Подпишитесь на наши новости.

Email:


Подписаться

Полеонова Юлия Юрьевна, Тверской государственный технический университет; научный руководитель — д‐р техн. наук, проф. В. В. Белов «Использование техногенных отходов в производстве безобжиговых гипсовых материалов и пути оптимизации гранулометрического состава сырьевой смеси»

Аннотация

Обеспечение строительства ресурсосберегающими, экологически чи­стыми материалами и изделиями — одна из первоочередных задач строительной индустрии, в особенности — промышленности строительных материалов, по­скольку именно она является наиболее крупным потребителем энергетических ресурсов, а также минерального сырья, топлива, биомассы и кислорода. Данная статья посвящена проблеме использования в производстве строительных изде­лий безобжиговых гипсовых вяжущих веществ, полученных на основе гипсовых отходов — отработанных литьевых форм фаянсового производства. Также рас­сматриваются вопросы оптимизации структуры сырьевых смесей.

Ключевые слова: двуводный техногенный гипс; фазовый контакт; гранулометрический состав; бинарная смесь; внутренняя структура; негидра­тационное твердение; математическое моделирование; безобжиговый композит.

Получение безобжиговых композитов на основе гипсовых техногенных отходов связано, прежде всего, с оптимизацией внутренней структуры компози­та, обеспечивающей высокие физико-механические характеристики материала [1, 2]. В связи с этим возникает необходимость применения методов компьютер­ного моделирования, позволяющих разрабатывать модели в качестве теоретиче­ской основы технологии получения безобжиговых изделий [3].

Данное исследование проводилось с использованием двуводного тех­ногенного гипса — отработанных форм Конаковского фаянсового завода Твер­ской области. Использовались бинарные смеси порошков двуводного гипса, полученных помолом в лабораторной шаровой мельнице. Прочность безобжи­гового композита на основе гипсовых техногенных отходов определяется проч­ностью частиц материала, числом контактов между частицами твердой фазы и прочностью отдельного контакта, а число контактов, в свою очередь, зависит от размера частиц и способа их упаковки [4]. Поэтому решалась задача по выявле­нию математической зависимости, описывающей процесс структурообразова­ния с использованием критерия оптимальности соотношения средних размеров частиц (числа фазовых контактов (координационного числа) и количественной характеристики бинарной смеси).

Основная задача математической зависимости — описать распределе­ние твердых частиц в единице объема (элементарной ячейке) при условии обра­зования максимального количества фазовых контактов, что отвечает механизму негидратационного твердения (мелкая частица должна располагаться в промежут­ке между двумя крупными частицами). Для разработки математической модели применялся метод динамики многих тел (MKD) — пошаговое 3D-моделирование упаковки сферических тел в ограниченном объеме. Данный метод позволил по­лучить количественную оценку упакованного массива сферических частиц [5].

Структуре негидратационного твердения на основе дигидрата суль­фата кальция наиболее соответствует гексагональная упаковка [6, 7], поэтому в основу пространственной компьютерной модели был заложен именно такой тип упаковки крупных частиц. На компьютерной модели был исследован процесс упаковки бифракционного массива частиц с возможностью задания их размеров и количества, что позволило получить различные структуры бинарных систем. При этом был рассчитан объем всех частиц; объем пор; число контактов, обра­зующихся на поверхности крупной частицы, и количество контактов мелких ча­стиц на единичной поверхности крупной частицы. Количественные характери­стики модели рассчитывались по формулам стереометрии, т. е. суммированием объемов сферических тел.

Математическая модель внутренней структуры дисперсной системы негидратационного твердения

                    По расчету компью­терной модели формирования оптимальной структуры дис­персной системы негидрата­ционного твердения на основе двуводного техногенного гип­са была получена математи­ческая зависимость, которая позволяет теоретически рас­считать оптимальный зерно­вой состав сырьевой смеси из порошков различной тонкости измельчения, обеспечивающий плотную упаковку в объеме при максимальном количе­стве контактов зерен разно­го размера. На рис. 1 пред­ставлена математическая зависимость суммы коорди­национных чисел от объем­ного наполнения крупными частицами и соотношения диаметров частиц бимо­дальной смеси.

Модель применима только для полусухих бинарных сырьевых смесей двуводного гипса, используемых для получения безобжиговых строительных композитов методом гиперпрессования.

Для установления адекватности разработанной модели был проведен сравнительный анализ удельных поверхностей двуводного техногенного гипса, насыпной плотности, а также растворимостей сырьевых смесей (рис. 2 и 3), ко­торые определялись по величине электропроводности растворов с помощью кон­дуктометра «Мультитест КСЛ-101».

Кинетика насыщения растворов порошков дигидрата сульфата кальция разной дисперсности

Проведенные исследования показали, что растворимость дисперс­ных систем двуводного гипса зависит от тонкости помола. 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. 3). Как отдельные порошки, так и их смеси характеризуются одинаковой скоростью растворения и временем на­сыщения растворов при дан­ных условиях.

Средняя плот­ность рыхлонасыпанных бидисперсных смесей зави­сит от процентного содер­жания отдельных порошков дигидрата (рис. 4). Макси­мальная плотность характер­на для смесей с содержанием

Кинетика насыщения растворов бидисперсных смесей порошков дигидрата сульфата кальция с различным содержанием порошка более грубого помола

 

порошка более грубого помола в количестве 30 %, что сопостави­мо с полученными результатами по растворимости.

Также были исследо­ваны физико-механические ха­рактеристики гипсового ком­позита. На основе двуводного техногенного гипса была изго­товлена серия образцов-цилин­дров размером 25 × 25 мм. При формовании применялся метод полусухого прессования на лабораторном гидравлическом прессе. Твердение гипсовых образцов осуществлялось при нормальной температуре в эксикаторе при влажности среды более 95 %.

Зависимость насыпной плотности от содержания крупнодисперсного порошка с удельными поверхностями 667 и 1006 м2/кг

 

Экспериментальная кривая прочности гипсовых образцов показала наличие экстремума в области смесей с содержанием грубодисперсного порошка от 20 до 40 % (рис. 5). При более плотной упаковке образуется большее количе­ство активных центров кристаллизации за счет отрицательной кривизны в ме­стах контактов частиц разного размера.

Зависимость прочности гипсового композита от содержания крупной фракции на 14 сут. твердения

Повышение прочности при использовании оптимизированной сы­рьевой смеси обусловлено, по-видимому, в первую очередь увеличением числа первичных кристаллизационных контактов, что подтверждается исследованием микроструктуры гипсового композита. Первичная структура композита характе­ризуется наличием недостаточно развитых кристаллизационных контактов между частицами дигидрата. При дальнейшем твердении, как показано на микрофото­графиях образующейся структуры (рис. 6), контакты развиваются, происходит срастание отдельных кристаллов в блоки, пористость структуры уменьшается. Количество контактов опреде­ляется соотношением размеров сблизившихся частиц и коли­чественным содержанием ча­стиц разных размеров в соста­ве смеси.

Оптимальный со­став обеспечивает макси­мально плотную упаковку в объеме при максимальном ко­личестве контактов зерен раз­ного размера. Оптимизация гранулометрического соста­ва сырьевых смесей на осно­ве двуводного техногенно­го гипса позволяет повысить прочность получаемого ком­позита за счет увеличения ак­тивных центров кристалли­зации в твердеющей системе, что подтверждается экспери­ментально.

Таким образом, оптимизация гранулометри­ческого состава безобжигово­го композита на основе гипсовых отходов техногенного генезиса с применением методов математического моделирования позволяет обеспечить строительную индустрию энергоэффективными материалами и изделиями высокого качества.

 

Микроструктура композита, полученного на основе бинарной смеси нормированного гранулометрического состава: а) непосредственно после прессования, б) на 7 сут. твердения

 

 

Литература

  1. Петропавловская В.Б., Белов В.В., Новиченкова Т.Б. и др. Оптимизация внутренней структуры дисперсных систем негидратационного твер­дения // Строительные материалы. 2010. № 7. С. 22–23.
  2. Петропавловская В.Б., Белов В.В., Новиченкова Т.Б. Регулирование свойств безобжиговых гипсовых материалов // Строительные матери­алы. 2008. № 8. С.14–15.
  3. Петропавловская В.Б., Белов В.В., Бурьянов А.Ф. Твердеющие кристал­лизационные системы на основе порошков двуводного гипса // Стро­ительные материалы. 2007. № 12. С. 46–47.
  4. Патент 2297399 Российская Федерация. Способ изготовления изделий из гипса / Петропавловская В.Б., заявитель и патентообладатель Твер­ской гос. тех. университет — №2005137935; зарегистрировано 20.04.07.
  5. Патент 2011615905 Российская Федерация. Расчет топологических па­раметров сыпучих дисперсных систем / Белов, В.В, Новиченкова, Т.Б., Образцов, И.В.; заявитель и патентообладатель Тверской гос. тех. уни­верситет — №2011614066, зарегистрировано 28.07.11.
  6. Хархардин А.Н., Топчиев А.И. Уравнения для координационного числа в неупорядоченных системах // Успехи современного естествознания. 2003. № 9. С. 47–53.
  7. Волошин В.П., Медведев Н.Н., Фенелонов В.Б. и др. Исследование структуры пор в компьютерных моделях плотных и рыхлых упа­ковок сферических частиц // Журнал структурной химии. 1999. Т. 40. № 4. С. 46–60.

 

 


"Участвуем в международной строительной выставке «Цемент. Бетон. Сухие смеси» не первый раз. Все мероприятия были интересными и хорошо организованными. Понравилось все без исключения. Обс...

Информационные партнеры