Энергетическая модель активации поверхности минеральных компонентов строительных композиционных материалов

Для оценки эффективности механоактивации минерального порошка, применяемого в качестве минеральной добавки для управления структурообразованием строительных материалов, предлагается использовать две характеристики: соотношение коэффициентов активности поверхности и степени изменения поверхностных свойств k_a/k_s и фрактальную размерность поверхности D_s. Предлагаемый математический алгоритм позволяет охарактеризовать дисперсные системы по изменению энергетических свойств поверхности частиц, непосредственно участвующих в процессе, а также рассчитать фрактальную размерность поверхности, образованной в результате помола. Данные параметры удобно использовать в качестве критериев эффективности активационных явлений, сопровождающих механический размол материала. Проверка адекватности предлагаемой модели проводилась на высокодисперсных порошках кварцевого песка и сапонитсодержащего материала, выделенного из суспензии оборотной воды процесса обогащения кимберлитовых руд. Показано, что для сырьевых материалов исследуемых систем 30-минутная продолжительность механического диспергирования на планетарной шаровой мельнице приводит к значительному изменению свойств поверхности вещества, а фрактальная размерность составила для кварцевого песка 2,36 и для сапонитсодержащего материала 2,46. Показано также, что традиционно используемые критерии оценки эффективности механического размола сырьевого материала по величине удельной поверхности, размерным параметрам частиц являются важными, но недостаточными. Разработанная модель механоактивации, использующая различные константы обрабатываемого вещества, устанавливает взаимосвязь не только между общим количеством разорванных в процессе обработки связей и количеством связей, изменяющих поверхностные свойства (соотношение коэффициентов k_a/k_s), но и учитывает изменение геометрических характеристик поверхности.

М.А. ФРОЛОВА¹, канд. хим. наук, доцент (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.);
Е.В. КОРОЛЕВ², д-р техн. наук, профессор (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)

¹ Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова (163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17)
² Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4)

1. Королев Е.В., Гришина А.Н., Пустовгар А.П. Поверхностное натяжение в структурообразовании материалов. Значение, расчет и применение // Строительные материалы. 2017. № 1–2. С. 104–109. EDN: XXIHWL. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2017-745-1-2-104-108
2. Королев Е.В. Оценка концентрации первичных наноматериалов для модифицирования строительных композитов // Строительные материалы. 2014. № 6. С. 31–34. EDN: SHBYTP.
3. Королев Е.В. Перспективы развития строительного материаловедения // Academia. Архитектура и строительство. 2020. № 3. С. 143–159. EDN: VPCOTZ.
https://doi.org/10.22337/2077-9038-2020-3-143-159
4. Лесовик В.С., Шахова Л.Д., Кучеров Д.Э., Аксютин Ю.С. Классификация активных минеральных добавок для композиционных вяжущих с учетом генезиса // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2012. № 3. С. 10–14. EDN: PATBOZ
5. Строкова В.В., Нелюбова В.В., Хмара Н.О., Буковцова А.И., Денисова Ю.В. Вспученный перлитовый песок как эффективная добавка к вяжущему // Строительные материалы. 2022. № 6. С. 61–66. EDN: WIXFQY.
https://doi.org/10.31659/0585-430X-2022-803-6-61-66
6. Ядыкина В.В. Управление процессами формирования и качеством строительных композитов с учетом состояния поверхности дисперсного сырья. М.: АСВ, 2009. 374 с. EDN: SAPOYD
7. Нелюбова В.В., Строкова В.В., Данилов В.Е., Айзенштадт А.М. Комплексная оценка активности кремнеземсодержащего сырья как показателя эффективности механоактивации // Обогащение руд. 2022. № 2. С. 17–25. EDN: GTUQRF. https://doi.org/10.17580/or.2022.02.03
8. Гусев Б.В., Королев Е.В., Гришина А.Н. Модели полидисперсных систем: критерии оценки и анализ показателей эффективности // Промышленное и гражданское строительство. 2018. № 8. С. 31–39. EDN: UWOADU
9. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика дисперсных структур. М.: Наука, 1966. 400 с.
10. Урьев Н.Б. Физико-химическая динамика дисперсных систем и материалов. Фундаментальные аспекты, технологические приложения. Долгопрудный: ИД «Интеллект», 2013. 232 с.
11. Вайсберг Л.А., Каменева Е.Е. Взаимосвязь структурных особенностей и физико-механических свойств горных пород // Горный журнал. 2017. № 9. С. 53–58. EDN: ZMJBLL.
https://doi.org/10.17580/gzh.2017.09.10
12. Адылходжаев А.И., Кадыров И.А., Умаров К.С., Назаров А.А. К вопросу механоактивации цеолитсодержащих пород // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2019. Т. 16, № 3. С. 489–498. EDN: HCSHIW. https://doi.org/10.20295/1815-588X-2019-3-489-498
13. Гуревич Б.И., Калинкин А.М., Калинкина Е.В., Тюкавкина В.В. Влияние механоактивации нефелинового концентрата на его вяжущие свойства в составе смешанных цементов // Журнал прикладной химии. 2013. Т. 86. № 7. С. 1030–1035. EDN: KIGGSO
14. Евтушенко Е.И., Череватова А.В., Кожухова Н.И., Осадчая М.С., Старостина И.В., Кожухова М.И. Изучение эффективности механоактивации отсева гранита в мельницах различного типа при синтезе наноструктурированного вяжущего // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2020. № 11. С. 102–112. EDN: LFSJMU.
https://doi.org/10.34031/2071-7318-2020-5-11-102-112
15. Иноземцев А.С., Королев Е.В. Высокопрочные легкие бетоны. СПб.: СПбГАСУ, 2022. 192 с. EDN: UCJRAZ
16. Лесовик В.С., Фролова М.А., Айзенштадт А.М. Поверхностная активность горных пород // Строительные материалы. 2013. № 11. С. 71–73. EDN: RKXZQX
17. Зуев В.В., Поцелуев Л.Н., Гончаров Ю.Д. Кристаллоэнергетика как основа оценки магнезиальных свойств твердотельных материалов (включая магнезиальные цементы). CПб.: ООО «АЛЬФАПОЛ», 2006. 119 с.
18. Зуев В.В., Денисов Г.А., Мочалов Н.А. и др. Энергоплотность как критерий оценки свойств минеральных и других кристаллических веществ. М.: Полимедиа, 2000. 352 с.
19. Фролова М.А. Концептуальные аспекты конструирования минеральных порошковых композиций из сырья природного и техногенного происхождения // Строительные материалы. 2024. № 12. С. 28–33.
https://doi.org/10.31659/0585-430X-2024-831-12-28-33
20. Шаманина А.В., Айзенштадт А.М., Кононова В.М., Данилов В.Е. Оценка эффективности механоактивации кремнеземсодержащих горных пород // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2021. № 5. С. 19–27. EDN: URTMHC.
https://doi.org/10.34031/2071-7318-2021-6-5-19-27
21. Айзенштадт А.М., Королев В.Е., Малыгина М.А., Дроздюк Т.А., Фролова М.А. Структурная модификация высокодисперсных порошков вскрышных пород сапонитсодержащей бентонитовой глины // Физика и химия обработки материалов. 2023. № 1. С. 56–63. EDN: BGBWRA.
https://doi.org/10.30791/0015-3214-2023-1-56-63
22. Rossman F. Giese, Carel J. van Oss. Colloid and surface properties of clays and related minerals. New York: CRC Press. 2002. 312 p. https://doi.org/10.1201/9780203910658
23. Lambourne R., Strivens T.A. (ed.) Paint and surface coatings: Theory and practice (2nd ed.). Woodhead Publishing Ltd. 1999. 800 p.
24. Ghasemi Y., Mats E., Cwirzen A. Estimation of specific surface area of particles based on size distribution curve // Magazine of Concrete Research. 2018. No. 70. Iss. 10, pp. 533–540. https://doi.org/10.1680/jmacr.17.00045
25. Гомонай М.В. Производство топливных брикетов. Древесное сырье, оборудование, технологии, режимы работы: Монография. М.: МГУЛ (Московский государственный университет леса), 2006. 68 p.
26. Смирнов В.А., Королев Е.В., Альбакасов А.И. Размерные эффекты и топологические особенности наномодифицированных композитов // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. 2011. Т. 3. № 4. С. 17–27. EDN: OWMYFH