Структуроутворення при твердінні гіпсового в’яжучого

Размещено на http://www.allbest.ru/

СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ ПРИ ТВЕРДІННІ ГІПСОВОГО В'ЯЖУЧОГО

Дворкін Л.Й., д.т.н., професор, Скрипник І. Г., к.х.н., доцент,

Житковський В. В., к.т.н., доцент, Поліщук-Герасимчук Т. О., аспірант (Національний університет водного господарства і природокористування, м. Рівне)

В статті наведені результати фізико-хімічних досліджень твердіння будівельного гіпсу марки Г-5 та встановлено механізм твердіння гіпсових в'яжучих, який проходить коагуляційно-кристалізаційно із топохімічною гідратацією.

Твердіння в'яжучого полягає в поступовому перетворенні пластичного тіста в штучний камінь. Процес структуроутворення гіпсового в'яжучого (ГВ) супроводжується рядом хімічних і фізико-хімічних перетворень. Визначення механізму твердіння ГВ привертало увагу багатьох дослідників. Класичні теорії твердіння поділяють на кристалізаційну (Ле Шательє, 1883), колоїдну (В. Міхаеліс, 1892), колоїдно-кристалізаційну (О. О. Байков, 1923) [1-8]. З'ясування механізму структуроутворення ГВ залишається складною задачею, яка має практичне значення.

Об'єктом досліджень вибрано будівельний гіпс марки Г-5 - гіпсова низьковипалювальна в'яжуча речовина, яка складається в основному з в - 2СаSO₄·H₂O. Дослідження процесу структуроутворення при твердінні гіпсу проводили визначенням: пластичної міцності формувальних мас конічним пластоміром конструкції МДУ, швидкості проходження поздовжніх ультразвукових хвиль за допомогою приладу УК-10 ПМС і електропровідності з використанням реохордного мосту Р-38. Початок і кінець тужавлення визначали приладом Віка, а температуру за допомогою хромель-алюмелевої термопари і потенціометра ПП-63 [9].

Метою дослідження було встановити механізм твердіння гіпсових в'яжучих на прикладі будівельного гіпсу марки Г-5.

Результати дослідження описані нижче. Кінетика зростання міцності структури твердіючого в'язко-пластичного матеріалу (пластична або структурна міцність) характеризується зміною граничної напруги зсуву дисперсно-колоїдно-кристалічної системи P_m, що визначалась за методом заглиблення конуса у масу зразка. Конічний пластомір дозволяє фіксувати зміну пластичної міцності досліджуваної системи із самого початку і до кінця схватування в'яжучого. На рис.1 приведено зміну пластичної міцності при твердінні ГВ із В/Г=0,7 та В/Г= 0,5.

хімічний гіпс гідратація кальцій

Із одержаних результатів видно, що процес формування структури відбувається швидше із зниженням водовмісту. Сингулярні точки і характерні області чіткіше фіксуються із збільшенням водовмісту і відповідають: а - утворенню золя; б - коагуляції його частинок; в - гелеутворенню; г - початку кристалізації.

§ На першій стадії при замішуванні будівельного гіпсу із водою утворюється гетерогенна система у вигляді висококонцентрованої суспензії. Внаслідок дифузії молекул води в середині частинок гіпсу проходить руйнування полікристалічної структури І (гексагональна сингонія а=6,83, с=6,25Е). Утворюється золь, гідратовані частинки якого під дією Ван-дер-вальсових сил коагулюють. Виникає коагуляційно-тиксотропна структура за рахунок виділення у вигляді гелю малорозчинного двоводного сульфату кальцію. З часом зв'язки між частинками зміцнюються і структура переходить у коагуляційно-кристалізаційну.

Зв'язок між частинками має хімічний характер, що сприяє утворенню більш міцного каркасу. Система при цьому здобуває властивості твердого тіла. Вода в порожнинах каркасу в основній своїй масі зв'язана механічно. Відмінність між структурами визначається характером та інтенсивністю взаємодії між частинками, що утворюють систему.

Екзотермічна реакція гідратації моногідрату дисульфату кальцію проходить із утворенням дигідрату сульфату кальцію:

2CaSO₄·H₂O + 3H₂O = 2(CaSO₄·2H₂O) + Q

На 1 моль 2CaSO₄·H₂O виділяється 19,3 кДж тепла, на 1 кг - 133 кДж [1].

Гідратація в'яжучого відбувається топохімічно, тобто вода приєднується безпосередньо до твердої речовини. Реакція характеризується наявністю індукційного періоду, за час якого зазнають перетворень найбільш реакційно здатні частинки на поверхні і в об'ємі твердого реагенту. Потім утворюються зародки твердої фази продукту і виникають поверхні розділу фаз новоутворень. В подальшому протікання топохімічної реакції приводить до їх росту із утворенням суцільного шару твердіючого продукту.

На рис. 2 (а, б) приведено залежність зміни питомого опору від часу твердіння в'яжучого при В/Г=0,5. На І етапі до початку тужавлення (ф=7 хв) матеріал проводить струм, виявляючи іонну провідність і с залишається сталим. В подальшому він дещо зростає, а після 20 хв (ІІ>ІІІ) значно. Слід зауважити, що характер залежності питомого опору с (рис. 2а) аналогічній зміні швидкості поширення ультразвукових хвиль v (рис. 3) від часу ф. Проте, спостерігається зміщення областей структурних перетворень внаслідок значного вкладу домішкової провідності і тому час закінчення тужавлення не відповідає визначеному приладом Віка та ультразвуковим методом (рис. 3, табл.1).

На рис. 3 приведено зростання інтенсивності ліній (І-І₀)/І₀ з міжплощинною відстанню d/n=7,56 Е (сама інтенсивна лінія на дифрактограмі CaSO₄·2H₂O [10]) та збільшення вмісту кристалізаційної води [2], залежність швидкості проходження ультразвукових хвиль v через досліджуваний зразок і зміну температури матеріалу t із часом ф від моменту замішування будівельного гіпсу із водою при В/Г=0,5 в натуральних умовах твердіння в'яжучого.

Одержані результати досліджень вказують на три характерні області - І, ІІ, ІІІ в процесі твердіння ГВ і формування структури гіпсового каменю та на можливість більш точного визначення ультразвуковим методом закінчення тужавлення (таблиця) і здатність робити оцінку міцності виробів, знаючи залежність R_ст = f (v).

Таблиця 1. Вплив В/Г і добавок на кінець тужавлення ГВ

УЗА^* - ультразвуковий аналізатор.

Кінетика самонагрівання зразка вказує на екзотермічну реакцію гідратації в-2CaSO₄·H₂O і процес кристалізації ГВ, які проходять із виділенням теплоти. Теоретично для гідратації будівельного гіпсу потрібно 18,62 % води до ГВ речовини. Практично для утворення легкоформованої пластичної суміші, будівельний гіпс потребує 50-70 % води.

§ На другій стадії твердіння ГВ більш інтенсивно продовжується процес гідратації та кристалізації з формуванням полікристалічної структури ІІ дигідрату сульфату кальцію (моноклинна сингонія а=5,69; в=15,21; с=113,8 Е; z=4), яка супроводжується інтенсивним виділенням тепла і самосушінням гіпсу. Початок цього періоду відповідає закінченню тужавлення.

§ На третій стадії проходить зрощування окремих кристалітів у суцільний камінь і подальше набирання міцності пов'язане із висиханням матеріалу, як пористого тіла заповненого пересиченим розчином дигідрату сульфату кальцію (перекристалізація з водного розчину CaSO₄·2H₂O), до рівноважного стану із оточуючим середовищем. Одночасно відбувається процес росту структурно більш досконалих кристалічних зерен полікристалічного матеріалу за рахунок менш досконалих зерен тієї ж фази - рекристалізація, яка експоненціально зростає із підвищенням температури. При повному висиханні матеріалу зростання міцності припиняється. Наростання міцності можна прискорити шляхом примусового сушіння виробів при температурі, що не перевищує 65⁰С (для запобігання процесу дегідратації CaSO₄·2H₂O). Структура гіпсового каменю порівняно однорідна і макропориста, внаслідок чого вода не тільки добре поглинається, але і при сприятливих умовах також добре видаляється.

За одержаними результатами експериментальних досліджень можна зробити наступні висновки:

- визначено три стадії твердіння ГВ і пояснено механізм формування структури гіпсового каменю.

- структуроутворення при твердінні ГВ проходить за коагуляційно-кристалізаційним механізмом із топохімічною гідратацією в'яжучого. При твердінні будівельного гіпсу спочатку утворюється коагуляційна структура за рахунок виділення у вигляді гелю малорозчинного двоводного сульфату кальцію. З часом зв'язки між частинками зміцнюються і структура переходить у кристалізаційну.

- запропоновано для більш точного і об'єктивного встановлення початку тужавлення використовувати метод електропровідності, а кінця тужавлення - ультразвуковий.

- показана доцільність комплексного застосування фізико-хімічних методів досліджень структуроутворень ГВ.

Література

1. Дворкін Л. Й., Дворкін О. Л. Мінеральні в'яжучі матеріали. - Рівне: РДГУ, 2000. - 103 с.

2. Пащенко О. О., Сербін В. П., Старчевська О.О. В'яжучі матеріали. - К.: Вища школа, 1995. - 416 с.

3. Полак А. Ф. Твердение мономинеральных вяжущих веществ.-М.: Стройиздат, 1966. - 208с.

4. Волженский А. В., Ферронская А. В. Гипсовые вяжущие и изделия. -М.: Стройиздат, 1974. - 328 с.

5. Ферронская А. В., Коровяков В. Ф. Чумаков Л. Д. и др. Гипсовые материалы и изделия. - М.: Издательство АСВ, 2004. - 488 с.

6. Волженский А. В., Буров Ю. С., Колокольников В. С. Минеральные вяжущие вещества. - М.: Стройиздат, 1973. - 480 с.

7. Ратинов Б. В. Гипс. Изготовление и применение гипсовых материалов. - М.: Стройиздат, 1984. - 222 с.

8. Ферронская А. В. Долговечность гипсовых материалов, изделий и конструкций. - М.: Стройиздат, 1984. - 253 с.

9. Дворкін Л. Й., Скрипник І. Г. Фізико-хімічні і фізичні методи досліджень будівельних матеріалів. - Рівне: НУВГП, 2006. - 220 с.

10. Горшков В. Б., Тимашев В. В., Савельев В. Г. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ. - М.: Высшая школа, 1981. - 335 с.

Размещено на Allbest.ru