§ 11. Гипсовые и ангидритовые вяжущие материалы

В отделочных работах широко применяют гипсовые и ангидритовые вяжущие материалы. Исходным сырьем для их получения служит природный гипсовый камень, который состоит в основном из кристаллов двуводной сернокислой соли кальция (CaS042H20) и различных механических примесей (глины, песка).

В зависимости от исходного сырья и технологии его переработки получают следующие вяжущие материалы: гипс строительный, гипс формовочный, гипс высокопрочный, ангидритовое вяжущее вещество, высокообжиговый гипс, гипсовые вяжущие вещества из гипсосодержащих пород.

Строительный гипс. Строительный гипс (ГОСТ 125—70) — низкообжиговое вяжущее вещество, получаемое путем термической обработки природного гипсового камня, измельченного до или после этой обработки.

Получение гипса. Для получения строительного гипса природный гипсовый камень подвергают тепловой обработке в гипсоварочных котлах, шахтных печах, сушильных барабанах и специальных аппаратах в струе горячего воздуха во взвешенном состоянии (обжиг в «кипящем слое»). При нагревании гипсовый камень разлагается. При температуре 130—170° С двуводный гипс теряет часть химически связанной с ним воды и превращается в «полуводный» гипс:

CaS04 • 2H20=CaS04 • 0,5Н2О+1,5Н20

Если двуводный гипс нагреть выше 170° С, то он превратится в растворимый ангидрит, по своим свойствам близкий к извести, но обладающий большей скоростью схватывания. В гипсоварочных котлах (этот способ широко распространен) строительный гипс получается более высокого качества. Высококачественный гипс должен удовлетворять требованиям для аттестованной продукции (ГОСТ 5.1845—73).

Твердение гипса. Порошок гипса, затворенный водой, образует пластичное тесто, которое быстро твердеет. При этом происходит процесс гидратации, полуводный гипс присоединяет к себе воду и превращается в двуводный гипс по следующей схеме:

CaS04 • 0,5Н2О+1,5H20=CaS04 • 2Н20

Эта реакция экзотермическая, т. е. происходит с выделением тепла, вследствие чего температура водогипсовой смеси несколько повышается.

Процесс твердения полуводного гипса протекает в три стадии: растворение, коллоидация, кристаллизация. На первой стадии полуводный гипс растворяется и переходит в двуводный гипс с образованием насыщенного раствора. На второй стадии выпадает хлопьевидный осадок двуводного гипса (коллоидация). На третьей

стадии раствор из коллоидного состояния переходит в кристаллическое.

На третьей стадии вначале образуются отдельные кристаллические центры. Пространственная ориентировка каждого кристаллика носит случайный характер. При дальнейшем увеличении размеров кристаллы соединяются один с другим, образуя жесткий кристаллический структурный каркас. Одновременно упрочняются контакты между отдельными кристаллами. При комнатной температуре процесс твердения протекает не менее 12 мин. В противоположность многим другим вяжущим веществам гипс при твердении несколько увеличивается в объеме (до 1 %).

Для затворения гипса воды обычно берут несколько больше, чем это нужно для указанной реакции. Прочность гипса значительно увеличивается, если избыток воды потом удаляют высушиванием при температуре не выше 70° С. Более высокая температура допускается лишь в самом начале сушки: в дальнейшем она приведет к разложению двуводного гипса.

Свойства гипса. В зависимости от качества строительный гипс выпускают трех сортов: 1, 2 и 3й. Свойства строительного гипса характеризуются тонкостью помола, прочностью и сроками схватывания (табл. 5).

Таблица 5

Техническая характеристика строительного гипса

Показатели

Сорт

1й

2й

3й

Тонкость помола — остаток на сите с сеткой №2, %, не более…………….

Предел прочности при сжатии образцов размером 7,07x7,07x7,07 см в возрасте 1,5 ч, не менее…….

Предел прочности при изгибе образцовбалочек размером 4x4x16 см в возрасте 1,5 ч, не менее………...

Примечание. Предел прочности гипса при растяжении примерно в 6 раз меньше предела прочности при сжатии.

Гипс обладает большим водопоглощением; во влажном состоянии у него снижается прочность, что является недостатком. Высушенный гипс снова приобретает прочность, но меньшую, чем до водонасыщения. Поэтому гипс применяют для отделочных работ только в сухих помещениях.

Схватывание гипса должно начинаться не ранее чем через 4 мин после начала затворения гипсового теста, а заканчиваться не ранее чем через 6 мин и не позднее чем через 30 мин.

Схватывающуюся водогипсовую смесь нельзя уплотнять трамбованием или перемешивать, так как это вызывает разрушение кристаллического каркаса в местах контактов и раствор теряет вяжущие свойства (размолаживается). Следовательно, гипс надо использовать до начала кристаллизации.

Схватывание водогипсовой смеси можно ускорить или замедлить, вводя в нее добавки. Чтобы замедлить схватывание, вводят добавки, повышающие пластичность водогипсовой смеси (например, известковоклеевую эмульсию, сульфитноспиртовую барду, хвойный настой), или добавки, образующие на зернах полуводного гипса защитные пленки, которые препятствуют росту кристаллов. К добавкам второго типа относятся фосфаты и бораты щелочных металлов. Добавки, замедляющие схватывание, следует вводить в количестве, не превышающем 1—1,5% массы гипса.

Необходимое количество добавки определяют следующим образом. Сначала выясняют время схватывания гипса без добавок. Потом затворяют гипс водой, в которую ввели 1,5% добавки (по массе к воде затворения), и опять отмечают время схватывания. Затем на листке клетчатой или миллиметровой бумаги строят график. Для этого по горизонтальной оси откладывают количество введенной добавки в процентах к воде затворения, а по вертикальной — время схватывания в минутах (рис. 8). В соответствии с полученными данными наносят на график точки и соединяют их прямой линией.

Между временем схватывания и количеством введенной добавки существует линейная зависимость. Если нужно замедлить время схватывания, например до 20 мин, то против деления 20 мин на вертикальной оси проводят горизонтальную линию до пересечения с наклонной прямой. Опустив из точки пересечения перпендикуляр на горизонтальную ось, получают искомый ответ — 0,75%. Следовательно, в данном случае надо ввести добавки 0,75% от массы воды.

Начало схватывания гипса можно замедлить, добавляя в раствор известковое тесто (около 20%) или затворяя гипс горячей водой.

Ускорить схватывание можно с помощью добавок двух видов. Для повышения растворимости полуводного

гипса в воде в него добавляют поваренную соль NaCl, сернокислый натрий Na2S04 и сернокислый калий. Добавки второй группы играют роль центров кристаллизации, поэтому схватывание начинается в большем количестве точек. Такими добавками могут служить тонкоизмельченные соли некоторых кислот, в частности двуводный гипс CaS042H20 или кальциевая соль фосфорной кислоты CaHPCvH20. Ускорители следует вводить в определенной дозе, так как избыток их снижает механическую прочность гипса. Иногда применяют комплексные добавки — замедлитель схватывания и ускоритель. Такими добавками можно регулировать в необходимых пределах процессы схватывания и твердения. Например, замедлять начало схватывания и одновременно интенсифицировать процесс твердения.

Применение гипса. При штукатурных работах гипс добавляют в известковопесчаные растворы, чтобы увеличить их прочность и ускорить срок схватывания. Добавка гипса придает поверхности штукатурного слоя большую гладкость и белизну; его применяют и как основное вяжущее вещество в мастиках, которыми приклеивают листы сухой штукатурки. Употребляют гипс также для изготовления архитектурнохудожественных деталей. В гипсовом растворе смачивают паклю при конопатке оконных и дверных проемов и перегородок.

В последние годы при изготовлении гипсовых изделий гипс затворяют водными растворами синтетических смол, получая полимер — гипс. Он обладает большей плотностью, чем обычный гипс, высокой механической

0,5 1,0 1,5. 2,0 количество добавки, %, к воде затворения прочностью (до 300 кгс/см2), малой водопроницаемостью, постоянством объема, повышенным сопротивлением истиранию, а иногда (при определенных типах смол) высокими электроизоляционными свойствами.

Рис. 8. График зависимости времени схватывания гипса от количества добавки

Строительный гипс транспортируют навалом. Во время перевозки и хранения его нужно оберегать от увлажнения и посторонних примесей. Гипс не рекомендуется долго хранить. Даже при хранении в сухих условиях он через три месяца теряет активность примерно на 30%.

Формовочный гипс. Формовочный гипс (МРТУ 2131—67) предназначается для производства архитектурных изделий. Для изготовления формовочного гипса сырье должно содержать не менее 96% CaS042H20. Его измельчают значительно тоньше, чем при получении строительного гипса, поэтому формовочный гипс схватывается быстрее, обладает большей прочностью — 300—500 кгс/см2.

Применяют его в основном для отливки разных форм в фарфорофаянсовой промышленности и изготовления архитектурных и скульптурных изделий. В штукатурных растворах его используют только для внутренней отделки зданий.

Транспортируют формовочный гипс в бумажной таре. При перевозке и хранении этого материала необходимо соблюдать те же правила, что и для строительного гипса.

Высокопрочный гипс. Высокопрочный (технический) гипс получают обработкой дробленого гипсового камня паром при давлении до 1,3 кгс/см2 и температуре 124° С с последующей сушкой при температуре 140—160° С и размолом в порошок. При этом получаются более крупные кристаллы CaSCv0,5H2O, чем у строительного гипса. Такая структура полуводного гипса обладает меньшей водопотребностью (40—45%), что позволяет получать более плотные и прочные растворы. Так, их прочность через 7 суток достигает 150—400 кгс/см2. Используется он в основном для нужд металлургической промышленности; в отделочных работах его целесообразнее применять при изготовлении гипсовых изделий.

Ангидритовое вяжущее вещество. При обжиге природного гипсового камня и гипсосодержащих отходов химической промышленности при температуре 600— 800° С получают нерастворимый ангидрит (CaSO,t) лишенный способности схватываться. Для придания ему вяжущих свойств его измельчают вместе с добавками—i катализаторами твердения, количество которых устанавливают предварительными испытаниями. В качестве добавок применяют бисульфат или сульфат натрия в смеси с железным или медным купоросом, известь, обожженный при температуре около 900° С доломит, доменный шлак, золы горючих сланцев и др. Роль добавоккатализаторов заключается в том, что ангидрит способен с минералами (солями), входящими в состав добавки, образовывать неустойчивые сложные соединения, из которых при распаде образуется CaS042H20.

Медный и железный купорос уплотняют гипсовый камень, чем препятствуют выделению на поверхности катализаторов и этим предотвращают появление пятен — высолов.

Ангидритовое вяжущее вещество можно получить, размалывая вместе с добавками и природный ангидрит. Твердеют эти вяжущие вещества медленно. Начало схватывания наступает не ранее 30 мин после затворения водой и заканчивается не позднее 24 ч. По прочности на сжатие ангидритовые вяжущие выпускают четырех марок: 50, 100, 150 и 200. Применяют их для устройства бесшовных полов, подготовительных стяжек под рулонные покрытия полов, для штукатурных растворов и изготовления изделий из искусственного мрамора. Высокообжиговый гипс. Обжигом природного гипсового камня (иногда природного ангидрита) при температуре 800—1000° С во вращающихся или шахтных печах и последующим тонким помолом продуктов обжига получают высокообжиговый гипс (эстрихгипс). По своим свойствам высокообжиговый гипс значительно отличается от строительного гипса, так как при такой температуре обжига двуводный гипс не только полностью переходит в безводный, но и часть последнего разлагается с образованием свободной извести.

Высокообжиговый гипс схватывается значительно медленнее; начало его схватывания должно наступать не ранее чем через 2 ч от момента затворения. В процессе твердения, которое длится в течение нескольких месяцев, безводный гипс переходит в двуводный, минуя стадию полуводного гипса. Одновременно происходит гидратация извести с образованием гидрата окиси кальция Са (ОН) 2, который под воздействием углекислого газа, находящегося в воздухе, превращается в углекислый кальций СаСОз Выпускается он трех марок: 100, 150 и 200.

Высокообжиговый гипс в затвердевшем состоянии обладает повышенной водостойкостью (поэтому его иногда называют гидравлическим) и высоким сопротивлением истиранию. Эти свойства позволяют использовать его при устройстве мозаичных полов и подготовке под линолеумные полы. Кроме того, его применяют для приготовления кладочных и штукатурных растворов, а также для изготовления искусственного мрамора.

Вяжущие материалы из гипсосодержащих пород. В районах Средней Азии и Закавказья широко применяют местные вяжущие материалы — гажу, ганг (глиногипс), близкие по своим свойствам к чистому гипсу. Они являются продуктом обжига при температуре до 170° С с последующим помолом смеси гипсового камня (20—80%) и глины (80—20%) или обжига при температуре 160—250° С их природной смеси — гипсового мергеля.

Объемная масса этих вяжущих материалов в рыхлом состоянии 760—950 кг/м3, в уплотненном — 1000— 1200 кг/м3. Сроки схватывания: начало — от 5 мин до 4 ч, конец — от 7 мин до 4 ч 30 мин. Можно регулировать эти сроки введением различных добавок. Если в гаже содержится более 30% глины, то гажевые растворы приготовляют без заполнителей.