ПРОИЗВОДСТВО ГИПСА

НЕКОТОРЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА ПРЕССОВАНИЯ ПЛАСТИЧНЫХ ВОДОГИПСОВЫХ СМЕСЕЙ

Определение режимных параметров прессования. Выбор оптимальных ре­жимов прессования осуществлен на образцах из гипсового вяжущего Минского завода. Были исследованы [78] режимы подачи и выдержки давле­ния, приложенного к гипсовой смеси нормальной густоты через 4 мин после ее затворения, а также влияние скорости подъема давления прессования до заданного (100 МПа) на прочность при сжатии гипсового камня в возрасте 1 сут. Подъем давления со скоростью, превышающей 20 МПа/мин (0,33 МПа/с), нежелателен, так как при этом через фильтрующий элемент не успевает доста­точно полно отфильтроваться избыточная влага. Уменьшение же скорости подъема давления до 8 МПа/мин (0,133 МПа/с) также нецелесообразно ввиду того, что при этом сильно возрастает время подъема давления до заданного и его воздействие на смесь проявляется после начала ее схватывания, что неже­лательно для такой быстротвердеющей системы, какой является затворенная гипсовая смесь. Понижение давления прессования до 60 МПа (при этом умень­шается время подъема давления/ и, следовательно, его воздействие на смесь осуществляется на более ранней стадии ее твердения) при скорости его подъ­ема 10 МПа/мин (0,25 МПа/с) не приводит к снижению прочности образцов. Последняя уменьшается лишь- при дальнейшем понижении прессующего дав­ления, но остается, однако, довольно высокой.

Эти результаты, а также определение объема отфильтрованной жидкости

позволили сделать вывод о том, что оптимальная скорость подъема давления до 60 МПа составляет 8...10 МПа/мин [78, 83].

Изображенные на рис. 1.3 кривые нарастания прочности гипсовых образ­цов получены при сравнительно низких значениях давления прессования. Скорость подъема давления в этих экспериментах оставалась постоянной и равной 8 МПа/мин в соответствии с данными предыдущих исследований. Анализ результатов эксперимента позволил установить оптимальный режим получения высокопрочного гипсового камня с использованием прессующего давления: формование смеси гипсового вяжущего с водой нормальной густо­ты осуществляется при давлении 10 МПа в течение 2...4 мин с одновременным отжатием из нее в процессе прессования избытка воды затворения, скорость подъема давления до заданного — 8 МПа/мин.

Камень, получаемый на основе гипсового вяжущего марки Г-5БІІ Минско­го завода, сразу после распрессовки имеет предел прочности на сжатие 6,5 МПа, а в возрасте 1,5 ч от начала затворения смеси — 28,6 МПа. Для гипсо­вого вяжущего марки Г-7БІІ Пешеланского гипсового завода и фосфогипсо- вого вяжущего марки Г-5БІІ Л итНИИСиА эти показатели после распрессовки соответственно равны 7,2 и 3,2 МПа, а в возрасте 1,5 ч — 30,4 и 19,8 МПа.

Таким образом, прессование пластичной водогипсовой смеси с одновремен ным удалением избытка жидкой фазы позволяет при сравнительно низком давлении прессования получить гипсовый камень, прочность которого в не­сколько раз больше прочности камня стандартного изготовления. В отличие от способа, описанного в [131], где применение жестких смесей требует специальных приемов их затворение (в частности, перевода в виброкипящее состояние), в данном способе благодаря использованию смесей пластичной консистенции затворения их не представляет никаких затруднений. На стадии образования коагуляционной структуры, когда система обладает минималь­ной термодинамической устойчивостью, значение прессующего давления мож - носнизитьдо 10 МПа. Воздействие столь невысокого давления на ранней стадии твердения пластичной гипсовой смеси при условии удаления из нее избытка

кидкой фазы обеспечивает практически такой же эффект, что и давление по­рядка 70...120 МПа, приложенное к жесткой смеси. Дело в том, что пластин - (ая гипсовая смесь, являясь гетерогенной системой, характеризуется большой їлощадью поверхности раздела фаз. При гидратации, когда происходит вы - сристаллизация высокодисперсных (размеров коллоидных частиц) гидрат - 1ых новообразований, эта величина возрастает в десятки и сотни раз, что обу - іловливает значительный избыток свободной энергии в системе. В коллоид - 1ых системах наблюдается в большинстве случаев самопроизвольная коагуля­ция, т. е. уменьшение свободной энергии за счет уменьшения поверхности раз* іела фаз. Поэтому прессование пластичной гипсовой смеси на стадии образова - іия коагуляционной структуры приводит к максимальному эффекту ее уп - ютнения при минимальных энергетических затратах.

Существенную роль в рассматриваемом эффекте играет также наличие ;вободной воды в системе, имеющей выход наружу в процессе прессования. Зода, смачивающая поверхность кристаллов, способствуя скольжению их друг їтносительно друга и уменьшению внутреннего трения, создает условия наи - пучшей их упаковки. При формовании изделий из жестких смесей в силу малой подвижности и быстрой схватываемости последних значительны силы грения, поэтому и необходимое давление прессования больше.

Из табл. 1.7 видно, что с увеличением давления в диапазоне оптималь­ных значений возрастает прочность гипсового камня, уменьшаются его по­ристость и остаточное водогипсовое отношение. При этом скорость нараста­ния прочности с увеличением давления прессования от 2,5 до 15 МПа падает и при 10 МПа практически стабилизируется. Это еще раз подтверждает правиль­ность выбранного оптимального режима прессования. Отметим также наличие точки перелома на кривой 3 (см. рис. 1.3) (Характеризующей процесс фильтра­ционного удаления влаги до (В/Г) = 0,218, что согласуется с высказанным

выше положением о необходимости обеспечения в отпрессованном материале остаточного водосодержания, равного 1,15...1,3 от стехиометрического.

Технологические факторы, определяющие прочность прессованного гип­сового материала. Такими факторами являются характеристики исходного вяжущего (минералогический и химический составы, дисперсность, сроки

схватывания, нормальная густота, марка), а также технологические особен­ности приготовления водогипсовой смеси, давление прессования, продолжи­тельность и условия твердения смеси.

Для изучения влияния минералогического и химического состава исход­ного вяжущего на прочностные показатели затвердевшего прессованного гипсового материала использовались несколько видов полуводного (а - и /3-модификаций) гипса и растворимый ангидрит (см. табл. 1.5). Для гип­совых вяжущих /3-модификации (из природного гипсового камня) при формовании образцов по ГОСТ 23789—79 (литьем) прослеживается следую­щая зависимость. При содержании полугидрата сульфата кальция, равном 89,4 и 77,5 %, эти вяжущие имеют предел прочности при сжатии соответствен­но 7,2 и 5,1 МПа (см. табл. 1.3, 1.5). Для вяжущего ЛитНИИСиА, изготовлен­ного из фосфогипса, R = 5,5 МПа, что ниже прочности вяжущего Пешелан - ского завода (Я = 7,2 МПа), полученного из природного гипсового камня и характеризующегося меньшим содержанием полугидратной фазы. Для прес­сованного камня эти зависимости не соблюдаются. Например, прессованный материал на вяжущем Минского завода с наименьшим содержанием полугид - рата сульфата кальция имеет самые высокие прочностные показатели только в раннем возрасте (не более 7... 10 сут).

Общей четкой зависимости прочностных показателей гипсового материала от химико-минералогического состава вяжущего обнаружить не удалось. В обоих рассмотренных случаях (литье и прессование) необходимо учитывать еще целый ряд сопутствующих факторов, таких как дисперсность, водопот - ребность, морфология кристаллов вяжущего и др. Также не удалось обнару­жить влияния содержания полугидрата сульфата кальция для вяжущих а-мо - дификации как для прессованного гипсового материала, так и для стандарт­ных (контрольных)* образцов. При использовании технологии прессования наивысшими прочностными показателями также обладают вяжущие а-моди­фикации, причем зависимость R от марки вяжущих четко не прослежи­вается. Например, вяжущее марки Г-16АІII имеет лучшие показатели, чем су­пергипс марки Г-25БІІІ. Образцы на основе вяжущих ^-модификации одина­ковых марок Г-5БІІ существенно отличаются по прочности. В раннем воз­расте образцы на вяжущих из природного камня по прочностным показателям превосходят полученные из фосфогипса, что в значительной степени объясня­ется наличием в последнем примесей. После 7...10 сут твердения прочность фосфогипсовых образцов превышает прочность образцов на вяжущих из при­родного камня. Из вяжущих a-модификации наихудшие показатели у вяжу­щего марки Г-1 ОБII Куйбышевского завода и смешанного ГИШВ марки Г-7ВІІІ Красноуфимского завода. Самые низкие прочностные показатели имеет ангидритовое вяжущее из обожженного фосфогипса Гомельского хими­ческого завода, марочную прочность которого зафиксировать не удалось вообще.

При исследовании влияния сроков схватывания подтвердилось предполо­жение о необходимости воздействия давления прессования на стадии коагуля­ционного структурообразования системы в момент времени, близкий к на­чалу ее схватывания. Для вяжущих /^модификации этого временного интер­вала (4... 10-мин) достаточно для перемешивания, транспортировки, уклад­ки смесей, осуществления операций по другим технологическим переделам,

Предшествующим прессованию. Для вяжущих a-модификации указанный пе­риод (г ) составляет от 13 до 43 мин, поэтому появляется необходимость К технологической выдержке уложенных смесей либо ускорения их схваты­вания путем применения добавок. Во всех рассмотренных случаях период Времени до приложения давления должен составлять не более 0,9гн (перио­да времени от затворения смеси до начала ее схватывания).

Рис. 1.4. Предел прочности при сжа­тии прессовенного гипсового кемня ИВ вяжущем Минского завода в за­висимости от условий хренения ^ обрезцов: f — при — 100 %; 2 — р = 75 %;

3 — ip = 40 %; 4 — при ip — 60 % и f = (20 ± 2) °С после выдержки 0 6 12 ¥ 24 6/2/3 24 30сут39

в воде в течение 1,5 ч Т—► Г--------- ►

Проведено исследование влияния условий хранения прессованных гип­совых образцов. Изготовленные образцы в виде прессованных балочек 4x4x16 см, имевшие в возрасте 15 мин от начала затворения R = 6 МПа, Помещали в гигростат с различной относительной влажностью среды. Образцы первой серии (<р = 100 %) показывают повышение прочности до возраста 3 ч, ■атем наблюдается падение ее вплоть до суточного возраста образцов и после­дующая стабилизация к месячному их возрасту (кривая 1 на рис. 1.4). Вторая Серия образцов (ip ~ 75 %) показывает постепенное повышение прочности вплоть до месячного возраста (кривая 2), причем в этом возрасте R почти в 2 раза превосходит прочность образцов первой серии. Образцы третьей серии = 40 %) характеризуются медленным нарастанием прочности до возраста 1 сут и высокой скоростью структурообразования вплоть до месячного возраста (кривая 3). При дальнейшей выдержке образцов при <р = 40 % проис­ходит стабилизация их прочностных показателей.

Наилучшие результаты получены при следующем режиме хранения образ - .цов: выдержка при ip = 100 % в течение 1,5 ч (во временном интервале 1,Б...З ч от момента затворения), затем хранение в нормальных условиях.

При длительном хранении (в течение года) прочность образцов первых трех серий не изменяется, а образцов четвертой серии сохраняет тенденцию к нарастанию.

Интересная закономерность выявлена для образцов, хранившихся в есте­ственных условиях и подсушенных в сушильном шкафу до постоянной массы. Прочность этих образцов R = 78,5 МПа после трехмесячного их хранения в эксикаторе с цеолитом снизилась до 68 МПа, через 6 месяцев — до 61,5, 12 месяцев — до 55 МПа, при хранении в гигростате ($ = 100%) через 3 меся­ца — до 34,4 МПа, 6 месяцев — 32 и через год — до 31,5 МПа.

Выявленные закономерности можно связать с рассматриваемыми в сле­дующем параграфе процессами гидратации толугидрата гипса, которые в условиях дефицита жидкой фазы протекают по наиболее рациональной схеме

Прочность твердеющей системы зависит от продолжительности твердения, причем процессы упрочнения гипсовых прессованных материалов и гипсового камня стандартного твердения различны.

На рис. 1.6 представлены кривые нарастания во времени прочности образ­цов прессованных и стандартного твердения, хранившихся в одинаковых нормально-влажностных условиях (t - (20±2) °С, у = 60...70 %). В процессе исследования фиксировалась убыль влаги из образцов за счет их естественной

Ьушки. В образцах стандартного твердения процесс гидратации эаворштнсп |через сутки. Графики наглядно показывают, что нарастание прочное ■ и оОріи |цов стандартного твердения после 8-суточного их твердения затухает с про |кращением убыли влаги. Интенсивное нарастание прочности прессованных Образцов даже с прекращением убыли влаги из материала должно быть обу - Ірловлено формированием новых и упрочнением уже имеющихся кристаллиза­ционных контактов. Упрочнение же последних вследствие их "обрастания” {т. е. увеличения площади сечения контактов) в стандартно твердеющей ристеме на основе гипса не происходит из-за интенсивного и рано заканчиваю­щегося процесса гидратации. Универсальными в этом смысле являются це­ментные системы. В них происходит постоянный процесс образования новых JH упрочнения уже имеющихся кристаллизационных контактов благодаря ■длительному процессу растворения зерен вяжущего, не прекращающемуся йгодами. При этом жидкая фаза всегда будет насыщена продуктами реакции, |что и обусловливает непрерывность кристаллизации с обязательным "обрас­танием" (упрочнением) кристаллизационных контактов [46]. Повышение прочности прессованных гипсовых систем наблюдается и после окончания естественной подсушки материала, которая для стандартных образцов закан­чивается к 7...10-суточному возрасту. Можно предположить, что в прессованном ;гипсовом камне в результате фильтрационного переноса и удаления избыточ­ной жидкой фазы в течение длительного времени сохраняется резерв исход­ного вяжущего, что при дефиците свободной воды и обеспечивает длитель­ность процесса гидратации и возможность дальнейшей кристаллизации и упроч - Iнения системы.

Таким образом, помимо двух сформулированных в § 1.2 условий форми - [рования высокопрочных гипсовых структур (А и Б) должна соблюдаться и третья группа условий (В).