CC BY
65
Строительные материалы, изделия и конструкции
УДК 691.42
ВЛИЯНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ ВОДЫ НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ШЛИКЕРОВ АЛЮМОМАГНЕЗИАЛЬНОГО СОСТАВА
В.А. Гурьева
INFLUENCE OF THE PHYSICAL ACTIVATION OF WATER ON SLURRY RHEOLOGICAL PROPERTIES WITH ALUMOMAGNESIUM COMPOSITION
V.A. Gurieva
Рассматривается электрофизическая активация воды, позволяющая изменять реологические свойства шликера при производстве керамического камня.
Ключевые слова: керамика, техногенное сырье, силикаты магния, структурообразование.
Electrophysical activation of water allowing to change rheological properties of slurry during manufacture of a building tile is analyzed.
Keywords: ceramics, magnesium silicates, technogenes raw material, structure formation.
В производстве изделий строительной керамики одним из наиболее актуальных вопросов является получение керамических суспензий со стабильными реологическими свойствами: пониженной влажностью, вязкостью, повышенной текучестью при достаточно высокой концентрации твердой фазы. При вовлечении в производство керамики низкокачественного алюмосиликатного сырья в виде местных легкоплавких глин и нового, неиспользуемого ранее техногенного магнезиального сырья необходимо проведение работ по получению шликера, реологические свойства которого обеспечивают его подвижность при транспортировании и стабильность структуры керамики.
В настоящее время одним из наиболее эффективных способов достижения нужной подвижности шликера при его минимальной влажности, регулирования агрегативной устойчивости суспензий является применение электролитов, в качестве которых наиболее часто используются соли одновалентных металлов. В результате химического взаимодействия электролитов с частицами твердой фазы суспензии часть рыхлосвязанной воды переходит в свободную, что обеспечивает требуемую подвижность шликера.
Поэтому целью работы является получение шликера из масс на основе нетрадиционного для керамики сырья с использованием физической активации воды, а задачей исследования - влияние на шликер химической и физической активации для перевода в нем рыхлосвязанной воды в свободную.
На первом этапе исследовались реологические
свойства систем: «глина - электролит - вода», «магнезиальное сырье - электролит - вода». В работе для улучшения реологических свойств шликеров использовались традиционные для строительной керамики виды электролитов: кальцинированная сода, жидкое стекло, пирофосфат натрия.
Эффективность действия дефлокулянтов оценивали по методике, разработанной и апробированной НИИСтройкерамики [1]. Навеску исходного материала т\ затворяли количеством воды из расчета №„то6 = 40 %, при контроле за pH шликера от 8 до 9, что определялось видом и количеством электролита. После добавления электролита в количестве я?2 суспензию тщательно перемешивали и отстаивали в течение 15 мин. Сушка суспензии осуществлялась в муфельном шкафу при 105-110 °С до достижения постоянной массы т3. По разности 5 = пц - тъ определяли количество рыхлосвязанной воды. Результаты испытаний приведены на рис. 1,2.
Как видно из диаграмм, при увеличении содержания электролита до некоторого значения (для каждого материала индивидуально) количество свободной воды возрастает, о чем свидетельствуют характерные пики, присутствующие на кривых разжижения каждого материала. Однако для исследуемых моносуспензий как в случае использования одного вида электролита, так и при введении композиций наиболее эффективных из рассмотренных электролитов в количестве, соответствующем пику на кривой разжижения, существенного снижения вязкости, обеспечивающей тех-
Строительные материалы, изделия и конструкции
Содержание электролита, <И>
Рис. 1. Разжижающее действие электролитов на глины месторождений: Черноре-ченского (а), Соль-Илецкого (6), Кумакского (в): —■— жидкое стекло; ••• сода кальцинированная техническая; —•— пирофосфат натрия
Содержание шеиролита, ? о
Рис. 2. Разжижающее действие электролитов на серпентинит содержащее техногенное сырье: —■— жидкое стекло; •••□ сода кальцинированная техническая; —•— пирофосфат натрия. Коэффициент вариации полученных результатов не превышает 5 %
30
$ 25 4»
О
е 20 2 15 Ь 10
4
2'
Т" "1
'3
0,03 0,05 0,075 ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Содержание электролита, %
Рис. 3. Текучесть шликеров при оптимальном содержании моноэлектролита: 1 - Чернореченская глина + пирофосфат натрия; 2 - Кумакская глина + кальцинированная сода; 3 - Соль-Илецкая глина + жидкое стекло; 4 - серпентинит + жидкое стекло
нологически необходимую текучесть шликеров (по вискозиметру ВЗ-4 13-15 с, спустя 30 с после приготовления), не достигнуто (рис. 3).
Высокая вязкость суспензий опытных составов связана с тем, что системы на основе полими-неральных легкоплавких местных глин и магнезиального техногенного сырья являются сложными по составу твердых частиц.
Катионы двухвалентных металлов (]У^+; Са2+), присутствующие в частицах твердой фазы шликера, не вступившие в соединение с анионами электролитов, накапливаются и забирают часть свободной воды в свои гидратные оболочки. Это вызывает коагуляцию частиц твердой фазы шликера и снижение его подвижности. Поскольку катион М§2+ имеет малый радиус - 0,74А, то он в большей
Гурьева В.А.
Влияние физической активации воды на реологические свойства шликеров алюмомагнезиального состава
степени подвержен гидратации с образованием устойчивых аквакомплексов типа Р^(Н20)б]2+. Способность катиона магния удерживать молекулы воды в гидратной оболочке объясняет большую склонность шликеров, насыщенных данными катионами, к уменьшению подвижности и загустеванию.
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют:
- о нецелесообразности использования метода химической активации шликеров на основе местных легкоплавких глин и магнезиального сырья электролитами;
- при данном способе активации вода, являясь компонентом шликерных масс, характеризуется низкой активностью.
Вместе с тем из работ [2, 3] известно, что в результате взаимодействия воды с внешними или внутренними воздействиями (физической активации) в ней происходят изменения, проявляющиеся в переструктурировании водных кластеров (их состав уменьшается до 5-6 молекул в отличие от неактивированной воды, в кластере которой содержится 13-15 молекул), изменении межмолеку-лярных взаимодействий и физико-химических характеристик. Такая вода является более активной по физическим показателям.
В этой связи автором предположено, что в процессе физической активации воды разными способами, изменяются ее вязкостно-коагуляционные свойства, в том числе разжижающие свойства, способствующие переводу части рыхлосвязанной воды в составе шликера в свободную. С целью проверки этой гипотезы на втором этапе исследо-
ваний были проведены эксперименты в системах «глина - активированная вода» и «глина - добавка (электролит) - активированная вода». Опытное сырье затворяли водой, предварительно активированной раздельным воздействием магнитного поля и электрического поля (сила тока изменялась от 0,5 до 2,0 А). Доля электролитов составляла: техническая сода (0,1-0,9 %), жидкое стекло (0,1-0,9 %), пирофосфат натрия (0,1-0,9 %). Из полученных результатов, представленых на рис. 4, следует, что при применении для затворения керамических масс воды, предварительно прошедшей определенный вид и режим физической активации, ввод электролита нецелесообразен, так как его присутствие не вызывает перехода части связанной воды в рыхлосвязанную и не обеспечивает необходимую степень разжижения глинистых суспензий. В этом случае происходит обратный процесс - коагуляция шликера При увеличении концентрации электролитических добавок в шликере повышается количество свободных катионов М§2+, Са2+, для соединения с которьми свободных анионов [8Ю3]2' недостаточно. Замещенные катионы М§2+, Са2+, являясь свободными, создают вокруг себя мощные оболочки связанной воды, что контролируется повышением вязкости суспензии, снижением ее текучести, а при отстаивании наблюдается расслоение.
Отказ от использования электролитов позволит предприятиям снизить расходы на сырьевые материалы.
Сравнение между собой результатов, представленных на рис. 4, позволило установить, что в ряде случаев для одного типа глины увеличение
«и *5 «А 0" «1 0# Содержим* шрофосфгга «ври, %
3)
•11 т «.** «.*
Стержжт гяцофосфот* кигрн* % б)
Рис. 4. Влияние вида активации воды на реологические свойства системы «глина + электролит»: а - глина месторождения Чернореченское; б - глина месторождения Соль-Илецкое.
—«— магнитная активация; электроактивированная вода 1 режима (0,5 А);
—А— электроактивированная вода 2 режима (1,0 А); —•— электроактивированная вода 3 режима (1,5 А); —о— электроактивированная вода 4 режима (2,0 А)
Строительные материалы, изделия и конструкции
Рис. 5. Электронно-микроскопическое изображение структуры солей жесткости воды (хбОО), метка 10 мкм: а - в характеристическом рентгеновском излучении до физической активации воды Са, Ка; б - во вторичных электронах до активации; в - во вторичных электронах после активации
количества рыхлосвязанной воды происходит при изменении вида или режима физической активации воды. Так, для глины Чернореченского месторождения наибольшее разжижение отмечалось при затворении магнитоактивированной водой без введения добавки электролита (0,9 г). Однако при изменении вида физической активации воды (на элек-троактивированную по 1 режиму) в композиции с
0,1 % пирофосфата натрия количество рыхлосвязанной воды увеличивается до 1,25 г. По мнению автора, сохранение или изменение режима и вида активации воды, необходимость ввода добавки электролита определяется особенностью местных легкоплавких глин - неоднородностью химического и минералогического составов частиц твердой фазы, присутствием смешанослойных минералов, склонных к набуханию.
Ранняя коагуляция шликера, которая усиливается с увеличением ввода электролитов (см. рис. 1,2), тесно связана с тем, что неактивированная пресная вода, применяемая в ходе исследований, характеризуется средней степенью жесткости и содержит различные растворенные в ней соли, в том числе соли кальция, преимущественно в виде бикарбоната (рис. 5, а).
В результате физической активации воды происходит нарушение электростатической связанности катионов кальция и других ионов солей жесткости. Свободные положительные и отрицательные ионы раствора соединяются в результате взаимного притяжения, и в воде (по данным петрографического анализа) появляются игольчатые кристаллы полиморфной разновидности известняка - арагонита. Кристаллы арагонита характеризуются более низким значением свободной поверхностной энергией в сравнении с кристаллами кальцита, более низкой когезией, что способствует возникновению суспензии конденсационной структуры, приближая ее по составу близко к коллоиду, в которой, однако, не возникает твердых отложений (характерных для солей известняка) и сохраняется подвижность.
По результатам ранее проведенных исследований установлена оптимальная степень активации воды, равная 40-60 %, устанавливаемая по плотности насыщения воды зарядом [4]. При данных параметрах обработки воды достигнуто раздробление и уменьшение размеров кристаллов солей жесткости более чем в 10 раз, по сравнению с размерами кристаллов солей жесткости в исходной необработанной воде (рис. 5, б, в), а также разрушение скоагулированных ранее частиц. В поле зрения микроскопа (кристаллоопти-
ческий метод контроля оценки качества физически активированной воды) практически сплошным полем (85-90 % от общей площади) видны раздробившиеся кристаллы карбоната кальция размером 0,5-1,0 мкм (рис. 5, в), состоящие преимущественно из арагонита.
При увеличении концентрации электролитических добавок в шликере повышается количество свободных катионов Мц21, Са2+ для соединения с которыми свободных анионов [БЮз]2 недостаточно. Замещенные катионы М^2+, Са2+, являясь свободными, создают вокруг себя мощные оболочки связанной воды, что контролируется повышением вязкости суспензии, снижением ее текучести, а при отстаивании наблюдается расслоение.
Таким образом, применение метода физической активации воды на этапе массоподготовки сырьевой смеси алюмомагнезиального состава позволяет:
1) увеличить количество свободной воды в шликере, обеспечивающее его подвижность без введения электролита или в зависимости от минералогического состава глины и вида электрофизической активации воды с добавлением только одного вида электролита и при его минимальном количестве (0,01-0,1 %). Это содействует стабилизации структуры шликера при его хранении и устранению явления расслоения;
2) получить полиморфную модификацию карбоната кальция - арагонит, и уменьшить диаметр присутствующих в воде кристаллов солей жесткости до 0,5-1,0 мкм, что способствует сохранению подвижности шликера, в котором не возникает твердых отложений, уменьшается брак в изделиях, получаемых литьем (отсутствуют посечки в керамическом черепке, трещины, снижается его хрупкость).
Литература
1. Иванова, А.В. Технологические испытания глин / А.В. Иванова, Н.А. Михайлова. — Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ- УПИ. - 2005. - 41 с.
2. Классен, В. И. Вода и магнит / В. И. Классен. -М.: Наука, 1973. - 115 с.
3. Зенин, С. В. Гидрофобная модель структуры ассоциатов молекул воды / С.В. Зенин, Б.В. Тяглое // Физическая химия. - 1994. - Т. 68, №4. -С. 636-641.
4. Пат. 2382746 Российская Федерация. Способ получения строительной керамики / В.А. Гурьева, В. А. Помазкин, Л.Т. Редько. - Заявл. 16.06.2008; опубл. 27.02.2010, Бюл. №6.-3 с.
Поступила в редакцию 15 марта 2011 г.
