1. СТРОИТЕЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГИПОСОВЫХ ВЯЖУЩИХ
1.1. Общие положения
Гипсовые вяжущие материалы относят к вяжущим материалам воздушного твердения, способным твердеть и сохранять свою прочность только на воздухе. Для производства гипсовых вяжущих используют гипсовый камень (двуводный гипс, двугидрат сульфата кальция, CaSO4∙2H2O), ангидрит (безводный гипс, безводный сульфат кальция, CaSO4), а также гипсосодержащие отходы промышленности.
1.2. Классификация гипсовых вяжущих
В зависимости от способа получения гипсовые вяжущие вещества делят на три основные группы (табл. 1):
I – вяжущие, получаемые термической обработкой гипсового сырья: низкообжиговые и высокообжиговые;
II – вяжущие, получаемые без термической обработки (безобжиговые);
III – вяжущие, получаемые смешиванием гипсовых вяжущих I или II групп с различными добавками (минеральными и химическими).
В I группу входят: гипсовые вяжущие, на основе α- или β-полугидрата сульфата кальция (CaSO4∙0,5H2O), растворимый ангидрит; ангидритовые вяжущие, состава CaSO4 или CaSO4+CaO.
Во II группу входят: вяжущие, получаемые на основе природного гипсового камня и на основе природного ангидрита. Для активации твердения этих вяжущих вводятся специальные добавки.
В III группу входят вяжущие, получаемые смешиванием гипсовых вяжущих I и II групп с различными компонентами (известь, портландцемент, активные минеральные и химические добавки).
Таблица 1. Классификация и области применения гипсовых вяжущих веществ
Вид вяжущих
|
Область применения
|
Обжиговые неводостойкие гипсовые вяжущие вещества
| |
Гипсовое вяжущее марок Г-2–Г-7 (строительный гипс)
|
Изготовление строительных растворов, изделий и деталей, смешанных гипсовых вяжущих
|
Гипсовое вяжущее марок Г-7–Г-25 (формовочный, медицинский, технический, высокопрочный гипсы)
|
В керамической промышленности для изготовления форм и моделей.
В медицине: для изготовления хирургических повязок, лангет и слепков.
В строительстве: для получения смешанных гипсовых вяжущих, саморазравнивающихся стяжек под полы, строительных растворов
|
Супергипс (Г-22–Г-25)
|
Стоматология, медицинское производство
|
Ангидритовый цемент (ангидритовое вяжущее)
|
Кладочные растворы, устройство стяжек под полы, изготовление строительных изделий, изготовление искусственного мрамора, для получения смешанных ангидритовых вяжущих
|
Эстрих-гипс или высокообжиговый гипс
| |
Ангидритовые обжиговые вяжущие (отделочный ангидритовый цемент)
|
Отделочные растворы, архитектурно-строительные изделия, искусственный мрамор
|
Безобжиговые гипсовые вяжущие
| |
Ангидритовый цемент (ангидритовое вяжущее)
|
Строительные растворы, изготовление строительных изделий для стен малоэтажных зданий, архитектурных деталей
|
Гипсовый цемент
| |
Смешанные гипсовые вяжушие вещества
а) водостойкие
| |
Гипсоцементно-пуццолановые вяжущие и гипсоцементношлако- пуццолановые вяжущие
|
Приготовление строительных растворов и бетонов, способных к гидравлическому твердению; изготовление строительных изделий, деталей и конструкций, в том числе несущих, устройство саморазравнивающихся стяжек под полы и др.
|
Композиционные гипсовые и композиционные ангидритовые вяжущие
| |
Гипсоизвестковошлаковые вяжушие
|
Изготовление мелкоштучных строительных изделий и растворов
|
б) неводостойкие
| |
Гипсоизвестковые и гипсошлаковые вяжущие
|
Изготовление мелкоштучных строительных изделий и растворов
|
Гипсовые вяжущие марок Г-2–Г-5, состоящие в основном из β-полугидрата, обычно называют строительным гипсом; марок Г-5–Г-25 тонкого помола – формовочным гипсом или гипсовым вяжущим.
Гипсовые вяжущие, состоящие преимущественно из α-полугидрата, с маркой выше Г-7, называют высокопрочным или техническим гипсом. Гипсовые вяжущие, выше марки Г-4, применяемые в хирургии и стоматологии, называют медицинским гипсом.
Ангидритовыми вяжущими веществами называют порошкообразные материалы, состоящие из природного или полученного обжигом ангидрита и активаторов твердения. Различают собственно ангидритовое вяжущее (цемент) и высокообжиговый гипс (эстрих-гипс).
Гипсовым цементом называют материал, получаемый тонкиим помолом гипсового камня совместно с активирующими добавками или без них по сухому или мокрому способу.
Смешанные гипсовые вяжущие вещества состоят в основном из гипсовых вяжущих I или II групп, извести или портландцемента с модифицирующими минеральными и химическими добавками. Их получают смешиванием всех компонентов или введением модифицирующих добавок в процессе производства гипсовых вяжущих.
Наибольшее распространение получили следующие виды водостойких гипсовых вяжущих:
Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее (ГЦПВ), представляет собой смесь гипсового вяжущего марки выше Г-4 (50–70 %), портландцемента и активной минеральной добавки (АМД: трепел, опока, диатомит, кислые шлаки и золы, и т.п.). Вместо портландцемента и АМД можно использовать пуццолановый портландцемент с АМД.
Композиционные гипсовые вяжущие (КГВ) представляют собой однородную смесь гипсового вяжущего (50–80 %) с органоминеральным модификатором, получаемым совместной механохимической активацией портландцемента (или извести), кремнеземистого компонента, суперпластификатора и других модифицирующих добавок.
Композиционные ангидритовые вяжущие получают совместным помолом предварительно активированных исходных компонентов (ангидритового вяжущего, портландцемента, кремнеземистых добавок, пластифицирующих и других химических и минеральных добавок).
1.3. Получение гипсовых вяжущих веществ
α-Полугидрат сульфата кальция получают в среде насыщенного пара в замкнутых аппаратах, он состоит из призматических кристаллов и характеризуется низкой удельной поверхностью. β-Полугидрат получают в аппаратах, сообщающихся с атмосферой, он характеризуется волокнистым строением с развитой удельной поверхностью.
Ввиду более высокой удельной поверхности кристаллов β-полугидрат сульфата кальция требует большего количества жидкости затворения и, соответственно, обладает более высокой водопотребностью, быстрее схватывается, но прочность гипсовых изделий на его основе ниже, в сравнении с α-полугидратом сульфата кальция, так как избыточное количество воды, оставаясь в несвязанном состоянии, увеличивает пористость затвердевшего гипсового камня. При одинаковом водогипсовом отношении прочность образцов из α- и β-полугидрата сульфата кальция примерно одинакова.
1.4. Свойства гипсовых вяжущих веществ
Основные характеристики гипсовых вяжущих: плотность, удельная поверхность, тонкость помола; водопотребность; сроки схватывания теста; механическая прочность, водостойкость и др. Ряд свойств гипсовых вяжущих регламентируется требованиями:
- ГОСТ 125-79 «Вяжущие гипсовые. Технические условия»;
- ГОСТ 23789-79 «Вяжущие гипсовые. Методы испытания»;
- ГОСТ 4013-82 «Камень гипсовый и гипсоангидритовый для производства вяжущих материалов. Технические условия»;
- ТУ 21-0284757-1-90 «Вяжущие гипсовые и ангидритовые повышенной водостойкости».
Цвет. В зависимости от способа производства и качества сырья получают вяжущее сероватого или белого цвета. Сероватый цвет может быть обусловлен примесями углерода, содержащимися в дымовых газах, непосредственно контактирующих с гипсом при обжиге. Высокая степень белизны получается при обработке гипса в паровлажной среде.
Плотность. Значение истинной плотности для β-полугидрата находится в пределах 2670–2680, а для α-полугидрата – 2720–2730 кг/м3.
Объемная масса. Значения объемной массы в уплотненном и рыхлом состоянии составляют соответственно 1200–1450 и 800–1100 кг/м3.
Тонкость помола характеризует степень измельчения гипсового вяжущего и выражается остатком на стандартном сите № 02 (в мас. %), что соответствует зернам с размером более 200 мкм. В соответствии с ГОСТ 125-79 гипсовые вяжущие по степени помола подразделяют на вяжущие грубого (индекс I, не более 23 %), среднего (индекс II, не более 14) и тонкого (индекс III, не более 2) помола. Тонкость помола влияет на водопотребность вяжущих, сроки схватывания и механическую прочность. Увеличение тонкости помола приводит к повышению пластичности гипсового теста, прочности гипсового камня, но в то же время увеличивает его водопотребность.
Удельная поверхность гипсовых вяжущих веществ характеризует суммарную поверхность всех зерен в единице массы. Удельная поверхность строительного и высокопрочного гипса находится в пределах соответственно 300–500 и 90–120 м2/кг.
Водопотребность (водогипсовое отношение, В/Г) характеризует количество воды, необходимое для получения теста заданной стандартной консистенции. Водопотребность зависит от состава сырья, способа получения вяжущего и тонкости его помола. Водопотребность составляет 50–70% для β-полугидрата и 30–40 % для α-полугидрата. Теоретически для гидратации полугидрата сульфата кальция необходимо 18,62 % воды от массы вяжущего. Высокая водопотребность гипсового вяжущего, особенно β-полугидрата, обусловливает высокую пористость гипсового камня (до 40–60 %), что приводит к снижению его прочности.
Сроки схватывания определяются временем от момента затворения гипсового вяжущего водой до начала и конца схватывания. Гипсовые вяжущие делят на 3 группы: быстротвердеющие (А, начало не ранее 2 мин); нормальнотвердеющие (Б начало не ранее 6 мин); медленнотвердеющие (В, начало не ранее 20 мин).
В большой степени на сроки схватывания влияют тонкость помола вяжущих, водогипсовое отношение, длительность и условия хранения гипсовых вяжущих и другие факторы. Одним из эффективных способов регулирования сроков схватывания гипсовых вяжущих является применение соответствующих добавок.
Старение характеризует изменение свойств гипсовых вяжущих (водопотребности, сроков схватывания, прочности) при хранении. Положительная роль естественного старения проявляется до 20–30 сут их хранения. При дальнейшем хранении происходит частичная перекристаллизация мелких частичек полугидрата сульфата кальция в более крупные, увеличивается водопотребность, снижается прочность. По этой причине гипсовое вяжущее необходимо хранить в закрытых силосах.
Водостойкость гипсовых вяжущих оценивают по коэффициенту размягчения Кр – отношению прочности при сжатии водонасыщенного образца к прочности при сжатии сухого образца. Гипсовые вяжущие в зависимости от величины коэффициента размягчения делят:
- на неводостойкие (НВ) – Кр < 0,45;
- средней водостойкости (СВ) – 0,45 < Кр < 0,6;
- повышенной водостойкости (ПВ) – 0,6 < Кр < 0,8;
- водостойкие (В) – Кр > 0,8.
Мономинеральные гипсовые и ангидритовые вяжущие являются воздушными неводостойкими вяжущими веществами. Гипсоцементно-пуццолановые вяжущие и композиционные гипсовые (ангидритовые) вяжущие относят к классу водостойких гипсовых (ангидритовых) вяжущих и в зависимости от состава и исходных компонентов могут быть любой категории водостойкости (ТУ 21-0284757-1-90).
Марка гипсового вяжущего определяется в соответствии с ГОСТ 125-79 по прочности при сжатии образцов-балочек размером 40×40×160 мм, изготовленных из гипсового теста нормальной густоты через 2 ч твердения на воздухе. ГОСТом предусмотрено 12 марок гипсового вяжущего: Г-2, Г-3, Г-4, Г-5, Г-6, Г-7, Г-10, Г-13, Г-16, Г-19, Г-22 и Г-25. Механическая прочность затвердевшего гипсового вяжущего определяется по результатам испытаний стандартных образцов на изгиб и сжатие. Предел прочности при изгибе образцов из строительного гипса через 2 ч твердения на воздухе составляет более 1,2 МПа, а при сжатии – 4–6 МПа. Высушивание до постоянной массы увеличивает прочность образцов в 2 раза. Большое влияние на прочность оказывают водогипсовое отношение, состав вяжущего, влажность.
Расширение и усадка. Строительный гипс при схватывании и твердении в первоначальный период обладает способностью увеличиваться в объеме примерно на 0,5–1 %. Увеличение объема еще не схватившегося теста не имеет вредных последствий и даже является преимуществом при изготовлении различных изделий или ремонтных работах. Расширение затвердевшего гипсового вяжущего обусловлено наличием в нем растворимого ангидрита, поскольку он при твердении увеличивается на 0,7–0,8 %, тогда как полугидрат расширяется лишь на 0,05–0,15 %. Гипсовые вяжущие, полученные при более высокой температуре и содержащие повышенное количество растворимого ангидрита, характеризуются большим объемным расширением. Высокопрочное гипсовое вяжущее при твердении обычно имеет расширение около 0,2 %. При дальнейшем твердении и высыхании происходит усадка в пределах 0,05–0,1 %.
Затвердевшие воздушные гипсовые вяжущие характеризуются сильно выраженными пластическими деформациями под действием нагрузок (ползучесть). Эти деформации малы, если образцы находятся в сухом состоянии. Но незначительное увлажнение вызывает резкое увеличение необратимых деформаций, особенно под действием изгибающих нагрузок. Это ограничивает возможности применения гипсовых неводостойких вяжущих в несущих конструкциях. Однако деформации ползучести затвердевших водостойких гипсовых вяжущих по своим значениям близки к показателям затвердевшего портландцемента.
Огнестойкость. Материалы из гипсовых вяжущих обладают повышенной огнестойкостью. Это обусловлено тем, что при воздействии огня затрачивается значительное количество теплоты на испарение кристаллизационной воды из двугидрата сульфата кальция и образование в процессе дегидратации сильно развитой пористой структуры гипса, имеющей высокий коэффициент термического сопротивления.
Пример условного обозначения гипсового вяжущего с прочностью при сжатии 7,2 МПа, сроками схватывания: начало – 5 мин, конец – 9 мин и остатком на сите с размером ячеек в свету 0,2 мм – 9 %, т.е. вяжущего марки Г-7, быстротвердеющего, среднего помола: Г-7 А II.