При низкотемпературной тепловой обработке сырья в герметически закрытых аппаратах (пропарниках, автоклавах и др.), в которых температура поддерживается на уровне 95–1000С, а давление пара – повышенное, равное 0,15–0,3 МПа (в автоклавах до 0,6 МПа), продукт после частичной дегидратации также становится полугидратом CaSO4•0,5H2O, но другой, α–модификации (хорошо просушенного и охлажденного полугидрата). При измельчении в тончайший порошок образуется вяжущее вещество, называемое высокопрочным гипсом. Тот же эффект получается при тепловой обработке (кипячении) сырья в водных растворах некоторых солей, например хлористых кальции и магнии.
Различие между обеими модификациями низкотемпературного гипса состоит преимущественно в размере и характере кристаллов: кристаллы α – модификации – крупные в виде длинных прозрачных игл или призматические, которые формировались в условиях капельножидкой водной среды, кристаллы β–модификации – мелкие с нечетко выраженными гранями. Если первые кристалл полностью обезвоживаются при температурах 200–2100С, то вторые достигают этого уже при температурах 170–1800С. В обоих случаях обезвоживания не наблюдается видимых изменений в кристаллических структурах. Обезвоженные полугидраты имеют ту же кристаллическую решетку, что и полугидрат. Для производства высокопрочного гипса требуется сырье (камень) первого сорта.
Качественные характеристики получаемых двух видов гипса не одинаковы по ряду показателей. Строительный гипс – порошок белого цвета плотностью 2,2–2,5 г/см3. Его средняя плотность в рыхлом состоянии 800–1100 и в уплотненном – 1250–1450 кг/м3. Он обладает высокой водопотребностью: для получения теста нормальной густоты необходимо 50–70% воды по массе, а удобоукладываемое тесто в производственных условиях требует до 60–80% воды от массы вяжущего вещества. По срокам схватывания гипс различают: быстросхватывающийся (начало через 2 мин., конец – не позднее 15 мин.), нормально-схватывающийся (начало через 6 мин., конец – не позднее 30 мин.), медленносхватывающийся (начало – не ранее 20 мин., окончание схватывания не нормировано). По пределу прочности при сжатии через 1,5 ч. после изготовления образцов имеется 12 марок – от Г‑1 до Г‑25 (цифры обозначают минимально допустимый предел, МПа). Эта разновидность гипса имеет низкую водостойкость, при увлажнении он склонен к ползучести. При более тонком помоле продукта обжига из β-полугидрата сульфата кальция получают гипс формовочный, при использовании сырья повышенной чистоты – медицинский гипс.
Высокопрочный гипс имеет плотность 2,72–2,75г/см3, а его средняя плотность – в тех же пределах, что и гипса строительного. Водопотребность для нормальной густоты теста – около 40–45%, т.е. более низкая, что вызвано его пониженной удельной поверхностью и повышенной крупностью кристаллов. Он обладает повышенной прочностью при сжатии (свыше 25–30 МПа), но не водостоек и имеет тенденцию к ползучести во влажном состоянии (1–3% влаги). Прочность при растяжении в 6–8 раз меньше, чем при сжатии образцов в сухом состоянии. В последние годы в нашей стране были проведены исследования по расширению сырьевой базы за счет снижения содержания требований к содержанию двугидрата кальция (вплоть до 3‑го сорта) за счет улучшенной технологии со снижением до минимума остаточного и вторичного двугидрата и переводом их в β-модификацию гипса. Получается улучшенный высокопрочный гипс для изготовления гипсобетона, растворов, арболита и других изделий.
Строительный и формовочный гипс с успехом используют при производстве перегородочных панелей, сухой штукатурки, гипсолитных деталей, вентиляционных коробов, огнезащитных и звукопоглощающих изделий и др.
при температурах 450–7500С растворимый ангидрит переходит в нерастворимый, вследствие чего тесто из порошкообразного ангидрита и воды практически не твердеет. На его базе основано производство ангидритового цемента – продукта обжига природного двуводного гипса при температуре 600–7000С с последующим тонким помолом с добавлением минеральных веществ. К таким добавкам относятся смесь сульфата и бисусьфата натрия с медным купоросом, известь (2–5%), основной доменный шлак (10–15%) и др. В присутствии указанных добавок ангидрит взаимодействует с водой и приобретает способность схватываться и твердеть. Предел прочности при сжатии у ангидритового цемента составляет 10–20 МПа, начало схватывания наступает не ранее 30 мин., конец – не позднее 24 ч.
Гипс высокообжиговый (экстрих-гипс) получают при обжиге гипсового сырья до температур 800–9500С, когда продукт обжига вновь приобретает свойства схватываться и твердеть без каких-либо добавочных веществ. Эта «добавка» возникает в обжигаемом сырье вследствие термической диссоциации сернокислого кальция (2CaSO4→2CaO+2SO2+O2) в виде свободного оксида кальция. Тонко измельченный порошок и является высокообжиговым гипсом (эстрих-гипсом). Начало схватывания теста из эстрих-гипса наступает не ранее 2 ч., но его можно ускорить добавками, например NHSO4; предел прочности при сжатии составляет 10–20 МПа, а водостойкость несколько выше, чем у низкотемпературных гипсовых вяжущих и ангидритового цемента. Его применяют для изготовления декоративных и отделочных материалов, например, искусственного мрамора, штукатурных растворов, устройства бесшовных полов и подготовки оснований под линолеум и др.
В целях улучшения качества эстрих-гипса рекомендуется применять сырье с содержанием до 5–7% доломитов и известняков и до 7–10% глинистых примесей. Тогда возникает некоторое количество силикатов, алюминатов и ферритов кальция, повышающих водостойкость готового продукта обжига. Но ее можно повысить и введением гидрофобных добавок или минеральные – шлака, извести, портландцемента и др.
3. Рыхлые сыпучие материалы, используемые в качестве легких заполнителей для бетонов и теплоизоляционных засыпок
Для изготовления легких бетонов используют быстротвердеющий и обычный портландцементы, шлакопортландцемент и в основном неорганические пористые заполнители, хотя для получения теплоизоляционных и некоторых конструкционно-теплоизоляционных бетонов применяют и органические заполнители: древесную дробленку, дробленку из стеблей хлопчатника, костры, подвспененные гранулы пенополистирола (отиропорбетон) и др.
Неорганические пористые заполнители отличаются большим разнообразием, их подразделяют на природные и исскуственные.
Природные пористые заполнители получают путем частичного дробления и рассева пористых горных пород (пемзы, вулканического туфа, известняка-ракушечника и др.).
Искусственные пористые заполнители являются продуктами термической обработки минерального сырья и разделяются на специально изготовленные и побочные продукты промышленности (топливные шлаки и золы, отвальные металлургические шлаки и др.).
Керамзитовый гравий изготавливают путем обжига гранул, приготовленных из вспучивающихся глин. Это легкий и прочный заполнитель. Его объемная насыпная масса колеблется от 250 до 800 кг/м3. В изломе гранула керамзита имеет структуру застывшей пены. Спекшаяся оболочка, покрывающая гранулу, придает ей высокую прочность.
Керамзитовый песок (зерна до 5 мм) получают при производстве керамзитового гравия (правда, в небольших количествах), а так же по методу кипящего слоя обжигом сырья во взвешенном состоянии. Кроме того, его можно получать дроблением некондиционного продукта – зерен гравия размером более 40 мм и сваров.
Шлаковую пемзу изготавливают на металлургических заводах путем быстрого охлаждения расплава металлургических (обычно доменных) шлаков, приводящего к вспучиванию. Куски шлаковой пемзы дробят и фракционируют, получая пористый щебень.
Гранулированный металлургический шлак получают в виде крупного песка с пористыми зернами размером 5–7 мм, иногда до 10 мм в результате быстрого охлаждения расплава металлургических шлаков.
Вспученный перлит изготавливают путем обжига вулканических стеклообразных пород (перлитов, обсидианов), которые содержат небольшое количество воды. При температуре 950–12000С вода выделяется и перлит увеличивается в объеме в 10–20 раз.
Вспученный перлит применяют для получения легких бетонов и теплоизоляционных изделий.
Вспученный вермикулит – пористый сыпучий материал, полученный путем обжига водосодержащих слюд. Этот заполнитель используют для изготовления теплоизоляционных легких бетонов.
Топливные отходы (топливные шлаки и золы) образуются в качестве побочного продукта при сжигании антрацита, каменного угля, бурого угля и других видов твердого топлива. На основе зол выпускают зольный и глинозольный гравий.
Аглопорит получают при обжиге глиносодержащего сырья с добавкой 8–10% топлива на решетках агломерационных машин. Каменный уголь выгорает, а частицы сырья спекаются. Производство аглопорита выгодно, когда для его изготовления применяют местные виды сырья: легкоплавкие глинистые и лёссовые породы, а также отходы промышленности – золы, топливные шлаки и углесодержащие шахтные породы. Аглопорит выпускают в виде пористого песка и щебня.
Шунгизит изготовляют обжигом шунгитовых сланцевых пород.
Наивыгоднейшее сочетание показателей объемной массы, теплопроводности, прочности и расхода цемента для легких бетонов получают при наибольшем «насыщении» бетона пористым заполнителем, что возможно лишь при компактном размещении зерен заполнителя в объеме бетона. Тогда в бетоне будет меньше цементного камня, являющегося самой тяжелой частью легкого бетона, и снизится его теплопроводность.
Наибольшее насыщение бетона пористым заполнителем возможно только при правильном подборе зернового состава смеси мелкого и крупного пористых заполнителей, а также при использовании ряда технологических факторов (интенсивного уплотнения, пластифицирующих добавок и др.).