Совершенствование технологии производства высокопрочного гипса

Целью исследования, проведенного на базе кафедры строительных материалов Пермского политехнического института в условиях действующего предприятия, изготавливающего низкомарочное гипсовое вяжущее, было изучить все доступные факторы качества высокопрочного гипса и найти наиболее эффективный путь развития технологии данного производства.

Следует отметить, что заводов по производству высокопрочного гипсового вяжущего вещества марки Г-20 и выше с высокой производительностью, например, 30 тысяч тонн в год или более, не имеется в нашей стране и в Европе. Между тем полученные результаты исследований позволили выдать техническое задание на проектирование, а затем осуществить и строительство соответствующего цеха на Пермском заводе гипса и гипсовых изделий, который и послужил площадкой для исследования.

Для решения поставленных задач исследователем была принята рабочая гипотеза, заключающаяся во внимании к следующим факторам, определяющим качество высокопрочного гипса:

• Использовать сырье — гипсовый камень, частично или полностью обогащенный за счет удаления из него глины и песка при разработке месторождения, хотя и с сохранением в ограниченных количествах других сопутствующих примесей из известняков, магнезитов, доломитов, ангидрита и др.;
• Принять за основу в технологии производства высокопрочного гипса гидротермальную обработку сырья в автоклаве и обусловить ее оптимальным повышением давления пара с соответствующим повышением температуры;
• Пользоваться фракционным составом гипсового щебня с предельно возможным минимумом его удельной поверхности с тем, чтобы при гидротермальной обработке в автоклаве образовывалось вторичного двугидрага в самых минимальных количествах, как вредного компонента, снижающего прочность готовой продукции;
• Перевести остаточные двугидраты и вновь образовавшиеся включения вторичных двугидратов после гидротермальной обработки, суша и измельчения с помощью повторного осторожного нагрева при 110-170 °С и атмосферном давлении, в полугидрат сульфата кальция, который в малых количествах является практически безвредным для высокопрочного гипса;
• Получить уплотненную порошкообразную смесь крупнокристаллического альфа-полугидрата с малым количеством (до 0,5-1,0%) мелкокристаллического гипса;
• Использовать эффективные способы нагрева с минимальным расходом теплоты и электроэнергии для сушки, измельчения и повышения однородности порошкообразного высокопрочного гипса, — тогда, при строгом соблюдении этих условий, гарантируется возможность массового выпуска высокопрочного гипса альфа-модификации полугидрата улучшенного качества (не ниже Г-20) из сырья I-III сортов, причем технология его получения окажется весьма эффективной в технико-экономическом отношении при максимально возможном использования оборудования, ранее выпускавшего низкомарочные гипсовые вяжущие Вещества, с сохранением его высокой производительности.

В качестве сырьевых материалов, на основе которых производились исследования, были выбраны пробы гипсового камня 9 месторождений, доставленных из различных регионов, в том числе из Самарской области. Гипсовый камень этих месторождений отличается различным составом, различной морфологией кристаллического сростка, а также количеством и видом примесей. Получение альфа-полугидрата в лабораторных условиях осуществляли в автоклаве емкостью 18 л с электрообогревом, снабженным автоматическим регулятором давления и указателем температуры.

С целью оптимизации режимов сушки и сокращения расхода тепловой энергии специально для исследования был разработан принципиально новый импульсно-вакуумный метод сушки в том же автоклаве, где производилась обработка гипсового камня, без перегрузки продуктов дегидратации. Сущность метода заключается в том, что сушку осуществляли при температуре 110-150°С путем попеременного воздействия инфро-красного излучения и вакуума при давлении 0,04-0,065 МПа до полного удаления отщепленной воды.

Структурные и генетические особенности гипсового камня и гипсовых вяжущих исследовали с помощью микроскопического анализа на поляризационном микроскопе, также было использовано термограммирование, динамическое взвешивание в процессе нагревания, спектральный анализ и другие точные методы.

Учитывая, что на качество и количество альфа-полугидрата существенное влияние могут оказывать как фракционный состав природного камня, так и режимы гидротермальной обработки, в лабораторных условиях были проведены исследования по отработке оптимальных технологических параметров производства высокопрочного гипсового вяжущего.

Анализ полученных данных свидетельствует о значительном влиянии гранулометрического состава и режимов автоклавирования на процесс разложения CaSO4•2H2O и скорость прохождения этого процесса, а также на содержание остаточной гидратной воды в продукте. При низком давлении пара (0,2-0,3 МПа) процесс отщепления кристаллизационной еоды принимает длительный характер и при выбранной продолжительности обработки камня не заканчивается. Удлиняется и процесс сушки, так как исходная температура не высокая. При давлении 0,7-0,9 МПа изотермическая выдержка составляет соответственно 6-4 часа, а сушка интенсифицируется. Качество продуктов гидротермальной обработки также возрастает.

Максимальный выход альфа-полугидрата зафиксирован с минимальным содержанием вторичного двугидрата при обработке гипсового камня с размером кусков 90-120 мм, когда давление пара составляет 0,7 МПа, а продолжительность изотермической выдержки — 6 часов. Присутствие в продукте гидротермальной дегидратации гипсового камня двугидрата сульфата кальция в количестве до 4-5% приводит к потере до 48% прочностных показателей гипсового вяжущего.

Импульсно-вакуумная сушка при температуре 125-135 °С без перегрузки из автоклава продукта дегидратации способствует повышению прочности вянущего на 8-19% по сравнению с совмещенной сушкой. Упрочнение происходит за счет меньшего количества остающегося вторичного двугидрата сульфата кальция (в основном на поверхности кусков).

Вторичный прогрев до 120-140 °С молотого дегидратированного и высушенного в автоклаве продукта является эффективной операцией с переводом оставшегося, вторичного двугидрата в альфа-полугидрат. Перевод этого двугидрата в альфа-полугидрат сульфата кальция на данной стадии технологии относительно улучшает сроки схватывания, объемное расширение, водопотребность и прочие показатели вяжущего. Присутствие же в готовой продукции высокопрочном вяжущем альфа-полугидрата в количестве 4-5% не оказывает существенного влияния на его физико-технические показатели, а при меньших количествах (0,5-1%) оказывает позитивное влияние на качество и структуру отвердевшего искусственного гипсового камня, в частности, за счет уплотнения порошкообразного и тестообразного гипса.

Применяя отмеченные выше технологические приемы, можно избежать необходимости использования каких-либо химических добавок, упрочняющих и уплотняющих микроструктуру, которые, как правило, являются дефицитными, дорогостоящими и усложняют технологический процесс. Таким образом, практическое применение результатов исследования позволяют организовать эффективное производство высокопрочного гипса и значительно повысить его выработку.