Цель работы: изучить технологические особенности процесса получения строительного гипса и определить температуру варки гипса.
Теоретические сведения
В зависимости от условий обжига гипсовые вяжущие делят на низкообжиговые (собственно гипсовые) и высокообжиговые (ангидритовые).
Низкообжиговые гипсовые вяжущие получают тепловой обработкой при низких температурах 110…180 °C. Они состоят главным образом из полуводного гипса CaSO4·0,5H2O и характеризуются быстрым схватыванием и твердением. К низкообжиговым гипсовым вяжущим относятся строительный, высокопрочный, медицинский и формовочный гипс.
Высокообжиговые гипсовые вяжущие обжигают при высоких температурах 600…900 °C. В них преимущественно входит безводный гипс (ангидрит – CaSO4). Отличаются медленным твердением. К ним относятся ангидритовое вяжущее (ангидритовый цемент) и высокообжиговый гипс (эстрих-гипс). Иногда ангидритовое вяжущее получают только помолом природного ангидрита с активизаторами твердения (без обжига).
Как сделать черный гипс. Идеально черный гипс
В качестве сырьевых материалов для получения низкообжиговых гипсовых вяжущих используют природный гипсовый камень и гипсосодержащие отходы (фосфогипс, борогипс, цитрогипс и др.). Природный гипсовый камень по ГОСТ 4013-82 (см. прил.) делится на четыре сорта в зависимости от содержания двугидрата сульфата кальция (CaSO4·2H2O), %, не менее:
1 сорт – 95, 2 сорт – 90, 3 сорт – 80, 4 сорт – 70.
Наиболее чистые разновидности гипсового камня бесцветны и прозрачны. Примеси, содержащиеся в гипсовом камне, окрашивают его в различные цвета.
Двуводный сульфат кальция CaSO4·2H2O в природе встречается в виде минерала гипса. Зернистый гипс носит название алебастра, волокнистый – селенит, а пластинчатый – гипсовый шпат. Твердость по десяти балльной шкале Мооса равна 2. Кристаллическая решетка гипса имеет слоистое строение и содержит чередующиеся пакеты, состоящие из одного слоя молекул Н2О и одного двойного слоя CaSO4.
Химически чистый двуводный сульфат кальция содержит: СаО – 32,56%; SO3 – 46,51%; Н2О – 20,93%. Истинная плотность его колеблется от 2200 до 2400 кг/м 3 . Удельная теплоемкость двугидрата при температуре 22 °C составляет 1,07 кДж/(кг·°С).
Растворимость гипса в воде зависит от температуры и составляет: при t = 0 °C – 1,7 г/л; при t = 18 °C – 2,0 г/л; при t = 40 °С – 2,1 г/л; при t = 100 °С – 1,7 г/л.
По данным отечественных исследователей наиболее вероятно существование восьми фаз в системе CaSO4 – Н2О:
— двуводного сульфата кальция (двугидрата – CaSO4·2H2O);
— α-полуводного сульфата кальция (α-полугидрата – α-CaSO4·0,5H2O);
— β-полуводного сульфата кальция (β-полугидрата – β-CaSO4·0,5H2O);
— обезвоженного β -полугидрата;
— растворимого α-ангидрита (α-CaSO4);
— растворимого β-ангидрита (β-CaSO4);
— нерастворимого ангидрита (CaSO4).
Искусственным путем получают две модификации сульфата кальция: α и β. Эти продукты имеют разное кристаллическое строение при одинаковой кристаллической решетке. Свойства гипсовых вяжущих, содержащих в качестве основных продуктов α- и β-полугидраты, различны.
Как сделать Правильный расчет скульптурного Гипса ГВВС 16 и Воды для любой силиконовой формы/
Полугидрат β-CaSO4·0,5H2O. При нагревании природного гипса в сообщающемся с атмосферой сосуде давление паров воды достигает атмосферного при температуре выше 107 °C. При этом порошкообразный гипс начинает как бы кипеть, приобретая подвижность. Поэтому данный процесс назвали варкой гипса.
Вода в кристаллической решетке CaSO4·2H2O связана относительно слабо и начинает удаляться уже при слабом нагреве (около 60 °C). В результате тепловой обработки CaSO4·2H2O идет разрыв связей ионов Ca 2+ и SO4 2– с молекулами воды. Между цепочками Ca-SO4-Ca остаются полые каналы, в которых и находится 0,5Н2О. Реакция эндотермическая и в зависимости от условий может протекать в прямом и обратном направлении:
Выделение воды в парообразном состоянии приводит к механическому диспергированию исходных кристаллов гипса и образованию β-модификации полугидрата сульфата кальция. Кристаллы β-полугидра-та образуют частицы мельчайших агрегатов с капиллярно-пористой структурой. Они обладают развитой поверхностью и поэтому более реакционноспособны. Продукт обжига представлен плохо закристаллизованными мелкими кристаллами с плотностью 2,62…2,68 г/см 3 , растворимостью в воде – 7,0…7,4 г/л.
В промышленности для получения гипсового вяжущего β-модифика-ции применяют аппараты открытого типа: сушильные барабаны, гипсоварочные котлы и др.
Полугидрат α-CaSO4·0,5H2O образуется при нагревании двугидрата в атмосфере насыщенного водяного пара при температуре выше 115 °C и давлении более 0,1 МПа, а также в водных растворах некоторых солей и кислот. При этом вода выделяется в капельно-жидком состоянии:
Образование α-полугидрата обусловлено растворением метастабильного двугидрата в воде, возникновением и ростом центров кристаллизации полугидрата. На практике для этой цели применяют автоклавы, самозапарники или ванны для кипячения растворов.
Полугидрат α-модификации представлен в виде крупных, плотных, прозрачных кристаллов, имеющих форму игл или призм с плотностью 2,72…2,76 г/см 3 и растворимостью в воде 6,3…6,8 г/л.
Для получения подвижного гипсового теста количество воды для a-модификации составляет 40…50% от массы вяжущего, для β-полу-гидрата – 60…70%, что влияет на плотность затвердевшего камня и, следовательно, на механическую прочность. Так, прочность при сжатии гипсового камня из a-полугидрата сульфата кальция (ПГ) выше в 2…4 раза, чем прочность камня из b-ПГ.
Теоретически в молекуле полугидрата должно находиться 6,2% Н2О, но практически в зависимости от условий обезвоживания при температуре 180…200 °C остается избыточная вода 8…12%. С повышением температуры выше 180 °C для b-модификации ПГ и выше 200 °C для a-модификации ПГ избыточная вода полностью удаляется, что резко меняет свойства получаемого продукта. Растворимость обезвоженного полугидрата увеличивается и при гидратации такого продукта получается много кристаллических зародышей, которые не могут образовать единый кристаллический каркас, обладающий механической прочностью.
Для природного гипсового камня на температуру обжига оказывают воздействие:
— количество примесей в сырье;
— размер и поверхность кусков;
— толщина слоя материала, подвергаемого дегидратации;
С увеличением количества примесей в сырье идет «разбавление» массы двуводного сульфата, и температура обжига понижается.
Наибольшая скорость дегидратации наблюдается в плоскости водных слоев, а в плоскости перпендикулярной ей дегидратация практически не происходит. Следовательно, при помоле природного гипсового камня желательно получить частицы шаровой формы. Такие частицы дают мельницы ударного типа – шахтно-молотковые, аэробильные.
При очень медленном и длительном нагревании в продукте можно получить одновременно a- и b-модификации ПГ в одном куске: в центре a-ПГ, по поверхности b-ПГ. Увеличение времени тепловой обработки повышает прочность готового строительного гипса вдвое. Ускорить процесс варки и увеличить выход a-ПГ в продукте обжига можно добавлением солей, понижающих парциальное давление паров над гипсом (MgCl2, NaCl, CaCl2).
Строительный гипс можно получать в гипсоварочных котлах, во вращающихся печах и в мельницах с одновременным помолом и сушкой.
Наиболее распространенная технология – варка в варочных котлах. При этом важно соблюдать правильный режим варки. Температура варки должна быть выше на 20…30 °C температуры дегидратации, так как даже 1…2% неразложившегося CaSO4·2H2O в готовом продукте резко ухудшает его свойства, ускоряя сроки схватывания и увеличивая водопотребность. Но при этом температура не должна превышать 170…180 °C, так как в продукте обжига может получиться растворимый полугидрат, также ухудшающий свойства готового продукта.
Оптимальные температурные границы варки гипса можно определить по дифференциально-термическому анализу или же лабораторным опытом, регистрируя температуру продукта обжига.
Температурный режим варки будет иметь следующий вид (рис. 17).
На температурной кривой различают три участка:
I – нагрев материала;
II – горизонтальный участок, в это время тепло, подводимое материалу, расходуется на процесс дегидратации;
III – по окончании реакции дегидратации материал начинает нагреваться.
Температура, соответствующая горизонтальному участку, является температурой варки гипса.
Задание 1. Определение температуры варки гипса
Приборы и реактивы
Природный гипсовый камень. Сито с сеткой № 02; сушильный шкаф; электрическая печь; металлический сосуд емкостью 300…400 см 3 ; технические весы с разновесами; термометр со шкалой до 200 °C; штатив.
Порядок выполнения работы
Природный гипсовый камень необходимо помолоть до остатка на сите с сеткой № 02 по ГОСТ 6613-86 (см. прил.) не более 20% и высушить до постоянной массы при температуре (50 ± 5) °C.
Высушенную пробу гипса в количестве 50 г помещают на сито № 02 с поддоном и просеивают. Остаток на сите взвешивают и выражают в процентах от массы просеиваемой пробы. Результаты испытания записывают в табл. 21.
Результаты испытания
| Навеска гипса, г | Остаток на сите с сеткой № 02 |
| г | % |
Навеску 200 г молотого и высушенного гипсового камня помещают в металлический сосуд. Сосуд с навеской устанавливают на электрическую печь. Термометр, закрепленный в штативе, опускают в материал таким образом, чтобы конец его не доставал дна. С термометром следует обращаться осторожно, чтобы не разбить. В процессе нагрева аккуратно термометром перемешивают гипсовый порошок.
Замеры температуры производят через каждые 5 мин. Результаты заносят в лабораторный журнал (табл. 22).
Процесс варки заканчивают, когда температура после некоторого постоянства начинает вновь подниматься.
Результаты измерений
| Показатель | Значение |
| Время от начала варки, мин | и т.д. |
| Температура, °C |
где m 1 – масса гипсового камня, г; m 2 – масса полученного продукта, г.
Задание 2. Определение содержания гидратной воды
Приборы и реактивы
Молотый и высушенный гипсовый камень. Фарфоровый тигель; аналитические весы; муфельная печь.
Порядок выполнения работы
Полное обезвоживание гипса происходит при температуре > 300 °C по реакции CaSO4·2H2O à CaSO4 + 2H2Oпар. Содержание гидратной воды определяют путем прокаливания предварительно высушенного гипсового камня.
Берут навеску гипса около 1 г на аналитических весах и помещают в предварительно прокаленный до постоянной массы и взвешенный фарфоровый тигель, который ставят в муфельную печь. Нагревают до температуры 400 °C в течение 2 ч. Прокаливание повторяют до получения постоянной массы. Содержание гидратной воды в гипсовом камне , мас. %, вычисляют по формуле:
где m 1 – масса навески гипса до прокаливания, г; m 2 – масса навески после прокаливания, г.
Содержание гидратной влаги, оставшейся в готовом продукте , %:
Выход готового продукта из 1 кг сырья , кг:
Оптимальной температурой тепловой обработки для получения строительного гипса из сырья является то минимальное значение, при котором гипс состоит из полугидрата.
Вопросы для самопроверки
1. На какие виды делят гипсовые вяжущие в зависимости от условий обжига?
2. Каким образом получают, из чего состоят и чем отличаются низкообжиговые и высокообжиговые гипсовые вяжущие?
3. Перечислите низкообжиговые и высокообжиговые гипсовые вяжущие.
4. Охарактеризуйте сырьевые материалы для получения гипсовых вяжущих.
5. На какие сорта делится природный гипсовый камень по содержанию двуводного сульфата кальция?
6. Перечислить модификации сульфата кальция и условия их образования.
7. Какой модификацией представлен строительный гипс?
8. Каким образом получают α- и β-модификации полуводного сульфата кальция?
9. Какими свойствами обладают α- и β-модификации полуводного гипса и почему?
10. Перечислите факторы, влияющие на температуру обжига строительного гипса.
11. Почему следует добиваться шаровидной формы частиц природного гипсового камня при помоле?
12. Можно ли получить в продукте обжига две модификации полугидрата сульфата кальция одновременно?
13. Объясните механизм действия интенсификаторов варки строительного гипса.
14. Как определяется температура варки гипса?
15. Объясните, почему нарушение режима варки влияет на качество готового продукта?
Лабораторная работа № 10
Источник: cyberpedia.su
Как получить гипс формула
Контрольные работы, курсовые, дипломные, рефераты, а также подготовка докладов, чертежей, лабораторных работ, презентаций и еще много всего. Недорого и быстро.
Различают следующие виды гипса: природный CaSO 4 • 2H 2 0, жженый (CaSO 4 ) 2 • Н 2 0, безводный CaSO 4 . Жженый (полуводный) гипс, или алебастр, (CaSO 4 ) 2 • Н 2 0 получают при нагревании природного гипса до 180 ° С.
2[CaSO 4 (природный гипс) • 2Н 2 0] —> (CaSO 4 ) 2 (жженый гипс) • Н 2 0 + ЗН 2 О
Если смешать порошок жженого гипса с водой, то образуется полужидкая пластическая масса, которая быстро твердеет. Процесс затвердевания объясняется присоединением воды:
В медицине это свойство используют для накладывания гипсовых повязок.
Если природный гипс CaSO 4 • 2H 2 0 нагревать при более высокой температуре, то выделяется вся вода:
Образовавшийся безводный гипс CaSO 4 уже не способен присоединять воду, и поэтому его назвали мертвым гипсом. Под жесткостью воды понимают свойство природной воды, определяемое присутствием в ней в основном растворенных солей кальция и магния.
Устранение жесткости основано на переводе ионов кальция Са 2+ и магния Mg 2+ из раствора в осадок.
Источник: www.xenoid.ru
Воздушные вяжущие вещества. Гипс
Гипсовые вяжущиеделят на 2 группы: низкообжиговые и высокообжиговые.
Низкообжиговыегипсовые вяжущие получают при нагреве двуводного гипса (CaSO4*2H2О) до температуры 150. 160°С. При этом происходит частичная дегидратация двуводного гипса с переходом его в полуводный гипс: CaSO4*2H2О→ CaSO4*0,5H2O +l,5H2O. К низкообжиговым вяжущим относятся: строительный, формовочный, высокопрочный и медицинский гипс.Сырьем для производства низкообжиговых вяжущих является природный гипсовый камень (CaSO4*2H2О,)а также отходы промышленного производства, содержащие сульфат кальция -CaSO4.
Высообжиговые (ангидритовые) вяжущие получают термической обжигом двуводного гипса (CaSO4*2H2О) при более высокой температуре – 600. 900°С, При этом двуводный гипс полностью теряет химически связанную воду, в результате чего образуется водный сульфат кальция – ангидрид CaSO4.
К высокообжиговым вяжущим относятся: ангидритовый цемент и эстрих-гипс.
Сырьем для производства высоко-обжиговых вяжущих является ангидрит CaSO4, а также отходы промышленного производства, содержащие сульфат кальция -CaSO4.
Строительный гипс. Строительным гипсом или алебастром (ГОСТ 125-79) называют воздушное вяжущее вещество, получаемое путем термической обработки природного двуводного гипса — сульфата кальция CaSO4*2H20 при температуре 150 — 180°С до превращения его в полуводный гипс — сульфат кальция CaSO4*0,5H2O, с последующим помолом в тонкий порошок: CaSO4*2H2О→ CaSO4*0,5H2O +l,5H2O.
Производство строительного гипса состоит из дробления, тонкого помола и термической обработки гипсового камня.
Существует 2 способа производства строительного гипса:
— при обжиге в открытых аппаратах, сообщающихся с атмосферой при температуре 150-160°С, когда вода из сырья удаляется в виде пара, и гипсовые вяжущие состоят в основном из мелких кристаллов β-модификации.
— в шахтных или аэробильных мельницах с последующим обжигом при температуре 100°С измельченного продукта в гипсоварочных котлах или печах.
Строительный (полуводный) гипс представляет собой порошок белого или серого цвета. Цвет гипса зависит от количества примесей в гипсовом камне и чистоты обжига. При производстве гипса допускается вводить добавки в целях регулирования сроков схватывания и улучшения физико-механических свойств гипса.
| Запомни!- Формула строительного гипса — CaSO4*0,5H2O. |
Формула природного двуводного гипса (из чего получают строительный гипс): CaSO4*2H2О.
Реакция получения строительного гипса:
Оценки качества строительного гипса
Качество строительного гипса определяют по следующим показателям:
— по тонкости помола;
— по нормальной густоте гипсового теста;
— по срокам схватывания;
— по прочности при сжатии.
В зависимости от качества строительный гипс может быть двух сортов см. таблица 4.1.
Таблица 4.1 – Сорта качества гипса
| Показатель | 1 сорт | 2 сорт |
| Тонкость помола по остатку на сите № 02, в процентах, | до 15 | до 30 |
| Предел прочности при сжатии образцов в Н/м 2 *10 5 | до 45 | до 35 |
В зависимости от степени помола строительный гипс имеет три группы (таблица 4.2).
Таблица 4.2 – Группы гипса по степени помола
| Группа | Остаток на сите, % | Степень помола |
| I | не более 23 % | Грубый |
| II | не более 14 % | Средний |
| III | не более 2 % | Тонкий |
В зависимости от сроков схватывания строительный гипс имеет три группы (таблица 4.3).
Таблица 4.3 – Группы строительных гипсов в зависимости от сроков схватывания
| Группы гипсов | А — быстро твердеющая | Б — нормально твердеющая | В — медленно твердеющая |
| Начало схватывания | не ранее 2 мин | не ранее 6 мин | не ранее 20 мин |
| Конец схватывания | до 10 мин | от 10 до 30 мин) | не нормируется |
В зависимости от предела прочности гипс имеет следующие марки (таблица 4.4).
Таблица 4.4 – Марки гипсов в зависимости от пределов прочности образца на сжатие и изгиб
| Марка гипса | Предел прочности в МПа, не менее | Марка гипса | Предел прочности в МПа, не менее | Марка гипса | Предел прочности в МПа, не менее |
| при сжатии | при изгибе | при сжатии | при изгибе | при сжатии | при изгибе |
| Г-2 | 1,2 | Г-6 | 5,0 | Г-16 | 6,0 |
| Г-3 | 1,8 | Г-7 | 3,5 | Г-19 | 6,5 |
| Г-4 | 2,0 | Г-10 | 4,5 | Г-22 | 7,0 |
| Г-5 | 2,5 | Г-13 | 5,5 | Г-25 | 8,0 |
Схватывание и твердение строительного гипса. Схватывание и твердение строительного гипса заключается в том, что при смешивании с водой гипс образует пластичное тесто, превращающееся далее в твердое камневидное тело с определенной прочностью. Основная реакция процесса имеет следующий вид:
При этом происходит выделение из раствора кристалликов гипса и их срастания. Процесс твердения гипса можно ускорить сушкой при температуре менее 65 градусов.
Начало схватывания гипса должно наступать не ранее 6 мин. и не позднее 30 минут после начала затворения водой. Сроки схватывания и твердения можно регулировать вводом NaCl, KCl, NaNO и других веществ, изменяющих растворимость CaSO4*0,5H2O в воде.
Формовочный гипс. Этот гипс отличается от строительного гипса более тонким помолом, большей прочностью. Получают его из гипсового камня, содержащего не менее 96%CaSO4*2H2O (т.е. примесей не более 4%)в варочных котлах при определенной длительности цикла и заданной температуре. Качество его выше строительного гипса. Он состоит также как и строительный гипс из β-модификации CaSO4* 0,5H2O (β-полугидрата) и характеризуется следующими данными:
— тонкость помола характеризуется остатком на сите № 02 не более 2,5%;
— начало схватывания – не ранее 5 минут;
— конец схватывания – не позднее 25 минут;
— предел прочности при растяжении через 1 сутки не менее 1,4 МПа, а через 7 суток – не менее 2,5 МПа (от строительного гипса отличается меньшей толщиной помола, повышенной прочностью и не содержит примесей).
Формовочный гипс применяют для изготовления форм, моделей и изделий в строительной керамической, машиностроительной и других отраслях промышленности. Изделия из фарфорофаянсовой и керамической массы отливают в формах из формовочного гипса. Гипсовая форма должна быть достаточно прочной и вместе с тем пористой, чтобы отсасывать воду из шликера и при этом не разрушаться.
Высокопрочный гипсполучают термической обработкой высокосортного гипсового камня в герметичных аппаратах под давлением 0,2. 0,3 МПа при 124 0 С в течение 5 часов.
Он состоит из α- модификации CaSO4*0,5H2O. Прочность его достигает 15-40 МПа. Высокопрочный гипс выпускают в небольшом количестве и используют в металлургической промышленности для изготовления форм.
Ангидритовый цемент состоит преимущественно из ангидрита CaSO4 («мертво-обожженного»). Его «оживляют» добавкой катализаторов, повышающих его растворимость и создающих условия для его гидратации. Такими катализаторами являются СаО — 3. 5% и др. ангидритовые цементы применяют для приготовления кладочных и штукатурных растворов, бетонов, производства теплоизоляционных материалов, искусственного мрамора и других декоративных изделий.
Эстрих-гипс (высокообжиговый гипс) образуется при температуре 800. 1000 0 С, он состоит из ангидрита CaSO4 и СаО (3. 5%), образующегося при разложении CaSO4 (CaSO4→CaO+-SO3) и выполняющего роль катализатора твердения. Этот элемент медленно схватывается и твердеет.
Высокообжиговый гипс является разновидностью ангидритовых цементов. Он применяется для кладочных и штукатурных растворов, устройства мозаичных полов и др. Изделия из этого гипса по сравнению со строительным гипсом более морозостойкие, обладают повышенной водостойкостью и меньшей склонностью к пластическим деформациям.
Применение гипса
Строительный гипс – белое, экологически чистое, быстросхватывающее и быстро-твердеющее вяжущее вещество. Его применяют для изготовления строительных деталей и изделий, для наливных полов, клеевых композиций, лепных украшений, изготовление форм для литья художественной керамики, а также для штукатурных работ.
Гипс не водостоек и не годится для производства внешних работ, но при добавлении цемента — он становится водостойким. Гипс широко используется в медицине. Гипсовые панели и перегородки хорошо поглощают звук. Гипс огнестоек и хорошо держит тепло. Кроме строительного гипса, находят применение (в ограниченных объемах) другие гипсовые вяжущие вещества: гипс формованный, гипс высокопрочный.
Водопотребность гипсовых вяжущих
Водопотребность гипсового вяжущего определяется количеством воды (в процентах от массы вяжущего), необходимым для получения гипсового теста стандартной консистенции.
Теоретически для гидратации полуводного гипса требуется 18,6%воды от массы гипсового вяжущего, Практически для получения удобоформуемой пластичной смеси строительный гипс требует 50. 70% воды, а высокопрочный — 30. 40%.Избыточная вода испаряется, образуя поры, поэтому гипсовые изделия имеют высокую пористость.
Практическая часть
Источник: allrefrs.ru