Специальная технология вяжущих материалов

 
 
 
 
 
 
Б. Т. Таймасов 
 
 
 
 
 
СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 
ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ 
 
 
Учебник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

УДК 666.9:54 
ББК 24.1+35.41 
Т14 
 
 
 
Рецензенты: 
д. т. н., профессор ЮКГУ им. М. Ауезова Худякова Т. М.; 
д. т. н., проф., директор НПО «Химические технологии и техника» Бажиров Н. С.; 
д. т. н., НИИ «Строительные материалы, строительство и архитектура» Сарсенбаев Б. К. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Таймасов, Б. Т.  
Т14  
Специальная технология вяжущих материалов : учебник / Б. Т. Таймасов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 376 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1684-9 
 
Изложены технологические процессы производства гипсовых, известковых, магнезиальных вяжущих веществ, смешанных и специальных цементов, сухих строительных 
смесей, хризотилцементных, силикатных, бетонных и железобетонных изделий. Описаны сырьевые материалы, нетрадиционное сырье и добавки, методы обжига гипса и 
извести, формования гипсовых, хризотилцементных, силикатных и бетонных изделий, 
тепловлажностной обработки изделий и конструкций. Описаны современные агрегаты 
и технологии для обжига гипса и извести, процессы формования, гидратации и твердения изделий.  Показаны пути интенсификации процессов и снижения расхода топлива 
на обжиг, повышения производительности агрегатов. Приведены новые составы вяжущих и сухих смесей, малоэнергоемкие и ресурсосберегающие технологии. Показаны 
методы утилизации отходов, снижения выбросов, охраны окружающей среды. 
Для студентов специальности «Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов». 
 
УДК 666.9:54 
ББК 24.1+35.41 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1684-9 
” Таймасов Б. Т., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
В настоящее время в Казахстане идет интенсивное промышленное и гражданское строительство, растет объем и ассортимент выпускаемых материалов, 
среди которых важнейшее место занимают силикатные строительные материалы и изделия: портландцемент и его разновидности, гипсовые и известковые 
вяжущие вещества, гипсокартон, магнезиальные вяжущие и изделия, сухие 
строительные смеси, тонкомолотые вяжущие и вяжущие низкой водопотребности, силикатный бетон и кирпич, хризотилцемент, бетон и железобетон и др.  
Производство силикатных строительных материалов и изделий занимает 
важное место в промышленности Республики.  Отрасль развивалась по Государственным программам индустриально-инновационного развития РК. 
С 2010 года были построены и запущены    новые современные цементные 
заводы сухого способа производства ТОО «Стандарт Цемент» в г. Шымкенте, 
ТОО «JAMBYLCEMENT», ТОО «Казах Цемент» на станции Шар ВКО,  
ТОО «Каспий Цемент» фирмы HEIDELBERGCEMENT на станции Шетпе Мангистауской обл., Хантауский цементный завод, ТОО «Кокше Цемент».  Были 
реконструированы и запущены линии сухого способа № 5 и № 6 АО «Карцемент». АО «Шымкентцемент» (HEIDELBERGCEMENT) запустило в декабре 
2015 г. линию сухого способа производства мощностью 1 млн т  в г. Шымкент.  
В 2019 г. запущены Рудненский завод (0,5 млн т) и ТОО «Гежуба Шиели Цемент» в пос. Шиели Кзылординской обл. (1 млн т), в 2021 г. ТОО «Алацемент»  
в с. Кербулак Алматинской обл.   
         Таким образом, в Казахстане в настоящее время работают 11 цементных 
заводов сухого и 3 завода мокрого способа производства. В Жамбылской обл. 
строится еще 1 цементный завод (КНР), в Актюбинской области планируется 
строительство нового цементного завода мощностью 2 млн т цемента в год. 
Кроме этого имеются периодически работающие 3 небольших завода с шахтными печами. 
В последние 5–6 лет мировой объем производства портландцемента, по 
данным различных агентств, находится на уровне около 4,1–4,2 млрд тонн, достигнув максимума в 2014 г. Более половины этого объема выпускает Китай. 
В 2020 г. объем экспорта цементной продукции из Казахстана увеличился 
на 18,4 % по сравнению с 2019 г., до 1,99 млн тонн. Стоимость экспорта выросла на 18,7 % и составила 100,4 млн  долларов США. Общая площадь введенного жилья в Казахстане в 2020 г. составила более 15,3 млн м2. 
Объем выпуска важнейших видов строительных материалов в Республике 
Казахстан в 2019 году приведен в таблице 1. 
Важной проблемой всех отраслей промышленности является снижение 
энергоемкости, рациональное использование различных отходов производства, 
которые загрязняют окружающую среду.   
 
 
 
3 

г. 
2019 г. 
2020 г. 
2021 г. 
2022 г. 
Т а б л и ц а  1  
Производство цемента и некоторых видов строительных материалов  
в Республике Казахстан 
Цемент и другие 
строительные 
материалы  
и изделия 
Портландцемент, 
млн т 
9,9583 
10,2676 
10,9617 
12,3127 
12,0991 
Клинкер  
цементный,  
млн т 
7,3938 
7,2216 
8,453 
7,295 
8,468 
Кирпич  
керамический, 
тыс. м3 
3337,2 
5360,9 
1056,7 
1347,2 
1758,1 
Известь  
строительная, т 
885990 
874525 
830852 
933623 
946311 
Гипс, тыс. т 
121,4 
78,2 
94,5 
184,7 
233,4 
6578584 
6674514 
8079529 
9084463 
9479079 
Изделия  
из бетона для 
строительных 
целей, т 
Кирпичи  
силикатные  
и шлаковые, т 
972932 
947404 
1133526 
1248056 
1031876 
Плиты и изделия 
из цемента,  
бетона, т 
1569514 
1756614 
1 876939 
1 982753 
2 007818 
Гипсокартон, м2 
30372522 
34592127 
33016990 
34908246 34576378 
Бетон  
товарный, т 
18890776 
19622480 
22426114 
23256743 21726168 
Растворы  
строительные, т 
699713 
773294 
651593 
1054437 
1025965 
Шлаковая  
и минеральная 
вата, т 
40011 
49465 
59748 
87040 
84499 
1112532 
1012255 
1168095 
1075439 
1007144 
Конструкции 
строительные 
сборные  
из бетона, т 
 
4 

Германская фирма «Кнауф» интенсивно развивает в Казахстане «сухое» 
строительство, исключающее «мокрые» строительные процессы. В ТОО «Кнауф Гипс Капчагай» в г. Капчагай  модернизировано производство по выпуску 
гипсокартонных кнауф-листов, запущен цех по выпуску оцинкованных профилей, запущен цех по выпуску сухих строительных смесей.  Фирма Кнауф также 
реконструировало завод по выпуску гипсокартонных листов АО «ИндерСтройИндустрия» в Атырауской области.  В этой фирме большое внимание 
уделяется обучению потребителей своей продукции современным эффективным методам ведения отделочных работ.  В г. Капчагай непосредственно на заводе функционирует современная учебная база, где опытные специалисты по 
оригинальной программе обучали строителей методам ведения отделочных работ («сухому» строительству).  Аналогичный учебный центр был организован и 
на базе Алматинской головной архитектурно-строительной академии.  
 
 
 
 
 
 
 
5 

ГЛАВА 1. ГИПСОВЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА 
 
1.1. Виды и классификация гипсовых вяжущих веществ 
 
Гипсовыми вяжущими материалами называют тонкоизмельченные продукты термической обработки естественных или искусственных разновидностей сульфата кальция, способные после затворения водой схватываться, твердеть и превращаться в камень на воздухе. 
Различают гипсовые вяжущие вещества низкообжиговые и высокообжиговые. Низкообжиговые получают при температуре 120...180 °С. Они состоят в 
основном из полуводного гипса и быстро твердеют. К ним относят гипсовые 
вяжущие марок от Г-2 до Г-25, используемые для строительных, формовочных 
и медицинских целей. Высокообжиговые гипсовые вяжущие получают при 
температуре 600...1000 °С. Они состоят преимущественно из безводного сульфата кальция – ангидрита – и медленно твердеют. К гипсовым вяжущим веществам относят также смешанные композиции, основной составляющей которых 
является гипс, а дополнительными – известь, цемент, молотые шлаки. В зависимости от вида дополнительной составляющей различают гипсоизвестковые, 
гипсоцементные и другие вяжущие. 
 
1.2. Природные сырьевые материалы и отходы промышленности  
для получения гипсовых вяжущих 
 
Сырьем для получения гипсовых вяжущих служит мелкокристаллический 
природный гипсовый камень с сахаровидным изломом – CaSO4Â2H2O и природный ангидрит – CaSO4. Как сырьевой источник можно использовать отходы 
химической промышленности: фосфогипс, борогипс, титаногипс, фторогипс, 
цитрогипс.  
Природный гипс. Гипсовый камень осадочного происхождения содержит 
небольшое количество примесей глины, песка, известняка, органики. Если 
примеси ограничены и равномерно распределены в кристаллическом сростке, 
то они не влияют на технические свойства готового вяжущего. Высокое содержание примесей понижает концентрацию сульфата кальция, а после обжига относительная доля примесей увеличивается и является балластом, разбавляя вяжущее и ухудшая его свойства. 
Гипс кристаллизуется в виде удлиненных пластин и призм, вытянутых 
вдоль оси (001) и пластинок с совершенной спаянностью по (010) и спайностью 
по (100) и (011), а также двойников в виде ласточкина хвоста (рисунок 1.1, а). 
Пространственная решетка гипса относится к моноклинной сингонии. Кристаллическая структура двуводного гипса слоистого типа и формируется из двойных слоев тетраэдрических групп ионов SO42-, прочно соединенных ионами 
Са2+, слои параллельны  плоскости (010). Молекулы воды расположены между 
этими двойными слоями. Каждый ион кальция окружен шестью атомами кислорода, принадлежащими сульфатным группам, и двумя атомами кислорода 
6 

относящимся к двум молекулам воды. Таким образом, каждая молекула воды 
связывает ион кальция как с кислородом из этого же двойного слоя, так и с 
кислородом соседнего слоя (рисунок 1.2, а).  
 
 
 
Рисунок 1.1. Морфология кристаллов природного гипса (а) и ангидрита (б) 
 
 
 
Рисунок 1.2. Кристаллическая структура гипса (а) и ангидрита (б): 
1 – S6+; 2 – O2-;3 – Ca2+; 4 – H2O 
 
То, что кристаллизационная вода сконцентрирована в слои параллельные 
(010), является особенностью структуры гипса. Связи, идущие от молекулы воды, являются наиболее слабыми, поэтому гипс характеризуется совершенной 
спайностью в этом направлении и вода сравнительно легко удаляется при 
нагревании. При выделении воды кристаллы расщепляются на тонкие пластинки. Светопреломление кристаллов Ng = 1,5305; Np = 1,5207. 
Природный 
гипс 
(гипсовый 
камень) 
горная 
порода 
осадочного 
происхождения. Химический состав чистого двуводного гипса: 32,56 % СаО, 
46,51 % SO3 и 20,93 % Н2О. Цвет минерала белый. Гипсовый камень имеет белый цвет, примеси оксидов окрашивают его в желтовато-бурые, а органические 
примеси – в сероватый цвет. Примесями являются глинистые минералы, 
7 

кремнезем, ангидрит, доломит, известняк, органические примеси. Двуводный 
гипс мягкий минерал, твердость по шкале Мооса составляет 1,5...2, плотность 
2200...2400 кг/м3.  
Сорт гипса определяет количество примесей: сырье первого сорта должно 
содержать двугидрата не менее 95 %, второго – не менее 90 % и третьего – не 
менее 80 %. При выпуске строительного гипса примеси известняка нежелательны, так как обжиг гипсового камня повышает содержание свободного оксида 
кальция.   
В кристаллической решетке гипсового камня есть две молекулы кристаллизационной воды, адсорбционная вода может быть удержана на поверхности и 
порах. Содержание адсорбированной воды изменяется от долей процента до 
10...15 %. Это зависит от размеров кусков, их пористости, влажности окружающего воздуха. Адсорбционная вода придает гипсовому камню вязкость, материал становится труднотранспортируемым, поэтому на складах предусматривают меры, защищающие камень от избыточного увлажнения. Использование 
природного камня с ограниченным и постоянным содержанием воды обеспечит 
стабильный технологический режим и высокое качество строительного гипса. 
Природный ангидрит. Ангидрит редко состоит из одной CaSO4 и содержит до 10 % воды.  
Ангидрит встречается в виде сплошных зернистых агрегатов, реже образует  хорошо оформленные призматические кристаллы (рисунок 1.1, б). Для ангидрита характерно развитие полисинтетических двойников по (101). Ангидрит 
кристаллизуется в ромбической сингонии. Кристаллическая структура ангидрита типично островная, в ней выделяются тетраэдрические группы SO42-. Каждый 
ион кальция окружен восемью соседними ионами кислорода, причем каждый 
ион кислорода в свою очередь связан с двумя ионами кальция (рисунок 1.2, б). 
Кристаллическая решетка ангидрита обладает плотной упаковкой и является 
наиболее устойчивой по сравнению с решетками других сульфатов. В отличие 
от гипса ангидрит обладает совершенной спайностью по трем перпендикулярным направлениям. Твердость по шкале Мооса составляет 3...3,5, плотность 
2900...3100 кг/м3.  Показатели светопреломления кристаллов: Ng = 1,614; Np =  
= 1,570. 
Ангидрит – осадочная горная порода, состоит из безводного CaSO4. 
Химический состав чистого ангидрита: 41,19 % СаО и 55,81 % SO3. В природе 
ангидрит встречается реже гипсового камня, иногда ангидрит является 
подстилающим слоем в залежах двуводного гипса. Поэтому в составе 
ангидрита может содержаться до 10 % и более двугидрата. Чистый ангидрит 
белого цвета, примеси изменяют цвет минерала. 
Отходы химической промышленности. Сырьевым источником могут 
служить отходы химической промышленности  и энергетики. Фосфогипс получают при производстве  фосфорной  кислоты, двойного суперфосфата и других 
фосфорсодержащих веществ при переработке природных фосфатов. Фосфогипс  
содержит до 75–95 % CaSO4Â2H2O) – отход производства фосфорной кислоты 
из природного фосфорита образуется по реакции: 
8 

 
Са5(РО4)3 F + 5H2SO4  ĺ 5CaSO4Â2H2O + HF + 3Н3РО4  
 (1.1) 
 
В связи с требованиями технологического процесса может осществляться 
три режима экстакции фосфорной кислоты: дигидратный, полугидратный и 
ангидритный. Поэтому может образоваться двуводный, полуводный или 
безводный гипс.  
Фосфогипс образуется в виде шлама с влажностью до 55 %. До 50 % 
твердой фаза представляют сосбой мельчайшие частицы размером до 0,1 мкм и 
меньше. В фосфогипсе содержится до 96...98 % двугидрата гипса, примесями 
могут 
быть 
1...1,5 
% 
P2O5, 
кремнезем, 
фосфорная 
кислота 
H3PO4, 
кремнефтористый натрий Na2SiF6 и др. (Na2SO4, CaF2). Растворимый в воде 
P2O5 замедляет сроки схватывания вяжущего, снижает прочность изделий. 
Поэтому из фосфогипса необходимо отмыть водой растворимую фосфорную 
кислоту или связать ее в нерастворимые в воде соединения.   
Фосфорную кислоту отфильтровывают, возможные примеси серной и 
фосфорной кислоты в фосфогипсе нейтрализуют известняком или мелом.  
В фосфогипсе есть примеси песка и неразложившегося фосфорита. 
Фторогипс образуется в виде отхода при производстве плавикового шпата. 
Его состав 80...85 % сульфата кальция и  (2,0...2,5 %) фтористого кальция.  
Фторогипс образуется по следующей  реакции: 
 
 
CaF2 + H2SO4   ĺ   CaSO4Ļ + 2HF 
 (1.2)                
 
Влажность фторогипса 15...20 %, масса со временем усыхает и 
затвердевает. Борогипс образуется в виде отхода при производстве бора 
сернокислотным способом, содержит до 76 % двуводного гипса, до 21 % 
кремнезема. Борогипс представляет влажную пастообразную массу.  
Гипс, полученный из отходов химических заводов, ввиду неоднородности 
имеет низкое качество и используется как местное вяжущее в штукатурных 
растворах. Сульфат кальция, образуется  также при обессеривании дымовых газов от  сжигания бурых углей. Существенным препятствием использования отходов является избыточная обводненность и примесь красящих веществ. Глина  
и железистые  примеси снижают белизну гипса. Применение фосфогипса в последние годы составило 4 % от общего объема потребления сырья. Ежегодный 
мировой выпуск гипса к 2000 году составил 120–130 млн т. 
  
1.3. Дегидратация гипсового камня, изменение состава и свойств  
при термической обработке 
 
Основной операцией при получении гипсовых вяжущих является дегидратация (обезвоживание) двуводного гипса до полуводного (CaSО4Â0,5H2O) или 
безводного (CaSO4) состава. Реакция частичного обезвоживания является основной при получении строительного гипса:  
 
 
CaSO4 Â 2H2O = CaSO4 Â 0,5H2O + 1,5Н2О  
  (1.3) 
 
9 

Наиболее существенными факторами, определяющими скорость этой реакции являются: температура, давление водяного пара и примеси. 
Нагревание гипсового камня до 66...70 °С достаточно для начала постепенного обезвоживания и выделения воды из кристаллической решетки. При 
100...140 °С происходит быстрое выделение воды и образуется полугидрат. 
Температура обжига – важнейший фактор, определяющий свойства многих вяжущих веществ. Влияние температуры обжига на состав и свойства полученного продукта показано на схеме. 
 
                                           Строительный гипс    Растворимый ангидрит 
     Гипсовый камень      107 °С    ȕ-CaSO4·0,5H2O ĺ   ȕ-CaSO4 
CaSO4·2H2O                                                           >200–400 °С 
                         115...124 °C   Į-CaSO4·0,5H2O   ĺ   Į-CaSO4 
                                                  высокопрочный         растворимый 
                                                              гипс                        ангидрит 
 
       нерастворимый               750–1000 °С 
ангидрит  CaSO4           хCaSO4·уH2O       1495 °С           
-----------------------ĺ    -------------------ĺ  -----ĺ   СаО+SO2+1/2 O2   (1.4)                        
  >450–700 °С                   х >>у    высоко- 
    обожженный                  обожженный эстрих-гипс  
   
 
Рисунок 1.3. Изменение состава и свойств двуводного гипса при нагревании  
(по И.Г. Лугининой) 
 
Превращение двугидрата в полугидрат сопровождается поглощением  
теплa. Потребуется 23 ккал на 1 кг CaSO4 Â 2H2O. Новое вещество – полуводный 
сернокислый кальций – основа строительного гипса и других гипсовых вяжущих веществ. Полугидрат может выделиться в виде двух модификаций: ȕ и Į. 
Определяющим фактором образования Į- или ȕ-модификаций является давление водяного пара; Į-полугидрат получают при избыточном давлении в автоклаве или в жидкой среде (концентрированном растворе соли), кипящей при 
температуре выше 100 °С при атмосферном давлении. 
Некоторые исследователи полагают, что деление на Į- и ȕ-модификации 
условно. Различие в структуре и свойствах модификаций вызвано энергетическим состоянием, обусловленным микроструктурой и большей или меньшей 
внутренней поверхностью кристаллов полугидрата. 
При выделении воды из кристаллов CaSO4 Â 2H2O в виде перегретого пара 
формируется ȕ-полугидрат. Поэтому вновь возникающие образования имеют 
развитую внутреннюю поверхность и нарушенную структуру первоначальных 
природных образований. При нагревании гипса в атмосфере насыщенного водяного пара или в водном растворе солей кристаллизуется Į-полугидрат и вода 
выделяется не в виде пара, что имеет место при образовании ȕ-формы, а в капельно-жидком состоянии. Эти условия способствуют сохранению кристалли10