Дегидратация гипса

В основе производства гипсовых вяжущих материалов лежат реакции отщепления химически связанной воды (кристаллиза­ционной воды) от гипса при его нагревании, называемые реак­циями дегидратации:

CaS0₄ • 2Н₂0 = CaS0₄ . 0,5Н₂О 4 1,5Н₂0, CaS0₄ • 0,5Н₂О = CaS0₄ + 0,5Н₂О.

Молекулы воды выходят из кристаллов гипса вследствие то­го, что в них под воздействием теплоты возникают электрически нейтральные частицы — экситоны. Они представляют собой свя­занное состояние электрона проводимости (электрон, способ­ный перемещаться по кристаллу) и вакансии (дырки). При по­вышении температуры частицы поглощают энергию, которая затрачивается на их перемещение из глубины на поверхность кристаллов и создание новых вакансий. По ним затем переме­щаются соседние частицы. Такие блуждания и определяют вы­ход молекул кристаллизационной воды из кристаллической решетки гипса.

Агрегатное состояние воды, удаляемой из гипса, определя­ется условиями среды, в которой протекает процесс дегидрата­ции гипса. Если дегидратация осуществляется под давлением выше атмосферного в паровлажностной среде или водном рас­творе, то вода выходит из кристаллов гипса в капельножидком состоянии. При этом образуются кристаллы плотной структуры. Если же гипс обжигают при атмосферном давлении, то вода удаляется из кристалликов в парообразном состоянии. В этом случае при сохранении внешних размеров частиц гипса внутри них образуется пористая структура вследствие испарения кри­сталлизационной воды и большей плотности образующихся кристаллов полугидрата по сравнению с плотностью исходных кристаллов двугидрата. При полном превращении двугидрата в полугидрат пористость достигает 27-28%. Благодаря воз­никновению капиллярно-пористой структуры водяные пары бес­препятственно выходят сквозь поры, каналы и капилляры.

Гидратация гипса

Обратный процесс - гидратация гипса. Схватывание и твердение гипсовых вяжущих обусловлено переходом   полугидрата   в   кристаллический   двуводный   гипс. Реакция гидратации и кристаллизации двугидрата протекает быстро и завершается через несколько минут после затворения. При гидратации 1 кг. полугидрата выделяется 134 кДж теплоты.

По теории А. Ле Шателье (1887 г.), при смешении с водой полуводный гипс растворяется с образованием насыщенного водного раствора. В растворе он взаимодействует с водой и переходит в двуводный. Так как растворимость полугидрата в воде, считая на CaS0₄, составляет около 8 г., а равновесная растворимость двугидрата около 2 г. на 1 л., то раствор становится пересыщенным по отношению к двугидрату. Поэтому в жидкой фазе возникают условия для образования зародышей кристаллов двуводного гипса и выделения их из раствора. Это, в свою очередь, вызывает уменьшение концентрации полугидрата в жидкой фазе и создает возможность для растворения новых порций этого вещества и образования   пересыщенного    раствора CaSO₄ 2H₂0.

По мере выделения из раствора все новых и новых количеств двуводного гипса кристаллики его растут, переплетаются, срастаются и обусловливают схватывание и твердение исходной смеси гипса с водой. Нарушение структуры твердеющего гипса после начала его схватывания приводит к резкому снижению его прочности.

По теории А. А. Байкова (1923 г.), процессы твердения полуводного гипса, а также других минеральных вяжущих веществ, образующих гидратные соединения, можно разделить на три периода.

В первом периоде, начинающемся с момента смешения гипса с водой, растворяется полугидрат и образуется его насыщенный раствор.

Во втором периоде вода взаимодействует с полуводным гипсом с прямым присоединением ее к твердому веществу. Это приводит к возникновению двуводного гипса в виде высокодисперсных кристаллических частичек и к образованию коллоидной массы в виде геля, что сопровождается схватыванием массы.

В третьем периоде частички двугидрата коллоидных размеров перекристаллизовываются с образованием более крупных кристаллов, что сопровождается твердением системы и ростом ее прочности.