УДК 544.778.3

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ КРЕМНЕ-ГИПСОВЫХ СУСПЕНЗИЙ

Румянцева Елена Леонидовна
Национальный исследовательский университет «Белгородский государственный университет»
кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры общей химии

Аннотация
Установлено, что процесс структурообразования кремне-гипсовых суспензий включает три этапа: формирование тиксотропной структуры; образование реопексационной жидкости; формирование твердообразной структуры.

Ключевые слова: вязкость, кремне-гипсовая суспензия, предел текучести, тиксотропия


STRUCTURIZATION SILICA-GYPSUM SUSPENSION

Rumyantseva Elena Leonidovna
National Research University «Belgorod state University»
candidate of technical Sciences, senior teacher of the Department of General chemistry

Abstract
Established that the process of structure formation silica-gypsum suspension consists of three stages: formation thixotropy patterns; education reopeksiya liquid; formation solid patterns.

Keywords: reopeksiya, silica-gypsum suspension, tensile strength, thixotropy, viscosity


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Румянцева Е.Л. Структурообразование кремне-гипсовых суспензий // Современные научные исследования и инновации. 2013. № 10 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2013/10/26796 (дата обращения: 29.09.2017).

Одной из центральных задач современной коллоидной химии, имеющей важное практическое значение в области строительного материаловедения, является разработка и совершенствование способов управления процессами структурообразования дисперсных систем.

Синтезированная нами поликомпонентная гипсосодержащая суспензия, рекомендуемая к использованию в качестве наноинициатора схватывания и твердения цемента [1, 2], сочетает два типа дисперсных структур: коагуляционную (коллоидная кремниевая кислота) и кристаллизационную (ультрадисперсный дигидрат сульфата кальция). Ожидается, что процессы структурообразования в поликомпонентной гипсосодержащей суспензии будут оказывать непосредственное влияние на структурообразование и твердения цемента, а также на разработку способов направленного управления структурой и получения вяжущих с улучшенными свойствами.

Исследовалась кремне-гипсовая суспензия с массовой долей дисперсной фазы 5,88%.

Из анализа зависимости η = f(γ) свежеприготовленной суспензии (рис. 1) следует, что эффективная вязкость состоит из двух компонентов:

  1. ньютоновской вязкости предельно разрушенной структуры = 0,233 Па∙с, которая основана на внутреннем трении жидкости и представляет собой физическую константу материала;
  2. структурного сопротивления (γ) – , которое зависит от структурного состояния дисперсной системы (Дси) и является функцией скорости сдвига.

Вязкость монотонно уменьшается по мере увеличения градиента скорости сдвига в 36 раз. Для свежеприготовленной гипсосодержащей суспензии характерно обратимое уменьшение эффективной вязкости с ростом напряжения сдвига или градиента скорости сдвига, следовательно, она является тиксотропной. Кроме того, для неё характерно несовпадение кривых зависимости η=f(γ) при возрастающих и уменьшающихся значениях напряжения сдвига и градиента скорости сдвига.


Рис. 1. Зависимость эффективной вязкости свежеприготовленной суспензии от градиента скорости сдвига

Это свидетельствует о существовании гистерезиса вязкостных свойств. Системы, обладающие им, считаются истинно тиксотропными. Структурная особенность истинно тиксотропных дисперсных систем заключается в наличии устойчивой пространственной сетки, образованной за счёт сил молекулярного притяжения.

После снятия напряжения (обратный ход) наблюдается полное восстановление структуры, с явлением реопексии. Это явление обычно наблюдается в гидрозолях с частицами палочкообразной формы: медленное перемешивание способствует параллельной ориентации частиц, соответственно, ускорению образования структуры.

Следует отметить, что при скорости сдвига γ = 5,4 на кривой отмечено аномальное понижение вязкости до 1,992 Па∙с.

Для реологической кривой η = f(τ) суспензии спустя 15 минут характерен флуктуационный характер процесса разрушения и последующего восстановления коагуляционных контактов (рис. 2).


Рис. 2. Изменение зависимости эффективной вязкости суспензии от напряжения сдвига во времени

При уменьшении вязкости в 3,5 раза (от 16 до 4,7Па∙с) наблюдается область медленного вязкопластичного течения – область ползучести с практически постоянной вязкостью в диапазоне от 8,46 до 34,80 Па.

Таким образом, при приложении напряжения сдвига восстановление контактов приобретает направленность и наблюдается медленный макроскопический сдвиг, т.е. ползучесть.

Следует отметить также тот факт, что после 15 минутной выдержки восстановление структуры поликомпонентной гипсосодержащей суспензии происходит одновременно с её разрушением, о чем свидетельствует отсутствие петли гистерезиса и практически полное совпадение значений эффективной вязкости (рис. 3).

Анализ зависимости напряжения сдвига суспензии от градиента скорости (τ = f(γ)) позволил выявить следующие закономерности (рис. 4).

На графике представлены кривые течения структурно-вязкой дисперсной системы. Они характеризуются наличием небольшого предела текучести. Как видно из рисунка с течением времени (от 0 до 15 минут) пластические свойства системы усиливаются, наряду с увеличивающимся пределом текучести, растёт прочность структуры.


Рис. 3. Зависимость эффективной вязкости суспензии от градиента скорости сдвига через 15 минут


Рис. 4. Изменение зависимости напряжения сдвига суспензии от градиента скорости сдвига во времени

Проявление структуры, её прочность, можно оценить величиной предела текучести. Характерный отрезок на оси напряжения сдвига (τ), позволяющий судить о величине предела текучести, более отчётливо виден на зависимости градиента скорости сдвига от напряжения сдвига (γ = f(τ)) ( рис. 5).


Рис. 5. Изменение зависимости градиента скорости от напряжения сдвига во времени

Анализ полученных зависимостей свидетельствует об увеличении прочности структуры гипсосодержащей суспензии в 3 раза (от 15 до 45 Па) спустя 30 минут наблюдения.

Через 30 минут нарастает явление реопексии в анализируемой суспензии: эффективная вязкость после снятия напряжения достигает 266,567 Па∙с, что в 20 раз превышает эффективную вязкость первоначально сформированной структуры (рис. 6).

Полная реологическая кривая τ = f(γ) этой суспензии имеет сложный характер (рис. 7). При малых скоростях сдвига (до 9 с-1) напряжение сдвига суспензии остаётся неизменным, начиная с γ = 16,2с-1 соответствует течению структурно-вязкой жидкости с достижением линейного участка при градиенте скорости сдвига более 81с-1.


Рис. 6. Зависимость эффективной вязкости от градиента скорости сдвига суспензии через 30 минут


Рис. 7. Зависимость напряжения сдвига от градиента скорости сдвига гипсосодержащей суспензии через 30 минут при прямом и обратном ходе

Восходящая и нисходящая кривые реограммы не совпадают. Изменение скорости сдвига сопровождается реопексивным поведением. При этом предельное напряжение сдвига составило 79,97 Па. Такое поведение характерно для нелинейного пластичного тела. Материал в этом случае имеет прочную типично твёрдообразную структуру.

Таким образом, структурообразование гипсосодержащих суспензий с массовой долей дисперсной фазы 5,88% включает следующие этапы:

  1. Формирование тиксотропной структуры за счет сил молекулярного притяжения (0 – 15 минут после приготовления суспензии);
  2. Ослабление тиксотропных свойств и образование реопексационной жидкости (15 – 30 минут после приготовления суспензии);
  3. Усиление реопексационных свойств, формирование типично твердообразной структуры (> 30 минут после приготовления суспензии).

Первый этап обусловлен протеканием комплекса коллоидно-химических процессов в дисперсионной среде с участием кремниевой кислоты, а именно реакциями поликонденсации, нейтрализационной коагуляции. В простейшем виде схему образования устойчивой пространственной структуры, обладающей тиксотропными свойствами, можно представить следующим образом:

≡Si – О – Н + Н – О – Si → ≡Si – О – Si + Н2О (образование пространственной сетки за счет реакций поликонденсации)

≡Si – О- + Са+ – О – Si≡ → ≡Si – О – Са – О – Si≡ (дегидратацией поверхности частиц кремнекислоты и образованием между ними мостиковых связей при нейтрализационной коагуляции) .

В образовании так называемой реопексационной жидкости и в дальнейшем типично твердообразной структуры принимают участие частицы дисперсной фазы – ультрадисперсные кристаллы дигидрата сульфата кальция. Коллоидная кремниевая кислота, оказывая модифицирующее воздействие на процесс кристаллизации дигидрата сульфата кальция, способствует образованию фазовых контактов между кристаллами и формированию в итоге слоисто-пакетной структуры. В целом структура гипсосодержащей суспензии является гемикристаллической.

Полученные результаты будут использованы при определении рецептурно-технологических параметров использования кремне-гипсовой суспензии в качестве регулятора схватывания и твердения цемента и получения композиционных материалов с улучшенными свойствами.


Библиографический список
  1. Румянцева Е. Л. Реологические свойства поликомпонентной гипсосодержащей суспензии [Текст] / Е. Л. Румянцева // Молодой ученый. — 2013. — №9. — С. 14-16.
  2. Румянцева Е.Л. Коллоидно-химические закономерности формирования высокодисперсных структур на основе кремниевой кислоты и синтетического гипса : автореф. дисс….канд. техн. наук : 02.00.11 / Е.Л. Румянцева;Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова – Белгород, 2010. – 24 с.


Все статьи автора «Румянцева (Проскурина) Елена»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: