Строительные статьи

Влияние объемной концентрации полуводного гипса на прочность гипсовых изделий

Полуволны и гипс, благодаря своему уникальному свойству свя­зывать большое количество воды и превращаться в камневидное тело, находит широкое применение при производстве разнообразных изде­лий строительного и технического назначения как методом литья, так и методом уплотнения пластичных смесей со сравнительно небольшим количеством воды затворения.

В настоящее время гипс можно отнести к числу хорошо изученных материалов. Прочностные свойства затвердевшего гипса предопределя­ются его пористостью, начальным подоги псовым отношением, срока­ми твердения, конечной влажнос­тью, видом и количеством вводи­мых добавок различного назначе­ния и рядом других факторов. Количество воды, теоретически необходимое хля полной гидрата­ции полуводного гипса, составляет 18.6fr. однако хля придания необ­ходимой текучести или подвиж­ности гипсовым смесям требуется до 60-70% воды. В этом случае остающаяся после гидратации свободная вода принимает самое непосредственное участие в форми­ровании свободного порового про­странства затвердевшего гипсового теста, и зависимость его прочности от водогипсового отношения или пористости может приобретать самый разнообразный вид [I. 2]. Характер этих зависимостей ослож­няется пористостью, образующейся в результате механического захвата газовой фазы при приготовлении гипсового теста.

Вполне очевидно, что при иссле­довании прочностных свойств гипса необходимо учитывать влияние фа­зового состава исходной системы гипс-вода, а точнее, объемных кон­центраций твердой, жидкой и газо­вой фаз. Присутствие газовой фазы крайне нежелательно и избавиться от нее можно путем капиллярной пропитки сухого, уплотненного слоя гипса водой или уплотнением влаж­ного материала до критической плотности при критических давле­ниях. Фиксированные параметры первичной структуры будут законо­мерно предопределять параметры затвердевшей смеси гипс-вода, а ее прочностные свойства можно иссле­довать как функцию отклика на па­раметры как первичной, так и вто­ричной структуры. Выяснение этой взаимосвязи является основной за­дачей настоящей работы.

При проведении исследований использовали формовочный и стро­ительный гипс. Предварительные испытания по ГОСТ 23789—79 пока­зали. что строительный гипс соот­ветствует марке Г-5. а формовочный — марке Г-10. Основные свойства исследованных разновидностей гип­са представлены в табл. I.

Капиллярную пропитку предва­рительно уплотненного слоя гипса проводили в разборной металличе­ской пресс-форме. Навеска гипса подбиралась из расчета получения образцов, одинаковых по высоте и диаметру и равных 2 см. После по­темнения верхней части пропиты­ваемого слоя пропитка прекраща­лась и после схватывания гипса об­разец извлекался из пресс-формы и помещался на твердение в воздуш­ные условия. Коэффициент капил­лярной пропитки КкП рассчитывал­ся по формуле:

У .

(5 Я) т

Где V — объем впитанной воды, см3: S — площадь поперечного сечения об­разна. см-.* П — пористость образца, относит, ед.; т — время пропитки, с.

Пористость образцов определя­лась по формуле:

П=1-Кт; Кт=рт/ри, где Кг — объемная концентрация гипса в слое, относит, ед.: рт — кажу­щаяся плотность образца, г/см5: р„ — истинная прочность гипса, г/см5.

Установлено, что графические зависимости КТ=ДККГ]) и В/Г=/{КМ|) имеют линейный характер и могут быть представлены следующими уравнениями:

— хля строительного гипса Кт = -7. !4Ккп -г 0.675: В/Г= 5.35Ккп + 0.175: В/Г =-0,746 Кт + 0.680;

— хля формовочного гипса Кт = -5Ккп + 0,675;

В/Г = 3.75КМ| + 0,175: В/Г = -0.75КТ + 0.681. Прочностные свойства затвер­девшего гипса определялись через 2 ч и через 7 сут. твердения. Результаты испытаний представлены в табл. 2. из которой видно, что после 2 ч твер­дения прочность гипса монотонно увеличивается с улшличением плот­ности упаковки исходного слоя гипса (Кт) и соответственно снижа­ется с увеличением водогипсового отношения. Несмотря на значитель­ный диапазон удельного давления прессования, прочность образцов изменяется примерно в 2 раза. Опре­деление истинной алотности затвер­девшего гипса через 2 ч показывает, что в затвердевшем состоянии гипс представляет собой смесь полулюд - ного и дву водно го гипса. Только после 7 сут. твердения в результате протекания процессов перекристал­лизации затвердевшие образцы представляют собой дву водный гипс (ри=2.22—2.23 г/см-*) с типичной кри­сталлизационной структурой, обла­дающей достаточно высокой проч­ностью. Характерно, что прочность при сжатии образцов из строитель­ного гипса находится в линейной взаимосвязи с начальной объемной концентрацией гипсов и В/Г отно­шением и в пределах Kj = 0,47—0,67 имеет вид:

ЯСЖ = 285КТ - 125.5; ЯСЖ = -385.5В/Г + 133.6 Прочность образцов из формо­вочного гипса также находится в линейной зависимости от Ку и В/Г отношения, однако при Кг = 0,57 и В/Г=0,26 эта зависимость имеет рез­кий перелом, свидетельствующий о разном механизме формирования кристаллизационной структуры за­твердевшего гипса. Вскрыть этот механизм позволяют расчеты степе­ни заполнения свободного норово­го пространства продуктами гидра­тации по формуле:

At _ К-п - КJ L-Kj '

Где N — степень заполнения норо­вого пространства, см*/см5 или от­носит. ед.: Кт1 — объемная концент­рация твердой фазы в затвердевшем гипсе (через 2 ч или 7 сут. тверде­ния); К. г — объемная концентрация гипса в исходных образцах.

Через 2 ч твердения гипса степень заполнения порового пространства зависит как от начальной пористости стоя гипса, предопределяемой дава­нием уплотнения, так и от гидрата - ционной активности гипса. Мень­шая начальная пористость слоя гип­са позволяет достичь достаточно вы­сокой степени заполнения пор. Оче­видно. что прочность гипса после твердения в течение 2 ч зависит в ос­новном от степени заполнения сво­бодного объема системы продуктами гидратации. К концу срока схватыва­ния (15—20 мин.) коагуляционная структура гипсового теста превраща­ется в конденсационную благодаря достаточно быстро протекающему процессу коллоидизации полуводно­го гипса и началу перехода его в двуводный гипс. Образование пер­вичных кристаллов двуводного гипса коллоидных размеров сопровождает­ся увеличением объемной концен­трации твердой фазы вследствие меньшей плотности двуводного гип­са по сравнению с полуводным. Уве­личение объема твердой фазы при­водит к возникновению в твердею­щей системе гипс-вода стесненного состояния, в результате чего стано­вится возможным контактирование первичных кристаллов двуводного гипса, их объединение и укрупне­ние в результате начала развития процес с ов п ерекристал л изаини

К двум часам твердения гипс обладает хорошо развитой кристал­лизационной структурой, о чем можно судить по ее прочности, однако процессы гидратации к это­му сроку в твердеющей системе еще не завершаются.

Термические исследования по­казывают, что свободная вода, уда­ляемая при Ш5°С, в твердеющей системе практически отсутствует. Вода начинает удаляться при темпе­ратуре 120—180°С. что свидетель­ствует о значительной величине энергии связи ее с твердой фазой. Можно предположить, что для обес­печен ия дальнейшего протекания процессов гидратации используется вода, образующаяся при перекрис­таллизации рыхлого, аморфного Массива, сложенного из мельчайших кристаллов лвунодного гипса, в бо­лее компактное состояние с четко оформл е н ной структурой кр истал - лов. Выделившаяся пода вступает в реакиию гидратации с оставшимся полуводным гипсом, поскольку его активность (или растворимость) по отношению к воде выше, чем у дву - водного гипса. Сравнивая начальное количество воды, вводимое в полу­водны и гипс, с ее конечным количе­ством. видим, что в затвердевшем гипсе содержится вода в количестве, близком к теоретически необходи­мому. несмотря на то, что образны твердеют и воздушной среде и воз­можно удаление воды в результате испарения.

Это наводит на мысль что в на­чат ьнои стадии гидратации гипса за достаточно короткий период вре­мени связывается сразу все теорети­чески не обходи мое количество во­ды. а свободная вода испаряется практически полностью к 2-часово­му сроку твердения.

В период до 7 сут. твердения про­исходит превращение конденсаци­онной структуры в кристаллиза­ционную. которой свойственна достаточно высокая прочность. Сле­довательно. наличие двух прямо­линейных участков зависимости Rca=/(Kt) У формовочного гипса можно объяснить существенным влиянием свободного порового пространства на протекайие процес­сов перекристаллизации двуволного гипса. При пористости исходного слоя от 0.55 до 0,43 степень запол­нения свободного пространства остается практически постоянной на у ровне N=0.600-0.615 и в этом слу­чае создаются условия для фор­мирования крупнокристаллической структуры с более совершенными кристаллами двуволного гипса, но менее прочной. При уменьшенной исходной пористости (П<0,43) создаются условия для более полно­го заполнения свободного простран­ства и формирования мелкокристал­лической структуры с большим чис­лом контактов между отдельными кристалликами двуводного гипса, а следовательно, и более прочной.

У строительного гипса наблюда­ется аналогичная закономерность, но вследствие большого содержания в нем примесей процесс перекрис­таллизации практически не отража­ется на зависимости Rc^A^).

Из всего вышеизложенного можно сделать весьма важный практический вывод: для получения прочных изделий из формовочного гипса его необходимо предвари­тельно уплотнить ло состояния.

Когда пористость слоя будет состав­лять менее 43 Sc (Кг=0.57). чего мож­но достичь при удельных давлениях прессовании не менее 50 N1 Па.

Таким образом, использование закономерностей капиллярной пропитки позволяет установить линейную зависимость прочности затвердевшего гипса от начатьной объемной концентрации пол у вод­ного гипса и водогипсового от­ношения. а также от объемной концентрации твердой фазы или пористости затвердевшего гипса. Капиллярная пропитка предвари­тельно уплотненного слоя сухого полуводного гипса водой является весьма перспективным технологи­ческим методом изготовления вы­сокопрочных гипсовых изделий с заданными параметрами свойств.

B.C. ИЗОТОВ, канд. техн. наук, доц., О. Б. КИРИЛЕНКО, инженер (Казанская государственная архитектурно-строительная академия)