CC BY
13УДК 622.363.51
В.Б. ПЕТРОПАВЛОВСКАЯ, канд. техн. наук (victoria_petrop@mail.ru), В.В. БЕЛОВ, д-р техн. наук, Т.Б. НОВИЧЕНКОВА, инженер, Тверской государственный технический университет; А.Ф. БУРЬЯНОВ, канд. техн. наук (rga-service@mail.ru), Московский государственный строительный университет
Закономерности влияния зернового состава на свойства сырьевых смесей прессованных гипсовых материалов
Получение гипсовых прессованных материалов на основе природного или техногенного дигидрата сульфата кальция связано прежде всего с оптимизацией их внутренней структуры, которая обеспечивает требуемые физико-механические характеристики получаемых изделий [1]. В связи с этим возникает необходимость направленного моделирования этих свойств на современном уровне при исследовании характеристик дисперсных систем, регулирующих данные свойства [2, 3].
Для дисперсных систем негидратационного твердения характерно формирование кристаллизационных контактов при использовании разной растворимости вещества в составе сырьевой смеси и внешнего давления, позволяющего сблизить частицы дигидрата на необходимое расстояние [4]. При этом значительную роль должны играть величина удельной поверхности и зерновой состав твердой фазы дигидрата, так как прочность дисперсных структур определяется в первую очередь числом активных центров кристаллизации на единичной площади сечения. При этом число активных центров зависит от размера частиц и способа их упаковки [5]. Зерновой состав дисперсной системы характеризуется дисперсностью частиц и процентным содержанием их в системе [6]. Однако гипсовые порошки обладают повышенной способностью к агрегации, поэтому уже при помоле они содержат не только отдельные первичные минеральные частицы, но и их агрегаты. Также происходит осаждение высокодисперсных частиц на крупных зернах, что может вызвать увеличение плотности контактных зон и прочности композиционного материала [1, 6].
0,8 -0,79 -
0,78-1-1-1-1-
0 2 4 6 8 10
Время, мин
Рис. 1. Кинетика насыщения растворов порошков дигидрата сульфата кальция разной дисперсности: 1 - 667 м2/кг; 2 - 753 м2/кг; 3 - 847 м2/кг; 4 - 892 м2/кг; 5 - 919 м2/кг; 6 - 987 м2/кг; 7 - 1006 м2/кг
Влияние таких агрегатов и отдельных частиц на технологические свойства сырьевых смесей, в том числе на способность к уплотнению, далеко не однозначны. При оценке зернового состава гипсовых сырьевых смесей методом седиментационного анализа часть агрегатов в составе смеси может распадаться, в то время как в условиях формирования структуры композита они играют немаловажную роль, создавая предпосылки для формирования максимального количества активных центров кристаллизации. Когезионное взаимодействие между крупными и мелкими частицами обусловливает образование в системе агрегатов кластерного типа [7]. Образовавшиеся кластеры, в свою очередь, могут образовывать фрактальную структуру. Оптимизированная система в результате образования значительного количества зазоров и щелей с отрицательной кривизной поверхности способствует повышению ее растворимости и эффективности протекания процессов (повышению скорости образования и увеличению площади контактов).
В целях установления взаимосвязи между структурообразующими факторами (степень пересыщения, плотность упаковки) и насыпной плотностью как количественной характеристикой технологических свойств гипсовой сырьевой смеси проводились исследования растворимости, плотности и прочности получаемых на ее основе прессованных композитов.
Исследования свойств дисперсных систем проводились с использованием порошков дигидрата сульфата кальция природного и техногенного генезиса различной степени измельчения с удельной поверхностью 667—1006 м2/кг, а также с использованием бидисперс-ных смесей на их основе. Удельную поверхность гипса
Время, мин
Рис. 2. Кинетика насыщения растворов бидисперсных смесей порошков дигидрата сульфата кальция с различным содержанием порошка более грубого помола: 1 - 0%; 2 - 15%; 3 - 30%; 4 - 45%; 5 - 60%; 6 - 75%; 7 - 100%
4
научно-технический и производственный журнал
июнь 2011
0,85 -
0,75 -
0,65
86 84 82 8
78 76 74 72 7
1,68
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Содержание грубодисперсного порошка, %
Рис. 3. Изменение насыпной плотности бидисперсной смеси порошков дигидрата сульфата кальция и средней плотности уплотненной смеси в зависимости от зернового состава: 1 - насыпная плотность дисперсной системы; 2 - средняя плотность дисперсной системы в уплотненном состоянии
33
31
29
27
25
23
21
19
17
0
20
40
60
80
100
Рис. 5. Микроструктура прессованного композита на основе полидисперсного порошка дигидрата сульфата кальция
Рис. 6. Микроструктура прессованного композита на основе бинарной смеси порошков ди-гидрата сульфата кальция нормированного зернового состава
Содержание грубодисперсного порошка, %
Рис. 4. Влияние зернового состава бидисперсной смеси порошков дигидрата сульфата кальция на прочность прессованных композитов
оценивали фильтрационным методом на приборе ПСХ-11. Растворимость определялась по величине электропроводности растворов с помощью кондуктометра «Мультитест КСЛ-101». Приготовление растворов из смесей производилось непосредственно перед началом опыта. Оценку влияния гранулометрического состава на физико-механические свойства прессованных гипсовых композитов проводили на образцах, изготовленных методом полусухого прессования и испытанных на 14-е сутки.
Растворимость порошков дигидрата изменяется непропорционально степени измельчения (рис. 1). С увеличением удельной поверхности порошков от 667 до 987 м2/кг растворимость возрастает. При дальнейшем увеличении удельной поверхности до 1006 м2/кг растворимость снижается, что обусловлено уменьшением количества дефектов на поверхности частиц.
Наибольшей растворимостью среди бидисперсных смесей обладает смесь, содержащая 30% порошка с удельной поверхностью 667 м2/кг (рис. 2). Как отдельные порошки, так и их смеси характеризуются одинаковой скоростью растворения (рис. 1, 2) и временем насыщения растворов при данных условиях.
Средняя плотность рыхлонасыпанных бидисперсных смесей зависит от процентного содержания отдельных порошков дигидрата. Максимальная плотность характерна для смесей с содержанием порошка более грубого помола в количестве 30%, что согласуется с полученными ранее результатами по растворимости (рис. 3).
Средняя плотность уплотненных порошков снижается при увеличении содержания порошка более грубого помола от 0 до 30%, что обеспечивает наиболее плотную упаковку дисперсной системы (рис. 3).
Исследования прочности композитов, получаемых на основе бидисперсных систем, показали наличие экстремума в области смесей с содержанием грубодисперсного порошка от 35 до 45 % (рис. 4). При более плотной упаковке образуется большее количество активных центров кристаллизации за счет отрицательной кривизны в местах контактов частиц разного размера.
Исследования микроструктуры композитов на основе отдельного порошка (рис. 5) и бидисперсной смеси (рис. 6) подтверждают образование плотной структуры в случае использования оптимизированной бидисперс-ной системы (рис. 6).
Таким образом, проведенные исследования подтверждают возможность использования насыпной плотности сырьевой смеси для проектирования и оптимизации составов прессованных гипсовых композитов и изделий на их основе.
Ключевые слова: дигидрат сульфата кальция, гранулометрический состав, когезионное взаимодействие, фрактальная структура, насыпная плотность, прессованные композиты.
Список литературы
1. Белов В.В., Петропавловская В.Б., Новиченкова Т.Б. Регулирование свойств безобжиговых гипсовых материалов // Строительные материалы. 2008. № 8. С. 14-15.
2. 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. 2008. № 8. С. 14-15.
3. Белов В.В., Петропавловская В.Б., Новиченкова Т.Б. Каустифицированные гипсовые системы // Строительные материалы. 2009. № 6. С. 10-11.
4. Белов В.В., Бурьянов А.Ф., Петропавловская В.Б. Условия образования твердеющих кристаллизационных систем на основе порошков двуводного гипса // Строительные материалы. 2007. № 12. С. 46-47.
5. Petropavlovskaya V.B., Belov V.V., Buryanoff A.F., Novichenkova T.B. Die bildung der struktur in den systemenaufgrund des zweiwasseregipses // Die Materialien der internationalen Konferenz «WEIMARER GIPSTAGUNG». Weimar. 2011. S. 401-406.
6. Белов В.В., Смирнов М.А. Формирование оптимальной макроструктуры строительной смеси // Строительные материалы. 2009. № 9. С. 88-89.
7. Хамидулина Д.Д. Оценка фрактальной размерности песков // Строительные материалы. 2010. № 6. С. 48-49.
8. Бурьянов А. Ф, Петропавловская В.Б., Новиченкова Т.Б. Малоэнергоемкие гипсовые материалы и изделия на основе отходов промышленности // Строительные материалы. 2006. № 7. С. 16-17.
fj научно-технический и производственный журнал
® июнь 2011
