تسريع تبلور الجبس بالموجات فوق الصوتية

حقائق جديرة بالمعرفة

إنتاج ألواح الجبس

أثناء عملية تصنيع ألواح الجبس، يُوزَّع ملاط مائي من الجبس المكلّس – المسمّى كبريتات الكالسيوم نصف المائية – بين طبقتَي الورق العلوية والسفلية. ويجب نقل المنتج الناتج باستمرار على حزام ناقل حتى يشكّ الملاط. ثم يُجفَّف اللوح حتى يتبخر الماء الزائد الموجود فيه. ومن المعروف في إنتاج ألواح الجبس للجدران إضافة مواد مختلفة إلى الملاط لتحسين عملية الإنتاج أو اللوح نفسه. فعلى سبيل المثال، من المعتاد تخفيف وزن الملاط بإدخال عوامل رغوية لتوفير درجة من التهوية تقلل كثافة لوح الجدار النهائي.

كبريتات الكالسيوم

كبريتات الكالسيوم (Calcium sulfate أو calcium sulphate) مركّب غير عضوي صيغته CaSO₄ وله أشكال مميّهة ذات صلة. ويُستخدم في شكله اللامائي، γ-أنهيدريت، مادةً مجفِّفة للأغراض العامة. ويُعرف شكل مميّه معيّن من CaSO₄ باسم جبس باريس. وهناك شكل مميّه مهم آخر هو الجبس، الذي يوجد طبيعيًا على هيئة معدن. ويُستخدم الجبس خصوصًا على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية، مثل مواد البناء ومواد الحشو والبوليمرات وغيرها. وتظهر جميع أشكال CaSO₄ على هيئة مواد صلبة بيضاء، وهي شحيحة الذوبان في الماء. وتسبّب كبريتات الكالسيوم عسرًا دائمًا للماء.
يوجد المركّب غير العضوي CaSO₄ في ثلاثة مستويات من الإماهة:

• الحالة اللامائية (الاسم المعدني: «أنهيدريت») وصيغتها CaSO₄.
• الشكل ثنائي الماء (الاسم المعدني: «الجبس») وصيغته CaSO₄(H₂O)₂.
• الشكل نصف المائي وصيغته CaSO₄(H2₂O)0.5. ويمكن التمييز بين أشكال نصف مائية محددة، هي الشكل نصف المائي ألفا والشكل نصف المائي بيتا.

تفاعلات الإماهة ونزع الماء
عند تطبيق الحرارة، يتحول الجبس إلى معدن منزوع الماء جزئيًا – يُسمّى كبريتات الكالسيوم نصف المائية، أو الجبس المكلّس، أو جبس باريس. وصيغة الجبس المكلّس هي CaSO₄·(nH₂O)، حيث 0.5 ≤ n ≤ 0.8. وتلزم درجات حرارة بين 100°C و150°C (212°F – 302°F) لإزالة الماء المرتبط ببنيته. وتعتمد درجة حرارة التسخين ومدته بدقة على الرطوبة المحيطة. وتُستخدم درجات حرارة تصل إلى 170°C (338°F) للتكليس الصناعي. إلا أن تكوّن γ-أنهيدريت يبدأ عند هذه الدرجات. وتميل الطاقة الحرارية المقدَّمة إلى الجبس في هذه المرحلة (حرارة الإماهة) إلى طرد الماء (على هيئة بخار ماء) بدلًا من رفع درجة حرارة المعدن، التي ترتفع ببطء حتى يزول الماء، ثم ترتفع بسرعة أكبر. ومعادلة نزع الماء الجزئي هي كما يلي:

تؤثر الخاصية الماصّة للحرارة لهذا التفاعل في أداء ألواح الجبس المستخدمة في الجدران الجافة، إذ تمنح المباني السكنية وغيرها من المنشآت مقاومة للحريق. ففي حالة الحريق، يبقى الهيكل الموجود خلف لوح الجدار الجاف باردًا نسبيًا مع فقدان الماء من الجبس، مما يمنع تلف الإطار الهيكلي ويؤخره (نتيجة احتراق العناصر الخشبية أو فقدان الفولاذ مقاومته عند درجات الحرارة العالية)، وكذلك الانهيار الإنشائي الناتج عن ذلك. وعند درجات حرارة أعلى، تطلق كبريتات الكالسيوم الأكسجين، فتعمل بذلك عاملًا مؤكسِدًا. وتُستخدم هذه الخاصية للمادة في الاختزال الحراري بالألومنيوم. وعلى خلاف معظم المعادن، التي تكوّن عند إعادة إماهتها عجائن سائلة أو شبه سائلة فحسب، أو تبقى مسحوقية، يتميز الجبس المكلّس بخاصية غير معتادة. فعند مزجه بالماء في درجة الحرارة المحيطة، يعود كيميائيًا إلى الشكل ثنائي الماء المفضّل، بينما «يشكّ» فيزيائيًا ليكوّن شبكة بلورية جبسية صلبة وقوية نسبيًا، كما هو موضح في المعادلة أدناه:

يجعل هذا التفاعل الطارد للحرارة صبّ الجبس في أشكال مختلفة أمرًا سهلًا للغاية، بما في ذلك ألواح الجدران الجافة، وأعواد طباشير السبورة، والقوالب (مثلًا لتثبيت العظام المكسورة أو لصب المعادن). وقد استُخدم، ممزوجًا بالبوليمرات، إسمنتًا لترميم العظام.
عند تسخينه إلى 180°C، يتكوّن شكل شبه خالٍ من الماء، يُسمّى γ-أنهيدريت (CaSO₄·nH₂O حيث n = 0 إلى 0.05). ويتفاعل γ-أنهيدريت ببطء فقط مع الماء ليعود إلى الحالة ثنائية الماء، ولذلك يُستخدم على نطاق واسع مادةً مجفِّفة تجارية. وعند التسخين فوق 250°C، يتكوّن الشكل اللامائي تمامًا، β-أنهيدريت. ولا يتفاعل β-أنهيدريت مع الماء، حتى على مقاييس زمنية جيولوجية، إلا إذا طُحن طحنًا ناعمًا جدًا.

مواد اللياسة

اللياسة مادة بناء تُستخدم لطلاء الجدران والأسقف بطبقة واقية و/أو زخرفية، وللتشكيل وصنع الزخارف المصبوبة وصب عناصر البناء الزخرفية.
والستوكو أعمال لياسة تُستخدم لإنتاج زخارف بارزة.
تُصاغ أكثر أنواع اللياسة شيوعًا باستخدام الجبس أو الجير أو الإسمنت مكوّنًا رئيسيًا. وتُنتج اللياسة على هيئة مسحوق جاف (مسحوق الجبس). وعند مزج المسحوق بالماء، تتكوّن عجينة متماسكة لكنها قابلة للتشكيل. ويطلق التفاعل الطارد للحرارة مع الماء حرارةً من خلال عملية تبلور، ثم تتصلب اللياسة المميّهة.

اللياسة الجبسية

تُنتج اللياسة الجبسية، أو جبس باريس، بالمعالجة الحرارية للجبس (نحو 300°F / 150°C):
CaSO₄·2H₂O + حرارة → CaSO₄·0.5H₂O + 1.5H₂O (ينطلق على هيئة بخار).
يمكن إعادة تكوين الجبس بمزج المسحوق الجاف بالماء. ولبدء شك اللياسة غير المعدَّلة، يُمزج المسحوق الجاف بالماء. ويبدأ تفاعل الشك بعد نحو 10 دقائق، ويكتمل بعد نحو 45 دقيقة. إلا أن الشك الكامل للجبس يتحقق بعد نحو 72 ساعة. وإذا سُخّنت اللياسة أو الجبس فوق 266°F / 130°C، يتكوّن الشكل نصف المائي. ويمكن أيضًا تحويل المسحوق نصف المائي إلى جبس عند تشتيته في الماء.