Гидратация полугидрата сульфата кальция: обзор и анализ моделей описания реакции

Представлен обзор и критический анализ кинетических моделей, описывающих процесс гидратации CaSO₄·0,5H₂O. Особое внимание уделено их применению для описания экспериментальных данных, полученных кондуктометрическим методом. На основе проведенного анализа установлено, что стохастические модели, учитывающие вероятностные аспекты гидратации, демонстрируют наиболее высокую степень соответствия эксперименту. Это позволяет сделать обоснованный вывод о преимуществах стохастического подхода при описании сложных физико-химических процессов, характеризующихся значительной степенью неопределенности. Анализ существующих кинетических моделей гидратации полугидрата сульфата кальция выявил ограничение их применения в реальных условиях. Традиционные детерминированные модели, основанные на уравнениях химической кинетики, не способны адекватно учесть случайные флуктуации, возникающие на микроскопическом и молекулярном структурных уровнях. В настоящей работе показано, что стохастические модели обладают значительными преимуществами при описании таких сложных процессов, как гидратация CaSO₄·0,5H₂O.

С.В. АРАСЛАНКИН^1,2, генеральный директор, (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.);
О.В. НИПРУК², д-р хим. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.);
А.Ф. БУРЬЯНОВ³, д-р техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)

¹ НПО ООО «Экспонента» (431448, г. Рузаевка, ул. Станиславского, 26 А)
² Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского (603022, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23)
³ Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)

1. Полак А.Ф., Бабков В.В., Андреева Е.П. Твердение минеральных вяжущих веществ. Уфа: Башкирское книжное изд-во, 1990. 216 с.
1. Polak A.F., Babkov V.V., Andreeva E.P. Tverdeniye mineral’nykh vyazhushchikh veshchestv [Hardening of mineral binders]. Ufa: Bashkir book publishing house. 1990. 216 p.
2. Кузнецова Т.В., Кудряшов И.В., Тимашев В.В. Физическая химия вяжущих материалов. М.: Выс-шая школа, 1989. 384 с.
2. Kuznetsova T.V., Kudryashov I.V., Timashev V.V. Fizicheskaya khimiya vyazhushchikh materialov. [Physical chemistry of binders]. Moscow: Vysshaya shkola. 1989. 384 p.
3. Семериков И.С., Герасимова Е.С. Физическая химия строительных материалов. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2015. 204 с.
3. Semerikov I.S., Gerasimova E.S. Fizicheskaya khimiya stroitel’nykh materialov [Physical chemistry of building materials]. Ekaterinburg: Publishing house of the Ural. University, 2015. 204 p.
4. Singh N., Middendorf B. Calcium sulphate hemihydrate hydration leading to gypsum crystallization. Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. 2007. Vol. 53. Iss. 1, pp. 57–77. EDN: ­MTOIYH.
https://doi.org/10.1016/j.pcrysgrow.2007.01.002
5. Hand R. the kinetics of hydration of calcium sulphate hemihydrate: a critical comparison of the models in the literature. Cement and Concrete Research. 1994. Vol. 24. Iss. 5, pp. 885–895.
https://doi.org/10.1016/0008-8846(94)90008-6
6. Dunn J.S. The setting of calcium sulphate plasters. Journal of the Indian Chemical Society. 1938. Vol. 57. No. 7, pp. 144–148. https://doi.org/10.1002/jctb.5000570703
7. Avrami M. Kinetics of phase change. I. General Theory. Journal of Chemical Physics. 1939. Vol. 7, pp. 1103–1112. http://dx.doi.org/10.1063/1.1750380
8. Avrami M. Kinetics of phase change. II. Transforma-tion-time relations for random distribution of nuclei. Journal of Chemical Physics. 1940. Vol. 8, pp. 212–225. http://dx.doi.org/10.1063/1.1750631
9. Avrami M. Granulation, phase change, and microstructure kinetics of phase change. III. Journal of Chemical Physics. 1941. Vol. 9, pp. 177–184. http://dx.doi.org/10.1063/1.1750872
10. Conley R.F. The hydration reaction of anhydrite. Doctor’s Thesis. Indiana University, 1958.
11. Ridge M.J. Acceleration of the set of gypsum plaster. Australian Journal of Applied Science. 1959. Vol. 10, pp. 218–231.
12. Schiller K. Mechanism of re-crystallisation in calcium sulphate hemihydrate plasters. Journal of Applied Chemistry. 1962. Vol. 12. Iss. 3, pp. 135–144. https://doi.org/10.1002/jctb.5010120310
13. Ridge M.J. Hydration of calcium sulphate hemihydrate. Nature. 1964. Vol. 204, pp. 70–71.
https://doi.org/10.1038/204070a0
14. Taplin J.H. Hydration kinetics of calcium sulphate hemihydrate. Nature. 1965. Vol. 205. No. 4974, pp. 864–866. https://doi.org/10.1038/205864a0
15. Combe E.C., Smith D.C., Braden M. Kinetics of hydration of autoclaved calcium sulphate hemihydrate. Journal of Applied Chemistry. 1970. Vol. 20. No. 9, pp. 287–292. https://doi.org/10.1002/jctb.5010200905
16. Karmazsin E., Comel C., Murat M. Proceedings of the 7th International Conference on Thermal Analysis. Ontario, 1982. 148 p.
17. Gurgul S.J., Seng G., Williams G.R. A kinetic and mechanistic study into the transformation of calcium sulfate hemihydrate to dihydrate. Journal of Synchrotron Radiation. 2019. 26 (Pt 3), pp. 774–784.
https://doi.org/10.1107/S1600577519001929
18. Gualtieri A.F. Synthesis of sodium zeolites from a natural halloysite. Phys. Chem. Miner. 2001. Vol. 28, pp. 719–728. EDN: ­ARWRTT. https://doi.org/10.1007/s002690100197
19. Арасланкин С.В., Нипрук О.В. Стохастическое моделирование кинетики гидратации β-CaSO₄·0,5H₂O // Неорганические материалы. 2024. Т. 60. № 8. С. 953–962. EDN: ­LNSIUK.
https://doi.org/10.31857/S0002337X24080054
19. Araslankin S.V., Nipruk O.V. Stochastic modeling of the hydration kinetics of β-CaSO₄·0,5H₂O. Inorganic Materials. 2024. Vol. 60. No. 13, pp. 1444–1450. EDN: ­GVHENF. https://doi.org/10.1134/S0020168525700244
20. Beretka J., Touw J.W. Hydration kinetics of calcium sulphate hemihydrate: a comp arison of models. Journal of Chemical Technology and Biotechnology. 2007. Vol. 44 (1), pp. 19–30. https://doi.org/10.1002/jctb.280440104