Реологические свойства поликомпонентной гипсосодержащей суспензии

Установлено, что поликомпонентная гипсосодержащая суспензия с влажностью 80 % обладает слабыми структурными связями, характеризуется неполным тиксотропным восстановлением структуры после снятия напряжения сдвига и является тиксолабильной.

Ключевые слова: высокоосновный шлак, реология, тиксотропия, тиксолабильность, коагуляционные контакты.

Важнейшим условием получения материалов с заданными физико-механическими свойствами является управление процессом структурообразования дисперсных систем на всех стадиях технологического процесса и, особенно в начальном периоде.

Наибольший интерес в этом плане представляют суспензии — дисперсные системы, в которых дисперсной фазой являются частицы твердого вещества размером более 10–⁵ см, а дисперсионной средой — жидкость. Объектом нашего изучения является поликомпонентная гипсосодержащая суспензия, полученная в результате химической переработки высокоосновного шлака Челябинского электрометаллургического комбината.

Целью настоящей работы является исследование реологических характеристик гипсосодержащей суспензии, позволяющих оценить свойства структуры, возникающей на ранней стадии.

Самораспадающийся феррохромовой шлак (марка СФШ, ТУ 14–11–325–97) был предоставлен нам Челябинским металлургическим комбинатом. Химический и минералогический состав указанного шлака позволяет считать его подходящим сырьем для получения поликомпонентной гипсосодержащей суспензии (ПГСС) [1, 2].

Для получения суспензии шлак смешивался с водой в соотношении 1:10. Суспензия интенсивно перемешивалась в течение 3–5 минут. Плотность суспензии составила 1,05 г/см³. При интенсивном перемешивании в суспензию добавлялась концентрированная серная кислота (ω = 98 %, ρ = 1,834 г/см³, по ГОСТ 4204–77) в стехиометрическом соотношении, рассчитанном на полное выщелачивание минералов шлака. Готовность суспензии к проведению реологических исследований достигалась после непрерывного перемешивания в течение 30 минут и достижения нейтральной реакции среды.

При обработке суспензии шлака серной кислотой дисперсную фазу образуют ультрадисперсные кристаллы дигидрата сульфата кальция и частицы кремниевой кислоты. В дисперсионную среду переходят сульфаты алюминия, магния, хрома, железа. Содержание дигидрата сульфата кальция в дисперсной фазе суспензии составило 79 масс. %, кремниевой кислоты — 21 масс. %.

Характер реологических кривых определяется характером зависимости эффективной вязкости от градиента скорости сдвига: η = f(γ). Из анализа зависимости следует, что поликомпонентная гипсосодержащая суспензия характеризуется тиксотропным характером течения: вязкость монотонно убывает по мере увеличения градиента скорости сдвига (рис. 1). После снятия напряжения наблюдается некоторое восстановление вязкости, несовпадение хода кривых при движении «сверху вниз» (при > γ) и «снизу вверх» (при < γ) от максимального до минимального значения свидетельствует о том, что тиксотропного «залечивания» не происходит даже при длительном деформировании системы с изменением γ → . Итак, для поликомпонентной гипсосодержащей суспензии характерно неполное тиксотропное восстановление структуры после снятия напряжения сдвига, следовательно, дисперсную систему можно охарактеризовать как тиксолабильную. С течением времени (в пределах 30 минут) не наблюдается заметного структурирования системы — эффективная вязкость суспензии не превышает 4 Па•с.

Рис. 1. Зависимость эффективной вязкости свежеприготовленной суспензии от градиента скорости при прямом и обратном ходе

Таким образом, реологические свойства ПГСС могут быть охарактеризованы двумя величинами вязкости: ньютоновской η_∞ (или η_min) для предельно разрушенной структуры и пластической η в промежуточной области. Особенностью анализируемых реологических кривых является отсутствие линейного участка кривой течения при малых напряжениях сдвига, что отвечает такому состоянию, когда структурные элементы при течении разрушаются, но время их восстановления больше времени разрушения. Рассмотренные реологические свойства типичны для систем с коагуляционной структурой.

Проявление структуры, её прочность, можно оценить величиной предела текучести, а также разностью η_max — η_min особенно в жидкообразных системах. Чем больше эта разность, тем прочнее структура. У свежеприготовленной суспензии значения предела текучести и напряжения, необходимого для полного разрушения структуры, совпадают и составляют 2,53 Па. Вязкости η_max и η_min отличаются незначительно, в пределах 4,5 Па•с. Отмеченные факты свидетельствуют о наличии слабых коагуляционных контактов.

Из анализа зависимости градиента скорости сдвига от напряжения сдвига (рис. 2) следует, что полученную суспензию можно считать жидкообразной структурированной системой со слаборазвитой пространственной структурной сеткой. По-видимому, в этом случае толщина прослоек дисперсионной среды является чрезмерной и оказывает экранирующее воздействие на формирование коагуляционных контактов и непосредственное сцепление между твердыми частицами.

Рис. 2. Зависимость градиента скорости сдвига свежеприготовленной суспензии от напряжения сдвига

С течением времени наблюдаются структурные изменения в анализируемой системе. Так, на реологической кривой течения гипсосодержащей суспензии γ = f(τ) через 15 минут фиксируется область возврата по оси напряжений при низких значениях градиента скорости сдвига (1,8–5,4), при этом вязкость изменялась от 1,011 до 0,352 Па•с. Неравномерное распределение частиц в объеме системы приводит к возникновению локальных областей с различным числом коагуляционных контактов и формированию микронеоднородной структуры с двумя пределами текучести при Р_т = 2,3 и 2,75 Па.

Кривые течения жидкообразных структурированных систем могут быть представлены в координатах «вязкость — напряжение сдвига». Для реологической кривой η = f(τ) (рис. 3) свежеприготовленной суспензии характерен флуктуационный характер процесса разрушения и последующего восстановления коагуляционных контактов, что также свидетельствует о наличии микронеоднородностей в анализируемой системе.

Рис. 3. Зависимость вязкости суспензии от напряжения сдвига во времени

Степень разрушения структуры (α), вычисленная по формуле, предложенной П. А. Ребиндером, позволила установить, что в первой зоне разрушения структура разрушилась на 67 % при повышении градиента скорости до γ = 1,8 , во второй — на 25, 6 % при достижении градиента скорости сдвига 5,4  и в третьей — на 7,4 % при достижении градиента скорости сдвига 145,8  (рис. 2.7). Таким образом, практически мгновенно, при изменении γ от 0,3 до 0,6 , число разрушенных связей уменьшается на 45 %.

Однако с течением времени обнаруживается слабо выраженная, но явно обнаруживаемая аномалия в характере изменения вязкости, характерная для кривых II типа. Появление плато с практически постоянной или незначительно снижающейся вязкостью, равно как и области, характеризующейся «обратным» ходом напряжения сдвига, может свидетельствовать о наличии локальной зоны разрушения. Аномальный характер кривых течения анализируемой низкоконцентрированной суспензии может быть связан с наличием нескольких зон, представляющих собой дисперсионную среду, содержащую отдельные частицы и агрегаты частиц. Эти зоны чередуются со структурированными слоями. Помимо этого необходимо учитывать поликомпонентный состав полученной суспензии.

Из вышеизложенного можно заключить, что полученная низкоконцентрированная суспензия обладает достаточно стабильными реологическими свойствами и может быть использована в качестве наноинициатора схватывания и твердения при приготовлении цементных растворов [3].

Литература:

1.                   Румянцева Е. Л., Белецкая В. А. Шлак ОЭМК — сырье для химической переработки // Экология и промышленность России. — 2010. — № 1. — С. 15–17.

2.                                                   Румянцева Е. Л., Белецкая В. А., Корниенко И. Д. Исследование коллоидно-химических закономерностей выщелачивания высокоосновного сталеплавильного шлака // Известия ТулГУ. Естественные науки. — 2010. — Вып. 1. — С. 197–204.

3.                   Белецкая В. А., Румянцева Е. Л. Перспективы использования электросталеплавильных шлаков ОЭМК // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. — № 3. — 2011. — с. 140- 144.