Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

ВЫБОР НАПОЛНИТЕЛЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ХИМИЧЕСКИ СТОЙКОГО КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ СЕРНОГО ВЯЖУЩЕГО

Самошина Е.Н. 1 Шитова И.Ю. 1
1 ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»
Немаловажное значение при изготовлении материалов на основе серного вяжущего имеет вид, дисперсность и количество наполнителя. Большинство минералов и соединений, входящих в их состав, являются химически активными по отношению к сере, что может привести к образованию растворимых веществ и в итоге снизить показатели эксплуатационных свойств конечного продукта. В настоящей работе приводятся теоретические основы выбора дисперсной фазы для получения химически стойкого серного композиционного материала. В качестве критерия использованы рассчитанные методами химической термодинамики значения изобарно-изотермического потенциала следующих химических взаимодействий: между наполнителем и серой в процессе приготовления материала; между наполнителем и агрессивной средой в процессе эксплуатации материала; между сульфидами, образующимися на границе раздела фаз «сера ? наполнитель», и агрессивной средой. По результатам расчётов сделан вывод, что для изготовления серных материалов, стойких в растворах различных кислот и солей, целесообразно использовать кварцсодержащие наполнители (андезит, опоку, диабаз, кварц и др.), а также сульфаты натрия, калия, магния, кальция и марганца. Эти наполнители инертны к действию серы и агрессивных сред.
сера
серная мастика
серный композит
наполнитель
энергия Гиббса
1. Антонов А.В. Системный анализ. – М.: Высшая школа, 2004. – 454 с.
2. Бобрышев А.Н. Синергетика композиционных материалов / А.Н. Бобрышев, В.Н., Козомазов, Л.О. Бабин, В.И. Соломатов. – Липецк: НПО Ориус, 1994. – 151 с.
3. Евстратова К.И. Физическая и коллоидная химия / К.И. Евстратова, Н.А. Купина, Е.Е. Малахова – М.: Высшая школа, 1990. – 486 с.
4. Карапетьянц М.Х. Основные термодинамические константы неорганических и органических веществ / М.Х. Карапетьянц, М.Л. Карапетьянц. – М.: Химия, 1968. – 472 с.
5. Рабинович В.А. Краткий химический справочник / В.А. Рабинович, З.Я. Хавин. – Л.: Химия, 1978. – 392 с.
6. Равдель А.А. Краткий справочник физико-химических величин / А.А. Равдель, К.П. Мищенко. – Л.: Химия, 1974. – 200 с.
7. Стромберг А.Г. Физическая химия / А.Г. Стромберг, Д.П. Семченко. – М.: Высшая школа, 1999. – 527 с.

Одной из приоритетных задач строительного материаловедения является проблема выбора и принятия решений. Поэтому при проведении системного анализа осуществляется формирование множества возможных способов достижения поставленной цели, то есть генерируется множество альтернатив, из которых осуществляется выбор. В настоящей работе с применением основных законов термодинамики научно обоснован выбор наполнителя для получения коррозионно-стойких серных композиционных материалов.

Серные композиционные материалы относятся к специальным видам композиционных материалов, при изготовлении которых в качестве вяжущего используются сера и серосодержащие отходы. Получают серные композиты путём смешения расплавленной серы с наполнителем, заполнителями и специальными добавками.

К положительным свойствам серных композиционных материалов относятся: технологичность серобетонных и растворных смесей; быстрый набор прочности, связанный только с периодом остывания и кристаллизации серы; относительно высокая прочность; стойкость к действию агрессивных сред, особенно к действию солевой и кислотной агрессии; низкое водопоглощение и, следовательно, высокая морозо- и водостойкость.

Серные композиты целесообразно использовать для изготовления конструкций, в период эксплуатации которых предъявляются повышенные требования по стойкости в агрессивных средах, морозо- и атмосферостойкости, проницаемости. К таким конструкциям относятся: элементы дорожных покрытий (тротуарные плитки, торцовые шашки, бортовые камни, дорожные ограждения), конструкции, подверженные солевой агрессии (полы, сливные лотки, фундаменты), инженерные сооружения (коллекторные кольца, канализационные трубы, очистные сооружения), футеровочные блоки.

Технологические, физико-механические и эксплуатационные свойства серных композиционных материалов (конечного продукта) зависят от различных рецептурно-технологических факторов, изменяя которые, можно получить материал с заданным комплексом необходимых свойств.

В теории композиционных материалов установлено, что на свойства композитов значительное влияние оказывают вид, дисперсность и количество наполнителя [2]. Зависимости структурно-чувствительных свойств композита от указанных факторов в большинстве случаев имеют экстремальный характер.

Для получения химически стойкого композита на основе серного вяжущего целесообразно использовать компоненты, которые являются устойчивыми в эксплуатационных средах. При этом высокой стойкостью должны обладать не только основные ингредиенты, но и соединения, образующиеся на границе раздела фаз.

Большинство породообразующих минералов, а также наиболее распространенные соединения, входящие в состав минералов, являются по отношению к сере химически активными, что во многих случаях приводит к образованию растворимых веществ, снижающих показатели эксплуатационных свойств. К химически активным наполнителям относятся вещества, которые способны вступать в химическое взаимодействие с вяжущим, в данном случае – серой, с образованием на границе раздела фаз «дисперсионная среда - дисперсная фаза» соединений различного состава. В результате образующиеся соединения оказывают значительное влияние на процессы формирования структуры материала и его физико-механические и эксплуатационные свойства.

В настоящей работе выбор наполнителя для изготовления серных композиционных материалов, стойких в различных средах, осуществляли с применением критериального подхода [1]. В качестве критерия использовали значение изобарно-изотермического потенциала (энергия Гиббса), рассчитываемого известными методами химической термодинамики. Термодинамический подход позволяет определить возможность протекания химического процесса. На практике в качестве критерия для оценки направленности процесса используют изобарно-изотермический потенциал ΔG:

ΔG = ΔH – TΔS,

где ΔH – энтальпия процесса; ΔS – энтропия процесса; T – температура.

Изменение энтальпии DН и энтропии ΔS реакции согласно закону Гесса (первое следствие из закона Гесса) равны [7]:

samoshin001.wmf

samoshin002.wmf

где samoshin003.wmf – стандартный тепловой эффект реакции при 298 К; samoshin004.wmfи samoshin005.wmf – стандартные тепловые эффекты образования продуктов реакции и исходных веществ соответственно; samoshin006.wmf – энтропия реакции при 298 К; samoshin007.wmfи samoshin008.wmf – стандартные энтропии образования продуктов реакции и исходных веществ соответственно; nj и ni – количество вещества продуктов реакции и исходных веществ соответственно.

Тепловой эффект реакции при другой температуре (отличной от стандартной) согласно закону Кирхгофа равен

samoshin009.wmf

где samoshin010.wmf и samoshin011.wmf – тепловые эффекты реакции при Т2 и Т1 соответственно; ΔCp – изменение теплоёмкости системы реагирующих веществ в конечном и начальном состоянии.

При расчёте ΔG возможны следующие варианты:

1) ΔG < 0;

2) ΔG = 0;

3) ΔG > 0.

Первый вариант означает, что при данных условиях (температуре, давлении, концентрации и т.д.) возможно самопроизвольное протекание исследуемого процесса. Второй вариант – созданных внешних условий недостаточно для проведения процесса, система находится в состоянии равновесия. Третий вариант – при данных условиях протекание процесса невозможно.

В данной работе термодинамический подход использовался для оценки возможности следующих химических взаимодействий:

1) между наполнителем и серой в процессе приготовления материала;

2) между наполнителем и агрессивной средой в процессе эксплуатации материала;

3) между сульфидами, образующимися на границе раздела фаз «сера - наполнитель», и агрессивной средой.

По результатам термодинамического анализа, которому были подвергнуты основные породообразующие минералы, а также наиболее распространенные соединения, входящие в состав минералов, осуществляли выбор дисперсной фазы (табл. 1). Основным критерием выбора наполнителя являлась его химическая инертность к взаимодействию с серой и к действию различных кислот и солей (для проведения расчетов и исследований были выбраны самые распространенные в промышленности кислоты и соли: соляная, серная и азотная кислоты, хлорид натрия и сульфат магния).

Таблица 1

Результаты термодинамических расчётов*

Компонент наполнителя

Энергия Гиббса, кДж/моль

Образование сульфида при температуре изготовления (Т = 160 °С)

Эксплуатационные среды

кислоты

соли

соляная

серная

азотная

хлорид натрия

сульфат магния

T = 25 °C

T = 50 °C

T = 25 °C

T = 50 °C

T = 25 °C

T = 50 °C

T = 25 °C

T = 50 °C

T = 25 °C

T = 50 °C

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Оксиды

NaO

–287,9

samoshin012.wmf

samoshin013.wmf

samoshin014.wmf

samoshin015.wmf

samoshin016.wmf

samoshin017.wmf

samoshin018.wmf

samoshin019.wmf

K2O

–499,3

samoshin020.wmf

samoshin021.wmf

samoshin022.wmf

samoshin023.wmf

samoshin024.wmf

samoshin025.wmf

samoshin026.wmf

samoshin027.wmf

samoshin028.wmf

samoshin029.wmf

MgO

–161,7

samoshin030.wmf

samoshin031.wmf

samoshin032.wmf

samoshin033.wmf

samoshin034.wmf

samoshin035.wmf

samoshin036.wmf

samoshin037.wmf

CuO

–162,2

samoshin038.wmf

samoshin039.wmf

samoshin040.wmf

samoshin041.wmf

samoshin042.wmf

samoshin043.wmf

samoshin044.wmf

samoshin045.wmf

samoshin046.wmf

samoshin047.wmf

CaO

–66,3

samoshin048.wmf

samoshin049.wmf

samoshin050.wmf

samoshin051.wmf

samoshin052.wmf

samoshin053.wmf

samoshin054.wmf

samoshin055.wmf

samoshin056.wmf

samoshin057.wmf

ZnO

–81,5

samoshin058.wmf

samoshin059.wmf

samoshin060.wmf

samoshin061.wmf

samoshin062.wmf

samoshin063.wmf

samoshin064.wmf

samoshin065.wmf

samoshin066.wmf

samoshin067.wmf

BaO

–146,8

samoshin068.wmf

samoshin069.wmf

samoshin070.wmf

samoshin071.wmf

samoshin072.wmf

samoshin073.wmf

samoshin074.wmf

samoshin075.wmf

samoshin076.wmf

samoshin077.wmf

SiO2

302,3

samoshin078.wmf

samoshin079.wmf

samoshin080.wmf

samoshin081.wmf

PbO

–108,6

samoshin082.wmf

samoshin083.wmf

samoshin084.wmf

samoshin085.wmf

samoshin086.wmf

samoshin087.wmf

samoshin088.wmf

samoshin089.wmf

samoshin090.wmf

samoshin091.wmf

MnO

–21,1

samoshin092.wmf

samoshin093.wmf

samoshin094.wmf

samoshin095.wmf

samoshin096.wmf

samoshin097.wmf

samoshin098.wmf

samoshin099.wmf

samoshin100.wmf

samoshin101.wmf

FeO

–36,92

samoshin102.wmf

samoshin103.wmf

samoshin104.wmf

samoshin105.wmf

samoshin106.wmf

samoshin107.wmf

samoshin108.wmf

samoshin109.wmf

samoshin110.wmf

samoshin111.wmf

Соли

Na2CO3

193,0

samoshin112.wmf

samoshin113.wmf

samoshin114.wmf

samoshin115.wmf

samoshin116.wmf

samoshin117.wmf

samoshin118.wmf

samoshin119.wmf

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Na2SO4**

242,4

samoshin120.wmf

samoshin121.wmf

samoshin122.wmf

samoshin123.wmf

K2CO3

149,7

samoshin124.wmf

samoshin125.wmf

samoshin126.wmf

samoshin127.wmf

samoshin128.wmf

samoshin129.wmf

samoshin130.wmf

samoshin131.wmf

samoshin132.wmf

samoshin133.wmf

K2SO4**

256,3

samoshin134.wmf

samoshin135.wmf

samoshin136.wmf

samoshin137.wmf

samoshin138.wmf

samoshin139.wmf

MgCO3

–92,5

samoshin140.wmf

samoshin141.wmf

samoshin142.wmf

samoshin143.wmf

samoshin144.wmf

samoshin145.wmf

samoshin146.wmf

samoshin147.wmf

MgSO4**

1915,7

samoshin148.wmf

samoshin149.wmf

samoshin150.wmf

samoshin151.wmf

samoshin152.wmf

samoshin153.wmf

CuCO3

680,5

samoshin154.wmf

samoshin155.wmf

samoshin156.wmf

samoshin157.wmf

samoshin158.wmf

samoshin159.wmf

samoshin160.wmf

samoshin161.wmf

samoshin162.wmf

samoshin163.wmf

CuSO4

–45,2

samoshin164.wmf

samoshin165.wmf

samoshin166.wmf

samoshin167.wmf

samoshin168.wmf

samoshin169.wmf

CaCO3

148,7

samoshin170.wmf

samoshin171.wmf

samoshin172.wmf

samoshin173.wmf

samoshin174.wmf

samoshin175.wmf

samoshin176.wmf

samoshin177.wmf

samoshin178.wmf

samoshin179.wmf

CaSO4

184,0

samoshin180.wmf

samoshin181.wmf

samoshin182.wmf

samoshin183.wmf

samoshin184.wmf

samoshin185.wmf

ZnCO3

–97,2

samoshin186.wmf

samoshin187.wmf

samoshin188.wmf

samoshin189.wmf

samoshin190.wmf

samoshin191.wmf

samoshin192.wmf

samoshin193.wmf

samoshin194.wmf

samoshin195.wmf

ZnSO4

22,8

samoshin196.wmf

samoshin197.wmf

samoshin198.wmf

samoshin199.wmf

samoshin200.wmf

samoshin201.wmf

BaCO3

207,9

samoshin202.wmf

samoshin203.wmf

samoshin204.wmf

samoshin205.wmf

samoshin206.wmf

samoshin207.wmf

samoshin208.wmf

samoshin209.wmf

samoshin210.wmf

samoshin211.wmf

PbCO3

–66,8

samoshin212.wmf

samoshin213.wmf

samoshin214.wmf

samoshin215.wmf

samoshin216.wmf

samoshin217.wmf

samoshin218.wmf

samoshin219.wmf

samoshin220.wmf

samoshin221.wmf

PbSO4

77,4

samoshin222.wmf

samoshin223.wmf

samoshin224.wmf

samoshin225.wmf

samoshin226.wmf

samoshin227.wmf

MnCO3

49,2

samoshin228.wmf

samoshin229.wmf

samoshin230.wmf

samoshin231.wmf

samoshin232.wmf

samoshin233.wmf

samoshin234.wmf

samoshin235.wmf

samoshin236.wmf

samoshin237.wmf

MnSO4**

93,3

samoshin238.wmf

samoshin239.wmf

samoshin240.wmf

samoshin241.wmf

samoshin242.wmf

samoshin243.wmf

FeCO3

–10,6

samoshin244.wmf

samoshin245.wmf

samoshin246.wmf

samoshin247.wmf

samoshin248.wmf

samoshin249.wmf

samoshin250.wmf

samoshin251.wmf

samoshin252.wmf

samoshin253.wmf

FeSO4

61,4

samoshin254.wmf

samoshin255.wmf

samoshin256.wmf

samoshin257.wmf

samoshin258.wmf

samoshin259.wmf

Примечания: в числителе – значения энергии Гиббса для процесса взаимодействия наполнителя с агрессивной средой; в знаменателе – то же для процесса взаимодействия сульфидов, образующихся на границе раздела фаз «сера – наполнитель», с агрессивной средой; * – значения термодинамических величин взяты из справочной литературы [3…6]; ** – применение наполнителя возможно только после экспериментальной проверки в разбавленных растворах указанных солей и кислот.

Из анализа табл. 1 видно, что для изготовления серных материалов, стойких в растворах различных кислот и солей, целесообразно использовать кварцсодержащие наполнители (андезит, опоку, диабаз, кварц и др.), а также сульфаты натрия, калия, магния, кальция и марганца. Эти наполнители инертны к действию серы и агрессивных сред, на что указывает изобарно-изотермический потенциал (ΔG > 0).

Известно, что сульфаты натрия, калия, магния и марганца являются растворимыми в воде, поэтому их применение возможно только после экспериментальной проверки в разбавленных растворах указанных кислот и солей.

Поэтому в качестве наполнителя для изготовления химически стойких композитов на основе серного вяжущего предлагается использовать кварцевую муку с различной удельной поверхностью для установления оптимальных составов, полученную измельчением речного кварцевого песка (р. Сура). Кроме инертности, кварцевый песок является еще и доступным и широко распространенным сырьём в Пензенской области. Свойства данного наполнителя приведены в табл. 2.

Таблица 2

Характеристики кварцевого наполнителя (Мк = 1,4)

Средняя удельная поверхность, м2/кг

Плотность, кг/м3

насыпная

средняя

180

1230 ± 20

2620 ± 20

300

960 ± 5

 

420

885 ± 10

 

Библиографическая ссылка

Самошина Е.Н., Шитова И.Ю. ВЫБОР НАПОЛНИТЕЛЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ХИМИЧЕСКИ СТОЙКОГО КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ СЕРНОГО ВЯЖУЩЕГО // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 4-1. – С. 107-111;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=40135 (дата обращения: 18.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074