Способ изготовления гипсовых изделий

 

Изобретение относится к технологии производства строительных материалов и может быть использовано при производстве гипсовых низкообжиговых вяжущих и изделий на их основе. Решаемая задача: повышение прочности гипсовых изделий, упрощение способа за счет исключения операций автоклавирования и тонкого измельчения, снижение удельных энергозатрат, а также решение проблемы утилизации отходов производства. Способ изготовления гипсовых изделий путем приготовления сырьевой смеси, прессования с одновременным удалением избытка воды затворения, при этом сырьевую смесь готовят путем смешения влажного двуводного гипса из группы: комовый природный гипс, цитрогипс с концентрированной серной кислотой с последующим последовательным введением сухой негашеной извести до получения композиции, содержащей, мас.%: Двуводный гипс - 50 - 70 H₂SO₄ - 10 - 20 CaO - 20 - 30 Вода затворения - До получения теста нормальной густоты, а удаление воды затворения осуществляется до получения водовяжущего отношения 0,3 - 0,35. 1 табл.

Изобретение относится к технологии производства строительных материалов и может быть использовано при производстве гипсовых низкообжиговых вяжущих и изделий на их основе.

Известен способ, включающий приготовление смеси гипсового вяжущего с водой, укладку в пресс-форму этой смеси и сухого вяжущего с общим водовяжущим отношением 0,2-0,9, прессованием при удельном давлении 20-40 МПа с удалением избытка воды с последующим сбросом давлении прессования и выдержки изделий в пресс-форме. При этом прессовании производят до получения водовяжущего отношения 0,05-0,15, а сброс давления прессования и выдержку изделий в пресс-форме производят в течение 100 мин под слоем воды, удаленной при прессовании изделий.

Недостатком указанного способа является длительность и сложность процесса изготовления изделий, значительные энергозатраты на их производство и низкая прочность изделий.

Известны методы получения высокомарочного гипса, содержащего в основе α - полугидрат сульфата кальция CaSO₄ · 0,5 H₂O, основанные на дегидратации гипса в среде насыщенного пара под давлением выше атмосферного в автоклавах и термообработке в жидких средах, при которых гипс дегидратируется при кипячении в водных растворах некоторых солей [1].

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления гипсовых изделий путем приготовления сырьевой смеси, прессования с одновременным удалением избытка воды затворения, исключающий выдержку под слоем воды. Сырьевую смесь готовят путем смешения двуводного гипса из группы: молотый природный гипс, фосфогипс, борогипс, цитрогипс, криогипс водой до получения водотвердого отношения 0,25-0,30 с последующим введением известковой суспензии с водотвердым отношением 2,0-4,0 и гипсового вяжущего, получения композиции, содержащей, мас.%: Двуводный гипс - 50-70 Гипсовое вяжущее - 5-20 Известь - 15-40, а удаление воды затвердения осуществляется до получения водовяжущего отношения 0,22-0,30 [2].

Недостатками таких способов получения гипсовых вяжущих и изделий на их основе являются невысокая прочность полученных изделий, высокая стоимость процесса, энергоемкость.

Изобретение направлено на повышение прочности гипсовых изделий при максимальном уменьшении плотности, упрощение способа за счет исключения операции автоклавирования и тонкого измельчения, снижения удельных энергозатрат.

Это достигается тем, что в способе изготовления гипсовых изделий, включающем приготовления сырьевой смеси смешением влажного двуводного гипса с известковым компонентом и водой затворения, прессование с одновременным удалением избытка воды затворения, причем в качестве влажного двуводного гипса используют компонент из группы комовый природный гипс, цитрогипс, который сначала смешивают с концентрированной серной кислотой, а затем последовательно с известным компонентом и водой, причем в качестве известкового компонента используют сухую негашеную известь, а приготовленная сырьевая смесь содержит в мас.%:
Двуводный гипс - 50-70
Серная кислота - 10-20
Указанная известь - 20-30
Вода затворения - До получения теста нормальной густоты,
удаление же избытка воды затворения осуществляют до получения водовяжущего отношения 0,3-0,35.

Гипсовое вяжущее, которое получают непосредственно из влажного комового гипсового камня или влажных гипсосодержащих отходов (например, цитрогипса - отхода производства лимонной кислоты с влажностью 58-60% концентрированной серной кислоты и негашеной извести.

Реакцию проводят при комнатной температуре, но за счет внутреннего разогрева смеси при добавлении сильного водоотнимающего средства, в качестве которого используют концентрированную серную кислоту (плотность ρ = 1834 кг/м³), температура реакционной смеси повышается от 100^oC, а при введении сухой негашеной извести до 120^oC и при этом происходит процесс дегидратации и химической перекристаллизации двуводного гипса по предлагаемой схеме 1:

При взаимодействии полученной смеси с водой затворения происходит гидратация всех компонентов смеси с образованием дигидрата сульфата кальция по схеме 2:

Данные рентгенофазового и микроскопического анализов подтвердили образование новых структур химической перекристаллизации двуводного гипса.

В рентгенограммах выделенной порошкообразной смеси по схеме 1 присутствуют линии дифрактограмм, характерные для α - полуводного гипса (CaSO₄ · 0,5 H₂O); бассанита (2CaSO₄ · H₂O) и ангидрита (CaSO₄), а в образце по схеме 2 присутствует линия двуводного гипса (CaSO₄ · 2H₂O) и полностью отсутствует линия, характерная для негашеной извести.

Полученную смесь формуют под давлением 7-10 МПа, время выдержки 3 мин. Процесс твердения завершается в воздушно-сухих условиях - температура 18 ± 2^oC, относительная влажность 60%.

Так как в данном процессе удаление влаги происходит в капельно-жидком состоянии, то образуются однородные кристаллы двугидрата сульфата кальция, упрочняющие контакты между кристаллами и формирующие на поверхности более прочную и плотную структуру двуводного гипса. Это в конечном итоге приводит к увеличению прочности изделий, что соответствует задачам изобретения. Прочность на сжатие гипсовых изделий выше известного аналога (см. табл.).

Следует отметить, что изделия на основе вяжущего из цитрогипса, полученные по данному способу, по своим физико-химическим показателям можно отнести к марке "Специальный гипс", который отвечает несколько повышенным требованиям по сравнению с гипсом строительным (тонкость помола - остаток на ситах N 02 и N 0085 - не более 5-8%, прочность на сжатие 60-130 кгс/см³, цвет белый.

Предложенное техническое решение отличается от прототипа тем, что упрощается способ за счет исключения операций высушивания и измельчения в помольных агрегатах, за счет сокращения операции введения гипсового вяжущего и предварительного затворения извести водой.

Это достигается в результате обработки влажного цитрогипса (60%) - концентрированной серной кислотой и последовательным введением сухой негашеной извести, в результате чего получается новое гипсовое вяжущее (схема 1, 2) непосредственно в смеси, а дальнейшие операции обработки водой и прессование до получения водовяжущего отношения 0,3-0,35 занимает всего 2-3 мин, что позволяет значительно снизить энергозатраты и существенно упростить технологию изготовления гипсовых изделий при высокой прочности последних (см. табл. 1). Кроме того, предлагаемый способ может быть использован для получения гипсового вяжущего и изделий на его основе непосредственно в карьере с природным влажным двуводным гипсом (гипсовым камнем).

При этом полностью исключаются дорогостоящие и экологически вредные операции высушивания и измельчения в помольных агрегатах, так как в результате взаимодействия "мокрого" двуводного гипса с концентрированной серной кислотой происходит процесс дегидратации двуводного гипса, сопровождающийся саморазогревом смеси и разжижением, что характеризуется диспергированием частиц в сторону уменьшения их размеров (по данным микроскопического анализа исходный размер частиц цитрогипса 40 мкм, после обработки концентрированной серной кислотой 5-7 мкм). При добавлении сухого CaO происходит процесс химической перекристаллизации с образованием нового гипсового вяжущего, образуются частицы с размерами 2-3 мкм. Высокая степень дисперсности полученного гипсового вяжущего, удельная поверхность 450-500 м²/кг, белизна - 90%, прочность на сжатие до 30 МПа позволяет отнести его к типу высокопрочных безобжиговых вяжущих.

При прессовании однородных частиц получаются изделия с высокой прочностью (см. табл. 1), что соответствует задачам изобретения.

Основная роль CaO сводится к тому, чтобы замедлить кристаллизацию самого полугидрата кальция путем снижения вероятности образования и количества зародышей кристаллизации из-за увеличения молекулярного объема соударяющихся частиц, т. к. CaO, вступая в реакцию с H₂SO₄, образует новую поверхностную фазу CaSO₄ (ангидрит); кроме того, CaO является катализатором гидратации безводного CaSO₄ (см. схему 2). Таким образом, образуются короткие утолщенные призматические кристаллы - полугидрата сульфата кальция, придающие изделиям особую прочность. Данная закономерность выявлена впервые и является неочевидной для специалистов.

При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "изобретательский уровень".

Пример 1. Изготовление плиты размером 20 х 20 х 1 см.

Берут навеску 640 г цитрогипса влажностью 60% и помещают в фарфоровую чашку, приливают при перемешивании 96 г концентрированной серной кислоты (p = 1884 кг/м³), температура реакционной смеси повышается до 65^oC, происходит разжижение массы вследствие дегидратации двуводного гипса, затем в полученную смесь добавляют при перемешивании порциями сухую негашеную известь (CaO) в количестве 128 г, при этом температура смеси резко увеличивается до 120^oC, после прекращения процесса дегидратации и химической перекристаллизации температура смеси падает.

Процесс заканчивается через 3 мин. В полученную однородную массу добавляют при перемешивании воду затворения до образования теста нормальной густоты, после чего смесь укладывают в пресс-форму с фильтрующей поверхностью и формуют под давлением 7-10 МПа до достижения остаточного водотвердого отношения 0,3. Начало схватывания вяжущего 3-5 мин, конец - 24 ч.

Процесс твердения завершается в воздушно-сухих условиях (температура 18^oC, относительная влажность 60%).

Пример 2. Изготовление призмы размером 4х4х16 см.

Берут навеску комового природного двуводного гипса 700 г влажностью 40%, помещают в фарфоровую чашку, приливают при перемешивании 140 г концентрированной серной кислоты (ρ = 1834 кг/м³), температура реакционной смеси повышается до 63^oC, происходит разжижение массы вследствие процесса дегидратации двуводного гипса, затем в полученную смесь добавляют порциями при перемешивании сухую негашенную известь в количестве 70 г, при этом температура смеси резко увеличивается до 110^oC, после прекращения процесса дегидратации и химической перекристаллизации температура смеси падает. Процесс заканчивается через 5 мин. В полученную густую однородную массу добавляют при перемешивании воду затворения до образования теста нормальной густоты, после чего смесь укладывают в пресс-форму с фильтрующей поверхностью и формуют под давлением 7-10 МПа до достижения остаточного водотвердого отношения, 0,35.

Составы и свойства гипсовых вяжущих и изделий на их основе, полученных в 3-х последующих примерах, представлены в таблице.

Как видно из приведенных данных, решается важнейшая задача строительной индустрии - при максимальном уменьшении плотности изделий значительно увеличивается их прочность.

На основе полученного гипсового вяжущего можно изготавливать перегородочные плиты и панели, декоративный гипсовый камень для отделения внутренних помещений и др.

Данный способ получения гипсового вяжущего можно рекомендовать для утилизации "мокрых" кальцийсодержащих отходов пищевой и микробиологической промышленности.

При этом не требуется дополнительного оборудования и специальных дорогостоящих реакторов, а производство вяжущего и изделий на его основе можно организовать из отходов на любом из перечисленных выше предприятий.

При производстве гипсовых изделий по предлагаемому способу по сравнению с известным энергозатраты уменьшаются в 4,5 раза, время технологического цикла уменьшается соответственно в 6 раз, а стоимость процесса уменьшается в 3 раза.

Преимуществом предлагаемого способа получения низкообжигового гипсового вяжущего и изделий на его основе является то, что полностью исключается термическая обработка двуводного гипса, дорогостоящий процесс тонкого измельчения сырья в шаровых мельницах, дезинтеграторах и других диспергирующих системах, при этом сокращаются тепло-, энерго- и трудозатраты, высвобождаются производственные площади, улучшается экологическая обстановка в регионе.

Источники информации
1. Пащенко А.А. Общая технология силикатов, Киев. Высшая школа, Головное издательство, 1983, с. 158.

2. Авторское свидетельство СССР N 1132485, C 04 B 28/14, 1983.

Формула изобретения

Способ изготовления гипсовых изделий, включающий приготовление сырьевой смеси смешением влажного двуводного гипса с известковым компонентом и водой затворения, прессование с одновременным удалением избытка воды затворения, отличающийся тем, что в качестве влажного двуводного гипса используют компонент из группы: комовый природный гипс, цитрогипс, который сначала смешивают с серной кислотой, а затем последовательно с известковым компонентом и водой, причем в качестве известкового компонента используют сухую негашеную известь, а приготовленная сырьевая смесь содержит, мас.%:
Двуводный гипс - 50 - 70
Серная кислота - 10 - 20
Указанная известь - 20 - 30
Вода затворения - До получения теста нормальной густоты
удаление избытка воды затворения осуществляют до получения водовяжущего отношения 0,3 - 0,35.

РИСУНКИ

Рисунок 1