Подпишитесь на наши новости.

Email:


Подписаться

Новиченкова Т.Б., Тверской ГТУ (руководитель Белов В.В., д.т.н., профессор) «Моделирование технологического пространства дисперсных гипсовых систем»

Современные мировые тенденции направлены на разработку и внедрение технологий, обеспечивающих энерго- и ресурсосбережение. Для этого необходимо создавать материалы нового поколения, отвечающие всем современным требованием и с точки зрения его свойств, и с точки зрения технологий.
По мнению многих зарубежных авторов, будущее именно за гипсовыми вяжущими, материалами и изделиями на их основе, так как их производство по сравнению с цементными обусловливается в 2–3 раза более низкими капиталовложениями и металлоемкостью оборудования и в 5–6 раз меньшими расходами энергоресурсов. Гипсовые вяжущие и материалы на их основе являются экологически чистыми по сравнению с цементными, имеют более выгодные показатели по плотности, тепло- и звукопроводности; пожаростойкости и декоративности, обеспечению благоприятного микроклимата в помещениях [1,2].
Для гипсовых материалов нового поколения характерно выстраивание внутренней структуры за счет регулирования процессов, протекающих на молекулярном уровне: растворение, срастание кристаллов, перенос вещества от одной поверхности к другой и др. Обеспечение высокой прочности образующейся структуры достигается за счет подбора зернового состава сырьевой смеси.
Подбор зернового состава осуществляется из условия получения наиболее плотной упаковки частиц в составе полидисперсных сыпучих систем с точки зрения установления баланса действия поверхностных сил и сил гравитации, а также выяснения наилучшей модели упаковки систем с непрерывным зерновым составом в границах применимости физических законов упаковки [3, 4].
Тонкость помола и зерновой состав вяжущего также определяют строение порового пространства материала, а значит, и основные физико-механические показатели [5, 6]. Получение более плотной упаковки в дисперсной системе связано с использованием смесей разных фракций, что позволяет повысить прочность структуры гидратационного типа. В то же время установлено, что прочность дисперсных систем определяется также и прочностью частиц, образующих материал, и числом контактов между частицами твердой фазы, и средней прочностью отдельного контакта [3]. Число контактов, в свою очередь, зависит от размера частиц и способа их упаковки
Образования кристаллизационных контактов в дисперсной системе негидратационного твердения возможно при выполнении следующих условий:
– сближение частиц на расстояние действия близкодействующих сил;
– наличие в системе частиц, обладающей разной растворимостью;
– однородность новообразования и подложки;
– наличие приповерхностного слоя раствора, концентрация которого определяется размером частиц.
Учитывая, что не все контакты между частицами двуводного техногенного гипса образуют кристаллическую структуру, т. е. являются «эффективными», количество «эффективных» − 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.
Целью данной работы являлась разработка топологической модели внутренней структуры дисперсной системы негидратационного твердения ввиду того, что именно топология обеспечивает наиболее рациональную организацию в пространстве взаимодействующих объектов.
В работе исследована 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, согласно теории негидратационного твердения. Задача решалась путем создания математической модели, описывающей распределение твердых частиц в единице объема (элементарной ячейке) с учетом образования максимального количества «эффективных» контактов, отвечающих теории негидратационного твердения, − мелкая частица должна располагаться в промежутке между двумя крупными частицами.
Количество контактов, образующихся на поверхности крупной частицы рассчитываем по формуле:

1

Количество контактов мелких частиц на единичной поверхности крупной частицы определяем по формуле:

1

1

1

Распределение частиц в расчетной ячейке представлено на рис. 2. Частицы различного размера под действием сдвигового течения соударяются и образуют в дисперсной среде временные агломераты частиц (рис. 3). Частицы в расчетной ячейке распределяются случайным образом. Для разработки топологической модели была использована компьютерная модель, описывающая процесс формирования внутренней структуры дисперсной системы негидратационного твердения в единичном объеме (рис. 4). Оптимальная структура с точки зрения количества «эффективных» контактов формируется при условии наличия одного зерна с малым d между зернами с большими размерами D. Образование структуры такого типа возможно в бинарной смеси при соотношении диаметров D/d ≥ 16.

1

1

1

1

При таком соотношении размеров зерен бинарную смесь квазибазального типа можно получить при минимальном времени перемешивания, поскольку зерна с размерами d заполняют объем пустот подобно жидкости, так как они свободно проходят между зернами больших размеров. В этом случае фракция с размерами d расходуется на заполнение межзерновых пустот фракции с размерами зерен D (рис.3.4.2).
При соотношении диаметров D/d ≥ 16, можно провести расчет для определения количества контактов мелких частиц на всей поверхности крупной частицы (B = 803,84), количество контактов мелких частиц на единичной поверхности крупной частицы (F = 53,38).
Таким образом, полученная топологическая модель внутренней структуры дисперсной системы негидратационного твердения позволяет проводить расчеты реальных бинарных смесей двуводного гипса для получения оптимальной структуры Из полученных данных явно прослеживается, что с увеличением соотношения в размерах частиц возрастает количество кристаллизационных контактов (рис. 5), а следовательно, увеличивается прочность материалов.

1

Литература

1. Пустовгар А.П. Возведение зданий из материалов на основе гипсовых вяжущих // Материалы V Междунар. науч.-практич. конференции «Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий» / под ред. А.Ф.Бурьянова. М., 2010.

2. Денисов Г.А. Заводы ССС, безотходные ТЭС, экологически чистые технологии// Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2003. № 2. С.28.

3. Белов В. В. Оптимизация гранулометрического состава композиций для изготовления безобжиговых строительных конгломератов // Вестник МГСУ. 2009. № 3. С.117–125.

4. Калашников В. И. Перспективы использования реакционно- порошковых сухих бетонных смесей в строительстве // Строительные материалы. 2009. № 6. С.59–61.

5. Вальцифер В. А., Зверева Н.А. Компьютерное моделирование реологического поведения суспензии // Матем. моделирование. 2004. Т. 16. С. 57–62

6. Вальцифер В. А. Внутренняя структура полифракционных дисперсных систем // Там же. 2006. № 2. С.113–119.


"Я был удивлен большим количеством участников строительной конференции. Это говорит о том, что цементная промышленность заинтересована в спросе на цемент, который очень тесно связан с кра...
"Во-первых, спасибо за приглашение, строительная конференция прошла на европейском уровне и была очень хорошо организована. У меня появилось много интересных контактов с людьми со всех уг...

Информационные партнеры