Нанодисперсный наполнитель цементных композиций

С.Ф. КОРЕНЬКОВА Нанодисперсный наполнитель цементных композиций

С реди многочисленных промышленных отходов особое место занимают шламы, образующиеся в виде осадков, которые выпадают при реагентной обработке сточных вод промышленных предприятий, связанных с очисткой, подготовкой и умягчением.

В результате сложных механических и физико-химических процессов (диспергирование и адсорбция, обмен ионов, а также перемешивание и отстаивание) из воды выпадает агрегативно неустойчивый, рыхлый по структуре осадок, концентрация твердых частиц в котором не превышает 10–15 %.

После обезвоживания и уплотнения осадка образуется шлам – предельно концентрированная суспензия с водосодержанием 40 – 50 %. Он отличается от осадка большой устойчивостью структуры, однородностью и постоянством состава. Очистка промстоков – типичный коллоидно-химический процесс, поэтому независимо от технологии основного производства шламы представляют микрогетерогенные структурированные системы.

По назначению шламы можно отнести к минеральным наполнителям, функционально предназначенным для регулирования сорбционных процессов в водовяжущих суспензиях и через них – формирования контактной зоны в композиции «цемент-заполнитель» [1].

На рис. 1 представлена схема выпадения осадков, а на рис. 2 – основные этапы формирования структуры шлама [2].

Рис. 1. Схема образования шлама

Исследования надатомной структуры шламов различного химико-минералогического состава были выполнены Петербургским институтом ядерной физики им. Б.П. Константинова (г. Гатчина). Эти исследования проводились методом малоуглового рассеяния ней-

С.Ф. КОРЕНЬКОВА Нанодисперсный наполнитель цементных композиций

123 4

Рис. 2. Процесс формирования структуры шлама:

1 – сточная вода; 2, 3 – стадии выпадения и коагуляции осадка;

4 – завершающая стадия формирования структуры шлама тронов на установленном на реакторе ВВР-М ПИЯФ дифрактометре «Мембрана-2» (длина волны нейтронов λ = 0,3 nm, Δλ/λ = 0,3) в диапазоне переданных нейтронных импульсов q = (4π/λ)•sin (θ/2) от 0,03 nm–1 до 0,8 nm–1. Рассеянные нейтроны регистрировались детектором, состоящим из 41 3Не-счетчика в диапазоне углов –2о < θ < +2о.

Установлено, что средний радиус рассеивающих структур в шламах составляет от 40 до 50 нм. Полученные результаты позволяют отнести технологию образования шламов к нанопроцессам, а шламы – к наноди-сперсным материалам техногенного происхождения. Одним из свойств шламов является их высокая степень самоорганизации, за меру которой в исследуемом пространстве принят коэффициент однородности, определяющий качество упаковки твердых частиц в цементных системах на стадии формирования их структуры.

Известно, что процессы самоорганизации связаны с движением частиц и зависят от их плотности, размера, способности к соударению и взаимодействию с другими частицами. Легкие и подвижные частицы шламов в стабильное состояние переходят через неравновесное состояние, что определяет высокую степень их хаотичности и возможность к самоорганизации на стадии образования. Это и обуславливает их высокую конечную степень однородности. Наполнители этой группы обладают избыточным запасом энергии, способностью к химическому взаимодействию, а также к формированию контактной зоны между цементом и заполнителем с повышенной адгезионной прочностью [3].

Материал с такой дисперсностью обладает фрактальной структурой. Установлено, что карбонатные шламы – продукты водоочистки и

^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 73                         ( к содержанию3

С.Ф. КОРЕНЬКОВА Нанодисперсный наполнитель цементных композиций водоумягчения на ТЭС – представляют большой практический интерес как микродисперсные наполнители в строительных композициях различного назначения [3].

Фрактальная размерность карбонатного шлама, рассчитанная с помощью компьютерной программы, составляет порядка 1,9–2,0, что значительно выше, чем у цементных частиц. Это еще раз подтверждает, что одним из наноразмерных наполнителей вяжущих можно считать карбонатные шламы, которые активно участвуют в формировании структуры и свойств контактной зоны при изготовлении тяжелых, легких и особо легких бетонов, кладочных и штукатурных растворов.

Компьютерная программа, написанная аспирантом кафедры «Прикладная математика и вычислительная техника» (СГАСУ), позволяет смоделировать поверхность частиц шламов на основе их размера и получить фрактальное изображение. Компьютерная модель частицы карбонатного шлама приведена на рис. 3. Сравнение с рис. 2 (п. 4) позволяет установить идентичность графического изображения частиц и сделать вывод о правомерности определения фрактальной размерности шлама.

Рис. 3. Компьютерная модель частицы карбонатного шлама

С.Ф. КОРЕНЬКОВА Нанодисперсный наполнитель цементных композиций