автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Стеновые и облицовочные материалы из гипса повышенной прочности в условиях Ливана

РГ6 од

у 2 И ъ-8

Министерство образования Украины ХАРЬКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

На правах рукописи

ЭЛЬ МАСРИ АМАЛЬ (ЛИВАН)

СТЕНОВЬЕ И ОБЛИЦОВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ИЗ ГИПСА ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ В УСЛОВИЯХ ЛИВАНА

Специальность: 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков - 1995

Работа выполнена на кафедре "Строительные материалы и изделия" Харьковского государственного технического университета строительства и архитектуры (ХГТУСиА)

Научный руководитель - Лауреат Государственной премии Украины,

заслуженный деятель науки и техники Украины, академик ИА Украины, доктор технических наук, профессор БАБУШКИН В. И. .

Официальные оппоненты: лауреат Государственной премии Украины,

заслуженный деятель науки и техники Украины, член- корреспондент АН Грузии, доктор технических наук, профессор МЧЕДЛОВ-ПЕТРОСЯН О.П.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник КОНДРАЩЕНКО В.И.

Ведущая организация: Украинский научно-исследовательский

институт строительных материалов и изделий "НИИСМИ"

Защита состоится "23" января 1996 г. в 12 часов на заседании специализированного Совета Д 02.07.03 при Харьковском государственном техническом университете строительства и архитектуры по адресу 310002 г.Харьков, ул. Сумская, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан ^ 1995 г.

Ученый секретарь

специализированного £ -

Совета, Д.т.н., проф. ЕМЕЛЬЯНОВА И.А.

Актуальгюсть исследования заключается в необходимости развития . строительной индустрии Ливана ' за счет расширения использования гипсовых вяжущих и изделий- с улучшенными физико-механическими характеристиками,- прочности и водостойкости с учетом климатических особенностей региона, ' к числу- которых прежде всего относится повышенная - доЮ.0%, влрсность. •

. Требования конкурентноспособности. предъявляемые при решении материаловедческих задач, ' -обусловливают - целесообразность' поиска доступных и эффективных- методов г средств- повышения прочности и водостойкости гипсовых материалов- й изделий.. К- их .числу можно отнести изыскание г добавок '.и новых приемов', формования изделий с улучшенными свойствами'. • - •, ' ' •

Научная новизна, исследования заключается -

- в разработке физико-химических основ Технологии -гипсовых изделии с повышенными' показателями прочности и водостойкости;'

- в уточнении роли CaSü^°aq в растворении ß-CäS04-0, 5Нг0, а также .в.установлении лимитирующей-стадии гидратации - кристаллизации двугидрата; .

т в технологическом/обосновании . возможностей-. , повышения прочности и водостойкости.'за счет введения добавок и применения вакуумирования гипсовых .изделий; ...

- в установлении' факта предпочтительности накопления в-растворе при достижении равновесия в системе 'ß-полугидрат-вода. нрдисеоцииро-ванного■ комплекса в виде CaS04°- (ССа504 ^б^ЗЧО"2 ■ГНОЛЬ/л) и SO/" и Ca2 (С, •= Сс п\г~ '^0,34-ГМ0ЛЬ/.Л)

,4 aq aqca S 0 4 , . .-- -■

. , Целью диссертационной работы является .повышение прочности- и водостойкости-гипсовых изделий с учетом климатических особенностей Ливана путем введения химических. ' и "•. минеральных' добавок и вакуумирования. - '. ' ■ - '

Задачи работы .

- Разработка составов . гипсовых . композиций - с. " введением в их состав воды затворения, насыщенной .двугидрадш сульфата кальция, и водостойких гипсовых смесей с добавкой доменного шлака;

-Изучение ионных равновесий и -кинетики реакций в системах "ß-CaS04-0,5Н20 - н20" и "CaS04-2H20- Н20";

- Исследование процессов твердения вяжущих композиций и свойств гипсового камня;

- Разработка технологии производства стеновых и облицовочных

- 4 - ' .

изделий 'из ..гипсового камня с улучшенными физико-механическими показателями;

.- Проведение промышленной апробации разработанных технологических решений.

Аскар защиюдегп:

-Способ повышения прочности гипсового камня за счет-использования в качестве воды затворения насыщенного раствора' двугидрата сульфата кальция и вакуумирования гипсового теста;

-Способ повышения водостойкости . гипсового камня за счет введения наполнителей, имеющих знак заряда противоположный заряду поверхности гипсовых частиц;

-Уточненный механизм гидратации р-СаБО^-0.5Н20,

предусматривающий протекание процессов растворения и гидролиза через промежуточные стадии с образованием недйссоцинрованных молекул Са304°ач с последующим их гидролизом на комплексные ионы Са(0Н)ад+ и ионы Н

Лгфобация работы: основные результаты работы и материалы исследований докладывались на пяти научно-технических конференциях ХГТУСА: 470й-1992 Г., 480й-1993г., 490й-1994г. ' и 50ой~1995г. И Международном семинаре "Теория и практика строительства и строительных материалов" в г.- Сумы (1994г.).

Публикации: По материалам диссертации опубликовано 4 статьи и получено одно положительное решение на выдачу патента.

Реализация результатов работа - состоит в разработке основ технологии производства и выпуске опытно-промышленных партий гипсовых стеновых камней с добавкой в воду затворения двуводного гипса и облицовочных гипсовых плит в фирме "Постачбуд" завода ЖБИ агропромстроя г. Львова.

Структура и объем Зиссершции:

Работа состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы из 109 . наименований.' - двух- приложений и включает 127 страниц основного текста. 25 .таблиц и 21 рисунков'.

Диссертационая работа выполнена. на кафедре строительных материалов и изделий Харьковского' государственного технического университета строительства и архитектуры. .

Практическая ценности рабогш. - состоит в том, что автором разработаны способы разжижения гипсового теста и повышения прочности и водостойкости гипсового камня за счет: • ■

- введения в воду затворения добавки двугидрата сульфата сальция;

- введения в щихту минеральных добавок, имеющих знак заряда тротивоположный двугидрату;

- вакуумирования гипсового теста по оптимальному режиму, что изволило разработать технологические процессы получения гипсовых зблицовочных плит и стеновых камней повышенной прочности.

Состояние и перспективы применения гипса в строительстве и задачи исследования

Гипс, как строительный материал; в- Ливане приобретает все Зольшее значение. Спрос на него в настоящее время значительно увеличен, его применение перспективно как для строительства новых ¡омов й зданий, так и для тех, которые возводятся на месте разрушенных во время войны.

Гипсовые изделия в Ливане, как и в других странах Ближнего Зостока; применяют в основном внутри зданий в связи с их невысокой зодостойкойстыо, что связано с тем, что относительная влажность зоздуха в указанных регионах большую часть года превышает 75%.

Вместе с тем в последнее десятилетие в значительной мере ювысйлся интерес к гипсу как конструкционному материалу для изготовления несущих и ненесущих наружных стен малоэтажных зданий. 1о. к сожалению, эти конструкции предназначены также только для Заботы в условиях сухого климата! как например регион Сахары, гДё №жйо ограничиться только архитектурными приемами защиты гипса от {амокаййя. Йоэтойу вопросы повышения водостойкости гипсового камня шляются весьма актуальными для Ливана.

Отечественный й зарубежный опыт применения гипсовых вяжущих ■ в зтройтельстве, показывает; Чтб на его основе можно изготавливать оирокую номенклатуру йзделйй.

Основными й широко применяемыми видаш йздблйй как й Ливане, гак и Нй Украине, Являются:

.- гипсокартонные плиты;

- элементы перегородочных стен, плиты для потолкой й полов;

- декоративные, звукоизоляционные й другие мелкие кирпичи й ЗЛокй.

Требуемые показатели йро'чйЬстй строительного гйпса На сжатйё 8 ¡ботвётствйй 'с йрШёШёйШ етаййартамй находятся в предёлах 5... 15

МПа, в связи с этим, повышение прочности и обеспечение эффективности новых материалов является' актуальным и требует проведения дополнительных исследований.

С целью повышения прочности и плотности гипсового камня в последнее время практикуется введение полимеров в исходную шихту и пропитка гипсовой матрицы мономером с последующей термической или радиационной полимеризацией. При этом полученные изделия по своей художественной выразительности становятся сравнимы с природным мрамором или гранитом.

Анализ приведенных в литературном обзоре материалов показывает, что для улучшения строительно-технических свойств гипсового камня имеется достаточно широкий спектр приемов. Однако большинство из предложенных способов не имеет должного научного обоснования, а поэтому нельзя считать, что уже все потенциальные возможности полуводного гипса, как вяжущего, полностью исчерпаны. По нашему мнению, в научном плане для решения задачи повышения прочности, водостойкости и долговечности материалов и изделий на основе строительного гипса, необходимо более детально изучить процессы твердения и дополнить существующие представления по механизму процессов гидратации и гидролиза и особенно процессов формирования структуры гипсового камня новыми данными по каждой стадии в отдельности и процесса в целом с тем, чтобы обосновать возможность повышения прочности и водостойкости гипсового камня за счет использования внутреннего потенциал самого гипсового вяжущего.

; Большой вклад в разработку теории твердения гипсовых вяжущих веществ внесли Ле-Шателье, в.Михаэлис, А.А.Байков, П. А. Ребиндер, П.П. Будников, Ю.М.Бутт, О.П.Мчедлов-Петросян. А. Ф.Полак,

В.Б.Ратинов, М.М.Сычев, В.И.Бабушкин, Ф.Лохер, Х.Тейлор и др.

Анализ литературных данных показывает, что на сегодняшний день еще нет полной ясности какие виды частиц и ионов и: молеку/ образуются при растворении как исходного полугидрата; так ¡: двугидрата. образующегося при сквозьрастворном или тспо&имическои процессах. Не выяснена роль процессов гидролиза, что требует дополнительных исследований по расчету ионных равновесий реакций е данных системах и обоснованию, применения эффективных и дешевых видое химических добавок.• С учетом'вида частиц, участвующих в элементарны) актах процесса твердения, необходимо уточнить кинетику их протеканш и выявить наиболее медленные из них с тем. чтобы по возможной! научно обосновать способ управления ими.

Анализ известных технологических приемов, обеспечивающих увеличение прочности гипсового камня, показал, что одни из наиболее эффективных является способ ' прессования. Но поскольку он одновр'еменно приводит к увеличению плотности., что не всегда полезно, то нам представляется , что одним из технологических приемов формирования изделий является вакуумирование, которое помимо повышения прочности ч может обеспечить .быстрый отток влаги с образованием регулируемой пористости, позволяющий улучшить тепло- и, звукопоглощающие свойства гипсового камня.

Применение вакуумирования требует более детального изучения процессов консолидации гипсового камня и оптимизации его параметров методами технологической механики.

Обзор ростояния вопроса по 'повышению прочности и улучшению других свойств гипсового камня позволяет сформулировать следующие задачи?исследований:

1. Исследовать термодинамику й кинетику, реакций гидратации гидролиза полуводного и двуводного гипса.

2. Разработать методологию и провести расчеты процессов консолидации ц гипсовом камне при вакуумировании.

3. Разработать 'Методику учета коллоидно-химических явлений при формировании структуры гипсового'Камня повышенной водостойкости.' '

4. Выполнить экспериментальные исследования по оптимизации: ^ , а) влияние некоторых видов химических добавок;

б) влияние некоторых видов минеральных добавок;

а) процессов вакуумирования. ' 5. Изучить физико-технические свойству оптимальных составов.

6. Вазработать технологические основы производства облицовочных плит и стеновых материалов д использованием вакуумирования.

7. Внедрить разработанные технологии и составы в" производство к дать.технико-лкономическую оценку их эффективности.

I

Характеристика исходных материалов

!

В нашей работе все исследований были проведены только на (З-Чтолугидрате. который является. основной составной частью строительного гийса. • .

В.качестве гипсового, вяжущего в наших"' исследованиях был применен.строительный ,гипс Харьковского 'гипсового комбината марок Г-3 и - Г-4. ; полученных варкой гипсового камня Артемовского

месторождения. Их испытания по ГОСТ 23789-79 показали, что прочность на сжатие составила соответственно 3,1 и 4.1 МПа, а сроки схватывания: начало - Ь мин. конец - 12 мин. Сравнение этих показателей с типовыми для строительных гипсов, используемых в Ливане, показало их практическую идентичность.

В качестве химических добавок в работе использовался-CaS0-2H2О Артемовского месторождения для получения насыщенного раствора используемого в качестве воды затворения. В качестве воды затворения использовалась также обычная питьевая вода, обработанная природным кремнем Краматорского месторождения в течение 7 сут на рассеяном свету до получения величины Е'п воды =-о.7В.

В качестве минеральных добавок использовался тонкомолотый основной доменный гранулированный шлак Запорожского металлургического комбината. Помол шлака произведен на Харьковском опытном заводе института УкрНИЩемент до удельной поверхности 3000 см2 /г. Истинная плотность шлака по ГОСТ 25094-82 составила р =2,810 г/см3. Химичес-

г ш

кий состав шлака в %: Si02 -36,5: Fe203- 5,1; А1£03 - 6.7; СаО- 45,6; MgO-5,'9; SO -4,2.;/модуль основности - 1,19.

Содержание диссертационной работы

Экспериментальным исследованиям в нашей работе предшествовали термодинамические и кинетические ■ исследования реакций гидратации Р-полугидрата сульфата кальция.

1.Термодинамические расчеты реакций гидратации (5-полугидрата сульфата кальция

- Анализ литературных данных показал, что при контакте (5-полугид-рата и двугидрата с водой-б равновесии с ними в зависимости от условий гидратации могут находиться следующие виды частиц: Саа г+; Са(0Н)„ Са(ОН) SO г : HSO,1' ; H'SO/' и CaSO/

2aq aq 4 aq 4 aq 2 4 aq 4 aq

Исходя из этого, нами .были составлены соответствующие стехиометрические уравнения - возможных реакций в системах P~CaS04' 0,0-Hg0 и CaS04 2H20-Hg0 (табл. 1.2} и выполнены соответствующе термодинамические расчеты ионных равновесий с учетом стадийности их протекания.

Анализ результатов термодинамических расчетов "позволил прийти к

выводу о том. что .схема 3 из табл.1 является наиболее термодинамически. •предпочтительной. поскольку равновесная концентрация СаБ04°а по этой реакции, разная б, З'Ю"2 гмольсаэсм/^ довольно близка • к экспериментально определенной

-г г м о л ь

величине

/л". В то время как 2 и 4-ая схема дают соответственно

-5 г иона

CaS04

/л, что в несколько раз ниже

5,44-10

1,55- 10"й и 0,34- 10

5,44'10'г гмоЛьсаБ04/л_

. - .. Таблица 1

- .Уравнение реакций'гидратации, растворения и гидролиза ' . в системе р-полу-гидратный гипс-вода .

Nc

п/п

Уравнение.реакции

1 2,

3

4

5

6

- p-CaSO -0, 5Н„0 +-1-.5Н'0-=CaS0/'2H О

к . . ■ 4 г -кр . 2 ж / 4 г кр

- 'p-CaSO '0.5Н О' +-1,5Н О'^Са +S0/" +2Н0

■ ,4 2 .кр - 2 ж - aq 4aq 2 ж

'P-CaSO • О, 5Н,0 +1,5H„0'.=CaS0. +2Н0

v 4 2 кр . - 2 'Ж 4 aq Z Ж

. P-CaSO' - о,'5Н,0 +1,5Г0 -еа(0Н) +-S0/" +н *+но

г 4. г кр • 2 ж aq -4 aq aq 2 ж

CaSO/ +Н „.О- =ШОН) * +S.Q • +Н- +

4 aq 2 ж • ■ aq 4. aq aq

' Са(ОН) * + Н +=Са . +Н.0

aq aq aq 2 ж .

I

'.Таблица 2

Уравнение возможных- реакций растворения к гидролиза . системы двугидрат гипса - вода

Г 1 |№ , .1 п/п . Í Уравнение реакции |

1 1 1 ' 1 1 1 1 'caso - 4 2Н 0 аЧ CaSO.0, '+2Н„0 | 2 кр 4 aq 2 ж

{ 1 ' CaSO, '■ 4 2Н 0 = Ca Z++S0/ +2Н 0 . 2 кр aq 4 aq 2 ж

1 I 1 з I CaS0„' 4 2Н 0 =Ч Ca(üH) ++S0,2". +н ++н:о | 2. к р . -aq 4 aq aq 2ж

i I ! 4 1 i i CaS0° 4 +Н„0 =Ч- Са(ОН) *±S0Ae~ 41 * ! aq 2 ж ,.aq 4-aq aq

i i 1 5 1 i ' i Са.(ОН) ++H + =" Ca ' 2 + +Н„0 1 aq , aq aq 2 ж , J

.Анализ данных по схеме 4, характеризующих вероятность протека-

- - 10 -

ния'реакции прямого гидролиза полугидрата4 (схема 4, 'табл.1), и реакции гидролиза первичного продукта растворения - недиссоциированно? CaSO /„„ на те же ионы (схема 5, табл.1), показывает их идентичность

4- a (J

как по величине рН (5,47 и 5,47 единиц),' так и по концентрации ионое Са(ОН) * (0.3410"5 г МОЯк/л)~и SO/" ' (0,34'Ю"5 Г *0ЛЬ/л), не

aq * aq .

схема 5 (табл.1) позволяет выявить еще одну особенность, а4 имённс тот факт, что гидролиз CaSd/aq при ее ирходной равновесной с полугидратом концентрации 6,3-Ю"2; гидролизуется очень в малой «тепен: (К „.й„.„,.-=0.б2-10"15). что предопределяет содержание в растворе i

ГИДр О ЛИ За ^ ч

контакте с полугидрагом в основной недисеоциированных молеку. -CaS04°a(j с концентрацией 6,2999' 10"2 г ко^ь/л и очень незначительно! количество ионов: 'Са(ОН) S0/~ и Н + с концентрацие]

aq 4 aq aq i-

0,34-10~5 г- иона/л каадого из них.

Учитывая, что ион Ca(OH)aq+ в кислой среде является неустойчивым, то по схеме 6 Стабл.1) он весь перейдет в ион Caaq2*. если до пустить, что в контакте с полугвдра'том в растворе достигаемся равно весие (до момента начала кристаллизации CaS04-2Hz'0), то равновесны состав этого раствора буд0т следующим:

[CaSO/Л = 6,2999-10"2 г "0ЛЬ/л 1 ^

[SQ'z-]a= 0.3410"5 г иона/л > [Са ] = 0,34'10"5 ' иона/л - а

Этот состав, по-видимому, „и должен лредопределИть условия крис таллизации CaS04-2Нг0.

Исходя из этого могут быть намечены следуюидае стадии процесс растворения и гидролиза полугидрата сульфата кальция:^

-Растворение полугидра^а с образованием недиссоциированной мо лекулы сульфата кальция (CaS04°aq):

p-CaS04-0.58^0^ ^ CaS0/aq +-0.5 Hg0;, (1) '

j-Гидрагаз молекулы CaSO/ на ионы: CaSO/ + ITO - Са(ОЙ) + SÓ/' t В*. (2)

4 aq 2 х ^ aq 4 aq aq ^

Основным же .^выводом из вышеприведенных расчетов является, выве о том. что для управления процессами растворения и .гидроли; CaSO-4-0.5нг0, т.е. управление смещением равновесия в ту или инз ^сторону, необходимо использовать растворы таких веществ в вод( которые образуют' в ней неэбходимый набор такцх же ча'стиц, юотор! характерны для равновесного растврра с CaS04 -0,5Н^0. а именно: оснобном - недисссщиированные молекулы CaSO/^ (более 39,99%) и и б] Саа и SO/~aq (менер 0,001%). В связи с- этим, нами бы.

предложено, что таким веществом может быть двугидрат сульфата кальция или природный гипс (СаБ04'2Н20кр) или любые другие гипсосодержащие вещества.

2. Кинетика реакций гидратации и твердения Р-Са504-0,5Н20

2. 1. Кинетика реакций растворения

Скорость химических гетерогенных реакций вяжущих зависит, по-видимому, от соотношения скоростей растворения и гидролиза исходног'1 |5-Са304 ■ 0,5Н2 0 и кристаллизации Са504-2Нг0. Е случае. если химическая реавдя не осложняется явлениями диффузии, сорбции и т.д.. го ее скорость описывается уравнением, которое для реакции 1-го порядка будет иметь следующий вид:

йх/бг=к1 (Ао-х), (3)

где ко - исходная концентрация одного из веществ;. Ао-х - концентрация через промежуток времени I; к. - константа скорости реакции.

О скорости реакции растворения можно судить по убыли исходного гидрата (х) к моменту времени ^

В литературе имеются данные по изменению степени гидратации р-СаБО^■О,5Н20 во времени (А. Ф. Щуров и др.) результаты этих исследований приведены в табл.3.

Принимая, что реакция гидратации - первого порядка, расчет константы скорости реакции ведем по уравнению (4), полученному путем интегрирования уравнения (3):

К = (2.3/(гг-11))-1§.((а-х')/(а-х")) (4)

где ^ - время, протекающее от начала реакции; 1; - время, с которого началось растворение; а - начальная концентрация р-СаБО -О.5Н 0; >:'-количество вещества, которое прореагировало ко времени ^; х'' -количество вещества, которое прореагировало ко времени ^.

Таблица 3

Данньэ по скорости гидратации р-СаБ04•О,5Н2 О

! Время от начала I 1 | Количество полугидрата, |

| затюрения в мин I которое прореагировало |

I 1 1 I ко времени 1 в граммах | 1 |

1 1 з 1 1 1 8,5 |

1 5 1 40 |

I 10 1 80 |

1 15 1 90 |

I 20 | 1 98 | I 1

Таким образом, константа реакции растворения на участке от 2 дс 10 мин К =0,215. Поскольку она достаточно велика, то это говорит < том, что диффузионные процессы его не лимитируют.

2.2. Расчет константы реакции гидролиза

Константу скорости гидролиза можно рассчитать,, исходя из данны: по экспериментальным значениям рН (табл.4). Принимая, что реакци; гидролиза тоже имеет первый порядок, расчет константы скорости гидролиза ведем по уравнению:

К = (2,ЗА)' 18(Се/(С0-Сх)). (5)

где Со~ -рН в исходном растворе; С - рН через время V, Ъ - время о1 начала реакции до момента измерения.

пяем К .К .К .К..... и 1. .

ср

По формуле (5) и табл. 4 определяем К^К^Кд.К^____ и Кср.

К --2,51

= Р

Сравнивая Кср реакций гидролиза с таковой для реакции растворе ния находим, что она была на порядок выше ее и ни в какой мере н может лимитировать процесс растворения полугидрата сульфата кальция

Таблица 4 Изменение величины рН в твердеющего гипсового теста с В/Г=0,54

1 I Время мин 1 '. " 1 ( Величина рН |

1 0 1 I 1 6,4 |

1 0,5 1 6.1 |

1 1.0 1 6,0 |

1 1.5 1 5,9 |

1 2.0 1 5,8 1

1 2,5 1 5,5 |

1 3,0 | 5,2 |

1 3.5 1 5.2 |

1 4,0 . 1 1 5,2 ' | | 1

2.3. Расчет константы скорости кристаллизации двугидрата сульфатат кальция

Для расчета константы скорости кристаллизации используем данные В.Б.Ратикова и др. по изменению убыли концентрации р-Са304-0.5Нг0 во времени (табл.3).

Подставляя в формулу (4) данные табл.3, получим Кср=0,048.

Анализ результатов расчета дает возможность сделать вывод о том, что при гидратации (5-Са304 -2Н20 лимитирующим процессом является кристаллизация СаБ04 ;2Нг0, поскольку'его константа скорости в 4,47 я 52,3- раза меньше соответственно константы скорости растворения н гидролиза.

Таким образом, кинетические исследования тоже . подтвердили полезность введения с водой 'затворения частиц,, которые .являются исходными для ■ образования и роста зародышей СаБО^-2И20, а именно комплексы СаБ04°ач. образующихся при. растворении Са304 -2Нг0 в воде, что и предопределило выбор в качестве основного вида добавки для регулирования процессов гидратации ■ ¡5-СаБ04 • 0,5Н20 - добавки в воду затворения Са504-2Нг0 до получения насыщенного раствора.

Поскольку процессы кристаллизации СаБ04■2Нг 0 лимитируют скорость процессов твердения, - то'вашим выводом является изыскание

путей быстрого повышения концентрации составных частей раствора, образующегося'В результате растворения и гидролиза р~Са304■0,5Н2 0 за счет удаления части воды сразу после укладки гипсовой массы в формы или вакуумированием или прессованием-с последующей'фильтрацией. Нам представляется, что первый .способ более рационален и ему было уделено основное внимание в данной работе.

Поскольку в литературе отсутствуют какие-либо сведения о процессах консолидации гипсового камня при вакуумировании нами была сделана попытка восполнить указанный пробел.

3. Экспериментально-теоретические исследования процессов вакуумирования гипсовых смесей

Процессы вакуумйрования-гипсовых смесей характеризуются изменением соотношения фаз в единице объема. Ввиду малого влияния собственного веса и сил трения на боковых стенках формы, рассматриваются тонкостенные изделия, у которых высота много меньше- ширины, можно ограничиться классической моделью Терцаги, принятой в■механике грунтов, либо модифицированной формулой, предложенной А. С. Файвусовичем. Б связи с этим, исходное уравнение консолидации для гипса можно записать в следующем виде:

йР/аь = ск(й2р/ ¿х2), (6)

где Р - поровое давление; I - время; х - координата; Ск~ коэффициент консолидации, который определяется из следующего соотношения:

Ск:вК/(а<Л>- <6а>

где Кф- коэффициент фильтрации; ао- коэффициент относительной сжимаемости; У - объемная масса воды.

В '.

Принципиальное отличие процессов вакуумирбвания гипсовых смесей от обычных заключается в том, что в них процессы вакуумирования и гидратации вяжущего протекают практически одновременно. Указанное должно учитываться при,- построении математической модели процесса.

С учетом начальных условий интенсивность.связывания свободной воды 0(1) определяется как:

ОШ - 0 - е-".

(7)

Выбор такого вида кинетического уравнения в отличие от (4) необходим для удобства вычисления количества, .воды Оо в момент времени 1=0, которое входит в уравнение консолидации.

Результирующее уравнение консолидации запишется в виде:

бР/йЬ =С. йгР/йхг+й(Ъ)/а у ; . (8) к о "в

Для решения вопроса проверки влияния скорости^связывания воды в результате протекания химической реакции,' воспользовались данными по степени гидратации р-СаБ04-0,5Н20 ' (А.Ф.Щурое). - . Используя обработанные экспериментальные данные можно "определить константу скорости реакции К и <Эо: 0о=1.73974'Г и Л=0,21418 г/мин, что совпадает с величиной константы скорости вычисленной'по формуле (4). и уравнение (7) приобретает вид:

аШ=1,73974-е"0-214181 .-(9)

Поскольку в момент времени I' = 5 мин связывается около 50Х воды, то нет никакого смысла вакуумировать позднее 5 мин после затворения гипса водой.

В исходное уравнение консолидации (6)-входят две ■ неизвестных константы ао и С^, которые необходимо определить из. экспериментов. Расчетная схема прибора должна в ' .точности соответствовать- решению модельной задачи. В данном случае принимается решение' задачи консолидации с односторонней фильтрацией (рис.,1)..

Для определения коэффициента" относительной - деформации, весь диапазон разрежения в системе разбивается•на 4 интервала.

Коэффициент относительной, деформации определяется по формуле:

ао » ¿^/«г ДР^). (10) .

где Ь 1 - ' начальная . (До консолидации): высота слоя'; ДБ, /Ь -

о: - ..... - - 10

относительная осадка слоя,.-.определяемая"как среднее из показаний трех индикаторов; Р^ величина давления,'каждой ступени.

"' Результаты'измерений оформляются'в табличной форме (табл.5).

к вакуум-насосу

Рис.1. Схема консолидацирниого прибора 1 - манометр; 2 - вакуумщит; . , ■ 3 - форма; 4 — индикаторы;

5 - непроницаемый лист;

6 - рама по контуру

• Таблица 5

Результаты расчета коэффициента • относительной сжимаемости

Г • 1 |№ , 1 1 п/п1 1 1 1 1 I 1 Л 1 1 полные .осадки |по индикатору 1 ' 8. ■ 1 ДЗ,Л1 1 о ; | ао 1 I .1

1 1 1 1 1 0,2 1 1 0.2 0,06 1 1 0,3

1 2 I 0,4 1 0,4 '0.0? 1 0,1

1 з 1 0,6 1 0.42 0.004 1 0,02

1 4 Г 1 1 0,8 ( 0.44 1 0.004 - 1 0,02 1 I

Для обработки результатов по вакуумированню расшифруем значения а , на основании коэффициентов пористости, как это принято в механике грунтов.

V = т/т,

(11:)

где n - объем пор в единице объема смеси; m - объем частиц вяжущего.

Вычисленные расчетные значения ао оказались весьма близки к экспериментальным (табл.1), что характеризует высокую степень достоверности полученных результатов - аоср=0,0219.

Для определения коэффициента фильтрации используем величину степени консолидации смесей, т. е. степени ее уплотнения. Для данного случая:

Uo = 1-(8е"м/П2), (12)

где N = nzCkt/4h2, (13)

и = S /S, (14)

о t

где St- осадка слоя за данное время t при данной величине нагрузки; S - полная величина стабилизированной осадки при этой нагрузке.

После установления основных факторов которые влияют на процесс вакуумирования, а именно:

Р =0,75 атм, t - не позднее 5 мин, а длительность

В

вакуумирования t =1,5 мин, то подставляя в уравнение консолидации 8 1

Uo = 1--• (е"н + - е"9н) (15)

П2 9

откуда после подстановвки соответствующих данных получаем: П2Ск

N = - t; С = 0,325; t =1,5 мин

к в

4h

Определяем толщину изделия h, например . облицовочной плитки. Если мы задаемся любой толщиной менее 5 см. то осадку слоя или степень консолидации (уплотнения) можно вычислить по вышеприведенной формуле.

И так методика исследования процессов консолидации при вакуумировании гипсовых смесей дает возможность установить оптимальные параметры - давление вакуумного насоса Рв, продолжительность вакуумирования tB и лимитирующие его величины <,не позднее 5 мин) для тонкостенных изделий типа облицовочных плиток. Этим мы получаем максимальную прочность при минимальной затрате '••к-ргии.

- 18 -

Результаты исследования различных способов повышения прочности гипсового камня

' Применение вакуумирования гипсовых смесей по сравнению с прессованием -имеет то _ преимущество, что исходное гипсовое тесто можно' готовить как ■литьевым способом с водогипсовым отношением близким к нормальной, -густоте (В/Г=0,5...0,6), что обеспечивает возможность- тщательного■ премшивания теста и быструю гидратацию полугидрата, так - и дает возможность его заливки перед вакуумированием в '...'формы практически любой конфигурации. Вакуумирование•позволяет к моменту достижения стесненных условий обеспечить создание- из основной массы гидратных новообразований прочного каркаса.

При вакуумированйи- гипсовых образцов 40x40x160 по оптимальному режиму Р=0.85 атм и t= 2...3 мин, через 2 ч твердения достигается прочность на сжатие на. 50% выше чем ' у контрольных образцов и примерно на столько же выше на,изгиб (58%) (см. рис. 2, состав 2).

При исследовании, -влияния воды затворения насыщенной двугидратом гипса на свойства гипсового камня (состав 2, рис.3) установлено, что такой состав обеспечивает более быстрый набор прочности и через два часа твердения • имеет. -прочность- на сжатие и изгиб выше на 40 и 46% соответственна чем контрольный образец (рис.3, состав 1). Предварительные опыты показали; что затворение р-СаБ04•0,5Нг0 водой, насыщеннойСаБО -2Н О(2,5...3 г/л), обеспечивает получение нормальной.густоты гипсового теста при В/Г=0,476. -В то время как контрольный';состав'обеспечивает получение нормальной густоты только при В/Г=0,54, Эти .. .-результаты'. подтверждены тнрмокинетическими исследованиями:' . ' " ' '

Исследование влияния ; на. прочность гипсовых образцов воды, активированной обработкой, кремнём.(состав 3, рис.3), показало, что в этом случае через % '.ч твердения .наблюдается рост прочности на сжатие на 31%и на изгиб на- 37% выше, "чём у контрольного образца.

При исследовании изменения--'.прочности гипсовых образцов- при вакуумировании состава -3 и состава 2 (рис.2) наблюдается идентичный рост прочности. ' .'-..-'

Рис.2. Кинетика роста прочности на сжатие гидсовых образцов при вакууми-ровании: 1— контрольный образец; 2- вакуумированный образец; 3- насыщенный раствор двугидрата; 4- крем-

Рис.З. Кинетика, роста прочности на сжатие гипсовых образцов: 1-контрольный образец; 2- насыщенный даствор двугидрата; 3— кремневая вода

- 20 -

Исследование способов повышения водостойкости гипсового камня

Анализ данных . оптико- и электронномикроскопических исследований, выполненных П.П.Будниковым, Л.Г.Шпыновой и др. показал, что двуводный гипс в структуре затвердевшего гипсового камня представлен в основном призматическими кристаллами (блоками) длиной в среднем 14 мкм и толщиной 1,2...1,6 мкм. При' увлажнении гипсового камйя . наиболее уязвимыми для растворения являются углы, и ребра торцевых граней кристаллов, .так как составные. - части кристаллической решетки гипса в этих местах имеют минймальйую энергию связи с более глубокими участками структуры.

Исследованиями, выполненными 'В.В.Капрановым, А..Н.Плугиным, А. А. Плугиным, В. И. Бабушкиным. Показано, что прочность, межчастичных контактов между .блоками кристаллов двугидрата в . затвердевшем полуводном гипсе определяется в основном диполь-дипольным взаимодействием, при этом ■ связи между структурными единицами обспечиваются пленками воды толщиной до двух мо.'.еул. . Учитывая,. что кристаллогидраты двуводного гипса приобретают в воде положительный поверхностный заряд, .можно-полагать, что такие контакты возникают в результате коагуляции блоков ■ кристаллов в ближнем потенциальном минимуме. '

Изложенное выше предполагает в качестве эффективной меры повышения водостойкости и прочности, применительно к гипсу, введение в него минеральных наполнителе, например, тонкомолотые доменные гранулированные шлаки, с отрицательным поверхностным зарядом в количестве, обеспечивающем максимальное число электрогетерогенных контактов и минимальное - электрогомогенных контактов и свободных торцов кристаллов двугидрата. Количество., наполнителя должно быть таким, чтобы среднее расстояние между его частицами соответствовало средней длине блока кристаллов гипса..

Для обеспечения максимального содержания электрогетерогенных контактов расчет состава рассматриваемой композиции по нашим совместно с А. А.Плугиным данным необходимо проводить с учетом коэффициента раздвижки зерен в гипсовом тесте. В качестве такого коэффициента следует принять отношение объема гипсового теста, к объему пустот в Н:

В/рд* Г/рр

П = ---: . (16)

НП уп/р (1-П: уп) -

у о гн ус

где Г1 - коэффициент раздвижки зерен шлака в гипсовом тесте; Г, Н, В - расход н; 1 м3 гипса, соответственно, СаБ04 • 0,5Нг 0,' наполнителя и .

воды; р плотность воды; р , р -.истинные плотности гипса и

гв гГ гн

наполнителя соответственно; Пусуп '.-" пустотность упаковки зерен наполнителя. "

Условием для получения максимального количества электрогетерогенных контактов между блоками кристаллов СаБ04■2Нг 0 и зернами наполнителя является равенство действительной величины коэффициента раздвижки и величине оптимального коэффициента раздвижки . Для его определения можно принять следующее выражение:

1 С 5к ^ 1

Т1 = -- |1+ - |---+. 1. (17)

'опт 1 1

П уп I Ъ ) П уп

ус н ус

где 5К - средняя длина блока кристаллогидрата Са304-2Нг0; о-средний диаметр частиц наполнителя.

При выполнении этого условия толщина прослойки между частицами наполнителя равна 5К, что приводит к возникновению электрогетерогенных контактов с обоих концов кристаллов.

исследования показали, . что при введении в гипсовые смеси тонкоизмельченного доменного шлака (1:1) при коэффициенте раздвижки •Попт=4', 2 прочность образцов в водонасыщенном состоянии повышается на 29% (Кразм=1, 29), т.е.' гипсовый камень приобрел водостойкость.

Опытно-промышленная апробация разработанных рекомендаций

•На основе проведенных исследований- автором были разработаны основы технологии производства гипсовых стеновых и облицовочных изделий повышенной прочности и осуществлено опытно-промышленное внедрение разработанных рекомендаций"на-технологической линии фирмы "Постачбуд" Львовского завода ЖБИ. За счет уменьшения толщины плит с 20 мм до 12 мм получена экономия до 40% строительного гипса.

- 22 -'выводы

1 ' , 1. В результате исследований термодинамики и кинетики, реакций гидратации 0-полугидрата установлено:

а - Растворение и гидролиз р-СаЭ04 -0,5Н£0 протекает через промежуточные стадии с образованием недиссоциированных молекул СаБО °а с последующим их гидролизом на комплексные,ионы Са(ОН) + и-

ионы Н '

При этом равновесные концентрации равны : [СаБ04а ] О, 62- 10"ггиол|,са504/л, [Са(ОН) ,ач"]=0,34-'Ю-5 г и0н/л и рН=5,47.

б - Растворение и гидролиз двугидра"а сульфата каль'ция протекают по такой же схеме причем равновесные концентрации"" равны: [СаБО ° ]=0.62-10"2 г **льсазо4/л> щ ♦] и [Са(ОН) +] =

« ад - 7 аа , ••< , ао

1.5-10" /л. .

в - Для р^СаБО - 0,5Н2'0 предпочтителен сквозьрастворный механизм гидратации, при этом, растворение начинается с перехода в расувор комплексных молекул в _виде СаБ04°а(1 'с минимальной перестройкой структурных элементов кристаллической решетки р-СаБО^-б", 5Нг0. ,

г г Рассчитанные по экспериментальным данным константы-.растворения и гидролиза р-СаБ04-0,5Н20 и кристаллизации СаБО 2НгО оказались . соответственно равны - К =0,22; 41 =2,5;

• р ГИД -

Ккр=0,042. Лимитирующей стадией процесса" гидратации является процесс кристаллизации.

2.' Для управления процессами твердения предложена новая добавка в виде насыщенного раствора двугидрата ^льфата кальция,-' что обеспечивает- разжижение теста и повышение прочности гипсового камня.

, 3. Экспериментально-практические исследования - процессов вакуумирования гипсовых смесей позволили .установить:

а - консолидационные характеристики гипсового теста: коэффициент относительной сжимаемости ,а =0,02; коэффициент фильтрации Кср=7,08-10"6; коэффициент консолидации Ск=0,325.;

б величину разрежения Рв=0,75 атм и время вакуумирования ^«=1,5 мин. Применительно к тонкостенном изделиям • в виде облицовочных плит, а тцкже для блоков толщийой до 5 см - Р =0,85атда,-время вакуумирования I = 3 мин с повышением прочности при изгибе и сжатии на 50-60%. - ' ■ ,

4. Показано, что: ,

а - затворение |5-Са:$р4-0.5^,0 марки Г-3 воЬой насыщенной двугидратой сульфата кальция уменьшает В/Г- с 0,54 до 0.476 при

- 23 -

повышении прочности гипсового камня на 40-48%.

б - затворение ß-CaS04-0,5H20 марки Г-3 водой активированной кремнием уменьшает В/Г с 0, 54 до 0,49 и увеличивает прочность на 30-3736.

5. Уточнены параметры производства облицовочных и стеновых блоков с использованием вакуумирования:

- сохраняется стадия литьевой технологии при обычном В/Г-отношении.

- предусмотрена форма с перфорированным днищем и тканевым фильтром.

6. В результате разработаны и внедрены:

- технология изготовления гипсовых облицовочных плит методом вакуумирования на технологической линии фирмы "Постачбуд" Львовского завода ЖБИ с экономией до 40% строительного'гипса за счет уменьшения толщины плиты с 20 мм до 12 мм;

- опытно-промышленная партия гипсовых стеновых плит с добавкой двугидрата сульфата кальция в виде насыщенного раствора, . Получено положительное решение на выдачу патента "Способ получения гипсового камня и' гипсобетона" (решение по заявке № 95062839 Госпатента Украины от 26.10.95 г.).

СЛИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Бабушкин В.И., Плугин A.A., Эль-Масри А. Повышение прочности и водостойкости гипсошлаковых композиций. / Тезисы докладов научно-практической конференции, Харьков: Союз орг-ций стройкомплекса Харьковской обл., 1992,- с. 32-33.

2. Бабушкин В.Й.. Плугин A.A., Эль-Масри А. ■ Повышение водостойкости материалов на основе строительного гипса: / Тезисы докл. 48 научно-техн. конф. -Харьков: ХИСИ! 1993,- с.104.

3. Бабушкин В. И., Эль-Масри А... Казимагомедов И. Э., Плугин А. А: Теоретические основы получения : вакуумированного гипсобетона. / Тезисы докл: 49 научно-техн. конф.- Харьков: ХГТУСА, 1994,- с.37.

: • ' 4.: Бабушкин- В. И.", Эль-Масри -А., Казимагомедов И. Э. - Эффективные облицовочные и стеновые изделия из гипса./ Труды межд: семинара "Теория и практика строительства и строительных материалов" - Сумы: ССХИ, 1994. - с. 19-20.

5. В. И. Бабушкин, Эль Масри А.0., В.П.Сопов Термодинамические и термокинетические исследования реакции- гидратации ß-полугидрата сульфата кальция, (в печати).

6. Способ получения гипсового камня и гипсобетона. Положительное решение по заявке № 95062839 Госпатента Украины от 26.10.95г.

А Н О Т А Ц I Я

Эль Масри Амаль "Ст!нов1 1 облицювальн1 матер1али з г1псу п1двищено1 м!цност1 в умовах ./Ивана".

Дисертац1я на спошукання вченого ступеня кандидата техн1чних наук за спец1альн1стю 05.23.05, Харк1вський Державний техн!чний ун1верситет буд!вництва та арх1тектури, Харк1в, 1996.

Робота присвячена досл1дженню процес1в г1дратац11 та тверд1ння буд1вельного г!псу 1, розробц! на ц1й основ1 способа отримання облицювальних 1 ст1нових матер!ал1в п!двищено! м!цност1. В насл!док проведених термодинам!чних 1 к1нетичних досл1джень установлена переважн!сть накопичення у систем! р-СаБ04-0.5Нг0 - Н20 недисоц!йованих молекул у вигляд! Са304°а(1 1 показано; щб л!м!туючою стад1ею процесу г!дратац1! е кристал!зац1я двуг!драта сульфата кальц1я. Це дало ыожлив!сть науково обгрунтуватй спос!б керування процесами г1дратац!1 шляхом . введения додатка тонкомеленого двуг1драта у воду заМ1шування буд!вёльЙого г3.псу; Наведена математична модель процесу гверд!ння Мйсового т1стй при вакуумуванн! 1 вйзначен! оптймальн! технолбг!чн! параметра процес1в вакуумування.

Розроблени основй технолог!! отримання Нпсовых облицювальних плйт ! г1псового кам1ння Шдвйщено! мЩност!.

Результата работа оЦубл1кован! у 4-х Й&укових статтях тё. захищен! позитйвнйм р!шенням патентно! експертйзй Держпатенту Укра!йй.

КлюЧев! слова: г!дратац1я; твё{зд!ння; р1вковага; к!нетйка; МЦШсть. технолоПя.

- 25 -ABSTRACT

El Masry Atnal "Wall and facing materials made from higtend gypsum under Lebanon conditions".

Thesis for "Master of Technical Science" academic decree on specialities 05.23.05, Kharkov State .Technical University of Building and Architecture, Kharkov, 1996.

This work is devoted to the investigation of the hydration and hardering processes of building gypsum and developing on this base the way of obtaining of the facing and wall materials with higher strength. As the result of thermodynamic and kinetic investigations the accumulation preference in the system p-CaSO -0,5H,0 undissoclated molecules as CaSO,0 has been established. It is

4 nq

shown that 'the crystallization of CaSO -2H 0 is the limiting stage of the hydration'process. These results make it possible to ground scientifically the' way of controlling hydration process by inputing additions of finely divided CaSO,-2H 0 into the nixing water of the building gypsum. It Is presented the mathematicion model of the hardering process of gypsum paste by vacuumizing and it is established optimum technological parameters of vacuummizing processes.

Thechnological basises of obtaining gypsum facing plates and stones are'developed.

Results of this work were published in 4 scientific articles and'were defended by .the positiv decision of the patent comission <\f experts of statepatent of Ukraine.

Key-words: hydration, hardering. equilibrium, kinetics., s.trenghth, technology. .