Основы технологии гипсовых вяжущих веществ

• Гипсовыми вяжущими называют тонкоизмельченные продукты тепловой обработки естественных или искусственных разновидностей сульфата кальция, способные после затворения водой схватываться, твердеть и превращаться в камень на воздухе. Различают гипсовые вяжущие вещества низкообжиговые и высокообжиговые. Низкообжиговые получают при температуре 140... 180°С. Они состоят в основном из полуводного гипса и быстро твердеют. К ним относятся гипсовые вяжущие марок Г-2..Г-25. Высокообжиговые гипсовые вяжущие получают при температурах 600...1000°С. Они состоят преимущественно из безводного кальция — ангидрита и медленно твердеют. К ним принадлежат ангидритовый цемент и высокообжиговый гипс. К гипсовым вяжущим веществам относят также смешанные композиции, основной составляющей которых является полуводный гипс, а дополнительными — известь, цемент, молотые гранулированные доменные шлаки. В зависимости от вида дополнительной составляющей различают гипсоизвестковые, гипсоцементные, гипсошлаковые и другие вещества.

• Дегидратация двуводного гипса. Двуводный гипс по мере повышения температуры постепенно дегидратируется, превращаясь в итоге в нерастворимое, «намертво» обожженное соединение. Регулируя температуру и условия обжига, получают различные гипсовые вяжущие, отличающиеся строительно-техническими свойствами.

Степень дегидратации двуводного гипса зависит от температуры и длительности тепловой обработки, а также от давления водяных паров. При 100...140?С двуводный гипс сравнительно быстро дегидратируется до полугидрата:

СаSO₄ • 2H₂O - СaSO₄ • 0,5Н₂O + 1,5Н₂О

С повышением температуры до 200^oС гипс постепенно переходит в безводную модификацию — обезвоженный полугидрат, который в свою очередь при дальнейшем повышении температуры превращается в растворимый ангидрит. Полуводный гипс, так же как и две безводные его разновидности, может существовать в виде?- и?-модификаций, отличающихся своей структурой.

? - Полугидрат образуется при тепловой обработке гипсового камня при температуре выше 100 ^oС в среде насыщенного пара, а также при кипячении его в растворах солей. Отщепляемая вода удаляется из гипса в жидком состоянии и не вызывает разрыхления зерен, что обеспечивает плотную упаковку и гладкий рельеф поверхности кристаллов? - полугидрата.?- Полугидрат получают, если вода при дегидратации выходит в виде пара, что приводит к сильному механическому диспергированию зерен, образованию шероховатого, «изъеденного» рельефа поверхности. Его кристаллы тем мельче, чем ниже давление водяного пара и выше температура среды. Структурные отличия заметно отражаются на свойствах? - и? -модификаций полуводного гипса.? -Полугидрат характеризуется повышенной растворимостью в воде, большей скоростью гидратации, для получения подвижного гипсового теста он требует большего количества воды (50...70% от массы гипса). Для? -полугидрата достаточно 30...45% воды.

Начиная с 400...500^oС растворимый ангидрит переходит в нерастворимый, «намертво» обожженный, который почти совсем не схватывается. При температуре 800...1000°С безводный гипс снова приобретает способность схватываться и твердеть вследствие частичной диссоциации сернокислого кальция и появления в составе продукта обжига свободной извести.

• Сырьем для производства гипсовых вяжущих является природный двуводный гипс (гипсовый камень) — СаSО₄ • 2Н₂0 и природный ангидрит — СаSО₄, а также различные отходы химической промышленности, состоящие в основном из сернокислого кальция (фосфогипс и борогипс). Двуводный гипс обычно содержит примеси других минералов; известняка, доломита, глинистых веществ. Во многих месторождениях он залегает вместе с ангидритом.

Фосфогипс получают при переработке природных фосфатов в фосфорную кислоту и фосфорные удобрения. На каждую тонну фосфорной кислоты получается 4 т фосфогипса. Фосфогипс состоит на 80...98% из СаS0₄ • 2Н₂О, но содержит до 25°, а влаги и загрязнен примесями фосфатов (0,5...1,2% Р₂О₅) и фтора. Утилизация фосфогипса для производства гипсовых вяжущих лимитируется главным образом содержанием в нем Р₂О₅: при высоком содержании Р₂О₅ фосфогипс после тепловой обработки либо имеет низкую прочность, либо совсем не твердеет.

Борогипс — отход производства борной кислоты — представляет собой шлам влажностью 40...50%. Основная его составляющая — сульфат кальция. Содержание 5Ю* достигает 20...25%, В₂О₃ — 0,5...1,5%. Советский Союз располагает крупной сырьевой базой гипсовой промышленности. Разведано около 200 месторождений с суммарным запасом около 6 млрд. т.

Добывают гипсовое сырье открытым способом. Гипсодобывающие предприятия в основном представляют собой крупные высокомеханизированные производства с объемом добычи до 1...2 млн. т камня в год. Один Новомосковский гипсовый комбинат, мощность которого 2 млн. т гипсового камня в год, обеспечивает гипсовым сырьем Москву и центральные районы европейской части СССР.

• Технология производства гипсовых вяжущих характеризуется простотой, коротким циклом, позволяющим механизировать и автоматизировать технологические процессы, сравнительно небольшими тепло- и энергозатратами. Годовой выпуск гипсовых вяжущих в СССР составляет 4,5...5 млн. т. Их производство осуществляется более чем на 100 предприятиях, а номенклатура выпускаемой продукции насчитывает до 25 наименований.

Технологический процесс производства гипсовых вяжущих состоит в измельчении гипсового камня и последующей тепловой обработки (дегидратации). Степень измельчания гипсового камня определяется выбором аппарата для тепловой обработки. В шахтные печи материал подают в виде кусков размером 70...300 мм, во вращающиеся печи—10...35 мм, а в варочные котлы — в виде порошка.

Последовательность технологических операций при производстве гипса зависит от вида агрегата, в котором протекает дегидратация. Наибольшее распространение в настоящее время получили два варианта технологической схемы. По первому из них дегидратация тонкоизмельченного гипса осуществляется в варочных котлах непрерывного или периодического действия, в которых материал непосредственно не соприкасается с топочными газами. По второму варианту дегидратация кускового гипса происходит в сушильных барабанах, а обоженный продукт подвергается последующему помолу.

Наиболее широкое распространение получило производство низкообжиговых гипсовых вяжущих в варочных котлах периодического действия (рис. 6.1). Гипсовый камень, измельченный в щековой дробилке, подают на помол в шахтную мельницу. В мельнице совмещается тонкое измельчение гипсового камня и его сушка за счет теплоты газов, отводимых из варочного котла с температурой 300...400 °С. Тонкодисперсные частицы улавливаются системой пылеулавливающих устройств и поступают в гипсоварочный котел. По окончании тепловой обработки материал с целью повы

Часть котлов периодического действия переоборудована для непрерывной варки. Производительность последних на 25...40% выше производительности котлов периодического действия равной вместимости, а расход топлива меньше.

Производство гипсовых вяжущих в сушильных барабанах позволяет выпускать более дешевый гипс при меньших капитальных затратах. Полученный продукт имеет более высокие прочностные показатели, чем при использовании варочных котлов. Он отличается пониженной водопотребностью (48...57%), что позволяет на 20...25% снизить его расход при приготовлении растворов и бетонов. Непрерывно действующие сушильные барабаны обеспечивают компактность технологической схемы, позволяют автоматизировать процесс.

В последние годы получают распространение установки совмещенного помола и обжига — мельницы, в которых тепловая обработка происходит в размольной камере в результате интенсивного теплообмена между горячими газами и измельчаемым материалом. У мельницы сооружается предтопок, и направляемые в мельницу газы имеют температуру 700...800 °С. Измельченный и дегидратированный продукт поступает в пылеуловители. Очищенные газы выбрасываются в атмосферу. Достоинство установок совмещенного помола и обжига— их компактность и высокая производительность. Однако несмотря на высокую температуру газа, наиболее крупные частицы вследствие кратковременности воздействия газов не успевают полностью дегидратироваться, а часть мелких частиц пережигается, что обусловливает быстроту схватывания и пониженную прочность вяжущего.

Тепловая обработка гипсового камня в варочных котлах, сушильных барабанах и мельницах производится при атмосферном давлении; кристаллизационная вода удаляется из гипсового камня в виде пара; продукт тепловой обработки состоит в основном из?- СаSО₄-0,5Н₂0. Для получения гипсовых вяжущих повышенной прочности, состоящих в основном из?-полугидрата, необходимо создать такие условия, чтобы кристаллизационная вода удалялась из двуводного гипса в капельно-жидком состоянии. Известны два способа получения таких вяжущих: 1) автоклавный, основанный на обезвоживании гипса в среде насыщенного пара под давлением выше атмосферного в герметических аппаратах; 2) тепловая обработка в жидких средах, когда гипс обезвоживается в процессе кипячения в водных растворах некоторых солей при атмосферном давлении.

Автоклавный способ может быть реализован в различных аппаратах. В СССР получило распространение производство высокопрочных гипсовых вяжущих способом «самозапаривания», предусматривающим создание избыточного давления в результате испарения из гипсового камня части гидратной воды. Дробленый гипсовый камень загружают в герметически закрываемый вращающийся «самозапарник», куда подают топочные газы с температурой около 600 °С. Проходя по находящимся внутри аппарата трубам, газы прогревают материал. Давление в аппарате поднимают до 0,24 МПа, и гипсовый камень обрабатывают в течение 5,0...5,5 ч, сбрасывая при этом излишки пара. После запаривания в этом же аппарате сушат материал, снижая для этого давление до 0,13 МПа в течение 1,5 ч, а затем до атмосферного. Общая продолжительность цикла 12... 14 ч. Полученный материал тонко измельчают в мельницах.

• Твердение низкообжиговых гипсовых вяжущих происходит в результате превращения пластичного теста из гипсовых вяжущих и воды в камневидное тело. С химической точки зрения твердение низкообжиговых гипсовых вяжущих происходит в результате растворения полуводного сернокислого кальция (полугидрата), появления насыщенного по отношению к полугидрату раствора, в котором протекают реакции гидратации с образованием двуводного сернокислого кальция: СаSО₄• 5Н₂0 + 1,5Н₂0 - СаSО₄•2Н₂0

Согласно современным воззрениям формирование структуры затвердевшего гипса протекает в три стадии. В течение индукционного периода, который продолжается до начала твердения, образуются не связанные друг с другом зародыши дигидрата. Консистенция гипсовой смеси при этом остается жидкой. После накопления достаточно большого количества зародышей дигидрата начинается рост кристаллов. Так как отдельные кристаллы срастаются друг с другом не идеально (с зазорами), внешний объем смеси при этом увеличивается. Между продуктами реакции формируются межкристаллические контакты. В результате образуется трехмерная решетка кристаллов дигидрата, обусловливающая твердение и повышение прочности массы. По мере срастания и переплетения кристаллов, возникновения межмолекулярных связей гипсовая смесь постепенно превращается в камневидное тело. На третьей стадии в затвердевшем, но еще влажном гипсе протекают процессы перекристаллизации. Часть дигидрата термодинамически неустойчива из-за своих размеров и формы и обладает повышенной растворимостью. Растворяясь в жидкой фазе, она способствует росту наиболее крупных кристаллов.

• Свойства гипсовых вяжущих веществ, получаемых путем тепловой обработки гипсового сырья до полугидрата сульфата кальция, регламентированы ГОСТ 125—79. Этот ГОСТ распространяется как на продукты тепловой обработки гипсового сырья при нормальном давлении, состоящие в основном из р-СаSО₄• 0,5Н₂0, так и на продукты тепловлажностной обработки гипсового камня под давлением, состоящие в основном из а-СаSО₄•0,5Н₂0. Последние отличаются большей мономинеральностью структуры, большими размерами и плотностью кристаллов и в результате требуют для получения теста меньшего количества воды, что способствует уменьшению объема пор, остающихся в гипсовом камне, и повышению его прочности.

Основными характеристиками гипсовых вяжущих служат сроки схватывания, тонкость помола, прочность при сжатии и растяжении, водопотребность и др.

По срокам схватывания ГОСТ 125—79 предусматривает выпуск вяжущего: быстротвердеющего — с началом схватывания не ранее 2 мин, концом — не позднее 15 мин; нормально твердеющего — с началом схватывания не ранее 6 мин, концом — не позднее 30 мин; медленнотвердеющего — с началом схватывания не ранее 20 мин (конец схватывания не нормируется). В зависимости от степени измельчения различают вяжущие грубого, среднего и тонкого помола с максимальным остатком на сите с размером ячеек в свету 0,2 мм не более соответственно 23; 14 и 2%, обозначаемые индексами I, II и III. Марку гипсовых вяжущих (от Г-2 до Г-25) характеризуют по прочности при сжатии образцов-балочек 40X40X160 мм в возрасте 2 ч после затворения водой. Минимальный предел прочности при сжатии соответствующих марок меняется в пределах 2...25 МПа, а при изгибе — 1,2...8,0 МПа.

Высокообжиговые гипсовые вяжущие получают обжигом дробленого гипсового камня или ангидрита в сушильных барабанах с последующим размолом продукта обжига.

Ангидритовый цемент - продукт обжига природного гипса при температуре 600... 700° С с последующим измельчением совместно с добавками- катализаторами. Он состоит в основном из нерастворимого в воде ангидрита — безводного «мертвообожженного» СаSО₄. Его «оживляют» добавкой катализаторов, повышающих растворимость ангидрита и создающих условия для его гидратации (известь — 3...5%, смесь сульфатов и бисульфатов натрия с железным или медным купоросом — 0,5... 1,0% и др.). Начало схватывания ангидритового элемента не ранее 30 мин, конец — не позднее 24 ч. Он требует тонкого помола — максимальный остаток на сите № 008—15%. Прочность при сжатии ангидритового цемента в возрасте 28 сут — 5...20 МПа.

• Высокообжиговый гипс — продукт тонкого помола гипсового камня, обожженного при 800... 1000 °С. Высокообжиговый гипс состоит из ангидрита СаSО₄ и СаО (3...5%), образующегося при разложении СаSО₄ и выполняющего роль катализатора твердения.

Высокообжиговый гипс относится к медленно схватывающимся вяжущим веществам. Начало схватывания должно наступать не ранее чем через 2 ч после начала затворения. При твердении высокообжигового гипса безводный гипс переходит в двуводный.

Количество воды, необходимое для получения удобоукладываемого теста высокообжигового гипса, меньше, чем у других гипсовых вяжущих (25...35%). Поэтому изделия из него отличаются малой плотностью и высокой водостойкостью. Выпускаемый высокообжиговый гипс имеет марки 100, 150 и 200 с прочностью при сжатии через 28 сут образцов-кубов из теста пластичной консистенции 1:0 (без песка) не менее 10, 15 и 20 МПа. Затвердевший камень отличается высоким сопротивлением истиранию.

• Применяют гипсовые вяжущие главным образом при производстве гипсовой штукатурки, перегородочных стеновых плит и панелей, вентиляционных коробов, стеновых камней и других деталей в зданиях и сооружениях. Марки Г-5...Г-25 тонкого помола с нормальными сроками твердения служат для изготовления форм и моделей в керамической, машиностроительной промышленности, а также в медицине.

Ангидритовый цемент идет для изготовления бесшовных полов, в качестве подстилающего слоя под линолеум, для получения легких бетонов и изделий из них, искусственного мрамора, производства декоративно-отделочных работ.

Высокообжиговый гипс применяют для настила бесшовных тепло- и звукоизолирующих полов, изготовления подстилающего слоя под линолеум. Среди эффективных строительных материалов гипс занимает одно из ведущих мест. Экономика говорит в пользу гипса: на изготовление 1 т изделий из него удельных капитальных вложений требуется в 2 раза меньше, а электроэнергии расходуется в 4 раза меньше, чем на получение 1 т изделий из цемента.

Однако на различных заводах себестоимость гипса значительно колеблется. Особенно сильно она зависит от концентрации производства. На крупных современных предприятиях со среднегодовой мощностью более 100 тыс. т себестоимость гипса почти в 2 раза ниже, чем на мелких. Важнейшими резервами ее снижения являются: сокращение радиуса перевозок гипсового камня, совершенствование организации производства на карьерах, а также снижение трудоемкости производства путем механизации и автоматизации.

Поиск по сайту: