Анотація до роботи:

Кондращенко О.В. Гіпсові будівельні матеріали підвищеної міцності і водостійкості (фізико-хімічні і енергетичні основи). – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.23.05 – будівельні матеріали та вироби. –Українська державна академія залізничного транспорту, Харків, 2004.

Дисертація присвячена розробці наукових основ одержання гіпсових і гіпсовмісних будівельних матеріалів підвищеної міцності та водостійкості з урахуванням фізико-хімічних процесів в системі CaSO₄2H₂O - CaSO₄0,5H₂О - H₂O. В роботі приведені результати термодинамічних і кінетичних досліджень реакцій термічного розкладання двоводного гіпсу, реакцій гідратації і твердіння напівводного гіпсу, а також дано наукове обґрунтування технічних заходів ефективного покращення його властивостей.

Встановлено умовні структурні формули сульфатів кальцію та їх структурний кістяк у вигляді 2[CaSO₄]. Виявлено наявність в поровому електроліті радикалу CaSO₄^о_aq, який формує структуру гіпсового каменю.

Експериментальними дослідженнями кінетики процесів дегідратації гіпсу при його випалі в турбулентному потоці газоподібного теплоносія встановлено, що при такому режимі швидкість повного перетворення двогідрату на напівгідрат більш ніж на три порядки вища ніж при режимі випалу у варочних казанах. Моделювання процесу випалу у турбулентному потоці газоподібного теплоносія дозволило розробити основні параметри дослідно-промислової установки з реактором-конфузором.

Виконано термодинамічні розрахунки іонних рівноваг процесу гідратації гіпсу і розраховані константи швидкостей реакцій розчинення, гідролізу та кристалізації. Результати цих досліджень показали, що процес гідратації протікає переважно по крізьрозчинному механізму, а найповільнішою стадією є процес кристалізації.

Вивчені закономірності процесів структуроутворення і механізм об’ємних змін гіпсового каменю і встановлено вплив на них колоїдно-хімічних явищ.

Теоретично обґрунтовано способи підвищення міцності і водостійкості гіпсу за рахунок замішування гіпсових сумішей насиченим розчином дво- або напівгідрату сульфату кальцію і введення комплексної добавки, яка містить сульфат алюмінію, вапно і аеросил.

Розроблені склади піно- і газогіпсобетонів, а також склади цементного пінобетону на безгіпсовому цементі (БГЦ) з добавкою гіпсу у вигляді насиченого розчину, які пройшли дослідно-промислове випробування з одержанням значного економічного ефекту.

1. У дисертаційній роботі розроблено наукові основи одержання гіпсових будівельних матеріалів підвищеної міцності і водостійкості з урахуванням фізико-хімічних процесів. Приведено наукове обґрунтування і нові рішення технічних проблем одержання, гідратації, структуроутворення і використання гіпсових і гіпсовмісних будівельних матеріалів.

2. Установлено кристалохімічні особливості будови сульфатів кальцію і визначено їх умовний структурний кістяк. Розраховані середні енергії зв'язків і енергії їх кристалічних ґрат сульфатів кальцію, що дозволило намітити і обґрунтувати схеми процесів їх дегідратації.

Виконано термодинамічні розрахунки реакцій дегідратації двоводного гіпсу, виведені рівняння залежностей ДG⁰ і Р від температури і встановлені поля стійкості б- і в-форм напівгідрату сульфату кальцію, що дозволило уточнити температурні параметри процесів випалу двогідрату сульфату кальцію в експериментальній установці.

3. Виконано експериментальні дослідження кінетики протікання процесів дегідратації двоводного гіпсу і визначені константи швидкостей реакцій при його випалі у варочних казанах і в турбулентному потоці газоподібного теплоносія. Встановлено, що швидкість повного перетворення двогідрату в напівгідрат при випалі гіпсу у турбулентному потоці перевищує таку при випалі гіпсу у варочних казанах більш ніж на три порядки.

Розроблено конструктивну схему установки з реактором-конфузором для випалу гіпсу в турбулентному потоці газоподібного теплоносія.

4. Розраховано іонні та мембранні рівноваги для реакцій гідратації напівводяного сульфату кальцію. Узагальнені результати досліджень по визначенню знаків зарядів часток колоїдного ступеня дисперсності стосовно системи CaSO₄2H₂O - CaSO₄ 0,5H₂O – H₂O.

Установлено, що реакція гідратації напівгідрату сульфату кальцію протікає за крізьрозчинною схемою з виходом у поровий електроліт радикалу CaS0₄⁰_aq, що піддається гідролізу при рН = 5,47 з утворенням іона Ca(ОН)⁺_aq, який потім переходить у свою стійку форму Ca²⁺_aq. Це дозволило обґрунтувати спосіб керування процесом гідратації напівгідрату сульфату кальцію з уповільненням строків тужавлення на 15 % і прискоренням структуроутворення на 40 % .

5. Досліджена кінетика процесів гідратації сульфатів кальцію. Розраховано константи швидкостей процесів розчинення, гідролізу і кристалізації в системі напівводний гіпс-вода. Визначено, що найбільш повільним актом процесу гідратації є процес кристалізації двогідрату (k_кр. = 0,0316).

Запропоновано використовувати насичені розчини двогідрату або напівгідрату сульфату кальцію, що містять асоційовані молекули CaS0₄⁰_aq, замість води замішування в гіпсових і гіпсовмісних сумішах з метою регулювання строків тужавлення в гіпсових системах і підвищення міцності гіпсового каменю на 40-50 %.

1. Експериментально досліджені електроповерхневі властивості двоводного і напівводного гіпсу. Установлено, що для двоводного гіпсу позитивний заряд мають 70 % часток, 20 % - негативні, а 10 % - нейтральні, для напівводного гіпсу кількість часток з позитивним зарядом складає 55 %, а 45 % часток - нейтральні, що підтверджує колоїдно-хімічну природу процесів тужавлення гіпсу і первинне виникнення коагуляційної структури, що потім перетворюється в коагуляційно-кристалізаційну і кристалізаційну. Це дозволило обґрунтувати вибір мінеральних добавок з урахуванням їх знаку заряду для регулювання процесів структуроутворення гіпсового каменю.

2. Досліджено об'ємні зміни стосовно колоїдної системи напівводний гіпс – вода, яка структурується. Установлено, що за рахунок утворення в дифузійних шарах колоїдних часток електричного поля, обумовленого доннановським розподілом іонів між міцеловим (внутрішнім) і міжміцеловим (зовнішнім) розчинами, виникає змушена переорієнтація диполів води і їх частковий перехід у міцеловий розчин. Це приводить до стовщення гідратних оболонок колоїдних часток при їх позитивному заряді і розширенню.

Фізико-хімічні положення встановленої закономірності покладено в основу теоретичного обґрунтування механізму об’ємних змін гіпсового каменю і спрямованого регулювання його властивостей при одержанні безусадних складів.

8. Досліджено фізико-хімічні процеси утворення водостійких і міцних новоутворень, що поліпшують властивості гіпсового каменю в сульфовмісних системах. Установлено роль вуглекислоти і вологості повітря при перетворенні етрингіту в таумасит – фазу, що приводить до деструкції. Термодинамічними розрахунками встановлено, що для попередження виникнення таумаситу в продуктах гідратації вищевказаних систем, співвідношення ГСА до гідросилікатів кальцію у продуктах гідратації повинно складати не менш 1 : 1.

Розроблено склади гіпсових композицій з комплексною добавкою, яка містить сульфат алюмінію, вапно та аеросил у кількості 1,3-1,5 % від маси гіпсу і підвищує його міцність в 3,5 рази, а показник водостійкості складає 0,81. Розрахунковий економічний ефект від впровадження такого гіпсового в’яжучого на прикладі стінових блоків становить 118345 грн.

9. Науково обґрунтовані рецептури і технологічні схеми одержання ніздрюватих гіпсобетонів: газогіпсо- і піногіпсобетону відповідно марок за густиною Д500 та Д400 і показниками теплопровідності - 0,10 і 0,09 Вт/мК. А також обґрунтовано рецептури і технологічну схему одержання цементного пінобетону на безгіпсовому цементі з добавкою гіпсу у вигляді насиченого розчину без тепло-вологої обробки.

Склади ніздрюватих пінобетонів пройшли дослідно-промислове впровадження. Очікуваний розрахунковий економічний ефект перевищує 300 тис. гривень.

Публікації автора:

1. Непийвода Р.П., Кондращенко Е.В. Энергетический анализ совместных реакций гидратации оксида кальция и низкотемпературного нагрева двуводного гипса // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТБ АБУ, 1999. - Вип. 7. - С. 283-287.

Здобувачем проведено термодинамічний аналіз реакцій в системі CaSO₄2H₂O - CaSO₄ 0,5H₂O - H₂O.

2. Кондращенко Е.В. Термодинамика и кинетика реакций гидратации в-полугидрата сульфата кальция // Сборник научных трудов ОАО „УкрНИИогнеупоров им. А.С.Бережного”. - Харьков: Каравелла, 2000. - № 100. - С. 111-120.

3. Бабушкин В.И., Кондращенко Е.В. О влиянии коллоидно-химических и осмотических явлений на процессы гидратации, твердения и коррозии вяжущих веществ и бетонов // Вестник Харьковского государственного политехнического университета.- Харьков: ХГПУ, 2000. - № 105. - С. 104-112.

Здобувачем експериментально встановлено знаки зарядів деяких будівельних матеріалів і хімічних речовин. Проведено розрахунки по визначенню рівноважних концентрацій часток у розчині в системі в’яжуче-вода в залежності від рН.

4. Бабушкін В.І., Плугін А.А., Костюк Т.О., Кондращенко О.В. Фізико-хімічні дослідження цементних композицій для безавтоклавних виробів // Збірник наукових праць. - Харків: Харківська державна академія залізничного транспорту, 2000.- Вип. 37.- С. 49-54.

Здобувачеві належить постановка експериментальних досліджень по використанню комплексної добавки для одержання виробів безавтоклавного твердіння.

5. Кондращенко Е.В., Бабушкин В.И., Костюк Т.А. Повышение прочности мелкозернистого бетона на основе учета электроповерхностных свойств его составляющих // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТБ АБУ, 2000. - Вип. 9. - С. 145-150.

Здобувачеві належить обґрунтування впливу електроповерхневих властивостей компонентів бетону на його міцність.

6. Кондращенко Е.В., Костюк Т.А., Бабушкин В.И. Возможность использования комплексной минерально-химической добавки в литых и виброуплотняемых составах // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТБ АБУ, 2000. - Вип. 10. - С. 180-182.

Здобувачеві належить постановка експериментальних досліджень по вивченню впливу компонентів комплексної мінерально-хімічної добавки на досягнення ранішньої і відпускної міцності бетону.

7. Бабушкин В.И., Кондращенко Е.В. Новые аспекты термодинамики вяжущих систем // Вестник Национального технического университета «Харьковский политехнический институт». - Харьков: НТУ «ХПИ», 2001.- № 18. - С. 3-9.

Здобувачем проведено термодинамічні розрахунки іонних рівноваг в системі напівгідрат сульфату кальцію-вода і встановлено склад порового електроліту в цій системі.

8. Бабушкин В.И., Кондращенко Е.В. К вопросу о механизме объемных изменений структуры обычных и расширяющихся цементов и бетонов при их твердении и коррозии // Вестник Национального технического университета «Харьковский политехнический институт». - Харьков: НТУ «ХПИ», 2001.- № 19. - С. 26-42.

Здобувачем виконано розрахунки мембранних рівноваг та величини і знаку доннанівського потенціалу для гіпсу і ГСА.

9. Бабушкин В.И., Гусев Б.В., Кондращенко Е.В. Осмотический эффект объемных изменений в структурирующихся системах // Науковий вісник будівництва.- Харків: ХДТУБА, ХОТБ АБУ, 2001. - Вип.12. - С. 115-126.

Здобувачем проаналізовано експериментальні дані по вивченню процесів розширення різних матеріалів в залежності від їх складу.

10. Болотских Н.С., Бабушкин В.И., Винниченко В.И., Казимагомедов И.Э., Кондращенко Е.В., Мамедов А.А. Низкотемпературный обжиг гипса во взвешенном состоянии // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТБ АБУ, 2001.- Вип. 13. - С. 209-213.

Здобувачем на основі термодинамічних розрахунків дано обґрунтування впливу температури теплоносія на міцність гіпсу, одержаного в процесі випалу.

11. Бабушкин В.И., Гусев Б.В., Кондращенко Е.В. Мембранные равновесия в коллоидных структурирующихся системах // Сборник научных трудов ОАО „УкрНИИогнеупоров им. А.С.Бережного”. - Харьков: Каравелла, 2001. - № 101. - С. 66-76.

Здобувач приймала участь в розрахунках мембранних рівноваг і визначенні знаків і величини мембранного потенціалу і обґрунтуванні механізму об’ємних змін в системах, які структуруються.

12. Кондращенко Е.В., Бабушкин В.И., Пустовойтов В.П. Теоретические аспекты управления процессами структурообразования и твердения гипса // Материалы к 40-му международному семинару по моделированию и оптимизации композитов – МОК’40. – Одесса: Астропринт, 2001. - С. 94.

Здобувачем виконано термодинамічні розрахунки реакції гідратації гіпсу (постадійно) і розрахунки іонних рівноваг в системі гіпс-вода.

13. Кондращенко Е.В. Теоретические и прикладные исследования по обоснованию выбора составов гипсобетона обычной и ячеистой структуры повышенной прочности // Сборник трудов „Коммунальное хозяйство городов”. - Киев: Техника, 2002. - Вып. 38. - С. 43-50.

14. Кондращенко Е.В. Роль активных центров и поверхностных зарядов в формировании структуры гипсового камня // Міжвідомчий науково-технічний збірник „Будівельні конструкції”. - Київ: НІІСК, 2002. - Вип. 56. - С. 114-119.

15. Кондращенко Е.В., Бабушкин В.И., Костюк Т.А. Преимущества получения пенобетона методом сухой минерализации мокрых пен по резательной технологии // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТБ АБУ, 2002. - Вип.16. - С. 114-117.

Здобувачем експериментально доведено доцільність використання методу „сухої мінералізації” мокрих пін для одержання пінобетонів звичайного твердіння без теплової обробки.

16. Кондращенко Е.В. Термодинамика реакций дегидратации двугидрата сульфата кальция // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТБ АБУ, 2002. - Вип. 17. - С. 93-96.

17. Кондращенко Е.В. Энергетика фазовых превращений сульфатов кальция в системе CaSO₄ - H₂O // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТБ АБУ, 2002. - Вип.18. - С. 378-384.

18. Бабушкин В.И., Кондращенко Е.В., Костюк Т.А., Новикова С.П. К вопросу о методологии измерения электроповерхностных свойств частиц в вяжущих системах // Будівельні матеріали, вироби та санітарна техніка. - Київ: НДІБМВ, 2002.- № 17. - С. 38-43.

Здобувачем узагальнені результати по визначенню знаків зарядів поверхні часток різних матеріалів для обґрунтування підбору добавок до ніздрюватих бетонів на безгіпсовому цементі.

19. Кондращенко Е.В., Баранов А.Н., Бабушкин В.И. Математическая модель обжига гипса в турбулентном потоке газообразного теплоносителя // Сборник научных трудов ОАО „УкрНИИогнеупоров им. А.С.Бережного”. - Харьков: Каравелла, 2002. - № 102. - С. 110-115.

Здобувачеві належить постановка задачі по будуванню математичної моделі процесу випалу гіпсу у турбулентному потоці газоподібного теплоносія і виконання термодинамічних розрахунків по визначенню технологічних параметрів цієї моделі.

20. Бабушкин В.И., Кондращенко Е.В., Костюк Т.А. Роль активных центров и поверхностных зарядов в формировании структуры цементного и гипсового камня // Вестник Национального технического университета «Харьковский политехнический институт». - Харьков: НТУ «ХПИ», 2’2002. - С. 51-59.

Здобувач на основі експериментальних досліджень по визначенню знаків зарядів і розподілу активних центрів на частках різних речовин і матеріалів надала рекомендації використання добавки гіпсу до складу пінобетону на безгіпсовому цементі у вигляді насиченого розчину.

21. Кондращенко Е.В., Баранов А.Н., Бабушкин В.И. Математическое моделирование процессов обжига двугидрата гипса в турбулентном потоке газообразного теплоносителя // Материалы к 40-му международному семинару по моделированию и оптимизации композитов –МОК’42. – Одесса: Астропринт, 2002. - С. 10-11.

Здобувач визначила термодинамічні параметри процесу випалу гіпсу для одержання a-форми напівгідрату сульфату кальцію.

22. Бабушкин В.И., Кондращенко Е.В., Ситнов В.И., Костюк Т.А., Сорока В.И. Пенобетоны на безгипсовом цементе по резательной технологии // 1-й международный научно-практический семинар «Теория и практика производства и применения ячеистого бетона». - Днепропетровск: ПГАСиА, 2003.- Вып. 3-4-5.- С. 26-28.

Здобувачем надано рекомендації щодо вибору добавок з урахуванням знаків зарядів їхньої поверхні з метою поліпшення якісних характеристик пінобетону.

23. Кондращенко Е.В. Термодинамическое обоснование способа повышения прочности и водостойкости гипсового камня / Строительные материалы и изделия, 2003. - № 8 (22). - С. 14-16.

24. Бабушкин В.И., Гусев Б.В., Кондращенко Е.В. О закономерности объемных изменений в структурирующихся коллоидных системах / Техника и технология силикатов, 2003. - № 3-4. - С. 40-45.

Здобувач приймала участь в розробці методик і проведенню експериментів по визначенню знаків зарядів часток колоїдного ступеню дисперсності, розрахунках іонних і мембранних рівноваг реакцій гідратації в’яжучих і узагальненні отриманих результатів.

25. Кондращенко Е.В. Физико-химические особенности формирования структуры гипсового камня / Строительные материалы и изделия, 2004. - № 1.- С. 2-5.

26. Бабушкин В.И., Кондращенко Е.В., Костюк Т.А. Ячеистые бетоны на вяжущих повышенной активности // Тезисы докладов научно-практической юбилейной конференции ПГУПС “Пенобетоны 3-го тысячелетия”, СПб. - 1999. - С. 23-24.

Здобувачем дано обґрунтування вибору добавки до бетону з метою забезпечення його ефективного твердіння в звичайних умовах.

27. Кондращенко Е.В., Костюк Т.А., Бабушкин В.И. Роль электрогетерогенных взаимодействий в ускорении процессов структурообразования и твердения цементного камня и бетонов // Стендовые доклады II международного совещания по химии и технологии цемента.- Т. III.- М.- 2000.- С.86-87.

Здобувачем обґрунтовано введення добавок гіпсу, з урахуванням електрогетерогенних контактів, для прискорення структуроутворення цементів без теплової обробки.

28. Бабушкин В.И., Гусев Б.В., Кондращенко Е.В. Новые представления о механизме объемных изменений структуры при твердении и коррозии обычных и расширяющихся цементов и бетонов // Cборник докладов 1 Всероссийской конференции по проблемам бетона и железобетона. - Кн. 3. – М.- 2001. - С. 1408-1418.

Здобувач прийняла участь в проведені аналізу впливу знаків зарядів часток колоїдного ступеня дисперсності, величини і знаку доннанівського потенціалу на механізм об’ємних змін мінеральних в’яжучих матеріалів.

29. Кондращенко Е.В. Разработка составов и технологии изготовления ячеистых гипсобетонов // Тезисы докладов ХХХI научно-технической конференции преподавателей аспирантов и сотрудников Харьковской государственной академии городского хозяйства. - Ч.I. - Харьков. - 2002. - С. 96-97.

30. Бабушкин В.И., Кондращенко Е.В. Пенобетонные смеси ускоренного твердения на безгипсовом цементе // Труды международного конгресса «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (ХVI Научные чтения). – Белгород: БГТУ.- 2003.- Вып.4. - С. 69-73.

Здобувачем дано обґрунтування вибору добавок до безгіпсового цементу з урахуванням колоїдно-хімічних аспектів структуроутворення пінобетону.

31. Бабушкин В.И., Гусев Б.В., Кондращенко Е.В., Ситнов В.И. Физико-химические особенности процессов получения пенобетонов с заданной структурной прочностью на безгипсовом цементе // Сборник трудов международной научно-практической конференции «Наука, технология и производство силикатных материалов – настоящее и будущее». - Т.V. - М. - 2003. - С. 20-26.

Здобувачем дано обґрунтування добавок до пінобетону з урахуванням знаків зарядів їх поверхні.

32. Патент України 36434А МПК 6 36434А Спосіб виготовлення бетону прискореного твердіння / Бабушкін В.І., Кондращенко О.В., Чернігівський В.О., Мамедов А.А., Хаддад Осама; Заявл. 17.12.1999; Опубл. 16.04.2001; Бюл. № 3.

Здобувачем запропоновано підбір добавок з урахуванням всіх видів часток у розчині в залежності від величини рН.

33. Патент України 49134 А МПК 6 В02С21/00 Установка для виробництва гіпсу / Болотських М.С., Бабушкін В.І., Вінниченко В.І., Кондращенко О.В., Мамедов А.А.; Заявл. 20.03.2000; Опубл. 16.09.2002; Бюл. № 9.

Здобувачем відпрацьовані технологічні параметри термообробки гіпсу.

34. Патент України 51211А МПК 7 С04 В28/00, 38/00 Сировинна суміш для виготовлення поризованого гіпсу (варіанти) / Бабушкін В.І., Кондращенко О.В.; Заявл. 31.01.2002; Опубл. 15.11.2002; Бюл. № 11.

Здобувач приймала безпосередню участь у розробці складів і технології приготування газогіпсобетонів.

35. Патент України 52047А МПК 7 С04 В28/02, С04 В38/00 Сировинна композиція та спосіб виготовлення піногіпсу / Бабушкін В.І., Кондращенко О.В., Костюк Т.О., Пустовойтов В.П., Савенков А.С.; Заявл. 22.01.2002; Опубл. 16.12.2002; Бюл. № 12.

Здобувач приймала безпосередню участь у розробці складів і технології приготування піногіпсобетонів.

36. Патент України 51912А МПК 7 С04 В38/10 Пінобетонна суміш прискореного твердіння / Бабушкін В.І., Кондращенко О.В., Костюк Т.О.; Заявл. 14.08.2001; Опубл. 16.12.2002; Бюл. № 12.

Здобувачеві належить обґрунтування підбору добавок і запропоновано технологію приготування пінобетону прискореного твердіння.

37. Висновок на видачу деклараційного патенту України по заявці № 2003076552 Гіпсове в’яжуче підвищеної міцності і водостійкості / Бабушкін В.І., Кондращенко О.В., Бондаренко Д.О., Черкасов К.В.; Заявл. 14.07.2003.

Здобувачеві належить обґрунтування підбору компонентів добавки для підвищення міцності і водостійкості гіпсу.