7. Nghiờn cứu tớnh chất của hệ canxi sunphat hemihydratvà nước
7.2.2 Sự phỏt triển cường độ chịu nộn của chất kết dớnh thạch cao theo thời gian.
Cường độ chịu nộn của chất kết dớnh thạch cao gắn liền với quỏ trỡnh hoỏ cứng và tốc độ của quỏ trỡnh hydrat hoỏ hemihydrat.Cường độ chịu nộn của chất kết dớnh thạch cao vẫn cú thể tiếp tục tăng lờn khi quỏ trỡnh hydrat hoỏ được hoàn chỉnh dần. Kết quả khảo sỏt sự phỏt triển của cường độ chịu nộn theo thời gian đối với một số loại hemihydrat ở độ đặc tiờu chuẩn được nờu ở bảng 3.8 và được thể hiện trờn hỡnh 3.12.
Bảng 3.8 Kết quả khảo sỏt sự phỏt triển của cường độ chịu nộn của cỏc chất kết dớnh thạch cao theo thời gian đối với một số loại hemihydrat.
Cường độ chịu nộn(kg/cm2) Thời gian (ngày) α hemihydrat trong dung dịch CaCl2 α hemihydrat trong dung dịch MgCl2 β hemihydrat trong khụng khớ 1 110 135 33 2 130 145 33 3 130 145 33 4 130 145 43 5 155 150 43 6 165 155 50 7 165 155 50 8 165 165 50 9 165 175 55 10 175 175 67 11 175 70 12 182 77 13 190 88 14 190 88
0 50 100 150 200 0 5 10 15 C ườ ng độ ch ị u nộ n( K g /c m 2 )
Hỡnh 3.12 Sự phỏt triển của cường độ chịu nộn của cỏc chất kết dớnh thạch cao theo thời gian đối với một số loại hemihydrat khỏc nhau.
25. α hemihydrat được tạo thành từ thạch cao nhõn tạo trong dung dịch CaCl2
26. α hemihydrat được tạo thành từ thạch cao nhõn tạo trong dung dịch MgCl2
27. β hemihydrat được tạo thành từ thạch cao nhõn tạo trong khụng khớ. Từ hỡnh 3.12 cho thấy cường độ chịu nộn của tất cả cỏc mẫu chất kết dớnh thạch cao đều tăng theo thời gian tại cỏc thời điểm đó khảo sỏt và mức độ tăng cường độ. Điều này cú thể do bản chất của quỏ trỡnh hydrat hoỏ và hoàn thiện của cỏc tinh thể dihydrat tạo thành. Do quỏ trỡnh hydrat húa xảy ra nhanh nờn cường độ
của chất kết dớnh thạch cao cũng tăng rất nhanh sau quỏ trỡnh hoỏ rắn. Với α hemihydrat, sau 1 ngày cường độđó đạt được từ 50 đến 80% cường độđạt được sau 14 ngày, tuy nhiờn với β hemihydrat, giỏ trị này cú thấp hơn. Khi"nghiờn cứu sự
phỏt triển cường độ của chất kết dớnh thạch cao Karni [13] cho rằng tốc độ phỏt triển cường độ chịu lực của chất kết dớnh thạch cú khỏc nhau tuỳ theo điều kiện mụi trường đúng rắn như nhiệt độ, độẩm . . .và cường độ chịu lực cú thểđạt được giỏ trị ổn định sau khoảng 14 ngày về mựa hố hay sau khoảng 28 ngày về mựa đụng. Điều này cho thấy quỏ trỡnh hoàn thiện của cấu trỳc tinh thể chậm hơn rất nhiều so với quỏ trỡnh hydrat hoỏ của hemihydrat thành dihydrat.
Ngoài ra, từ hỡnh 3.12 cho thấy với hemihydrat được tạo thành trong khụng khớ nhưng thấp hơn cỏc hemihydrat tạo thành từ dung dịch. Sự khỏc nhau nhỏ này cú thể là do sự cú mặt của một lượng nhỏ cỏc tạp chất cũng như cỏc tớnh chất cơ lý của nguyờn liệu thạch cao ban đầu và của sản phẩm hemihydrat tạo thành. Từ cỏc kết quả này cho thấy ngoài thạch cao tinh khiết cú thể mở rộng phạm vi nghiờn cứu quỏ trỡnh chuyển pha sang nhiều loại nguyờn liệu thạch cao khỏc nhau bằng phương phỏp thực hiện quỏ trỡnh chuyển pha trong dung dịch dưới ỏp suất thường.
KẾT LUẬN
1. Đó nghiờn cứu quỏ trỡnh chuyển pha của thạch cao thành hemihydrat trong cỏc dung dịch điện ly cú nồng độ khỏc nhau ở ỏp suất thường và nhiệt độ 800C.
Với dung dịch CaCl2 nồng độ 1,5M, 2M và 2,5M. Với dụng dịch MgCl2 nồng độ 1,5M, 2M, 2,5M.
Sau 5 giờ ở 800C ỏp suất thường đạt hiệu suất chuyển húa thạch cao thành hemihydrat đạt mức tối đa đối với CaCl2 2,5M là 86,46% và MgCl2 2,5M đạt 86,47%.
2. Đó nghiờn cứu ảnh hưởng của nhiệt độ chuyển húa trong dung dịch CaCl2 2,5M và MgCl2 2,5M ở 750C và 800C cho thấy nhiệt độ chuyển húa trong dung dịch điện ly càng cao thỡ hiệu suất chuyển húa càng nhanh và mức độ chuyển húa càng cao, với nhiệt độở 800C.
3. Đó nghiờn cứu chuyển pha thạch cao thiờn nhiờn và nhõn tạo trong mụi trường khụng khớ ở hai nhiệt độ 1200C và 1300C ở ỏp suất thường. Kết quả cho thấy ở
1200C sau 120 phỳt hiệu suất khụng thay đổi và đạt mức chuyển húa lớn hơn hoặc bằng 96% cũn ở 1300C chỉ cần 80 phỳt cũng đạt mức chuyển húa tối đa.
Như vậy nhiệt cao tốc độ chuyển pha nhanh hơn.Tuy nhiờn sản phẩm hemihydrat khi chuyển pha trong khụng khớ khụng đơn pha mà chủ yếu β hemihydratvà phần hơn α hemihydrat.
4.Đó nghiờn cứu quỏ trỡnh chuyển húa cỏc dạng hemihydrat tạo thành trong cỏc mụi trường khỏc nhau lượng nước tiờu chuẩn đó tạo vữa cho quỏ trỡnh hydrat húa với α hemihydrat là 0,36ml nước/gam hemihydrat,đối với β hemihydrat là 0,60 ml nước/gam hemihydrat.Như vậy lượng nước tiờu chuẩn đó tạo vữa đối với α hemihydrat nhỏ hơn so với β hemihydrat.
5.Đó xỏc định được cường độ chịu nộn của chất kết dớnh Thạch cao với lượng nước tiờu chuẩn emihydrat sau 14 ngày được cường độ chịu nộn cao α hemihydrat đạt 186,4 kg/cm2 cũn β hemihydrat chỉ đạt 88,6 kg/cm2.Chứng tỏ α hemihydrat cú cấu trỳc chắc đặc hơn hemihydrat so với β hemihydrat.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 James P. Schaffer, Ashok Saxena, Stephen D. Antolovich, Thomas H. Sanders, Steven B. Wamer (1999), The science and design ofmaterials, 2nd eớn, Mc Graw - Hill.
2. La Thế Vinh (2000), Nghiờn cứu biờn tớnh của polyme vụ cơ 1àm chõt phủ bảo vệ, Luận văn thạc sỹ, Đại học Bỏch Khoa Hà Nội.
3. B. N. Arzamaxov (2000), Vật liệu học, Nhà xuất bản giỏo dục.
4. La Văn Bỡnh (2000), Khoa học và cụng nghệ vật 11ệll, Đại học Bỏch Khoa Hà Nội.
5 . Lương Duyờn Bỡnh, et. al. ( 1996) , Vật 1ý đại cương, Tập 1:Cơ - Nhiệt, Nhà xuất bản giỏo dục.
6. Nguyễn Hạnh (1996), Cơ sở 1ý thuyờt hoỏ học, Phần 2: Nhiệt động hoỏ học,động hoỏ học và điện hoỏ học, Nhà xuất bản giỏo dục.
7. Joseph Kami, E!yal Kami (1995), Gypsum in contruction: origin and properties,
Materials and structures, 28(3), pp. 92 - 100.
8. W. F. Cole, C. J. Lancucki (1974), A refinement of the crystal structure of gypsum CaSO4'2H2o, Acta Crystallography, Section B, 30, pp. 921 -15. S. Follner, A. Wolter, K. Helming, C. Silber, H. Bartels, H. Follner (2002), On the real structure of gypsum crystals, Crystal research and technology, 37(2 - 3), pp. 207 - 218. 16. P. F. Schofield, I. C. Stretton, K. S. Knight, S. Hull, C. C. Wilson (2001), Hydrous mineral - making the bedrock, Science highlights, pp. 40 - 41 .
9. Nguyễn An (1972), Kỹ thuật sản xuõt phõn khoỏng, Nhà xuất bản đại học và trung học chuyờn nghiệp.
10. Henry Tiemann, Ilka Sútje, Gethard Jarms, Carsten Paulman, Matthias Epple, Bemd Hasse (2002), Calcium sulfate hemihydrate in statoliths of deap-sea medusae,
Journal of the chemical society, Dalton transactions: Inorganic Chemistry, (7), pp.
1266 - 1268.
11. John Bensted, Satya Prakash Varma (1972), Investigation of o( and -forms of calcium sulphate hemihydrate, Cement technology, 3(2), pp. 67- 70.
12. A. J. Lewry, J. Williamson (1994), The setting of gypsum plaster, Part 1 : The hydration of calcium sulphate hemihydrate, Journal of materials science, 29, pp. 5279 - 5284.
13.James Joseph Eberl, Moylan, Edmu Thelen, Wayne, Harold L. Heller, Narberth (1974), Calcium sulfate whisker fibers and the method for the manufacture thereof, Pat. US 3822340.
14. James R. Clifton (1971), Infrared spectra of supposed a and 13 forms of calcium sulphate hemihydrate, Nature physical science, 232(9) pp. 125 - 126.
15. John Bensted, Satya Prakash Vamla (1971), Infrared spectra of calcium sulphate hemihydrate, Naturephysicalscience, 232(23) pp. 174 - 175.
16 Jyuniti Kosugi, Yoshihiko Kudo, Kiyoshi Tagaya (1978), Method for the production of alpha type calcium sulfate hemihydrate, Pat. US 4091080.
17. Wilbur S. Randel, Manvel C. Dailey (1933), High strength calcined gypsum and process of manufacturing the same, Pat. US 1901051.
18. Abdel Aziz, A. Khalil (1972), Gypsum plaster, IH - Preparation, Constitution and some properties of o( hemihydrate, Transaction Journal ofBritain Ceramic
Society, 7 1 (7), pp. 217- 221.
19. John Sorbie Beme, Graham Edward Wolley (1978), Manufacture of calcium sulphate alpha hemihydrate, Pat. US 4120737.
20. Gilbert A. Hoggatt (1952), Method of producing gypsum plaster, Pat. US 2616789.
21. Gopalakrishnan Sethuraman, Claudette Brawn, Ronald S. Finkelstein (2002), Method of producing calcium sulfate alpha hemihydrate. Pat. US 20020164281A1 . 22. Hina Ali, Nancollas George (2001), Alpha calcium sulfate hemihydrate and the method of making alpha calcium sulphate hemihydrate, Pat. WO 0179116 Al. 23. Jere H. Brophy, Robert M. Rose, John Wulff (1970), Structure and Properties
of Materials, Vol. 2, Themodynamics of structure, New York.
24.R.J.Hand (1994), The kinetics of hydration of calcium sulphate hemihydrate: A critical comparition of models in the literature, Cement and Concrete Research, 24(5), pp. 885 - 895.
25. Trần Bớnh, Nguyễn Ngọc Thắng (1996), Hướng dẫn thớ nghiệm húa phõn tớch,
ĐHBK Hà Nội.
26. Pradip K. Mandal, Tanuj K. Mandal (2002), Anion water in gypsum (CaSO4,2H2O) and hemihydrate (CaSO4, - H2O), cement and concrete research,
PHỤ LỤC
Phương trỡnh xỏc định quan hệ giữa hàm lượng nước kết tinh và hiệu suất chuyển hoỏ thạch cao thành hemihydrat Phản ứng chuyển hoỏ:
Gọi Ml, M2 và M3 tương ứng là khối lượng phõn tử của CaSO4,2H2O, CaSO4, 2
1H2O Và CaSO4
Giả sử ban đầu cú a mol CaSO4,2H2O
a 0 0
với hiệu Suất Chuyển hoỏ là x, tại thời điểm t bất kỳ ta cú: a(1-x) a.x .a.x
2 3
Khi nung tỏch hoàn toàn nước, xảy ra cỏc phản ứng: CaSO4.2H2O = CaSO4 + 2H2O O H SO Ca O H SO Ca 4 2 4 2 2 1 2 1 . = +
Thu được b gam chất rắn, ta cú: a =
3
M b
, giả sử khối lượng của hỗn hợp sau chuyển hoỏ đem nung là m thỡ: ( ) ( ) ( ) 2 1 3 1 3 2 1 2 1 . 1 . . 1 . M M b m M M x hay M b x M x M m x a M x a M m − − = + − = + − =
Gọi w là hàm lượng nước trong thạch cao sau khi chuyển hoỏ, rửa và sấy
m w m m m w= ∆ →∆ = . Maf: b = m - ∆m = m-w.m
Do vậy: M w Ư 1 2 1 ∆ − − = M M x Thay số ta được: 02301 , 27 1 1416 , 136 17228 , 172 w x= − −
Đõy là phương trỡnh cho phộp xỏc định quan hệ giữa hàm lượng nước kết tinh và hiệu suất chuyển hoỏ thạch cao thành hemihydrat.
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ...1
PHẦN I...4
TỔNG QUAN ...4
1. Cỏc pha của hệ canxi sunphat và nước (CaSO4 – H2O). ...4
2. Chuyển pha của thạch cao. ...21
2.1 Nhiệt động học của quỏ trỡnh chuyển pha của thạch cao...22
2.2 Cỏc phương phỏp thực hiện quỏ trỡnh chuyển pha của thạch cao tạo thành hemilhydrat ...25
3. Lựa chọn chất xỳc tiến cho quỏ trỡnh chuyển pha của thạch cao thành α hemihydrat theo phươn phỏp ướt thực dưới ỏp suất thường...36
4. Động học của quỏ trỡnh chuyển pha và hydrat hoỏ, và quỏ trỡnh đúng rắn của chất kết dớnh thạch cao...38
5. ứng dụng của thạch cao và chất kết dớnh thạch cao trong sản xuất ...44
và trong xõy dựng. ...44
6. Mục tiờu của nghiờn cứu...45
PHẦN IIPHƯƠNG PHÁP NGHIấN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ...46
1 Nguyờn liệu và thành phần nguyờn liệu ...46
1.1 Hàm lượng nước tự do [56] ...46
1.2 Hàm lượng nước kết tinh [8,56] ...46
1.3 SiO2 và cỏc chất khụng tan [56]...47
1.4 Nhụm oxit và sắt oxit [56] ...47
1.5 Canxi oxit (CaO) [56,57]. ...48
1.6 Magie oxit (MgO) [56] ...48
1.7 Lưu huỳnh trioxit (SO3)[56]. ...48
1.8 Ion clorua (Cl) [56]. ...49
2. Phương phỏp nghiờn cứu. ...50
3. Phương phỏp xỏc định mức độ hydrat hoỏ của vữa thạch cao [20]...51
PHẦN IIIKẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...52
1. Ảnh hưởng của một số chất xỳc tiến đến quỏ trỡnh chuyển pha của thạch cao thành hemihydrat. ...52
2. Ảnh hưởng của nhiệt độđến hiệu suất chuyển hoỏ thạch cao thành hemihydrat. ...53
3. Ảnh hưởng của nồng độ cỏc chất xỳc tiến đến hiệu suất chuyển hoỏ của quỏ trỡnh chuyển pha của thạch cao thành hemihydrat...56
4. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất chuyển pha của thạch cao thành hemihydrat. ...59
5. Sự chuyển pha của thạch cao trong khụng khớ. ...64
6. Nghiờn cứu và phõn tớch cấu trỳc sản phẩm hemihydrat tạo thành của quỏ trỡnh chuyển hoỏ thạch cao....66
6.2 Khảo sỏt hỡnh dạng và kớch thước hạt tinh thể hemihydrat bằng phương phỏp chụp kớnh hiển vi điện tử quột (SEM)...69
7. Nghiờn cứu tớnh chất của hệ canxi sunphat hemihydrat và nước. ...73
7.1 Tỷ lệ nước/hemihydrat cần thiết để tạo thành vữa cú độđặc tiờu chuẩn ...73
7.2 Cường độ chịu nộn của chất kết dớnh thạch cao. ...74
7.2.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ nước/hemihydrat đến cường độ chịu nộn của chất kết dớnh thạch cao. ...74
7.2.2 Sự phỏt triển cường độ chịu nộn của chất kết dớnh thạch cao theo thời gian. ...75
KẾT LUẬN ...79
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...80
DANH MỤC HINH VẼ
Hỡnh 1.1. Mụ hỡnh cấu trỳc tinh thể CaSO4 theo Schofield [16] ...8 Hỡnh 1.2 Sơđồ cấu trỳc tinh thể CaSO4.2H2O theo Cole và Lancucki [14] (cỏc chỳ thớch theo chỳ thớch bảng 1.1)...11 Hỡnh 1.3 Biểu đồ độ hũa tan trong nước của cỏc dạng canxi sunphat theo nhiệt độ, theo Eberl [21]...14 Hỡnh 1.4 Độ tăng nhiệt độ của vữa α và β hemihydrat theo thời gian với tỷ lệ nước/hemihydrat bằng 0,6 [20]. ...15 Hỡnh 1 .5 Mức độ canxi sunphat dihydrat tạo thành trong hỗn hợp phỏp ứng của hai dạng a và β hemihydrat và nước[20] ...16 Hỡnh 1.6 Giản đồ nhiễu xạ tia X của a hemihydrat (a) và β hemihydlrar (b) theo Hand [9]...17 Hỡnh 1.7 Phổ hồng ngoại của CaSO4.2H2 O, α CaSO4 H2O
2 1 . và CaSO4 H2O 2 1 . β ..18
Hỡnh 1.8 Phổ hồng ngoại của α hemihydrat (α), β hemihydrat (b) và α hemihydrat được nghiền mịn (c) [9] ...19 Hỡnh 1.9 Phổ phõn tớch nhiệt DTA của α hemihydrat (a), β hemihydrat (b) và α hemihydrat được nghiền mịn (c) [20] ...20 Hỡnh 1.10 Sự phụ thuộc của ∆Gs,T(l) Và ∆Gs.T(2) vào nhiệt độ. ...24 Hỡnh 1.11. Sự phụ thuộc của ∆GT(cp) vào nhiệt độ...25 Hỡnh 1.12 Đường cong phụ thuộc của cường độ kộo (1), cường độ nộn (2) và hàm lượng nước yờu cầu để tạo thành vữa thạch cao cú độ đặc tiờu chuẩn (3) của thạch cao nung khi quỏ trỡnh nung được thực hiện dưới cỏc điều kiện ỏp suất (nhiệt độ) khỏc nhau [25] ...30 Hỡnh 1.13 Sự phụ thuộc của miền ổn định của α hemihydrat theo nhiệt độ và ỏp suất [33] ...30 Hỡnh 1.14 Sự phụ thuộc độ chuyển hoỏ của thạch cao vào thời. gian nung ở cỏc nhiệt độ khỏc nhau [34] . ...31
Hỡnh 3. 1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất chuyển hoỏ thạch cao thành
hemihydrat trong cỏc dung dịch CaCl2và MgCl2 tại cỏc thời điểm khỏc nhau...55
Hỡnh 3.2 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch CaCl2đến hiệu suất chuyển hoỏ thạch cao thành hemihydrat tại cỏc thời điểm khỏc nhau. ...57
Hỡnh 3.3 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch MgCl2đến hiệu suất chuyển hoỏ thạch cao thành hemihydrat tại cỏc thời điểm khỏc nhau. ...58
Hỡnh 3.4 Quan hệ giữa ln[ - ln(1-x)] và lna và quỏ trỡnh chuyển pha thạch cao thành hemihydrat trong dung dịch CaCl2 ở cỏc nồng độ 1,5M(11) 2M (12) và 2,5M (R2 là hệ số tương hợp) ...61
Hỡnh 3.5 Quan hệ giữa ln[ - ln(1-x)] và lna và lại của quỏ trỡnh chuyển pha thạch cao thành hemihydrat trong dung dịch MgCl2ở cỏc nồng độ 1,5M (14),...62
2M (15) và 2,5M (16). ...62
Hỡnh 3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độđến hiệu suất chuyển hoỏ thạch cao...65
thành hemihydrat ở 120 (17) và 130 0c (18). ...65
Hỡnh 3.7. Phổ phõn tớch nhiễu xạ tia X của hemihydrat được tạo thành trong dung dịch CaCl2 2,5M...67
Hỡnh 3.8. Phổ phõn tớch nhiễu xạ tia X của hemihydrat được tạo thành trong dung dịch MgCl2 2,5M ...68
Hỡnh 3.9 Ảnh hiển vi điện tử quột (SEM) của α hemihydrat được tạo thành trong dung dịch CaCl2 với độ phúng đại 300 lần...70
Hỡnh 3.10 Ảnh hiển vi điện tử quột (SEM) của hemihydrat được tạo thành khi nung thạch cao trong khụng khớ, với độ phúng đại 800 lần. ...71
Hỡnh 3.11 Ảnh hiển vi điện tử (SEM) của hemihydrat được tạo thành khi nung thạch cao trong khụng khớ, với độ phúng đại 800 lần.(ngày)...76
Hỡnh 3.12 Sự phỏt triển của cường độ chịu nộn của cỏc chất kết dớnh thạch cao theo thời gian đối với một số loại hemihydrat khỏc nhau...77
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng .1 Khoảng cỏch giữa cỏc nguyờn tử trong tinh thể CaSO4.H2O, theo Cole và
Lancucki [14]...9
Bảng 1.2 Một số dữ kiện nhiệt động của CaSO4.2H2O, CaSO4. 1 2 2H O và H2O(h).22 Bảng 2.1 Cỏc kết quả phõnt ớch thành phần thạch cao tinh khiết...50