Construction MaterialsConstruction MaterialsСтроительные материалы0585-430X2658-6991Stroymaterialy69020310.31659/0585-430X-2025-838-8-32-36СтатьиResearch ArticleHydration of Calcium Sulphate Hemihydrate: Review and Analysis of Reaction Description ModelsГидратация полугидрата сульфата кальция: обзор и анализ моделей описания реакцииAraslankinS. V.АрасланкинС. В.
Russian Federation

CEO

генеральный директор

ceo@sci-exp.ruNiprukO. V.НипрукО. В.
Russian Federation

Doctor of Sciences (Chemistry)

д-р хим. наук

nipruk@chem.unn.ruBuryanovA. F.БурьяновА. Ф.
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering)

д-р техн. наук

rga-service@mail.ruExponenta LLCООО «Экспонента»Lobachevsky State University of Nizhny NovgorodНижегородский государственный университет им. Н.И. ЛобачевскогоNational Research Moscow State University of Civil EngineeringНациональный исследовательский Московский государственный строительный университет09092025832360809202508092025Copyright ©; 2025,Copyright ©; 2025, ООО РИФ "СТРОЙМАТЕРИАЛЫ"2025ООО РИФ "СТРОЙМАТЕРИАЛЫ"https://journals.eco-vector.com/0585-430X/article/view/690203

A review and critical analysis of kinetic models describing the CaSO4 · 0.5H2O hydration process is presented. Special attention is paid to their application to describe experimental data obtained by the conductometric method. Based on the analysis, it was found that stochastic models taking into account the probabilistic aspects of hydration demonstrate the highest compliance degree to the experiment. This allows to draw a reasonable conclusion on the advantages of the stochastic approach in describing complex physico-chemical processes characterized by a significant uncertainty degree. The analysis of the existing kinetic models of calcium sulfate hemihydrate hydration revealed their limitations in relation to real conditions. Traditional deterministic models based on chemical kinetic equations are not able to adequately consider random fluctuations occurring at the microscopic and molecular structural levels. This paper shows that stochastic models have significant advantages in describing complex processes such as CaSO4 · 0.5H2O hydration.

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.

calcium sulphate hemihydratehydrationkinetic modelconductometrystochastic approachполугидрат сульфата кальциягидратациякинетическая моделькондуктометриястохастический подходPolak 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.Полак А.Ф., Бабков В.В., Андреева Е.П. Твердение минеральных вяжущих веществ. Уфа: Башкирское книжное изд-во, 1990. 216 с.Kuznetsova T.V., Kudryashov I.V., Timashev V.V. Fizicheskaya khimiya vyazhushchikh materialov. [Physical chemistry of binders]. Moscow: Vysshaya shkola. 1989. 384 p.Кузнецова Т.В., Кудряшов И.В., Тимашев В.В. Физическая химия вяжущих материалов. М.: Высшая школа, 1989. 384 с.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.Семериков И.С., Герасимова Е.С. Физическая химия строительных материалов. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2015. 204 с.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.2007.01.002Hand 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)90008-6Dunn 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.5000570703Avrami M. Kinetics of phase change. I. General Theory. Journal of Chemical Physics. 1939. Vol. 7, pp. 1103–1112. http://dx.doi.org/10.1063/1.1750380Avrami M. Kinetics of phase change. II. Transformation-time relations for random distribution of nuclei. Journal of Chemical Physics. 1940. Vol. 8, pp. 212–225. http://dx.doi.org/10.1063/1.1750631Avrami 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/10.1063/1.1750872Conley R.F. The hydration reaction of anhydrite. Doctor’s Thesis. Indiana University, 1958.Ridge M.J. Acceleration of the set of gypsum plaster. Australian Journal of Applied Science. 1959. Vol. 10, pp. 218–231.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.5010120310Ridge M.J. Hydration of calcium sulphate hemihydrate. Nature. 1964. Vol. 204, pp. 70–71. https://doi.org/10.1038/204070a0Taplin J.H. Hydration kinetics of calcium sulphate hemihydrate. Nature. 1965. Vol. 205. No. 4974, pp. 864–866. https://doi.org/10.1038/205864a0Combe 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.5010200905Karmazsin E., Comel C., Murat M. Proceedings of the 7th International Conference on Thermal Analysis. Ontario, 1982. 148 p.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/S1600577519001929Gualtieri 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/s002690100197Araslankin 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/S0020168525700244Арасланкин 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/S0002337X24080054Beretka 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