石膏凝固过程热力学研究

石膏凝固过程热力学研究----石家庄京晋机械设备安装有限公司

一 前言

石膏砌块是一种新型的建筑材料，其生产能耗低、污染小，且具有质轻、防火、隔热、吸音、收缩率小、可钉、可锯、可粘结等突出优点，是取代红砖的理想材料，具有广阔的开发前景。我国自1981年开始生产石膏砌块，至今虽有20多年的时间，但目前石膏生产仍处于较低技术水平的阶段。绝大部分生产厂家仍使用各种单模结构、手工及半机械化设备。这些设备虽然投资少、上马快、能迅速取得经济效益，但由于设备简陋、工人劳动强度大、劳动条件差、产品质量和性能不稳定、生产效率低、难以形成规模效益，从长远看，很难在激烈的市场竞争中取得优势。我们从工厂生产实际了解到，在石膏砌块生产线自动控制设计中需要石膏凝固过程中温度随时间变化的数据，特别是需要初凝和终凝温度，这样能合理地确定石膏在成型模具中停留的时间，使生产达到节能、省时的目的。

石膏砌块生产的主要原料有熟石膏粉即半水石膏粉，外加剂和水等，也可加一些其它的增强材料。原料计量称重后进入搅拌机，经过搅拌混合的料浆进入石膏砌块连续成型机的模具内，成型机连续回转的同时，料浆快速凝固，达到预定终凝点时再从成型机中取出。由于石膏砌块凝固时温度随时间不断变化，如果在成型机的模具的适当位置上设置测温点，根据温度的变化情况判断石膏砌块的凝固状态，使之能在合适的时间从成型机中取出石膏砌块，从而实现自动化生产。

针对上述问题，本文探讨了如何通过温度随时间变化关系的测定来判定石膏凝固过程的初凝点和终凝点，获得了石膏凝固的热效应数据，这些结果对于实现石膏砌块成型过程的连续控制具有一定的指导意义。

二 理论部分

半水石膏(CaSO0.5HO)溶于水，它先是溶解成半水石膏水溶液，然后发生水化作用生成二水石膏(CaSO2HO)。由于水化反应的进行，相对减少了溶剂的量，同时二水石膏的溶解度比半水石膏要小，二水石膏溶液出现过饱和，当达到一定过饱和程度时，二水石膏从石膏浆中均匀成核，然后逐步生长至带稳定晶核的临界尺寸，石膏浆于是开始稠化。在生产中，石膏浆开始稠化时是注入母模的极限时刻，亦常称之为初凝时间，此时测得的温度为其初凝温度。随后，晶核继续长大，并放出大量的热（主要来自结晶相变热）；待晶体长成其固有形态时，石膏浆亦变成具有一定硬度和强度的多孔固体。实际生产中，可以脱模时刻，即常说的终凝时间，此时测得的温度即为其终凝温度。通过温度的测定可以确定初凝和终凝时刻，从而控制生产流程以便实现生产的自动化。

半水石膏溶于水的化学转变过程如下：

CaSO0.5HO (s)  CaSO0.5HO (aq)                         （1）

CaSO0.5HO (aq) + 1.5HO(l)  CaSO2HO (aq)                   （2）

CaSO2HO (aq)  CaSO2HO (s)                          （3）

总反应式为：

CaSO0.5HO (s) + 1.5HO(l)  CaSO2HO (s)                      （4）

根据文献提供的数据，在298.15 K和101.325 kPa时，1 mol半水石膏（固体粉末）和1.5mol水（液态）反应生成1mol二水石膏（固体粉末）所放出的热量为：

△H= (-2022.63 - (-1576.74) –1.5  (-285.83)) kJmol= -17.15 kJmol

石膏凝固过程的热效应（焓变）计算公式如下：

在实验条件下，体系中石膏凝固过程是一个绝热升温过程，初态时体系中的所有物质处在同一较低温度下，半水石膏凝固放热，体系中的所有物质均吸收热量一起升温并最终达到终凝温度。