Гипсовые вяжущие вещества

Гипсовые вяжущие — группа воздушных вяжущих веществ, в за­твердевшем состоянии состоящих из двуводного сульфата кальция (CaSO₄ • 2Н₂О), 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 гр. alebastros — белый) — быстротвердеющее воздушное вяжущее, состоящее из полуводного сульфата кальция CaSO₄ • 0,5Н₂О, получаемого низкотемпературной (< 200° С) обработ­кой гипсового сырья.

Сырьем для гипса служит в основном природный гипсовый камень, состоящий из двуводного сульфата кальция (CaSO₄•2Н₂О) 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 β-модификации:

CaSO₄ • 2Н₂О → CaSO₄ • 0,5Н₂О + 1,5Н₂О

- 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 β-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 привлекательным вяжущим.

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

CaSO₄ • 0,5Н₂О + l,5H₂O → CaSO₄ • 2Н₂О

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

Причина такого поведения гипса заключается в том, что полувод­ный гипс растворяется в воде почти в 4 раза лучше, чем двуводный (растворимость соответственно 8 и 2 г/л в пересчете на CaSO₄). 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. 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 CaSO₄ • 2Н₂О в воде), не вступив­шая во взаимодействие с гипсом. Если высушить затвердевший гипс, то прочность его заметно (в 1,5...2 раза) повысится за счет дополнительной кристаллизации 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. После затвердевания такого теста в нем останется 30...40 % 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 — α-гипс, имеющая водопотребность 35...40 %.

Гипс α-модификации называют высокопрочным гипсом, так как благодаря пониженной водопотребности он образует при твердении менее пористый и более прочный камень, чем обычный гипс β-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/см⁵); насыпная плотность по­луводного гипса — 800... 1100 кг/м³.

По срокам схватывания, определяемым на приборе Вика гипс делят на три группы (А, Б, В):

Замедляют схватывание гипса добавкой столярного клея, сульфит-носпиртовой барды (ССБ), технических лигносульфонатов (ЛСТ), 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. 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 МПа):

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: грубый, средний, тонкий.

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 водной среды во влажном гипсе — нейтраль­ный (рН = 6,5...7,5), и она содержит ионы Са⁺² и SO^-2₄, поэтому стальная арматура в гипсе корродирует. Увлажнению гипса способст­вует его гигроскопичность — способность поглощать влагу из воздуха.

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

Гипсовые материалы не только являются негорючими материалами, 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 (гидрофобизирующие покрытия, пропитки и т. 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. Гипсоволокнистые 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 CaSO₄ 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 CaSO₄ • 2Н₂О 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 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 суток твердения во влажных условиях — 10...20 МПа. По этому показателю устанавливают марку эстрих-гипса: 100; 150 или 200 (кгс/см²).

Эстрих-гипс 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 это вяжущее применяют ограниченно. Весьма вероятно появление интереса к этому вяжущему в недалеком будущем.