Сырье для производства гипсовых вяжущих веществ

Гипсовый камень - продукт измельчения горной породы осадочного (химического) происхождения, состоящей в основном из природного минерала - гипса (CaS042H20). Теоретический состав двуводного сульфата кальция, % по массе: СаО - 32,56; S03 - 46,51; Н20 - 20,93.

В природе гипс встречается чаще всего в виде трех минералогических разновидностей, отличающихся друг от друга своей кристаллической структурой:

• алебастр (гр. alabastros - белый) - плотный мелкозернистый минерал с сахаровидным изломом или крупнозернистый с беспорядочно ориентированными в пространстве кристаллами;

• селенит (гр. selen - луна) - волокнистый, сложенный из правильно расположенных нитевидных кристаллов минерал, имеющий характерный шелковистый отлив;

• гипсовый шпат - пластинчатый минерал с плоскими прозрачными кристаллами слоистой структуры.

Гипсовый камень и вяжущие вещества, получаемые в результате его переработки, имеют приближающийся к белому цвет.

Примеси могут придавать гипсу серый, желтоватый, розовый, бурый и другие оттенки. В качестве примесей в гипсе встречаются кварц, пирит, сера, карбонаты, бораты, глинистые и битуминозные вещества.

Гипсовый камень характеризуется следующими свойствами:

· прочность при сжатии - около 80 МПа,

· истинная плотность - 2200...2400 кг/м3,

· средняя плотность гипсового щебня в насыпном состоянии - 1300... 1600 кг/м3,

· твердость по шкале Мооса - 2.

Растворимость гипса в воде (г/л) в пересчете на сульфат кальция при температуре 20°С составляет 0,2; при 40 °С - 0,21; при 100 °С - 0,17.

Гипс используют преимущественно как сырье для производства низко- и высокообжиговых гипсовых вяжущих и в качестве добавки, вводимой при помоле клинкера портландцемента и его разновидностей с целью регулирования сроков схватывания. Другим направлением использования природного гипса является изготовление стеновых и перегородочных изделий, что обусловлено его низкой теплопроводностью: при 30 °С - 0,28...0,34 Вт/(м- °С).

Ангидрит - безводный сульфат кальция (CaS04), в природе обычно залегающий под слоями гипса. Химически чистый ангидрит содержит, % по массе: СаО - 41,2; S03 - 58,8. Ангидрит состоит из преимущественно мелких кристаллов, имеет белый с различными оттенками цвет и характеризуется прочностью 60...80 МПа, истинной плотностью 2,9...3,1 г/см3, твердостью 3...3.5. Применяется он для производства безобжиговых и высокообжиговых гипсовых вяжущих веществ, а также в качестве добавки для производства цемента.

Гипсосодержащие породы (глиногипс, гажа, арзик) состоят из трех основных компонентов: гипса, глины н карбонатов и представляют собой тонкодисперсную механическую смесь или рыхлые, слабосцементированные образования серого, желтоватого или бурого цвета.

Истинная плотность - около 2 г/см3, твердость по Моосу - менее 1. Кристаллическая структура - моноклинная, гексагональная и ромбическая. Химико-минералогическнй состав гипсосодержащих пород варьируется в широком диапазоне даже в пределах одного месторождения (содержание CaS04-2H,0 может изменяться от 30 до 70 %). Вяжущие вещества из гипсосодержащих пород по свойствам значительно уступают материалам, приготовленным из относительно чистого природного дву водного гипса. Поэтому их применяют для получения гипсовых вяжущих только в местах добычи, если нет более качественного сырья.

Гипсосодержащие отходы образуются во многих производствах химической, пищевой и других отраслях промышленности, а также при десульфатизации промышленных газов. Эти отходы представляют собой влажные порошки или шламы с характерным цветом и запахом, содержащие в той или иной форме значительное количество различных модификаций сульфата кальция.

В настоящее время известно более 50 видов гипсосодержащих отходов. Наиболее удобно их классифицировать по происхождению. Впервые такая классификация была предложена Ю.Г. Мещеряковым. В соответствии с ней попутные продукты, содержащие сульфат кальция, образуются:

• в производстве минеральных кислот: ортофосфорной (фос-фогипс и фосфополугидрат), ортоборной (борогипс) и плавиковой (фторангидрит); органических кислот: лимонной (цит-рогипс), виннокаменной (тартратогипс), молочной и муравьиной;

• при химической переработке древесины (гидролизный гипс);

•при производстве комплексных удобрений из минералов и горных пород, относящихся к группе сложных сульфатов (каинит, полигалит и др.);

• при обработке водных растворов некоторых солей: FeS04 (крем негипс), СаС12 и др.;

• при очистке промышленных газов, содержащих S03 (сульфо-гипс);

• при обработке водных растворов кислот, образующихся, например, при производстве диоксида титана (титаногипс), синтетических волокон и др.;

• при производстве солей из озерной рапы, морской и океанической воды (рапной гипс);

• при производстве витаминов (витаминный гипс).

Наибольший интерес для производства гипсовых вяжущих представляют крупнотоннажные отходы химической промышленности: фосфогипс, борогипс, фторгипс, титаногипс. Указанные отходы тонкодисперсны, имеют удельную поверхность 400...700 м2/кг, истинную плотность 2200...2400 кг/м\ насыпную плотность в сухом состоянии 400...800 кг/м3.

Гипсосодержащие отходы, как правило, содержат значительное количество влаги (15...150%), а также различное количество водорастворимых кислот и других вредных примесей, негативно влияющих на сроки схватывания и другие свойства получаемых вяжущих веществ. Поэтому прежде чем использовать отходы для производства гипсовых вяжущих веществ, их необходимо высушивать, производить промывку или нейтрализацию вредных примесей, что приводит к увеличению энергозатрат и усложняет технологический процесс производства. Другим недостатком этих отходов является неоднородность их химического и минералогического состава даже в условиях одного отдельно взятого предприятия.

Указанные недостатки сдерживают применение гипсосодержащих отходов в качестве сырья для производства гипсовых вяжущих веществ и в качестве добавки для производства портландцемента. Однако в последние годы в нашей стране и за рубежом накоплен значительный опыт в этой области. Полученные результаты показывают возможность и перспективность переработки гипсосодержащих отходов (прежде всего фосфогипса) в вяжущие вещества.

Дегидратация гипсового камня (гипса)

строительный гипс обжиг дегидратация

В основе получения всех гипсовых вяжущих лежит способность двуводного сульфата кальция дегидратироваться с изменением состава и структуры. В зависимости от степени нагрева получаемый продукт обладает различной растворимостью в воде, превращаясь в итоге в нерастворимое, «намертво обожженное» состояние. Регулируя температуру тепловой обработки, можно получить различные гипсовые вяжущие, отличающиеся строительно-техническими свойствами. Кроме того, степень дегидратации двуводного гипса зависит от длительности тепловой обработки и давления водяных паров.

При температуре 100 - 140°С двуводный гипс сравнительно быстро дегидратируется до полугидрата

С повышением температуры до 200°С процесс обезвоживания ускоряется. Гипс постепенно переходит в безводную модификацию - обезвоженный полугидрат, который в свою очередь при дальнейшем повышении температуры превращается в растворимый ангидрит. При этом полуводный гипс, как и последующие две его безводные модификации, могут существовать в виде а- и b-модификаций, отличающихся по структуре. а-полугидрат образуется при температуре чуть выше температуры кипения воды, но при повышенном давлении водяного пара. Отщепляемая вода удаляется из гипса в жидком состоянии и не вызывает разрыхления или разрушения зерен. Получаются плотные кристаллы полугидрата с гладкой поверхностью. b-полугидрат получают при атмосферном давлении, вода при дегидратации выходит в виде пара, что приводит к сильному механическому диспергированию зерен, образованию шероховатого «изъеденного» рельефа поверхности с большим количеством трещин и капилляров. На рисунке 2 показаны химические превращения гипса при нагревании.

Рисунок 2. Химические превращения гипса при нагревании

Чем выше температура и ниже давление водяного пара, тем мельче получаемые кристаллы. Структурные отличия определяют особенности свойств а- и b-модификаций полуводного гипса. b-полугидрат отличается повышенной растворимостью, большей скоростью гидратации, но для получения подвижного гипсового теста он требует большего количества воды (50 - 70% от массы гипса по сравнению с 30 - 45% для а-полугидрата) и соответственно имеет меньшую прочность. Обезвоженные полугидраты по структуре близки к полугидратам, но отличаются несколько большей (на 5 - 6%) водопотребностью. Растворимые ангидриты требуют воды на 25 - 30% больше, чем полугидраты, и дают камень меньшей прочности. Поэтому следует избегать образования растворимого ангидрита при тепловой обработке гипсового камня. Начиная с 350°С, растворимый ангидрит переходит в нерастворимый «намертво обоженный», который практически не взаимодействует с водой и не твердеет.

При температурах более 800°С начинается частичная диссоциация сернокислого кальция и в составе продукта обжига появляется свободная известь.

Список литературы

1. Ю.М. Бутт, М.М. Сычев, В.В. Тимашев «Химическая технология вяжущих материалов». - Москва ВШ 1980 г.

. А.В. Волженский, А.В. Ферронская «Гипсовые вяжущие и изделия». - Москва 1974 г.

. А.В. Волженский «Минеральные вяжущие вещества». - Москва 1986 г.

. М.Я. Сапожников, Н.Е. Дроздов Справочник по оборудованию вводов строительных материалов. - Москва 1970 г.