Определение оптимальных составов магнезиальных вяжущих с добавкой хризотил-асбеста, модифицированного серной кислотой

ВЕСТНИК 8/2011

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ СОСТАВОВ МАГНЕЗИАЛЬНЫХ ВЯЖУЩИХ С ДОБАВКОЙ ХРИЗОТИЛ-АСБЕСТА, МОДИФИЦИРОВАННОГО СЕРНОЙ КИСЛОТОЙ

AN INVESTIGATION OF THE OPTIMUM COMPOSITION OF THE MAGNESIUM BINDING MATERIALS WITH THE CHRYSOTILE-ASBESTOS ADDITIVE MODIFIED BY THE SULFURID ACID

B.B. Козлов , Ю.В. Устинова, A.E. Насонова, В.И. Боброва

V.V. Kozlov, Yu.V. Ustinova, A.E. Nasonova, V.I. Bobrova

ФГБОУ ВПО МГСУ

В статье рассмотрен алгоритм определения оптимального состава плитных материалов на основе каустического магнезита с добавкой хризотил-асбеста, модифицированного серной кислотой.

The article covers the way of the investigation of the optimum composition of the plate materials based on the caustic magnesite with the chrysotile-asbestos additive modified by the sulfuric acid.

Плитные изделия на основе каустического магнезита характеризуются быстрым набором прочности, высокой прочностью, экологичностью, биостойкостью. На кафедре общей химии Московского государственного строительного университета на протяжении нескольких лет ведутся работы по оптимизации состава плитных материалов на основе каустического магнезита [1], в том числе с целью получения материалов, обладающих повышенной водостойкостью. Для этого предлагается в качестве добавки в каустический магнезит использовать отходы хризотил-асбеста (ХА), модифицированные концентрированной серной кислотой.

Подробно методика изготовления этих составов описана в работе [2]. Хризотил-асбест перетирали в фарфоровой ступке с концентрированной серной кислотой. Данную смесь смешивали с небольшим количеством насыщенного раствора хлорида магния и затворяли полученной суспензией порошок каустического магнезита. Добавляли раствор хлорида магния до образования теста пластичной консистенции.

Содержание хризотил-асбеста в образцах варьировалось от 0,5 до 5%, содержание концентрированной серной кислоты - от 1 до 45% (по массе). Было обнаружено, что образцы с более высоким содержанием серной кислоты крайне хрупки.

Примеры некоторых испытанных составов приведены в таблице 1. Для каждого состава изготовлялось 3 серии образцов. Число образцов в каждой серии было не менее двенадцати. Образцы из этих составов испытывали на сжатие в различные сроки: в возрасте 1 сутки и 1 месяц, в сухом и водонасыщенном состоянии в соответствии с ГОСТ 53231-2008. Следует отметить, что образцы в водонасыщенном состоянии испытывали через 7 суток нахождения в воде.

8/2011

ВЕСТНИК _МГСУ

Для установления общих закономерностей влияния добавок на свойства магнезиального камня, а также определения оптимальных дозировок добавок, были построены графики зависимости прочности образцов от содержания добавок. Содержание воды в тесте соответствовало водопотребности магнезиального вяжущего. В данном эксперименте варьировалось содержание трех компонентов (ХА, серной кислоты и хлорида магния - см. таблицу 1). В качестве факторов было взято отношение содержание ХА к серной кислоте и хлориду магния. Полученные результаты методом наименьших квадратов [3, 4].

Прочность плитного материала через сутки после начала твердения апроксимиру-ется линейной функцией, где И2 - величина достоверности аппроксимации (рис. 1). Прочность сухих образцов в возрасте 30 суток апроксимируется полиномиальной функцией (рис.2), а прочность образцов в водонасыщенном состоянии - логарифмической функцией (рис. 3)._

♦ Прочность образцов через сутки твердения, Мпа

-Полиномиальная

у = ЗЗЗх + 7,75 К2 = 0,9031

ХА

0,05

0,1

Рис. 1. Прочность плитного материала в возрасте 1 суток

Рис. 2. Прочность плитного материала в возрасте 30 суток после начала твердения

ВЕСТНИК МГСУ

8/2011

Примем, что распределение прочности наших образцов является нормальным. Мы можем сделать данное предположение, т.к. полученные нами отклики (прочность в возрасте 1 суток, в прочность образца в возрасте 1 месяц в сухом и водонасыщенном состоянии) - зависят от целого комплекса причин. Если же случайная величина может рассматриваться как сумма большого числа малых слагаемых, то при достаточно общих условиях закон распределения этой случайной величины близок к нормальному независимо от того, каковы законы распределения для отдельных слагаемых. Числовые характеристики нормального закона: M(X)=a, D(X)=o2 - математическое ожидание и дисперсия, где a и о - параметры распределения.

Вычисляя математическое ожидание M(X) и дисперисю D(X), определим f(X) -

1 (х-а)2

плотность вероятности прочности наших образцов: f(x) = , е 2ст2

Полученные результаты приведены на соответствующих графиках (рис. 4-6).

Рис. 3. Прочность плитного материала в водонасыщенном состоянии 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0

о с

Плотность вероятности

—i

80

Прочность образцов через сутки твердения, МПа

Рис. 4. Плотность вероятности прочности плитных материалов на основе каустического магнезита в возрасте 1 суток

8/2011 ВЕСТНИК

Рис. 5. Плотность вероятности прочности 30-дневных плитных материалов на основе

каустического магнезита

Рис. 6. Плотность вероятности прочности водонасыщенных материалов на основе каустического магнезита

Из графиков 4-6 видно, что наиболее вероятное значение прочности плитных материалов находится в интервале 12-22 МПа. Поэтому на следующем этапе работы мы, используя обратную зависимость аппроксимированных кривых, определили составы образцов, прочность которых должна попадать в интервал наиболее вероятных значений. Был задан ряд дискретных значений содержания насыщенного раствора хлорида магния и ряд дискретных значений содержания ХА. Для каждой такой пары (ХА и MgCl2) определяли интервал возможного содержания серной кислоты. В качестве рекомендуемого состава принимали среднее между максимальным и минимальным значениями серной кислоты из данного интервала. Полученные данные приведены в таблице 2.

ВЕСТНИК 8/2011

Учитывая то, что хлорид магния мы добавляем в виде насыщенного раствора, а не сухой смеси, мы не можем использовать слишком малые количества затворителя. Иначе консистенция теста будет повышенной жесткости. Поэтому для проверки справедливости данной модели мы приготовили материалы трех разных составов, содержащих оптимальное количество раствора хлорида магния, и измерили их прочность через месяц твердения, а так же в водонасыщенном состоянии. Результаты приведены в таблице 3. Как оказалось, экспериментально определенные значения прочности соответствовали расчетным.

Вывод:

По результатам испытаний образцов магнезиальных композиций, модифицированных добавкой хризотиласбеста, обработанного серной кислотой, предложен алгоритм, позволяющий рассчитывать оптимальные составы этих композиций.

Таблица 1

Примеры составов образцов плитных материалов на основе каустического магнезита

состав MgO, г Л ч о О & £ ^ >-3 с ^ « я ХА,г 1-е С> т гл к 1-е о (Ч Я Прочность в возрасте 1 сутки, МПа Прочность в возрасте 1 месяц, МПа Прочность в водонасыщенном состоянии, МПа

1 100 23 / 30 1 10 55 16,8 27,7 15,5

2 100 35 / 45 5 45 82 15,8 17,8 4,2

3 100 19 / 10 2 10 55 20,1 26,7 17,6

Таблица 2

Расчетные составы смесей для приготовления плитных материалов на основе каустического магнезита с заданной прочностью 12-22 МПа (компоненты даны в пересчете

на 100 г каустического магнезит)

Насыщенный раствор MgCl2, мл Хризотил-асбест, г H2SO4, г

мин макс Рекомендуемый состав

1 2,8 7,8 5,6

20 2 5,6 15,6 10,6

5 14,2 39,2 26,7

10 28,4 78,4 53,4

1 1,4 4,0 2,7

40 2 2,8 7,8 5,8

5 7,0 19,6 13,3

10 14,2 39,2 26,7

1 1,0 2,6 1,8

60 2 1,8 5,2 3,5

5 4,8 13,0 8,9

10 9,4 26,0 17,7

90 1 0,6 1,8 1,2

2 1,2 3,4 2,3

Б/2011 ВЕСТНИК

5 3,2 8,7 6,0

10 6,2 17,4 11,8

1 0,6 1,8 1,2

100 2 1,2 3,2 2,2

5 2,8 7,8 5,3

10 5,6 15,6 21,2

Таблица 3

Свойства плитных материалов на основе каустического магнезита, состав которых был _выбран на основе предложенной математической модели_

MgO, г MgCl2, нас. р-р, мл Хризотил-асбест, г H2SO4, г Н2О, г Прочность сухого образца через месяц, МПа Прочность водона-сыщенного образца, МПа

100 20 1 5,6 10 18,9 12,3

100 40 2 5,8 - 20,5 19,5

100 40 5 13,3 - 22,0 18,7

Литература

1. Сидоров В.И., Малявский Н.И., Никифорова Т.П., Устинова Ю.В. и др. Химические основы технологии производства плиточных материалов с использованием каустического магнезита // Технологии бетонов. - № 2. - 2008 г

2. Устинова Ю.В., Насонова А.Е., Козлов В.В. Повышение водостойкости магнезиальных вяжущих // Вестник МГСУ. - № 4. - т.3. - 2010. - с. 123-127

3. Ермаков С.М., Бродский В.З., Жиглявский А.А., Козлов В.П., Малютов М.Б., Мелас В.Б., Седунов Е.В., Федоров В.В. - Математическая теория планирования эксперимента. - М.: Наука, 1983 - 392 с.

4. Неве Ж. - Математические основы теории вероятностей. - М.: Мир, 1969 - 431 с.

Literature

1. Sidorov V.I., Maljavskij N.I., Nikiforova T.P., Ustinova Ju.V. i dr. Himicheskie osnovy tehnologii proizvodstva plitochnyh materialov s ispol'zovaniem kausticheskogo magnezita // Tehnologii betonov. - № 2. - 2008 g.

2. Ustinova Ju.V., Nasonova A.E., Kozlov V.V. Povyshenie vodostojkosti magnezial'nyh vja-zhuwih // Vestnik MGSU. - № 4. - t.3. - 2010. - s. 123-127.

3. Ermakov S.M., Brodskij V.Z., Zhigljavskij A.A., Kozlov V.P., Maljutov M.B., Melas V.B., Sedu-nov E.V., Fedorov V.V. - Matematicheskaja teorija planirovanija jeksperimenta. - M.: Nauka, 1983 - 392 s.

4. Njove Zh. - Matematicheskie osnovy teorii verojatnostej. - M.: Mir, 1969 - 431 s.

Ключевые слова: магнезиальные, вяжущие, водостойкость, прочность, хризотил-асбест, серная, кислота, математическая, теория, планирование, эксперимент.

Keywords: magnesium, binding materials, water resistance, strength, chrysotile-asbestos, sulfur-ic, acid, mathematic, theory, planning, experiment.

e-mail: ustinova. ju@gmail.com

Рецензент: Мясоедов E.M., кандидат химических наук, профессор кафедры общей и неорганической химии им. Н.Л. Глинки ГОУВПО МГОУ.