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.

Основные термины (генерируются автоматически): гипсовых вяжущих, сульфата кальция, дигидрата сульфата кальция, полугидрата сульфата кальция, композиционных гипсовых вяжущих, гипсового вяжущего, основе гипсовых вяжущих, гипсовые вяжущие, производство композиционных гипсовых, кристаллов дигидрата сульфата, кристаллами дигидрата сульфата, структуры гипсовых вяжущих, гидратации портландцемента, гидратации гипсовых вяжущих, композиционного гипсового вяжущего, Кристаллы дигидрата сульфата, β-модификацию гипсового вяжущего, повышению прочности, твердение гипсовых вяжущих, особенностью гипсовых вяжущих.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос