Высокопрочный гипс

Введение

Гипс - древнейший строительный материал, известный со времен строительства знаменитых египетских пирамид. Его по праву ценили и ценят за быстрый набор прочности, архитектурную выразительность и высокие тепло- и звукоизоляционные свойства, пластичность и экологичность как при производстве, так и в работе с гипсом, строительными смесями на его основе.

В настоящее время нашей промышленностью выпускаются: гипс строительный обыкновенный – варочный, иногда называемый формовочным, жженный гипс (ранее назывался штукатурным); гипс высокопрочный, иногда неправильно называемый техническим.

Гипс не имеет запаха и является строительным материалом, безвредным для здоровья.

Гипс - это негорючий и огнестойкий материал, удовлетворяющий самым строгим требованиям пожарной безопасности.

Его важнейшим свойством является способность поглощать избыточную влагу и выделять её в окружающую среду при её недостатке, что  способствует установлению оптимального микроклимата в помещениях, что и легло в основу производства сухих смесей и изделий, предназначенных для внутренней отделки и при производстве строительных работ.

Гипс является очень распространенным материалом во всем мире и используется во многих областях народного хозяйства, как например, в строительстве, в химической, машиностроительной, цементной, текстильной, винодельной, керамической и других отраслях промышленности, а также в сельском хозяйстве и медицине.

В данной курсовой работе гипс рассматривается только как мате­риал, предназначенный для строительных целей, где область его применения должна быть весьма обширна и где он может и должен оказать неоценимую услугу строителям.

Человечеством накоплен огромный опыт в области производства и использования гипса. Однако его возможности все еще не исчерпаны. Более того, за последние десятилетия производство и применение гипса в высокоразвитых странах непрерывно возрастают. 

Современная технология гипсовых вяжущих и изделий из них – одна из самых высокопроизводительных в строительной индустрии. 

Положительные свойства гипсовых изделий – малая объемная масса, достаточная прочность, огнестойкость, биостойкость позволяют вести строительство в наиболее экономичных, облегченных вариантах конструктивных решений, используя гипсовые изделия для огнезащиты строительных конструкций. 

Гипсовые изделия в конструктивном аспекте выполняют функции облицовочных и перегородочных элементов, а в строительном и техническом – тепло и звукоизоляционных материалов. Достаточно широкая область использования гипса – отделочные материалы: самовыравнивающиеся быстротвердеющие массы для напольных покрытий, в качестве вяжущего для заделки швов, для клеев, шпатлевок, грунтовок.

Сейчас ученые предложили ряд но­вых технологических процессов производства полуводного гипса, позволивших значительно повысить прочность гипсовых изделий. Гипс среди эффективных строительных материалов занимает одно из ведущих мест. Это обусловлено большими запасами гипсового сырья, низкой топливо- и энергоемкостью производства, технологичностью материалов и конструкций и высокими их эксплуатационными и эстетическими свойствами. На изготовление 1 т изделий из гипса удельных капитальных вложений требуется в два раза меньше, а электроэнергии в четыре раза меньше, чем на получение 1 т изделий из цемента.

    Основная масса выпускаемых гипсовых вяжущих используется в строительстве. Их применяют при производстве штукатурки, перегородочных стеновых плит и панелей, вентиляционных коробов, работающих при относительной влажности воздуха менее 65%. Гипсовые изделия обладают невысокой плотностью, негорючестью и рядом других ценных свойств.

1. Номенклатура продукции.

Между тем среди огромной номенклатуры строительных материалов гипс по своим свойствам, технологичности производства вяжущих веществ и изделий, при выгодных экономических показателях применения в строительстве имеет значительные потенциальные возможности в условиях современного строительства. Чем обусловлены перспективы развития гипсовой промышленности? Мировые запасы природного гипсового сырья оцениваются миллиардами тонн, важными источниками являются также гипсосодержащие отходы различных отраслей. Ведущее место по разведанным запасам гипсового природного сырья принадлежит России. Крупными запасами располагают США, Канада, Франция, Саудовская Аравия, Китай, Индия, Австрия. Общий объем добычи гипсового камня в мире оценивается примерно в 112 млн. т в год. США потребляют ежегодно около 23 — 24 млн т гипсового камня. В России до 90-х годов перерабатывалось примерно 10 млн т в год. Суммарная добыча гипса, по данным В .А. Терехова, Ю.Д. Буянова, М.М. Лопатникова, за 2000г. составила около 4 млн т. Ощущается дефицит качественного гипсового камня, поскольку перед производственниками всегда стояла задача получения гипсового вяжущего с теми или иными потребительскими свойствами. Номенклатура изделий на основе гипса разнообразна. Это в первую очередь гипсовые вяжущие, гипсокартонные листы, плиты, панели перегородок, акустические, отделочные плиты, различные утеплители, сухие смеси и т. д. Хорошие перспективы имеет использование гипсового камня как облицовочного материала для внутренних помещений зданий и сооружений. Выпускается формовочный и медицинский гипс. Существенные объемы гипсового камня используются в производстве цемента. Таким образом, гипс — материал многоцелевого применения. А в жилищном строительстве использование гипса и изделий на его основе трудно переоценить. Возможности многоцелевого использования гипса в строительстве обоснованы многолетними исследованиями отечественных ученых и производственников. Еще в годы послевоенного строительства научной школой А.В. Волженского были разработаны гипсоцементно-пуццолановые вяжущие, позволившие преодолеть серьезный недостаток гипса — малую водостойкость и большую деформативность. Эти разработки открыли путь к массовому производству изделий и деталей для жилищного строительства. Далее совершенствование вяжущих на основе гипса позволило получить ГЦПВ нового поколения — водостойкие гипсовые вяжущие низкой водопотребности, названные композиционными гипсовыми вяжущими. Эти работы были выполнены в МИСИ—МГСУ под руководством А. В. Ферронской. В Уральском политехническом институте под руководством А.А. Антипина создана технология получения водостойких гипсовых вяжущих с использованием кислых шлаков и добавками извести и пуццоланов. Водостойкие гипсовые вяжущие стали основой для использования наружных конструкций в сборном и монолитном строительстве, в том числе и несущих конструкциях. Широкая номенклатура изделий из водостойких гипсовых вяжущих - плиты, панели перегородок, основания под полы, сантехкабины, вентиляционные блоки, конструкции для инженерных коммуникаций выпускаются на многих предприятиях.

Гипс (гипсовое вяжущее) — вяжущий строительный материал который можно получить из природного двуводного гипса (СаSO4∙2H2O) называемого гипсовым камнем, природного ангидрида СaSО4 и некоторых отходов промышленности (фосфогипс, а также сульфат кальция, образующийся при химической очистке дымовых газов от оксидов серы с использованием известняка).

В зависимости от температуры тепловой обработки сырья, гипсовое вяжущие разделяют на 2 группы: низкообжиговые (до 2500 С) и высокообжиговые (свыше 4500 С), к низкообжиговым гипсовым вяжущим относятся строительный, высокопрочный и формовочный гипс.

Строительный гипс изготавливают путем отжига гипсовой породы в варочных котлах с предварительным размалыванием. При этом он теряет часть химически связанной воды, превращаясь в полуводный сульфат кальция [β -модификация (β-полугидрат) Cа SO4∙0,5H2O. Основной проблемой и недостатком строительного гипса (β-полугидрат) является наличие большого количества свободной воды в затвердевшем гипсе.

Дело в том, что для гидратации гипса (процесс твердения) нужно около 20% воды от его массы, а для получения пластичного гипсового теста 50-60%. Соответственно после затвердевания такого раствора в нем остается 30-40% (от массы гипса) свободной воды. Этот объем воды образует поры, временно занятые водой, а это в свою очередь отражается на прочностных характеристиках материала. Для увеличения прочности (в 1,5-2 раза), готовые гипсовые изделия подвергают сушке.

Высокопрочный гипс получают путем кипячения его в водных растворах некоторых солей с последующей сушкой и измельчением в тонкий порошок и путем термической обработки высокосортного гипсового камня в герметичных аппаратах под давлением пара (автоклав). В этом случае решается проблема снижения водопотребности гипса и соответственно при твердении образуется менее пористый и более прочный камень. Полученный в данном случае гипс имеет другую кристаллическую модификацию полуводного гипса (α-полугидрат) с водопотребностью 35-40%.

По ГОСТ 4013—68 для изготовления высокопрочного гипса можно применять лишь гипсовый камень первого сорта, содержащий не менее 90% CaSO4-2H20. Однако лучшие сорта высокопрочного гипса получают при использовании сырья с 95—97% двугидрата и более.

Высокопрочный гипс должен удовлетворять следующим условиям:

1.      Содержание гидратной воды – 5 – 6%.

2.      Тонкость помола – остаток на сите № 02 (918 отв/см2) – 0%; остаток на сите № 008 не более 15%.

3.      Сроки схватывания: начало не ранее 5 мин; конец не ранее 8мин.

4.      Предел прочности при сжатии: через 1ч – не менее 100 кгс/см2; высушенных до наименьшего веса – не менее 300 – 400 кгс/см2.

При растяжении – через 1 ч – не менее 20 кгс/см2 , высушенных до наименьшего веса – не менее 40 кгс/см2.

По прочности высокопрочный гипс в 3 – 4 раза превосходит гипс строительный обыкновенный, почему он и получил свое название. Ранее высокопрочный гипс называли еще техническим. Такое название не правильно: по существу, оно затемняет основное свойство этого гипса – высокую прочность.

В настоящее время в России и СНГ лидером по производству качественного высокопрочного гипса является Самарский гипсовый комбинат. (марки ГВВС-13, ГВВС-16).

Формовочный гипс получают путем определенной механической «доработки» строительного гипса, подвергая его дополнительному размалыванию и просеиванию. В качестве формовочного гипса мы предлагаем своим клиентам гипс производства Пешеланьского гипсового завода марки Г6 БIII.

К высокообжиговым относятся: ангидритовое вяжущее вещество, экстрих-гипс.

Эстрих-гипс получается путем обжига природного гипсового камня при 800 - 1000°С с последующим измельчением в тонкий порошок. Высокообжиговый гипс схватывается и твердеет медленно. Его схватывание должно наступать не ранее 2 ч; конец схватывания не нормируется. Делится этот гипс на три марки: 100, 150, 200. Применяется он для изготовления строительных растворов, бесшовных полов и др.

Ангидритовое вяжущее получают обжигом природного двуводного гипса при температуре 600…700°С с последующим его измельчением с добавками — катализаторами твердения (известью, смесью сульфата натрия с медным или железным купоросом, обожженным доломитом, основным доменным гранулированным шлаком и др.). Ангидритовое вяжущее можно получить также путем помола природного ангидрита с указанными выше добавками.

Технические параметры гипса:

Марку гипса определяют испытанием на сжатие и изгиб стандартных образцов - балочек 4×4×16 см спустя 2 часа после их формования. За это время гидратация и кристаллизация гипса заканчивается. По ГОСТу 129-79 установлено 12 марок гипса по прочности от Г2 до Г25 (цифра показывает нижний предел прочности при сжатии данной марки, единица измерения МПа.     Маркировка гипсового вяжущего осуществляется по трем основным показателям — скорости схватывания, тонкости помола и прочности:

например гипсовое вяжущее Г-7А II

-быстротвердеющее (А), среднего помола (II), прочность на сжатие не менее 7 МПа

Для гипсового вяжущего определяющими являются начало и конец схватывания. По этим параметрам гипс делят на три группы (А, Б, В). Данные представлены в табл. 1.1

Таблица 1.1

По тонкости помола, определяемой максимальным остатком пробы гипса при просеивании на сите с отверстиями 0,2мм, гипсовые вяжущие делят на 3 группы. Это видно из таблице 1.2

Таблица 1.2

Окраска гипса зависит от наличия в нем примесей в частности оксида железа.

Истинная плотность 2650-2750 кг/м3

Насыпная плотность 800- 1100 кг/м3

Плотность затвердевшего гипсового камня 1200-1500 кг/м3

Нормальная густота выражается в % как отношение массы воды, необходимой для получения гипсового теста стандартной консистенции, к массе гипсового вяжущего.

    Для приготовления однородной массы сметанообразной консистенции, в холодную воду постепенно надо добавлять гипс и быстро перемешивать. В зависимости от вида гипса на 1кг гипсового вяжущего используется следующее количество воды. Для высокопрочного гипса данные представлены в      таблице 1.3

Таблица 1.3

Для строительного гипса данные представлены в таблице 1.4

Таблица 1.4

Допускается увеличение количества воды до 10% от массы вяжущего.

Лучшее качество работы достигается при применении раствора до начала схватывания.  Сильно застывшую массу нельзя вновь разводить водой и применять для работ. Удлинение сроков схватывания раствора достигается путем добавки в воду до затворения раствора клея (столярного, обойного), сульфатноспиртовой барды (ССБ), технических лигносульфонатов (ЛСТ), кератинового замедлителя, борной кислоты, буры и полимерных дисперсий (например, ПВА). Для сокращения сроков схватывания раствора может использоваться в небольшом количестве поваренная соль. Количество добавок определяют опытным путем. Все зависит от вида вяжущих, их нормальной густоты и желаемого результата.

Сравнительные характеристики технических параметров гипсов представлены в таблице 1.5

Таблица 1.5

Гипс – единственный в настоящее время искусственный материал, обеспечивающий оптимальный температурно-влажностный режим в любом помещении, в любых климатических условиях. 

С появлением высокопрочного гипса и смешанных гипсов номенклатура и область применения гипсобетонных изделии значительно расширились; поэтому эти изделия в значительной мере могут заменить кирпич, цемент и дерево.

2. Технологическая часть

2.1 Выбор способа и технологическая схема производства

Существовавшая до последнего времени технология производства полуводного гипса в напольных, камерных, шахтных и вращающихся печах, а также в варочных котлах не имела благоприятных перспектив для значительного повышения прочности полуводного гипса; поэтому исследовательская мысль была направлена на изыскание нового технологического процесса, обеспечивающего получение гипса высоких марок.

В результате проведенных научно-исследовательских экспериментов появились два принципиально новых предложения: 1) обрабатывать гипс насыщенным водяным паром при избыточном давлении и 2) получать полуводный гипс путем варки в жидких средах. Получение высокопрочного гипса путем пропаривания гипсовой щебенки при избыточном давлении заинтересовало технологов больше, нежели варка его в жидких средах; поэтому последовал целый ряд различных вариантов способа получения гипса при избыточном давлении.

Некоторые из этих вариантов прошли проверку в производственных условиях и были оценены с точки зрения рекомендации их к внедрению в промышленность. Впервые в СССР опытная установка по предложению кандидата технических наук И. А. Передерия была сооружена в 1938г. в Москве на Краснопресненском силикатном заводе. В феврале 1938г. на этой установке, работавшей под руководством автора предложения, был получен полуводный гипс высокой активности, названный И. А. Передернем «высокопрочный гипс ГП». Изучением опыта производства и строительных свойств гипса ГП занимались: экспериментальная станция Московского городского управления промышленности стройматериалов и научно-исследовательская и экспериментальная станция Моссовета.

Исследования подтвердили предложения И. А. Передерни о возможности получить гипс более высокой активности; одновременно было установлено, что гипс ГП обладает способностью сохранять литейные свойства при 35—40% воды затворения вместо обычных 55—70% для полуводного гипса. При 30% воды затворения гипсовые кубики в высушенном состоянии приобретали прочность на сжатие, доходящую до 250 кг/см2. Это было новостью, так как такой прочностью, получаемой обычными способами, полуводный гипс не обладал, если образцы изготовлялись из теста нормальной густоты.

В данной курсовой работе способ получения высокопрочного гипса и технологическая схема основываются на методику И. А. Передерия.

2.2 Описание принятой технологии и организации производства

Технологическая схема производства высокопрочного гипса состоит из следующих операций:

1. Природный гипсовый камень дробится в щебенку толщиной не более 50мм. Образующаяся при дроблении мелочь отсеивается. Она может быть использована для удобрения сельскохозяйствен­ных полей пли в качестве добавки b количестве до 30 вес. % к про­паренной щебенке при высушивании ее в сушильном барабане, но это незначительно снижает качество получаемого при этом высокопрочного гипса (гипс может быть отнесен ко второму сорту).

Может быть принят и другой размер щебенки. Соответственно с ним должно быть определено и время для термической обработки (пропаривания) щебенки в автоклаве: чем крупнее щебенка, тем больше должно быть время пропаривания.

Оптимальной является щебенка размером 10—50 мм. Такой толщины щебенка может быть получена из кусков гипсового кам­ня диаметром около 20см, пропущенных через челюстную дро­билку с максимальной шириной выходной щели 70мм.

2. Приготовленную гипсовую щебенку загружают в автоклав (рис. 2.1.1), представляющий собой цилиндр 1 из восьмимиллиметро­вой листовой стали с обмуровкою 11, предотвращающей теплопотери. Сверху цилиндр закрыт сферической частью 2, в которой имеет­ся люк 3 для загрузки щебенки в автоклав. В верхнюю же крышку автоклава вварен патрубок 4 для впуска и выпуска пара (тройник), а также штуцер 5 для термометра.

Внизу автоклава имеется аналогичная верхней сферическая, но открывающаяся вниз часть 6. Сверху её имеется решетка 7, на ко­торой во время пропаривания находится щебенка 8. Под этой ре­шеткой скапливается конденсат 9, выпускаемый из автоклава че­рез штуцер 10.

Снаружи автоклав в целях теплоизоляции обычно обмуровыва­ется глиняным раствором в смеси с трепелом и отходами асбеста. Автоклав имеет кронштейны 12 для крепления его на перекрытии. Над автоклавом обычно находится бункер с готовой щебенкой, ко­торая попадает в люк 3 по специальной течке или парусиновому рукаву.