Поризованный, акустический гипс

Реферат

 

Отчет    с., 10 табл., 12 рис., 9 источников.

Газогипс, добавки- поризаторы, физико-механические свойства, структура  образцов, диаметр пор и толщина  перегородок, лабораторная опытная партия, протокол испытаний

Объектом исследования является технология производства акустических материалов на основе гипсового вяжущего.

Цель работы – разработать составы  для производства газогипса. Изготовить лабораторные образцы газогипса и определить их свойства в зависимости от марки используемого вяжущего, соотношения карбонатной составляющей и газообразователя и последовательности их ввода в сырьевую смесь. Исследовать влияние структуры образцов (диаметра пор и толщины межпоровых перегородок) на физико-механические свойства.

Проведен анализ  способов поризации  с помощью газообразующих веществ.

Разработаны составы и исследованы  свойства образцов на основе различных типов газообразователей: солей сильных кислот (АlCl3 и Аl2(SO4)3×18 Н2О), сильных кислот (Н2SO4, НCl и Н3РО4), кислот средней силы (сульфосалициловой, лимонной, винной, малоновой, уксусной, малеиновой и щавелевой), вводимых совместно с карбонатсодержащей добавкой (мел и доломит).

Установлено, что ввод доломита в  качестве карбонатной добавки увеличивает прочностные показатели газогипса. Установлена возможность получения газогипса с плотностью до 600 кг/м3 и прочностью 1,5-4,0 МПа (в зависимости от марки гипсового вяжущего) при использовании в качестве газообразователя щавелевой кислоты, а карбонатной добавки – доломита. Установлено, что оптимальное  соотношение газообразователь : карбонатная добавка  составляет 1:1,5.

Установлено, что при использовании  в качестве газообразователя сильных кислот и их солей газообразователь необходимо вводить  в воду затворения, а карбонатную составляющую вводить совместно с гипсовым  вяжущим. При использовании в качестве газообразователя щавелевой кислоты последовательность ввода компонентов не оказывает влияния на физико-механические свойства образцов. При этом время перемешивания смеси не должно превышать 90 секунд.

Исследовано влияние  различных катализаторов на процесс вспучивания смеси на основе перекиси водорода и процесс газовыделения кислорода. Установлено, что оптимальным является ввод в сырьевую смесь в качестве катализатора МnCl2 в количестве 0,006% от массы гипсового вяжущего.

Разработаны составы, выпущена и испытана опытная партия газогипса на основе гипсового вяжущего разных марок  и перекиси водорода в качестве газообразователя. На основе высокопрочного гипсового вяжущего (марок Г10-Г13) получен газогипс с плотностью 400 кг/м3 и прочностью 2,0 МПа. На строительном гипсе Г4 при такой же плотности прочность образцов 2 раза меньше. Установлено, что марка гипсового вяжущего определяет физико-механические свойства газогипса, а также степень дефектности его структуры. Диаметр пор определяется количеством газообразователя, вводимого в сырьевую смесь.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

   

стр.

 

Введение……………………………………………………………..

4

     

01

Акустический гипс

6

     

01.01

Поризация гипсовых материалов с помощью газообразующих веществ………………………………………………………………

 

6

     

01.02

Выбор газообразующих добавок…………………………………..

7

     

01.3

Разработка составов газогипса……………………………………..

9

     

01.3.1 

Структурообразование  газогипса на основе солей сильных 

кислот………………………………………………………………..

 

9

     

01.3.2

Структурообразование  газогипса на основе сильных кислот…...

10

     

01.3.3

Структурообразование  газогипса на основе кислот средней 

силы………………………………………………………………….

 

13

     

01.4
Структурообразование газогипса  на основе перекиси водорода..

18

     

01.5
Исследование влияния структуры  газогипса на его свойства…...

24

     
 

Заключение ……………………………………………………........

31

     
 

Список использованных источников …………………………......

32

     
     
     
     
     
     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

01.01 Поризация гипсовых материалов с помощью газообразующих веществ

Известные способы низкотемпературной поризации можно разделить на три основные группы: поризация с  помощью пенообразующих (поверхностно-активных) веществ,  с помощью  порообразующих добавок (вступающих или не вступающих в химическую реакцию с компонентами минеральной массы) и поризация путем аэрирования.

Главными требованиями к газообразователям  являются:

- плавное течение процесса газообразования  с получением нетоксичных и  не вызывающих коррозию продуктов;

- большой объем выделяющегося  газа;

- устойчивость газообразователя  в условиях хранения и транспортирования;

- доступность и относительно  низкая стоимость.

Для ячеистых бетонов на цементном, известковом или смешанном вяжущих самым распространенным газообразователем является алюминиевая пудра, представляющая собой тонкодиспергированный порошок алюминия, 1 г которого выделяет 1250-1500 см3 водорода в зависимости от температуры среды.

Для гипсовых материалов алюминиевая  пудра не является технологичным газообразователем, поскольку требует повышения температуры смеси до 40-500С, введения щелочного компонента и замедлителя сроков схватывания, хотя в литературе имеются сведения о получении на ее основе газогипса [1].

Известны также составы газогипса, получающиеся в результате реакции взаимодействия вносимых из вне карбонатов и кислых химических     веществ [2-7].

Имеются сведения о возможности  получения газогипса на основе выделения газовой фазы из газообразователя. Таким  газообразователем является, например, перекись водорода, разлагающаяся в слабощелочной среде на воду и кислород, вспучивающий гипсовую массу, при этом щелочность среды создается введением в гипсовую смесь извести, аммиака или едкого натра [8,9].

Необходимо отметить, что имеющиеся  в литературе сведения о составах и свойствах газогипса носят отрывочный характер и не всегда могут быть воспроизведены в практике изготовления гипсовых изделий.

Формирование структуры вяжущих  материалов обусловлена межмолекулярным взаимодействием образующихся кристаллогидратов коллоидной степени дисперсности между собой и молекулами воды затворения. Состояние структурообразующей системы определяется энергетическим уровнем этих межмолекулярных связей и их количеством в единице объема. Поэтому правомерно предполагать, во-первых, что на стадии формировано  макропористой структуры газогипсовой смеси определяющим фактором является энергия связи влаги с вяжущим веществом и соотношение между твердой и жидкой фазами в единице объема. Во-вторых, для получения газогипса с максимальной прочностью при заданной плотности необходимо чтобы:

- исходная система «полугидрат  сульфата кальция – вода» до  начала  газообразования была определенным образом структурирована, то есть представляла собой первичную коллоидную коагуляционную структуру, в которой жидкая фаза непрерывна, а твердая частично  дискретна и частично непрерывна, другими словами – готова к образованию  макропор, но еще не удерживает форму;

- к завершению  вспучивания система  готова к переходу в следующее  структурное состояние, обеспечивающее удержание возросшего объема    массы – коллоидную коагуляционную структуру с частично непрерывной и частично дискретной жидкой фазой и непрерывной твердой фазой.

Так как реологические параметры  вяжущих систем также зависят  от энергетических уровней влаги, то путем изменения начального значения энергии связи (изменение водогипсового отношения, концентрации газообразующих добавок) можно управлять средней плотностью газогипса.

Для получения эффекта газообразования  можно использовать реакцию взаимодействия между карбонатом и кислотами или солями, образующими при гидролизе кислоты. При этом максимальная скорость газообразования наблюдается при наличии в смеси карбонатов в виде углекислого кальция, минимальная – в виде доломита и мергелей.

01.02 Выбор газообразующих добавок

В соответствии с приведенной выше рабочей гипотезой  получения  газогипса при вводе в гипсовую смесь карбонатов, необходимым  условием является применения  веществ кислотного характера, вступающих с ними в химическое взаимодействие, в результате которого выделяется СО2, вспучивающий гипсовую массу.

В общем случае, в качестве газообразующих добавок  можно использовать:

- сильные кислоты: серную (Н2SO4), соляную (НСl), фосфорную (Н3РО4);

- соли сильных кислот: Al Сl3×6Н2О, Al2(SO4)3×18Н2О;

- кислоты средней силы: щавелевую, уксусную, лимонную, винную, янтарную, малеиновую,  малоновую,  сульфосалициловую.

При выборе газообразователя не должно теряться основное технологическое преимущество гипсового вяжущего – короткие сроки схватывания, поэтому реакция  газообразования по срокам должна заведомо опережать начало структурообразования гипсовой массы.

Для всестороннего анализа  влияния добавок кислотного характера  на кинетику структурообразования, а также на технологические и физико-механические свойства газогипса наиболее характерные представители перечисленных выше классов добавок приведем к единым термодинамическим условиям: В/Г=const=0,43 и количество выделившегося VСО2 =0,25 л. Результаты расчетов приведены в таблице 1

 

Таблица 1 – Исходные газообразующие добавки в количествах, соответствующих VСО2 =0,25 л

 

Характеристика добавок

Количество, г

рН

Произведение растворимости

класс добавок

вид добавки

 

Сильные кислоты

серная

1,09

1,18

 

-

соляная кислота

0,815

0,3

ортофосфорная кислота

0,73

  

Соли сильных кислот

хлористый алюминий

1,797

3-4

-

сернокислый алюминий

2,48

2-3

 

 

 

Кислоты средней силы

уксусная кислота

1,34

2,53

4,76

сульфосалициловая кислота

2,43

1,73

2,86

лимонная кислота

1,43

1,865

3,13

винная кислота

1,67

1,82

3,04

малеиновая кислота

1,29

1,25

1,92

малоновая кислота

1,16

1,726

2,85

щавелевая кислота 

1,05

1,0

1,25


            

  В качестве карбонатной  добавки использовался карбонат  кальция (СаСО3) марки х.ч.

При проведении экспериментов  использовали разные марки гипсового вяжущего: Г4 – строительный гипс, основу которого составляет b - полугидрат сульфата кальция производства ОАО «БелГипс», а также высокопрочное гипсовое вяжущее (a-полугидрат сульфата кальция) марок Г7 и Г13 производства ОАО «Забудова». Свойства вяжущего приведены в таблице 2.

 

Таблица 2 – Свойства гипсового вяжущего

 

Марка вяжущего

В/Г

Сроки схватывания, мин

Прочность, МПа

начало

конец

Rсж

Rизг

2 ч.

сухих

2 ч.

сухих

Г4

0,50

9′ 00′′

15 00′′

5,0

12,6

2,4

5,2

Г7

0,45

4′ 30′′

12′ 00′′

7,8

14,2

3,5

6,3

Г13

0,40

9′′ 00

13′ 00′′

13,0

15,2

5,5

7,8


 

 

 

 

01.3 Разработка составов  газогипса

01.3.1 Структурообразование  газогипса на основе солей  сильных кислот

Для получения газогипса  на основе солей сильных кислот были исследованы легкогидролизующиеся соли сильных кислот, которые при гидролизе дают малодиссоциированные  основания  с  рН   полного  осаждения  не выше 6. В  основном  это  соли  соляной  и  серной  кислот:  АlCl3,    FeCl3,   Al2(SO4)3, Fe NH4(SO4)3. Для экспериментов выбраны  соли алюминия и двух сильных кислот: соляной и серной  - АlCl3 и Al2(SO4)3×18Н2О.

При проведении экспериментов  была принята следующая методика ввода компонентов. Газообразователь вводили в воду затворения, а карбонатную  добавку перемешивали с сухим гипсовым вяжущим и уже данную  смесь вводили при перемешивании в раствор газообразователя. Такая методика приготовления формовочной смеси была принята исходя из возможности получения однородной смеси и, как следствие, газогипса с более высокими прочностными характеристиками. При вводе солей-газообразователей совместно с карбонатной добавкой получить однородную смесь проблематично из-за начала реакции газовыделения. Время  перемешивания гипсовой смеси не превышало 30 секунд. Такое ограничение времени перемешивания было связано с тем, что реакция газообразования начинается непосредственно при затворении смеси, т.е. при контакте раствора газообразователя и  карбонатной добавки. Прочностные характеристики образцов  и их плотность определяли в воздушно-сухом состоянии. Влияние количества добавок газообразователя, карбоната  кальция  и их соотношения на прочность гипсовых отливок и их плотность приведена  в таблицах 3 и 4

Таблица 3 – Влияние добавки  хлористого алюминия на свойства газогипса

 

Марка вяжущего

Количество добавки, % от массы гипсового вяжущего

Соотношение газообразователь: карбонат кальция

Прочность, МПа

Плотность, кг/м3

АlCl3

СаСО3

Rизг

Rсж

 

 

Г4

2

2

2

2,5

5

10

2

2

1

1

5

10

0,5:1

1:1

2:1

1:0,8

1:1

1:1

3,0

2,0

2,3

0,8

0,6

0,4

6,7

4,7

4,9

2,4

1,4

1,1

1033

940

965

740

728

687

 

Г7

1

2

5

10

2

2

2

10

1:2

1:1

2,5:1

1:1

2,9

1,9

1,4

1,0

7,3

4,0

3,1

2,2

1140

960

856

740

 

Г13

1

2

5

10

2

2

2

10

1:2

1:1

2,5:1

1:1

4,0

2,6

2,4

1,9

9,3

6,3

4,6

3,2

1270

1080

985

878


        Таблица 4 – Влияние добавки сернокислого алюминия на свойства               газогипса

 

Марка вяжущего

Количество добавки, % от массы гипсового вяжущего

Соотношение газообразователь: карбонат 

Прочность, МПа

Плотность, кг/м3

Аl2(SO4)3×

18Н2О

СаСО3

Rизг

Rсж

 

Г4

1

2

5

10

2

2

2

5

0,5:1

1:1

2,5:1

2:1

3,2

2,5

1,6

1,1

7,7

5,2

2,3

1,7

1095

1007

880

750

 

Г7

1

2

5

10

2

2

2

5

0,5:1

1:1

2,5:1

2:1

4,7

3,3

1,7

1,9

8,6

7,9

3,6

2,6

1180

1020

834

706

 

Г13

1

2

5

10

2

2

2

5

0,5:1

1:1

2,5:1

2:1

7,6

3,9

2,6

1,9

18,1

10,1

6,3

2,5

1260

1095

855

740


  

Данные таблиц 3 и 4 показывают, что применение солей сильных  кислот в качестве газообразующих добавок  нецелесообразно вследствие несогласующихся сроков схватывания гипсовой смеси и сроков газовыделения, а также низких прочностных характеристик. Кроме того, при увлажнении образцы газогипса теряли от 50 до 80% прочности, т.е. являлись неводостойкими. Это частично может быть объяснено присутствием водорастворимых новообразований типа СаСl2, снижающим прочность в водонасыщенном состоянии.

01.3.2 Структурообразование газогипса на основе сильных кислот

В качестве сильных кислот для получения газогипса было исследовано действие серной, соляной  и фосфорных кислот.

Исследования показывают, что прочность  гипсовых образцов на основе серной кислоты  выше, чем на основе соляной и фосфорной кислот (рис. 1,2).  При  формовании составов количество карбонатной добавки было рассчитано по стехиометрическому соотношению газообразователь: карбонат по следующим химическим реакциям:

СаSO4×0,5Н2О+Н2SO4+СаСО ®2СаSO4×2Н2О+СО2

СаSO4×0,5Н2О+2НСl+СаСО3 ®СаSO4×2Н2О+СаСl+СО2

СаSO4×0,5Н2О+2Н3РО4+3СаСО3 ®СаSO4×2Н2О+Са3(РО4)2+3СО2+Н2О.

Соотношение газообразователь : карбонат приведено в таблице 5

 

 

 

 

 

Таблица 5 – Соотношение  газообразователь – карбонат

 

Кислота

Соотношение карбонат : газообразователь

Н2SO4

1:1

НCl

1:0,7

Н3РО4

1:0,5


 

Как видно из приведенных данных (рисунок 2), пределы прочности газогипса на основе Н2SO4 выше, чем на основе НCl и Н3РО4, особенно это видно при снижении плотности образцов.

Отличительными особенностями  всех составов на основе соляной кислоты является слабая растекаемость газогипсовой смеси с образованием непрочного и легкодегидратируемого кристаллогидрата СаСl2×6Н2О, что также обусловливает низкую прочность в сухом и увлажненном состоянии (не выше 0,25). Средний коэффициент размягчения газогипса на основе серной кислоты несколько  выше – до 0,32.

Наименее пригодной для получения  газогипса является ортофосфорная  кислота, которая замедляет сроки  схватывания до 1,0-4 часов (в зависимости  от концентрации), в результате  чего поры деформируются в эллипсы, возникают поперечные трещины и поры частично коалесцируют между собой. В результате этого  процесса газогипс на основе даже высокопрочного гипсового вяжущего и фосфорной кислоты имеет коэффициент размягчения не превышающий 0,30.

01.3.3 Структурообразование газогипса  на основе кислот средней силы

При исследовании структурообразования на основе кислот средней силы в  качестве карбонатной  составляющей смеси были использованы карбонат кальция  и доломит, вводимые в смесь в количестве, необходимом для нейтрализации кислот. Во всех экспериментах была принята следующая последовательность приготовления смеси. В воду затворения  вводили отдозированные количества гипсового вяжущего и карбонатной составляющей смеси. Смесь тщательно перемешивали и, не прекращая перемешивания,  добавляли газообразователь. Время перемешивания после ввода газообразователя не превышало 15-20 сек. Установлено, что процесс гидратации гипсового вяжущего на основе кислот средней силы неоднозначен.

Лимонная кислота в течение 40 мин практически не приводит к схватыванию гипсовой смеси. При ее вводе наблюдается отслоение воды, которая затем полностью поглощается гипсовой отливкой.

Винная и уксусная кислоты также  замедляют гидратацию, но в меньшей  степени, чем лимонная кислота (примерно на 25 мин). Затем вяжущее начинает активно схватываться.

Малеиновая и малоновая кислоты  оказывают примерно одинаковое воздействие на твердение вяжущего, замедляя его на 5-7 мин.

Щавелевая и сульфосалициловая  кислоты, практически, не приводят к изменению скорости схватывания гипсового вяжущего.

На рисунке 3 приведена кинетика выделения СО2 из газогипсовой смеси, полученной на основе кислот средней силы. Из рисунка 3 видно, что все кислоты средней силы дают устойчивый эффект газообразования, однако продолжительность газовыделения из них не одинаковые.

Сульфосалициловая и малеиновая кислоты  активно вступают в химическое взаимодействие с карбонатами кальция и к концу второй минуты образуется основное количество СО2, которое частично расходуется на вспучивание и частично удаляется  через поверхность. Однако полностью реакция взаимодействия  и эффект газообразования заканчиваются уже в процессе гидратации и структурообразования газогипса (~ 15 мин).

Винная, лимонная, малоновая  и уксусная кислоты  характеризуются  медленным взаимодействием с карбонатами, поэтому к 15 мин. этот процесс не заканчивается, но и процесс гидратации полугидрата сульфата кальция в водном растворе этих кислот практически не начинается (кроме малоновой).

Щавелевая кислота сразу  вступает во  взаимодействие с карбонатами  кальция сырьевой смеси и к 1,5-2 мин этот процесс полностью завершается, при этом рН среды становится нейтральным. Здесь наблюдается полная согласованность времени газообразования и структурообразования системы.

Для определения характера  вспучивания  была принята методика определения кратности вспучивания, когда определяется первоначальный объем смеси (Vо) и объем смеси после вспучивания (Vк). По разности значений (Vк-Vо) определяли объем вспучивания смеси DV по формуле:

, где

Vк и V0 – соответственно конечный и начальный объем газогипсовой массы.

Разный  характер взаимодействия кислот средней силы с карбонатами  кальция определяет и разный характер вспучивания газогипсовой массы. Большинство из этих  кислот (лимонная, винная, малоновая и уксусная), за счет медленных процессов взаимодействия с карбонатами кальция и структурообразования вызывают длительное вспучивание и только сульфосалициловая, малеиновая и щавелевая кислота дают вспучивание в течение 1,5-2,5 мин, т.е. являются  технологичными добавками для производства газогипса (рисунок 4).

Необходимо отметить, что сульфосалициловая, малиновая  и уксусная кислоты обладают таким отрицательным свойством, как коррозия металла, поэтому, в случае их применения, технологическое оборудование необходимо выполнять из антикоррозионных материалов. Вообще же факт сильной коррозии можно объяснить только тем, что реакция взаимодействия этих кислот с карбонатами проходит не до конца.

Исходя из выше отмеченного, а также технологичности использования  добавок, подбор состава газобетона проводился только при использовании  в качестве газообразователя щавелевой  кислоты. Карбонатная добавка вводилась  как в виде мела (СаСО3), так и доломита (CaCO3·MgCO3).

В таблице 6 приведены  результаты влияния количества добавки  щавелевой кислоты и вида карбонатной добавки на свойства газогипса

Таблица 6 – Влияние  добавки щавелевой кислоты на свойства газогипса

 

Марка вяжущего

Количество добавки, % от массы вяжущего

Соотношение газообразователь- карбонат

Прочность, МПа

Плотность, кг/м3

щавелевая кислота

доломит

Rизг.

Rсж

 

 

Г4

0,25

0,5

0,5

1

2

0,25

0,5

1

1

2

1:1

1:1,5

1:3

1:1,5

1:1,5

1,7

1,0

0,8

0,5

0,3

2,9

2,0

1,6

1,1

0,5

983

567

585

498

396

 

 

 

Г7

0,5

1

2

0,5

1

2

1:1,5

1:1,5

1:1,5

2,8

1,9

0,9

5,2

2,8

1,8

966

721

492

СаСО3

      

1

2

1

2

1:1,5

1:1,5

0,6

0,4

1,4

1,2

875

702

 

 

 

Г13

0,5

1

2

0,5

1

2

1:1,5

1:1,5

1:1,5

3,9

1,8

1,0

7,4

4,9

2,4

985

540

470

СаСО3

      

1

2

1

2

1:1,5

1:1,5

1,3

0,7

3,5

2,0

902

740


 

Из данных таблицы 6 видно, что с увеличением марки используемого  гипсового вяжущего увеличиваются  прочностные показатели газогипса. Увеличение добавки доломита не приводит к увеличению прочностных показателей. Наиболее высокие прочностные показатели получены при соотношении щавелевая кислота:доломит равном 1:1,5. При использовании в качестве карбонатной добавки карбоната кальция реакция газообразования начинается  быстрее, чем при использовании доломита. Смесь плохо перемешивается и, как видно из данных таблицы 6, физико-технические свойства (прочность и плотность образцов газогипса) хуже, чем при использовании доломита.

Технологической особенностью применения щавелевой кислоты в  качестве газообразователя для получения газогипса является то, что начало активного газообразования, независимо от  ее  концентрации начинается примерно через 30 сек. после ее ввода в гипсовую смесь. Поэтому важным параметром, определяющим прочность, является время перемешивания смеси (таблица 7). Для получения сопоставимых данных эксперименты проводились на гипсовом вяжущем марки Г13 с вводом щавелевой кислоты в количестве 1% от массы гипсового вяжущего.

 

Таблица 7 – Влияние  времени перемешивания на прочность  и плотность газогипса

Характеристики газогипса

Время перемешивания, с

15

30

45

60

90

120

150

180

Плотность, кг/м3

522

530

535

540

556

658

868

956

Rсж, МПа

1,7

1,8

2,1

2,1

2,4

3,0

5,8

70


 

Из данных таблицы 7 видно, что время  перемешивания газогипсовой смеси до 90с не вызывает значительного изменения плотности газогипса. Увеличение времени перемешивания сверх 90с вызывает самоуплотнение газогипсовой смеси и, значит, неэффективное использование газообразователя.

Последовательность ввода  щавелевой кислоты не оказывает  существенного влияния на физико-технические свойства газогипса. Ее можно вводить в однородную смеси гипсового вяжущего, карбонатной добавки и воды в сухом состоянии и перемешивать 20-30с, можно использовать раствор щавелевой кислоты, который также необходимо вводить в однородную гипсовую массу. Оптимальная температура для приготовления раствора щавелевой кислоты (25-30)0С. Необходимо отметить, что при понижении температуры окружающей среды ниже 200С. Сроки газообразования и схватывания смеси замедляются.

Поризованный, акустический гипс 📙 Реферат → 🆔 208487

Поризованный, акустический гипс 📙 Реферат → 🆔 208487

Поризованный, акустический гипс