ДонНТУ   Портал магистров

Демченко Елена Геннадиевна

Факультет экологии и химической технологии

Кафедра прикладной экологии и охраны окружающей среды

Специальность Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов

Влияние различных факторов на свойства гипсовых вяжущих

Научный руководитель: д. х. н., проф. Беломеря Николай Иосифович

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Области применения гипсовых вяжущих
• 2. Цели и задачи работы
• 3. Актуальность темы
• 4. Физико-химические свойства дегидратации гипса
• 5. Возможные пути повышения свойств гипсовых вяжущих
• 5.1 Свойства и способы их улучшения
• Выводы
• Список источников

Введение

Производство вяжущих материалов является основой современного строительства. Одним из таких материалов является гипс.

Гипс это сульфат кальция, который может встречаться в различных видах гидратного положения в связи с кристаллизационной водой, а также и без кристаллизационной воды. Гипсовый камень, который встречается в природе, является дигидратом сульфата кальция (СаSО₄ • 2Н₂O). Имеющаяся в природе свободная от кристаллизационной воды форма сульфата кальция является ангидритом (СаSО₄). Оба минерала в течение геологических процессов образовались по всему миру и в больших количествах, они добываются и находят техническое применение во всем мире. Кроме того, гипс или ангидрит получают в больших количествах как промышленный побочный продукт.

Гипс издавна используется в качестве строительного материала и материала для других нужд. Его использование возможно за счет легкости процесса обезвоживания (дегидратации) дигидрата сульфата кальция, например, гипсового камня. При этом химически связанная с СаSО₄ вода частично или полностью вытесняется.

1. Области применения гипсовых вяжущих

Основными потребителями природного гипсового минерального сырья (гипса и ангидрита) являются:

• гипсовая промышленность — производство гипсовых вяжущих веществ (неводостойких и водостойких), в том числе и высокопрочных;
• цементная промышленность — производство портландцемента в качестве добавки для регулирования сроков схватывания (до 3 % в пересчете на SO₃ массы цемента), а также производство специальных цементов;
• химическая промышленность — комплексное использование серной кислоты и портландцемента, получение азотного удобрения, сульфата аммония и других веществ;
• бумажная промышленность — в производстве лучших сортов белой бумаги;
• сельское хозяйство — для гипсования почв (на 1 га почвы требуется от 0,5 до 5 т гипса);
• другие потребители (гипсовый шпат при изготовлении некоторых оптических приборов; алебастр, ангидрит и селенит — для выполнения скульптур; гипс и ангидрит в качестве отделочного материала для архитектурных и реставрационных целей) и другие [2].

2. Цель и задачи работы

В данной работе нами ставилась цель найти рациональные пути улучшения и повышения технологических и эксплуатационных свойств строительного гипса и приблизить их к свойствам высокопрочного. Для этого нами было исследовано влияние ряда факторов и добавок на основные свойства гипсового вяжущего.

3. Актуальность темы

В наше время использование гипсовых вяжущих все более распространяется. И поэтому, благодаря нахождению оптимальных путей повышения и улучшения свойств гипса можно наладить более рациональное, качественное и дешевое производство гипсовых вяжущих.

4. Физико-химические свойства продуктов дегидратации гипса

Двуводный гипс (CaSО₄ • 2Н₂О) обладает способностью выделять при нагревании частично или полностью свою кристаллизационную (гидратную) воду. Дегидратация отмечается уже с 66–70 °С, но значительно ускоряется, при более высоких температурах (107–115 °С). Процесс дегидратации по осевым направлениям кристаллов CaSО₄ • 2Н₂О протекает неравномерно. Наибольшая скорость обезвоживания наблюдается в плоскости расположения слоев воды в решетке CaSО₄ • 2Н₂О и практически отсутствует в перпендикулярном к ней направлении [3].
Продуктами дегидратации гипса является полуводный гипс и ангидрит. Уравнение химической реакции получения полуводного гипса имеет следующий вид:

CaSО₄ • 2Н₂О = CaSО₄ • ½ H₂О + 1 ½ Н₂О

Образование ангидрида протекает в двух фазах, по уравнениям 1 и 2.

CaSО₄ • 2Н₂О = CaSО₄ • ½ H₂О + 1 ½ Н₂О (1)

CaSО₄ • ½ Н₂О = CaSО₄ + ½ Н₂О (2)

В зависимости от условий, в которых протекает реакция, продукты дегидратации гипса могут быть представлены различными модификациями, отличающимися друг от друга удельным весом, формой и размерами кристаллов, теплотой гидратации, теплоемкостью, оптическими свойствами и др. (таблица 1).
По данным П. П. Домового, Д. С. Белянкина и Л. Г. Берга и других в системе CaSО₄ — Н₂О возможно существование следующих модификаций водного и безводного сульфата кальция [2]:

• двугидрата сульфата кальция (двуводный гипс) CaSО₄ • 2H₂О;
• α–полугидрат сульфата кальция (α – полуводный гипс) α–CaSО₄ • ½ Н₂О;
• β–полугидрат сульфата кальция (β – полуводный гипс) β&–CaSО₄ • ½ Н₂О;
• α–обезвоженный полугидрат сульфата кальция α–CaSО₄;
• β–обезвоженный полугидрат сульфата кальция β–CaSО₄;
• α–растворимый ангидрит α–CaSО₄;
• β–растворимый ангидрит β–CaSО₄;
• нерастворимый ангидрит.

По данным этих исследований приведена схема рисунок 1.

Кроме дигидрата сульфата кальция, полугидрата сульфата кальция, ангидрита III и ангидрита II в качестве пятой фазы есть еще ангидрит I, который, однако, существует только при температурах выше 1180 ºС [2]. Дигидрат сульфата кальция является исходным и конечным продуктом. Полугидрат сульфата кальция известен в двух формах: α–полугидрат и β–полугидрат. Они возникают при различных условиях обжига и отличаются своими физическими свойствами. Под микроскопом β–полугидрат показывает, например, частицы бывших зерен или кристаллов дигидрата растрескавшиеся. Для α–полугидрата видно хорошо кристаллы, которые хорошо сформировались рисунок 2.

Ангидрит III, называемый также растворимым ангидритом, также существует в двух формах: β– и α–III. Ангидрит II соответствует по своему химическому составу ангидрита, встречающийся в естественных условиях, он возникает при полном обезвоживании возникшего естественным или технологическим путем дигидрата, полугидрата или ангидрита III.

5. Возможные пути повышения свойств гипсовых вяжущих

Гипс высокопрочный, применим для изготовления конструкций и частей сооружений, предназначенных для работы в условиях переменной влажности, и может применяться для возведения наружных стен одноэтажных и многоэтажных зданий.

Цвет высокопрочного гипса обычно белый. Введением в него различных красок можно получить цветные изделия, а из отдельных фрагментов окрашенных пород — мозаичные изделия. Изделия из высокопрочного гипса мало тепло- и звукопроводящие, но в тоже время по сравнению с изделиями из строительного гипса отличаются высокой морозостойкостью, повышенной водостойкостью и меньшей склонностью к пластическим деформациям.

Изготовление высокопрочного гипса более затруднено от обычного, так как используются тепловые агрегаты более сложной конструкции, таким образом, увеличивая материальную ценность производства. Поэтому для строительных целей в основном используется β–модификация гипса. Однако применение такого гипса возможно только в условиях, когда влажность среды, где используется это вяжущее, не превышает 65–75 % [1]. Для формовочного или медицинского назначения этот гипс не может применятся из-за низких эксплуатационных характеристик, таких как механическая прочность, плотность, водостойкость и др. Улучшать эти характеристики, а также изменять сроки схватывания и твердения гипса можно путем введения модифицирующих добавок. Для этих целей используют такие классы добавок как [3]:

• функциональные: осуществляющие замедление схватывания гипсовой смеси и увеличивающие водоудержание, улучшающие подвижность, пластичность, прочность сцепления, создают особую поровую структуру, снижают риск трещинообразования;
• реологические: загустители, которые улучшают консистенцию растворной смеси, её удобообрабатываемость и снижают липкость к инструменту;
• водоудерживающие: увеличивающие водоудержание, прилипаемость к основе, улучшают перемешивание, придающие смеси стабилизацию необходимой вязкости и пластичности;
• диспергаторы (пластификаторы): адсорбирующиеся на поверхности частиц растворной смеси добавки, обеспечивают при меньшем количестве воды необходимую вязкость, уменьшающие таким образом образование комков при приготовлении раствора;
• порообразователи или воздухововлекающие агенты: создающие особую поровую структуру затвердевшего материала, образуя микропоры, равномерно распределённые по объёму, минимизируя образование трещин, улучшая морозостойкость и технологичность.

5.1 Свойства и способы их улучшения

Водопотребность гипса. Увеличить её можно повышением степени его измельчения. Вместе с тем измельчение его до удельной поверхности примерно 2500–3000 см² даже при некотором увеличении водопотребности смеси приводит к повышению прочности гипсовых отливок. Поэтому целесообразно измельчать гипс тоньше, чем это предусмотрено требованиями стандарта. Водопотребность гипса значительно снижается при введении с водой затворения замедлителей схватывания (кератинового, известково-клеевого замедлителя, лигносульфаната технического, синтетических жирных кислот (СЖК)) в количестве до 0,1–0,3 % массы вяжущего. С помощью этих веществ удается снизить количество воды затворения строительного гипса на 10–15 % при обеспечении нормальной густоты.

Физико-механические свойства. Повышение прочности строительного гипса может быть достигнуто добавкой к нему извести в количестве около 5 %. Положительное действие извести объясняется тем, что она каталитически влияет на ангидрит, который обычно содержится в строительном гипсе. Известь можно добавлять при термообработке гипсового камня или при приготовлении раствора. Ещё одним способом для получения более прочных отливок является снижение величины нормального водогипсового отношения, т. е. снижают нормальную густоту гипса [4–5]. Это достигается добавлением пластификаторов — веществ, которые разжижают гипсовую массу. В качестве пластификатора применяют лигносульфанат калия, который вводят в воду затворения в количестве 0,25–1,0 %.

Сроки схватывания. Строительный гипс — быстросхватывающийся. Быстрое схватывание полуводного гипса является в большинстве случаев положительным его свойством, позволяющим быстро извлекать изделия из форм. Однако в ряде случаев быстрое схватывание нежелательно [4–5]. Для регулирования сроков схватывания (ускорения и замедления) в гипс при затворении вводят различные добавки. Схватывание гипса ускоряется, если добавки, например NaCl, КС1, Na₂SО₄, усиливают растворимость полугидрата в воде. Обычно этот эффект достигается при введении добавок в воду затворения в количестве до 2–3 %. Чаще всего для ускорения схватывания строительного гипса применяют двуводный гипс, поваренную соль и сульфат натрия, вводя их в количестве от 0,2 до 3 % массы полугидрата. А для замедления используют кератиновый и известково-клеевой замедлители, а также ЛСТ в количестве, не превышающем 0,1–0,5 % (в пересчете на сухое вещество) массы гипса. Следует отметить, что введение добавок (ускорителей или замедлителей схватывания) обычно отрицательно сказывается на конечной прочности гипсовых изделий. Это выявляется, если их получают из смеси с добавками и без них при одинаковом водогипсовом отношении. Однако введение поверхностно-активных веществ в умеренном количестве (до 0,1–0,3 %) способствует обычно увеличению прочности изделий, так как снижение ими активности гипса компенсируется в этом случае приростом прочности вследствие значительного уменьшения водогипсового отношения при получении смесей одинаковой подвижности.

Пористость. Для создания особой пористой структуры затвердевшего материала используют поверхностно-активные вещества, которые уменьшают поверхностное натяжение воды, и тем самым улучшают обволакиваемость самых мелких частиц растворной смеси. При этом образуются микропоры, равномерно распределенные по всему объёму. Они минимизируют образование трещин, улучшая, таким образом, морозостойкость и технологичность. Вводятся такие добавки во все растворы в малых количествах 0,01–0,03 %.

Водостойкость. Одним из способов повышения водостойкости гипсовых вяжущих является обработка строительных материалов кремнеорганическими веществами [5]. Существует несколько методов обработки строительных материалов кремнеорганическими соединениями:

• поверхностная обработка парами летучих кремнеорганических соединений;
• покрытие поверхности жидкими кремнеорганическими соединениями;
• пропитка пористых материалов, изделий из них жидкими кремнеорганическими соединениями;
• введение кремнеорганических соединений в исходные массы;
• комбинированные методы обработки.

Наилучшие результаты достигаются комбинированием методов обработки материалов кремнеорганическими соединениями.

Выводы

Таким образом, в зависимости от назначения гипсового вяжущего, используя те или иные добавки можно регулировать его свойства в нужном направлении.

Список источников

1. Вяжущие материалы / А. А. Пащенко, В. П. Сербин, Е. А. Старчевская. – К.: Вища школа, 1993. – 440 с.
2. Untersuchungen zur hygromehanischen Stabilitat von kristallinem Calciumsulfat-Halbhzdrat / H. U. Hummel, B. Abdussaljamov, H. B. Fischer, J. Stark. – ZKG –International,2001. – 465 s.
3. Справочник по производству гипса и гипсовых изделий / Под ред. К. А. Зубарева. – М.: ЮНИТИ, 1995. – 464 с.
4. Гипсовые материалы и изделия (производство и применение) / Под ред. А. В. Ферронской. – М.: Издательство АСВ, 2004. – 488 с.
5. Булычев, Г. Г. Смешанные гипсы. Производство и применение / Г. Г. Булычев. – М.: Издательство АСВ, 1992. – 132 с.