Строительные материалы и изделия

ГИПСОВЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Гипсовые вяжущие — группа воздушных вяжущих веществ, в за­твердевшем состоянии состоящих из двуводного сульфата кальция (CaS04 • 2Н20), включает в себя собственно гипсовые вяжущие (далее для краткости — гипс) и ангидритовые вяжущие (ангидритовый цемент и эстрихгипс).

Гипс (в строительной практике иногда используют устаревший термин алебастр от rp. alebastros — белый) — быстротвердеющее воздушное вяжущее, состоящее из полуводного сульфата кальция CaS04 • 0,5Н2О, получаемого низкотемпературной (< 200° С) обработ­кой гипсового сырья.

Сырьем для гипса служит в основном природный гипсовый камень, состоящий из двуводного сульфата кальция (CaS04 • 2Н20) и различ­ных механических примесей (глины и др.). В качестве сырья могут использоваться также гипсосодержащие промышленные отходы, на­пример, фосфогипс, а также сульфат кальция, образующийся при химической очистке дымовых газов от оксидов серы с помощью известняка. Все это указывает на то, что проблем с сырьем для гипсовых вяжущих нет.

Получение гипса включает две операции:

• термообработку гипсового камня на воздухе при 150... 160° С; при этом он теряет часть химически связанной воды, превращаясь в полуводный сульфат кальция р-модификации

CaS04 • 2Н20 -» CaS04 0,5Н2О + 1,5Н20

• тонкий размол продукта, который можно производить как до, так и после термообработки; гипс — мягкий минерал (твердость по шкале Мооса — 2), поэтому размалывается он очень легко.

Таким способом производится основное количество гипса; обычно для этого используют гипсоварочные котлы. Гипс р-модификации далее для краткости будем называть просто «гипс».

Доступность сырья, простота технологии и низкая энергоем­кость производства (в 4...5 раз меньше, чем для получения порт­ландцемента) делают гипс дешевым и перспективным вяжущим.

Химизм твердения гипса заключается в переходе полуводного суль­фата кальция при затворении его водой в двуводный:

CaS04 • 0,5Н2О + 1,5Н20 -» CaS04 • 2Н20

Внешне это выражается в превращении пластичного теста в твердую камнеподобную массу.

Причина такого поведения гипса заключается в том, что полувод - ный гипс растворяется в воде почти в 4 раза лучше, чем двуводный (растворимость соответственно 8 и 2 г/л в пересчете на CaS04). При смешивании с водой полуводный гипс растворяется до образования насыщенного раствора и тут же гидратируется, образуя двугидрат, по отношению к которому раствор оказывается пересыщенным. Кристал­лы двуводного гипса выпадают в осадок, а полуводный вновь начинает растворяться и т. д. (рис. 8.1). В дальнейшем процесс может идти по пути непосредственной гидратации гипса в твердой фазе.

Конечной стадией твердения, заканчивающегося через 1...2 ч, является образование кристаллического сростка из достаточно крупных кристаллов двуводного гипса. Часть объема этого сростка занимает вода (точнее, насыщенный раствор CaS04 • 2Н20 в воде), не вступив­шая во взаимодействие с гипсом (о причинах присутствия этой воды чуть ниже). Если высушить затвердевший гипс, то прочность его заметно (в 1,5...2 раза) повысится за счет дополнительной кристалли­

зации гипса из указанного выше раствора по местам контактов уже сформированных кристаллов. При повторном увлажнении процесс протекает в обратном порядке, и гипс теряет часть прочности.

Причина наличия свободной воды в затвердевшем гипсе объясня­ется тем, что для гидратации гипса нужно около 20 % воды от его массы, а для образования пластичного гипсового теста — 50...60 % воды. (Последний показатель называют водопотребностью, методика определения которой для гипса описана в лабораторной работе № 6.) Очевидно, что после затвердевания такого теста (т. е. после завершения гидратации) в нем останется 30...40 % (от массы гипса) свободной воды, что составляет около половины объема материала. Этот объем воды образует поры, временно занятые водой, а пористость материала, как известно, определяет многие его свойства (плотность, прочность, теплопроводность и др.).

Разница между количеством воды, необходимым для твердения вяжущего и для получения из него удобоформуемого теста,— основная проблема технологии материалов на основе минеральных вяжущих.

Для гипса проблема снижения водопотребности и, соответственно, снижения пористости и повышения прочности была решена путем получения гипса термообработкой не на воздухе, а в среде насыщенного пара (в автоклаве при давлении 0,3...0,4 МПа) или в растворах солей (СаС12 • MgCl2 и др.). В этих условиях образуется другая кристалличе­ская модификация полуводного гипса — сх-гипс, имеющая водопот - ребность 35...40 %.

Гипс a-модификации называют высокопрочным, так как

благодаря пониженной водопотребности он образует при твердении менее пористый и более прочный камень, чем обычный гипс (3-моди­фикации. Из-за трудностей производства высокопрочный гипс не нашел широкого применения в строительстве.

Технические свойства гипса. Истинная плотность полуводного гипса — 2,65...2,75 г/см3 (двуводного — 2,32 г/см3); насыпная плотность по­луводного гипса — 800...1100 кг/м3.

По срокам схватывания, определяемым на приборе Вика (методика определения описана в лабораторной работе), гипс делят на три группы (А, Б, В):

Замедляют схватывание гипса добавкой столярного клея, сульфит­носпиртовой барды (ССБ), технических лигносульфонатов (JICT), кератинового замедлителя, а также борной кислоты, буры и полимер­ных дисперсий (например, ПВА).

Марку гипса определяют испытанием на сжатие и изгиб стандар­тных образцов-балочек 4 х 4 х 16 см спустя 2 ч после их формования (о методике испытаний см. лабораторную работу). За это время гидра­тация и кристаллизация гипса заканчивается.

Установлено 12 марок гипса по прочности от Г-2 до Г-25 (цифра показывает нижний предел прочности при сжатии данной марки гипса):

В строительстве используется в основном гипс марок от Г-4 до Г-7. По тонкости помола, определяемой максимальным остатком пробы гипса при просеивании на сите с отверстиями 0,2 мм, гипсовые вяжущие делят на три группы:

Маркируют гипсовые вяжущие по всем трем показателям: скорости схватывания, тонкости помола и прочности. Например, гипсовое вяжущее Г-7АІІ — быстротвердеющее (А), среднего помола (II), проч­ность на сжатие не менее 7 МПа.

Плотность затвердевшего гипсового камня низкая (1200...1500 кг/м3) из-за значительной пористости (60...30 % соответственно).

Гипсовое вяжущее — одно из немногих вяжущих, расширяю­щихся при твердении: увеличение в объеме достигает 0,2 %. Эта особенность гипсовых вяжущих позволяет применять их без запол­нителей, не боясь растрескивания от усадки.

При увлажнении затвердевший гипс не только существенно (в 2...3 раза) снижает прочность, но и проявляет нежелательное свойство — ползучесть — медленное необратимое изменение размеров и формы под нагрузкой. Характер жидкой среды во влажном гипсенейтраль­ный (pH = 6,5...7,5), и она содержит ионы Са+2 и S0'24, поэтому стальная арматура в гипсе корродирует. Увлажнению гипса способст­вует его гигроскопичность — способность поглощать влагу из воздуха.

Гипс хорошо сцепляется с древесиной й поэтому его целесооб­разно армировать деревянными рейками, картоном или целлюлоз­ными волокнами и наполнять древесными стружками и опилками.

Гипсовые материалы не только являются негорючими но в силу своей пористости замедляют передачу теплоты, а при действии высоких температур в результате термической диссоциации выделяют воду, тем самым тормозя распространение огня.

В сухих условиях эксплуатации или при предохранении от действия воды (гидрофобизируюгцие покрытия, пропитки ИТ. п.) гипс очень перспективное с технической и экологической точек зрения вяжущее.

Области применения. Главнейшая область применения гипса — устройство перегородок. Они могут быть заводского изготовления в виде панелей «на комнату», из гипсовых камней или из гипсокартонных листов. Последние также широко применяют для отделки стен и потолков. Гипсоволокнистыс материалы используют как выравниваю­щий слой под чистые полы. Из гипса делают акустические плиты. В различных вариантах его применяют для огнезащитных покрытий металлических конструкций. Небольшое по объему, но важное направ­ление использования гипса: декоративные архитектурные детали (леп­нина) и скульптура.

Гипс используют для изготовления форм (например, для керамики)

— формовочный гипс и в медицине для фиксации при переломах — медицинский гипс. Два последних вида гипса отличаются от строитель­ного несколько повышенными требованиями к тонкости помола и химическому составу.

Местные вяжущие материалы из гипсосодержащих пород. В районах Средней Азии и Закавказья применяют местные вяжущие — ганч и гажу. Их получают из пород, содержащих гипс (20...60 и глину (80...40 %). Ганч и гажа по свойствам напоминают обычный гипс, отличаясь от него более медленным схватыванием. Эти вяжущие используют для штукатурных и художественных работ.

Ангидритовое вяжущее и высокообжиговый гипс — медленносхва- тывающиеся и медленнотвердеющие вяжущие, состоящие из безвод­ного сульфата кальция CaS04 и активизаторов твердения.

Безводный сульфат кальция существует в природе в виде минерала

— ангидрита, однако даже в тонкоразмолотом состоянии он не обна­руживает вяжущих свойств.

Высокообжиговый гипс (эстрих-гипс) получают обжигом природно­го гипсового камня CaS04 • 2Н20 до высоких температур (800...950° С). При этом происходит его частичная диссоциация с образованием СаО. Последний служит активизатором твердения ангидрита. Окончатель­ным продуктом твердения такого вяжущего является двуводный гипс, определяющий эксплуатационные свойства материала. Технологиче­ские же свойства эстрих-гипса существенно отличаются от свойств обычного гипса.

Сроки схватывания эстрих-гипса: начало не ранее 2 ч, конец — не нормируется.

Благодаря пониженной водопотребности (у эстрих-гипса она со­ставляет 30...35 % против 50...60 % у обычного гипса) эстрих-гипс после затвердевания образует более плотный и прочный материал. Прочность образцов-кубов из раствора жесткой консистенции состава вяжущее: песок =1:3 через 28 сут твердения во влажных условиях — 10...20 МПа. По этому показателю устанавливают марку эстрих-гипса: 100; 150 или 200 (кгс/см2).

Ангидритовый цемент получают обжигом природного гипса при

600.. .700° С до полной дегидратации, т. е. до образования ангидрита; возможно также использование природного ангидрита, подвергаемого только сушке и размолу. Этот вид вяжущих был предложен П. П. Буд­никовым.

Подготовленный ангидрит размалывают с активизаторами тверде­ния. Используют щелочные активизаторы: известь (3...5 %) или основ­ные шлаки (10...15 %) и растворимые сульфаты: Na2S04, A12(S04)3, FeS04 и др. (0,5... 1 %). Состав затвердевшего материала, свойства и марки ангидритового цемента такие же, как у эстрих-гипса.

Эстрих-гипс и ангидритовый цемент применяли в конце XIX — начале XX вв. для кладочных и штукатурных растворов (в том числе и для получения искусственного мрамора), устройства бесшовных полов, оснований под чистые полы и т. п. В настоящее время эти вяжущие применяются ограниченно. Весьма вероятно появление интереса к этим вяжущим в недалеком будущем.