Автореферат диссертации (Безобжиговые гипсовые композиты с повышенными эксплуатационными свойствами), страница 5

Коэффициент размягчения гипсовогокамня, модифицированного добавкой известняка, составил 0,4, тогда как длядигидрата составил 0,6. Следовательно, использование в смеси добавкиизвестняка дает небольшое снижение прочности при значительном сниженииводостойкости. Таким образом, для образования фазовых контактов вбезобжиговых композитах требуется обеспечение структурной однородностиотличиеотсистем,характеризующихсяобеспечениемвысокогофазообразующего вещества и адсорбирующей поверхности.Причемтребования к структурному соответствию кристаллизующегося вещества иподложки снижаются по мере роста пересыщения.Установлена взаимосвязь свойств гипсового композита с величинойдавления прессования, гранулометрическим составом пресс-порошков и20Предел прочности при сжатии, МПахарактеристиками дисперсионной среды.

С учетомтехнологическойсложности получения высокодисперсных порошков, требующих примененияспециального оборудования и затрат, причем склонность двуводного гипса ккогезионному слипанию делает этот процесс еще более сложным,исследовалась возможность применения полидисперсных порошков различногоизмельчения и их смесей.При сравнении порошков двуводного гипса разной тонкости помолаустановлено, что при повышении степени измельчения двуводного гипса,растет прочность прессованных образцов приоптимальном значениивлажности сырьевой смеси (рисунок 14). При этом излишняя дисперсность,способствуя увеличению растворимости системы, обеспечивает в ней высокоепересыщение, а значит, способствует формированию мелкокристаллическойструктуры, тем самым понижая ее стабильность.181614121086420432105101520253035Влажность пресс-порошка, %Рисунок 14 – Изменение прочности структуры конденсационного твердения в зависимостиот дисперсности и влажности пресс-порошков: 1 – удельная поверхность порошка (Sуд.) 87м2/кг; 2 – 785 м2/кг; 3 – 890 м2/кг; 4 – 933 м2/кгВвидунеобходимостиобеспеченияосновныхусловийдляконденсационного твердения систем двуводного гипса и с учетом того, чтоповышения прочности (в связи с увеличением числа фазовых контактов) можнодобиться сочетанием разных фракций, исследования деформативныххарактеристик производились на бифракционных дисперсных системах, вкоторых соотношение средних диаметров отдельных порошков дигидрата,согласно анализу дисперсности, соответствует 16 : 1 .

Данное соотношениедиаметров согласуется с ранее установленными данными по растворимости.Повышение сопротивления уплотнению при прессовании связано также сростом количества контактов, поэтому управлять структурой дисперснойсистемы можно через её формовочные свойства. Влажность смеси и еегранулометрический состав являются факторами, которые в итоге определяютструктуру безобжигового композита на основе двуводного гипса. Всоответствии с исследованиями упругого расширения,наиболее21оптимальными являются составы с содержанием порошка крупного помола впределах 30 % - 70 % (рисунок 15).Экспериментально полученныерезультатыисследованийбезобжиговыхкомпозитовпоказали,чтонаиболееэффективнымметодомполученияструктурконденсационного твердения наоснове дигидрата сульфатакальция является сочетаниегиперпрессования, как физикохимического фактора тверденияРисунок 15 – Влияние гранулометрического составаснормированиембинарной смеси на плотность безобжиговогогранулометрического состава.гипсового композита при различной влажности смеси:Ввиду того что распределение1 – 6 %; 2 – 12 %; – 15 %; 4 – 20 %; 5 – 22 %частиц по размерам в составеполидисперсных порошков отвечает нормальному закону распределения, приэтом, такие порошки могут состоять только из отдельных частиц дигидрата, нои из агрегатов, образующихся в процессе помола, то в таком случаеоптимизациягранулометрическогосоставатребуетиспользованиематематического аппарата, который позволил бы сократить и упроститьпроцесс регулирования внутренней структуры безобжигового композита наоснове многофракционных сырьевых смесей.В отличие от традиционной организации структуры геометрииорганизации пространства минеральных композитов, формируемых с цельюобеспечения максимальной плотности в упаковке структурных элементов, вслучае конденсационного тверденияона имеет свои особенности:оптимизация структуры должна проводиться из условия получениямаксимального количества фазовых контактов.

Поскольку не все частицыдвуводного гипса в момент сближения способны участвовать в«зародышеобразовании»,количествоконтактовбудетопределятьсясоотношением размеров сблизившихся частиц и их количественнымсодержанием в составе смеси. Бинарная смесь, приготовленная путемсмешивания двух монофракций, значительно различающихся по размерусоставляющих их частиц, по отношению к контактам между крупнымичастицами может характеризоваться формированием «базальной» или«поровой» структуры.Для конденсационной системы дигидрата сульфата кальция оптимальнойс позиций образования максимального количества фазовых контактов является«квазибазальная» структура, характеризующаяся наличием одного зерна(сферы) малого размера между зернами (сферами) с большими диаметрами(рисунок 16), которая может быть реализована с помощью компьютерноймодели.22Рисунок 16 – «Квазибазальная» структура дисперсной системы конденсационноготвердения и ее элемент, иллюстрирующий координационное числоВ ходе проектирования математической модели была использованакомпьютерная пространственная модель, позволяющая аппроксимироватьструктуру дисперсной системы конденсационного твердения и произвестирасчет необходимых топологических характеристик применительно кединичному объему.Были проведены исследования трехмерной реконструкции бинарнойдисперсной системы в виде твердых сфер.

Система состоит из дисперснойфазы, представленной смесью частиц твердого материала сферической формыдвух размеров, газообразной и жидкой дисперсионной средой. В полусухойсырьевой смеси, которая используется по технологии, на поверхности частицдисперсной фазы жидкая фаза образует достаточно тонкие адсорбционныеслои, которые обладают близкими к твердой фазе свойствами, вследствие этогов модели дисперсионная среда представляла собой исключительногазообразную фазу.Проектирование состава бинарной смеси сводится к решению задачи опространственной упаковке сфер.

Наибольшее количество контактов будетдостигаться при определенном упорядоченном расположении сфер в масштабахвсего заполняемого объема. Вычислительные эксперименты проводились сиспользованием модели, содержащей сферы, расположенные в гексагональнойструктуре в расчетной ячейке.Результатом моделирования служит расчет объемных заполнений сферамиэлементарной ячейки и объема пустот.В результате аппроксимации экспериментальных данных полученазависимость, описывающая суммарное координационное числоВ = 3.44·m2 – 0.93·m + 1.89,где m – соотношение диаметров сфер.Показано,чтосогласноустановленнойзависимости,долякрупноразмерных частиц, имеющих более высокие координационные числа, вотличие от систем с частицами одинакового размера, возрастает (рисунок 17).2340020010ϕ2/ϕ112987654320Сум марноекоординационное число,В600Соотношение диаметров, mРисунок 17 - Зависимость параметра В отсоотношения диаметров сфер большого ималого размера и объемных наполнений1=∙При увеличении суммарногокоординационного числа в системедолженобеспечиватьсяростколичества фазовых контактов вактивных центрах, а, следовательно, иувеличение прочности композитов,полученных на основе бидисперснойсистемы двуводного гипса.Полученаматематическаямодель, с помощью которой можнопроизвести оценкуколичестваконтактов:1− ∙4 − 332где– объемное наполнение частиц крупного размера; n – общее количествочастиц в модели; – общее объемное наполнение частиц; – размер частиц, –коэффициент формы, В – суммарное координационное число, V – объемрасчетной ячейки.Полученная модель структуры безобжигового композита предназначенадля исследований бинарной системы, состоящей из монофракций дигидратасульфата кальция.

Оптимальным расчетным соотношением содержания всоставе системы конденсационного твердения крупной и мелкой фракций порезультатам выполненных расчетов – 30 % крупной : 70 % мелкой.В целях экспериментального подтверждения работоспособности модели вработе исследовались отдельные порошки двуводного гипса и их бинарныесмеси, как природного, так и техногенного происхождения, различные поформе частиц, дисперсности, зерновому составу.Показано, что образовавшиеся в процессе помола агрегаты имеютширокий диапазон изменения размеров.

Дисперсные системы дигидратагрубого помола практически полностью агрегированы (рисунок 18). Формаэтих агрегатов зависит от размеров и формы частиц, образовавших этиагрегаты. Причем в составе агрегатов крупные частицы достаточно частоокружены высокодисперсными частицами, распределенными по ихповерхности. Высокодисперсные частицы монофракции составляют наиболеемелкие агрегаты. Отмечено, что контактов непосредственно между крупнымичастицами не наблюдается, что подтверждается данными седиментационногоанализа. Устойчивость агрегатов возрастает при увеличении их размеров.Структура бидисперсных систем дигидрата представлена совокупностьюкрупных агрегатов и увеличенным содержанием высокодисперсных зерен, чтосоздает предпосылки для формирования в системе конденсационноготвердения максимального количества фазовых контактов. Изменение состоянийвнутри агрегатов и взаимодействие между агрегатами разного размераопределяются их размером.24Рисунок 18 - Суспензия дигидрата сульфата кальция с удельной поверхностьюпорошка 972 м2/кг, (х42)Взаимное расположение крупных и мелких зерен, а также образованных изих числа агрегатов разного размера и будут впоследствии обуславливатьобразование структуры композита.

Агрегаты (рисунок 19а) и образовавшиесяиз них кластеры образуют фрактальную структуру (рисунок 19б).а)б)Рисунок 19 - Микроструктура бинарной дисперснойсистемы дигидрата сульфатакальция: а) (х 84); б) (х 200)В состоящей из кластеров системе имеется межагрегатное пространство,которое при наличии агрегатов и свободных дисперсных частиц другого уровнядисперсности в системе, может быть заполнено, что приведет к повышениюплотности всей системы. В условиях уплотнения дисперсной системы припрессовании допустимо говорить о пластических деформациях применительнок агрегатам, которые образуются в смеси, и пластифицированным прослойкамижидкости отдельным зернам.Выявлено, что образование оптимальной системы происходит присмешивании порошка грубого помола с удельной поверхностью 667 м 2/кг итонкого помола - 1006 м2/кг.Вследствие прирастания зерен дигидрата друг к другу посредствомобразования кристаллизационных «мостиков» в системе агрегатов будут25появляться места для образования новых фазовых контактов на основанииморфологического отбора при образовании кристаллизационной структуры.Поэтому система оптимального гранулометрического состава, возможно, будетобладать максимальной активностью.