Применение строительного гипса и процессы его производства

Гипсовые вяжущие вещества - это тонкоизмельченные продукты термической обработки естественных или искусственных разновидностей сульфата кальция, которые при затворении водой схватываются, твердеют и превращаются в искусственный камень на воздухе.

Гипсовые вяжущие вещества, обжиг которых производится при температуре 140-180º С, называют низкообжиговыми, и высокообжиговыми  считают вещества, обожженные при 600 и 900ºС. Строительный, формовочный, медицинский и технический гипс являются низкообжиговыми. К высокообжиговым относят гипсоангидритовый цемент и высокообжиговый гипс, или эстрих-гипс. Рассмотрим области применения низкобжиговых и высокообжиговых веществ.

Строительный гипс используют преимущественно в изготовлении гипсовой штукатурки, перегородочных стеновых плит и панелей, элементов заполнения междуэтажных перекрытий,  а также вентиляционных коробов и прочих деталей в строительных сооружениях, функционирующих при относительной влажности воздуха ниже 65%. В том числе гипс выступает как звукопоглощающий, огнезащитный и архитектурно-отделочный материал.  Формовочный гипс используется как главный  материал при производстве гипсовых форм в керамической промышленности и в качестве добавки  -  при изготовлении расширяющихся цементов.

Медицинский гипс, как уже очевидно из названия, пригоден в медиицне  для наложения гипсовых повязок при костных переломах и для изготовления ортопедических корсетов.

Формовочный и медицинский гипс производят из превосходного по своим качественным характеристикам гипсового камня, в составе которого - не менее 96% CaS04-2H20. Вследствие процесса дегидратации сырья в варочных котлах получают полуводный гипс в модификации полугидрата. Технический гипс - это неотъемлемая часть смешанных вяжущих веществ, являющих собой отдельные композиции, в составе которых присутствуют полуводный гипс, портландцемент, пуццолановые добавки или гранулированные доменные шлаки. Его применяют в качестве сырья в производстве  строительных деталей, обладающих повышенной прочностью.

Низкообожженные гипсовые вяжущие вещества являются результатом неполной дегидратации гипсового камня CaS04-2H20.

Строительный гипс согласно техническим условиями ГОСТ 125-70 по тонкости помола и по величине предела прочности при сжатии разделяют на три сорта. Тонкость помола, которая устанавливается остатком на сите № 02 (918 отв. на 1 см2), для I сорта должна быть не более 15%, для II -не более 20% и для III - не более 30%. Величина предела прочности при сжатии стандартных образцов (половинок балочек), выдержанных в течение 1,5 ч с момента затворения гипса водой, должна составлять для I сорта не менее 55 кГ/см2, для II -не менее 45 кГ/см2 и для III - 35 кГ/см2. Процесс схватывания для всех сортов должен начинаться не ранее 4 мин, а конец -не ранее 6 и не позже 30 мин с момента затворения водой. Присутствие в полуводном гипсе частичек двугидрата CaS04·2H20 и повышение температуры до 40-50º С существенно уменьшают сроки схватывания, а увеличение температуры до 90-100º С ведет к остановке схватывания и твердения полутидрата. Контролировать сроки схватывания и твердения возможно при помощи ввода различных веществ:  NaCl, КО, NaN03 и иных веществ, способных изменять растворимость CaSO4·0,5H2O в воде; добавок CaS04·2H20 и СаНР04·2Н20, представляющих готовые центры кристаллизации для CaS04·2H20; добавок, адсорбируемых поверхностью полугидрата (сульфитно-спиртовая барда, известково-клеевой замедлитель), способных менять скорость формирования кристаллических зародышей; веществ, создающих на поверхности полугидрата защитные пленки.

Окончание процесса кристаллизации гипсового теста должно осуществляться не ранее 12 мин с момента его формирования. Плотность полугидрата находится в пределах 2,6-2,75 г/см3, а объемная масса в рыхлом состоянии равна от 800 до 1100 кг/м3 и в уплотненном - 1250-1450 кг/м3. Теоретическая водопотребность полугидрата составляет 18,6%, практическая - 50-70%, а для технического гипса - 30-40% от массы исходной навески.  Для образовавшегося в процессе схватывания и твердения полуводного гипса гипсового камня характерна высокая пористость, составляющая 40-60% и более. В связи с повышением количества воды затворения пористость камня увеличивается, а его прочность уменьшается. Если производить измельчение полуводного гипса до удельной поверхности 2500-3000 см2/г, можно добиться  повышения прочности камня.

Гипсовые образцы, высушенные при температурах не более 60 С, имеют прочность в 2-2,5 раза выше прочности влажных образцов 1,5-часового возраста. В сухом виде самые хорошие сорта гипса имеют прочность на сжатие 180-200 кГ/см2. Этот высокопрочный технический гипс делится по СНиПу на марки: 200, 250, 300 и 400 (на образцах семидневного возраста). Нужно отметить, что прочность гипса при растяжении в 6-8 раз меньше величины предела его прочности при сжатии. Продукты из гипса имеют свойство быть менее прочными, находясь во влажной среде.  

Коэффициент размягчения гипсовых изделий находится в пределах от 0,3 до 0,45.

Полуводный гипс при схватывании и твердении увеличивается в объеме от 0,5 до 1%. Это способствует тому, что гипсовые отливки отлично заполняют форму и идеально передают ее контуры.

Изделия из полуводного гипса, находящиеся в воздушно-сухой среде,  могут прослужить очень долго. Влажная среда, наоборот,  разрушает их, особенно если происходит  неоднократное попеременное замораживание и оттаивание.

Гипсовый камень двугидрат CaS04·2H20 является сырьевым материалом для производства низкообжиговых гипсовых вяжущих веществ. Его содержание в породе определяет, к какому сорту  относится гипсовый камень:  к I сорту, если количество CaS04·2H20 в нем - не менее 90%, ко II -при 75% и к III -при 65%.

Изготовление строительного гипса осуществляется следующими этапами: дробления, тонкого помола и термической обработки гипсового камня. Происходит весь этот процесс в шахтных или аэробильных мельницах. Далее измельченный продукт подвергается термической обработке в гипсоварочных котлах или путем совместного помола и дегидратации гцпсового камня в шаровых мельницах.

По первой схеме гипсовый камень в виде каменных глыб или крупных кусков подвергается одно- или двухстадийному дроблению.  Одностадийное дробление заключается в том, что каменные глыбы и куски величиной 300-500 мм измельчают в крупных молотковых дробилках в щебенку величиной до 25 см в поперечнике. При двухстадийном измельчении используются щековые дробилки, которые помогают производить грубое дробление от 300-500 мм. Последующее измельчение до 15 мм осуществляется в молотковых дробилках. Помол  и одновременная сушка гипсового камня проводятся в шахтных, аэробильных и роликовых мельницах, в которые размалываемые материалы поступают с горячими газами температурой 200-400º С. Газы омывают размалываемый материал, высушивают и  дегидратируют его, а после перемещают из мельницы в специальные пылеосадительные устройства (обычные и батарейные циклоны).

Продукты помола, осажденные в циклонах,  попадают в расходные бункера гипсоварочных котлов.

Размолотый гипсовый камень становится полугидратом в обычных или в жаротрубных гипсоварочных котлах.

Длительность дегидратации гипсового камня в котлах колеблется от 50 мин. и до 2,5 ч. и зависит от многих факторов:  от размеров и емкости котла, от степени сушки, тонкости помола порошка и других.  Гипсоварочные котлы имеют производительность до 1000 кг/ч на 1 м3 емкости котла, и требуют расхода условного топлива на варку в среднем примерно 5-7% от веса обожженного продукта.

Уже сваренный гипс из котла поступает в расположенный рядом бункер томления, в котором выдерживается в течение 24 ч. В некоторых случаях обожженный продукт отправляют на вторичный помол в шаровые мельницы. В этом случае необезвоженные частички измельчаются и дегидратируются, а обезвоженный ангидрит присоединяет к себе выделяющуюся при этом влагу и превращается в полугидрат.

Вторая схема предполагает, что полуводный гипс  производят в установках для совместного помола и обжига гипсового камня.

Установка имеет приемный бункер, в который производят загрузку  поступающего гипсового камня, питателя, а также щековой дробилки,  в которой камень подвергают грубому дроблению. Далее раздробленный камень по транспортеру через воронку направляется в молотковую дробилку. Там он измельчается до 10-15 мм в щебень и при помощи элеватора и питателя доставляется в расходный бункер, а далее - в шаровую мельницу. Со щебнем в мельницу из специального подтопка поступают дымовые газы с температурой 600-700º С, и происходит одновременный помол и дегидратация размолотого материала. Дегидратированный полуводный гипс газовым потоком перемещается из мельницы в сепаратор,  где от него отделяются крупные частицы.

Отделенные крупные частицы из сепаратора шнеком поступают обратно в мельницу, а остальная масса дегидратированного полуводного гипса следует в пылеосадительные устройства. Из пылеосадительных устройств полугидрат, благодаря системе транспортеров, подается в бункер готовой продукции. Очищенные газы выбрасываются в атмосферу. На установках, имеющих тихоходные шаровые мельницы, производится более качественный, чем на быстроходных.

Технический высокопрочный полуводный гипс имеет существенные различия с обыкновенным строительным полуводным гипсом. Кристаллизуется он в виде хорошо образованных крупных прозрачных игл или призм, для образования нормального теста затрачивает меньшее количество воды, схватывается менее быстро, но в итоге образует более прочный камень (500-600 кГ/см2). Производится он из природного гипсового камня, в составе которого содержится не менее 90% CaS04·2H20. Дегидратация сырья осуществляется либо в автоклавах в среде насыщенного пара при температуре 120-140º С и под давлением 1.3- 1,5 ат с дальнейшей сушкой полуводного продукта, либо способом кипячения сырья при атмосферном давлении в водных растворах солей СаС12, MgCl2, Na2C03, NaCl и др. Полуводный гипс, изготовленный таким способом, отцеживается или отделяется от жидкой среды центрифугированием, а потом сушится сначала при 110º С и затем при 70-80º С. После прохождения  высушивания, он  размалывается в порошок с остатком на сите № 008 не более 5-10%. Водопотребность высокопрочного полуводного гипса равна 30-35%.

См. также Купить щебень известняковый