Строительный гипс

Введение  

Основные  понятия о минеральных вяжущих  веществах, их значения для народного  хозяйства.Существует значительное количество разнообразных вяжущих. Однако в строительстве применяется лишь часть их них. Их называют строительными вяжущими веществами.

Строительными минеральными вяжущими веществами называют порошковидные материалы, которые  после смешивания с водой образуют массу, постепенно затвердевавшую и  переходящую в камневидное состояние. Строительные материалы делят на две группы: неорганические (минеральные), главнейшие из которых - портландцемент и его разновидности, известь гипс и другие, и органические, из которых больше всего используют продукты перегонки нефти и каменного угля (битумы, дегти), называемые черными вяжущими.

Строительные  материалы сыграли большую роль в развитии культуры и техники. Без них невозможно было бы возведение зданий и сооружений. Одно из первых мест среди строительных материалов занимают вяжущие вещества, которые являются основой современного строительства.

Производство вяжущих веществ представляет собой комплекс химических и физико-механических воздействий на исходные материалы, осуществляемых в определенной последовательности.

Вяжущие вещества - основа современного строительства. Их широко применяют для изготовления штукатурных и кладочных растворов, а также разнообразных бетонов (тяжелых и легких). Из бетонов изготовляют все возможные строительные изделия и конструкции, в том числе армирование сталью (железобетонные, армосиликатные и др.) Из бетонов на вяжущих веществах возводят отдельные части зданий и целые сооружения (мосты, плотины и т.п.).

Примерно за 4-3 тыс. лет до н.э. появились вяжущие  вещества получаемые искусственно –  путем обжига. Первым из них был  – строительный гипс, получаемый обжигом  гипсового камня при сравнительно невысокой температуре 413-463К.

Гипсовыми вяжущими веществами называют порошковидные  материалы, состоящие из полуводного  гипса и получаемое обычно тепловой обработкой двуводного гипса в пределах 105-200⁰С.Гипс по условиям тепловой обработки, скорости схватывания и твердения делят на 2 группы: низкообжиговые и высокообжиговые.

Низкообжиговые вяжущие быстро схватываются и твердеют; состоят они главным образом из полуводного гипса, полученного тепловой обработкой гипсового камня при t 383-453⁰С. К ним относятся строительный (алебастр) формовочный высокопрочный (технический) и медицинский гипс, а также гипсовые вяжущие из гипсосодержащих материалов.

Высокообжиговые медленно схватываются и твердеют, состоят преимущественно из безводного сульфата кальция, полученного обжигом при температуре 873-1173К. К ним относятся ангидритовое вяжущее (ангидритовый цемент), высокообжиговый гипс (эстрих- гипс) и отделочный гипсовый цемент.

По разнообразии. Объектов применение одно из первых мест среди вяжущих занимает гипс. Применение гипсовых материалов и изделий способствует экономии топлива, цемента, снижению трудоемкости и стоимости строительства. Гипс применяется в качестве штукатурного материала, для изготовления орнаментальных украшений и при отделке зданий. Кроме того, используют для изготовления гипсобетонных прокатных перегородок и перегородочных плит.

К сожалению, производство и применение гипсовых изделий в  строительной промышленности Кыргызстана  по сравнению с другими странами – дальнего и ближнего зарубежья находится еще в самом зачаточном состоянии. В Кыргызстане имеется колоссальный запас гипсового камня, но они почти не используются в промышленности строительных материалов.

Номенклатура  

Гипсовые вяжущие (ГОСТ 125-79, СТСЭВ 826-77) получают термической обработкой гипсового сырья до полугидрата сульфата кальция. Применяют для изготовления строительных изделий всех видов и при производстве строительных работ.

Марку гипсовых вяжущих от Г-2 до Г-25 характеризуют, по прочности при сжатии соответствующих  марок меняется в пределах 2….25МПа, а при изгибе 1,2….8МПА.

В зависимости  от сроков схватывания различают  вяжущие быстротвердеющие (А), нормальнотвердеющие (В), с началом схватывания соответственно не ранее 2, 6 и 20 мин и концом не позднее 15, 30.

В зависимости от степени помола различают вяжущие грубого (I), среднего (II), тонкого помола (III) с максимальным остатком на сите с размером ячеек 02 мм, соответственно не более 23,14 и 2%.

Марки гипса  Г-2….Г-7, всех сроков твердения и  степеней помола предназначены для изготовления гипсовых строительных изделий всех видов. 

Обоснование способа производства 

Обжиг гипса во вращающихся печах. Вращающиеся печи, применяемые для обжига гипса, представляют собой наклонный металлический барабан, по которому медленно передвигается предварительно раздробленный гипсовый камень. Гипс обжигается топочными газами, образующимися при сжигании различных видов топлива (твердого, жидкого и газообразного) в топочных устройствах при печах.

Наибольшее распространение  получили печи типа сушильных барабанов, в которых обогрев производится газами, проходящими внутри барабана. Могут применяться печи и с обогревом топочными газами наружной поверхности барабана, а также печи, в которых топочные газы сначала омываются барабан снаружи, а затем проходят через его внутреннюю полость. В печах с непосредственным обогревом материала между топкой и рабочей полостью барабана часто помещают смесительную камеру, в которой температура выходящих из топки газов понижается за счет смешения с холодным воздухом. Скорость движения газов в барабане составляет 1-2м/с, при большей скорости значительно увеличивается унос мелких частиц гипса. За барабаном устанавливаются обеспыливающие устройства и дымосос.

Ту часть барабана, в  которой наиболее интенсивно протекает  дегидратация, иногда расширяют, вследствие чего в этой зоне печи замедляется движение, как газового потока, так и материала, обладающего большой подвижностью, особенно в период «кипения». Для замедления диафрагмы. В рабочей полости барабана укреплены приспособление для перемещения гипса в процессе обжига, что обеспечивает равномерную его дегидратацию. Перемещение устройства создаются также большую поверхность соприкосновения обжигаемого материала с горячим газовым потоком. Отсутствие перемешивающих устройств ухудшают условия дегидратации.

Обжиг гипс во вращающихся  печах может производиться по методу прямотока и противотока. По первому методу гипсовый камень подвергают воздействию высоких  температур в начале обжига, а по второму - в конце обжига. Температура  входящих в печь газов при прямотоке 1223-1273К, а при противотоке-1023-1073К. температура выходящих из печи газов при прямотоке 443-493К, а при противотоке-373-383К. При прямоточном методе материал не пережигается, но повышается расход топлива, так как в зоне максимальных температур протекают лишь подготовительные процессы- подогрев и сушка материала, дегидратация же происходит в зоне более низких температур. Предпочтительнее применять вращающиеся печи, работающие по принципу противотока.

Выходящий из печи горячий материал целесообразно направлять в бункера томления или подвергать горячему помолу. Последний особенно эффективно улучшает свойства гипса, так как быстрее происходит выравнивание минерального состава конечного продукта за счет дегидратации оставшегося двугидрата и связывания освобождающейся воды растворимым ангидритом.

Для получения строительного  гипса высоко качества во вращающихся  барабанах следует обжигать дробленный гипсовый камень с однородным размером частиц. В противном случае происходит неравномерный обжиг материала: мелкие зерна пережигаются вплоть до образования нерастворимого ангидрита, а внутренняя часть крупных зерен остается в виде неразложившегося двугидрата. В практических условиях загружают в печь материал с размером зерен до 0,035м, а зерна размером менее 0,01м отсеивают. Пылевидные частицы образуются в печах вследствие истирания материала при движении в процессе дегидратации, особенно при обжиге более мягких пород гипсового камня. Эти частицы уносятся потоком газов и быстрее проходят через печь, однако часть из них успевает все же полностью дегидратироваться. Желательно обжигать раздельно фракции 0,01-0,2 и 0,02-0,035м. Отсеянную фракцию с размером зерен менее 0,01м можно использовать после дополнительного помола для производства строительного гипса и варочных котлах или для получения сыромолотого гипса, применяемого для гипсования солонцовых почв. Длина применяемых для обжига гипса вращающихся печей 8-14м, диаметр 1,6 и 2,2м; производительность их соответственно 5-15т/ч; угол наклона барабанов 3-5⁰; число оборотов 2-5об/мин; расход условного топлива 45-60кг на 1т готового продукта.

Вращающиеся печи являются непрерывно действующими установками, обусловливающими компактную технологическую схему. Во вращающихся печах обжигается дробленый гипсовый камень более крупных размеров, чем в варочных котлах, где он хуже перемешивается. Тем не менее, во вращающихся печах при тщательной подготовке материала, правильно подобранных оптимальных условиях обжига и последующего помола обожженного продукта практически можно получить строительный гипс высокого качества. На рис. 1 представлена технологическая схема производства строительного гипса с обжигом во вращающихся печах.

Рис. 1

Совмещенный помол и обжиг гипса. Двойная термическая обработка (сушка и варка) даже при совмещении процесса сушки и помола усложняет производственный процесс. В мельнице наряду с помолом и сушкой гипс в некоторой степени дегидратируется. Однако содержание гидратной воды остается еще высоким, вследствие чего требуется доваривать гипс в варочном котле для полного превращения его в полугидрат. Известны схемы производства строительного гипса, при которых окончательная дегидратация гипса до полугидрата производится в самом помольном аппарате. В этом случае температура поступающих в мельницу дымовых газов должна быть более высокой 873-1073К, чем просто при совместной сушке и помоле. Температура же отходящих из установки газов 382-423К. расход условного топлива 40-50кг на 1т строительного гипса. Установки для обжига в процессе помола отличаются компактностью.

Технологические схемы производства при совмещенном  помоле и обжиге отличаются друг от друга главным образом помольными аппаратами (шахтные, шаровые, аэробильные мельницы), а также тем, что в одних случаях мельницы работают с однократным использованием теплоносителя, а в других-с возвратом в мельницу части газов после пылеосадительных аппаратов. Применение рециркуляции газов повышает расход электроэнергии, но уменьшает расход топлива.

В установку  по совмещенному помолу и обжигу (где  обжиг, по существу, происходит во взвешенном состоянии) вследствие повышенной температуры  и быстрого обжига наблюдается появление  в тонких фракциях и поверхностных слоях крупных частиц растворимого ангидрита, а в центральных слоях этих частиц двуводный гипс остается недегидратированным. Конечный продукт быстро схватывается, в результате чего требуется вводить замедлители.

Характеристика  сырья 

Сырьем для  производства гипсовых вяжущих веществ служит природный ангидрит (СаSO₄) в основном природный гипс (СаSО₂*2Н₂О), а также гипсосодержащие отходы химической промышленности.

Природный гипс (гипсовый камень) имеет осадочное  происхождение. Состав химически чистого  двуводного гипса: 32,56% СаО, 46,51% SO₃ и 20,93% Н₂О. это минерал белого цвета, обычно содержащий некоторе количество примесей глины, известняка. Двуводный гипса является мягкими минералом твердость его по шкале Мооса равна. Плотность составляет 2200-2400кг/м³.

Примеси известняка являются балластом в производстве строительного гипса, так как  последний обжигаются при температуре  ниже температуры диссоциации углекислого  кальция. Влажность гипсового камня  составляет 3-5% и более.

Природный ангидрит - горная порода осадочного происхождения, состоящая из СаSО₄. Под действием грунтовых пород вод ангидрит медленно гидратируется и переходит в двуводный гипс, поэтому обычно содержит 5-10% и более двуводного гипса.

Ангидрит порода более плотная и прочная, чем  двуводный гипс. Его истинная плотность 2,9-3,1г/см³. чистый ангидрит белого цвета, но в зависимости от содержания в ней примесей имеет различные оттенки.

Отходы химических производств – это дополнительный источник сырья для производства гипсовых вяжущих и рационально используют в качестве побочных продуктов химической промышленности – фосфогипса, борогипса, фторогипса и др.

Кыргызстан богата месторождениями самых разнообразных  строительных материалов. Среди них  имеется месторождения гипсовых камней таких как Ак-Белекское, Джергаланское, Караванское, Боомское.

Возьмем месторождение  гипсового камня Боомское (Сулу-Терекское)- это местность находится в 4км севернее пос. Красный Мост в Чуйском  районе. Исследовано партий КГУ в 1954г. предварительно изучено геологическим  институтом Академии Наук Кыргызской республики 1984г.

Гипсоносный горизонт приурочен нижнетретичным красноцветным  отложением. Общая протяжность 1100м, мощность 40-50м. падение северо-западное под углом 25-40⁰. гипс в глинах присутствует в виде цементирующего примеси, маломощных (5-10см) прожилков, линзочек и отдельных желваков размером 15-20см. Суммарное содержание гипса в породе не превышает 30-40%. В верхней части горизонта залегает пласт белого и красноватого гипса, загрязненным глинистым материалом. Пласт прослежен на протяжении 150м при мощности 3-5м.

Объемный вес  необожженного гипса 1,27, обожженного  гипса 1,165. нормальная густота 75%. Сроки  схватывания: начало через 6мин, конец  через 8мин. время текучести 5мин. предел прочности при растяжении в возрасте 7 дней – 3,85кг/см². гипсоносные глины непригодны как сырье для строительных целей и получения удобрения. Отдельные обогащенные гипсами участки таких глин могут использоваться для производства низкосортного гипса и ганжа. В пласте штуфной пробы содержание СаSО₄*2Н₂О достигает 91%.