Гипс и гипсовые изделия

Гипс

Гипсовые вяжущие относятся к минеральным воздушным веществам – вещества, которые твердеют, долго сохраняют и повышают свою прочность только на воздухе.

В зависимости от способа получения гипсовые вяжущие вещества делятся на три основные группы:

I. Вяжущие, получаемые термической обработкой сырья:

-Низкообжиговые гипсовые вяжущие вещества получают при нагревании двухводного гипса  до температуры 150…160 с частичной дегидратацией двуводного гипса и переводом его в полуводный гипс

-Высокообжиговые (ангидритовые) вяжущие получают обжигом двуводного гипса при более высокой температуре до 700…1000 с полной потерей химически связанной воды и образованием безводного сульфата кальция – ангидрита .

II. Вяжущие, получаемые без термической обработки (безобжиговые)

-на основе природного двугидрата сульфата кальция

-на основе природного ангидрита со специальными добавками для активации твердения

III. Вяжущие, получаемые смешиванием гипсовых вяжущих I или II групп с различными компонентами (минеральными и химическими: известь, портландцемент, добавки)

            Вяжущие I и II групп являются неводостойкими, вяжущие III группы относятся к водостойким вяжущим.

Гипсовым вяжущим называют воздушное вяжущее вещество, состоящее преимущественно из полуводного гипса и получаемое путем тепловой обработки гипсового камня при температуре 150…160. При этом двуводный гипс , содержащийся в гипсовом камне, дегидратирует по уравнению

В этих условиях образуются мелкие кристаллы полуводного сернокислого кальция -модификации; такой гипс обладает повышенной водопотребностью (60…65% воды). Избыточная вода, т.е сверхпотребная на гидратацию гипса (15%) , испаряется, образуя поры, вследствие чего затвердевший гипс имеет высокую пористость (до 40%) и соответственно небольшую прочность. Для приготовления высокопрочного гипса используют полуводный гипс -модификации, имеющий меньшую водопотребность гипса (40…45% воды)и, следовательно, большую плотность и прочность.

Модификационный состав обожженного гипса заметно различается, в зависимости от качества сырья и способа обжига, что может существенно влиять на качество конечного продукта. Содержание той или иной модификации в гипсовом вяжущем во многом определяется режимом обжига гипса, регулируя который можно получать вяжущие с требуемыми свойствами.

Таблица 1

Производство гипса складывается из дробления, помола и тепловой обработки (дегидратации) гипсового камня.  Сырьем для производства гипсовых вяжущих служат природный гипсовый или ангидритовый камень;  гипсосодержащие отходы различных отраслей промышленности (фосфогипс, сажа, глиногипс). Природное гипсовое минеральное сырье и гипсосодержащие отходы используются не только в гипсовой промышленности, но и в цементной, химической, бумажной промышленностях, сельском хозяйстве.

 Существует несколько технологических схем  производства гипсового вяжущего: в одних помол предшествует обжигу, в других помол производится после обжига, а в третьих помол и обжиг совмещаются в одном аппарате. Тепловую обработку гипсового камня производят в варочных котлах, сушильных барабанах, шахтных или других мельницах (I). Полуводный гипс -модификации получают путем запаривания гипсового щебня в автоклаве, самозапарочных аппаратах, демпферах. Высокопрочный гипс получают в котлах(реакторах)

1.      Производство гипса с применением варочных котлов. Гипсовый камень, поступающий на завод в крупных кусках, сначала дробят, затем измельчают в мельнице, одновременно подсушивая его. В порошкообразном виде камень направляют в варочный котел периодического или непрерывного действия. Варка происходит за счет  обогрева днища и стенок котла, а также жаровых труб внутри котла, которые в охлажденном состоянии удаляются по дымовой трубе. Продолжительность варки 90…180 мин. При варке в котле гипс не соприкасается с топочными газами, что позволяет получать чистую продукцию, не загрязненную золой топлива.

2.      Гипсовое вяжущее в сушильных барабанах получают путем обжига гипсового камня в виде щебня размером до 20 мм. Обжиговой частью сушильного барабана служит наклонный стальной цилиндр диаметром до 2.5 м и длиной до 20м, установленный на роликовых опорах и непрерывно вращающийся. Гипсовый щебень подается в барабан с приподнятой стороны и в результате вращения наклонного барабана перемещается в сторону наклона. Из топки в барабан поступают раскаленные дымовые газы, которые при движении вдоль барабана обжигают гипсовый камень, а с противоположной стороны удаляются вентилятором. Далее гипсовый камень измельчают в мельницах.

3.      При обжиге гипса во взвешенном состоянии совмещают две операции: измельчение и обжиг. В мельницу(шахтную, шаровую, или роликовую) подают гипсовый щебень и одновременно нагнетают горячие дымовые газы. Образующиеся при размоле мельчайшие зерна гипса товарной фракции увлекаются из мельницы потоком дымовых газов и в процессе транспортирования в раскаленном газовом потоке обжигаются. Пылевоздушная смесь поступает в циклоны и фильтры для осаждения гипса.

Наибольшую производительность из рассмотренных схем имеет последняя, затем схема обжига в сушильных барабанах, и, наконец в варочных котлах. Однако первые две схемы существенно уступают по качеству продукции схеме с варкой гипса.

4.      Высокопрочный гипс получают путем нагревания природного гипса паром под давлением 0.2…0.3МПа с последующей сушкой при температуре 160…180.

Приготовление гипсового теста основано на следующей химической реакции

При затворении порошка гипса водой полуводный сернокислый кальций       , содержащийся в нем, начинает растворятся до образования насыщенного раствора и одновременно гидратироваться, присоединяя 1.5 молекулы воды и переходя в двугидрат  . Растворимость двугидрата примерно в 5 раз меньше растворимости исходного порошка – полугидрата. В результате образовавшийся насыщенный раствор полугидрата оказывается пересыщенным к двугидрату. Пересыщенный раствор в обычных условиях не может существовать – из него выделяются мельчайшие частицы твердого вещества – двуводного сернокислого кальция. По мере накопления этих частиц они склеиваются между собой, вызывая загустевание (схватывание) теста. Затем мельчайшие частицы гидрата начинают кристаллизоваться, определяя этим образование прочного гипсового камня. В затвердевшем, но еще влажном гипсе продолжают протекать процессы перекристаллизации – растворения чести вещества в межкристаллических контактах и укрупнения кристаллов, что приводит к разрыхлению структуры. Дальнейшее увеличение прочности гипса происходит вследствие высыхания твердеющей массы и более полной кристаллизации при этом. Твердение гипса можно ускорить сушкой, но при температуре не выше 65 во избежание обратной дегидратации двуводного гипса.

Чтобы получить гипсовое удобоукладываемое тесто, необходимо взять 60…80% воды от массы вяжущего, а на химическую реакцию гидратации требуется лишь 18.6% воды. Избыток ее остается в порах, затем испаряется. Чем больше воды затворения, тем выше пористость камня, а прочность его соответственно меньше.

Твердение высокообжигового вяжущего обусловлено образованием двуводного гипса из безводного сернокислого кальция.

Процесс схватывания и твердения нерастворимого ангидрида, являющегося основным компонентом низкообживого ангидритового вяжущего (ангидритого цемента) и высокообжигового ангидритового вяжущего – эстрих-гипса, имеет свои особенности.

Твердение ангидритового вяжущего происходит в присутствии сульфатных или щелочных активизаторов. Твердение этого вяжущего обусловлено образованием под воздействием активизаторов сначала комплексной соли, включающей ангидрит, которая впоследствии распадается с образованием двугидрата. При твердении в объеме не увеличивается.

Ангидритовые и высокообжиговые вяжущие не являются быстросхватывающимися. Начало и конец схватывания этих вяжущих соответственно равны 30 мин… 24 ч и 2 ч…12-36 ч.

Твердение водостойких (гипсоцементно-пуццолановых и гипсошлако-пуццолановых, композиционных) гипсовых вяжущих – результат сложных физико-химических процессов, приводящих к образованию новых гидратных веществ, обуславливающих основные свойства вяжущих и приближающих их к портландцементу

            Свойства, характеристики, применение