Математическая модель для назначения составов хлормагнезиальных композиций
Автор: Черных Тамара Николаевна, Крамар Людмила Яковлевна, Трофимов Борис Яковлевич, Орлов Александр Анатольевич
Рубрика: Краткие сообщения
Статья в выпуске: 1 т.9, 2016 года.
Бесплатный доступ
Статья содержит результаты трехфакторного эксперимента, показывающего зависимость между составом хлормагнезиальных композиций, их прочностью при сжатии и гигроскопичностью (сорбционной влажностью). В качестве факторов вместо плотности затворителя и его количества использовали отношения между основными компонентами хлормагнезиальных композиций: оксидом магния, хлоридом магния и водой. Значения откликов получены эмпирическим путем. Статистическая обработка фактических данных позволила получить математические модели свойств. Проверка адекватности математических моделей показала, что фактические значения прочности и гигроскопичности хорошо коррелируют с расчетными значениями. Это позволяет назначать составы хлормагнезиальных композиций из различных видов магнезиальных вяжущих с заданными конечными характеристиками и избежать высолообразования и растрескивания магнезиальных материалов. При этом исходными данными будут являться содержание оксида магния в имеющемся вяжущем, требуемая прочность и гигроскопичность.
Математическая модель свойств, магнезиальное вяжущее, бишофит, прочность, гигроскопичность
Короткий адрес: https://sciup.org/147159352
IDR: 147159352 | DOI: 10.14529/mmp160112
Текст краткого сообщения Математическая модель для назначения составов хлормагнезиальных композиций
Введение. Классическим подходом к получению хлормагнезиальных композиций является следующий: любые магнезиальные вяжущие затворяются водным раствором хлорида магния определенной плотности (обычно 1,16 - 1,26 г/см3) до требуемой подвижности [1-3]. Методик прогнозирования свойств хлормагнезиальных композиций на настоящий момент нет, поэтому в каждом случае состав подбирается индивидуально. При этом в производстве магнезиальных материалов соотношение между затво-рителем и вяжущим может меняться в очень широких пределах. Этому способствует повышение или снижение потребности вяжущего в жидкости затворения, связанное с изменением тонкости помола, вяжущего, условий обжига сырья, его качества и другими факторами. Чаще всего магнезиальные вяжущие из различного сырья затворяются одинаково [4-7], что может приводить к изменению прочности, повышению гигроскопичности, высолообразованию, иногда, к растрескиванию, особенно это касается вяжущих с малым содержанием оксида, магния, таких как доломитовое. Таким образом, целью работы являлось получение математической модели, связывающей свойства хлормагнезиальных композиций и соотношения компонентов в них.
-
1. Материалы и методы. Свойства хлормагнезиальных композиций оценивали по ТУ 7266-001-4728-2014 за. исключением того, что композиции имели различную подвижность в зависимости от содержания жидкой фазы.
-
2. Результаты. Для получения математической модели прогнозирования свойств хлормагнезиальных композиций в зависимости от соотношения компонентов спланировали и реализовали трехфакторный эксперимент. Основными значимыми параметрами выбрали: отношения MgCl2 / MgO и H2O / MgO, эксперимент проводили на магнезиальных вяжущих, полученных из пород линейки « магнезит-доломитизированный магнезит-доломит » , т.е. с различным количеством активного оксида магния. Первый фактор (отношение хлорида магния к оксиду магния MgCl2 / MgO (x)) варьировался на четырех уровнях: 0 (соответствует вяжущему, затворенному водой), 0,15; 0,47 и
- 0,79. Второй фактор (отношение воды к оксиду магния H2O/MgO(y)) изменяли на трех уровнях 1,16; 1,64 и 1,70. Последним варьируемым фактором являлось содержание оксида магния в вяжущем MgO (z), уровни его варьирования были следующими: 0,24 (вяжущее из доломита Саткинского месторождения с содержанием оксида магния 24 %); 0,29 (вяжущее из доломитизированного магнезита Саткинского месторождения с содержанием оксида магния 29 %) и 0,63 (вяжущее из магнезита Саткинского месторождения с содержанием оксида магния 63 %). Необходимо уточнить, что уровни варьирования факторов для эксперимента выбирали согласно стехиометрическим уравнениям в соответствии с химическими реакциями, протекающими при твердении магнезиального вяжущего, для формирования тригидрооксихлорида магния (3MgO • MgCl2 • 11H2O), пентагидрооксихлорида магния (5MgO • MgCl2 • 13H2O) или гидроксида магния (Mg(OH)2) [10].
В работе использовали бишофит производства ООО « Волгоградский магниевый завод » по ТУ 2152-008-46014250-2011 с содержанием шестиводного хлорида магния 97 %. Магнезиальные вяжущие получали обжигом пород при температуре 600 ° C в течение 1,5 ч совместно с добавкой ШКХ в количестве 2 % в соответствии с разработанной авторами энергоэффективной технологией [8,9].
По данным табл. 1 видно, что все полученные вяжущие соответствуют требованиям технических условий при затворении раствором бишофита плотностью 1,2 г/см3,
Таблица 1
Основные свойства используемых вяжущих
Результаты эксперимента представлены в табл. 2. Обработку результатов эксперимента проводили в соответствии с [11-13]. Рассчитанные коэффициенты регрессий представлены в табл. 3. Полученные регрессии являются адекватными, критерий Фишера не превышает табличного значения [12].
Графический вид полученных математических моделей приведен на рис. 1 и 2. На графиках нанесены линии равной плотности затворителя от 1,16 до 1,30 г/см3.

Рис. 1. Предел прочности при сжатии в 28 сутки твердения, МПа: a) z=0,24 (вяжущее из доломита); b) z=0,29 (вяжущее из доломитизированного магнезита); с) z=0,63 (вяжущее из магнезита)

Рис. 2. Гигроскопичность в 28 сутки твердения, %: a) z=0,24 (вяжущее из доломита); b) z=0,29 (вяжущее из доломитизированного магнезита); с) z=0,63 (вяжущее из магнезита)
Л н о й в ~ в у о о У н и о и & 00 В ^ а М |
а |
of |
о^ о4 |
00 о |
о |
оо_ of |
00 |
X of |
о^ |
со 3 |
со" |
of |
со of |
С^ |
о. |
со" |
ей л 2 н Ф и й о \О в о Ф к ч В О 8 м ф НН m S |
3 ч а ” ф в § м й о о В й о 8 а ° о a s | и ° В й |
й й 3 ф а в в в ф и 8 и а о й й и |
в ф в в й 3 а в |
в ф и и й 3 а в |
н ф и и й 3 а н |
н ф в в й 3 а н |
и й 3 а н л н ф и § в а о й в и |
н ф в в й 3 а н |
н ф в в й 3 а н |
н ф и и й 3 а н |
и й 3 а н л н ф и § в а о й в и |
в й 3 а н л н ф и а и а о й й и |
н ф и и й 3 а н |
н ф и и й 3 а н |
н ф и и й а н |
|
8 т м 02 С ф 8 ” Ч а о в м н В н О а в S и ома а 0 ° в и |
Ен & 00 XI |
га |
%" |
НО § |
со__ о" х^ |
О юГ |
'ОС о |
00^ |
О о |
О^ o' о |
со" to |
00^ |
00^ о |
00 |
О of ХР |
оо__ оГ ю |
о а о в е |
о "ос |
хР о^ |
ХР о^ |
ХР о^ |
хР о^ |
хР |
ХР |
о о^ |
о о^ |
О) о^ |
о о^ |
со ^ |
со |
со ^ |
со ^ |
со ^ |
»> а о в м ей е |
О "оС О' щ |
о |
о |
о |
о |
Ю |
о |
о |
о |
ХР |
to |
ХР |
о |
о |
о |
|
« а о в м ей е |
о "оС б "оС |
о |
но |
О |
о |
ю |
X |
о |
о |
ю |
»о |
X |
X |
О) |
||
а 5 X го к о |
CN |
ОО |
ТР |
ю |
о |
ь- |
00 |
о |
о |
^ч |
CN |
со |
3 |
НО |
*Коэффициент вариации находился в диапазоне 1,19... 5,7%.
-145
Таблица 3
Коэффициенты регрессии в уравнениях зависимостей физико-механических характеристик хлормагнезиальных композиций
Коэффициент регрессии |
R 28сут |
Г |
b 0 |
- 169,8 |
11,5 |
b 1 |
- 58,8 |
21,3 |
b 2 |
308,2 |
- 16,7 |
b 3 |
89,6 |
21,0 |
b 11 |
- 123,2 |
- 22,2 |
b 22 |
- 146,8 |
3,0 |
b 33 |
- 276,4 |
- 42,8 |
b 12 |
156,5 |
8,1 |
b 13 |
10,5 |
8,1 |
b 23 |
85,4 |
7,8 |
Критерий Кохрена, G |
0,05 |
0,27 |
Критерий Фишера, F |
1,7 |
0,3 |
В возрасте 28 суток наблюдается близкая к прямопропорциональной зависимость прочности хлормагнезиальной композиции от плотности затворителя, описанная в большинстве источников. Однако это справедливо только для диапазона плотностей 1,18-1,24 г/см3 и достаточно высокого количества жидкости затворения. Отклонения от зависимости в других областях графиков вызваны тем, что при одновременном увеличении количества воды и хлорида магния (затворителя одной плотности) в области малоподвижных смесей прочность значительно увеличивается благодаря полному протеканию химических процессов твердения вяжущего и малой пористости. А при высоких соотношениях затворитель / вяжущее формируется магнезиальный камень повышенной пористости, что механически понижает прочностные характеристики. Необходимо также отметить значительное высолообразование на образцах при отношении хлорид магния / оксид магния более 0,9, а при значении менее 0,2 растрескивание по типу « недожога » . Таким образом, важным следствием проведенного эксперимента является то, что прочностные характеристики зависят от соотношения всех компонентов в смеси, а не просто от плотности затворителя. А во-вторых, для вяжущих из линейки пород « доломит-доломитизированный магнезит-магнезит » эти зависимости похожи, т.е. количество затворителя нужно назначать в зависимости от содержания активного оксида магния в вяжущем. Из этого следует, что для вяжущего из доломита затворителя потребуется в несколько раз меньше, чем для вяжущего из магнезита. При игнорировании этого факта может происходить значительное высолообразование, повышение гигроскопичности (см. рис. 2), а также снижение прочности и водостойкости за счет накопления в образце непрореагировавшего бишофита.
Проверку математической модели проводили на 6 составах хлормагнезиальных композиций, выбранных произвольным образом, составы и результаты приведены в табл. 4.
Выводы. Приведенные данные свидетельствуют, что фактические значения прочности и гигроскопичности хорошо коррелируют с расчетными значениями, полученными при использовании математической модели. Таким образом, представленную мо- дель можно использовать при назначении составов хлормагнезиальных композиций, при этом исходными данными будут являться содержание оксида магния в имеющемся вяжущем, требуемая прочность и гигроскопичность. Использование предлагаемой модели позволяет получать удобообрабатываемые композиции с требуемой прочностью без повышенной гигроскопичности.
Список литературы Математическая модель для назначения составов хлормагнезиальных композиций
- Magnesium Caustic Dolomite Concrete. Industrieboden/W.R. Falikman, Ju.W. Sorokin, A.Ja. Weiner, N.F. Baschlykow, L.G. Bernstein, W.A. Smirnow//5 Internationales Kolloquium. -Ostfildern/Stuttgart. S.s., 21-23 Januar, 2003.
- Karimi, Y. Effect of Magnesium Chloride Concentrations on the Properties of Magnesium Oxychloride Cement for Nano SiC Composite Purposes/Y. Karimi, A. Monshi//Ceramics International. -2011. -№ 37. -P. 2405-2410.
- Misra, A.K. Magnesium Oxychloride Cement Concrete/A.K. Misra, R. Mathur//Bulletin of Materials Science Indian Academy of Sciences. -2007. -V. 30, № 3. -Р. 239-246.
- Рамачандран, В.С. Хлормагнезиальный цемент, полученный из обожженного доломита/В.С. Рамачандран, К.П. Кейкер, Моеан Раи//Журнал прикладной химии. -1967. -Т. 40, № 8. -С. 1687-1695.
- Федоров, Н.Ф. Обжиговый магнезиальнохлоридный цемент/Н.Ф. Федоров, М.А. Андреев//Цемент и его применение. -2006. -№ 5. -С. 76-78.
- Шелихов, Н.С. Комплексное использование карбонатного сырья для производства строительных материалов/Н.С. Шелихов, Р.З. Рахимов//Строительные материалы. -2006. -№ 9. -С. 42-44.
- ГОСТ 1216-87 Порошки магнезитовые каустические. Технические условия. -Введения 01.07.1988. -М.: ИПК изд-во стандартов, 1995.
- Черных, Т.Н. Энергосбережение при получении магнезиального вяжущего строительного назначения/Т.Н. Черных, А.А. Орлов, Л.Я. Крамар и др.//Строительные материалы. -2011. -№ 8 (680). -С. 58-61.
- Носов, А.В. Эффективность различных добавок-интенсификаторов при обжиге доломитов/А.В. Носов, Т.Н. Черных, Л.Я. Крамар//Строительные материалы. -2014. -№ 6. -С. 71-76.
- Горшков, В.С. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ/В.С. Горшков, В.В. Тимашев, В.Г. Савельев. -М.: Высш. шк., 1981.
- Адлер, Ю.П. Введение в планирование эксперимента/Ю.П. Адлер. -М.: Металлургия, 1968.
- Винарский, М.С. Планирование эксперимента в технологических исследованиях/М.С. Винарский, М.В. Лурье. -Киев: Техника, 1975.
- Shestakov, A.L. The Mathematical Modelling of the Production of Construction Mixtures with Prescribed Properties/A.L. Shestakov, G.A. Sviridyuk, M.D. Butakova//Вестник ЮУрГУ. Серия: Математическое моделирование и программирование. -2015. -Т. 8, № 1. -С. 100-110.