CC BY
33
УДК 661.311
Власова ЕЮ., Сычева ЛИ.
ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК ПЛАСТИФИКАТОРОВ НА МОРФОЛОГИЮ КРИСТАЛЛОВ ГИПСА
Власова Елена Юрьевна, студентка 4 курса кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов, e-mail: vlasova.lena111@vandex.ru;
Сычева Людмила Ивановна, к.т.н., профессор, профессор кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов;
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047 Москва, Миусская пл., 9
В работе показан способ получения кристаллов дигидрата сульфата кальция из раствора и проанализировано влияние пластифицирующих добавок, часто применяемых в технологии сухих строительных смесей, на морфологию кристаллов гипса.
Ключевые слова: гипсовые вяжущие вещества, двуводный гипс, дигидрата сульфата кальция, кристалл, пластификатор, раствор.
EFFECT OF ADDITION OF PLASTICIZERS ON THE MORPHOLOGY OF GYPSUM CRYSTALS
Vlasova E.Y., Sycheva L.I.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The paper shows a method for producing calcium sulphate dehydrate crystals from the solution and analyzes the effect of plasticizing additives, often used in the technology of dry building mixtures, on the morphology of crystals. Keywords: gypsum binders, dihydrate gypsum, calcium sulfate dihydrate, crystal, plasticizer, solution.
Гипсовое вяжущее имеет широкое применение в сухих строительных смесях. Одной из важнейших составляющих сухих строительных смесей являются функциональные добавки, в том числе и пластификаторы. Они способны значительно изменять свойства смесей. Гипсовое вяжущее быстро твердеет и продуктом его гидратации является двуводный сульфат кальция. Важно оценить размеры и форму кристаллов, образующихся при твердении гипсового вяжущего, так как они будут определять структуру и свойства гипсового камня.
Гипс - это материал, принадлежащий к классу сульфатов. Он представляет собой двуводный сульфат кальция СаБО4^2Н2О. Кристаллизуется гипс в моноклинной сингонии. Кристаллическая структура слоистая. Два листа анионных групп [БО4]2-, которые тесно связанны с ионами Са2+, образуют двойные слои, ориентированные вдоль плоскости (010). Молекулы Н2О занимают места между указанными двойными слоями. Этим легко объясняется весьма совершенная спайность, характерная для гипса. Каждый ион кальция окружен шестью кислородными ионами, которые относятся к группам БО4, и двумя молекулами воды. Каждая молекула воды связывает ион Са с одним из ионов кислорода в том же двойном слое и с другим ионом кислорода в соседнем слое. Часты двойники срастания, напоминающие ласточкин хвост [1].
В работе были использованы следующие пластифицирующие добавки: Ме1шеП Б150 и Б1ка У18СоСге1е-02. Ме1шеП Б150 - сульфонированный порошковый продукт поликонденсации на основе меламина, полученный методом распылительной сушки. Б1ка У18СоСге1е-02 - это
суперпластификатор на основе третьего поколения -
поликарбоксилат полимерной технологии Sika УЪсоО^е [2].
Принцип действия пластификаторов
основывается на рассеивании статических зарядов и пространственной стабилизации частиц вяжущего вещества, что приводит к их высокоэффективному диспергированию и дефлокуляции [3].
Молекулы полимерных добавок не внедряются в структуру двуводного сульфата кальция и химический состав продукта не меняется. Однако присутствие в растворе добавок влияет на процесс кристаллизации, форму и размер кристаллов двуводного гипса за счет адсорбции молекул добавок на гранях кристаллов [4].
Цель данного исследования - получить монокристаллы гипса и проанализировать влияние пластификатора на морфологию кристаллов, что позволит оценить, как добавка повлияет на конечные свойства гипсового вяжущего после его твердения.
Экспериментальная часть. Были искусственно получены кристаллы двуводного гипса методом кристаллизации из раствора при химической реакции в условиях встречной диффузии. Этот метод позволяет достаточно быстро получить крупные кристаллы гипса за короткое время [5]. Кристаллизатор для роста кристаллов гипса состоит из двух стаканов. На дно большого стакана помешается маленький стакан (рис. 1).
Рис. 1 Внешний вид (а) и схема (б) кристаллизатора
В качестве диффузионной среды использовали дистиллированную воду и растворы пластификаторов. Концентрации добавок пластификаторов составляли: Ме1шеП Б150 -0,01 и 0,05 %, 81ка У18еоСге1е-02 - 0,01 и 0,05 %. В качестве исходных реагентов для синтеза кристаллов гипса были выбраны насыщенные растворы СаС12 и №а2804 (1). Такие растворы были выбраны потому, что эти вещества имеют высокую растворимость и ионы Са2+ и 8042-, продиффундировав навстречу друг другу, вступают в реакцию:
СаСЬ + №2804 + 2Н2О = Са80^2^0 + 2№аС1 ( 1 )
Так как гипс имеет не высокую растворимость (2,05 г/л), то на верхней границе малого стакана уже через 5-7 дней создается пересыщение, достаточное для зарождения и роста кристаллов гипса.
Рассмотрим ход процесса в кристаллизаторе, в котором диффузионная среда - дистиллированная вода. Первые кристаллы гипса появились на внешней стороне маленького стакана спустя 8 дней после начала синтеза. На 14 день кристаллы достигли уже достаточно крупных размеров. Так как с 21 по 25 день изменений в количестве и размерах кристаллов не наблюдалось, можно сделать вывод, что исходные насыщенные растворы СаС12 и №а2804 полностью прореагировали, и в системе установилось равновесие. Это значит, что к 25 дню количество кристаллов гипса и их размеры достигли максимального значения.
а) 5 дней
б) 14 лней
в)25 дней
Рис. 2 Внешний вид кристаллизаторов с раствором пластифицирующей добавки
Рассмотрим процесс кристаллизации в растворе пластификатора. Процесс кристаллизации в растворе пластифицирующей добавки начался быстрее, чем в дистиллированной воде - первые кристаллы появились на 5 день. Они образовались так же на внешней стенке маленького стакана. К 14 дню количество кристаллов значительно увеличилось. К моменту разборки кристаллизатора количество кристаллов гипса достигло максимального значения (рис. 2). В таблице 1 приведены средние значения выхода и размеров полученных кристаллов гипса.
Изучение структуры кристаллов гипса проводилось на оптических микроскопах МБС-9 и МИН-8 при увеличениях 32х и 200х.
Таблица 1. Средние значения масс и размеров кристаллов гипса
№ Время синтеза, сутки Дифф. среда. Добавка, % Количество исходных растворов, мл Выход кристаллов гипса, г Средний размер кристаллов, мм
Малый стакан Большой стакан Длина (Ь) Ширина (В) Отноше ние Ь/О
1 25 - 50 СаС12 100 №2804 12,2 3,39 0,24 14,1
2 25 Б15 0,01 50 СаС12 100 №2804 12,0 2,01 0,13 15,5
3 25 Б15 0,05 50 СаС12 100 №2804 10,2 1,89 0,15 12,6
4 25 в2 0,01 50 СаС12 100 №2804 9,9 1,37 0,27 5,1
5 25 в2 0,01 50 СаС12 100 №2804 8,8 1,19 0,31 3,8
Рассмотрим структуру кристаллов гипса, которые были выращены в водной диффузионной среде без добавок. Кристаллы имели форму игольчатых призм, вытянутых вдоль оси роста (рис. 3). Средняя длина кристаллов гипса составила 2,82 мм, а ширина - 0,23 мм.
а) 32х
б) 200х
Рис. 3. Внешний вид кристаллов гипса, выращенных в водной среде
Кристаллы гипса, которые выращивали в растворе с пластифицирующей добавкой Ме1теП в ,
короче кристаллов синтезированных без добавки. Причем, чем выше концентрация добавки, тем короче и толще кристаллы. При этом уменьшается отношение Ь/О с 15,5 до 12,6. Форма кристаллов гипса не изменилась и осталась так же игольчатой (рис. 4).
а) 32х
б)200х
Рис. 4. Внешний вид кристаллов гипса, выращенных в растворе Melment F15 G
В случае добавления пластифицирующей добавки Sika G-2 в диффузионную среду, помимо игольчатых кристаллов, образовались хорошо оформленные призматические кристаллы гипса (рис. 5). Так же появилось большое количество двойников срастания в виде ласточкиного хвоста. По сравнению с кристаллами, синтезированными в присутствии добавки Melment F15 G, они стали короче и в два раза толще.
Такое изменение габитуса кристаллов гипса, синтезированных в присутствии добавок, указывает на то, что добавки пластификаторы по-разному влияют на рост кристаллов гипса. Добавка Melment F15 G в большей степени адсорбируется на боковых гранях
кристаллов, способствуя формированию тонких игольчатых кристаллов гипса. Добавка же Б1ка в-2, имеющая разветвленную полимерную цепь, наоборот способствует формированию коротких призматических кристаллов, адсорбируясь на торцевых гранях кристаллов гипса.
Синтез в присутствии пластифицирующих добавок сокращает выход кристаллов до 76 - 84%, в зависимости от вида добавки.
а) 32х
б)200х
Рис. 5. Внешний вид кристаллов гипса, выращенных
в растворе 81ка в-2 Выводы. Были синтезированы монокристаллы гипса методом химической реакции в условиях встречной диффузии. Изучена форма кристаллов и определены их размеры. В качестве исходных веществ были использованы насыщенные растворы СаС12 и №2804.
Исследовано влияние пластифицирующих добавок различной природы на морфологию кристаллов гипса. Пластифицирующие добавки снизили выход продукта. Это связано с тем, что пластификатор, адсорбируясь на поверхности кристаллов, замедляет процесс роста кристаллов.
Установлено, что у кристаллов, полученных из раствора с добавкой Ме1теП Б15 в и Б1ка в-2, отношение Ь/О составило 15,5 - 12,6 и 5,1 - 3,8 соответственно. Чем выше концентрация добавки, тем меньше отношение Ь/О.
Список литературы
1. Ферронская А.В. Гипсовые материалы и изделия. Производство и применение. Справочник [Текст]. - М.: АСВ, 2004. 488 с.
2. Изотов В.С. Химические добавки для модификации бетона: монография / В.С. Изотов, Ю.А. Соколова. -М.: Издательство «Палеотип», 2006. 244 с.
3. Еврохим-1 функциональные добавки [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://chem.eurohim.ru, свободный, - дата обращения: 17.04.2018.
4. Сивков С.П. , Баринова О.П., Санжаровский А.Ю., Устинова Ю.В. Влияние различных добавок на морфологию кристаллов двуводного гипса // Вестник МГУ. 2012, №4. С. 140-144.
5. Петров Т. Г., Трейвус Е. Б., Пунин Ю. О., Касаткин А. П. Выращивание кристаллов из растворов [Текст]. -Л.: Недра, 1983. 200 с.
