ПРОИЗВОДСТВО ГИПСА

ХАРАКТЕРИСТИКА ГИПСОВЫХ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ

Знание основных свойств гипсовых вяжущих позволяет ис­пользовать их наиболее целесообразно. Гипсовые вяжущие ве­щества при производстве их на заводах и при последующем ис­пользовании подвергаются испытанию. Порядок испытания ука­зывается в Государственных стандартах или технических усло­виях.

Важнейшими показателями гипсовых вяжущих веществ (рав­но, как и других вяжущих) являются: тонкость помола и нор­мальная густота затворения. Гипсовое тесто, полученное путем затворения этих вяжущих при нормальной густоте, обладает определенными сроками схватывания, прочностью, расширени­ем при затвердении.

Эти показатели регламентируются стандартами и техниче­скими условиями на гипсовые вяжущие. Но так как гипсовые вяжущие применяются в виде отливок из чистого гипсового тес­та, а также входят в состав различных бетонов, необходимо иметь представление и о других показателях, которыми харак­теризуются эти гипсовые отливки, растворы и бетоны, и сущест­вующей зависимости между этими показателями и свойствами вяжущего. Только зная это, можно управлять технологическим процессом производства гипса и изделий из него.

Тонкость помола. Тонкость помола гипса характеризуется соотношением в нем частиц различных размеров. Тонкость по­мола определяют, просеивая отобранные образцы через сито с определенным размером отверстий. Чем тоньше помол гипса, тем меньше окажется остаток на одном и том же сите. Вес это­го остатка, отнесенный к весу всей пробы (в процентах), и бу­дет характеризовать тонкость помола гипса.

Чаще всего для просева гипсовых вяжущих применяются си­та с металлическими сетками № 02 и № 0085. Номер сетки озна­чает размер стороны ячейки (в свету) в миллиметрах. У перво­го сита ячейки имеют размер 0,2x0,2 мм, у второго сита — 0,085X0,085 мм. На 1 см2 сетки № 02 имеется приблизительно 900 отверстий, на сетке № 0085—4900 отверстий.

Для анализа берется вяжущего 50 г, которое для облегче­ния просеивания предварительно высушивается в сушильном шкафу при температуре 105°. Просеивание считается закончен­ным, если в течение одной минуты сквозь сито проходит менее 0,1 г гипса.

В последнее время тонкость помола (дисперсность) вяжущих материалов часто определяют не величиной остатка на том или ином сите, а суммарной поверхностью частиц, находящихся в 1 г вяжущего. Для измерения удельной поверхности (т. е. поверх­ности I г порошка) предложено несколько приборов. Наиболее распространенным из них является поверхностемер (ПСХ-2), сконструированный во Всесоюзном научно-исследовательском институте новых строительных 'материалов АСиА СССР. Хо­рошо измельченный полугидрат характеризуется удельной по­верхностью 3000—6000 см2/г, а в некоторых случаях — до 12 000 см2/г и выше.

Нормальная густота затворения. Под нормальной густотой принято понимать такую консистенцию гипсовой массы после затворения, при которой она, вытекая из металлического ци­линдра (вискозиметра Суттарда), имеющего диаметр 5 см и высоту 10 см, образует на стекле лепешку диаметром 120 мм.

Количество воды, расходуемое на получение теста нормаль­ной густоты, выраженное в процентах от веса гипсового порош­ка, называется нормальным водогипсовым факто­ром или отношением.

Нормальное водогипсовое отношение (часто называемое нор­мальной густотой) у различных гипсовых вяжущих различно. Оно зависит от. состава сырья, способа получения вяжущего, тонкости помола, температуры гипса и воды в момент затворе­ния, от применяемых добавок.

Для получения теста нормальной густоты из строительного и формовочного гипса нужно от 50 до 80% воды, для высоко­прочного гипса от 35 до 45%. Численное значение нормальной густоты является важнейшей характеристикой всякого вяжуще­го, в том числе гипсового. Именно от соотношения гипса и воды зависит прочность отливок, пористость, водостойкость и многие другие свойства. Чтобы получить более прочные отливки, рас­творы или бетоны, искусственно снижают нормальную густоту гипса, применяют пластификаторы (вещества, разжижающие гипсовую массу). В качестве пластификаторов используютсуль - 8* • 115 фитно-спиртовую барду и ее. концентраты, вводимые в воду за - творения в количестве от 0,25 до 1,0% и др.

Пластификаторами иногда удается снизить величину нор­мальной густоты строительного гипса на 10—15%. Однако бо­лее рационально снижать нормальную густоту, применяя такую технологию производства гипса, которая сама по себе обеспечи­вает получение вяжущего, характеризующегося пониженной во - допотребностью.

Нормальную густоту гипсового геста определяют при помо­щи цилиндрического вискозиметра (густотомера). Он состоит из хорошо отполированного медного или латунного цилиндра вы­сотой 10 см, с внутренним диаметром 5 см, стекла размером 20X20 см и листа бумаги 20X20 см с нанесенными на нем кон­центрическими окружностями диаметром от 6 до 20 см. Бумагу либо наклеивают на стекло, либо подкладывают под него во время испытаний. Стекло помещают на столе строго горизон­тально.

Перед Испытанием цилиндр и стекло очищают от гипса и смачивают водой, цилиндр ставят в центре концентрических ок­ружностей.

Для определения нормальной густоты теста готовят смесь гипсового вяжущего с водой. Для этого 300 г полугидрата всы­пают в чашку с водой и быстро размешивают в течение 0,5 мин., пока не получится однородная масса, которую оставляют на 1 мин. в спокойном состоянии. Затем, сделав два резких переме­шивания, быстро выливают массу в цилиндр, поставленный на стекло, и ножом сравнивают поверхность гипса с краями ци­линдра; на все это затрачивается не более 30 сек. После этого резким движением поднимают цилиндр снизу вверх; при этом тесто разливается «а стекле в конусообразную лепешку, вели­чина которой характеризует консистенцию теста.

Сроки схватывания гипса. Полугидрат, в сравнении со всеми остальными вяжущими веществами, характеризуется наиболее короткими сроками схватывания и твердения, т. е. наибольшей быстротой образования первичного каркаса и перехода из полу­гидрата в двугидрат. Благодаря этому ценному свойству гипса при изготовлении из него деталей на конвейере или в формах можно работать на больших скоростях или обходиться с малым количеством форм.

Однако в некоторых случаях требуется замедление процес­сов твердения полугидрата.

Сроки схватывания и твердения гипсовых вяжущих зависят от качества сырья, условий обжига или варки, длительности хра­нения вяжущего перед употреблением его в дело, температуры вяжущего и воды в момент затворения, их соотношения, про­должительности перемешивания массы, применяемых добавок и т. п.

Наиболее частой причиной коротких сроков схватывания гип* са (конец схватывания 4—6 мин.) служат оставшиеся после об­жига частицы двугидрата. Последние служат центрами кри - сталлизации, т. е. равномерно распределенными в объеме вяжущего очагами, вокруг которых с большой скоростью про­исходит кристаллизация вновь образующихся частиц гипса.

Вторая причина уменьшения сроков схватывания — это уменьшение количества воды, взятой для затворения. Увеличение количества воды, наоборот, вызывает удлинение сроков схваты­вания и твердения.

Повышение температуры гипсовой массы до 40—45° также ускоряет процесс схватывания и твердения, дальнейшее же по­вышение температуры вновь вызывает замедление схватывания. Продолжительное перемешивание гипсовой массы приводит к более быстрому схватыванию, чем кратковременное.

Кроме того, существуют специальные добавки, называемые замедлителями или ускорителями схватывания, которые вводят в вяжущие или воду.

Ускорители схватывания гипсовых вяжущих. В качестве ускорителя схватывания чаще всего применяется измельченный гипсовый камень. Его действие основано на том, что процесс схватывания и твердения гипса при наличии в растворе «заро­дышей» будущих кристаллов ускоряется. Частицы порошка дву­водного гипса как раз и представляют собой такие зародыши.

Еще более эффективно ускоряет схватывание тонко измель­ченный гипс, полученный после схватывания и твердения полу­водного сернокислого кальция, так называемый «вторичный гипс», например, бракованные или разбитые изделия.

Этот вторичный гипс в 2—3 раза активнее молотого природ­ного гипсового камня, и действие его проявляется наиболее пол­но, когда он хорошо высушен, достаточно тонко измельчен (остаток на сите 900 отв/см2 не более 10—15%) и тщательно пе­ремешан с порошком вяжущего.

Кроме гипса, ускорителями схватывания служат вещества, повышающие растворимость полугидрата в воде. Это некоторые соли, — например поваренная, хлористый калий и др.

Хорошими ускорителями являются такие электролиты, как сульфат натрия и др.

Если гипс и поваренную соль или сульфат натрия вводить одновременно, то вызываемое ими действие будет более силь­ным, чем при раздельном введении этих добавок в таких же ко­личествах.

Обычно в гипс добавляют ускорители от 0,2 до 3,0% от веса гипса. Это зависит от активности ускорителя и сроков схваты­вания гипсовых вяжущих. Все ускорители следует вводить в гипсовую массу в строго установленной дозе, так как избыток их снижает механическую прочность гипса.

Замедлители схватывания гипса. При работе с быстросхва - тывающимися гипсовыми вяжущими, получаемыми, в частности, в обжиговых установках, приходится применять замедлители схватывания.

Замедлителями схватывания служат вещества, понижающие растворимость полугидрата или обволакивающие его частицы тонкой пленкой, затрудняющей доступ к ним воды.

Чаще всего применяют жидкий и порошкообразный керати - ■новый замедлитель, замедлитель «БС», растворы малярного или столярного клея в воде, клееизвестковый замедлитель, а также сульфитно-спиртовую барду, ее концентраты и др.

Для получения кератинового замедлителя используют несор­товые рога и копыта крупного скота. Их заливают 10-процент - ным раствором каустической соды, количество которой (в пере­счете на сухое вещество) должно составлять 20—25% от обще­го веса рогов и соды. Через 2—3 суток размягченное роговое ве­щество вместе с раствором соды помещают в котел с паровой рубашкой и варят при температуре 100° в продолжение 16 час. После этого, процеживая жидкость через сито с 400 отв/см2, отделяют нерастворившиеся частицы и посторонние примеси. В таком виде замедлитель готов к употреблению.

Для получения порошкообразного замедлителя в жидкий за­медлитель добавляют молотую известь-кипелку и тщательно пе­ремешивают смесь до получения однородного теста. Выдержав тесто в течение суток, его высушивают при температуре 100°, растирают и просеивают через сито с ячейками размером 1 мм.

Жидкого замедлителя добавляют (в пересчете на сухое ве­щество) не более 0,1%, а сухого — не более 0,3% от веса гипса.

Замедлитель схватывания гипса «БС» (предложенный Бу­лычевым и Синявиньш) получают, обрабатывая щелочами «е только рога и копыта, но также и различные клеи, шерсть жи­вотных, полынь, стебли подсолнечника и кукурузы, сосновую хвою, сено, торф и т. п. При изготовлении сухого замедлителя в качестве наполнителей используют, кроме извести-кипелки, молотые топливные или доменные гранулированные шлаки, из­вестняк, кирпичный бой и другие материалы.

Клееизвестковый замедлитель изготовляют следующим обра­зом: одну весовую часть клея заливают пятью частями воды и выдерживают в течение 15—16 час,, после чего добавляют одну весовую часть известкового теста и кипятят 5—6 час., постоянно перемешивая и добавляя воду вместо испаряющейся.

Клееизвестковый замедлитель может храниться, не загнивая, в течение 3—5 дней. Он является более активным замедлителем, чем необработанный клей[1].

Сроки схватывания гипсовых вяжущих определяют на при­боре Вика, показанном на рис. 92.

Он состоит из металлического стержня 1, свободно переме­щающегося в вертикальном направлении в обойме станины 2.

Для закрепления стержня на требуемой высоте служит за­жимной винт 3. Перемещение стержня отсчитывают по прикреп­ленному к нему указателю 4 и по шкале 5, прикрепленной к ста­нине и градуированной в миллиметрах. В нижнюю часть стерж-

«я вставляется стальная игла 6 длиной 45 мм и диаметром 1,13 мм. Вес стержня вместе с иглой равен 120 г.

Кроме того, прибор снабжен эбонитовым или металлическим кольцом 7 конической формы, которое заполняется испытывае­мой гипсовой массой. Высота кольца 40 мм. Верхний диаметр (внутри) 65 мм, а нижний 75 мм.

При пользовании прибором кольцо изнутри протирают мас­ляной тряпкой и устанавливают на стеклянную пластинку, так­же смазанную маслом.

Сроки схватывания гипса определяют при нормальном водо­гипсовом отношении. Отмеренное количество воды вливают в чашку, затем медленно, в течение 30 сек., всыпают в нее 200 г полугидрата и в течение 30 сек. перемешивают лопаточкой. Пос-

ле этого массу вливают в кольцо прибора и избыток ее срезают ножом.

Поместив кольцо под иглу, освобождают винт, зажимающий стержень, и, доведя иглу до поверхности теста, дают возмож­ность игле свободно погружаться в массу. Через каждые пол­минуты иглу погружают в новое место, предварительно удалив с нее сырой тряпочкой гипс.

В начале опыта рекомендуется придерживать иглу, чтобы она не ударялась о стекло. Отмечают два состояния массы: пер­вое, когда игла немного не доходит до дна, и второе, когда игла опускается в тесто не более чем на 0,5 мм.

Первый момент характеризует начало схватывания, а вто­рой — конец. Время отсчитывают по секундомеру или с помощью песочных часов.

Механическая прочность. Важнейшим показателем гипсовых вяжущих веществ является прочность изготовленных из них образцов. Согласно стандарту прочность строительного гипса определяется на кубах размером 7,1X7,1X7,1 см, приготовлен­ных из гипсового теста нормальной густоты. По новому стандар­ту образцы раздавливают на прессе через 1,5 часа от начала их изготовления. Этого времени достаточно, чтобы закончились процессы перехода полуводного сернокислого кальция в двувод­ный.

Хранение образцов свыше 1,5 час. без высушивания не при­водит к росту прочности. Гипс первого сорта в полуторачасовом возрасте должен характеризоваться пределом прочности при сжатии не ниже 45 кг/см2, а гипс второго сорта — не ниже 35 кг! см2.

Прочность высушенных образцов обычно в 2,0-f - 2,4 раза вы­ше прочности влажных образцов полуторачасового возраста. Следовательно, если прочность гипса на сжатие в полуторача­совом возрасте 50 кг/см2, то прочность высушенных образцов будет приблизительно равна 110—120 кг/см2. Наличие опреде­ленной зависимости между прочностью влажных и сухих образ­цов позволило упростить испытание, сведя его к испытанию по­луторачасовых образцов.

Лучшие сорта формовочного гипса характеризуются преде­лом прочности на сжатие (в сухом состоянии) 160—180 кг/см2, а модельного высокопрочного гипса — 300 кг/см2 и выше.

Предел прочности гипса на растяжение обычно в 6—9 раз меньше прочности на сжатие.

Прочность гипса зависит от очень многих факторов, из кото­рых важнейшими являются качество сырья и способ получения вяжущего.

Наиболее прочен гипс, полученный из сырья, содержащего минимальное количество примесей (2-—3%). Большой проч - 4 ностью обладает вяжущее, полученное из сырья с мелкой кри - 120

сталлической структурой. Из крупнокристаллического сырья по­лучается обычно гипс меньшей прочности.

Иногда полугидрат из гипсового сырья, богатого примесями, также обеспечивает высокую прочность изделий. Это объясняет­ся тем, что инертные примеси снижают нормальную густоту за - творения полугидрата. Однако повышенная прочность изделий из такого вяжущего связана с перерасходом материала и утя­желением изделий, что нежелательно.

Расширение при затвердении. Гипсовые вяжущие вещества при твердении увеличиваются в объеме.

Для определения величины расширения гипсового теста его наливают в разборный цилиндр вровень с краями и покрывают легкой металлической пластинкой, к которой подводят укреплен­ный на штативе специальный индикатор. Расширяющееся тесто приподнимает пластинку, которая давит на шток и стрелку ин­дикатора. По шкале индикатора определяют линейное расшире­ние гипса в миллиметрах, а отношение этой величины к высоте цилиндра называют расширением и выражают в процентах.

Установлено, что полугидрат расширяется на 0,05—0,15%, а растворимый ангидрит — на 0,7—0,8%. Продукты обжига, со­держащие полугидрат и растворимый ангидрит, расширяются от 0,3 до 0,6%. Чем меньше в составе гипса растворимого ангидри-- та, тем быстрее заканчивается процесс расширения. Образцы, содержащие один полугидрат, после окончания его гидратации (твердения) не 'меняются в объеме. Образцы, содержащие рас­творимый ангидрит, продолжают увеличиваться в объеме после схватывания иногда на протяжении 24 час.

При изготовлении строительных деталей, а в особенности при изготовлении моделей и форм в фарфоро-фаянсовом производ­стве и машиностроении необходимо учитывать расширение гип­са при затвердении.

Расширение гипса при затвердении можно уменьшить введе­нием извести, замедлителей схватывания или смеси извести с замедлителем.

Указанные добавки можно вводить в гипс при его производ­стве или при затворении гипса водой, т. е. при изготовлении из­делий из него.

Так, например, на Куйбышевском гипсовом комбинате введе­нием в высокопрочный гипс при помоле в мельнице 1 % гашеной извести снизили коэффициент расширения теста при затверде­нии с 0,2—0,3% до 0,08—0,1%.

Увеличение количества воды при изготовлении теста также уменьшает расширение последнего.

В отличие от полугидрата высокообжиговый гипс и ангидри­товый цемент при затвердении практически не расширяются, что объясняется более медленным процессом кристаллизации этих вяжущих.

В предыдущем параграфе были рассмотрены показатели, ко­торыми обычно характеризуют гипсовые вяжущие, для того что­бы оценить, насколько их качество соответствует действующим нормативам стандартов и технических условий.

Однако получаемые для практических целей изделия из гип­са не всегда похожи на стандартные образцы, изготовляемые из теста нормальной густоты, а следовательно, и многие свойства таких изделий будут иными.

Следует отметить, что, помимо использования чистого гипса, широкое применение находят также смеси из гипса с минераль­ными или органическими заполнителями: шлаками, керамзитом, песком, известняком, опилками, стружкой, кострой, торфом, со­ломой, камышом и т. п. Заполнители применяют обычно для уменьшения расхода гипса на единицу объема изделия.

Эти смеси называют бетонами или растворами в зависимости от крупности заполнителя.

Различают растворы (бетоны) литой, полужесткой и жесткой консистенции. .Подвижность массы литой консистенции такова, что позволяет заполнить форму, в которой готовится изделие без каких бы то ни было внешних побуждений. В этом случае мас­са по консистенции напоминает жидкую сметану или сливки. Пслужесткие массы не растекаются самостоятельно по форме, поэтому форму заполняют при помощи штыкования или легкой вибрации.

При использовании жестких масс требуются вибрирующие или прессующие устройства, необходимые для уплотнения рых­лой, полусухой смеси гипсового вяжущего с заполнителем.

При изготовлении гипсовых изделий литьем консистенция теста или раствора должна быть такова, чтобы из цилиндра Суттарда тесто расплывалось на 18—20 см. Для получения та­кой консистенции, водогипсовое отношение должно на 0,07—0,10 единиц превышать нормальную густоту. Изделие, приготовлен­ное из такой массы, будет иметь прочность меньшую, чем проч­ность гипса, определенная стандартным методом. В тех случаях, когда к изделиям не предъявляется высоких требований по прочности, изготовление их методом литья допустимо, так как это наиболее простой и доступный способ формования изделий.

Если приготовить гипсовое изделие из гипсобетона литой консистенции с большим содержанием заполнителей, прочность его будет настолько мала, что изделие нельзя будет перемещать и использовать для практических целей. Поэтому гипсобетон со­става (гипс : заполнитель) 1 : 2 или 1 : 3 (на 1 весовую часть гип­са — 2—3 части заполнителя) готовят всегда полужесткой или жесткой консистенции, а для повышения удобоукладываемости бетона применяют штыкование, вибрацию, прессование. Чем 122 больше при этом удается сблизить между собой частицы запол­нителя и гипса, тем большей механической прочностью будет обладать формуемое изделие.

В практике применения гипсовых изделий имеют важное зна­чение некоторые свойства гипсовых отливок, растворов и бето­нов.

Пористость. Широкое применение гипса в ряде отраслей на­родного хозяйства объясняется тем, что гипсовые отливки после высыхания имеют пористую структуру. Так, например, для изго­товления форм в фарфоро-фаянсовом производстве применяется гипс. В стенках этих форм большое количество открытых пор, поглощаюших из керамической массы влагу, благодаря чему образуется черепок будущего керамического изделия.

При приготовлении из гипса строительных изделий, подвер­женных воздействию атмосферных осадков, большая пористость является отрицательным фактором, поэтому изделия в этом слу­чае стараются готовить малопористыми.

Обычно пористость характеризуется водопоглощением — ко­личеством воды, поглощаемой сухим телом при погружении его в воду, и исчисляется в процентах от веса сухого вещества.

Пористость гипсовых отливок зависит от количества воды, употребляемой для затворения (водогипсового іфактора), а по­этому ее можно регулировать.

Опыты показали, что сухое гипсовое изделие при водонасы - щении поглощает примерно такое же количество' воды, какое было из него удалено в процессе сушки. Основываясь на этом, можно заранее приближенно вычислить, какой пористостью.(во­допоглощением) будет характеризоваться гипсовое изделие по следующей формуле:

1<Ю=г—18,6 w

где — — водогипсовое отношение в долях единицы. Например,

при изменении водогипсового отношения с 0,40 до 0,70 порис­тость изменится с 18,8 до 43,3%:

100-0,40-18,6 1с оо;

Щ ГЇ86 = 18,8 /"

100-0,70-18,6 _4з 3<у 2 1,186 10

Увеличение пористости приводит к уменьшению прочности, которая для упомянутых отливок (в сухом состоянии) падает примерно с 380 до 100 кг/см2.

Прочность. Прочность гипсобетона, раствора или отливок из гипса зависит от качества и количества вяжущего, вида и ка­чества заполнителя, зернового состава заполнителя, количества воды, качества смешивания и степени уплотнения.

Прочность гипсобетона определяется по формуле

Г

-«-0,5 /?б = КА кг і см?,

В, °’5

где R 6— предел прочности при сжатии образцов гипсобетона в кг/см2, высушенных до постоянного веса при темпе­ратуре 50°;

А — предел прочности гипсового теста при нормальной густоте в кг/см2',

——гипсоводное отношение гипсобетона (по весу);

В

Л

— — гипсоводное отношение гипсового теста нормальної! В1

густоты;

а — коэффициент, равный 1,3 при тяжелых заполнителях и равный 1 при легких заполнителях;

К — коэффициент, зависящий от размеров образцов и плот­ности заполнителя (табл. 8).

Таблица 8

Все заполнители в той или иной мере снижают механическую прочность изделий, одновременно увеличивая или уменьшая их объемный вес. Органические заполнители (опилки, костра, торф) снижают прочность бетона на сжатие в большей мере, чем ми­неральные заполнители. Органические заполнители улучшают гвоздимость изделий, а такие материалы, как стружка, шерсть, бумага, увеличивают эластичность и прочность на удар и из­лом:

Прочность изделий при увлажнении — снижается, при высу­шивании увлажненных изделий — восстанавливается до первона­чальной.

Наибольшее снижение прочности гипсовых изделий происхо­дит в первый период увлажнения. При влагосодержании 1—2% прочность образцов-кубов 7,1X7,1X7,1 см снижается «а 30— 40%. Дальнейшее увеличение влагосодержания до 10% снижает прочность изделий еще на 10—20%. Увлажнение изделий свыше 10—15% уже не сказывается на прочности. Тонкостенные изде­лия снижают прочность примерно вдвое при их увлажнении все­го на 2—3%.

Водостойкость гипсовых изделий можно повысить:

а) изготовляя более плотные '(малопористые) изделия с при­менением искусственного уплотнения;

б) вводя в формовочную массу различные добавки (2—5% извести, смол, кремнийорганических соединений);

в) защищая изделия покровными пленками (растворами смол, а также известковым молоком и другими средствами);

г) применяя сложные многокомпонентные составы (гипс, мо­лотый гранулированный шлак; гипс, цемент, трепел).

Морозостойкость. Гипсовые изделия многие считают недоста­точно морозостойкими. Это 'Мнение ошибочно. Образцы из гип­сового теста и гипсобетона выдерживают 15—20 замораживаний и оттаиваний без разрушения, при незначительном снижении прочности. Хорошо сохранившиеся здания, построенные 20—40 лет тому назад из гипса в г. Горьком, Куйбышеве и др., под­тверждают морозостойкость гипсовых изделий в практических условиях.