Материал: Химия, физика и механика материалов. Рудаков О.Б., Перцев В.Т
Химия, физика и механика материалов. Выпуск № 1 (28), 2021
Voronezh State Technical University
Russian Federation, 394006, Voronezh, 20-letiya Oktyabrya str., 84
*Corresponding author: Podilska Anna Timofeevna, E-mail: elena36-73@rambler.ru
This paper discusses the physical and chemical processes in the implementation of technologies for the production of gypsum binder, the process of production of construction gypsum by non-firing technologies. Various methods for improving the properties of materials are considered: dispersed firing, creating a thermodynamic unstable system, changing the Gibbs energy, activation energy, differential thermal analysis. Considerable attention is paid to the method of obtaining building composites from a new promising fibrogypse material. It is established that such materials are environmentally friendly, effective from an economic and technical point of view. To date, construction is already underway with the use of these materials, which confirms the expediency of the scientific and practical work done, the results of research conducted for more than a dozen years.
Keywords: gypsum, building composites, non-firing technologies, activation energy, Gibbs ' law, differential thermal analysis, fibrogyps.
Введение. В настоящее время ведётся много научных работ для улучше-
ния строительной индустрии, разработка новых перспективных материалов, ко-
торые не несут вред экологии и обладают высокими технологическими свой-
ствами.
Цель работы изучить получение строительного гипса и рассмотреть но-
вый перспективный материал фиброгипс, актуальные энергоэффективныебез-
обжиговые технологии.
Рассмотрим технологический подход изготовления гипсового вяжущего.
Первоначально происходит измельчение гипсового камня (дроблении и помол)
и дегидратация. Степень дробления гипсового камня перед тепловой обработ-
кой устанавливается в соответствии с типом теплового аппарата. В запарочные аппараты материал попадает кусками размером до 400 мм, во вращающиеся пе-
чи – 10:35 мм, а в варочные баки – в порошкообразном состоянии.
85
На первым этапе берут для производства строительного гипса натураль-
ный гипсовый камень, либо гипсовые отходы химической промышленности.
Гипсовый камень имеет формулу CaSO *2H O (двуводный гипс) плюс примеси: SiO , Al O , Fe O . Он имеет 4 сорта в зависимости от содержания сульфата кальция (CaSO *2H O):
I сорт 95%
II сорт 90%
III сорт 80%
IV сорт70%
Наиболее распространенные технологические схемы условно можно представить следующим образом:
1.Дробление помол варка
2.Дробление сушка помол варка
3.Дробление сушка + помол варка
4.Дробление помол варка помол
5.Дробление сушка + помол варка помол
6.Дробление обжиг помол
7.Дробление обжиг + помол
8.Дробление запаривание помол [1].
Промышленные отходы, содержащие гипс, также активно применяются для получения строительного гипса, например, фиброгипс, фосфогипс, фторо-
гипс, борогипс и др.
Ca5(PO4)3F + H2SO4 → H3PO4 + HF + CaSO4 * nH2O
Чтобы получить гипсовое вяжущее из сырья, первоначально нужно про-
извести его дегидратацию (отщепление молекул воды).
Схематично этот процесс представлен на рис. 1.
86
Химия, физика и механика материалов. Выпуск № 1 (28), 2021
Рис. 1. Дегидратация (отщепление молекул воды)
На практике в производственной деятельности применяются температу-
ры, относящиеся к более высоким диапазонам. Таким образом, варьируя усло-
вия, в которых производится нагревание, можно получать либо α, либо β-
модификации.
Вследствие того, что в реальной производственной деятельности нагрев производится до более высоких температур, чем требуется в соответствии с теоретическими расчетами, то в гипсе, предназначенном для применения в строительной деятельности, имеется как растворимый, так и нерастворимый ангидрит. Это значительно сказывается на присущих ему технологических ха-
рактеристиках.
Строительный гипс, который был подвергнут пережжению, с течением времени увеличивает качество, становится более прочным, чем до этого. Что касается недожженного гипса, то на его схватывание необходимо больше вре-
мени. Кроме того, после завершения строительства его прочность не только не повышается, но и, наоборот, снижается. отметим, что влажный гипс оказывает интенсифицирующее влияние на схватывание. Связано это с тем, что ангидрит растворяется крайне быстро, в связи, с чем он трансформируется в двуводный.
Что касается сырого гипса, то он образует единый большой кристаллов.
Чтобы производить гипс, удовлетворяющий требованиям предприятий строительной отрасли, необходимо осуществлять его выпуск с применением печей вращающегося типа. Кроме того, необходимы варочные котлы, а также технологические устройства, обеспечивающие помол и обжиг.
Описать алгоритм производства гипса, предназначенного для применения в строительной деятельности, можно следующим образом:
87
1.Дробление гипсового камня (на этой стадии производственного процесса применяется специальное дробильное оборудование, которое, как правило, является шнековым или щелковым).
2.Перемолка гипсового камня в мельнице.
3.Нагревание гипсового камня.
4.Томление гипса.
5.Перемалывание, осуществляемое повторно [2].
6.Обжиг, физическое и химическое диспергирование [2].
Диспергирование обжигом создаёт термодинамически нестабильную си-
стему. Сам процесс диспергирования обжигом энергозатрачен и характерен большими потерями тепла и выбросами углекислого газа, что приводит к теп-
ловому и пылевому загрязнению атмосферы планеты. При практическом ис-
пользовании гипс как термодинамическая система стремится избавиться от свободной энергии, что происходит при соединении гипса водой.
Гипс обладает очевидной растворимостью в воде (приблизительно 2 г/л
при 20°С). Хорошей практической характеристикой гипса считается то, что во-
дорастворимость его при увеличении температуры доходит до максимума при
37-38 °С, а затем стремительно спадает.
Максимальное снижение растворимости выявлено при температурах вы-
ше 107 °С вследствие образования «полугидрата» - CaSO4 * 0,5H2O. Раствори-
мость гипса повышается при наличии определенных электролитов (например, NaCl, (NH4)2SO4 и минеральных кислот).
Из смеси гипс кристаллизуется в виде характерных игловидных кристал-
лов, белых или окрашенных примесями. Растворяясь в воде, из-за большой внутренней энергии смесь стремится, уменьшить свою поверхность ростом кристаллов. Так как она является термодинамически нестабильной системой, в
расчёт необходимо брать не только внешнюю поверхность, но и внутреннею поверхность этих компонентов. Получается, что в структуре минеральных ком-
понентов вода, нагреваясь, выходит из состава, делая эти материалы пористы-
ми.
88
Химия, физика и механика материалов. Выпуск № 1 (28), 2021
В природных условиях гипс может находиться в таком состоянии, как ди-
гидратное (представлено химическим соединением CaSO4 • 2H2O), а также без-
водном (химическая формула – CaSO4). В соответствии с принципом Ле Шате-
лье, гидратация гипса происходит через кристаллизацию. Таким образом, в
процессе гидратации гипса он растворяется, после чего возникает насыщенный раствор. Способность гипса к растворимости в воде составляет порядка 10 г/л (если вести расчет на CaSO4). Полугидратное соединение продолжает подвер-
гаться процессу кристаллизации, после чего возникает двугидрат. Его способ-
ность к растворению в воде является ограниченной и равняется 2 г/л CaSO4. Та-
ким образом, появляется пересыщенный раствор и его превращение происхо-
дит посредством кристаллизации. На рисунке 2 продемонстрировано устрой-
ство кристаллической решетки, наличием которой характеризуется двуводный гипс [3].
Рис. 2. Кристаллические решетки химических соединений CaSO4 • 2H2O, CaSO4
Химическое взаимодействие, в ходе которого происходит затвердевание гипса, может быть описано следующим уравнением: CaSO4·0,5H2O + 1,5H2O = CaSO4 ·2H2O + 19,3 кДж. Из него можно сделать вывод, что при гидратации гипса выделяется определенное количество энергии (таким образом, реакцию необходимо рассматривать как экзотермическую). Количество генерируемой энергии составляет 113 кДж на каждый килограмм вещества. При этом темпе-
89