автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Совершенствование технологии и повышение качества высокопрочного гипса

Московский институт коммунального хозяйства п строительства

На правах рукописи

г

/

Мамбатшаев Саит

Ытшг%Шллллллл

а

>

У УДК 691.332

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ВЫСОКОПРОЧНОГО ГИПСА

05-23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994

Работа выполнена на кафедре строительных материалов Пермского политехнического института и на Пермском заводе гипса и гипсовых изделий.

Научный руководитель Научный консультант

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

- кандидат технических наук, доцент Морова A.A.

- доктор технических наук, профессор, засл.деятель науки и техники РФ Рыбьев И.А.

- доктор технических наук, профессор Ферронская A.B.

- кандидат технических наук, ст.н.сот Филиппова Л.С.

- АО "ВШИСГРШ им. П. П. Будникова"

Защита состоится 46 " уММ^рУШХ^Л994 г. в // часов на заседании специализированного совета К 063.08.01 по Защите кандидатских диссертаций в Московском институте коммунального хозяйства и строительства по адресу: 109809, ГСП, Москва, Ж-2? Средняя Калитниковская ул.', Д.30, ШКХиС, актовый зал.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке Московског института коммунального хозяйства и строительства.

Автореферат разослан "VfL" Cj>e4xutj_s 1994 года.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат химических наук, доцент

Бунькин И.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Гипсовые вяжущие по своим технико-экономическим показателям относятся к эффективным строительным материалам. Экономическая эффективность обусловлена огромными запасами природного сырья для их производства, относительно низкими расходами топлива при их получении в 3-4 раза меньшими, чем при производстве цемента. Техническая эффективность их обусловлена относительно короткими сроками схватывания и твердения, что позволяет получать готовую продукцию на основе этих вяжущих в самые ограниченные периода времени. В этом отношении гипсовые вяжущие продолжают оставаться пока весьма слабо используемыми для дальнейшего широкого развития скоростных методов строительства о изготовлением сложных и, в то же время, высокохудожественных элементов зданий. Сна относятся к вяжущим, в наибольшей степени соответствущим производству изделий конвейерным способом. Весь технологический цикл изготовления изделий на их основе возможно осуществлять в заводских условиях при высокой степени комплексной механизации и автоматизации производственного процесса, при минимальных расходах тепловой энергии. Особенно трудно переоценить достоинства гипсовых вяжущих веществ при малоэтажном, коттеджном типе Еозведения яилых и гражданских зданий, который получает в нашей стране значительное распространение. Между тем за последние 15-20 лет отечественная гипсовал промышленность развивалась и совершенствовалась низкими темпами. В производстве вяжущих продолжалась ориентация в основном на всемерное увеличение выпуска цементов, главным образом клинкерных пли клинке-росодеркащих. И даже научно-производственные разработки смешанных вяжущих, в которых гипсам отводится главная роль,остаются реализованными в промышленности вяжущих веществ в весьма скромных размерах.

Общий выпуск гипсовых вя?хущих составляет по нашей стране меньше 5 млн.т., в то время, как, например, в США превышает 12 млн.т., где ани используются для внешних и внутренних стен, кровли и др.элементов.

Одной из причин осторокного подхода к внедрению гипсовых вяжущих в строительстве является недостаточно высокая прочность, хотя известно, что уже 'через два часа твердения гипсовый камень имеет прочность до 25 Ш1а и выше. И тем не менее, чтобы в ближайшие годы существенно увеличить объемы применения гип-

совых вяжущих в строительстве, весьма важно перевести соответствующие специализированные предприятия и цехи на массовый выпуск высокомарочных,высокопрочных гипсов.Перевод существующих и, тем более, вновь строящихся гипсовых заводов на Еыпуск высокопрочных гипсов из рядового сырья и использованием в значительной мере прежних основных бондов,в том числе ранее смонтированного оборудования, является актуальной задачей н имеет народнохозяйственное значение. Актуальной является и разработка усовершенствованной промышленной технологии высокопрочных гипсовых вянущих марок Г-25 и Г-30 и еьшш .причем без обязательного использования в них химических добавок, обычно усложняющих производственный процесс и к тоыу-же являкь щихся дефицитными и дорогостоящими. Именно такие задачи совершенствования технологии в улучшения качества продукции предусмотрены в настоящей работе с включением: разработки оптимальных технологичеоких параметров получения Л-полугидрата сульфата кальция (при минимальном содержании в нем двугидрата); исследование влияния морфологии природного сырья (гипсового камня) и примесей в нем на физико-технические свойства высокопрочного гипсового вягудего; отработки опытно-промышленной технологии получения этой продукции; разработки технологического регламента и исходных данных для проектирования линий мощностью 30-50 тыс.т. в год.

Данная работа в основном выполнялась применительно к региону Западного урала, в котором сосредоточены свыше 30 месторождений природного сырья с запасом до 200 млн.т.

Целью настоящей работы явилось получение высокопрочного гипса улучшенного качества с помощью усовершенствованной технологии и с применением всех трех сортов гипсового сырья (природного камня). В соответствии с поставленной цолью в работе решались следующие основные задачи:

- краткий обзор и критический анализ применяемых технологий для получения высокопрочного гипсового вяжущего в заводских условиях;

- разработка оптимальных технологических параметров и Рахимов получения высокопрочного гипса из природного сырья;

- изучение продуктов гидротермальной дегидратации природного сырья - днуводного гипса, их особенностей в состоянии твердеющего гипсового теста (пасты);

- исследование влияния двутидрата и -полугидрата на физико-механические свойства -полугидрата ; тоае - других возможных примесей, перешедших из природного гипсового камня в высокопрочный гипс при его получении;

- детальное исследование в лабораторных и опытно-промышленных условиях влияния принятых'оптимальных технологических параметров и режимов на свойства готовой продукции;

- разработка нового технологического регламента и исходных данных для проектирования опытно-промышленной линии мощностью 30 тыс. в год высокопрочного гипсового вяжущего вещества;

- реализация проектных данных опытно-промышленной линии в производственных условиях;

- оценка технико-экономической эффективности изготовления высокопрочного гипса улучшенного качества.

Научная новизна выполяынных исследований и полученных результатов заключается в следупцем:

- экспериментально изучена фазовые и структурныо изменения при дегидратации гипсового камня в зависимости от параметров гидротермальной обработки и фракционного состава сырьевой смеси, причем установлены наиболее рациональные размеры фракций камня (90-120 мм), давления пара в автоклаве (0,7-0,9 МПа) и изотермической выдержки (4-6 ч);

- показано, что присутствие в продукте гидротермальной дегидратации гипсового камня двутидрага в количестве до 5% (по массе) приводит к снижению прочностных показателей гипсового вянущего почти в два раза (точнее на 185$). Кроме того, сокращаются сроки схватывания гипсового теста, увеличивается водо-гипсовоэ отношение (водопотребносгь). При уменьшении содержания двугидрата в качестве примеси в -полугидрате указанные показатели качества постепенно улучшаются;

- разработаны научно-обоснованные рекомендации по рациональным технологическим параметрам при получении в заводских условиях высокопрочного гипсового вянущего марок Г-2С - Г-30 из камня 1-Ш сортов баз применения каких-либо химических добавок;

- впервые, я дважды, установлено действие закона створа в отношении высокопрочного гипса: а) при автоклавной обработке гипсового щебня с минимумом удельной поверхности; б) при подогреве с/ - гипса в атмосферных условиях с целью исключения

примеси двугидрата (остаточного или вторичного); вскрыта сущность п прэрода действия этого закона к высокопрочному гипсу и показано, что в комплекс экстремумов входят максимум прочностнт показателей по сжатию и изгибу, минимумы сроков налача п конца схватывания, минимумов объемного расширения, минимумов водогип-совых отношений(водопотребнести), т.е. комплекс наиболее благоприятных показателей строительных и эксплуатационных свойств гипсового вянущего. Показана такке высокая научная и практическая значимость этой вскрытой закономерности, являющейся следствием оптимизации состава и структуры затвердевшего гипсового теста (гипсового камня);

- на примерах нескольких месторождений гипсового сырья показано, что в пределах каждого месторождения наблвдаатся линейная зависимость прочности гипсового вяжущего от количественного содержания Б природном камне двугидрата (кристаллогидрата) сернокислого кальция (сульфата, кальция). Вместе с тем показано также, чго наличие такой прямой зависимости является недостаточным научным обоснованием для разделения природного сырья по сортности (1-1У). Отмечено, что при более высокой сортности (т.е. большем содернании в сырьевом гипсовом камне двугидрата) могут быть получены гипсовые вянущие более низкой марки, чем при содержании в сырье меньшего количества двугидрата сульфата кальция, г.е. из сырья низшей сортности. Это обстоятельство является следствием того, что на качество вяжущего влияет кроме количества двугидрата еще и характер, а также количество сопутствующих примесей - как химических реагентов и энергетически' •факторов. Явление синергизма подтверждено экспериментальными и теоретическими исоледованияш, что должно найти отражение в последующих переизданиях стандартов на сырьевые ресурсы.

Научная новизна и приоритет разработок защищен авторскими свидетельствами 547096 "Способ получения высокопрочного гипса" и 588894 "Устройство для гидротермальной обработки и суши гипсового камня".

Практическое значение и реализация работы определяется нижеследувдим:

- разработана промышленная технология высокопрочных гипсовых вяжущих из гипсового камня 1-Ш сортов с различной морфоло-

гией и микроструктурой <3ез применения химических добавок;

- разработаны технологический регламент и исходные данные на проектирование и строительство цеха по производству высокопрочного гипсового вяжущего вещества мощностью 30 т.тон в год на Пермском заводе гипса ишпсовых изделий;

- получен высокопрочный гипс, качественные показатели которого превышают соответствующие требования стандартов.Он рекомендуется для изготовления строительных изделий и производства строительных работ, а также для получения форм и моделей в фарфоровой, фаянсовой и других отраслях промышленности.

- осуществлено строительство запроектированного цеха на .- . Пермском заводе гипса и гипсовых изделий, он введен в эксплуата--цаю в 1991 году; : ' ">;

- экспериментальные и научные выводы по коректировке требо-: ваний к сырью позволяют существенно расширить сырьевую базу за счет вовлечения месторождений с пониженным содержанием в сырье двуводного сернокислого кальция, включая Ш сорт гипсового камня,... но с обязательным учетом сопутствующих примесей и габитуса камня;

- обращено внимание на практическую целесообразность исполь-' зовать в оценке качества гипсового вяжущего не только его стандартную марку, но и намного большие значения пределов' прочности Т[ при скагии и изгибе образцов, высушенных до постоянной массы, имея в виду, что в конструкциях и изделиях гипсовый камень прак-^ тически находится именно в таком состоянии. Тогда вступает в . " действие известный закон конгруэнции свойств при оптимальных структурах камня и гипсобетона или других разновидностей материалов с конгломератным типом структуры, со всеми вытекающими из него позитивными следствиями.

Технология высокопрочного гипсового вянущего и продукт ее -высокопрочный гипс Г-25 приняты межведомственной комиссией Мин-стройматериалов РЗ. Установлено, что в старых ценах экономичес-' кая эффективность вяжущего составляет 5 р. на I т.(при себесто-. имости в 13,7 руб/т).

Настоящая работа выполнена на кафедре строительных материалов Пермского политехнического института и на Премском заводе гипса и гипсовых изделий в соответствии с планом 1ШР Премского политехнического института и Премского завода гипса и гипсовых изделий по проблема: "Разработка технологии получения формовочного и высокопрочного гипса с использованием метода импульсно-

вакуумной суши изделий на его основе"

На защиту выносяться:

- научные и практические результаты исследований по повышению качества высокопрочного гипса ^-модификации;

- промышленная технология высокопрочного гипсового вянущего из природного гипсового камня с различными физико-химическими свойствами;

- предложения по переводу соответствующих специализированных предприятий и цехов на массовый выпуск высокомарочных, высокопрочных гипсов, а так&е вновь строящихся гипсовых заводов на выпуск высокопрочных гипсов из рядового сырья с использованием в значительной мере прежних основных фондов,, в том числе ранее монтированного технологического оборудования.

Апробапяя тзаботн и публикации. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались на координационном совещании по высокопрочному гипсу в институте ШИИстром им.П.П.Будникова (1982-83 гг.),на научно-техническом совещании ЛатНИИстроительства Госстроя Латвии по высокопрочному гипсу (январь 1905 г.).

По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе получено два авторских свидетельства.

Структура и объемы тэаботы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, слиска литературы и приложений. Работа изложена на 128 страницах машинописного текста, иллюстрирована 13 таблицами, 18 рисунками и 4 приложениями. Слисок литературы включает 107 наименований.

СОДЕРШИЕ РАБОТЫ

Современное состояние научно-технических разработок технологии высокопрочного гипса (литературный обзор).

I. Теоретические и практические аспекты получения высокопрочного гипсового вяжущего вещества.

Исследованию физико-химических и физико-технических свойств гипсовнх вяжущих веществ, теоретическому обоснованию вх получения, усовершенствованию процессов производства, а также вопросам гидратации и твердения - и уЗ-полугидратов сульфата кальция посвящены работы отечественных и зарубежных ученых: Андерсена С.Г., Боаенова П.И., Будникова П.П., Вутта Ю.М., Белянкина Д.С., Волженского A.B., Иваницкого В.В., Келли К.К.,

Манжурнета В.В., Моровой A.A., Панютина А.Г.f Передерия H.A., Печуро П.Ф., Ребиндера П.А., Флерке О.В., Ферронской A.B., Шкляра A.C. и др.

Гипс или гипсовый камень - сульфатная горная порода осадочного (химического) происхождения, мономинеральная зернисто-кристаллической структуры, состоящая из минерала того-же названия - двуводного сульфата кальция (Са£04.2Н20), белого или светло-серого цвета, что зависит от сопутствующих примесей глины, песка, органических веществ и др. Теоретический состав (в % по массе): СаО -32,56, Л)3 - 46,51, Н20 -20,93. Характеризуется пределом прочности при сжатии около 80 Ша, истинной плотностью 2,2-2,4 г/см3, средней плотностью в массе гипсового щебня 1300-1600 кг/м3. Твердость по шкале Мооса-2. Растворимость в воде при пересчете на сульфат кальция, при 20°С составляет 0,2$ при 100°С - 0,175?. Наибольшая растворимость приходится на интервал температур от 32°С до 41°С. Обладает способностью к леткой дегидратации при нагревании до 100°-105°С с частичной или полной потерей кристаллизационной воды, что является след- ( у ствием межпакетного расположения молекул воды в кристалличес- -\:.-J> ких решетках, включающих слои ионов Са+^ и сульфатные тетра- , д эдры£04-2 .

ГипсоЕие вяжущие материалы - воздушные вяжущие вещества сос- , тоят из полуводного гипса или ангидрита, получаются тепловой обработкой сырья с предварительным или послеобжиговым помолом до порошкообразного состояния. Тепловая обработка может быть низкотемпературной (120-180°С) и высокотемпературной (600-700°С). ; Высокопрочный гипс получают обработкой гипсового камня (в виде щебня) при температуре 123°С насыщенным паром или кипячением ъ водных растворах некоторых солей, например хлористого кальция* и с последующей сушой и измельчением. При такой обработке происходит перекристаллизация двуводного гипса, сложенного из мелких пластинчатых кристаллов в крупнокристаллический полуводный гипс cL -модификации (^-Са^.О.б HgO).сложенный из длинных игольчатых или призматических прозрачных кристаллов гексагональной структуры. Гипс высокопрочный обладает высокой водопоо-реб-ностью (35-45$),но более низкой, чем ß -полугидрат (гипс строительный), сравнительно высоким пределом прочности при сжатии через 2 часа после изготовления стандартных образцов до 20^30МПа и выше. С увеличением содержания в природном сырье двугидрата

с соответствующим уменьшением примесей растет и качество и -гипса. Для его первою сорта требуется содержание двугидрата в сырье не менее 95$. Гипс высокопрочный относится к быстросхва-тывающимся и бкстротвердеюцим. Сроки схватывания от 2 до 20 мин., конец - 15-30 минут и более.

Термообработку гипсового щебня для высокопрочного гипсового вянущего вещества о1 -модификации производят в вертикальных автоклавах-запарниках с подачей пара извне или в самозапарниках с получением пара за счет испарения гигроскопической и отчасти кристаллизационной воды. Этим технологическим операциям предшествовали большие и продолжительные по времени исследования различных специалистов. Причем изучение наилучших приемов и способов воздействия тепла и пара на сырьевой продукт продолжается с неослабевающим интересом, ибо в этой операции заключается один из существенных факторов повышения качества готоеой продукции, как важнейшего строительного материала. Настоящая работа,как отмечалось выше, токе в основном посвящена дальнейшему повышению качества высокопрочного гипса ^ -модификации, отработке оптимального технологического рекима, включая просушку и размол продуктов дегидратации.

Предпринятое проведение комплекса исследований позволит в условиях действующего предприятия, изготавливающего низкомарочное гипсовое вяжущее, получить максимальный практический эффект в кратчайшие сроки. Технологией производства предусматривается получение высокопрочного гипсового вяжущего марок Г-20 и Г-30 с регулируемыми сроками схватывания.

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

Для решения поставленных задач нами йыла принята рабочая гипотеза,сущность которой закяочается в следующих условиях и выводах, если:

I) 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, маг-незитов, доломитов, ангидрита и др. как шловлияющих на качество готовой продукции высокопрочного гипса;

2) принять за основу в технологии производства высокопрочного гипса гидротермальную обработку сырья в автоклаве и обусловить ее оптимальным повышением давления пара с соответствующим повышением температуры;

3) пользоваться фракционным составом гипсового камня (щебня) с предельно возможным минимумом его удельной поверхности с тем,

чтобы при гидротермальной обработке в автоклава образовывалось вторичного двугидрага в самых минимальных количествах, как вредного компонента снижающего прочность готоеой продукции;

4) перевести остаточные, ранее непродвгидратированные в сырье двугидраты и вновь образовавшиеся включения вторичных двугидратов после гидротермальной обработки, суши и измельчения с помощью повторного осторожного нагрева при = П0-170°С л атмосферном давлении в -полугидрат сульфата кальция, который в малых количествах является практически безвредным для высокопрочного гипса; . -

5) получить уплотненную порошкообразную смесь крупнокристаллического сЬ -полутидрата с малым количеством (до 0,5-1,0$) мелкокристаллического ./з-гипса;

6) использовать эффективные способы нагрева с минимальным расходом теплоты и электроэнергии для суши, измельчения и повышения однородности порошкообразного высокопрочного гипса,- тогда, при строгом соблюдении этих условия, гарантируется возможность массового выпуска высокопрочного гипса с/ -модификации полутидрата улучшенного качества (не ниже Г-20) из сырья 1-Ш сортов, причем технология его получения окажется весьма эффективной в технико-экономическом отношении при максимально возможном использования оборудования, ранее выпускавшего низкомарочные гипсовые вяжущие Еещества, с сохранением его еысокой производительности.

СьгоьеЕые материалы и методы исследований

В соответствии с поставленными задачами и разработанной гипотезой в более конкретном плане предусмотрено:

- изучение свойств принятых сырьеЕых материалов и проверку

качества высокопрочного гипсового вяжущего, получаемого из гипсового намня .различных месторождений;

- определение основных физико-тэ.хническпх характеристик -и¿/3 -полуг:шрагов полученных различными способами из сырья одного месторождения;

- установление влияния модификационного состава гипсовых вяжущих на их физико-технические свойства;

- определение качественных характеристик высокопрочного гипсового вяжущего при различном содернании в нем остаточного вторичного двугидрата;

- отработка рациональных технологических параметров режимов получения высокопрочного гипсового вяжущего и привязка предлагаемой технологии-к условиям действующего предприятия по производству обычных гипсовых вяжущих веществ.

В качестве сырьевых материалов, на основе которых производились исследования, были выбраны пробы гипсового камня 9 месторождений, доставленных из различных регионов, в том числе Западнето Урала. Гипсоеый камень этих месторождений отличается различным содержанием СаКО^.2Н^0, морфологией кристаллического сростка, а также количеством и видом примесей. Получение <1. -полугидрата в лабораторных условиях осуществляли в автоклаве емкостью 18 л. с электрообогревои, снабженным автоматическим регулятором давления и указателем температуры.

С целью оптимизации режимов сушки и сокращения расхода тепловой энергии нами был разработан принципиально ноеып импульсно-вакуумный метод сушки в том же автоклаве, где производилась обработка гипсового камня, без перегрузки пронуктов дегидратации. Сущность метода заключается -ъ том, что сушку осуществляли при температуре П0-150°С путем попеременного воздействия инфро-красного излучения и гакуума при давлении 0,04-0,065 Ша до полного удаления отщепленной еодц. Продолжительность каялого цикла вакуумарования I мин. с интервалом вакуумировання 3 мин.

Структурные и генетические особенности гипсового камня и еявдщих исследовали методом микроскопического анализа на поляризационном микроскопе Ш1-8.

Количество и вид примесей определяли с помощью химического анализа, а также визуально с составлением макроскопической характеристики. Термограммн и кривые динамического взвешивания в процессе нагревания гипсового камня были получены на дериЕатог-

рафе сиетемы Н.Паулик, Л.Эрден при скорости подъема температуры 60°С в минуту.

Инфрокрасные спектры поглащения гипсового камня п продуктов его дегидратации снимали на спектрометре ИКС-14А.

Исследование процесса гидратации и кристаллизации полугидратов проводили и регистрировали, графически на электронном приборе системы Старкова A.A.(Пермский политехнический институт). Принцип работы этого прибора основан на установлении взаимосвязи мекду диэлектрическими характеристиками (диэлектрической проницаемостью, тангенсом угла диэлектрических потерь, высокочастотной проводимостью)и физико-химическими свойствами исследуемого материала.

Исследование оптимальных условий получения высокопрочного гипсового вяжущего вещества

Учитывая, что на качество и количество -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 CaffO^HgO 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 Еыбранной продолжительности обработки камня не заканчивается. Удлиняется я процесс сушки, так как исходная температура не высокая. Прибавлениях 0,7-0,9 Ша изотермическая выдержка составляет соответственно 6-4 часа, а сушка интенсифицируется. Качество продуктов гидротермальной обработки также возрастает.

Максимальный выход ./.-полугидрата зафиксирован с минимальным содержанием Бторичного даугидрата при обработке гипсового камня с размером кусков S0-I20 мм (удельная поверхность 0,530,62 см-1), когда давление пара 0,7 МПа, а продолжительность изотермической выдержки составляет б час. Присутствие в продукте гидротермальной дегидратации гипсового камня двугидрата сульфата кальция в количестве до 4-5$ приводит к потере до 48? прочностных показателей гипсового вяжущего.

Рациональному минимуму удельной поверхности-как структурообразующему фактору при принятых технологических параметрах и режимах соответствует комплекс экстремумов свойств (закон створа ), что видно на рас.

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 сушкрй. 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 р -полугидрат. Перевод этого двугидрата в р -полугидрат сульфата кальция на данной стадии технологии относительно улучшает сроки схватывания, объемное расширение, Еодопотребность и прочиостшо показатели вяжущего. Присутствие же в готовой продукции высокопрочном вяжущем £ -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 искуственного гипсового камня, в частности, за счет уплотнения порошкообразного и тестообразного гипса.

Применяя отмеченные выше технологические приемы отпадает необходимость использования каких либо химических добавок.упрочняющих и уплотняющих микроструктуру. Они, как правило, являются дефицитными, дорогостоящими и усложняющими технологически процесс.

В ходе исследований был установлен важный и научный результат, выразившийся в двухкратном проявлении объективного закона створа при двух структурообразующих факторах - оптимальной удельной и, следовательно, суммарной поверхности щебня на стадии автоклавирования и сушки; оптимальной температуры при тепловой обработке порошкообразного о£ -полугидрата сульфата кальция на стадии перевода вторичного двугидрата в Р-полугидрат. Такой результат позволяет целенаправленно п общим методом проектирования составов и оптимизации структур управлять технологическим процессом и качеством готовой продукции (высокопрочного гипса), добиваться дальнейшего улучшения показателей физике-

технических сяойотв этого вяжущего и изделий, получаемых на его основе.

Влияние качественных характеристик природного гипсового

камня на физико-технические свойства высокопрочного гипса

Как установлено рядом исследований, кроме содержания Са^04.2Н20 существенное влияние на прочностные показатели гипсового вяжущего оказывает структура природного камня,как сырья. Установлено, что наибольшей прочностью обладают гипсовые вяжущие, полученные из камня равномерной мелкокристаллической стру» туры, с минимальным содержанием примесей. Ранее было установлено, что для получения высокопрочного гипсового вянущего необходимо использовать камень плотной, мелкозернистой структуры с содержанием СаДО^.З^О не менее 95$. Практически же сырье с содержанием СаД)4.2Н20 до 95$, т.е.относящиеся по ГОСТ 4013-82 к I сорту,встречается в природе сравнительно редко. Поэтому была -изучена возможность использования рядового сырья, т.е. 1-1У сортов, для производства высокопрочных гипсоеых вяжущих. Испытанные 9 разновидностей гипсового сырья, отличающихся содержанием Са^04.2Н20, видом примесей и структурой природного камня показано следующее:

1.Содержание в сырье Са£04.2Н20 и отнесение сырья по этому признаку к определенному сорту по ГОСТ 4013-82 не может являться достаточным оценочным кретерием для определения пригодности гипсового камня для производства высокопрочных гипсовых вяжущих.

2. Учитывая, что при производстве высокопрочных гипсовых вяжущих из рядового сырья П и Ш сорта по ГОСТ 4013-82 содержание примесей в нем составит 10-30$ .выбор сырья необходимо производить с учетом вида примесей. Более предпочтительно гипсовое сырье, содержащее индиферентныа примеси типа ангицрата (Са20^) пли известняка (СаСОд).

3. Гшсовый камень ниже I сорта с сопутствующимися примесями, оказываадими отрицательное влияние на вяжущее,такими как мергель, глина, песок, для производства высокопрочного гипсового вяг^ущего не пригоден.

4. Отмеченные зависимости позволяют сделать основной вывод, касающийся качества сырья для производства высокопрочных гипсовых вянущих; сырьевая база для производства высокопрочных гипсовых вяжущих может быть расширена за счет вовлечения месторождений с меньшим содержанием в сырье Са£04.2Н2° Св плоть до

Ш сорта), но с учетом генетических особенностей гипсового камня и вида примесей. Без применения химических добавок из гипсового камня I сорта возможно получение высокопрочного гипсового вяжущего с пределом прочности при-сжатии в высушенном до постоянной массы состоянии до 62,0 Ша, а из камня 1У сорта- до 40,0 Ша.

Технологические параметры произеодетва высокопрочного

гипсового вяжущего э опытно-промышленных условиях

Отработку технологических параметров получения высокопрочного гипсового вяжущего осуществляли на опытно-промышленной технологической линии.

В исследованиях исполъзоЕали природный гипсовый камень Чум-касского, Кишергского, Саркаевского и Казаевского месторождений. Гипсовый камень дробили в щековой дробилке и фракционировали на виброгрохоте. С целью получения высокопрочного вяжущего отбирали фракцию с размером кусков 90-120-мм.

Гипсовый камень укладывали на перфорированные металлические поддоны, которые помещали в горизонтальный автоклав. Подъем давления пара в автоклаве до 0,7 Ша осуществляли в течение 1,5 часа, изотермическую выдержку в течение^ часов,снижение давления до атмосферного - в течение 1,5 часа. Сразу после выпуска пара из автоклава, не вынимая из последнего поддоны с продуктами дегидратации производили их сушку импульсно-вакуумным способом при температуре Ю5-ГГ0°С. Максимальная глубина вакуума достигла 0,02 МПа. Остаточная влакность материала составляла не более 1%. После сушки продукты дегидратации извлекали из автоклава и производили их помол до дисперсности, соответствующей остатку на сите 02-2-3%.

С целью исключения осгаточного или, гторичного дигидрата сульфата кальция размолотый продукт загружали в гипсоварочный котел и производили вторичный подогрев при атмосферном давлении до температуры 130-140°С(стабилизацня модафикационного состава).

Из полученного вяжущего изготовляли образцы-балочки размером 4x4x16 см.

Определение физико-технических показателей полученного гипсового вяжущего производили через 2 часа с момента затворения вяжущего водой и в высушенном до постоянной массы состоянии, физико-технические показатели испытанных вяжущих приведены в таблице.

Анализ данных,приведенных в таблице .подтверждает правиль-

Таблица

Результаты испытаний гипсовых вяжущих .полученных в опытно-промышленных условиях

Ж№ Наименование пп месторождения

Содержание Физико-технические

Предел прочности, МПа'

природного гипсового камня С7 ЕОДОГИП— совое отношение сроки схватывания, мин. начало конец

/о через 2 часа в высушенном до постоянной массы сое-тоянип через 2 часа

I. Чумкасское 96,2 0,29 12 30 9,3 19,6 35,4

г. 82,0 0,30 14 32 8,6 16,8 26,3

3. 64,5 0,36 14 33 7,0 12,7 17,1

4. Кишертское 92,0 0,30 10 28 9,0 19,2 27,6

5. Саркаевское 94,2 0,34 9 26 8,3 16,9 26,7

6. 82,6 0,33 II 27 7,9 14,4 22,2

7. 64,0 0,33 14 28 5,6 9,6 13,4

8. Казаевское 96,8 0,34 10 24 8,4 16,1 26,6

9. II 92,3 0,35 II 27 8,1 15,4 25,1

массы состоянии

62,2 56,4

36.6

58.3 47,9 40,2

26.7 47,1

42.4

оэ I

основе природного гипсового камня мелкокристаллической плотной структуры(Чумкасское) возможно получение высокопрочного гипсового вяжущего марки Г-35 и марки Г-25 из камня Ш сорта согласно ГОСТ 4013-82.

Используя разработанные нами технологические приемы, из гипсового камня I-П сортов крупнокристаллической плотной(Ки— шертское)или рыхлой (Казаевское) структуры возможно получение гипсоеого вяжущего с пределом прочности при сжатии в высушенном до постоянной массы состоянии не ниже 40,0 МПа, что соответствует вяжущему марки не ниже Г-25 (по ГОСТ 125-79)-. Таким образом, испытания гипсовых вяжущих, подученных в опытно-промышленных условиях, подтвердили результаты лабораторных исследований о возможности производства высокопрочного глпоового вяжущего марок Г-20 - Г-30 из природного камня I-Ш сортов без применения каких-либо химических добаиок .

Опытно-прошшленное исследование технологических параметров и режимов принято за основу при разработке принципиальной технологической схемы производства высокопрочного гипса и соответствующего технологического регламента. На технологической схеме предусмотрено производство высокопрочного гипсового вяжущего в комплексе с производством рядового(строительногоГипсового вяжущего марок от Г-5 до Г-15 из каыкя фракций менее 90мм. Внесены рекомендации по корректировании ГОСТ 4013-82 в части размера кусков камня, поступающего на измельчение с тем,чтобы обеспечить максимальное количество щебня фракции 90-120мм.Особые рекомендации предусмотрены в части обогащения фракций до 120 мм за счет повышения однородности и исключения вредных примесей (глина .песок и др.предусмотрена установка верхней колосниковой решетки для отсортировки кусков камня более 120' мм.

Разработанная нами технология высокопрочного гипсового вянущего была принята комиссией Шнпромстройматериалов РСФСР и рекомендована к промышленному внедрению с строительством на Пермском заводе гипса и гипсовых изделий по производству высокопрочного строительного гипса мощностью 30 тыс.тонн/час. На основании вышеизложенного можно констатировать,что рабочая гипотез а, принятая в настоящей работе после критического обзора литературных данных и предварительного изыскания,полностью подтвердилась. Исходные условия гипотезы оказались обоснованными и доказанными результатами экспериментальных и теоретических

исследований, В технологии гипса отмечены закономерности и зависимости общего и специфического характера. Выявлены рациональные технологические параметры и режимы,обеспечен массовый Еыпуск высокопрочного гипса улучшенного качества из сырья X—III сортов. Технология получения его оказалась аффективной применительно к оборудованию, действовавшему на ныне реконструируемых заводах,выпускавших низкомарочные гипсовые вяжущие вещества. Дополнительно предусмотренные технологией операции не оказали заметного влияния на повышена« себестоимости готовой продукции.

основные швода

1. Установлено,что для производства высокопрочного гипса количество двугидрата сульфата кальция не может быть достаточным оценочным критерием при определении сортности сырья и суждении о его пригодности. По предложенной в настоящей работе технологии может быть получен высокопрочный гипс лучшего качества и, в частности.более высокой прочности из сырья низших сортов по сравнению с первым сортом, предусмотренным по ГОСТ 4013-82. Полная оценка гипсового камня, как сырья для изготовления высокопрочного гипса, долина включать,кроме количественного содержания двугидрата .также сведения о структурно-генетя-ческих".особенностях сырья и сопутствующих его примесях. В работе приводятся многие примеры о предпочтении гипсового камня эпигенетического происхождения плотной,с преимущественно мелкокристаллической структурой и о допустимости некоторых примесей в сырье.В связи с этим следует предусматривать обогащение сырья с удалением безусловно вредных примесей.

Как следствие из этого вывода: сырьевая база для производства высокопрочного гипсового вяжущего расширена за счет вовлечения месторождений с меньшим содержанием в сырье двугидрата кальция (вплоть до !И сорта),но, уже как отмечено, с учетом генетических особенностей гипсового камня п вида (состава) примесей. Из гипсового камня I -го сорта без применения каких-либо химических добавок возможно получение высокопрочного гипса с пределом прочности при сжатии в высушенном до постоянной массы состоянии до 62-64 Ша, а из камня ГГ—III сортов - 45-55 Ша.

2. Показано, что для каждой гидротермальной обработки в автоклаве существует оптимальный фракционный состав гипсового щебня,характеризующийся не только предельными значениями фрр-цлй.но п предельно допустимых минимумов его удельной поверх-

ности. Только при ней образуется минимальное количество вторичного двугидрата сульфата кальция, как вредного компонента, сникающего прочность и ухудшающего другие свойства вянущего вещества на данном этапа его изготовления. При принятой в работе технологии оптимальным фракционным составом оказался 90-120 мм с удельной поверхностью, равной (после усреднения) 0,57 см" , при котором основные физико-технические свойства вяжущего на данном этапе его изготовления оказались экстремумами и тем самым, соответствовали закону створа.комплексу наиболее благоприятных строительных и эксплуатационных свойств Еяжущего вещества.

3. Отмечено, что для каждой разновидности природного гипса, как сырья для производства высокопрочного гипса, требуется определенный(оптимальный)режим гидротермальной обработка в автоклаве. Для принятых в настоящей работе месторождений гипсового камня оптимальным режимом оказался:давление пара 0,5-0,7 Ша, изотермическая выдержка 4-6 часов, фракционный состав гипсового щебня для обработки 90-120 мм. Согласно п.2 при этих • условиях после гидротермальной обработки обеспечиваются минимум остаточного и вторичного двугидрата в л-полугидрата сульфата кальция.

4. Исходя из закона конгруэнции о соответствии свойств вяжущего и искуственных строительных конгломератов на его основе, необходимо всегда стремиться и реально обеспечивать повышение прочности и других свойств Х-иолугидрата, полученного после гидротермальной обработки в автоклаве путем удаления из него двугидрата. Показано,что присутствие в продукте гидротермальной дегидратации гипсового камня двугидрата в количестве до

5% приводит к снижению прочностных показателей вяжущего на 185$. С этой целью в принятой технологии предусмотрен подогрев при атмосферном давлении и температуре 120-140°С гипсового вяжущего вещества, предварительно просушенного (без удаления из автоклава) к измельченного до порошкообразного состояния. При таком атмосферном подогреве двугидрат.как остаточный,так и вторично образовавшийся в автоклава переходит в £ -модификацию полугидрата сульфата кальция.

5. Установлено,что вторичный подогрев порошкообразного Л -полугидрата при атмосферном давлении и температуре I20-140°С позволил улучшить все физико-технические свойства высокопрочного гипса. Например,предел прочности при сжатии и высушенном до постоянной массы состоянии на 48$ повышается (с

- :??-

42,7 МПа до 63,4 Ша)у высокопрочного гипса, освобожденного от двугидрата сульфата кальция сохранился прежний комплекс экстремумов показателей свойств, который был установлен сразу же после гидротермальной обработки (см.п.2), но только теперь на новом, более высоком качественном уровне. Числовые значения экстремумов достигли лучших показателей, чем требуется для марки Еяжущего Г-20. Улучшение качества высокопрочного гипса получено без применения каких-либо химических добавок.

6. Зафиксировано,что в технологии дважды проявился закон створа,как объективная закономерность,действующая при оптимальных структурах. В качестве главных структурообразующих факторов выступали: в первом случае - минимально допустимая удельная поверхность гипсового щебня в период гидротермальной обработки в автоклаве; во втором - оптимальная температура на стадии тепловой обработки при атмосферном давлении порошкообразного полугидрата. Использованием этих факторов и соответствующих теоретических разработок об оптимальных структурах возможно управлять качеством и регулировать свойства в желаемых направлениях и размерах. Этот вывод относится полностью к прочностным показателям высокопрочного гипса, высушенного до постоянной массы, в состоянии отвердевшего изделия.

7. Рекомендовано использовать получаемое вяжущее для изготовления строительных изделий из гипсоеого раствора, бетона, арболита и других исскуственных строительных конгломератов. Для этих целей важно также использовать и единый метод проектирования оптимальных составов, опирающийся, как известно, на объективные закономерности створа, конгруэнции, прочности. Применяется оно также для изготовления форм и моделей в фарфоровой, фаянсовой, керамической и других отраслях промышленности.

8. Принята разработанная технология высокопрочных гипсовых вяжущих межведомственной комиссией Минсгройматериалов РСКСР и опробована в опытно-промышленных условиях.

9. Разработана проектная документация цеха по производству высокопрочного гипса мощностью 30 тыс.тонн в год. Осуществлено строительство цеха на Пермском заводе гипса и гипсовых изделий. Цех введен введен в эксплуатацию.

10. Экономическая эффективность производства высокопрочного гипса обусловлена более высоким его качеством в сравнении

с рядовым вяжущим,а следовательно и более высокой его оптовой ценой.

Основноэ содержание диссертации изложено в-работах:

1. Мамбагшаев С.Б. .Раскопин B.C..Селезнев Г.Я. .Морова A.A. Исследование параметров производства высокопрочного гипса марки "500". - Сб.науч.трудов ПЛИ. - й 140. - Пермь, 1973.

2. Намбегиаев C.B., Морова A.A., Раскопин B.C., Селезнев Г.Я. Технологическая линия промышленного производства высокопрочного гипса марки "500-600". - Сб.научи .трудов ППИ. - .'ЛСД Пермь, 1975.

3. Мамбетшаев C.B.,Морова A.A.¡Раскопин B.C., Керкин *'.<5. Зависимость деформативных свойств бетона от его структуры.-Сб.научн.трудов ГОШ. - St 161. - Пермь,IS75.

4. Мамбетшаев C.B. .Норова A.A.,Шихов А.Н. Технология производства высокопрочного гипса марок "¿OCWOû". - ГОШ. -Пермь, 1980.

5. Мамбетшаев С.В.,Морова A.A..Раскопин B.C..Бобкова В.Н. Способ получения высокопрочного гипса. - А.с.„'с 547096 от 25.I0.197S.

6. Мамбетшаев С.В.,Бобкова В.Н.,Морова A.A. и др.Устрой-ство для гидротермальной обработки и суши гипсового камня.-A.c.Jp 588894 от 21.09.77.

7. шамбетшаев C.B.,Норова А. А. .Рканицын Ю.П. Производство высокопрочного гипсового вяжущего на-Пермском заводе гипса н гипсовых изделий. Тезисы доклада республиканского научно-технического совещания. - Рига, 1984.

8. Намбэгиаев C.B. .Ржаницын Ю.П.,морова A.A. Высокопрочный гипс для индустриального строительства.- Реферативный сборник Минпромстроя СССР, 1986.