Моделирование гипсовой композиции, модифицированной углеродной наноструктурой
Рис. 1. Графеновая плоскость
Моделирование химических реакций, происходящих в подготовленной смеси, сводится к моделированию исходных компонентов. Моделью гипсового вяжущего принимаем молекулы сульфата кальция.
Вероятные процессы взаимодействия исходных компонентов были рассмотрены в рамках квантово-химического приближения PM3, реализованного в программном продукте HyperChem v.6.03.
Рис. 2. Длины связей в графеновой плоскости
Рис. 3. Молекула CaSO4
а)
б)
Рис 4. Длины связей в молекуле CaSO4: (а) – до оптимизации, (б) – после оптимизации
а
б
Рис. 5. Взаимодействие молекулы CaSO4и графеновой плоскости в рамках квантово-химического приближения РМ3: а- исходная структура, б – структура после оптиматизации.
На рисунках видно, что углеродная графеновая пленка активна по отношению к компонентам гипсовой композиции, что позволяет говорить о возможности модификации гипсовых вяжущих углеродными наноструктурами.
Изменение длин связей молекул в ходе оптимизации
|
Атомы Ca–O |
Длина связи до оптимизации, Å |
Длина связи после оптимизации, Å |
|
Молекула CaSO4 |
2,38 |
1,9545 |
|
Молекула CaSO4 + графен |
1,9545 |
2,38; 4,103 |
|
Атомы S–O |
Длина связи до оптимизации, Å |
Длина связи после оптимизации, Å |
|
Молекула CaSO4 |
1,86 |
1,63 |
|
Молекула CaSO4 + графен |
1,63 |
1,45; 1,56 |
|
Атомы S=O |
Длина связи до оптимизации, Å |
Длина связи после оптимизации, Å |
|
Молекула CaSO4 |
1,7 |
1,45 |
|
Молекула CaSO4 + графен |
1,45 |
1,6 |
|
Атомы С-H |
Длина связи до оптимизации, Å |
Длина связи после оптимизации, Å |
|
Графен |
1,09 |
1,08 |
|
Молекула CaSO4 + графен |
1,08 |
1,102 |
|
Атомы C=С |
Длина связи до оптимизации, Å |
Длина связи после оптимизации, Å |
|
Графен |
1,54 |
1,4 |
|
Молекула CaSO4 + графен |
1,4 |
1,36 |
Значительное повышение прочности обеспечивается за счет двух факторов: высокая удельная поверхность новых фаз и значительная активность образующейся системы.
Связь Ca-O увеличивается в 2 раза при взаимодействии сульфата кальция с графеновой плоскостью, что может говорить о разрыве связи и разрушении вещества.
Заключение
Данные проведенной работы позволяют сделать вывод о рациональности применения углеродных наноструктур в качестве модификатора для гипсовых вяжущих. Данные выполненной теоретической модели дают представление о возможных химических процессах в смеси гипсовой композиции с углеродными наноструктурами. Возможно подтвердить образование координационных соединений измененной микроструктурой [5]. Улучшение физико-механических свойств гипсового вяжущего связано с изменением морфологии кристаллогидратных новообразований и с увеличением плотности структуры.