Энергетика высокодисперсных композитов горных пород

И.Р. АБРАМОВСКАЯ и др. Энергетика высокодисперсных композитов горных пород

О сновным сырьем для производства строительных материалов являются горные породы различного происхождения. Генезис породы во многом определяет свойства и характеристики получаемого строительного материала [1]. Поскольку горные породы являются природными минеральными агрегатами, образующимися в результате различных геологических процессов, они обладают определенным запасом внутренней энергии, который при дроблении материала (основная стадия технологической подготовки сырья) частично переходит в свободную поверхностную энергию. Исходя из этого, актуальной задачей современного материаловедения является поиск решений, позволяющих использовать энергетический запас сырья при производстве композитных материалов.

В исследованиях [2, 3] показана возможность применения термодинамического подхода для создания нанокомпозита горных пород с учетом сбалансированного энергетического состояния компонентов. Причем существование области термодинамической совместимости горных пород [3] может быть связано с отмечаемым в работе [4] присутствием в нанодисперсном материале наряду с кристаллической и аморфной составляющей структуры твердого тела. Сходством свойств нанокри-сталлических и аморфных твердых тел и взаимодействием аморфных (родственной жидкости) составляющих нанодисперсных материалов можно, на наш взгляд, объяснить усиление силы взаимодействия между частицами конденсированной системы в определенных соотношениях нанокомпонентов.

В работе [5] нами, исходя из принципов кристаллоэнергетики, были рассчитаны значения величин энергии атомизации E_a и энергоплотности E_v горных пород различного происхождения, а также апробирован практический способ определения параметров E_a и E_v реальных нано-дисперсных образцов горных пород на примере кремнеземсодержащей (речной песок), сапонитсодержащей пород и базальта.

В то же время, в [6] для минералов отмечается наличие функциональной взаимосвязи (характеризующейся прямолинейной зависимостью) между величиной свободной поверхностной энергии ( E_s ) и удельными величинами энергии атомизации ( E_v и Е_m ) образцов.

И.Р. АБРАМОВСКАЯ и др. Энергетика высокодисперсных композитов горных пород

Целью исследований, представленных в данной работе, является оптимизация с учетом энергетических характеристик состава композита на основе высокодисперсного (микро- и нанодисперсного) материала горных пород речного песка (кремнеземсодержащей породы) и базальта. Для оценки энергетического состояния опытных образцов композита использовали следующие параметры: Е_а , Е_m , Е_v , Е_s , σ _к (критическое поверхностное натяжение), А* (постоянную Гамакера) и Δ G_s (изменение энергии Гиббса единицы поверхности).

Для создания опытных образцов композита в качестве сырьевых материалов использовались горные породы Архангельской области: базальт (месторождение горы Мяндуха в Плесецком районе) – эффузивная магматическая порода – и кремнеземсодержащая порода осадочного происхождения (речной песок месторождения «Кеницы»), в стадии позднего катагенеза. Данные по химическому составу сырьевых компонентов, необходимые для расчета E_a, E_m и E_v , определенные методом рентгенофлуоресцентной спектроскопии в ЦКП САФУ «Арктика» на спектрометре Shimadzu EDX-800 HS, представлены в [5].

Расчет энергетических характеристик исходных композитов производился на основании фундаментальных термодинамических положений [6].

Для создания композитов исходные образцы базальта и крем-неземсодержащей породы высушили и довели до постоянной массы при температуре 105оС. Измельчение исходных материалов проводилось на планетарной шаровой мельнице Retsch PM100: осуществлялся одностадийный сухой помол исходного материала в трехчасовом режиме с остановкой мельницы каждые 30 минут (число оборотов – 420 об/мин, количество размольных тел – 100 стальных шариков). Размер частиц полученных фракций определялся на анализаторе размера субмикронных частиц Delsa Nano. Средний размер высокодисперсных образцов базальта составил 360±98 нм, кремнеземсодержащей породы – 266±69 нм. На рис. 1 и 2 представлена фракционная размерная характеристика диспергированного материала. Смешивание компонентов для получения композиционной смеси (от 100% базальта до 100% кремнеземсодержащей породы с градацией в 10%) проводилось механическим путем. Равномерность смешения исходных компонентов достигалась многостадийным последовательным смешением пропорциональных объемов материала базальта и кремнеземсодержащей породы.

И.Р. АБРАМОВСКАЯ и др. Энергетика высокодисперсных композитов горных пород

Рис. 1. Фракционная размерная характеристика диспергированного материала базальта

Рис. 2. Фракционная размерная характеристика диспергированного материала кремнеземсодержащей породы

Для расчета удельных величин энергии атомизации исходных материалов композиционных смесей были определены истинные плотности ( ρ ) опытных образцов пикнометрическим методом (по ГОСТ 5180-84). Дополнительно для составов 0; 0,2; 0,3; 0,5; 0,6; 0,7; 1 (по массовой доле песка) определяли значения удельной площади поверхности композитов на установке Autosorb-iQ-MP методом сорбции азота (для определе-

И.Р. АБРАМОВСКАЯ и др. Энергетика высокодисперсных композитов горных пород ния величины Sуд были выбраны наиболее характерные точки). Критическое поверхностное натяжение и постоянная Гамакера исследуемых материалов определялись на предварительно уплотненных пробах при помощи установки KRUSS EasyDrop. Для этого использовались экспериментально полученные значения угла смачивания поверхности проб. В качестве стандартной жидкости применялся водный раствор этанола с различным объемным содержанием воды (0–50%). Температура измерений во всех сериях колебалась в пределах 20±2оС. Критическое поверхностное натяжение и постоянная Гамакера рассчитывались по методике [7] посредством построения графических зависимостей cosθ = f(σж) и cosθ–1 = f(1/σж), соответственно. Расчет величины ΔGs проводился по термодинамической модели [3]. Величина энергии поверхности Es определяется общей площадью поверхности диспергированного образца и рассчитывалась по следующему выражению:

E_s = σ _к • S_уд.

Данные, полученные в ходе экспериментов по определению σ _к , S_уд и ρ , а также в результате проведенных расчетов энергетических характеристик E_a, E_m и E_v композиционных смесей, представлены в табл. 1.

Таблица 1

Полученные экспериментальные данные и рассчитанные энергетические характеристики опытных образцов

Доля песка	ρ ±0,02, г/см3	E a , кДж/моль	E m , кДж/г	E v , кДж/см3	σ к ±0,02, мН/м	S , уд м2/кг
0,0	2,99	1892,75	26,46	79,01	17,28	6446±774
0,1	2,73	1882,44	26,52	76,25	14,05
0,2	2,83	1872,13	26,57	75,30	12,53	5362±643
0,3	2,78	1861,82	26,63	75,34	13,13	5200±624
0,4	2,83	1851,51	26,69	75,43	12,41	–
0,5	2,83	1841,20	26,75	75,70	10,40	6883±826
0,6	2,84	1830,89	26,80	76,14	19,71	4749±570
0,7	2,78	1820,58	26,86	74,75	16,33	4537±544
0,8	2,83	1810,27	26,92	74,62	15,07
0,9	2,88	1799,96	26,97	73,71	14,96	–
1,0	2,57	1789,65	27,03	69,39	16,45	4822±579

И.Р. АБРАМОВСКАЯ и др. Энергетика высокодисперсных композитов горных пород

На рис. 3 представлена функциональная зависимость вида Е_s = f ( E_m ), которая описывается уравнением прямой линии ( y = 0,11x–2,75 ) с коэффициентом достоверности аппроксимации R = 0,91 (необходимо отметить, что для построения данной зависимости были исключены две экспериментальные точки, характеризующиеся 100% содержанием

Рис. 3. Функциональная зависимость E s = f(E_m)

Рис. 4. Функциональная зависимость А* = f(C)

И.Р. АБРАМОВСКАЯ и др. Энергетика высокодисперсных композитов горных пород базальта и песка), причем отмечаемый прямолинейный характер зависимости хорошо согласуется с литературными данными по энергетическим характеристикам кристаллов.

Рис. 5. Функциональная зависимость Д G s = f(C)

Рис. 6. Функциональная зависимость ΔΔ G _s / Δ С = f(C)

И.Р. АБРАМОВСКАЯ и др. Энергетика высокодисперсных композитов горных пород

На рис. 4 приведена функциональная зависимость А* = f ( С ) ( C – содержание массовой доли песка в композите), а на рис. 5 и 6 приведены функциональные зависимости Δ G_s = f ( C ) и ΔΔ G_s/ Δ С=f ( C ), которые, на наш взгляд, хорошо согласуются.

Экспериментальные результаты показывают, что композит, характеризующийся составом 40% базальта – 60% кремнеземсодержащей породы, имеет максимальное значение А* . Данный факт может свидетельствовать о самопроизвольном сцеплении частиц системы за счет сил физической природы (взаимодействие аморфной фазы, подобно системам, образованным жидкостями с ограниченным взаимным растворением). Отмеченный композит также имеет экстремальное значение Δ G_s , кроме того, его характеризует стабилизация скорости изменения Δ G_s , то есть он наиболее устойчив к трансформационным превращениям.

Резюмируя вышеизложенное, следует отметить, что оптимальный с энергетической точки зрения состав микро- и нанодисперсного композита следующий: содержание базальта (по массе) составляет 40%, кремнеземсодержащей породы – 60%.

Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России» на 2007–2013 гг. (ГК № 14.518.11.7018).

Уважаемые коллеги!

При использовании материала данной статьи просим делать библиографическую ссылку на неё:

Абрамовская И.Р., Айзенштадт А.М., Фролова М.А. и др. Энергетика высокодисперсных композитов горных пород // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. М.: ЦНТ «НаноСтроительство». 2013, Том 5, № 3. C. 28–37. URL: pdf (дата обращения: ______________).

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format:

Abramovskaya I. R., Ayzenstadt A. M., Frolova M. A. et al. The energy of highly dispersed rock composites. Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal, Moscow, CNT «NanoStroitelstvo». 2013, Vol. 5, no. 3, pp. 28– 37. Available at: pdf (Accessed _____________). (In Russian).

И.Р. АБРАМОВСКАЯ и др. Энергетика высокодисперсных композитов горных пород