УЛУЧШЕНИЕ СВОЙСТВ ГИПСОВОГО ВЯЖУЩЕГО ПРИ ПОМОЩИ ПРОЦЕССА «СТАРЕНИЯ»

УДК 691.553:620.193.918

Некрасова С.А.
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова

УЛУЧШЕНИЕ СВОЙСТВ ГИПСОВОГО ВЯЖУЩЕГО ПРИ ПОМОЩИ ПРОЦЕССА «СТАРЕНИЯ»Гипсовые материалы и изделия издавна применяются в строительстве. Наличие больших месторождений исходного сырья – двуводного гипса и ангидрита – во многих районах страны, простота переработки его в вяжущие вещества, а последних в изделия с небольшими удельными расходами топлива и электроэнергии – вот главные факторы, обуславливающие целесообразность применения продукции гипсовой промышленности в строительстве. 

Для улучшения свойств гипсовых вяжущих используется такой технологический прием как «старение».

«Старение» — процесс стабилизации (улучшения) свойств гипсовых вяжущих. Сущностью данного процесса является выдерживание этих вяжущих при различной температуре и разной относительной влажности воздуха.

Причиной «старения» вяжущих на основе сульфата кальция является поглощение влаги из воздуха. Это приводит к значительному изменению технологических свойств гипсовых вяжущих. При этом эффект зависит как от относительной влажности воздуха и длительности воздействия, так и от реакционной способности вяжущего.

Анализ существующих представлений о механизме «старения» гипсовых вяжущих показывает, что они обладают определенной противоречивостью. Поэтому глубокое и всестороннее исследование этого процесса и установление его взаимосвязи с последующим твердением гипсового вяжущего является актуальной научной и практической задачей.

Целью настоящей работы является изучение механизма «старения» гипсовых вяжущих и установление влияния этого процесса на последующее твердение и свойства образующегося гипсового камня.

В работе использовалось гипсовое вяжущее — β-полугидрат — Челябинского завода гипсовых изделий марки Г6.

Для моделирования свежеполученного гипсового вяжущего заводские пробы β-модификации полугидрата сульфата кальция подвергали тепловой обработке при температуре 600С в течение 2 часов.

Искусственное «старение» — частичная гидратация —  исследуемых вяжущих веществ проводилось в эксикаторах при 200С и относительной влажности воздуха 60%, 80% и 100% (f = 0,6; 0,8; 1,0) в течение 14 суток.

Процесс «старения» зависит от относительной влажности воздуха, причем с ее ростом увеличивается количество адсорбированной влаги и изменяется продолжительность этого процесса.

В табл. 1 приведены результаты изменения сроков схватывания, полученные до и после «старения» гипсового вяжущего.

изменения сроков схватывания, полученные до и после «старения» гипсового вяжущего

Наблюдается заметное сокращение сроков схватывания гипсового вяжущего, хранившегося при относительной влажности воздуха 100% (f = 1,0), т.к. при этом образуется наибольшее количество CаSO4*2H2O.

Для исследования процесса твердения гипсового вяжущего использовали электрофизический метод, суть которого заключается в регистрации электрического сигнала, возникающего в гипсовой дисперсии.

Для непрерывного определения и фиксации возникающего в вяжущей системе электрического сигнала используется регистрирующий комплекс на базе ПЭВМ [1].

Проведенное электрофизическое исследование твердения гипсового вяжущего показало, что через 3 и 14 суток «старения» характер кривых твердения не меняется (Рис. 1 и 2), следовательно, не меняется механизм твердения гипсового вяжущего.

Первый период твердения связан с растворением вяжущего вещества и отражает начальную гидратацию вяжущей системы с образованием коагуляционной структуры. Этот период характеризуется высоким значением силы тока, величина которого затем снижается, что заметно на всех приведенных кривых.

Затем наблюдается скачкообразное возрастание тока, увеличение тока обусловлено возрастанием плотности заряда, увеличением количества твердой фазы в системе.

В следующий период твердения имеет место плавное понижение тока вследствие сближения твердых частиц и образования жесткого пространственного каркаса в результате формирования конденсационных контактов [2].

Кинетика твердения гипсового вяжущего после 3 суток «старения»

Наблюдается смещение кривых по амплитуде при различной относительной влажности воздуха f = 0,6; 0,8; 1,0. С увеличением значения f происходит снижение максимальной амплитуды сигнала.

Это указывает на изменение структуры гипсового камня, в частности на возрастание ее термодинамической устойчивости.

Кинетика твердения гипсового вяжущего после 14 суток «старения»

При высокой относительной влажности (свыше 80%) на поверхности гипсового вяжущего имеет место полимолекулярная адсорбция воды, что подтверждает анализ изотермы сорбции (рис. 3).

на поверхности гипсового вяжущего имеет место полимолекулярная адсорбция воды, что подтверждает анализ изотермы сорбции

Наличие насыщенного полимолекулярного слоя предопределяет протекание процесса гидратации по механизму, аналогичному процессу гидратации в воде, т.е. с образованием неидеальных кристаллов двугидрата.

При гидратации гипсового вяжущего в парах воды частицы образующегося гидрата имеют гладкую поверхность без трещин, а при гидратации в воде на них наблюдаются дефекты (рис. 4).

При гидратации гипсового вяжущего в парах воды частицы образующегося гидрата имеют гладкую поверхность без трещин, а при гидратации в воде на них наблюдаются дефекты

При «старении» возможно образование не просто CаSO4*2H2O, а образование гидратов с иным содержанием кристаллизационной воды, которые затем выступают как центры кристаллизации.

«Старение» гипсового вяжущего β-модификации происходит быстрее и сопровождается большим увеличением массы, чем «старение» α-полугидрата. Это связано со строением кристаллического блока β-полугидрата, имеющим значительную дефектность, и с его высокой удельной поверхностью. Удельная поверхность гипсового вяжущего играет значительную роль в процессе «старения».

Каждая частица β-полугидрата представляет собой поликристаллический блок с пористостью порядка 28%. В этих порах и на поверхности частиц при наибольшей относительной влажности воздуха образуется двугидрат сульфата кальция, это приводит к изменению удельной поверхности [3].

Данные рис. 5 свидетельствуют о том,  что структура гипсового вяжущего в течение процесса «старения» претерпевает значительные изменения, это характеризуется изменением его удельной поверхности уже после первых 3 суток «старения».

Изменение удельной поверхности влечет за собой изменение водопотребности гипсового вяжущего, которая понижается уже после 7 суток «старения» на 4% при f = 0,6; на 10% при f = 0,8 и 22% при f = 1,0. Можно предположить, что при f = 1,0 протекает монотонная сорбция, и образуется двугидрат сульфата кальция (CаSO4*2H2O), поэтому происходит незначительное снижение водогипсового отношения. При f = 0,6 и 0,8 имеет место ступенчатая сорбция, и образуются промежуточные гидраты, вследствие этого происходит более сильное снижение водогипсового отношения.

Так как в результате «старения» вяжущего образуются совершенные центры кристаллизации, то и структура камня на их основе является более термодинамически устойчивой, что отражается на прочности гипсового камня.

Удельная поверхность гипсового вяжущего после «старения»

Прочность при сжатии гипсового вяжущего после 14 суток «старения»

Как следует из рис. 6 прочность гипсового камня из вяжущего, подвергнутого «старению», на 27% превышает прочность камня из исходного вяжущего.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о целесообразности искусственного «старения» гипсовых вяжущих при f = 0,8 в течение 3 суток, поскольку дальнейшее хранение не эффективно.

Библиографический список

1. Адамович Е.А., Гаркави М.С. Электрофизический метод контроля твердения вяжущих веществ // Цемент. – 1999. — №5-6. – С. 34-36.
2. Гаркави М.С. Термодинамический анализ структурных превращений в вяжущих системах.  – Магнитогорск: МГТУ, 2005. – 243 с.
3. Фишер Х.-Б., Шленкина С.С., Гаркави М.С. Исследование процесса «старения» гипсовых вяжущих. //Строительные материалы и изделия: Межвуз. сб. науч. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2000. 200 с.