Физико-химические основы получения высокопрочного искусственного гипсового камня

Рассматривая твердение мономинерального гипсового вяжущего вещества, можно утверждать, что необходимым условием формирования высокопрочной структуры является взаимный рост и срастание кристаллов дигидрата сульфатакальция. Однако из-за возникновения контактов между частицами дисперсной фазы и последующего роста кристаллов гипса увеличивается внешний объем системы. Поэтому деформативные свойства твердеющего гипсового камня будут определяться природой кристаллического вещества, слагающего его структуру, а степень изменения объема — деформацией элементарных частиц, образованных в результате фазовых превращений в системе «гипс - вода». Свойства этой системы, состоящей из элементарных объемов, занимаемых жидкой фазой, гипсовым вяжущим и продуктами химической реакции, определяются соотношением компонентов твердой и жидкой фаз.

Приведенная схема предусматривает равномерное распределение частиц твердой фазы полугидрата сульфата кальция одинакового объема, разделенных равновесными прослойками жидкой фазы. Расширение системы будет происходить только после заполнения пространства между частицами веществом новой фазы, а количество контактов будет зависеть от скорости роста отдельных граней.

Расчет показывает, что для образования пространственной структуры твердения в литых смесях, где толщина прослойки жидкой фазы достигает значительной величины, контакт может произойти только в том случае, если частица будет увеличиваться за счет роста одной грани. Снижение водогппсового отношения и уплотнение смеси способствует сближению частичек вяжущего, что соответствует увеличению элементарного объема твердой фазы в принятой схеме.

Формирование гипсового камня плотностью до 1,7 г/см происходит в результате срастания частиц по двум граням, так как объема образующегося гидра га достаточно для обеспечения их контактирования. Дальнейшее увеличение плотности до 1,9 г/см3 создает предпосылки для роста трех граней и образования пространственной структуры искусственного гипсового камня. Число растущих граней и соответствующее число контактов будут определять•прочность искусственного гипсового камня.

Проведенные расчеты показывают, что морфология продуктов гидратации гипсового вяжущего будет зависеть от водогипсового фактора смеси. Для литых смесей характерной особенностью является формирование иглообразных кристаллов, у которых будет наблюдаться преимущественное развитие одной грани. По мере уменьшения количества жидкой фазы образуются вначале пластинчатые, а затем призматические кристаллы, которые срастаются по трем и более граням, что способствует упрочнению структуры материала.

Исследованиями установлено неблагоприятное влияние на процесс твердения гипсового вяжущего низких значений водогппсового отношения. По мнению авторов уменьшение водогппсового отношения смеси ниже 0,25 вызывает снижение прочности камня, а возникновение внутренних напряжений, связанных с объемными деформациями системы, может быть причиной его саморазрушения. Безопасная концентрация вяжущего, состоящего из полугидрата сульфата кальция,— 1,61 г/см3, что соответствует плотности камня 1,9 г/см1.

Полученные нами данные показывают, что увеличение объема твердеющей системы, связанное с ростом частиц кристаллогидрата, может изменяться в зависимости от условий кристаллизации днгндрата сульфата кальция. На объемные деформации можно влиять следующими способами: 1. изменением расхода вяжущего вещества, что достигается частичной гидратацией полуводного гипса, неполным обжигом дигидрата сульфата кальция, введением наполнителей; 2. применением химических добавок, которые способны снижать объемные деформации вследствие модификации формы кристаллов гипса и изменения кинетики взаимодействия исходных фаз; 3. выдержкой отформованного изделия в форме до окончания процесса кристаллизации двуводного гипса.

Добавка высокодисперсных наполнителей позволяет уменьшить деформации гипсового камня на 50%. Применение гипсоцементных и гипсонзвестковых смесей является наиболее эффективным при дозировках цемента или гидроксида кальция до 2%, что соответственно уменьшает деформацию образцов на 25% г 50%.

Химические добавки, такие как сульфат калия, позволяют снижать объемные деформации твердеющего гипса в широком интервале (до 75%)- Присутствует сернокислой соли калия в растворе обусловливает в начальный момент высоки концентрации ионов калия п сульфата Сульфат кальция и сульфат калия способы выделяться в виде двойной СОЛР в результате перекристаллизации которой формируется пространственная структура CaS04-2H20. Фазовые превращения кристаллогидратных новообразований способствуют изменению кинетики расширения системы и общем снижению деформаций. Для прессованного гипсового камня, формирующего в условиях высокой концентрации дисперсной фазы, при минимальном количестве жидкости, которая полностью переходит в структуру гидрата, оптимальная концентрация добавки составляв 0,5% массы вяжущего вещества.

Кинетика гидратации гипсового вяжущего с добавкой 0,5% K2S04 в значительной степени отличается по скорости (wc-t) от таковой для вяжущего без добавки; полностью отсутствует пе риод индукции, характеризующийся незначительным ростом объема на начальном этане твердения, которое уже через 15 мни прекращается на уровне 0,27%, что почти в три раза меньше. нем максимальные деформации У аналогичных образцов без добавок.

Приведенные данные показывают, что перечисленные способы Снижения объемных деформаций твердеющей системы позволяют обеспечить оптимальные условия гипсового вяжущего. Снижение или полная компенсация внутренних напряжений, возникающих в результате увеличения объем твердой фазы, является необходимым условием получения высокопрочного гипсового камня плотностью более 1,9 г/см3.

Результаты экспериментов (см. таблицу) свидетельствуют о роли плотности структуры создаваемой в процессе твердения вяжущего в условиях, исключающих рост o6i>iMa> на прочность камня.

Из приведенных данных видно, что вяжущее гидратируете в том случае, если в структуре имеете свободное пространство для размещения образующегося гидрата. Следовательно, максимальная степень гидратации вяжущего в гипсовом камне с плотностью 2,46 г/см3 не должна превышать 52 /о. а увеличение количества дигидрата сульфата кальция может происходить только при изменении внешнего объема системы.

Твердение в замкнутом объеме пресс формы и дополнительное обжатие формирующейся структуры за счет внутренней энергии расширения способствуют изменению морфологии кристаллов гипс:1 вследствие механического ограничений роста активных граней и увеличений площади кристаллизационных контактов. Это согласуется с закономерностью которая показывает, что развивающееся при росте кристаллов давление способствует образованию кристаллизационный контактов.

На основании результатов эксперпментов можно сделать вывод, что получение искусственного гипсового камня более 1,9 г/см возможно только путем компенсации объемных деформаций твердеющей системы. Комп.текс разработанных мероприятий, максимальному использованию вяжущих свойств полугидрата сульфта кальция путем направленного формирования оптимальной кристаллической структуры искусственного гипсового позволил создать рациональный способ получения строительных материалов-

Изготовление изделий по данному способу заключается в заполнении пресс-формы водой и сухим вяжущим веществом, прессовании до необхдимой величины уплотнения массы и пропитки сухого слоя. После достижения водонасыщенного состояния системы изделие выдерживают в закрытой пресс- форме под слоем воды, выделившейся на его поверхности Раздельная подача исходных компонентов: жидкой фазы и дисперсного вяжущего вещества исключает необходимость приготовления водогипсовой смеси. Это позволяет в свою очередь использовать вяжущее высокой активности, применять добавки — регуляторы кристаллизации дигидрата сульфата кальция, в том числе комплексные, вводимые раздельно в жидкую и твердую фазы, которые оказывают положительный эффект в результате совместного действия компонентов, а также формовать изделия при водогипсовом отношении близком к стехиометрическому.

Экономичность способа заключается в том, что внешнее усилие воспринимается дисперсной фазой, в межзерновом пространстве которой идет перераспределение влаги, а уплотнение структуры происходит одновременно с насыщением пор водой. В момент полного водонасыщения системы, когда капилляры заполнены жидкостью и система переходит в двухфазную, давление сбрасывают. В данном случае процесс уплотнения, сопровождающийся миграцией свободной влаги по поверхности частиц вяжущего, способствует эффективному удалению воздуха, вовлеченного с вяжущим веществом, а также снижению трення.