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 десятибалльной 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/м³. 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 α-полугидрата;

• 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.

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 Ca²⁺ 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:

CaSO₄·2H₂O = -CaSO₄·0,5H₂O + 1,5H₂O (пар)

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/см³, 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:

CaSO₄·2H₂O = -CaSO₄·0,5H₂O + 1,5H₂O (жидкость)

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/см³ и растворимостью в воде 6,3…6,8 г/л.

Для получения подвижного гипсового теста количество воды для -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 -полугидрата сульфата кальция (ПГ) выше в 2…4 раза, чем прочность камня из -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 -модификации ПГ и выше 200 °C для -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;

• скорость нагрева;

• интенсификаторы обжига.

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 - и -модификации ПГ в одном куске: в центре -ПГ, по поверхности -ПГ. Увеличение времени тепловой обработки повышает прочность готового строительного гипса вдвое. Ускорить процесс варки и увеличить выход -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.