Гіпсові в'яжучі відомі з давніх часів, вони застосовувалися при будівництві багатьох історичних споруд (стін Єрихона, піраміди Хеопса, Помпеї і ін.) І широко застосовуються в сучасному будівництві. В останні роки, завдяки низькій енергоємності, широкому розповсюдженню гіпсової сировини, унікальним фізико-механічними властивостями, можливості організації виробництва виробів на автоматизованих потокових технологічних лініях значення гіпсових в'яжучих зростає.
Залежно від температури випалу гіпсові в'яжучі поділяють на нізьковіпалювані і вісоковіпалювані.
Нізьковіпалювані в'яжучі одержують при температурі 140180 ° С, а вісоковіпалювані - при 650-1000 ° С. До нізьковіпалюваніх відносять будівельний гіпс, високоміцний або технічний гіпс, формувальний і медичний гіпс. До вісоковіпалюваніх в'яжучих відносяться ангідрітові цементи, а також ЕСТРИХ-гіпс.
Витрата палива при виготовленні однієї тонни будівельного гіпсу більш ніж в 4 рази, а сумарні витрати енергії майже в 5 разів нижче, ніж при виробництві однієї тонни портландцементу. Вироби, що випускаються на основі гіпсових в'яжучих, відрізняються гігієнічністю, порівняно невеликий середньою щільністю, високою тепло - і звукоізолюючі здатністю, вогнестійкість, архітектурною виразністю, високими техніко-економічні показники.
Як сировину для виготовлення гіпсових в'яжучих застосовують природні і штучні матеріали, головною особливістю яких є наявність в їх складі мінералів гіпсу або ангідриту. Перший представлений двоводного сульфатом кальцію (дегідратів) - CaSO4 · 2H2O, другий - безводним CaSO4 (ангідрітом).
Для отримання гіпсових в'яжучих найчастіше застосовують гіпсовий камінь - щільний кристалічний різновид гірських порід, що складається з гіпсу, а також піщаних і глинистих домішок.
Основною технологічною операцією виробництва гіпсових в'яжучих є теплова обробка матеріалів, що містять двоводного гіпс (дигідрат).
При нагріванні процес дегідратації двоводного гіпсу проходить в 2 стадії:
1) CaSO4⋅2H2O → CaSO4⋅0,5H2O + 1,5H2O,
2) CaSO4⋅0,5H2O → CaSO4 + 0,5H2O.
У рідкому середовищі, а також у середовищі насиченої пари - температура I-й стадії - 115 ° С, в середовищі ненасиченого пара - 107 ° С.
В атмосфері насиченої пари або в рідкому середовищі в результаті першої стадії дегідратації гіпсу утворюється α - напівгідрат (α-CaSO4⋅0,5H2O). Кристали α - полугидрата мають чітку форму, відносно великі, мають мало дефектів. Вони, переважно, утворюють високоміцний або технічний гіпс.
В атмосфері ненасиченого пара в результаті виділення з гіпсу кристалізаційної води в пароподібному стані утворюється β-напівгідрат (β-CaSO4⋅0,5H2O) на основі якого виготовляють найбільш поширене гіпсове в'язке - будівельний гіпс. Кристали β-напівгідрату більш дисперсні, мають високу питому поверхню, велика кількість дефектів в кристалічній решітці. При замішуванні з водою β-напівгідрат вимагає більшу кількість води, ніж α-напівгідрат, чим і пояснюється низька міцність штучного каменю на його основі.
Для освіти гіпсового тесту нормальної густоти на основі α-напівгідрату потрібно - 40. 50% води, а на основі βнапівгідрату - 60. 70%. Гіпсовий камінь з α-напівгідрату значно міцніше ніж з β-напівгідрату внаслідок низької пористості.
Найбільшого поширення для виробництва будівельного гіпсу придбали гіпсоварільні котли періодичної дії. Вони відрізняються простотою обслуговування, зручністю регулювання і контролю режиму випалу. У процесі зневоднення гіпсу в виручених котлах він не стикається з газовим потоком і безперервно перемішується. До недоліків цих агрегатів слід віднести періодичність роботи, швидку зношуваність елементів корпусу котла, складність уловлювання пилу.
При проектуванні потужних технологічних ліній для виробництва будівельного гіпсу часто застосовується випал в обертових печах. У таких печах обпалюють шматки гіпсового каменю величиною до 35 мм. Після випалу в печах напівводяний гіпс направляють на помел в кульові млини.
Ангідрітові в'яжучі одержують випалюванням гіпсової сировини при 600. 700 ° С до перекладу двоводного гіпсу в безводний сульфат кальцію (ангідрит) і подальшим введенням при помелі або з водою замішування різних добавок активаторів. Як добавки-активізатори твердіння ангідритових в'яжучих використовують вапно (2. 5%), основний доменний шлак (10. 15%), доломіт випаленої (3. 8%), сульфат натрію (0,6%) та ін. Потреба в добавках- актівізаторах зменшується і може повністю виключатися зі збільшенням тонкості помелу ангідритових в'яжучих.
При отриманні ЕСТРИХ-гіпсу - в'яжучого, що складається з ангідриту і продукту його часткового розкладання оксиду кальцію, випал виконується при температурі 900. 1000 ° С. Наявність в ЕСТРИХ-гіпсі певної кількості оксиду кальцію дає можливість не вводити в в'яжучий інші добавки, що активізують твердіння.
До змішаних (водостійких) гіпсових в'яжучих відносяться гіпсоцементнопуцоланові (ГЦПВ) і гіпсоцементношлакові (ГЦШВ) в'яжучі, а також композиційні гіпсові в'яжучі (КГВ) низькою водопотреб.
До складу ГЦПВ входять 50. 70% будівельного гіпсу, 15. 25% портландцементу і 10. 25% пуцоланових добавок (трепел, опока диатомит і ін.).
Технологічна схема отримання композиційних гіпсових в'яжучих низькою водопотреб (КГВ) відрізняється введенням до складу в'яжучого добавок суперпластифікатора і, при необхідності, сповільнювач схоплювання. Для поліпшення властивостей в'яжучого кремнеземистого компонента з добавками піддається механічній активації в млині і отриманий органомінеральний модифікатор змішується з гіпсовим в'яжучим.
З численних гіпсовмісніх відходів найбільшого промислового значення як сировина для виробництва гіпсових в'яжучих придбав фосфогіпс - відхід сернокислой переробки апатитів або фосфоритів в фосфорну кислоту або концентровані фосфорні добрива.
Твердіння гіпсових в'яжучих є результатом складних фізико-хімічних процесів гідратації і структуроутворення, що призводять до формування штучного каменю. Для гіпсових нізьковіпалюваніх в'яжучих, які складаються переважно з полугидрата CaSO4 · 0,5H2O, визначальним хімічним процесом при твердінні є реакція гідратації і освіти дигидрата:
CaSO4 · 0,5H2O + 1,5H2 О = CaSO4 · 2H2O + Q.
Ця реакція екзотермічна, як і інші реакції гідратації, на 1 моль полугидрата виділяється 19,3 кДж теплоти (Q), на 1 кг - 133 кДж.
Згідно сучасних експериментальних даних розвиток структури твердіння гіпсу протікає в два етапи. Протягом першого формується каркас кристаллизационной структури з виникненням контактів зрощення між кристалами новоутворень. Протягом другого етапу відбувається обростання каркаса і росту кристалів, які його складають. Це призводить до підвищення міцності, але за певних умов може бути і причиною появи внутрішніх напружень. Найбільша кінцева міцність обумовлюється виникненням кристалів новоутворень достатньої величини при мінімальних напругах, які супроводжують формування і розвиток кристаллизационной структури.
Для регулювання швидкості твердіння гіпсових в'яжучих і його першої стадії - схоплювання, коли гіпсове тісто втрачає пластичність і здатне витримувати деякий мінімальне навантаження при випробуванні на приладі Віка, застосовують різні добавки.
Виготовляють напівгідратні гіпсові в'яжучі грубого помелу (І) - максимальний залишок на ситі № 02 - 23%, середнього помелу (II) - 14%, спеціального помелу (ІІс) - 8%, тонкого помелу (III) - 2% і особливо тонкого помелу (ВП) - 0,1%. Для гіпсоцементнопуцолановіх в'яжучих залишок на ситі № 02 повинен бути не більше 15%. Для ангідритових в'яжучих тонкість помелу оцінюють за залишком на ситі №008. Він не повинен перевищувати 15%, а для ЕСТРИХ-гіпсу - 5%. При визначенні методом повітропроникності питома поверхня гіпсових в'яжучих коливається в межах 300. 500 м2 / кг.
Визначальними якісними показниками гіпсових в'яжучих є водопотребность, терміни схоплювання і міцність.
Водопотребность гіпсових в'яжучих речовин визначається водогіпсовім ставленням, необхідним для отримання тіста нормальної густоти, т. Е. Певної стандартної консистенції. Для будівельного і високоміцного гіпсу стандартна консистенція характеризується розплівом тесту на вискозиметре Суттарда в межах 180 ± 5 мм. Нормальна густота тіста для будівельного гіпсу досягається при 50. 70% води, високоміцного 30. 40%.
Теоретично для гідратації напівводного гіпсу потрібно 18,6% води. Вся надлишкова вода, необхідна для забезпечення стандартної консистенції, утворює пори, що знижують міцність затверділого гіпсу.
На водопотребность гіпсових в'яжучих впливає, перш за все, їх склад, форма і розміри кристалів. Вона росте в ряду: α - напівгідрат - β - напівгідрат - розчинний ангідрид.
При введенні ряду добавок до складу гіпсових розчинів досягається певний розріджуючій ефект. До давно відомих добавок-розріджувачів гіпсу, що знижує її водопотребность і підвищують міцність відносяться: глюкоза, меляса, декстрин, технічні лігносульфонати і ін. Введення традиційних пластифікаторів і зокрема лігносульфонатніх концентратів в кількості 0,25. 0,5% дає можливість знизити величину нормальної густоти будівельного гіпсу на 10. 15%. Більш значний ефект розрідження може досягатися при введенні добавок-суперпластифікаторів.
Початковим етапом твердіння в'яжучих є схоплювання - втрата пластичності і здатність витримувати мінімальні навантаження. Терміни схоплювання гіпсових в'яжучих. як і інших мінеральних в'яжучих матеріалів, визначаються за допомогою приладу Віка. Початок схоплювання - час у хвилинах від моменту замішування в'яжучого водою до моменту, коли вільно опущена голка приладу Віка після занурення в гіпсове тісто не доходить до дна на 1. 1,5 мм, кінець схоплювання - коли голка занурюється в тісто на глибину не більше 1 мм.
Залежно від термінів схоплювання нізьковіпаювані гіпсові в'яжучі поділяють на п'ять груп: швідкотужавіючі (Ш), нормальнотужавіючі (Н), нормальнотужавіючі спеціальні (НС), повільнотужавіючі (П) і особлівоповільнотужавіючі (ОП).
Завдяки коротким термінам схоплювання і інтенсивному наростання міцності вироби з будівельного і високоміцного гіпсу можна виготовляти на конвеєрних лініях, установках з мінімальною кількістю форм.
Збільшення температури до 40. 45 ° С прискорює процес ту жавлення і твердіння, подальше ж підвищення температури викликає зворотний ефект. При 90. 100 ° С схоплювання і твердіння полугидрата практично припиняється, оскільки розчинність полугидрата стає менше.
Показниками механічної міцності гіпсових в'яжучих є значення межі міцності при стисненні і вигині стандартних зразків, які визначають при нормованих умовах твердіння. В якості стандартних зразків для випробування міцності гіпсових в'яжучих приймаються зразки-балочки з розмірами 40 × 40 × 160 мм, виготовлених з тіста нормальної густоти. Для нізьковіпалюваніх гіпсових в'яжучих межа міцності встановлюється через 2 години. твердіння в повітряно-сухих умовах. Залежно від мінімальних значень межі міцності в МПа встановлюються марки гіпсових в'яжучих.
Будівельний гіпс виготовляють зазвичай марок Г-2. Г-9, високоміцний гіпс марок вище Г-9. Міцність затверділих зразків нізьковіпалюваніх гіпсових в'яжучих після сушки до постійної маси збільшується в 1,5. 2,5 рази в порівнянні з 2-х годинним.
Міцність гіпсоцементнопуцолановіх (ГЦПВ), гіпсоцементно-шлакових (ГЦШВ) і композиційних гіпсових в'яжучііх (КГВ) визначають на зразках, тверднуть у вологих умовах 7 або 28 діб, вона становить 10. 30 МПа.
Всі фактори, що позначаються на водопотребі в'яжучих мінералогічний, гранулометричний склад, форма частинок і ін.) Впливають на необхідне, при постійному розпліві тесту, водогіпсове відношення і, відповідно, на міцність.
Для будівельного гіпсу зниження водогіпсового відношення (В / Г) з 0,7 до 0,4 дозволяє збільшити міцність в 2. 2,5 рази. При однаковому В / Г міцність в'яжучого на основі β і α-напівгідратів практично однакова.
Найбільш істотне зниження водогіпсового ставлення досягається при використанні суперпластифікаторів, що дають можливість при низьких значеннях В / Г забезпечити високу плинність гіпсового тесту і виготовляти гумові ливарного й прямого технології.
Гіпсові в'яжучі матеріали на основі полугидрата сульфату кальцію і ангідриту відносяться до Неводостійка матеріалами. Найменший коефіцієнт розм'якшення (Кр) будівельний гіпс в зразках і виробах литий консистенції. Він становить 0,35. 0,4 і дещо підвищується при отриманні виробів з жорстких сумішей, а також при використанні високоміцного гіпсу. У цих випадках Кс може збільшуватися до 0,40. 0,45.
Підвищення водостійкості гіпсових виробів може бути досягнуто завдяки добавкам, які зменшують розчинність в воді сульфату кальцію, введення невеликої кількості синтетичних смол, просочення виробів різними речовинами, що перешкоджають проникненню в них вологи, застосування інтенсивних способів ущільнення.
Певне зменшення розчинності гіпсу досягається при додаванні вапна, а також інших речовин, що мають загальний іон з сульфатом кальцію.
Найбільш радикальне рішення щодо підвищення водостійкості гіпсових в'яжучих було досягнуто при отриманні гіпсоцементнопуцолановіх і гіпсоцементношлаковіх в'яжучих (ГЦПВ і ГЦШВ), а також запропонованих в останні роки композиційних гіпсових в'яжучих низькою водопотреб (КГВ).
Змінюючи склад цих в'яжучих можна отримувати матеріали з коефіцієнтом розм'якшення 0,6. 0,8 і вище.
Завдяки деякому розширенню в початковий період твердіння гіпс заповнює всі деталі форм і дає точний відбиток. Для гіпсових в'яжучих, що застосовуються для виготовлення форм в фарфоро-фаянсової і керамічної промисловості об'ємне розширення повинно бути не більше 0,15%, інших галузей промисловості - 0,2%.
Досвід багаторічної експлуатації гіпсових матеріалів і виробів підтверджує їх високу довговічність при відповідно умов служби властивостями цих матеріалів.
Сфера застосування гіпсових в'яжучих в сучасному будівництві дуже широка. Завдяки техніко-економічних переваг і фізико-механічними властивостями гіпсових в'яжучих номенклатура гіпсових матеріалів і виробів на їх основі стрімко збільшується. Залежно від призначення гіпсові матеріали поділяють на стінові і перегородочні, для об'ємних будівельних елементів, оздоблювальні, акустичні, вогнезахисні, теплоізоляційні, спеціальні.
Будівельний гіпс застосовують для виробництва листів для обшивки стін і перекриттів, перегородкових плит і панелей, стінових каменів, архітектурно-декоративних виробів, вентиляційних коробів і т.д. Гіпсові і гіпсобетонні вироби мають невелику середню щільність, не горять, але знижують при зволоженні міцність і характеризуються пластичними деформаціями під дією навантажень. Водостійкість їх зростає при введенні 5. 25% вапна, гранульованого доменного шлаку, при просочуванні карбамідними смолами, кремнийорганическими рідинами і ін. Найбільшою мірою водостійкість гіпсових виробів підвищеного за рахунок використання композиційних гіпсоцементнопу - цолановіх і гіпсоцементношлаковіх в'яжучих.
Гіпсові вироби застосовують для обробки цегляних, залізобетонних, дерев'яних поверхонь житлових, громадських і промислових будівель з сухим і нормальним вологісним режимом повітря в період експлуатації. Підвищення міцності гіпсових виробів при зниженій середньої щільності досягають при їх дисперсном армуванні волокнистими матеріалами. Один з ефективних шляхів зниження маси гіпсових виробів є створення пористої або пористої структури введенням до формовочної маси піни або пенообразующих реагентів.
Високі естетичні властивості і простота технології роблять гіпсові вироби перспективними при обробці інтер'єру будівель різного призначення.
За обсягом виробництва на першому місці стоять вироби на основі гіпсокартонних листів, декоративний вигляд і звуковбіральні властивості яких надають шляхом перфорації, облицювання плівковими матеріалами і нанесенням малюнка на картон. Гіпсокартонні листи складаються із затверділої гіпсової серцевини, міцно з'єднаної з картонною оболонкою. Технологічний процес виробництва гіпсокартонних листів включає приготування формувальної маси, підготовку картону, формування безперервної стрічки, розрізування її на окремі листи після затвердіння гіпсу та сушка в багатоярусних тунельних сушарках. Вологість аркушів повинна бути не більше 1%, щільність - 950 кг / м3 руйнівне навантаження в залежності від товщини - від 250 до 520 Н. Листи мають прямокутну форму і розміри, мм: довжина 2500. 4800, ширина 600 і 1200, товщина 10. 25.
Гіпсоволокнисті листи на відміну від гіпсокартонних армують НЕ картоном, а рівномірно розташованими по товщині волокнами. Як волоконна сировина використовують, головним чином, розпушений паперову макулатуру. Основною перевагою гіпсоволокнистих листів в порівнянні з гіпсокартонними є більш висока міцність. У них легше забивати цвяхи, вони зберігають форму при висушуванні і зволоженні, в спеку і холодну погоду забезпечують хороший мікроклімат в житлових приміщеннях, мають високу звукоізоляційну здатність, відносяться до групи неспалюваніх матеріалів, добре піддаються обробці різними інструментами без їх викришування, легко обклеюються шпалерами, кольоровими пластиками, фанерованних. Застосовують гіпсоволокнисті листи в тих же випадках, що і гіпсокартонні. Поряд з гіпсоволокністімі листами виготовляють і гіпсоволокнисті плити, які застосовують як підвіконні дошки, елементи вбудованих меблів і перегородок.