CC BY
103
строительное материаловедение
удк 666.9
А.В. Еремин, А.П. Пустовгар, А.А. Голотина, С.В. Нефедов, С.А. Пашкевич, А.Л. Шеин*
НИУМГСУ, *ООО «ТД Седрус»
ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА И СВОЙСТВ ГИПСОВОГО ВЯЖУЩЕГО, ПОЛУЧЕННОГО В ВАРОЧНОМ КОТЛЕ
Рассмотрено гипсовое вяжущее, полученное в гипсоварочном котле СМА-158А на предприятии ООО «МайкопГипсСтрой». Исходное гипсовое вяжущее, обожженное при температуре 120 °С с последующей выгрузкой из котла, имело нестабильные физико-механические и эксплуатационные характеристики, поэтому марка гипсового вяжущего изменялась от Г4-А11 до Г5-Б11 для различных партий, что сильно ограничивало его применение в составах сухих строительных смесей. Установлено, что нестабильность свойств гипсового вяжущего обусловлена существенным недожогом системы, что характеризовалось остаточным содержанием двуводного гипса в количестве от 2 до 7 % по массе. В рамках проведенного исследования за счет оптимизации технологических параметров процесса обжига удалось повысить марку выпускаемого гипсового вяжущего (с Г4-5 до Г6) на предприятии ООО «МайкопГипсСтрой», стабилизировать состав и свойства, установить температурно-временные параметры позволяющие управлять технологическим процессом с целью получения гипсового вяжущего с заданными характеристиками.
Ключевые слова: гипсовое вяжущее, гипсоварочный котел, нестабильность свойств, фазовый состав
обожженная гипсовая порода является традиционным минеральным вяжущим веществом, которое известно человечеству уже несколько тысяч лет [1]. в настоящее время объемы использования гипсовых вяжущих в строительстве заметно увеличились вследствие применения в строительной практике сухих смесей и механизации штукатурных работ [2—4]. однако массовое применение гипсовых смесей и механизированных способов производственных работ, включающих их использование, выявили ряд существенных проблем связанных с нестабильностью характеристик гипсового вяжущего [5—8]. так, например, авторами [6] было показано влияние нестабильности качественного и количественного фазового состава гипсового вяжущего, полученного на одной технологического линии, на свойства сухих строительных смесей для устройства полов. в данной работе установлено, что изменения в содержании двуводного гипса в составе гипсового вяжущего оказывает существенное влияние на физико-механические и эксплуатационные свойства — трещиностой-кость, сроки схватывания, динамику набора прочности и т.д.
в настоящей работе было изучено гипсовое вяжущее производства предприятия ооо «майкопгипсСтрой», республика Адыгея. на данном предприятии реализован технологический процесс обжига гипсового камня в гипсо-варочном котле. исследование пяти различных партий гипсового вяжущего, полученных при действующих на предприятии технологических параметрах,
прежде всего максимальной температуре обжига, равной 120 °С, с последующей выгрузкой из котла, показало, что получаемый продукт имеет нестабильные физико-механические характеристики — марка гипсового вяжущего изменялась от Г4-А11 до Г5-Б11.
В связи с этим целью настоящей работы является определение причин непостоянства свойства гипсового вяжущего и последующая оптимизация параметров технологического процесса варки гипса для получения продукта со стабильными физико-механическими характеристиками.
Методика эксперимента. В качестве сырья на предприятии ООО «Май-копГипсСтрой» применяется гипсовый камень 1-го сорта по ГОСТ 4013—82. Для проведения обжига гипсового камня в лабораторных условиях использовалась муфельная печь ПЬегЛегт.
для проведения исследования гипсового вяжущего образцы отбирались из варочного котла при различных температурно-временных параметрах технологического процесса (табл.). Физико-механические характеристики и стабильность помола полученного гипсового вяжущего определялись согласно ГОСТ 125—79 «Вяжущие гипсовые. Технические условия». Определение минералогического состава образцов осуществлялось методом рентгенофазового анализа (РФА) на порошковом рентгеновском дифрактометре АП Х'ТЯА. Более подробно методика РФА представлена в [9].
Результаты эксперимента и их обсуждение. Основными технологическим параметрами процесса обжига в гипсоварочном котле, влияющими на свойства получаемого продукта, являются:
• дисперсность гипсового камня после его помола;
• максимальная температура обжига;
• время выдержки в котле при максимальной температуре;
• продолжительность процесса варки гипса [1, 10].
для исключения влияния одной из возможных причин нестабильности свойств гипсового вяжущего — помола гипсового камня — было проведено определение остатка на сите с ячейкой 200 мкм для различных партий гипсового вяжущего с нестабильными характеристиками. для всех испытанных образцов остаток на сите составил от 9 до 12 %, что исключает данную причину.
Количественный РФА показал, что изученные образцы гипсового вяжущего с нестабильными характеристиками имели в своем составе двуводный гипс, содержание которого варьировалось в диапазоне от 2 до 7 % по массе (рис. а). Таким образом, проведение процесса варки при Тмакс = 120 °С с последующей выгрузкой из котла приводит к существенному недожогу гипсового вяжущего, что сказывается на его марочной прочности и сроках схватывания.
В связи с этим для оптимизации технологического процесса в лабораторных условиях был проведен обжиг гипсового камня при различных темпера-турно-временных параметрах с последующим определением фазового состава. На основании лабораторного эксперимента было установлено, что проведение обжига при максимальной температуре 120 °С и последующей выдержкой в течение 20...30 мин, а также при повышении максимальной температуры обжига до 125 °С и уменьшении выдержки до 5.10 мин позволяет исключить содержание двуводного гипса.
6/2016
На основании полученных данных в лабораторных условиях на предприятии ООО «МайкопГипсСтрой» было проведено четыре последовательные варки гипса при температурах Тмакс = 120 °С и Тмакс = 125 °С с последующим отбором гипсового вяжущего в различные моменты времени выдержки при максимальной температуре в котле. У полученных образцов исследовался фазовый состав, и определялись физико-механические характеристики. Результаты экспериментальных данных приведены в таблице.
Количественный РФА образцов гипсового вяжущего полученного при температуре 120 °С без выдержки в котле, показал, что содержание дву-водного гипса в системе составляет от 3,2 до 5,4 % по массе. Дальнейшая выдержка в котле при температуре 120 °С значительно снижает содержание двуводного гипса в системе. Так, например, выдержка в течение 7.. .10 мин позволяет получить гипсовое вяжущее с содержанием двуводного гипса от 1,1 до 1,6 % по массе, а дальнейшая выдержка в течение 15.25 минут в котле уменьшает его количество до следовых концентраций.
минералогический анализ гипсового вяжущего, полученного при температуре 125 °С, показал, что без выдержки в котле содержание двуводного гипса в образцах не превышает 0,6 % по массе. Выдерживание в котле в течение 7 мин при температуре 125 °С позволяет уменьшить содержание двуводного гипса до 0,1 % и менее. Дальнейшая выдержка в котле при данной температуре приводит к полной дегидратации гипсового камня, но при этом наблюдается пережог системы, поскольку постепенно увеличивается содержания нерастворимого ангидрита, что ведет к понижению марочной прочности гипсового вяжущего.
в дальнейшем для контроля стабильности процесса было проведено 10 последовательных варок гипсового вяжущего при Тмакс = 125 °С с выдержкой в котле в течение 5 мин. По полученным результатам испытаний было установлено, что в составе гипсового вяжущего отсутствует двуводный гипс (рис. б), а марка гипсового вяжущего для всех варок составила Г6 Б-11.
Результаты физико-механических испытаний и РФА
Параметры варки гипса Свойства гипсового вяжущего Фазовый состав, % масс
Общее время варки Т , макс' °С Выдержка при Т , макс мин Сроки схватывания Прочность Марка гипса Двуводный гипс Полуводный гипс Ангидрит II Кальцит Кварц
Начало/ конец, мин На сжатие, МПа На изгиб, МПа
3 ч 08 мин 120 0 5/10 6,6 2,67 Г-5,А-11 5,4 88,1 3,5 2,8 0,2
121 8 5/9 6,87 3,06 Г-6,А-11 1,1 92,6 3,8 2,2 0,3
122 15 4/9 6,61 3,31 Г-6,А-П 0,7 91,7 4,7 2,7 0,2
123 24 5/10 7,52 3,28 Г-6,А-11 0,1 91,3 5,6 2,6 0,3
2 ч 56 мин 120 0 5/10 6,5 3,07 Г-5, А-11 4,5 88,0 5,0 2,4 0,1
121 7 5/10 6,56 3,14 Г-5, А-11 1,6 91,4 4,1 2,7 0,2
121 14 7/13 5,98 2,94 Г-6, А-П 0,8 91,0 5,7 2,3 0,2
121 21 7/13 7,01 2,93 Г-5, Б-11 0,1 90,3 6,7 2,5 0,2
Окончание табл.
Параметры варки гипса Свойства гипсового вяжущего фазовый состав, % масс
Сроки о й
схваты- Прочность п S г s г И
общее Т , макс' °С выдержка вания марка гипса « ч ы g кальцит кварц
время варки при Т , макс мин начало/ конец, мин на сжатие, мПа на изгиб, мПа ы н э н g « £ о С др и г и <С
125 0 5/10 6,61 3,31 г-6, A-II 0,2 93,0 3,8 2,9 0,1
3 ч 02 128 7 4/9 6,24 3,15 Г-6, Б-II 0,0 93,1 3,5 3,2 0,2
мин 133 14 6/12 6,48 2,9 г-5, Б-П 0 92,3 4,4 3 0,3
136 21 6/11 5,79 3,06 г-5, Б-II 0 91,9 5,8 2,1 0,2
125 0 6/13 6,34 2,96 г-6, A-II 0,6 93,1 4,2 1,9 0,2
2 ч 53 128 7 6/11 5,77 2,75 Г-6, Б-II 0,1 94,9 2,2 2,7 0,1
мин 131 14 5/10 6,29 2,91 г-5, Б-II 0 94,0 3,5 2,4 0,1
136 21 6/12 5,92 2,94 г-5, Б-II 0 92,2 5,3 2,4 0,1
Sample Date: ID : 1, Sample nam 06/09/15 17:29 Step te: 1, Temp: 25.0°С : 0.020° Integration Time: 1 ООО sec Vert. Scale Unit: [CPS]
о
sf
СЧ
X
О*
«
я
J
L—4™Jiv 1
10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0
а
Sample ID: 2-125C(2obzhig), Sample name: 2-125C(2obzhig), Temp: 25.0°C
Date: 08/26/15 15:14 Step : 0.020° Integration Time: 0.600 sec Vert. Scale Unit: [CPS]
Range: 4.000 - 70.000° Cont. Scan Rate: 2.000 [°/min] Horz. Scale Unit: [cleg]
б
зарегистрированные дифрактограммы изученных образцов гипсового вяжущего, полученного при температуре Т = 120 °С с выдержкой 0 мин (а) и при Т = 125 °С с выдержкой 5 мин (б)
Заключение. По результатам проведенного исследования установлено, что причина нестабильности физико-механических свойств гипсового вяжущего была обусловлена существенным недожогом системы (содержание двуводного гипса варьировалось от 2 до 7 % по массе). Были определены наиболее оптимальные параметры обжига гипсового камня в варочном котле на предприятии ООО «МайкопГипсСтрой»: температуры 120 °С с выдержкой в котле в течение 14.15 мин и 125 °С с выдержкой в котле в течение 7 мин, при которых удалось получить гипсовое вяжущее с минимальным содержанием двуводного гипса (~0,1 % масс) и максимальным количеством полуводного гипса, что соответствует маркам Г6 A-II и Г6 Б-11.
В рамках проведенного исследования за счет оптимизации технологических параметров процесса обжига на предприятии ООО «майкопгипсСтрой» удалось повысить марку выпускаемого гипсового вяжущего (с г4-5 до г6), стабилизировать его состав и свойства, подобрать температурно-временные параметры для управления технологическим процессом с целью получения гипсового вяжущего с заданными характеристиками, что позволит существенно расширить номенклатуру применения данного гипсового вяжущего и стабилизировать свойства сухих смесей на его основе.
Библиографический список
1. Бутт Ю.М., Тимашев В.В. Практикум по химической технологии вяжущих материалов. М. : Высшая школа, 1973. 502 с.
2. Белов В.В., Бурьянов А.Ф., Яковлев Г.И., Петропавловская В.Б., Фишер Х.-Б., Маева И.С., Новиченкова Т.Б. Модификация структуры и свойств строительных композитов на основе сульфата кальция. М. : Де-Нова, 2012. 196 с.
3. Fischer H.-B. Gipsputzhaftung auf Beton. Ibausil, Tagungsband. Weimar, 2003. S. 1007—1028.
4. Гонтарь Ю.В., Чалова А.И., Бурьянов А.Ф. Сухие строительные смеси на основе гипса и ангидрита. М. : Де-Нова, 2010. 214 с.
5. Амелина Д.В., Федорова В.В., Сычева Л.И. Влияние фазового состава на свойства гипсовых вяжущих // Успехи в химии и химической технологии. 2014. Т. 28. № 8 (157). С. 8—10.
6. Пустовгар А.П., Журавлев А.В., Махов Е.А., Бутылина Ю.Н., Нефедов С.В. Самоуплотняющиеся составы для устройства полов на гипсовом вяжущем нестабильного фазового состава// Сухие строительные смеси. 2009. № 5—6 (13—14). С. 26—30.
7. Василик П.Г., Голубев И.В. Трещины в штукатурках // Строительные материалы. 2003. № 4. С. 14—16.
8. Fischer H.-B., Stark J. Haftung von Gipsputz an glatten Betonflächen // ZKG. 2005. No. 12. S. 79—92.
9. Еремин А.В., Пустовгар А.П. Современные подходы к рентгенофазовому анализу гипсовых вяжущих // Строительные материалы. 2012. № 7. С. 62—65.
10. Чаус К.В., Чистов Ю.Д., Лабзина Ю.В. Технология производства строительных материалов, изделий и конструкций. М. : Стройиздат, 1988. 447 c.
Поступила в редакцию в апреле 2016 г.
Об авторах: Еремин Алексей Владимирович — аспирант кафедры строительства объектов тепловой и атомной энергетики, заведующий лабораторией Научно-исследовательского института строительных материалов и технологий,
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, aleks. eremin@gmail.com;
Пустовгар Андрей Петрович — кандидат технических наук, профессор, проректор по научной работе, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, PustovgarAP@mgsu.ru;
Голотина Анастасия Андреевна — магистрант кафедры строительства объектов тепловой и атомной энергетики, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, golotina93@bk.ru;
Нефедов Сергей Владимирович — заведующий лабораторией Научно-исследовательского института строительных материалов и технологий, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, nefedovsv@gmail.com;
Пашкевич Станислав Александрович — кандидат технических наук, доцент кафедры строительства объектов тепловой и атомной энергетики, заведующий лабораторией научно-исследовательского института строительных материалов и технологий, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, PashkevichSA@mgsu.ru;
Шеин Александр Леонидович — кандидат технических наук, директор по качеству, ООО «ТД Седрус», 125252, г. Москва, ул. Зорге, д. 28, стр. 1, shein.al@ced-rus.ru.
Для цитирования: Еремин А.В., Пустовгар А.П., Голотина А.А., Нефедов С.В., Пашкевич С.А., Шеин А.Л. Оптимизация состава и свойств гипсового вяжущего, полученного в варочном котле // Вестник МГСУ 2016. № 6. С. 56—62.
A.V. Eremin, A.P. Pustovgar, A.A. Golotina, S.V. Nefedov, S.A. Pashkevich, A.L. Shein
OPTIMIZING THE COMPOSITION AND THE FEATURES OF GYPSUM BINDER PRODUCED IN A KETTLE
The authors considered the gypsum binder obtained in a kettle SMA-158A in the enterprise LLC "MaykopGipsStroy". The initial gypsum binder burnt at a temperature of 120 °С with the following unloading out of the kettle possessed unstable physical, mechanical and operational characteristics, that's why the grade of gypsum binder was changed from G4-AII to G5-BII for different lots, which greatly reduced its application in the composition of dry mortars. It was stated, that instability of the features of gypsum binder is determined by the essential underburning of the system, which was characterized by residual content of calcium sulfate dihydrate in amount from 2 to 7 % by weight. In frames of the investigation the authors succeeded in raising the grade of the produced gypsum binder (from G4-5 to G6) due to optimization of the technological parameters of the burning process, as well as to stabilize the composition and features, to lay down temperature and time parameters allowing to control the technological process in order to obtain the gypsum binder with specified characteristics.
Key words: gypsum binder, kettle, instability of features, phase composition.
References
1. Butt Yu.M., Timashev V.V. Praktikum po khimicheskoy tekhnologii vyazhushchikh ma-terialov [Practical Course on Chemical Technology of Binding Materials]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1973, 502 p. (In Russian)
2. Belov V.V., Bur'yanov A.F., Yakovlev G.I., Petropavlovskaya V.B., Fisher Kh.-B., Mae-va I.S., Novichenkova T.B. Modifikatsiya struktury i svoystv stroitel'nykh kompozitov na os-
nove sul'fata kal'tsiya [Modification of the Structure and Features of Construction Composites Based on Calcium Sulfate]. Moscow, De-Nova Publ, 2012, 196 p. (In Russian)
3. Fischer H.-B. Gipsputzhaftung auf Beton. Ibausil, Tagungsband. Weimar, 2003, pp. 1007—1028.
4. Gontar' Yu.V., Chalova A.I., Bur'yanov A.F. Sukhie stroitel'nye smesi na osnove gipsa i angidrita [Dry Mortars Based on Gypsum and Anhydrite]. Moscow, De-Nova Publ., 2010, 214 p. (In Russian)
5. Amelina D.V., Fedorova V.V., Sycheva L.I. Vliyanie fazovogo sostava na svoystva gipsovykh vyazhushchikh [Influence of Phase Composition on the Features of Gypsum Binders]. Uspekhi v khimii i khimicheskoy tekhnologii [Advances in Chemistry and Chemical Technology]. 2014, vol. 28, no. 8 (157), pp. 8—10. (In Russian)
6. Pustovgar A.P., Zhuravlev A.V., Makhov E.A., Butylina Yu.N., Nefedov S.V. Samou-plotnyayushchiesya sostavy dlya ustroystva polov na gipsovom vyazhushchem nestabil'nogo fazovogo sostava [Self Compacting Compositions for Constructing Floors on Gypsum Binder with Instable Phase Composition]. Sukhie stroitel'nye smesi [Dry Mortars]. 2009, no. 5—6 (13—14), pp. 26—30. (In Russian)
7. Vasilik P.G., Golubev I.V. Treshchiny v shtukaturkakh [Cracks in Plasters]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2003, no. 4, pp. 14—16. (In Russian)
8. Fischer H.-B., Stark J. Haftung von Gipsputz an glatten Betonflächen. ZKG. 2005, no. 12, pp. 79—92.
9. Eremin A.V., Pustovgar A.P. Sovremennye podkhody k rentgenofazovomu analizu gipsovykh vyazhushchikh [Modern Approaches to X-ray Phase Analysis of Gypsum Binders]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2012, no. 7, pp. 62—65. (In Russian)
10. Chaus K.V., Chistov Yu.D., Labzina Yu.V. Tekhnologiya proizvodstva stroitel'nykh materialov, izdeliy i konstruktsiy [Manufacturing Technology of Construction Materials, Products and Structures]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1988, 447 p. (In Russian)
About the authors: Eremin Aleksey Vladimirovich — postgraduate student, Department of Thermal and Nuclear Power Facilities Construction, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; aleks.eremin@gmail.com;
Pustovgar Andrey Petrovich — Candidate of Technical Sciences, Professor, Vice-Rector for Research, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; Pus-tovgarAP@mgsu.ru;
Golotina Anastasiya Andreevna — Master student, Department of Thermal and Nuclear Power Facilities Construction, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; golotina93@bk.ru;
Nefedov Sergey Vladimirovich — head of laboratory, Research Institute of Construction Materials and Technologies, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; nefedovsv@gmail.com;
Pashkevich Stanislav Aleksandrovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Thermal and Nuclear Power Facilities Construction, head of laboratory, Research Institute of Construction Materials and Technologies, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; PashkevichSA@mgsu.ru;
Shein Aleksandr Leonidovich — Candidate of Technical Sciences, quality director, LLC Cedrus Trading Company, 28-1 Zorge Street, Moscow, 125252, Russian Federation; shein.al@ced-rus.ru.
For citation: Eremin A.V., Pustovgar A.P., Golotina A.A., Nefedov S.V., Pashkevich S.A., Shein A.L. Optimizatsiya sostava i svoystv gipsovogo vyazhushchego, poluchennogo v va-rochnom kotle [Optimizing the Composition and the Features of Gypsum Binder Produced in a Kettle]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2016, no. 6, pp. 56—62. (In Russian)
