе смеси.
Интегральные кривые распределения частиц в дисперсных системах
на основе двуводного гипса показывают, что реальные полидисперсные порошки тонкого и грубого помола, соответствующие ГОСТ 125, имеют достаточно широкие распределения, фактор формы (пологости) кривой более 2; для крупнодисперсного порошка — 3,62, для высокодисперсного — 3,68, для их смеси — 4,23. В случае грубодисперсного порошка дифференциальное распределение в большей степени подчиняется закону распределения Гаусса. При смешивании порошков грубого и тонкого помола получаются смеси с самым широким распределением. Дифференциальная кривая имеет две четко выраженные вершины, соответствующие максимальному содержанию крупных и мелких частиц в составе смеси.
Полученные результаты по прочности подтверждают предположение о необходимости наличия в системе определенного количества мелких и крупных частиц. Наибольшей прочностью обладают образцы, полученные гиперпрессованием бинарной сырьевой смеси нормированного гранулометрического состава из порошков тонкого и грубого помола.
При сравнении полидисперсности систем, полученных помолом или смешиванием, установлено, что длительный помол снижает полидисперсность системы. Степень полидисперсности П порошка тонкого помола — это отношение максимального размера частиц к минимальному и равно 68. При смешивании порошков грубого и тонкого помола двуводного гипса степень полидисперсности возрастает: П = 347 (рис. 2).
Это предопределяет прочностные характеристики образующейся структуры. При низкой полидисперсности в системе негидрата-ционного твердения возникает минимальное количество активных контактов между частицами, что обусловливает невысокую прочность структуры. Смешивание или домол обеспечивают максимальное количество активных центров и соответственно высокую прочность, что подтверждается экспериментальными результатами.
Таким образом, подбирая оптимальный зерновой состав дисперсной системы негидратационного твердения на основе двуводного гипса, можно регулировать прочностные характеристики образующейся структуры, а следовательно, материалов и изделий на ее основе (рис. 3).
Полученная топологическая модель внутренней структуры дисперсной системы негидратационного твердения позволяет проводить рас-
£ 25
20
5
0
15 - г—.
10 -
1
2
3
4
5
Рис. 3. Показатели прочности прессованных гипсовых образцов на 7-е сутки твердения в зависимости от зернового состава дисперсной системы: 1 - порошок грубого помола; 2 - механоактивированный порошок; 3 - бинарная смесь порошков 1 и 5 с преобладанием порошка грубого помола; 4 - бинарная смесь порошков 1 и 5 оптимального состава; 5 - порошок тонкого помола
четы реальных бинарных смесей для получения оптимальной структуры.
Ключевые слова: дисперсная система, зерновой состав, кристаллизационные контакты, топологическая модель, двуводный гипс, негидратацион-ное твердение, прочность структуры.
Список литературы
1. Белов В.В., Смирнов М.А. Формирование оптимальной макроструктуры строительной смеси // Строит. материалы. 2009. № 9. С. 88.
2. Доманская И.К. О способах оптимизации фракционного состава мелких заполнителей // Материалы Всероссийской конференции «Строительное материаловедение сегодня: актуальные проблемы и перспективы развития». Челябинск. 2010. С. 33-34.
3. Свидерский В.А., Миронюк А.В. Влияние гранулометрических параметров наполнителя на структуру композиционного материала // Сухие строительные смеси. 2008. № 4. С. 46-48.
4. Калашников В.И. Перспективы использования реакционно-порошковых сухих бетонных смесей в строительстве // Строит. материалы. 2009. № 7. С. 59-61.
5. Вальцифер В.А., Зверева Н.А. Компьютерное моделирование реологического поведения суспензии // Математическое моделирование. 2004. Т. 16. С. 57-62.
6. Полак А.Ф., Ляшкевич И.М., Баб-ков В.В., Раптунович Г. С., Анва-ров Р.А. О возможности формирования кристаллизационных структур на основе двугидрата сульфата кальция // Известия вузов. 1987. № 10. С. 55-59.
7. Петропавловская В.Б., Белов В.В., Бурьянов А.Ф. Твердеющие кристаллизационные системы на основе порошков двуводного гипса // Строит. материалы. 2007. № 12. С. 46-47.
fy-.- научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Ы -- - ® июль 2010 23
