Кондращенко Олена Володимирівна. Гіпсові будівельні матеріали підвищеної міцності і водостійкості (фізико- хімічні та енергетичні основи)

Короткий опис

Кондращенко Олена Володимирівна. Гіпсові будівельні матеріали підвищеної міцності і водостійкості (фізико- хімічні та енергетичні основи): дис... д-ра техн. наук: 05.23.05 / Українська держ. академія залізничного транспорту. - Х., 2004. : табл.

Кондращенко О.В. Гіпсові будівельні матеріали підвищеної міцності і водостійкості (фізико-хімічні і енергетичні основи). Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.23.05 будівельні матеріали та вироби. Українська державна академія залізничного транспорту, Харків, 2004.
Дисертація присвячена розробці наукових основ одержання гіпсових і гіпсовмісних будівельних матеріалів підвищеної міцності та водостійкості з урахуванням фізико-хімічних процесів в системі CaSO42H2O - CaSO40,5H2О - H2O. В роботі приведені результати термодинамічних і кінетичних досліджень реакцій термічного розкладання двоводного гіпсу, реакцій гідратації і твердіння напівводного гіпсу, а також дано наукове обґрунтування технічних заходів ефективного покращення його властивостей.
Встановлено умовні структурні формули сульфатів кальцію та їх структурний кістяк у вигляді 2[CaSO4]. Виявлено наявність в поровому електроліті радикалу CaSO4оaq, який формує структуру гіпсового каменю.
Експериментальними дослідженнями кінетики процесів дегідратації гіпсу при його випалі в турбулентному потоці газоподібного теплоносія встановлено, що при такому режимі швидкість повного перетворення двогідрату на напівгідрат більш ніж на три порядки вища ніж при режимі випалу у варочних казанах. Моделювання процесу випалу у турбулентному потоці газоподібного теплоносія дозволило розробити основні параметри дослідно-промислової установки з реактором-конфузором.
Виконано термодинамічні розрахунки іонних рівноваг процесу гідратації гіпсу і розраховані константи швидкостей реакцій розчинення, гідролізу та кристалізації. Результати цих досліджень показали, що процес гідратації протікає переважно по крізьрозчинному механізму, а найповільнішою стадією є процес кристалізації.
Вивчені закономірності процесів структуроутворення і механізм об’ємних змін гіпсового каменю і встановлено вплив на них колоїдно-хімічних явищ.
Теоретично обґрунтовано способи підвищення міцності і водостійкості гіпсу за рахунок замішування гіпсових сумішей насиченим розчином дво- або напівгідрату сульфату кальцію і введення комплексної добавки, яка містить сульфат алюмінію, вапно і аеросил.
Розроблені склади піно- і газогіпсобетонів, а також склади цементного пінобетону на безгіпсовому цементі (БГЦ) з добавкою гіпсу у вигляді насиченого розчину, які пройшли дослідно-промислове випробування з одержанням значного економічного ефекту.

1. У дисертаційній роботі розроблено наукові основи одержання гіпсових будівельних матеріалів підвищеної міцності і водостійкості з урахуванням фізико-хімічних процесів. Приведено наукове обґрунтування і нові рішення технічних проблем одержання, гідратації, структуроутворення і використання гіпсових і гіпсовмісних будівельних матеріалів.
2. Установлено кристалохімічні особливості будови сульфатів кальцію і визначено їх умовний структурний кістяк. Розраховані середні енергії зв'язків і енергії їх кристалічних ґрат сульфатів кальцію, що дозволило намітити і обґрунтувати схеми процесів їх дегідратації.
Виконано термодинамічні розрахунки реакцій дегідратації двоводного гіпсу, виведені рівняння залежностей ДG0і Рвід температури і встановлені поля стійкості б- і в-форм напівгідрату сульфату кальцію, що дозволило уточнити температурні параметри процесів випалу двогідрату сульфату кальцію в експериментальній установці.
3. Виконано експериментальні дослідження кінетики протікання процесів дегідратації двоводного гіпсу і визначені константи швидкостей реакцій при його випалі у варочних казанах і в турбулентному потоці газоподібного теплоносія. Встановлено, що швидкість повного перетворення двогідрату в напівгідрат при випалі гіпсу у турбулентному потоці перевищує таку при випалі гіпсу у варочних казанах більш ніж на три порядки.
Розроблено конструктивну схему установки з реактором-конфузором для випалу гіпсу в турбулентному потоці газоподібного теплоносія.
4. Розраховано іонні та мембранні рівноваги для реакцій гідратації напівводяного сульфату кальцію. Узагальнені результати досліджень по визначенню знаків зарядів часток колоїдного ступеня дисперсності стосовно системи CaSO42H2O - CaSO40,5H2O H2O.
Установлено, що реакція гідратації напівгідрату сульфату кальцію протікає за крізьрозчинною схемою з виходом у поровий електроліт радикалу CaS040aq, що піддається гідролізу при рН = 5,47 з утворенням іона Ca(ОН)+aq, який потім переходить у свою стійку форму Ca2+aq. Це дозволило обґрунтувати спосіб керування процесом гідратації напівгідрату сульфату кальцію з уповільненням строків тужавлення на 15 % і прискоренням структуроутворення на 40 % .
5. Досліджена кінетика процесів гідратації сульфатів кальцію. Розраховано константи швидкостей процесів розчинення, гідролізу і кристалізації в системі напівводний гіпс-вода. Визначено, що найбільш повільним актом процесу гідратації є процес кристалізації двогідрату (kкр.= 0,0316).
Запропоновано використовувати насичені розчини двогідрату або напівгідрату сульфату кальцію, що містять асоційовані молекули CaS040aq, замість води замішування в гіпсових і гіпсовмісних сумішах з метою регулювання строків тужавлення в гіпсових системах і підвищення міцності гіпсового каменю на 40-50 %.

Експериментально досліджені електроповерхневі властивості двоводного і напівводного гіпсу. Установлено, що для двоводного гіпсу позитивний заряд мають 70 % часток, 20 % - негативні, а 10 % - нейтральні, для напівводного гіпсу кількість часток з позитивним зарядом складає 55 %, а 45 % часток - нейтральні, що підтверджує колоїдно-хімічну природу процесів тужавлення гіпсу і первинне виникнення коагуляційної структури, що потім перетворюється в коагуляційно-кристалізаційну і кристалізаційну. Це дозволило обґрунтувати вибір мінеральних добавок з урахуванням їх знаку заряду для регулювання процесів структуроутворення гіпсового каменю.
Досліджено об'ємні зміни стосовно колоїдної системи напівводний гіпс вода, яка структурується. Установлено, що за рахунок утворення в дифузійних шарах колоїдних часток електричного поля, обумовленого доннановським розподілом іонів між міцеловим (внутрішнім) і міжміцеловим (зовнішнім) розчинами, виникає змушена переорієнтація диполів води і їх частковий перехід у міцеловий розчин. Це приводить до стовщення гідратних оболонок колоїдних часток при їх позитивному заряді і розширенню.

Фізико-хімічні положення встановленої закономірності покладено в основу теоретичного обґрунтування механізму об’ємних змін гіпсового каменю і спрямованого регулювання його властивостей при одержанні безусадних складів.
8. Досліджено фізико-хімічні процеси утворення водостійких і міцних новоутворень, що поліпшують властивості гіпсового каменю в сульфовмісних системах. Установлено роль вуглекислоти і вологості повітря при перетворенні етрингіту в таумасит фазу, що приводить до деструкції. Термодинамічними розрахунками встановлено, що для попередження виникнення таумаситу в продуктах гідратації вищевказаних систем, співвідношення ГСА до гідросилікатів кальцію у продуктах гідратації повинно складати не менш 1 : 1.
Розроблено склади гіпсових композицій з комплексною добавкою, яка містить сульфат алюмінію, вапно та аеросил у кількості 1,3-1,5 % від маси гіпсу і підвищує його міцність в 3,5 рази, а показник водостійкості складає 0,81. Розрахунковий економічний ефект від впровадження такого гіпсового в’яжучого на прикладі стінових блоків становить 118345 грн.
9. Науково обґрунтовані рецептури і технологічні схеми одержання ніздрюватих гіпсобетонів: газогіпсо- і піногіпсобетону відповідно марок за густиною Д500 та Д400 і показниками теплопровідності - 0,10 і 0,09 Вт/мК. А також обґрунтовано рецептури і технологічну схему одержання цементного пінобетону на безгіпсовому цементі з добавкою гіпсу у вигляді насиченого розчину без тепло-вологої обробки.
Склади ніздрюватих пінобетонів пройшли дослідно-промислове впровадження. Очікуваний розрахунковий економічний ефект перевищує 300 тис. гривень.