Высокопрочные строительные материалы и изделия на основе гипса и фосфогипса

Исследования, проведенные в Межотраслевой научно-исследовательской лаборатории новых строительных материалов Белорусского политехнического института (до 1981 г. — лаборатория электротермических процессов Института тепло- и массообмена АН БССР), показали, что из всех термодинамических параметров именно давление может оказывать наиболее существенное влияние на процессы гидратации и структурообразования, значительно (до 10 раз) повысить механические показатели гипсовых материалов.

Длительный интенсивный рост прочности — это важный фактор долговечности материала, компенсирующий возможные деструктивные процессы, возникающие при неблагоприятных воздействиях.

Прессованные гипсовые материалы без добавок применяют в виде декоратнвно-облицовочних мраморовидных плит (плоских, рельефных, орнаментальных) для облицовки зданий и сооружений с относительной влажностью воздуха до 80% взамен природного мрамора. Материалы с гидравлическими добавками, обладающие повышенными водо- и морозостойкостью, используются для облицовки наружных ограждающих конструкций и интерьеров при 80%- Материалы со специальными добавками используют в виде плит и панелей для облицовки производственных помещений с повышенными санитарно-гигиеническими требованиями по обеспыливанию воздуха.

Высокие прочностные показатели при изгибе (до 25 МПа) гипсоволокиистых материалов прн невысокой средней плотности (1200—1400 кг/м ) позволяют использовать их для подоконников, перегородочных панелей, элементов встроенной мебели взамен древесностружечных, древесноволокнистых плит и древесины. Износостойкие порфировидные декоративные плиты можно применять для устройства полов.

На первый взгляд, новая технология изготовления гипсовых материалов сложна. Действительно, прессование изделий с фильтрационным удалением влаги сложнее, чем укладка обычных литых смесей. Но, говоря о технологичности процесса, нельзя рассматривать только одну технологическую операцию — формование изделий. Следует оценить технологию во всей совокупности операций. Новая технология представляется более рациональной, чем обычная традиционная. В то время как распалубочная прочность литого гипсового камня в возрасте 1,5 ч от момента затворення составляет 4—7 МПа, прессованные системы имеют такую или даже более высокую прочность сразу после изготовления. Если для обычных гипсовых изделий с высокой начальной влажностью (25—30%) требуется длительная сушка, то прессованные в сушке не нуждаются, так как остаточная влажность их ие превышает 7—9%, а в суточном возрасте—4%.

Процесс изготовления изделий по новой технологии характеризуется коротким технологическим никлом (2—5 мин) и низкой энергоемкостью: на I м2 плит расходуется 0,6—I кВт-ч электроэнергии.

Широкому применению новой технологии способствует возможность использовать основные традиционные узлы, механизмы и устройства действующих в промышленности производственных процессов в новом сочетании. Создаются условия для повышения производительности технологических линий по производству высококачественных гипсовых изделий в результате значительного сокращения продолжительности технологического цикла и снижения энергозатрат.

Проведены эксперименты, направленные на экономию гипсового вяжущего. Они показали возможность замены части вяжущего (до 30—50%) без существенного снижения прочности отпрессованного материала гипсосодержащими отходами (в том числе, например, фосфогипсом), карбонатсодержащими отходами (пульповыми отходами камнеобрабатывающих заводов, шламами химических предприятий, дефекатом — отходом сахарных заводов), а также отходами асбестоцементной промышленности.

Установлено, что вещества, в обычных условиях не проявляющие какой-либо активности, в условиях прессования в значительной степени приобретают свойства активного сырьевого компонента.

Так, разработаны теоретические основы и экспериментально подтверждена возможность получения высокопрочных кристаллизационных структур на основе двуводного сульфата кальция без традиционного перевода его путем термообработки в вяжущее. Для этого частицы молотого двуводного гипса или фосфогипса, которые можно рассматривать как готовые зародыши гидрата, необходимо сблизить на определенное расстояние друг от друга в жидкой среде, пересыщенной по отношению к двуводному гипсу. Такие условия удалось создать путем фильтрационного прессования смеси двугидрата сульфата кальция и воды с добавками, обеспечивающими необходимое пересыщение водной среды и длительное его поддержание. При этом создаются оптимальные условия для образования фазовых контактов между кристаллами двуводного гипса.

Несколько иной механизм структуро-образования наблюдается при предварительной механо-химической обработке двугидрата с добавками, способствующими образованию на поверхности частиц гипса оболочек, придающих материалу качественно новые свойства. Так был получен фосфогипсовый камень, характеризующийся высокой морозостойкостью, марки Мрз 200.

Разработан также способ получения высокопрочного гипсового камня на основе двуводного гипса, предусматривающий его предварительную неполную дегидратацию. В оводнениых системах при прессовании образуется прочная кристаллическая структура за счет поверхностных полугидратных прослоек, обеспечивающих склеивание частиц двугидрата. Система характеризуется гидратациоиным механизмом твердения с локализацией процесса гидратации на поверхности зерен двугидрата. Физико- механические показатели прессованного фосфогнпсового материала, полученного таким способом, приведены в таблице. Они хорошо согласуются с данными Ю. Г. Мещерякова , полученными при прессовании жестких смесей на основе вяжущего неполного обжига.

Показана возможность принципиально новых способов получения материалов непосредственно из сухого порошкообразного гипса (фосфогипса) без добавок в условиях прессования. Процесс термопрессовання (ударное прессование, прокат, высокоскоростная ударная штамповка, импульсное прессование) сопровождается сближением частиц твердой фазы, пластическим деформированием кристаллов и их диффузионным «спеканием».

При ударном прессовании в результате воздействия на материал импульсной прессующей нагрузки происходит его интенсивный саморазогрев. Динамическая знакопеременная нагрузка в сочетании с термическим воздействием приводит к развитию пластических деформаций кристаллов гипса. Одновременно резко усиливаются диффузионные процессы, что способствует формированию плотной мелкопористой структуры материала.

При прессовании прокатом в результате комплексного воздействия нормального давления с одновременным тангенциальным смещением частиц двугидрата происходит их интенсивный локальный разогрев на границах зерен, резко ускоряющий процессы самодиффузии. При этом идет диффузионное срастание поликристаллических агрегатов по границам зерен и упрочнение камня путем залечивания дефектов кристаллизационной структуры в результате пластических деформаций. По подобной схеме протекают процессы структурообразования при высокоскоростной штамповке и импульсном прессовании.

Положительная особенность прокатной технологии — ее непрерывность. В целом же при технологии термопрессования сокращается продолжительность формования до нескольких секунд, даже долей секунды. Получаемые при этом материалы в виде брикетов или щебня можно использовать при производстве цемента, в качестве заполнителя для некоторых видов бетона, для устройства оснований в дорожном строительстве, а также как сырье для производства гипсового вяжущего.

Технология производства облил гипсовых плит путем фильтрпрессования внедрена па 7 предприятиях с суммарным экономическим эффектом 700 тыс. руб. в год, ведутся работы по- внедрению такой технологии еше ка 10 предприятиях страны.

Изделия из высокопрочного гипса и технологии их изготовления экспонировались на ВДНХ СССР и отмечены серебряной медалью главной выставит страны, дипломами ВДНХ Белоруссии. Госстроя БССР. Были представлены и па международных выставках: в г. Будапеште (ВНР) в 1982 г., в Барселоне (Испания) в 1983 г., в Любляне (СОРЮ) в 1984 г., в Болгарин в сентябре этого года.