книги / Тепломассообменные процессы в производстве гипсовых и гипсобетонных строительных материалов

нений, связанных с увеличением вязкости и нарастанием плотности вплоть до момента полного отвердевания.

Несмотря на то что эти изменения протекают непрерывно, условно принято разделять весь процесс на следующие три периода: период текучести, соответствующий состоянию подвижности и текучести мас­ сы; начало схватывания, когда масса утрачивает свою подвижность, оставаясь еще достаточно пластичной, т. е. способной деформироваться (образовывать вмятины, изменять форму) под влиянием внешних воз­ действий, и конец схватывания, т. е. момент, соответствующий полно­ му отвердеванию массы и переходу ее в камнеподобное, точнее, хруп­ кое состояние.

Однако такое деление на периоды не лишено известных недостат­ ков. Во-первых, оно касается лишь физического состояния гипсовой массы и не объясняет химической сущности происходящих явлений; во-вторых, существуют такие способы формования изделий, как, на­ пример, прессование, когда вода затворения вводится путем орошения гипса в количестве от 23 до 26 % от массы последнего, причем полу­ ченная формовочная масса кажется на ощупь сухим порошком, т. е. не обладает привычной для нас текучестью гипсовых растворов.

Для того чтобы деление на периоды сохраняло свое значение неза­ висимо от способов производства гипсовых изделий, следует допол­ нить их следующими отличительными признаками: первый период — отсутствие или незначительное проявление химических реакций меж­ ду водой и гипсом; второй период — интенсивная гидратация и кри­ сталлообразование; третий период — процесс кристаллообразования в основном закончен.

Следует отметить, что видимое отвердение массы не является еще признаком конца гидратации. На это указывает продолжающееся еще некоторое время повышение температуры гипсовых изделий и отли­ вок вследствие экзотермического характера реакции.

Величина водогипсового отношения (фактора) оказывает исклю­ чительное влияние на свойства гипсовых отливок. Избыток воды за­ творения расходуется на смачивание поверхности частиц вяжущего, заполнение пространств между ними, приводит к уменьшению сил трения частиц друг о друга, т. е. сообщает им такие свойства, как плас­ тичность, текучесть и подвижность. Чем тоньше измельчен материал, тем больше воды расходуется на смачивание поверхности его частиц.

Что касается количества воды, идущей на заполнение пространства между отдельными частицами или зернами гипса, то оно зависит от тонкости помола, формы частиц, соотношения частиц различных раз­ меров в массе и плотности их укладки.

Для получения однородной массы или раствора процесс затворе­ ния обычно сопровождается тщательным перемешиванием или гомо­ генизацией массы. Перемешивание устраняет возможность образова­ ния комков, облегчает проникновение воды к частицам гипса и тем са­ мым обеспечивает полноту их химического взаимодействия друг с другом.

Однородность формовочной массы придает всем частям изделия одинаковые свойства, уменьшает опасность коробления при сушке и проявления других видов деформаций и дефектов.

101

Всякое механическое воздействие на гипсовую массу, в том числе перемешивание и последующая обработка (формовка), допустимы только в первый период затворения (период текучести), когда реакции гидратации гипса не начались или же проявляются незначительно. Перемешивание массы после начала схватывания уже недопустимо, так как приводит к нарушению связей между образующимися кри­ сталлами двуводного гипса и вызывает резкое снижение прочности от­ формованного изделия.

Вода затворения сверх количеств, участвующих в реакциях гид­ ратации гипса, остается в теле свежеотформованного изделия в виде гигроскопической, т. е. химически не связанной, влаги, заполняя свободные пространства между образующимися при схватывании кри­ сталлами двуводного гипса. Испарение воды при последующей сушке служит причиной пористости изделий. Чем больше избыток воды при затворении гипса, тем больше пористость готового изделия и ниже его механическая прочность.

Сказанное в равной мере справедливо как по отношению к издели­ ям из чисто гипсового раствора, так и к изделиям, изготовленным из гипсобетона.

Способы производства гипсовых и гипсобетонных изделий в зави­ симости от густоты применяемых для формования масс и растворов мо­ гут быть разделены на следующие группы.

Формование методом литья. Этот метод применяется главным об­ разом при изготовлении изделий чисто гипсовых или из гипса с неболь­ шим количеством измельченных добавок, чаще всего древесных опи­ лок. Метод литья характеризуется водогипсовым отношением порядка 55—75 % и выше. Он используется в производстве тонколисто­ вых материалов типа гипсовой сухой штукатурки, при изготовле­ нии перегородочных плит и блоков на карусельной формовочной машине, при изготовлении форм и моделей для керамической про­ мышленности, а также художественно-декоративных и скульптурных отливок.

Формование с принудительным распределением массы. При поль­ зовании более густыми и жесткими гипсобетонными формовочными массами с водогипсовым отношением 40—50 % заполнение форм и рас­ пределение массы требует искусственного побуждения. Таким побу­ дителем является вибрация. Методом вибрации изготовляют строитель­ ные детали из гипсобетонных масс с большим содержанием органиче­ ских или минеральных наполнителей. Иногда вибрация применяется в сочетании с другими способами уплотнения масс, например прока­ том. Таким методом изготовляются крупноразмерные гипсобетонные перегородочные панели.

Преимуществом формования из жестких масс являются высокая плотность и прочность изделий, а также значительное снижение рас­ хода гипсовых вяжущих благодаря введению наполнителей.

Формование изделий методом прессования. Наивысшей прочности изделий можно достигнуть формованием при водогипсовом отношении, приближающемся к теоретически необходимому для осуществления реакций гидратации гипса. Количество воды затворения в этом случае

102

Этот процесс продолжается до полного испарения из изделий всей нз« быточной воды.

Таким образом, кроме первой стадии твердения гипса, когда проч­ ность изделия обусловлена механическим сплетением беспорядочно выделившихся и так же беспорядочно расположенных по отношению друг к другу кристаллов CaS04 - 2Н20, существует вторая стадия упрочнения структуры вследствие сцементирования отдельных кристал­ лов при сушке изделий тонкими пленками двуводного гипса, остав­ шегося до сушки в растворенном состоянии в избыточной, не вошедшей

вхимическое взаимодействие с вяжущим воде затворения.

Взависимости от толщины изделий срок их сушки в естественных условиях может достигать 8—10 суток. Искусственная сушка ускоря­ ет этот процесс и позволяет довести срок изготовления изделий до не­

скольких часов.

По характеру строения гипсовые изделия относятся к типичным капиллярно-пористым телам. Поэтому ознакомление с особенностями их сушки начнем с общих положений сушки капиллярно-пористых материалов.

Схематически сушка таких материалов может быть представлена как цепь отдельных неразрывно связанных друг с другом процессов, а именно перемещения влаги внутри материала, изменения ее агрегат­ ного состояния или парообразования и удаления с поверхности разде­ ла в окружающую воздушную или газовую среду.

Необходимыми условиями осуществления сушильного процесса являются разность парциальных давлений паров над поверхностью материала и в окружающей среде и температурный напор, т. е. раз­ ность температур между окружающей средой и поверхностью изделия, обусловливающая приток необходимой для испарения влаги теплоты от теплоносителя к изделиям.

Механизм перемещения влаги в изделиях во время сушки может быть представлен следующим образом: испарение влаги с поверхности обусловливает перепад или градиент влажности между внешними и глубинными слоями, из-за чего происходит перемещение влаги к по­ верхности из лежащих ниже слоев и общее снижение влажности ма­ териала.

Весь цикл сушки капиллярно-пористых материалов может быть условно разделен на периоды, отличающиеся друг от друга характе­ ром изменения влажности, скоростью сушки и распределением темпе­ ратуры по сечению высушиваемых изделий.

Первый период сушки сопровождается нагревом материала, повы­ шением парциального давления паров над его поверхностью и испа­ рением влаги. Температура внешних и глубинных слоев при этом по­ вышается до уровня, близкого к показаниям мокрого термометра — психрометра, и остается неизменной, пока испарение влаги происхо­ дит с поверхности материала или изделия.

Наблюдая по убыли массы за влагоотдачей материала в первом пе­ риоде сушки, можно заметить, что кроме начального, короткого срока прогрева влагоотдача при неизменных условиях опыта (постоянная температура, влагосодержание и скорость теплоносителя) в равные

104

отрезки времени остается одинако­ вой. Поэтому первый период назы­ вается также периодом сушки с постоянной скоростью.

В системе прямоугольных коор­ динат время — влагоотдача (рис. 49) этот период представлен графиче­ ски прямолинейным участком кри­ вой. Анализ кривой изменения влажности материала на рис. 49 показывает, что начиная с точки Klt называемой первой критиче­ ской точкой, участок наклонной прямой переходит в кривую, ха­ рактеризующую непрерывное сни­ жение скорости сушки вследствие замедления поступления влаги к

поверхности. Вместе с этим постепенно повышается температура ма­ териала.

В отличие от первого периода (постоянной скорости сушки) сле­ дующий за ним отрезок времени называют периодом убывающей ско­ рости сушки. По условиям испарения влаги этот период может быть разделен на два этапа: первый, когда процесс происходит на поверх­ ности материала или изделия, и второй, когда он перемещается вглубь материала.

Границей первого этапа на кривой изменения влажности (см. рис. 49) является точка /С2, называемая второй критической точкой. После нее кривая асимптотически приближается к равновесной влажности, а тем­ пература материала, в особенности обезвоженных внешних слоев, быстро повышается, приближаясь к температуре сушильного агента.

Такой характер протекания процесса сушки капиллярно-пористых тел справедлив при мягких режимах сушки. При жестких режимах возникает ряд особенностей, о которых сказано ниже.

Подчиняясь общим закономерностям сушки капиллярно-пористых тел, гипс обладает и своими характерными особенностями. К ним от­ носятся наличие экзотермического эффекта гидратации затворенного водой вяжущего и термонеустойчивость гипса, т. е. его способность дегидратироваться при сравнительно низких температурах. Кроме то­ го, определенное влияние на течение процесса сушки оказывает неод­ нородная структура гипсобетона, образованная частицами заполни­ теля, сцементированными гипсом, т. е. разнохарактерными по физико­ химическим свойствам и отношению к сушке материалами. Наличие пуццоланового цемента в изделиях из ГЦПВ оказывает существенное влияние на процесс сушки. Своеобразна также сушка листовых много­ слойных изделий, армированных картоном. Рассмотрим кратко влия­ ние каждого из перечисленных факторов на процесс сушки гипсовых изделий.

Сушка гипсовых и гипсобетонных изделий обычно проводится не­ посредственно после их формования и схватывания (гидратации) массы.

105.

Гидратация гипса — процесс экзотермический. Благодаря выделяю­ щейся при этом теплоте происходит нагрев изделий и испарение не­ которого количества свободной воды, не вошедшей в химическое взаи­ модействие с вяжущим. Степень нагрева изделий зависит от модификационного состава вяжущего, определяющего энергию и скорость реакции, от вида соотношения и начальной температуры компонентов -формовочной массы, а также от величины потерь теплоты в окружаю­ щую среду. Ниже даны значения теплоты реакции гидратации основ­ ных модификаций гипса:

Количество влаги W3K3 (кг), испаряющейся из-за экзотермическо­ го эффекта реакций гидратации гипса, может быть определено по фор­ муле

где <7экэ — количество теплоты, выделяющееся при гидратации вяжу­ щего, кДж; де — расход теплоты на нагрев сухих компонентов формо­ вочной массы от t„ до /*, кДж; Г св — количество свободной влаги в из­ делиях, кг; tK— конечная (максимальная) замеренная температура изделия после схватывания массы, °С; / — теплосодержание пара, кДж; — средняя (начальная) температура формовочной массы, °С,

массы.

В действительности влаги испаряется несколько меньше из-за по­ терь теплоты в окружающую среду.

Отличительной особенностью двуводного гипса, как природного, так и полученного соединением с водой гидратирующихся продуктов

•вяжущего (CaS04~ H 20 и CaS04 (раствор)), является его термическая

неустойчивость, т. е. способность к дегидратации при сравнительно низких температурах. Этот процесс сопровождается резким ухудше­ нием прочностных свойств изделий и проявляется в первую очередь л виде околов углов и граней толстостенных изделий (плит, блоков, па-

406

целей), а также в повышенной хрупкости и слабом сцеплении с карто­ ном тонких листовых материалов типа гипсовой сухой штукатурки.

Как показали исследования и производственный опыт, дегидратация гипса при его соприкосновении с горячим воздухом или газами может начаться при температуре гипса порядка 70 °С. Скорость и температу­ ра дегидратации зависят от ряда причин: от свойств поверхности из­ делия, определяющих интенсивность подвода теплоты к изделию, от скорости омывания его потоком горячего теплоносителя, от темпера­ туры последнего и т. д.

Так как целью сушки гипсовых и гипсобетонных изделий является испарение лишь свободной влаги, без нарушения химических связен кристаллизационной воды с материалом, то выбор параметров сушки должен быть подчинен удовлетворению этих требований и недопуще­ нию опасного перегрева изделий.

Взаимодействие между высушиваемыми материалами и окружаю­ щей средой (теплоносителем) вызывает ряд изменений в физическом состоянии и свойствах как того, так и другого. Поэтому температура, влажность и длительность сушки не могут быть выбраны произвольно, а должны устанавливаться в зависимости от особенностей самих высу­ шиваемых материалов и изделий. Подробно обэтом сказано в последую­ щих главах.

Существенное влияние на процесс сушки оказывают состав и струк­ туры изделий. Выше отмечалось, что гипсовые изделия могут быть ли­ бо гипсолитовые (изготовленные из гипсовых растворов без наполни­ телей), либо гипсобетонные, в состав которых входят минеральные или органические наполнители, а иногда те и другие вместе. Гипсолитовые изделия обладают после схватывания однородной кристаллической структурой. Величина кристаллов двугидрата и пористость таких от­ ливок зависят от модификационного состава исходного вяжущего и принятого рабочего водогипсового отношения.

Структура гипсобетониых изделий неоднородна и образована ча­ стицами заполнителя, сцементированными гипсом, т. е. веществами, обладающими различной теплоемкостью, теплопроводностью, порис­ тостью, капиллярностью, удельной поверхностью, влагоемкостью, сорбционной способностью (равновесной влажностью) и др.

Большую роль в создании структуры гипсовых и гипсобетонных изделий играют способы формования, определяющие плотность из­ делий, а также вещества, применяемые в качестве пластификаторов, ускорителей или замедлителей схватывания, влияющие на форму и размеры образующихся кристаллов.

Анализ особенности сушки изделий из ГЦПВ позволяет сделать вывод, что наличие в ГЦПВ двух компонентов (гипса и пуццоланового цемента), обладающих различными физическими и физико-химиче­ скими свойствами и разным временем гидратации, еще foiee услож­ няет процесс сушки, так как для обеспечения высокого качества изде­ лий необходимо создать оптимальные условия гидратации цемента, повышая температуру материала и одновременно исключая испарение из него влаги с необходимостью максимально интенсифицировать процесс обезвоживания и обеспечить его высокую экономичность. Все

107

это свидетельствует о том, что для изыскания оптимальных режимов сушки гипсовых и гипсобетонных материалов необходимо проведение специальных исследований.

2.Современное состояние исследований

вобласти сушки гипсовых

игипсобетонных изделий

Сушка гипсовых и гипсобетонных изделий — одна из наиболее от­ ветственных операций технологического процесса. Ею в значительной степени определяется качество продукции, производительность и эко­

номичность работы оборудования.

Для получения качественных строительных материалов на основе гипсовых вяжущих необходимо, чтобы максимальная конечная влаж­ ность листовых гипсовых изделий (ГКЛ и СГШ) не превышала 0,01— 0,015 кг/кг (1—1,5 %), а гипсобетонных прокатных панелей, гипсо­ вых плит, изделий из ГЦПВ и других толстостенных и объемных эле­ ментов — 0,08 кг/кг (8 %). Только при этом, как показали исследо­ вания различных авторов [4, 6, 8, 10] и опыт изготовления и эксплуа­ тации таких материалов, обеспечивается максимальное увеличение прочности гипсовых сердечников, возможность транспортировки и использования в строительстве готовой продукции. Особое значение приобретает процесс сушки при производстве изделий из ГЦПВ, по­ скольку удаление из такого материала влаги должно происходить пос­ ле гидратации содержащегося в нем цемента. Нарушение этого усло­ вия может привести к существенному снижению прочности изделий.

Сушка ГКЛ и СГШ на отечественных и зарубежных заводах осу­ ществляется нагретым воздухом в многоярусных туннельных сушиль­ ных установках. Подлине они разделены на зоны, в которых поддержи­ ваются различные температуры теплоносителя, не превышающие 150— 160 °С в начале процесса и 120—135 °С в конце. Зоны имеют индиви­ дуальные системы приготовления и циркуляции сушильного агента, включающие центробежные вентиляторы, паровые калориферы, рас­ положенные над сушильной установкой, и паровые регистры, установ­ ленные над каждым ярусом внутри туннеля. Применение последних обусловлено необходимостью поддержания постоянной температуры сушильного агента по длине зоны, что дает некоторое увеличение ин­ тенсивности сушки, однако при этом из каждой зоны выбрасывается отработанный теплоноситель с температурой порядка 100—110 °С, что существенно снижает экономичность работы установки. Расход теп­ лоты составляет 5800—6200 кДж на 1 кг испаряющейся влаги. При указанных выше температурах теплоносителя процесс сушки матери­ ала толщиной 8 мм от начальной влажности Wa = 39...40 % до ко­ нечной WK= 1... 1,5 % длится 55—65 мин.

Процесс сушки гипсобетонных прокатных панелей, гипсовых плит, объемных элементов из ГЦПВ и других изделий происходит в конвективных сушильных установках, построенных в виде ряда тун­ нелей, объединенных в один блок. Длина туннелей и их число зависят от производительности завода. Сушильным агентом служат дымовые

106

газы от сжигания того или иного вида топлива, смешанные с рецир­ куляционным теплоносителем и атмосферным воздухом, или воздух, нагретый в паровых калориферах. Температура теплоносителя на вхо­ де в сушилку составляет 110—130 °С, на выходе — 50—55 °С. Время с/шки и шелий от начальной влажности = 35...40 % до WK= = 8 % составляет 20—24 ч, расход теплоты порядка 5400—5600 кДж на 1 кг испаряющейся влаги. Как видно из приведенных режимов ра­ боты сушильных установок, сушка различных гипсобетонных и гип­ совых изделий происходит при температуре теплоносителя, не превы­ шающих 160 °С для листовых и 110—130 °С для толстостенных изде­ лий и объемных элементов.

Применение низких температур теплоносителя в ущерб интенсив­ ности и экономичности проведения процесса сушки обусловлено не­ обходимостью предотвращения перегрева материала, сопровождаю­ щегося удалением из гипса химически связанной влаги, что приводит

кпотере прочности у толстостенных изделий и отклеиванию картона

уГКЛ и СГШ.

Как показали экспериментальные исследования (88, 90], обезво­ живание вторичного двугидрата сульфата кальция в ненасыщенной па­ рами влаги газовоздушной среде может начаться при его температуре порядка 70 °С и ниже. Поэтому авторы ряда работ по гипсу, ссылаясь на опыт работы отечественных и зарубежных заводов, рекомендуют диапазон применяемых температур теплоносителя при сушке толсто­ стенных гипсовых изделий ограничить следующими пределами: 50— 60 °С [88], 90—95 °С [89], 80°С [90], 75-80 °С [911. В Польше [281 и Чехословакии считают, что сушку гипсобетонных изделий необходи­ мо. осуществлять при температуре не выше 50 °С. Возможность приме­ нения повышенных температур сушильного агента (до 160 °С) при сушке СГШ и ГКЛ некоторые исследователи [28] объясняют тем, что картон предохраняет гипс от перегрева. Как показано ниже, это утверждение является ошибочным.

Производительность заводов по выпуску гипсовых изделий огра­ ничивается пропускной способностью сушильных установок. Для це­ хов, выпускающих ГКЛ и СГШ, проблема увеличения производитель­ ности сушил приобретает особо острый характер в связи с переходом на выпуск утолщенного материала (12, 14 и 16 мм). При этом значительно удлиняется срок сушки и снижается производительность оборудования.

На различных предприятиях, как отечественных, так и зарубеж­ ных, рост производительности сушильных установок осуществляется в основном путем увеличения их емкости (увеличение числа ярусов для ГКЛ и СГШ, строительство дополнительных туннелей), что свя­ зано с большими капитальными затратами и наличием свободных про­ изводственных площадей. Там, где это невозможно, идут на уплотне­ ние садки изделий на вагонетках, что приводит к неравномерной сушке и ухудшению качества материалов. Поэтому представляется целе­ сообразной разработка таких методов сушки термочувствительных ка­ пиллярно-пористых тел, которые обеспечивали бы наилучшне техно­ логические свойства высушенного материала наряду с оптимальными теплоэнергетическими показателями.

109