CC BY
14Череватова A.B.
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ АГРЕГАТИВНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ И РЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВКВС ПУТЕМ ИХ НАПРАВЛЕННОЙ КОМПЛЕКСНОЙ МОДИФИКАЦИИ*
Направленное формирование структуры новых материалов на основе нанотехнологии и оптимизация физико-химических основ технологии производства требует научно-обоснованного подхода и детального изучения закономерностей кинетики структурообразования дисперсных систем в ходе их технологической переработки и применения. Сложность этой задачи обусловлена разнообразием реологических характеристик, зависящих от многих факторов, таких, как скорость деформации структуры, особенности взаимодействия дисперсных фаз между собой и с дисперсионной средой, степени анизометричности и размера частиц дисперсных фаз, их распределения по формам, размерам и концентрации в дисперсионных средах.
В настоящее время в БГТУ им. В.Г. Шухова развиваются научные основы регулирования реологических свойств и агрегативной устойчивости высококонцентрированных вяжущих систем (ВКВС), полученных путем механохимической активации исходных кристаллических и аморфных материалов, и успешно ведутся исследования по возможности использования ВКВС в производстве строительных материалов. Итог этих исследований: разработка целого ряда строительных материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками, полученные по традиционным технологиям; а так же создание новых технологий производства строительных материалов. В частности, разработаны модельные системы неокомпозитов на основе ВКВС [1]. Рассмотрена роль заполнителей в формировании заданных характеристик композиционных материалов. Исследуются процессы формования и особенности межфазных взаимодействий при структурообразовании неокомпозитов на основе ВКВС [2]. Изучается влияние состава и структуры разрабатываемых композиционных материалов на их физико-механические характеристики.
Специфической особенностью подавляющего числа ВКВС, а так же формовочных систем на их основе, характеризующихся объемной концентрацией твердой фазы С в пределах 0,80 - 0,90 является сильно выраженная дилатансия. Дилатантный характер реологического поведения - это безусловный «камень преткновения» в технологии получения и применения ВКВС [3].
На сегодняшний день автором установлены основ-
ные закономерности регулирования агрегативной устойчивости и реологических свойств ВКВС силикатного и алюмосиликатного составов, связанные с оптимизацией зернового состава исходной суспензии путем регулирования содержания в системе определенного количества наночастиц [4].
Предложен принцип пластификации ВКВС как матричных систем, позволяющий изменить их реологические характеристики с дилатантного на тиксотропный за счет введения высокодисперсной глинистой составляющей. Показана определяющая роль содержания нано-дисперсных частиц в смешанных вяжущих на их свойства [4].
Наличие оптимального количества наночастиц позволяет улучшить реотехнологические свойства систем на стадии подготовки и формировании структуры, приводит к росту механической прочности на стадии струк-турообразования.
Разработан принцип оптимизации структуры матричной фазы (на примере ВКВС), позволяющий модифицировать формовочные системы. Этот принцип основан на комплексном проявлении трех механизмов воздействия на систему: структурно-механического, электростатического, адсорбционно-сольватного [5].
Пример структурно-механического воздействия на систему реализован на принципе пластификации ВКВС как матричных систем, за счет введения частиц глинистых минералов.
Известно, что глины незавершенной стадии минера-лообразования с высоким содержанием рентгеноамор-фного вещества по своей природе являются естественными наносистемами. Содержание в глинах частиц менее 5 мкм достигает 60%. Специфическое строение глинистых минералов способствует созданию структурно-механического барьера, что позволяет обеспечить весьма высокую устойчивость прослоек дисперсионной среды между частицами дисперсной фазы. Кроме того, присутствие в системе глинистой составляющей способствует гидрофилизации поверхности твердой фазы, поскольку частицы глины обладают большей гидрофиль-ностью, чем частицы ВКВС. Оптимальная концентрация глинистой составляющей, в зависимости от уровня дисперсности исходных глинистых минералов, находит-
ся в пределах 2 - 10%.
При этом, как уже упоминалось ранее, изменяется реологический тип системы с дилатантного на дилатан-тно-тиксотропный и далее на тиксотропныш. Повышается седиментационная устойчивость ВКВС. Наличие оптимального количества наночастиц позволяет улучшить реотехнологические свойства формовочных систем, приводит к росту механической прочности на стадии структурообразования и сушки.
Принцип оптимизации структуры системы, за счет реализации двух механизмов воздействия на ВКВС: электростатического и адсорбционно-сольватного, апробирован при разработке комплексных дефлоккулянтов, состоящих из триполифосфата натрия и суперпластификатора СБ-5 [6].
Отмеченная высокая эффективность комплексной добавки обусловлена суммированием различных механизмов воздействия компонентов на частицы дисперсной фазы ВКВС и смесей. Если для минеральных добавок типа жидкого стекла или триполифосфата натрия разжижение обусловлено образованием двойного электрического слоя (ДЭС), изменением рН дисперсионной среды ВКВС, увеличением значения электрокинетического потенциала, то для органических добавок (СБ-5) характерна их адсорбция на поверхности частиц и гидро-филизация за счет наличия в них полярных групп. Это сопровождается снижением поверхностного натяжения на границе раздела фаз, что ведет к пептизации частиц.
При совместной модификации ВКВС, как матричной системы глиной и комплексным дефлоккулянтом, частицы глинистых минералов концентрируются лишь на контактной зоне, при этом оптимальное количество глинистой составляющей установлено в пределах 2 -5%. Дело в том, что при введении дефлоккулянтов, идет пеп-тизация поверхности как глинистой составляющей так и частиц ВКВС, это позволяет «закрыгть» поверхность твердой фазы системы меньшим количеством глинистых частиц.
Установленные закономерности регулирования аг-регативной устойчивости системы ВКВС, позволяют в первую очередь, повысить их седиментационную устойчивость, увеличить объемную концентрацию твердой фазы - это является общим для всех изучаемык систем, а так же направленно регулировать реологические свойства (см. схему на рис. 1).
Вышеизложенныге теоретические принципы регулирования реологических свойств и агрегативной устойчивости при комплексной модификации ВКВС были реализованы на практике при разработке технологии многослойный: строительнык изделий, теплоизоляционных и жаропрочных пенобетонов, огнеупорных кера-мобетонов и тонкокерамических систем.
Автором быши сформулированы принципы повышения эффективности производства тонкокерамических материалов, заключающиеся в оптимизации зернового состава исходной суспензии, путем регулирования содержания в системе определенного количества нанодис-
персных частиц. Установлена взаимосвязь между способом помола отощающего компонента, линейной усадкой и скоростью процесса муллитообразования в тонкокерамических массах [7].
За счет оптимизации зернового состава, достигнутого путем введения высокодисперсного кварцевого компонента, полученного по технологии ВКВС, существенно (на 25-30%) увеличилась объемная концентрация твердой фазы при одном и том же соотношении кварцевого компонента, существенно снизить вязкость системы. Возможным объяснением снижения вязкости может быть то, что наноразмерные частицы ВКВС, обладая большой лиофильностью, окружают более крупные частицы системы, образуя тем самым структурно-механический барьер и снижая поверхностное натяжение на поверхности ««твердое тело - жидкость». Анализ дисперсности показывает, что дисперсность кварцевого компонента, полученного мокрым способом, существенно выше по сравнению с таковой для аналогичного сухо-молотого компонента. В сухомолотом материале практически отсутствует сверхтонкая фракция (менее 0,1 мкм - частицы наноуровня), присутствующая в кварцевом компоненте, полученного по технологии ВКВС.
При изучении особенности реологии пеносистем [8] отмечено, что содержание коллоидного компонента в смешанных вяжущих оказывает решающую роль на физико-механические и эксплуатационные свойства материала.
Анализ реологических характеристик пеносистем показывает, что для теплоизоляционных материалов и изделий при получении пористой структуры повышение дисперсности каркасообразующих элементов позволяет снижать среднюю плотность материалов, увеличивать содержание в них газовой фазы, повышать равномерность ее распределения и дисперсность, а следовательно, улучшать теплоизоляционные свойства материалов, что и доказано на примере практической реализации при разработке составов масс для жаропрочных теплоизоляционных пенобетонов [8].
На основе комплексного изучения реотехнологичес-ких свойств системы ВКВС кварцевого песка - огнеупорная глина [4], установлено, что при содержании добавки глины (2 - 5%) можно получить смешанные вяжущие с большими плотностью и прочностью, чем на ВКВС кремнеземистого состава без этой добавки.
Также, на примере ВКВС бокситового состава подтверждена эффективность комплексной добавки (0,033%СБ-5 + 0,067% триполифосфата №). Быио установлено, что комплексный разжижитель наиболее эффективно переводит данную систему в устойчивое тик-сотропное состояние с понижением общей вязкости до 15 раз, при этом сохраняется ее седиментационная устойчивость [9].
Модификация пространственной структуры системы на примере ВКВС способствует существенному повышению ее реотехнологических качеств. Благодаря этому фактически в два раза снижается влажность фор-
мовочных систем на основе ВКВС (с 7,6 до 4,0-3,8 %), уменьшается пористость готовык изделий, повышаются их физико-механические и эксплуатационные характеристики.
Это позволяет создать высокоэффективные экологически безопасные строительные материалы нового поколения и неокомпозиты, предназначенные для работы в экстремальный условиях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Череватова A.B., Гащенко Э.О. Многослойный строительный материал на основе ВКВС кремнеземсодержаще-го сырья./ А.В. Череватова, Э.О. Гащенко // Строительные материалы, - М., 2006. - № 4. - С. 22 - 23.
2. Череватова А.В., Лозовая С.Ю., Строкова В.В. Моделирование уплотнения формовочной смеси на основе высококонцентрированной вяжущей системы./ А.В. Череватова, С.Ю. Лозовая, В.В. Строкова // Строительные материалы, -М., 2007. - № 5. - С. 68 - 69.
3. Пивинский Ю.Е. Реология дилатантных и тиксотропных дисперсных систем / Ю.Е. Пивинский. - С-Пб.: РИО СПбГТИ(ТУ). - 2001. - 174 с.
4. Череватова A .В. Кремнеземистые огнеупорные массы на основе пластифицированных высококонцентрированных керамических вяжущих суспензий / А.В. Череватова. -Белгород.: Изд. БГТУ. - 1999. - 151 с.
5. Шаповалов H.A. Оптимизация структуры наносистемы на примере ВКВС./ Н.А. Шаповалов, В.В. Строкова, А.В. Череватова // Строительные материалы. 2006. № 9. С. 16 - 17.
6. Шаповалов H.A., Череватова А.В. и др. Комплексная разжижающая органоминеральная добавка для огнеупорных формовочных систем и способ изготовления материалов с ее применением.// Патент РФ № 2238921 Официальный бюллетень «Изобретения», 2004, № 30. С. 319.
7. Шаповалов H.A., Череватова А.В., Слюсаръ A.A. и др. Возможность получения высокодисперсного отощающего компонента для тонкокерамических систем // Химия и химическая технология. 2004. Т. 47. Вып. 2. С. 14 - 17.
8. Череватова A.B., Перетокина H.A., Евтушенко Е.И.. О возможности получения жаростойкого пенобетона на основе модифицированной ВКВС алюмосиликатного состава // Сб. трудов Международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика», Пенза, 17 - 18 мая 2006. С. 298 -300.
9. О влиянии разжижающих добавок на свойства высокоглиноземистых керамобетонов /Пивинский Ю.Е., Добродон Д.А., Череватова А.В.,Ермак Ю.Н. // Новые огнеупоры, -М., - 2003, - № 6. - С. 28 - 35.
*Данная работа выполнялась при финансовой поддержке в рамках федеральной целевой программы ««Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2012 годы» по лоту 4: Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области индустрии наносистем и материалов по критической технологии «Технологии создания и обработки композиционных и керамических материалов» шифр «2007-3-1.3-24-01-045».
