Гипсовые Вяжущие

Гипсовыми вяжущими называют вещества, состоящие из сульфата кальция в его различных фазах дегидратации, например, полугидрат СаSO4‧0,5Н2О, ангидрит СаSО4 и др. (ГОСТ 125). Получение гипсовых вяжущих основано на способности природного камня (двуводного гипса СаSО4‧2Н2О) в процессе нагревания частично или полностью дегидратироваться, т. е. отдавать кристаллизационную воду

СаSО4‧2Н2О = СаSO4‧0,5Н2О + 1,5Н2О

Впервые на такое свойство гипсового камня обратили внимание в Древнем Египте. Египтяне еще 5...6 тыс. лет тому назад заделывали швы сложенных из камней пирамид. Такие швы были обнаружены, в частности, в пирамиде Хеопса. Сырьем служил природный сернокислый известняк (алебастровый камень), залежи которого располагались близ местечка Алибастрон на территории Греции. Будучи размолот в тонкий порошок и хорошо высушен на солнце, алебастровый камень после затворения водой вначале способен был превращаться в пластичное тесто, которое затем в течение нескольких минут затвердевало и превращалось в монолит (камень). Этим и объясняется ранее существовавшее в строительной практике название строительного гипса – алебастр (от греч. alebastros – белый по названию двух различных минералов: гидросульфата кальция и карбоната кальция). Позднее греки дали минералу название «гипрос», означающее «кипящий камень». Современное название «гипс» – тоже греческого происхождения – «gypsos – гипсос» – мел, известняк, сернокислый камень. Однако следует различать гипсовое вяжущее, которое в обиходе называют «гипсом», а также минерал гипс и одноименную горную породу (гипсовый камень) – тоже «гипс».

В настоящее время сырьем для производства гипсовых вяжущих служат природный гипсовый камень СаSО4‧2Н2О (водная соль сернокислого кальция), ангидрит СаSО4 (безводная соль сернокислого кальция) и гипсосодержащие отходы, состоящие в основном из двуводного и безводного сернокислого кальция или их смеси:

• фосфогипс – образуется при сернокислотном разложении фосфатного сырья при производстве фосфорных минеральных удобрений (ОАО «Гомельский химический завод»);
• борогипс – отходы сернокислотного производства серной кислоты;
• цитрогипс – отход биохимического производства лимонной кислоты и др.

Гипсосодержащие отходы образуются во многих производствах химической, пищевой и других отраслей промышленности, а также десульфатизации промышленных газов. В настоящее время известно более 50-ти видов гипсосодержащих отходов.

В зависимости от способа производства и условий твердения гипсовые вяжущие различают: безобжиговые, низкообжиговые (собственно гипсовые), высокообжиговые (ангидритовые) и смешанные. В строительстве применяются в основном низкообжиговые гипсовые вяжущие (обжиговые и варочные), получаемые из природного гипсового камня. Получение их состоит из двух процессов – термообработки сырья и размола продукта термообработки в тонкий порошок. Размол может производиться как до, так и после термообработки сырья. Гипсовый камень – сравнительно мягкий материал (твердость по шкале Мооса – 2), поэтому размалывается достаточно легко.

В зависимости от вида и режимов термической обработки гипсового камня получают две разновидности гипсового вяжущего: α-модификацию и β-модификацию, которые отличаются структурой кристаллической решетки (α-кристаллы имеют кубическую форму, β-кристаллы – форму параллелепипедов). Если природный гипс подвергают термической обработке в герметически закрытых аппаратах (мокрый обжиг) при температуре 109...115°С и повышенном давлении (0,15...0,5 МПа), то получают α- модификацию. Такое вяжущее имеет более крупнокристаллическое строение, меньшую растворимость (на 20...30%) и водопотребность (30...40%), увеличенные сроки схватывания, повышенную прочность, и называют его высокопрочный гипс.

Гипсовое вяжущее β-модификации получают в атмосфере, не насыщенной парами воды, при температуре 110...180oС. В результате частицы вяжущего имеют капиллярно-пористую мелкокристаллическую структуру, более развитую внутреннюю поверхность, и более реакционноспособны. Водопотребность их выше (50...70%), а прочность при той же консистенции ниже. Называют такое вяжущее строительным гипсом.

Следовательно, α- и β-модификации не являются одним и тем же химическим соединением, а различаются структурой и количеством химически связанной воды:

• α-модификации соответствует соединение СаSО4·0,67Н2О (высокопрочный гипс);
• β-модификации – СаSO4·0,5Н2О (строительный гипс).

Безобжиговые гипсовые вяжущие получают путем тонкого помола гипсового камня с сульфатными активизаторами твердения, либо портландцементом, известью в сочетании с кремнеземистыми компонентами. Высокообжиговые (ангидритовые) вяжущие состоят в основном из полностью обезвоженного гипса или даже частично диссоциированного ангидрита, содержащего небольшое количество свободного оксида кальция в качестве активизатора твердения. Смешивание гипсовых вяжущих с различными компонентами (известь, портландцемент и его разновидности, активные минеральные и химические добавки и др.) позволяет получать различные виды вяжущих, в том числе и т. н. водостойкие гипсовые вяжущие (ВГВ).

Наиболее востребованными гипсовыми вяжущими являются:

• строительный гипс (β-модификации) – нормальная густота 45...65%, по срокам схватывания относится к нормально твердеющим вяжущим (индекс Б), по прочности – к маркам Г-2, Г-3, Г-4, Г-5, Г-6, Г-7, тонкости помола – I, II и III степень;
• высокопрочный (α-модификации) – нормальная густота 35...45%, у него меньше пористость и выше прочность (марки Г-13...Г-25);
• супергипс – прочность в возрасте 2-х часов составляет более 25 МПа. Для образцов, высушенных до постоянной массы – 60...70 МПа;
• ангидритовый цемент (ангидритовое вяжущее) – получают при температуре обжига 600...700°С. В результате двуводный гипс полностью дегидратируется и переходит в ангидрит СаSO4, который сам по себе не схватывается и не твердеет. Измельченный в тонкий порошок совместно с активизаторами твердения (СаО 2...5%, доменный шлак 10...15%, обожженный доломит 3...8% и др.) он приобретает способность твердеть. Марки ангидритового вяжущего – 50, 100, 150 и 200 (кгс/см2);
• высокообжиговый (эстрих-гипс) – получают обжигом двуводного гипса или природного ангидрита при температуре 800...1000°С с последующим помолом. При обжиге в таком интервале температур происходит не только обезвоживание двуводного гипса, но и частичное разложение ангидрита с образованием СаО (свободной изве- сти – катализатора твердения). Такое вяжущее медленнее набирает прочность, но имеет большую водостойкость, чем α- и β-модификации. Марки 100, 150 и 200 (кгс/см2).

При увеличении тонкости помола гипсового вяжущего β-модификации его именуют формовочным гипсом, а при использовании сырья повышенной чистоты (белизны) – медицинским.

В настоящее время разработаны составы водостойких гипсовых вяжущих (ВГВ). Они представляют собой смешанные вяжущие вещества на основе различных модификаций гипсового вяжущего в сочетании с портландцементом (пуццолановым, шла- копортландцементом) и активными минеральными или органоминеральными добавками. На их основе возможно получение бетонов прочностью 10...25 МПа.

По ГОСТ Р 57957 гипсовые вяжущие подразделяются на вяжущие:

• для прямого использования или дальнейшей обработки (сухие порошки);
• для прямого использования на строительной площадке;
• для дальнейшей обработки (т. е. для производства гипсовых блоков, гипсокартонных листов, гипсовой плитки для подвесных потолков, гипсовых панелей с упрочнением волокном и др.).

Твердение гипсовых вяжущих условно можно разделить на три периода:

• 1 период - растворение полугидрата сернокислого кальция и образование двуводного сернокислого кальция (гипса);
• 2 период - образование геля («студенистых» структурированных дисперсных систем), приводящее к схватыванию гипсового теста;
• 3 период - кристаллизация и твердение гипсового камня.

При затворении гипсового вяжущего водой полугидрат начинает растворяться (растворимость СаSO4·0,5Н2О в воде очень высокая – 8 г/л). Одновременно происходит и гидратация полуводного гипса с превращением его в двуводный (скорость гидратации β-полугидрата – 2...7 мин). Растворимость образующегося двуводного гипса значительно меньше растворимости полуводного (2 г/л) и раствор становится перенасыщенным. Из него начинает выделяться двуводный гипс, образуя вместе с водой коллоидную гелеобразную массу. Количество образующихся кристаллов увеличивается, они располагаются в разных направлениях, переплетаются между собой, и образуется кристаллический сросток.

Кристаллизация обусловливает твердение и нарастание прочности. Примерно через 1,5 часа кристаллизация заканчивается. Поэтому по стандарту прочность гипсового вяжущего устанавливается через 2 часа с момента изготовления образцов. Последующее высушивание гипсовых образцов и изделий (температура сушки не должна превышать 65°С) приводит к увеличению прочности в 2...2,5 раза.

При твердении гипсовых вяжущих, в отличие от других, происходит незначительное увеличение объема (от 0,3 до 1%), что позволяет применять их без заполнителей, не опасаясь растрескивания изделий от усадки. Кроме того, это позволяет делать тонкие воспроизведения всех деталей лепной формы, что и используют широко скульпторы и архитекторы.

Для придания скульптурному изделию вида «слоновой кости» слепок пропитывают раствором парафина или стеарина в бензине. Воскообразное вещество, остающееся после испарения летучих углеводородов, заполняет поры и предохраняет гипс от атмосферных воздействий.

Основными свойствами гипсовых вяжущих (α- и β-модификации) являются нормальная густота (водопотребность), сроки схватывания, тонкость помола, прочность, плотность, цвет и др.

Водопотребность (нормальная густота затворения) гипсового вяжущего характеризуется количеством воды в процентах от массы вяжущего, которое необходимо для получения теста заданной стандартной консистенции (диаметр расплыва гипсового теста 180±5 мм). Отношение количества воды к массе гипсового вяжущего называют водогипсовым отношением (В/Г). Определяется нормальная густота на специальном приборе – вискозиметре Суттарда по диаметру расплыва теста, вытекающего из цилиндра вискозиметра при его поднятии, и составляет в зависимости от вида вяжущего – 40...70% (ГОСТ 23789).

Теоретически для гидратации полуводного гипса с образованием двуводного требуется около 20% (18,62%) воды по массе вяжущего вещества. Практически для получения необходимой консистенции смеси (гипсового теста) требуется 50...70% воды (у строительного гипса больше, высокопрочного – меньше). Оставшаяся вода (30...50%) создает пористость в структуре гипсового камня и снижает прочность. Поэтому, чем выше водопотребность гипсового вяжущего, тем меньше будет его прочность в изделиях.

Водопотребность гипсового вяжущего увеличивается с повышением степени его измельчения, т. е. тонкости помола. Но применение гипсового вяжущего более тонкого помола, даже при некотором увеличении водопотребности, приводит к повышению прочности гипсовых изделий. Поэтому более целесообразно использовать гипсовые вяжущие высоких марок, но в разумных пределах и с учетом показателя «цена – качество».

Сроки схватывания гипсовых вяжущих характеризуются временем начала и конца схватывания и определяются с помощью прибора Вика. За начало схватывания принимается время в минутах от начала затворения их водой до момента, когда свободно опущенная игла прибора Вика после погружения в гипсовое тесто стандартной консистенции впервые не доходит до дна формы-кольца, за конец схватывания – время до момента, когда игла погружается в тесто на глубину не более 1 мм.

Гипсовые вяжущие являются быстросхватывающимися и быстротвердеющими вяжущими. В зависимости от сроков схватывания их подразделяют на три вида:

• А – быстротвердеющие (начало схватывания – не ранее 2 мин., конец схватывания – не позднее 15 мин.);
• Б – нормальнотвердеющие (начало схватывания ‒ не ранее 6 мин., конец схватывания – не позднее 30 мин.);
• В – медленнотвердеющие (начало схватывания ‒ не ранее 20 мин., конец схватывания не нормируется).

В производственных условиях часто возникает необходимость либо замедлить, либо ускорить процесс схватывания и твердения вяжущего. Достигается это путем введения соответствующих добавок. В качестве замедлителей используются ССБ (сульфитно-спиртовая барда), водный раствор столярного клея, 50% раствор уксуса и др. Ускорителями служат молотый природный гипс (1% от массы вяжущего), поваренная соль (0,5%) и др.

Тонкость помола гипсового вяжущего характеризуется остатком на сите №02 (с отверстиями размером 0,2 мм или 918 отв./см2) и выражается в процентах по массе, как отношение массы, оставшейся на сите пробы, к массе первоначальной пробы. В зависимости от тонкости помола различают три степени помола:

• I – грубый помол (остаток на сите не более 23%);
• II – средний помол (остаток на сите не более 14%);
• III – тонкий помол (остаток на сите не более 2%).

Тонкость помола гипсовых вяжущих с остатком на сите не более 2% рекомендуется оценивать по удельной поверхности (суммарной поверхности всех зерен в единице объема или массы), которая составляет, как правило, 300...500 м2 /кг.

Механическая прочность затвердевших гипсовых вяжущих определяется по результатам испытаний стандартных образцов (призм 40х40х160 мм) на изгиб и сжатие через 2 часа после их формования. По прочности гипсовые вяжущие подразделяются на 12 марок: Г-2; Г-3; Г-4; Г-5; Г-6; Г-7; Г-10; Г-13; Г-16; Г-19; Г-22; Г-25. Цифры обозначают минимально допустимую прочность при сжатии в МПА. Марки Г-2...Г-7 обычно соответствуют гипсовому вяжущему β-модификации, а Г-10...Г-25 – α- модификации.

Для повышения прочности гипсовых изделий в состав при их приготовлении вводят полимерные и другие добавки. Это приводит к значительному увеличению прочности, если литых гипсополимербетонов, то до 20...30 МПа, прессованных – до 60 МПа.

По данным некоторых источников на гипсовом вяжущем α-модификации с водопотребностью 25% возможно получение гипсового камня прочностью до 90 МПа.

Гипсовые вяжущие, получаемые из чистого природного сырья, имеют в основном белый цвет. Наличие примесей в сырье (кварца, серы и др.) придает гипсовому вяжущему и затвердевшего гипсовому камню серый, желтоватый, розовый, бурый и другие оттенки.

Плотность гипсовых вяжущих составляет: истинная – 2600...2750 кг/м3, насыпная в рыхлом состоянии – 800...1100 кг/м3 и в уплотненном –1200...1450 кг/м3.

Маркируются гипсовые вяжущие по трем показателям – прочности, скорости схватывания и тонкости помола. Например, Г-7 А II – гипсовое вяжущее прочностью на сжатие не менее 7 МПа, быстросхватывающееся, среднего помола.

Гипсовые вяжущие применяют для изготовления перегородочных плит и панелей (ГОСТ 6428 и ГОСТ 9574), гипсовых и гипсобетонных блоков (замковых, пазо- гребневых), в т. ч. из ячеистого бетона (ГОСТ 6133 и ГОСТ 21520), санитарно- технических кабин (ГОСТ 18048), вентиляционных коробов, гипсокартонных и гипсоволокнистых (ГОСТ Р 51829) листов (сухая гипсовая штукатурка, гипсокартон), акустических плит, гипсовых и известково-гипсовых растворов для штукатурки (ГОСТ Р 57957), клеевых (ГОСТ 31386), шпатлевочных, штукатурных и кладочных сухих смесей (ГОСТ 31377), различных архитектурно-декоративных (лепных) изделий и при производстве гипсоцементно-пуццоланового вяжущего. Поскольку гипсовые вяжущие являются воздушными, их можно использовать только в условиях с относительной влажностью воздуха до 60% (не подвергающихся воздействию водной среды).

Гипсокартон (смесь гипса с армирующими добавками, помещенная между двумя листами прочного картона) – материал, с которым человечество знакомо с 1894 года, когда американец Огюст Сакетт склеил гипсом картонные листы.