АКТИВНОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ ВЫСОКОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ САПОНИТ-СОДЕРЖАЩЕГО ОТХОДА АЛМАЗОДОБЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
В работе дана оценка реакционной способности высокодисперсных систем осадочных горных пород и сапонит-содержащих техногенных отходов алмазодобывающей промышлен-ности Архангельской области по величине их поверхностной активности. Методами рент-генофазового анализа установлено количественное содержание аморфной фазы в исследуе-мых материалах, образованной в результате механоактивации сырья. Установлено, что данная величина изменяется в интервале от 9 до 40 %. Подобраны оптимальные параметры диспергирования материалов, которые характеризуются воспроизводимостью результа-тов. Показано, что величины активности поверхности и содержание аморфной фазы высо-кодисперсных систем на основе исследуемых пород хорошо согласуются. Активность иссле-дуемых горных пород изменяется в диапазоне от 3,210-3 до 2,810-2. Предложено использо-вать данный параметр в качестве критерия при формировании составов композиционного вяжущего.

Ключевые слова:
высокодисперсные системы, поверхностная активность, аморфная фаза, композиционное вяжущее, сапонит-содержащий материал.
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

Введение. Один из путей получения бетонов высокого класса прочности – увеличение расхода вяжущего компонента при создании композита. Наиболее распространенным типом вяжущего является цемент. Однако его производства не отвечает современным требованиям к «зеленым композитам» [1, 2]: повышенное выделение диоксида углерода, значительное пылеобразование, тепловыделение. Создание вяжущего нового типа с улучшенными характеристиками на основе сырья, характеризующегося локальным распространением, без увеличения доли в композите цементной составляющей актуально с точек зрения ресурсосбережения и экологии. Поэтому понятен постоянный интерес исследователей, связанный с работами, направленными на формирование структуры композита, определяющей его эксплуатационные характеристики. Одним из перспективных направлений в этом плане является использование высокодисперсных (микро- и наноразмерных) модифицирующих добавок [3–7].

Основой создания нового наноструктурированного вяжущего гидратационного твердения является процесс механоактивации кремнеземсодержащего сырья при достижении последним микро- и наноразмерного состояния. Так, при помоле согласно закону сохранения энергии, за счет образования деформаций часть подводимой к сырью энергии расходуется на его нагрев. Это вызывает изменение ориентации структурных элементов в кристалле в приповерхностном слое с образованием новой аморфной фазы вещества. Рентгенофазовый анализ ультра- и нанодисперсных материалов различных горных пород показал, что активная аморфная составляющая твердой фазы может достигать значительной величины. Так, например, установлено, что для высокодисперсного кварцсодержащего песка месторождения «Корочанское» (Белгородская область) образование аморфной фазы в процессе диспергирования образца достигает 20 % [3, 8]. Образование аморфной фазы горных пород в процессе их диспергирования до ультра- и наноразмерного состояния является важной составляющей повышения реакционной способности высокодисперсного материала [3, 9]. Для таких систем эта способность определяется поверхностной активностью [10]. Данный критерий количественно характеризует переход потенциальной энергии, накопленной горной породой в процессе генезиса, в свободную поверхностную энергию за счет активации поверхности сырья [11].  

На территории Архангельской области балансовым запасом учтено более 20 месторождений строительных, формовочных песков. Эти пески используются в основном в качестве минеральных наполнителей бетонной композиционной смеси. Однако, в последнее время, одним из способов повышения эффективности бетонной смеси на основе гидравлических вяжущих является использование модифицированного кремнезема в качестве наноструктурированного модификатора природного или техногенного происхождения [3]. При этом, основная задача, которую необходимо решать, заключается в оптимизации состава композиционного вяжущего путем использования наиболее активного кремнеземсодержащего компонента в качестве модифицирующей добавки. Это может быть решено путем учета содержания в модификаторе приповерхностной аморфной активной фазы, образующейся в процессе механоактивации сырья. Поэтому целью данных исследований является выявление функциональной взаимосвязи между поверхностной активностью высокодисперсных кремнеземсодержащих систем природного и техногенного происхождения и количеством активной аморфной фазы, образованной в этих системах после проведения процесса механоактивации.

Расчет величины активности поверхности (ks) высокодисперсной системы горной породы осуществляется с учетом значений удельной массовой энергии атомизации химических соединений, входящих в состав минералов (Em) и свободной поверхностной энергии (Es) с использованием следующего математического выражения [11]:

                        (1)

В свою очередь

                        (2)

где  – критическое поверхностное натяжение твердой фазы, Дж/м2;  – удельная поверхность, м2/кг.

В исследованиях [12] представлены экспериментальные приемы определения σk для высокодисперсных систем осадочных горных пород по краевому углу смачивания с использованием метода Г.А. Зисмана.

Значения удельной массовой величины энергии атомизации горной породы рассчитывается по стандартным энтальпиям образования химических элементов составляющих минералов [13].

Исходя из вышеизложенных положений, в работе [14] представлены полученные значения Es, Em и k для двух образцов высокодисперсных систем полиминерального песка различных месторождений Архангельской области («Краснофлотский Запад» - П1 и «Кеницы» - П2). П1 – мелкий речной полиминеральный песок, П2 –  средний полимиктовый песок. Минеральный состав кремнеземных пород определялся с помощью полнопрофильного рентгенофазового анализа. Песок месторождения «Красно-флотский-Запад» (П1) на 74 % состоит из кварца, и на 17 % из альбита. Песок месторождения «Кеницы» (П2) содержит: 69 % кварца, 14 % альбита. Как следует из данных по химическому и минеральному составу образцов П1 (модуль крупности 1,5–2,0) и П2 (модуль крупности 1,0–1,5) кварцевые породы практически идентичны и, представляют собой отмытый кварц-полевошпатный материал песочной размерности. Кроме того, для высокодисперсных образцов, полученных методом механического размола на планетарной шаровой мельнице сырьевых материалов П1 и П2 до среднего размера частиц 307±89 нм и 246±71 нм (соответственно), содержание аморфной фазы составило 9 % (П1) и 18% (П2) [14]. Рассчитанные величины поверхностной активности для данных высокодисперсных систем имеют следующие значения: 3,16·10-6 и 4,80·10-6.

Методология. Для исследований нами был выбран техногенный объект на основе сапонит-содержащего материала (ССМ). ССМ был выделен из суспензии оборотной воды, образующейся в процессе обогащения кимберлитовых руд, алмазодобывающей промышленности (трубка «Архангельская»). Данный объект исследования представляет собой многотоннажный отход месторождения алмазов имени М.В. Ломоносова.

Минералогический, химический и фазовый составы, после проведения предварительной механоактивации сырья до высокодисперсного состояния, определялись методами рентгенофазного анализа на рабочей станции ARL9900 WorkStation (в ЦКП «БГТУ им. В.Г. Шухова») и рентгенофлуоресцентной спектроскопии на спектрометре Shimadzu EDX-800 HS (в ЦКП «Арктика, САФУ). Микроскопия исследуемого образца проводилась на растровом электронном микроскопе Sigma VP.

Высокодисперсный сапонит-содержащий материал доводили до постоянной массы при температуре 105 °С. Получение активного материала, с требуемым размером частиц, достигалось путем механического диспергирования на планетарной шаровой мельнице Retsch PM100. С целью получения минимального размера частиц и обеспечения высокой воспроизводимости результатов, были подобраны оптимальные параметры диспергирования. Размер частиц определяли на анализаторе размера субмикронных частиц и дзета-потенциала Delsa Nano С методом измерения динамического и электрофоретического светорассеяния. Полученный высокодисперсный образец охарактеризовали методом сорбции азота на анализаторе Autosorb-iQ-MP по величине удельной поверхности Sуд (теория БЭТ).

Истинную плотность высокодисперсных образцов сапонит-содержащего материала определяли пикнометрическим методом.

Поверхностное натяжение высокодисперсных систем исследуемых горных пород рассчитывали по углу смачивания рабочими жидкостями по методу Г.А. Зисмана. Краевой угол смачивания определяли на лазерной установке KRUSS Easy Drop.

Основная часть. Исследование минерального состава образца ССМ показало, что он представлен высокомагниевой слюдой, низкотемпературным тригональным кварцем, доломитом, сапонитом, палыгорскитом, тальком, клинохлором и коллинситом.

Выбранные условия механического диспергирования материала (90 мин, 420 об/мин, 20 размольных тел) позволили получить сапонит-содержащий материал со средним размером частиц 445±40 нм (Sуд=50672±30 м2/кг). Такая высокая величина удельной поверхности ССМ объясняется чешуйчатой структурой с многочисленными пустотами и значительным поровым пространством (рис. 1).

 

а

б

Рис. 1. Микроструктура сапонит-содержащего материала: а – исходного; б – измельченного

 

Результаты определения истинной плотности (ρ) исследуемых образцов показали, что для сапонит-содержащего материала ρ = 2130 кг/м3.

Химический состав ССМ показал наличие в опытных образцов основных химических соединений, содержащих (в пересчете на оксиды) SiO2 (52 %); MgO (19 %); Al2O3 (10 %); CaO (4 %).

Результаты определение критического значения поверхностного натяжения (σк) высокодисперсных систем на основе ССМ, а также рассчитанные по экспериментальным данным Em и энергетические характеристики поверхности (свободная поверхностная энергия, ES и поверхностная натяжение, σk) представлены в табл. 1. Кроме того в данную таблицу включены энергетические характеристики исследуемых ранее песков (литературные данные).

Данные представленные в табл. 1 позволили рассчитать активность поверхности высокодисперсных систем на основе техногенного сырья. Так, для сапонит-содержащего материала
kS = 2,8·10-2

 

Таблица 1

Характеристика исследуемых высокодисперсных образцов

Образец

Em, кДж/кг

ЕS, Дж/кг

ρ,  кг/м3

σk, мДж/м2

Sуд, м2/кг

Содержание аморфной фазы (С), %

П1

28,1

89

2594

11,82

7532

9

П2

30,4

146

2577

16,56

8810

18

ССМ

38,0

1064

2130

20,70

50672

40

 

Результаты определения фазового состава высокодисперсного образца позволили установить содержание в нем аморфной фазы.

Исследования фазово-структурной гетерогенности образцов сапонит-содержащего материала, методом рентгеновской дифрактометрии, до и после механоактивации (рис. 2) подтвердили способность ССМ после механоактивации проявлять активность к трансформационным поверхностным явлениям (содержание аморфной фазы увеличивается с 20 до 40 %). Представленные данные показывают, что увеличение количества аморфной фазовой составляющей в механоактивированном кремнеземсодержащем материале от 9 до 40 % приводит к возрастанию на несколько порядков активности поверхности высокодисперсной системы.

Так, для песков значения kS изменяются в диапазоне от 3,2·10-3 до 4,9·10-3. Для сапонит-содержащего материала эта величина составляет 2,8·10-2.

Обсуждая полученные результаты можно заключить, что, несмотря на близкие значения удельной массовой энергии атомизации у исследуемых образцов горных пород, имеется значительное отличие в способности материалов образовывать аморфную фазу при механоактивации сырья. Данный факт отражается в величине коэффициента поверхностной активности, физическая природа которого определяется структурными и текстурными особенностями анализируемых объектов.

 

 

 

а

б

Рис. 2. Дифрактограмма образца ССМ: 1 – кристаллическая часть; 2 – аморфная часть;

а – исходный ССМ; б – образец ССМ после механоактивации

 

Выводы.

1. Величины активности поверхности и содержание аморфной фазы высокодисперсных систем на основе исследуемых горных пород хорошо согласуются.

2. Высокие значения концентраций аморфной фазы в проанализированных образцах ССМ, позволяет рассматривать его как потенциально активный минеральный компонент в вяжущих композициях.

3. Показатель активности поверхности высокодисперсных систем можно использовать в качестве критерия при определении состава композиционного вяжущего.

Список литературы

1. Фролова М.А., Лесовик В.С. «Зеленые» строительные композиты для архитектурной геоники Северо-Арктического региона // Научные и инженерные проблемы строитель-но-технологической утилизации техногенных отходов, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. 2014. С. 29-33.

2. Юраков Н.С. Зеленые» композиты в со-временном строительстве // Наукоемкие технологии и инновации. Сборник докладов Международной научно-практической конфе-ренции. 2016. С. 470-474.

3. Морозова М.В. Водопоглощение и дис-персность сапонит-содержащего материала // Строительство - формирование среды жизне-деятельности: сборник научных трудов XVII международной межвузовской научно-практической конференции студентов, маги-странтов, аспирантов и молодых ученых. М.: МГСУ, 2014. С. 1004-1007.

4. Le H.T., Ludwig H.-M. Effect of rice husk ash and other mineral admixtures on properties of self-compacting high performance concrete // Materials and Design. 2016. №89. Pp. 156-166.

5. Буренина О.Н., Давыдова Н.Н., Андреева А.В., Даваасенгэ С.С., Саввинова М.Е. Исследование влияния комплексных ми-неральных модифицирующих добавок, вклю-чая нанодобавки, на свойства мелкодисперс-ного бетона // Актуальные вопросы техниче-ских наук Материалы III Международной научной конференции. 2015. С. 101-104.

6. Yanturina R.A., Trofimov B.Ya., Ahmedjanov R.M. Structuring in Cement Sys-tems with Introduction of Graphene Nano-Additives // IOP Conference Series: Materials Science and Engi-neering. 2017. 262(1). 012017.

7. Нелюбова В.В., Кобзев В.А., Сивальне-ва М.Н., Подгорный И.И., Пальшина Ю.В. Особенности наноструктурированного вяжу-щего в зависимости от генезиса сырья // Вест-ник Белгородского государственного техноло-гического университета им. В.Г. Шухова. 2015. № 2. С. 25-29.

8. Строкова В.В., Нелюбова В.В., Алтынник Н.И., Жерновский И.В., Осадчий Е.Г. Фа-зообразование в системе «цемент - известь - кремнезем» в гидротермальных условиях с ис-пользованием наноструктурированного модификатора // Строительные материалы. 2013. № 9. С. 30-32.

9. Глезер А.М. Аморфные и нанокристал-лические структуры: сходство, различия, вза-имные переходы // Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева. 2002. т. XLVI. №5. С. 57-63.

10. Вешнякова Л.А., Айзенштадт А.М., Фролова М.А. Оценка поверхностной актив-ности высокодисперсного сырья для компози-ционных строительных материалов // Физика и xимия обработки материалов. 2015. № 2. С. 68-72.

11. Лесовик В.С., Фролова М.А., Айзен-штадт А.М. Поверхностная активность гор-ных пород // Строительные материалы. 2013. № 11. С. 71-73.

12. Фролова М.А., Тутыгин А.С., Айзен-штадт А.М., Лесовик В.С., Махова Т.А., По-спелова Т.А. Критерий оценки энергетических свойств поверхности // Наносистемы: физика, химия, математика. 2011. № 2 (4). С. 120-125.

13. Абрамовская И.Р., Айзенштадт А.М., Лесовик В.С., Вешнякова Л.А., Фролова М.А., Казлитин С.А. Расчет энергоемкости горных пород - как сырья для производства строи-тельных материалов // Промышленное и гражданское строительство. 2012. № 10. С. 23-25.

14. Ayzenstadt A., Frolova M., Mahova T., Verma R.S. Integrated Approach to the Assess-ment of Quality System of Highly Dispersed Sili-ca Contained Rocks // 16th International Multi-disciplinary Scientific GeoConference SGEM 2016. Book 6. vol. III. pp 53-60.


Войти или Создать
* Забыли пароль?