Классификация материалов по температуре применения

Получение гипса включает две операции:

- термообработку гипсового камня на воздухе при 150... 160°С; при этом он теряет часть химически связанной воды, превращаясь в полуводный сульфат кальция β-модификации:

CaSO₄ • 2Н₂О → CaSO₄ • 0,5Н₂О + 1,5Н₂О

- тонкий размол продукта, который можно производить как до, так и после термообработки; гипс - мягкий минерал (твердость по шкале Мооса - 2), поэтому размалывается он очень легко.

Таким способом производится основное количество гипса; обычно для этого используют гипсоварочные котлы. Гипс β-модификации далее для краткости будем называть просто «гипс».

Доступность сырья, простота технологии и низкая энергоемкость производства (в 4...5 раз меньше, чем для получения портландцемента) делают гипс дешевым и привлекательным вяжущим.

Химизм твердения  гипса заключается в переходе полуводного сульфата кальция при затворении его водой в двуводный:

CaSO₄ • 0,5Н₂О + l,5H₂O → CaSO₄ • 2Н₂О

Внешне это выражается в превращении пластичного теста  в твердую камнеподобную массу.

Причина такого поведения  гипса заключается в том, что  полуводный гипс растворяется в воде почти в 4 раза лучше, чем двуводный (растворимость соответственно 8 и 2 г/л в пересчете на CaSO₄). При смешивании с водой полуводный гипс растворяется до образования насыщенного раствора и тут же гидратируется, образуя двугидрат, по отношению к которому раствор оказывается пересыщенным. Кристаллы двуводного гипса выпадают в осадок, а полуводный вновь начинает растворяться и т. д. В дальнейшем процесс может идти по пути непосредственной гидратации гипса в твердой фазе.

Конечной стадией твердения, заканчивающегося через 1...2 ч, является образование кристаллического сростка из достаточно крупных кристаллов двуводного гипса. Часть объема этого сростка занимает вода (точнее, насыщенный раствор CaSO₄ • 2Н₂О в воде), не вступившая во взаимодействие с гипсом. Если высушить затвердевший гипс, то прочность его заметно (в 1,5...2 раза) повысится за счет дополнительной кристаллизации гипса из указанного выше раствора по местам контактов уже сформированных кристаллов. При повторном увлажнении процесс протекает в обратном порядке, и гипс теряет часть прочности.

Причина наличия свободной  воды в затвердевшем гипсе объясняется тем, что для гидратации гипса нужно около 20% воды от его массы, а для образования пластичного гипсового теста — 50...60% воды. После затвердевания такого теста в нем останется 30...40 % свободной воды, что составляет около половины объема материала. Этот объем воды образует поры, временно занятые водой, а пористость материала, как известно, определяет многие его свойства (плотность, прочность, теплопроводность и др.).

Разница между количеством  воды, необходимым для твердения вяжущего и для получения из него удобоформуемого теста,— основная проблема технологии материалов на основе минеральных вяжущих.

Для гипса проблема снижения водопотребности и, соответственно, снижения пористости и повышения прочности была решена путем получения гипса термообработкой не на воздухе, а в среде насыщенного пара (в автоклаве при давлении 0,3...0,4 МПа) или в растворах солей (СаС1₂ • MgCl₂ и др.). В этих условиях образуется другая кристаллическая модификация полуводного гипса — α-гипс, имеющая водопотребность 35...40 %.

Гипс α-модификации  называют высокопрочным гипсом, так как благодаря пониженной водопотребности он образует при твердении менее пористый и более прочный камень, чем обычный гипс β-модификации. Из-за трудностей производства высокопрочный гипс не нашел широкого применения в строительстве.

Технические свойства гипса. Истинная плотность полуводного гипса — 2,65...2,75 г/см³ (двуводного — 2,32 г/см⁵); насыпная плотность полуводного гипса — 800... 1100 кг/м³.

По срокам схватывания, определяемым на приборе  Вика гипс делят на три группы (А, Б, В): 

 

Вид гипса	Начало схватывания	Конец схватывания
Быстротвердеющий (А)	Не ранее 2 мин	Не позднее 15 мин
Нормальнотвердеющий (Б)	Не ранее 6 мин	Не позднее 30 мин
Медленнотвердеющий (В)	Не ранее 20 мин	Не нормируется

 

 

Замедляют схватывание  гипса добавкой столярного клея, сульфит-носпиртовой барды (ССБ), технических лигносульфонатов (ЛСТ), кератинового замедлителя, а также борной кислоты, буры и полимерных дисперсий (например, ПВА).

Марку гипса определяют испытанием на сжатие и изгиб стандартных образцов-балочек 4 х 4 х 16 см спустя 2 ч после их формования. За это время гидратация и кристаллизация гипса заканчивается.

Установлено 12 марок гипса по прочности от Г-2 до Г-25 (цифра показывает нижний предел прочности при сжатии данной марки гипса в МПа):

В строительстве  используется в основном гипс марок  от Г-4 до Г-7.

По тонкости помола, определяемой максимальным остатком пробы гипса при просеивании на сите с отверстиями 0,2 мм, гипсовые вяжущие делят на три группы: грубый, средний, тонкий.

Плотность затвердевшего  гипсового камня низкая (1200... 1500 кг/м³) из-за значительной пористости (60...30 % соответственно).

Гипсовое  вяжущее — одно из немногих вяжущих, расширяющихся при твердении: увеличение в объеме достигает 0,2 %. Эта особенность гипсовых вяжущих позволяет применять их без заполнителей, не боясь растрескивания от усадки.

При увлажнении затвердевший гипс не только существенно (в 2...3 раза) снижает прочность, но и проявляет нежелательное свойство — ползучесть — медленное необратимое изменение размеров и формы под нагрузкой. Характер водной среды во влажном гипсе — нейтральный (рН = 6,5...7,5), и она содержит ионы Са⁺² и SO^-2₄, поэтому стальная арматура в гипсе корродирует. Увлажнению гипса способствует его гигроскопичность — способность поглощать влагу из воздуха. 

Гипс хорошо сцепляется с древесиной и поэтому его целесообразно армировать деревянными рейками, картоном или целлюлозными волокнами и наполнять древесными стружками и опилками.

Гипсовые  материалы не только являются негорючими материалами, но в силу своей пористости замедляют передачу теплоты, а при действии высоких температур в результате термической диссоциации выделяют воду, тем самым тормозя распространение огня.

В сухих условиях эксплуатации или при предохранении  от действия воды (гидрофобизирующие покрытия, пропитки и т. п.) гипс очень перспективное с технической и экологической точек зрения вяжущее.

Области применения. Главнейшая область применения гипса — устройство перегородок. Они могут быть заводского изготовления в виде панелей «на комнату», из гипсовых камней или из гипсокартонных листов. Последние также широко применяют для отделки стен и потолков. Гипсоволокнистые материалы используют как выравнивающий слой под чистые полы. Из гипса делают акустические плиты. В различных вариантах его применяют для огнезащитных покрытий металлических конструкций. Небольшое по объему, но важное направление использования гипса: декоративные архитектурные детали (лепнина) и скульптура.

Гипс используют для изготовления форм (например, для  керамики)

- формовочный гипс и в медицине для фиксации при переломах - 
медицинский гипс. Два последних вида гипса отличаются от строительного несколько повышенными требованиями к тонкости помола и 
химическому составу.

Местные вяжущие материалы из гипсосодержащих  пород. В районах Средней Азии и Закавказья применяют местные вяжущие — ганч и гажу. Их получают из пород, содержащих гипс (20...60 %) и глину (80...40 %). Ганч и гажа по свойствам напоминают обычный гипс, отличаясь от него более медленным схватыванием. Эти вяжущие используют для штукатурных и художественных работ.

Ангидритовое вяжущее и высокообжиговый гипс — медленносхва-тывающиеся и медленнотвердеющие вяжущие, состоящие из безводного сульфата кальция CaSO₄ и активизаторов твердения.

Безводный сульфат  кальция существует в природе  в виде минерала -ангидрита, однако даже в тонкоразмолотом состоянии он не обнаруживает вяжущих свойств.

Высокообжиговый гипс (эстрих-гипс) получают обжигом природного гипсового камня CaSO₄ • 2Н₂О до высоких температур (800...950° С). При этом происходит его частичная диссоциация с образованием СаО. Последний служит активизатором твердения ангидрита. Окончательным продуктом твердения такого вяжущего является двуводный гипс, определяющий эксплуатационные свойства материала.

Технологические свойства эстрих-гипса существенно отличаются от свойств обычного гипса. Сроки схватывания эстрих-гипса: начало не ранее 2 ч, конец - не нормируется. Благодаря пониженной водопотребности (у эстрих-гипса она составляет 30...35 % против 50...60 % у обычного гипса) эстрих-гипс после затвердевания образует более плотный и прочный материал. Прочность образцов-кубов из раствора жесткой консистенции состава вяжущее: песок =1:3 через 28 суток твердения во влажных условиях — 10...20 МПа. По этому показателю устанавливают марку эстрих-гипса: 100; 150 или 200 (кгс/см²).

Эстрих-гипс применяли в конце XIX — начале XX вв. для кладочных и штукатурных растворов (в том числе и для получения искусственного мрамора), устройства бесшовных полов, оснований под чистые полы и т. п. В настоящее время это вяжущее применяют ограниченно. Весьма вероятно появление интереса к этому вяжущему в недалеком будущем.

 

Задачи

№1. Масса камня в сухом состоянии весом 60 г, при насыщении водой она составляет  70 г. Определить объёмную массу, водопоглощение по массе и пористость камня, если объёмное водопоглощение составляет 21%, а плотность – 2,4 г/см³.

Решение: Объемная масса (объемный вес) – это масса единицы объема высушенного камня с порами в природном состоянии. Выражается объемная масса в граммах на кубический сантиметр (г/см³), или в килограммах на кубический метр.

Объемная масса горной породы численно всегда меньше плотности, так как масса данного материала в природном состоянии (с порами) занимает больший объем, чем такая же масса без пор. Водопоглощение - это свойство материала впитывать и удерживать в своих порах воду. Оно характеризуется количеством воды, которую поглощает сухой материал при полном погружении и выдерживании в воде заданный промежуток времени, отнесенным к массе сухого материала (массовое водопоглощение W_М) или к объему материала в сухом состоянии (объемное водопоглощение W_ОБ).

Из формулы объёмного  водопоглощения: , где m – масса насыщенного водой материала; m  – масса сухого материала; V – объём в сухом состоянии, имеем:

Тогда объёмная масса  составит:

.

Водопоглощение по массе:

Пористость – это свойство каменного материала иметь между отдельными частицами   (зернами, кристаллами, минералами) промежутки – поры, не заполненные данным веществом. В порах сухого материала находится воздух или газ, масса которого по сравнению с массой материала незначительна.

Количественно пористость определяется объемом пор в единице  объема массы материала. Пористость рассчитывается по формуле:

где ρ – плотность, г/см³; ρ₀ – объемная масса, г/см³;  V_ПОР – пористость, %,

Пористость камня:

 

№2. Определить содержание извести и воды (по массе) в 1м³ известкового теста, если объёмная масса составляет 1400 кг/м³, плотность пушонки – 2,05г/см³.

Решение: Масса и объем известкового теста равна сумме масс и объемов извести и воды. Составим два уравнения, учитывая, что объем известкового теста равен 1м³, а его масса 1400 кг, истинная плотность извести известна по условию ρ_И = 2050кг/м³, для воды                 ρ_В = 1000кг/м³. Выражая объем через массу и, зная плотности извести и воды, определим искомые величины:

Подставляя  в первое уравнение, получим:

Тогда масса воды:

 

Часть 2

1. Глиноземистый цемент: особенности производства, химический и минералогический состав, свойства и применение.

 

Глиноземистый цемент - быстротвердеющее гидравлическое вяжущее, состоящее преимущественно из моноалюмината кальция (СаО • А1203).

Свое название этот цемент получил от технического названия оксида алюминия А1203 - глинозем.

Однако для его получения  требуется иной клинкер (не портландцементный).

Этот цемент является быстротвердеющим вяжущим веществом, набирающим через сутки твердения прочность, которая составляет свыше 85 % марочной.

Производство. Сырьем для глиноземистого цемента служат бокситы и известняки.

Бокситы - горная порода, состоящая из гидратов глинозема (А1203 • пИ20) и примесей (в основном Fe203, Si02, СаО и др.).

Бокситы широко используются в различных отраслях промышленности: для получения алюминия, абразивов, огнеупоров, адсорбентов и т. п., а  месторождений с высоким содержанием  А1203 очень немного.