Библиографическое описание:

Равшанов З. А., Ваккосов С. С., Талипов Н. Х. Физико-химические основы формирования структуры гипсовых вяжущих материалов // Молодой ученый. — 2016. — №7.2. — С. 15-19.



Изделия из гипсовых вяжущих отличаются относительной легкостью, достаточной прочностью, относительно низкими тепло- и звукопроводностью. Их легко можно отлить нужной архитектурной формы и окрасить в любой цвет. Кроме того, гипсовые материалы огнестойки, способствуют поддержанию комфортного микроклимата в помещениях благодаря хорошим паро- и воздухопроницаемостям, а также способности поглощать лишнюю влагу из воздуха и отдавать ее при снижении влажности.

В результате термического превращения двуводного гипса в полугидрат перестраивается кристаллическая решетка, при удалении молекул воды происходит разрыв связей ионов Ca2+ и SO42- с молекулами H2O и смещение цепочек (-Ca-SO4-Ca-SO4-Ca-) на величину 0,317 нм.

При удалении воды из кристаллов двугидрата CaSO4 в виде пара (в открытых аппаратах) происходит его диспергирование и разрыхление кристаллической решетки, при этом образуется β-форма CaSO4•0,5H2O.

Известно, что кристаллы β-полугидрата CaSO4 мелкие, плохо сформированы, поэтому вяжущее из него отличается высокими значениями дисперсности, водопотребности, пористости и пониженными значениями прочности. Если вода из двугидрата CaSO4 удаляется в капельно-жидком состоянии, т.е. процесс протекает в замкнутом пространстве (автоклаве) или при варке в жидких средах, образуется α-CaSO4•0,5H2О. В этом случае происходит замещение кристаллов двугидрата CaSO4 плотно упакованными призматическими кристаллами α-полугидрата CaSO4. В дальнейшем наблюдается перекристаллизация α-полугидрата CaSO4, сопровождающаяся увеличением толщины кристаллов и уменьшением их длины. Кристаллы α-полугидрата CaSO4 крупные, плотные, имеют четкий призматический габитус, поэтому гипсовое вяжущее на основе α-полугидрата CaSO4 имеет меньшую водопотребность, медленнее гидратируется и характеризуется меньшей пористостью и повышенными значениями прочностных свойств.

Структуру полугидрата CaSO4 можно представить как деформированную моноклинную кристаллическую решетку двуводного гипса. Между цепочками (-Ca-SO4-Ca-) в направлении оси «С» расположены полые каналы, в которых находятся молекулы воды. Связь молекул воды с ионами кальция очень слабая из-за большого межатомного расстояния 0,306-0,375 нм тогда как у кристаллов двуводного гипса это расстояние составляет 0,244 нм[1,2,5].

Свойства строительных материалов на основе гипсовых вяжущих определяются их структурой. Большинство гипсовых материалов получают из смеси гипсового вяжущего с водой, т.е. структура формируется в результате гидратации гипсовых вяжущих.

Отличительной особенностью гипсовых вяжущих при затворении водой является их способность быстро схватываться и затвердевать, что выгодно отличает гипсовых вяжущих от других вяжущих. Благодаря быстрому схватыванию и твердению, производство изделий из гипсовых вяжущих характеризуется коротким циклом формова­ния, высокой оборачиваемостью бортоснастки, возможностью использования конвейерной или прокатной технологий.

Схватывание и твердение гипсовых вяжущих основано на реакции присоединения воды к полугидрату сульфата кальция с превращением его в дигидрат:

CaSО4•0,5Н2О + 1,5Н2О = CaSО4•2Н2О

С кинетической точки зрения гидратация – сложный физико-химический процесс, связанный с адсорбцией воды частицами полугидрата сульфата кальция, растворением этих частиц, возникновением и ростом центров кристаллизации дигидрата, т.е. это непрерывный совместный процесс растворения полугидрата и кристаллизации дигидрата. По мере роста кристаллов гипса и их переплетения формируется поликристаллическая структура [1,2].

Гипсовые вяжущие содержат частицы с различной степенью энергетической неоднородности, обусловленной наличием разного рода дефектов структуры [2,3]. Физико-химическая природа реакционной поверхности (плоскости спокойности) вяжущего делает ее способной связывать молекулы воды с образованием гидроксид-ионов. Под влиянием поверхностных сил образуется упорядоченная структура межмолекулярных водородных связей. Термодинамическим анализом доказано, что на гидрофильной поверхности молекулы воды адсорбируются локализовано. Следовательно, и центры кристаллизации дигидрата возникают локально.

Переход полугидрата в дигидрат осуществляется в области капиллярной конденсации при относительной влажности свыше 80%.

Физико-химические исследование показали, что в результате растворения полугидрата сульфата кальция раствор становится пересыщенным по отношению к дигидрату и последний выкристаллизовывается. Это приводит к обеднению раствора ионами Са2+ и SO42-, благодаря чему появляется возможность растворения новых порций полугидрата опять до образования пересыщенного раствора и последующего выделения из него дигидрата сульфата кальция. Массовое образование зародышей дигидрата приводит к тому, что пластичная гипсовая смесь уплотняется и загустевает. Это явление соответствует началу схватывания.

Процессы растворения частиц вяжущего и выкристаллизовывания дигидрата продолжаются до полной гидратации полугидрата сульфата кальция. При этом гипсовое тесто все больше теряет пластичность и уплотняется. Это соответствует концу схватывания гипсовой смеси. Исследование показали, что процесс формирование структуры гипсового камня протекает в два этапа. На первом этапе образуется кристаллизационный каркас, а на втором - кристаллизационный каркас дополнительно обрастает кристалликами дигидрата. Рост кристалла дигидрата сульфата кальция в процессе твердения гипсового вяжущего предполагает наличие на атомно-гладкой поверхности кристаллизации ступеней, к атомам которой присоединяются атомы кристаллизующегося дигидрата. Рост кристаллов осуществляется путем последовательного зарастания слоев, т.е. тангенциального перемещения ступеней.

Результаты исследования показали, что при нормальном росте кристаллов гипса атомы кристаллизующегося вещества присоединяются к атомам кристалла практически в любом месте поверхности. Это возможно в том случае, когда на поверхности имеется достаточно много энергетически выгодных мест закрепления атомов, т.е. когда поверхность является атомно-шероховатой. В этом случае поверхность в процессе роста перемещается по нормали к ней.

Строительные материалы на основе гипсовых вяжущих находят все большее применение при реконструкции, ремонта и строительстве зданий. И, как показала практика, это применение является очень эффективным. К сожалению, высокое водопоглощение и низкая водостойкость этого материала ограничивает его использование для наружных работ. В связи с этим перспективно производство композиционных гипсовых вяжущих, которые могли бы применяться при изготовлении не только растворных и шпаклевочных смесей для внутренней отделки, но и для наружной, а также для производства различных изделий из монолитного бетонирования. Композиционные гипсовые вяжущие представляют собой гомогенную α или β-модификацию гипсового вяжущего с гидравлическим компонентом, предварительно получаемым с гидравлическим компонентом, совместной активацией гидравлического вяжущего, кремнезем содержащей добавки и химической добавки [4].

Следовательно, улучшать физико-механические показатели структуры гипсового отливка при изготовлении различных композиционных строительных изделий практически можно только путем снижения его общей пористости и уменьшения размеров пор. Эти условия могут быть реализованы либо за счёт создания оптимальных технологических процессов дегидратации дигидрата и получение α-или β-CaSO4•0,5H2О мелкокристаллической структуры, которые обеспечивают уменьшение расстояния между новообразованиями в процессе структурообразования дигидрата сульфата кальция, либо путём заполнения пустот гипсового камня активными компонентами [4,5,8].

Теоретические исследования показывают, что выполнение вышеперечисленных условий может быть осуществлено путем применения высокоэффективных технологических процессов дегидратации гипсового камня и применение процесса активации полугидрата сульфата кальция β- модификации, позволяющих:

- существенно снизить вязкость суспензии с относительно низким значением В/г (водогипсовой отношение);

- модифицировать структуру β-CaSO4•0,5H2O в направлении повышения его дисперсности, снижая общей пористости с уменьшением среднего размера пор;

- регулировать скорость процессов гидратации и структурообразования β-CaSO4•0,5H2O.

Установлено, что применение литиевой технологии при изготовлении различных строительных конструкций требует применения модифицированного полугидрата сульфата кальция с высокими пластично-вязкими свойствами, которые, как правило, достигаются введением в состав гипсового вяжущего пониженного количества воды, затворение при сохранении высоких пластично-вязких свойств гипсовой смеси приведёт к формированию плотной структуры кристаллов.

Строительная практика последних десятилетий привела к появлению современных новых композиционных строительных материалов на основе модифицированных гипсовых вяжущих, превосходящих по своим строительно-техническим и эксплуатационным характеристикам традиционные материалы. Появление таких материалов обеспечивается не только использованием более сложных многокомпонентных комплексов, но и активным воздействием на структурообразование и свойства материала на различных технологических этапах. Это позволит достигать оптимального сочетания свойства в соответствии с назначением и областью применения материала [1,5,8].

Одним из основных путей повышения водостойкости гипсовых вяжущих является введение в них веществ, которые приводят к образованию водостойких и твердеющих в воде продуктов, как в результате химической реакции с гипсовым вяжущим, так и вследствие собственной гидратации. Такими веществами являются портландцемент и молотые гранулированные доменные шлаки.

Высокое водопоглощение и низкая водостойкость этого материала ограничивает его использование для наружных работ. В связи с этим перспективно производство композиционных гипсовых вяжущих, которые могли бы применяться при изготовлении не только растворных и шпаклевочных смесей для внутренней отделки, но и для наружной, а также для производства различных изделий из монолитного бетонирования.

Водостойкие гипсовые вяжущие представляют собой гомогенную β-модификацию гипсового вяжущего с гидравлическим компонентом, предварительно получаемым с гидравлическим компонентом, предварительно получаемым совместной активацией портландцемента, кремнеземистой добавки и химической добавки. Этот гидравлический компонент является композиционным минеральным модификатором гипсовых вяжущих и может быть приготовлен заранее и использован по мере необходимости. Получение композиционных минеральных модификаторов механохимической активацией содействует повышению скорости и степени гидратации портландцемента в композиционных гипсовых вяжущих и увеличению активности кремнеземистых компонентов, повышению реакционной способности трехкальциевого алюмината и других минералов, что способствует повышению прочности и долговечности сформировавшейся структуры затвердевшего вяжущего во времени. Кроме того, необходимо вводить регуляторы схватывания и твердения, полимерные добавки, загустители и другие модификаторы свойств.

Результаты исследования показали что, водостойкие гипсовые вяжущие, получаемые по данной технологии, гипсовые изделия и растворы на их основе характеризуются новым уровнем технологических и технических свойств и отличаются повышенными эксплуатационными свойствами.

Структура затвердевшего камня из композиционного гипсового вяжущего представляет собой следующую модель. Кристаллы дигидрата сульфата кальция, образующие каркас первоначальной структуры сразу после затворения водой вяжущего, и эттрингит, который также образуется на ранней стадии твердения, будут в разной степени, в зависимости от состава, защищены стабильными новообразованиями, полученными в результате гидратации активированного портландцемента и реакций между продуктами его гидратации и тонкодисперсным кремнеземом. Одновременно со снижением концентрации гидроксида кальция постепенно исчезают условия образования высоко основных гидроалюминатов кальция и эттрингита [4,7,8].

Установлено что, полости между кристаллами дигидрата сульфата кальция заполняются мельчайшими частицами новообразований и ультра дисперсными частицами, входящими в состав композиционного модификатора. Это способствует увеличению контактов между кристаллами и повышению плотности [4,5]. Плотность упаковки новообразований обеспечивается высокой степенью гидратации портландцемента и их высокой дисперсностью, низким водосодержанием за счет пластифицирующей добавки адсорбированного на поверхности активированных частиц, коллоидно-химическими явлениями, обеспечивающими максимум контактов кристаллов дигидрата сульфата кальция, достигаемых правильным выбором компонентов. Все это способствует повышению прочности и долговечности затвердевшего вяжущего. Получение такой структуры может достигаться оптимальной дисперсностью и активностью компонентов благодаря их механохимической активации на стадии приготовления композиций. Это обеспечивает долговечность затвердевшего камня и повышает эффективность использования клинкерной составляющей; предопределяет низкую пористость, высокую прочность и водостойкость бетонов на их основе. Механохимическая активация приводит к механической деструкции компонентов и элементов их структуры, частично диспергирует зерна цемента и кремнезема по слабым связям. Это способствует существенному увеличению количества активных центров в единице объема материала. При этом высвобождается значительное количество энергии, которое способствует повышению активности минералов цементного клинкера, особенно трехкальциевого алюмината, и поверхностной активности зерен кремнеземистых компонентов и адсорбцией молекул органического пластификатора на их поверхности [4,7].

Получение композиционных минеральных модификаторов механохимической активацией содействует повышению скорости и степени гидратации портландцемента в композиционных гипсовых вяжущих и увеличению активности кремнеземистых компонентов, повышению реакционной способности трех кальциевого алюмината и других минералов, что способствует повышению прочности и долговечности сформировавшейся структуры затвердевшего вяжущего во времени. Кроме того, необходимо вводить регуляторы схватывания и твердения, полимерные добавки, загустители и другие модификаторы свойств.

Результаты исследования показали, что такие водостойкие композиционные гипсовые вяжущие характеризуются новым уровнем технологических и технических свойств по сравнению с ранее известными водостойкими гипсовыми вяжущими и отличаются повышенными эксплуатационными свойствами.

Структура затвердевшего камня из композиционного гипсового вяжущего представляет собой следующую модель. Кристаллы дигидрата сульфата кальция, образующие каркас первоначальной структуры сразу после затворения водой вяжущего, и эттрингит, который также образуется на ранней стадии твердения, будут в разной степени, в зависимости от состава, защищены стабильными новообразованиями, полученными в результате гидратации активированного портландцемента и реакций между продуктами его гидратации и тонкодисперсным кремнеземом. Одновременно со снижением концентрации гидроксида кальция постепенно исчезают условия образования высоко основных гидроалюминатов кальция и эттрингита.

Установлено что, полости между кристаллами дигидрата сульфата кальция заполняются мельчайшими частицами новообразований и ультра дисперсными частицами, входящими в состав композиционного модификатора. Это способствует увеличению контактов между кристаллами и повышению плотности [4,5]. Плотность упаковки новообразований обеспечивается высокой степенью гидратации портландцемента и их высокой дисперсностью, низким водосодержанием за счет пластифицирующей добавки адсорбированного на поверхности активированных частиц, коллоидно-химическими явлениями, обеспечивающими максимум контактов кристаллов дигидрата сульфата кальция, достигаемых правильным выбором компонентов. Все это способствует повышению прочности и долговечности затвердевшего вяжущего. Получение такой структуры может достигаться оптимальной дисперсностью и активностью компонентов благодаря их механохимической активации на стадии приготовления композиций. Это обеспечивает долговечность затвердевшего камня и повышает эффективность использования клинкерной составляющей; предопределяет низкую пористость, высокую прочность и водостойкость бетонов на их основе. Механохимическая активация приводит к механической деструкции компонентов и элементов их структуры, частично диспергирует зерна цемента и кремнезема по слабым связям. Это способствует существенному увеличению количества активных центров в единице объема материала. При этом высвобождается значительное количество энергии, которое способствует повышению активности минералов цементного клинкера, особенно трехкальциевого алюмината, и поверхностной активности зерен кремнезема компонентов и адсорбцией молекул органического пластификатора на их поверхности. Все это как бы готовит поверхность твердой дисперсной фазы в присутствии добавки и минерального модификатор.

На основание проведенных физико-химических исследование установлено, что разработанный влагостойкие гипсовые вяжущие на основе полугидрата сульфата кальция, гидравлического вяжущего и кремнеземистого компонента в присутствии модификатора можно применят в производстве штукатурных и других отделочных работ, для изготовление мелкоштучных стеновых материалов (кирпича, камней, блоков, элементов декора), причем, без тепловой обработки, взамен обычного гипсового вяжущего при производстве водостойких гипсокартонных листов, а также для изготовления различных строительных изделий с повышенной водостойкостью.

На основание полученных результатов исследование разработан состав композиционных гипсовых вяжущих с повышенной водостойкости для изготовления различных водостойких строительных изделий. Установлено, что подобранные составы модифицирующих добавок предназначены для придания гипсовому вяжущему водостойкости, повышения коэффициента размягчения, повышения прочности и морозостойкости.

Литература:

  1. Граник Ю.Г. Примнение гипсовых материалов и изделий в жилищно-гражданском строительстве. Материалы конференции “Гипс, его исследование и примение”. Красково, 2005. Стр. 30-32
  2. Талипов Н.Х., Негматов С.С. Роль межкристальных контактов в формировании прочности гипсового камня из фосфогипса. Республиканская научно-техническая конференция. «Современные технологии переработки местного сырья и продуктов». 23-24 октября 2007. Стр. 190-191
  3. Попов К.П., Шмурнов И.К. Физико-механические испытания строительных материалов. М.: Высшая школа, 1989. Стр. 240.
  4. Талипов Н.Х. Улучшение свойства композиционных строительных материалов на основе гипсовых вяжущих. Журнал: Композиционные материалы. 2004. №2, стр. 147-149.
  5. Талипов Н.Х., Атакузиев Т.А., Негматов С.С., Алломов М. Подбор составов гипсоцементных композиционных материалов с повышенными механическими свойствами. Журнал: ДАНРУз. 2001. №1, стр. 20-22.
  6. Петропавловская В.Б., Новиченкова Т.Б., Бурьянов А.Ф. Управление структурооброзованием эффективных гипсовых композитов нового поколения. Сборник трудов II научно-практического семинара «Производство энерго- и ресурсосберегающих строительных материалов и изделий». Том-1. Ташкент. 2013. стр. 88-92.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle