Актуальность темы: В настоящее время РФ обладает уникальной по мировым масштабам минерально-сырьевой базой производства гипса, разведанные запасы которой составляют около половины мировых разведанных запасов.
Строительный гипс, созданный на основе гипсового камня, находит широкое применение в строительном производстве, идет на приготовление алебастра, гипсоблока. Применяется при изготовлении перегородочных панелей, звукопоглощающих плит, гисокартонных и обшивочных листов, сухих строительных смесей для штукатурных, отделочных работ.
Цель работы: Изучить процесс производства строительного гипса, оценить его экологичность.
Природный каменный материал гипс представляет собой осадочную породу, образовавшуюся примерно 100-200 млн. лет назад в результате испарения участков Мирового океана. Это породы, сложенные одноименными минералами. Ценнейшим свойством гипса является его способность частично дегидратироваться (удаление влаги) при нагревании. Получаемый при этом материал называется строительным гипсом. После затворения водой он очень быстро схватывается и твердеет на воздухе, превращаясь в камень.
I. Этапы преобразования гипсового камня в строительный гипс
Гипсовый камень добывают и доставляют с карьеров в кусках размером от 300 до 500 мм длиной, дробят в щековых и молотковых дробилках, после размалывают с одновременной сушкой в шахтных мельницах.
Источником теплоты для сушки в основном служат отработанные дымовые газы с температурой 100-500°С. Непрерывно поступая под ротор мельницы, они уносят с собой продукт помола в шахту над мельницей, где он подсушивается. При этом имеет место саморегулирование процесса — более крупные частицы выпадают из газового потока и снова поступают в мельницу, где подвергаются повторному измельчению, а мелкие частицы уносятся дымовыми газами в пылеулавливающие устройства.
Тонкомолотый гипс поступает для тепловой обработки в гипсоварочный котел (изображение ниже). Широко распространено производство гипса в варочных котлах периодического действия большой емкости (12 — 15 м³). Гипсоварочный котел представляет собой цилиндр с вогнутым внутрь сферическим днищем, изготовленный из жароупорной стали и обмурованный кирпичной кладкой. Под котлом расположена топка, сводом которой служит днище котла. Внутри котла попарно друг над другом расположены четыре жаровые металлические трубы. Продукты сгорания топлива омывают днище котла, затем, проходя по кольцевым каналам, обогревают его боковые стенки. Далее газы попадают в жаровые трубы, нагревают их, а сами охлажденными удаляются через дымовую трубу. Это обеспечивает равномерный обогрев материала и полное использование теплоты дымовыми газами. Внутри котла расположено перемешивающее устройство — вертикальный вал с прикрепленными к нему верхней и нижней мешалками.
Рассмотрим процесс дегидратации гипсового камня* (гипса) для дальнейшего исследования его превращения в строительный гипс.
В основе получения всех гипсовых вяжущих лежит способность двуводного сульфата кальция дегидратироваться с изменением состава и структуры. В зависимости от степени нагрева получаемый продукт обладает различной растворимостью в воде, превращаясь в итоге в нерастворимое, «намертво обожженное» состояние. Регулируя температуру тепловой обработки, можно получить различные гипсовые вяжущие, которые отличаются строительно-техническими свойствами. Кроме того, степень дегидратации двуводного гипса зависит от длительности тепловой обработки и давления водяных паров.При температуре 120 — 170°С двуводный гипс сравнительно быстро дегидратируется до полугидрата.
С повышением температуры до 200°С процесс обезвоживания ускоряется. Гипс постепенно переходит в безводную модификацию — обезвоженный полугидрат, который в свою очередь при дальнейшем повышении температуры превращается в растворимый ангидрит. При этом полуводный гипс, как и последующие две его безводные модификации, могут существовать в виде а- и b-модификаций, отличающихся по структуре. а-полугидрат образуется при температуре 105 — 120°С , но при повышенном давлении водяного пара.
Отщепляемая вода удаляется из гипса в жидком состоянии и не вызывает разрыхления или разрушения зерен. Получаются плотные кристаллы полугидрата с гладкой поверхностью. b-полугидрат получают при атмосферном давлении, вода при дегидратации выходит в виде пара, что приводит к сильному механическому диспергированию зерен, образованию шероховатого «изъеденного» рельефа поверхности с большим количеством трещин и капилляров. На рисунке показаны химические превращения гипса при нагревании.
Чем выше температура и ниже давление водяного пара, тем мельче получаемые кристаллы. Структурные отличия определяют особенности свойств а- и b-модификаций полуводного гипса. b-полугидрат отличается повышенной растворимостью, большей скоростью гидратации, но для получения подвижного гипсового теста он требует большего количества воды (50 — 70% от массы гипса по сравнению с 30 — 45% для а-полугидрата) и соответственно имеет меньшую прочность. Обезвоженные полугидраты по структуре близки к полугидратам, но отличаются несколько большей (на 5 — 6%) водопотребностью. Растворимые ангидриты требуют воды на 25 — 30% больше, чем полугидраты, и дают камень меньшей прочности. Поэтому следует избегать образования растворимого ангидрита при тепловой обработке гипсового камня. Начиная с 350°С, растворимый ангидрит переходит в нерастворимый «намертво обоженный», который практически не взаимодействует с водой и не твердеет. При температурах более 800°С начинается частичная диссоциация сернокислого кальция и в составе продукта обжига появляется свободная известь.
Продолжительность дегидратации гипсового камня* (далее раскрывается значение определения) в гипсоварочных котлах зависит от емкости котла, тонкости измельчения сырья и т.д. В среднем она колеблется от 50 мин до 2,5 ч. В первый период температура материала поднимается примерно до 120°С, а затем, несмотря на поступление теплоты, температура материала длительное время остается постоянной. Это соответствует периоду выделения из гипса кристаллизационной воды и превращения ее в пар — наблюдается бурное кипение материала, что требует значительных затрат теплоты. Постепенное повышение температуры в конце варки свидетельствует о том, что в массе порошка становится все меньше частиц двуводного гипса, и теплота начинает расходоваться не только на дегидратацию, но и на нагрев материала. Превышение температуры 120°С недопустимо, так как в этом случае начинают изменяться свойства гипсового вяжущего за счет развития процесса дегидратации, и это может привести ко второму кипению.
По окончании варки материал выгружают в бункер выдерживания для постепенного охлаждения и выравнивания состава, где он находится 20-30 мин. Выравнивание состава продукта снижает его водопотребность и обеспечивает более высокие прочностные свойства.
Тепловая обработка в котлах происходит при атмосферном давлении, вода удаляется в виде пара и сильно разрыхляет структуру, поэтому продукт состоит в основном из тонкодисперсной b-модификации полуводного гипса. Повысить содержание более качественного a-полугидрата можно введением в котел небольших количеств растворов солей, например, 0,1% NaCI. Раствор соли снижает упругость пара у поверхности зерен, что приводит к ускорению процесса варки и улучшению качества продукта.
Гипсоварочные котлы отличаются простотой обслуживания, удобством регулирования и контроля режима обжига. Обрабатываемый в них материал с пламенем и дымовыми газами не соприкасается, поэтому не загрязняется золой и сажей. К недостаткам этого агрегата следует отнести периодичность работы, быструю изнашиваемость его днища и обечаек котлов, а также сложность улавливания гипсовой пыли.
Из гипсоварочного котла материал выходит достаточно дисперсным, однако для улучшения его качества иногда используют его домол в шаровых мельницах.
Для обжига гипса во вращающихся печах используют печи длиной 8 — 14 м и диаметром 1,6 — 2,2 м. Загружают печи щебнем с размером зерен 10 — 20 мм и 20 — 35 мм. Длительность тепловой обработки — 1 — 2 ч. Выходящий из печи материал направляют в бункер томления или подвергают горячему помолу. Такая технологическая схема обеспечивает получение более дешевого и качественного гипса при меньших капитальных затратах, компактна, легко поддается автоматизации.
Невысокая температура дегидратации гипса* позволяет совместить процессы помола и обжига в одном агрегате — шахтной, роликовой или шаровой мельнице. В этом случае используют горячие дымовые газы с температурой до 600 — 700°С. Частицы материала находясь во взвешенном состоянии, быстро дегидратируются. Длительность процесса существенно сокращается, но снижается и качество продукта, так как его состав неоднороден.
II. Экологические аспекты.
Все материалы, представленные сегодня на рынке строительной продукции, получают экологическую оценку по каждому этапу производства. Рассмотрим жизненный цикл строительного гипса с экологической точки зрения.
На этапе добычи гипсового камня открытым способом учеными ВГТУ [ НТЖ «ЖБК» №12, 07 г.] было установлено, что основными видами воздействия открытой разработки месторождений общераспространенных полезных ископаемых выступает прямое уничтожение на локальных участках в пределах горного отвода. За пределами горного отвода основное воздействие обусловлено пылением и выбросами загрязняющих веществ от взрывов, двигателей дорожно-строительной техники и автотранспорта в границах санитарно-защитных зон разработок. Выявлен риск загрязнения и изменения химического состава подземных вод, подстилающего полезную толщу, в пределах площади отработки запасов и области стока к объектам местной разгрузки.
В процессе помола гипсового камня образуется частицы, которые могут нанести вред здоровью работника предприятия или местным жителям, поэтому на каждом производстве подобного типа устанавливаются фильтры.
Вывод:
1. Огромное влияние на экологическую оценку продукта оказывают энергетические затраты на его производство. Например, на получение 1 т. гипса требуется в 4.5 раза меньше топливно-энергетических ресурсов, чем на получение 1 т. цемента.
2. При экологической оценке материала учитывается — возможно ли образование отходов, возможны ли выбросы в окружающую среду вредных веществ и при производстве строительных работ. Отметим, что в процессе тепловой обработки гипсового камня не выделяется углекислого газа, как, например, при обжиге известняка или магнезита. А так же в работах Фраунхоферского института строительной физики, посвященных строительному гипсу, отмечается токсикологическая безопасность данного материала. Он расценивается как здоровый и не наносящий вреда окружающей среде.
3. Исследования бактерицидных свойств показали, что гипсовые вяжущие, в том числе строительный гипс, задерживают вокруг себя рост плесневых грибов и бактерий, что оказывает огромное влияние при оценке отделочной продукции дел на здоровье жильцов, поэтому нежелательным к использованию могут стать даже материалы, прошедшие гигиеническую сертификацию и т. п. [согласно СанПиН 4630-88].
Строительный гипс удовлетворяем всем вышеперечисленным нормам, поэтому он входит в основной комплект экологических предпочтений в РФ. Строительный гипс широко представлен на рынке, его поставки неограниченны. Материалу был присвоен 1 класс экологического качества, т.е. минимальный уровень экологической нагрузки на окружающую среду.
Автор публикации
