Воздушные вяжущие вещества

К воздушным относят гипсовые и ангидритовые вяжущие, воздушную известь, магнезиальные вещества, растворимые силикаты натрия и калия (растворимые стекла).

 

Гипсовые и ангидритовые вяжущие вещества

Общие сведения и сырьевые материалы

 

Гипсовыми вяжущими называются материалы, состоящие из полуводного гипса CaSO₄·0,5H₂O. Их получают термической обработкой двуводного гипса CaSO₄·2H₂O при температуре 140–180 ºС.

Ангидритовые вяжущие получают обжигом при температуре 600–950 ºС двуводного гипса CaSO₄·2H₂O или ангидрита CaSO₄. Их можно изготавливать безобжиговым способом – помолом природного ангидрита с активизаторами твердения.

На основе гипсовых вяжущих изготавливаются смешанные вяжущие – гипсоцементно-пуццолановые и гипсошлакоцементные.

Сырье для гипсовых и ангидритовых вяжущих веществ. Гипсовые и ангидритовые вяжущие получают из природного сырья и отходов химической промышленности. Из природных сырьевых материалов применяются горные породы осадочного происхождения: природный гипс, глиногипс и природный ангидрит.

Природный гипс состоит из кристаллов двуводного сернокислого кальция CaSO₄·2H₂O. Это гипсовый шпат, кристаллический, прозрачный, тонковолокнистый и зернистый гипс. Наиболее чистая разновидность зернистого гипса называется алебастром. Природный гипс содержит от 1 до 25 % примесей известняка, доломита, песка, глины и др.

Глиногипс состоит из 30–60 % двуводного гипса и глинистых примесей.

Природный ангидрит CaSO₄ – горная порода кристаллического строения. Залежи ангидрита подстилают слой двуводного гипса.Поэтому в природном ангидрите обычно содержится до 10 % двуводного гипса.

Из побочных продуктовхимической промышленности для изготовления гипсовых и ангидритовых вяжущих применяется фосфогипс, борогипс, фторогипс и др. Фосфогипс получают при переработке фосфатов в фосфорную кислоту и фосфорные удобрения, борогипс – при производстве борной кислоты, фторогипс – при производстве фтористоводородной кислоты из плавикового шпата. При производстве вяжущих веществ чаще всего применяют фосфогипс.

На Гомельском химзаводе имеется 15 млн т фосфогипса На его хранение расходуются большие средства, кроме того он загрязняет окружающую среду. Поэтому переработка фосфогипса имеет большое практическое значение.

 

Гипсовые вяжущие

К группе гипсовых вяжущих относят строительный, формовочный, медицинский и высокопрочный (технический) гипс. Для строительства изготавливают строительный и высокопрочный гипс.

Строительный гипс получают термической обработкой двуводного гипса при температуре около 150 °С до превращения его в β- модификацию полуводного гипса. При этом происходит дегидратация по реакции CaSO₄·2H₂0→βСaSO₄·O,5H₂O+1,5H₂0+ΔH с поглощением тепла. На 1 кг природного гипса теоретически затрачивается 582,1 кДж теплоты.

Производство строительного гипса состоит из дробления, помола и термической обработки гипсовой породы. Помол может выполняться раньше, позже или одновременно с термической обработкой.

Дегидратация гипсового камня осуществляется в варочных котлах, шахтных, кольцевых и вращающихся печах. Наибольшее распространение получили гипсоварочные котлы (рисунок 3.1.)

Котел представляет собой стальной цилиндр с разборным днищем, обмурованный кирпичной кладкой. Внутри него проложены жаровые трубы. Для перемешивания гипса имеется специальная мешалка. Порошок гипса загружают в котел и варят обычно при температуре 140–150 °С в течение 90–120 мин при постоянном перемешивании. Для ускорения процесса варки может вводиться 0,1 % поваренной соли. Полученный полугидрат выдерживают в бункере томления, а затем помещают в силосы.

	Рисунок 3.1 − Гипсоварочный котел: 1 − топка; 2 − сферическое днище: 3 − жаровые трубы; 4 − стальной барабан; 5 − дымовые трубы; 6 − винтовой контейнер; 7 − крышка; 8 − кольцевые каналы; 9 − шибер; 10 – мешалка

Для замедления сроков схватывания применяют добавки гипса, серной кислоты, ЛСТ.

Высокопрочный (технический) гипс α-модификации CaSO₄ 0,5H₂O получают пропариванием в автоклавах или варкой в жидких средах.

По первому способу гипсовый камень в виде кусков размером 10-40 мм помещают в автоклав, в который подают пар под давлением 0,13 МПа и температуре 124 ⁰С. Время пропаривания составляет 5 часов. Затем давление в автоклаве снижают до атмосферного и подают топочные газы. Сушка гипсового камня продолжается 3-5 часов при температуре 120–140 ⁰С, который затем мелят в шаровых мельницах.

По второму способу термообработку порошка двуводного гипса ведут в растворе хлорида кальция или хлорида магния при температуре 105–115 ⁰С. Время варки длится 5–7 часов.

В получении вяжущего из фосфогипса важнейшим технологическим переделом является снижение в сырьевой смеси вредных примесей или их нейтрализация.

Изготовление гипсовых вяжущих из CaSO₄∙2H₂O фосфогипса состоит из его промывки для удаления P₂O₅ и других примесей, тепловой обработке в водной суспензии, фильтрации кристаллов α–CaSO₄∙0,5H₂O на вакуум-фильтре и помоле. Полученное фосфогипсовое вяжущее имеет предел прочности 30–50 МПа, начало схватывания 8–10, конец 10–15 минут.

По другой технологии фосфогипс не промывают. Кислоты нейтрализуют известковым молоком или водным раствором портландцемента. При этом фосфаты переходят в Ca₃(PO₄)₂ , а фториды – в CaF и нерастворимые силикаты и алюминаты. Затем выполняют термическую обработку.

Свойства гипсовых вяжущих. Истинная плотность строительного гипса составляет 2,6–2,7 г/см³ . Насыпная плотность в рыхлонасыпанном состоянии – 800–1100 кг/м³ , уплотнённом – 1250–1450 кг/м³ .

Водопотребность (стандартная консистенция) гипсового теста составляет 50–70 % от массы гипса. Для гидратации же гипса требуется всего 18,6 % воды. Избыточная вода испаряется и образует поры. Поэтому чем меньше воды идёт для затворения, тем прочность гипсового камня выше. Снизить количество воды можно введением извести, лигносульфонатов технических (ЛСТ), глюкозы, мелассы или декстрина.

По срокам схватывания гипс подразделяется на быстротвердеющий с началом схватывания не ранее 2 и не позднее 15 мин, нормальнотвердеющий – не ране 6 и не позднее 30 мин и медленнотвердеющий – не ране 20 мин и ненормированным концом схватывания.

Сроки схватывания гипса регулируются введением добавок. Для замедления применяют ЛСТ, кератиновый замедлитель, водный раствор столярного клея в количестве 0,1 % от массы гипса. Для ускорения вводят молотый гипсовый камень, поваренную соль, сульфат натрия в количестве от 0,2 до 3 %.

По тонкости измельчения гипс подразделяется: грубого помола с остатком на сите № 02 не более 23 %, среднего – не более 14 % и тонкого – не боле 2 %. Более тонкий помол повышает скорость гидратации и увеличивает его водопотребность.

По прочности гипс подразделяется на марки Г-2, Г-3, Г-4, Г-5, Г-6, Г-7, Г-10, Г-13, Г-16, Г-22, Г-25, определяемые испытанием образцов размером 40х40х160 мм через 2 часа от начала затворения на изгиб и сжатие. Прочность строительного гипса при сжатии составляет 4–6 МПа, высокопрочного – от 15 до 40 МПа и более. Прочность высушенных образцов увеличивается в 2–2,5 раза.

Прочность гипса можно повысить, уменьшив его водопотребность, старением путём увлажнения гипса паром, введением в процессе варки 0,1 % хлорида кальция.

Недостатком гипса является низкая водостойкость (коэффициент размягчения составляет 0,3–0,5). Её можно повысить введением портландцемента и активных минеральных добавок или доменных гранулированных шлаков.

При схватывании и твердении полуводный гипс увеличивается в объёме на 0,5–1 %. В большинстве случаев это является положительным свойством. Уменьшить расширение можно введением до 1 % негашеной извести или замедлителей схватывания. В дальнейшем при высыхании гипсовые изделия дают усадку около 0,05–0,1 %, что может вызвать появление трещин.

При эксплуатации в воздушной среде гипсовые изделия с β- и α-полуводного гипса долговечны. При длительном же воздействии воды они разрушаются. Плотные гипсовые изделия выдерживает 15–20 циклов замораживания и оттаивания.

Огнестойкость гипсовых изделий высокая. Они разрушаются после 6–, 8-часового нагрева.

Стальная арматура в гипсовых изделиях подвергается коррозии. Её необходимо защищать цементно-битумной или цементно-полистирольной обмазками.

При взаимодействии гипса с водой происходит схватывание и твердение по схеме

 

CaSO₄·0,5H₂O + 1,5H₂O = CaSO₄· 2H₂O

 

с образованием двуводного гипса.

В результате химических и физических преобразований пластичная масса начинает густеть, уплотняться, превращаясь в твёрдое тело. Гидратация заканчивается через 20–40 мин после затворения. К этому моменту достигается максимальная прочность гипсового камня во влажном состоянии.

Строительный гипс применяется для производства перегородочных плит и панелей, гипсокартонных и гипсоволокнистых листов, архитектурных изделий, стеновых камней, для известково-гипсовых растворов, ячеистых изделий.

Высокопрочный (технический) гипс как более дорогое вяжущее применяют в качестве составляющего для изготовления гипсоцементно-пуццоланового и гипсоизвестковошлакового вяжущих.

Гипсовые вяжущие обычно затариваются в бумажные мешки. При перевозке и хранении их следует защищать от увлажнения. Хранить долго не рекомендуется, т. к. снижается постепенно активность.