К ВОПРОСУ О МЕТОДИКЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ТВЕРДЕНИЯ ГИПСОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ НА РАННИХ СТАДИЯХ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ

Показана и научно обоснована возможность и целесообразность применения гальванометрического метода для исследования процессов твердения композиционных гипсовых вяжущих на ранних стадиях структурообразования. Выявлены зависимости физико-технических свойств гипсовых композиций и гипсового камня на их основе от характера изменения и сроков стабилизации электрического напряжения на электродах гальванической пары.

Гипс имеет многовековую историю, а материалы на его основе- целый ряд положительных свойств, позволяющих с успехом применять его для отделочных работ. Возможности гипсовых вяжущих, на наш взгляд, далеко не исчерпаны и могут быть реализованы на качественно ином уровне. Их широкое внедрение в практику строительства могло бы стать не только одним из путей решения проблемы дефицита цемента, но и экономии энергоресурсов, повышения экономической эффективности вяжущих, создания малоэнергоемких технологий их получения.

В настоящее время на территории бывшего СССР находятся 182 месторождения гипсового камня, ангидрита и других гипсосодержащих пород. Балансовые запасы по различным категориям составляют более 6000 млн. тонн, порядка 74% которых находятся в разных регионах Российской Федерации. Несмотря на это производство и применение гипсовых вяжущих и материалов в нашей стране развиваются недостаточно высокими темпами. В промышленных масштабах выпускаются преимущественно низкомарочный строительный гипс, в небольших количествах — высокопрочный гипс и гипсоцементнопуццолановые вяжущие. Поэтому одной из задач, стоящих перед отечественными исследователями, является создание конкурентоспособных гипсовых материалов. Однако проектирование эффективных составов композиций невозможно без знания теоретических основ их гидратации и твердения. Существующие представления о механизме этих процессов во многом противоречивы, что объясняется их исключительной сложностью. Особую трудность представляет изучение процесса твердения на ранней стадии формирования структуры гипсовой композиции, когда достоверность полученных результатов во многом зависит от принятого способа или методики изучения. В связи с этим была выполнена работа с целью совершенствования методики исследования процесса твердения гипсовых композиций.

Получение объективных сведений о процессе, протекающем в твердеющей гипсовой композиции, возможно, по нашему мнению, только таким способом, который бы позволил получать информацию по энергии, выделяемой непосредственно самим материалом. Эти возможности открывает природа и особые свойства самого гипсового вяжущего.

Поскольку в процессе гидратации гипсового вяжущего происходят такие явления, как насыщение жидкой фазы продуктами химических реакций, взаимодействие воды с полугидратом, а при введении ряда добавок –адсорбция и т. п., то гипсовое тесто по своей природе может быть отнесено к электролитам со всеми присущими им свойствами. Если в него поместить пару электродов с разными по величине электродными потенциалами и образовать внешнюю электрическую цепь, то по ней потечет электрический ток. Образуется химический источник тока,

работающий за счет окислительно-восстановительных процессов, протекающих на электродах-

аноде и катоде.

По существующей классификации [1] все разновидности химических источников тока делятся на 2 группы: гальванические элементы (первичные источники тока) и электрические аккумуляторы (вторичные источники тока). Первичные источники тока допускают лишь однократное использование в них активных веществ, а во вторичных активные вещества используются многократно, т. е. могут восстанавливаться с помощью заряда. Очевидно, что источник тока, где в качестве электролита используется твердеющее гипсовое тесто, может быть отнесен к первой группе, т. е гальваническим элементам (первичным источникам тока). В связи с этим он может характеризоваться следующими электрическими параметрами: электродвижущей силой (ЭДС) Е, напряжением U при образовании внешней электрической цепи, силой тока J и полным внутренним сопротивлением r, которые могут быть измерены или определены по известным формулам [1]. Значение этих параметров будет изменяться в зависимости от состояния и свойств твердеющего гипсового теста, которое является в данном гальваническом элементе электролитом.

На электрические параметры гальванического элемента могут оказывать влияние также некоторые его конструктивные особенности: материал электродов, составляющих гальваническую пару, их размеры, а также взаимное расположение в среде электролита. Использование стеклянных и каломельных электродов, электродов из графита показало, что они являются хрупкими и использовать их в твердеющем гипсовом тесте довольно сложно. Относительно металлических электродов известно [2], что положение того или иного металла в ряду напряжений характеризует его активность или способность к окислительно-восстановительным взаимодействиям в водных растворах электролитов. Чем дальше расположен металл в ряду активности по отношению к водороду, тем более сильным окислителем в растворе электролита являются его ионы. В результате электродные пары, составленные из металлов, имеющих наибольший стандартный потенциал по отношению к водороду, будут иметь более четко выраженные электрические параметры. Проведенные нами предварительные опыты [3] позволили установить, что наиболее активной является пара из алюминия и меди, имеющая наибольшую разность электродных потенциалов, и, соответственно, большее напряжение во внешней электрической цепи гальванического элемента. С учетом сказанного в качестве электродов применяли пару из алюминия и меди, а в качестве основного электрического параметра, характеризующего процесс гидратации и твердения гипсового вяжущего,- напряжение.

Объектами исследования служили строительный гипс марки Г-4АII (ГОСТ 125-79) Аракчинского гипсового завода Республики Татарстан (РТ) и композиции на его основе, модифицированные различными наполнителями: доломитовой мукой Киндерского и бентонитовой глиной Биклянского месторождений РТ, стеклопорошком (получен помолом листового стеклобоя по ГОСТ 111-90), гипсовой мукой (получена помолом гипсового камня Камско-Устьинского месторождения РТ). В качестве химической добавки использовали лигносульфонат технический порошкообразный (ЛСТ) по ТУ 2455-028-00279580-2004.

Методика проводимых исследований заключалась в следующем. Гипсовое тесто нормальной густоты помещали в форму со стандартными размерами 70,7х70,7х70,7 мм, изготовленную из диэлектрического материала. Две стенки формы, выполненные из алюминия и меди, служили электродами гальванической пары. Электроды с помощью проводников были подключены к самопишущему потенциометру. Поскольку величина электродных потенциалов была постоянной, то изменение напряжения, которое непрерывно фиксировалось потенциометром, было связано непосредственно с процессами, протекающими в гипсовом тесте. На рис. 1 приведены кривые изменения электрического напряжения на электродах гальванической пары в процессе твердения гипсовых композиций. Их анализ показал, что каждому составу гипсовой композиции соответствует

Рис. 1 Кривые изменения электрического напряжения на электродах гальванической пары в зависимости от состава гипсовой композиции: 1♦-строительный гипс; 2■-то же + бентонитовая глина 1%; 3▲-то же + доломитовая мука 2,5%; 4х-то же +стеклопорошок 2,5%, 5ж — то же + гипсовая мука 1%; 6●-строительный гипс+стеклопорошок

2,5+ЛСТ 0,25%; 7+ — строительный гипс+гипсовая мука 1%+ЛСТ 0,25%

вполне определенная кинетика изменения электрического напряжения на электродах гальванической пары. Наибольшее значение оно имеет в момент укладки гипсового теста в форму, что связано, очевидно, с максимальным количеством в нем воды в этот период времени. Далее величина электрического напряжения резко снижается, что может быть объяснено, на наш взгляд, уменьшением количества воды в твердеющей системе. Происходит процесс растворения вяжущего с интенсивным поступлением в раствор ионов Са2+ и SО42- с присоединением 1,5

молекулы воды и образованием двуводного гипса. Дальнейшее снижение величины электрического напряжения происходит более медленно. В это время идет процесс кристаллизации вновь образованного гипса. Затем кривые приближаются к виду субгоризонтальной линии, и напряжение стабилизируется, но не становится равным нулю. В момент, когда оно становится постоянным, вероятно заканчивается реакция присоединения воды к вяжущему. Теоретически для этого требуется 18,6% от всей воды затворения, поэтому напряжение

в момент стабилизации не равно нулю и свидетельствует, по нашему мнению, о наличии

химически несвязанной воды, которая в дальнейшем удаляется в процессе естественной или искусственной сушки гипсового камня.

Полученные данные позволили построить обобщенную зависимость изменения электрического напряжения при гидратации и твердении гипсовых композиций (рис. 2).

Рис. 2 Общий вид кинетической кривой изменения напряжения при гидратации и твердении гипсового теста

На ней можно выделить 3 основных параметра, позволяющих судить о происходящих процессах:

Umax — максимальное напряжение на электродах гальванической пары, которое соответствует моменту укладки гипсового теста в форму (зависит от количества воды затворения);

Ucт — напряжение стабилизации, которое соответствует моменту, когда величина напряжения в твердеющем гипсовом тесте перестает изменять свое значение (зависит от состава гипсовой композиции);

tст — время стабилизации напряжения, соответствующее отрезку времени от момента заполнения формы до момента стабилизации напряжения.

Исследование физико-технических свойств гипсовых композиций (таблица) показало их взаимосвязь с электрическим напряжением на электродах гальванической пары, характеризующим процессы в твердеющем гипсовом тесте. Можно отметить, что чем выше нормальная густота гипсовой композиции, тем более высокое значение имеет Umax. Вяжущие, для затворения которых потребовалось большее количество воды, характеризуются также и более высоким значением Uст. Кроме того, в зависимости от вида модификатора в составе гипсовых композиций будет различным и время стабилизации напряжения. Учитывая данные о прочности

гипсового камня (таблица), можно говорить о том, что чем больше времени требуется для стабилизации напряжения при гидратации и твердении вяжущего, тем более высокой прочностью обладает гипсовый камень на его основе.

Таблица

Физико-технические свойства гипсовых вяжущих и их связь с основными параметрами, характеризующими процессы гидратации

состава

Вид и количество добавки к гипсу,

%

Нормаль — ная густота,

%

Сроки

схватывания, мин.

Предел

прочности при сжатии в возр. 2 ч, МПа

Umax

Uст

τ

начало

конец

1.

56

3

8

3,0

600

340

6

2.

Бентонитовая

глина-1

60

3

5

3,9

750

420

8

3.

Доломитовая

мука-2,5

55

2

4

4,3

580

340

11

4.

Стеклопорошок-

2,5

51

4

6

4,3

560

280

10,5

5.

Гипсовая мука-1

50

3

5

3,5

570

300

5

6.

Стеклопорошок-

2,5+ ЛСТ — 0,25

45

3

4

5,4

430

190

11

7.

Гипсовая мука-

1+ ЛСТ-0,25

48

3

4

3,8

450

220

9

Выводы.

Установлена и научно обоснована возможность и целесообразность использования

гальванометрического метода как методического средства для исследования процессов гидратации и твердения композиционных гипсовых вяжущих.

Опираясь на теоретические основы гидратации и твердения гипсовых вяжущих, развиты научные представления об этих процессах, в том числе в присутствии минеральных и химического модификаторов. Установлено, что характер взаимодействия композиций с водой и формирование прочности гипсового камня зависят от наличия и вида используемых добавок.

Выявлены зависимости физико-технических свойств композиционных гипсовых вяжущих и гипсового камня на их основе от характера изменения и сроков стабилизации электрического напряжения на электродах гальванической пары. Показано, что чем большее время требуется для его стабилизации, тем более высокой прочностью обладает гипсовый камень.

Таким образом, по характеру изменения параметров суспензий твердеющего гипсового теста (напряжения и сроков его стабилизации во времени) можно делать прогнозы о физико — технических свойствах гипсового камня на ранних стадиях его структурообразования.

Материал взят из: Казанская наука. №1. 2010г