4. 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

Гипсовые вяжущие вещества делят на две группы: низкооб¬жиговые и высокообжиговые. • Низкообжиговые гипсовые вяжущие вещества получают при нагревании двухводного гипса CaSO4-2H2O до температуры 15О...16О°С с частичной дегидратацией двуводного гипса и пере¬водом его в полуводный гипс СаSO4-О.5Н2О. • Высокообжиговые (ангидритовые) вяжущие получают обжи¬гом двуводного гипса при более высокой температуре до 700... 1000°С с полной потерей химически связанной воды и образова¬нием безводного сульфата кальция — ангидрита CaSO4. К низко¬обжиговым относится строительный, формовочный и высокопроч¬ный гипс, а к высокообжиговым — ангидритовый цемент и эстрих-гипс. Сырьем для производства гипсовых вяжущих служат природный гипсовый камень и природный ангидрид CaSO4, а также от¬ходы химической промышленности, содержащие двуводный или безводный сернокислый кальций, например фосфогипс. • Гипсовым вяжущим(ОБЫЧНЫЙ) называют воздушное вяжущее вещество состоящее преимущественно из полуводного гипса и получаемого путем тепловой обработки гипсового камня при температуре 15О...16О°С. При этом двуводный гипс CaSO4*2H2O, содержа¬щийся в гипсовом камне, дегидратирует по уравнению CaSO4*2HO= CaSO4*0.5H2O+1.5HO В этих условиях образуются мелкие кристаллы полуводного сернокислого кальция бета-модификации; такой гипс обладает повы¬шенной водопотребностью (60...65% воды). Избыточная вода, т. е. сверхпотребная на гидратацию гипса (15%), испаряется, образуя поры, вследствие чего затвердевший гипс имеет высокую пористость (до 40%) и соответственно небольшую прочность. Производство гипса складывается из дробления, помола и тепловой обработки (дегидратации) гипсового камня. Имеется несколько технологических схем производства гипсового вяжуще¬го: в одних помол предшествует обжигу, в других помол произ¬водится после обжига, а в третьих помол и обжиг совмещаются в одном аппарате. Последний способ получил название обжига гипса во взвешенном состоянии. Тепловую обработку гипсового камня производят в варочных котлах, сушильных барабанах, шахтных или других мельницах. При затворении порошка гипса водой полуводный сернокислый кальций CaSO4-0,5H2O, содержащийся в нем, начинает растворяться до образования насыщенного раствора и одновременно гидратироваться, присоединяя 1,5 молекулы воды и пере¬ходя в двугидрат CaSO4-2H2O по уравнению CaSO4-0,5H2O+l,5H2O=CaSO*2H2O Растворимость двугидрата примерно в 5 раз меньше раство¬римости исходного порошка — полугидрата CaSO4-0,5H2O. В ре¬зультате образовавшийся насыщенный раствор полугидрата ока¬зывается пересыщенным по отношению к двугидрату. Пере¬сыщенный раствор в обычных условиях не может существо¬вать — из него выделяются мельчайшие частицы твердого ве¬щества — двуводного сернокислого кальция. По мере накопления этих частиц они склеиваются между собой, вызывая загустева-ние (схватывание) теста. Затем мельчайшие частицы гидрата начинают кристаллизоваться, определяя этим образование проч-ного гипсового камня. Дальнейшее увеличение прочности гипса происходит вследствие высыхания твердеющей массы и более полной кристаллизации при этом. Твердение гипса можно уско¬рить сушкой, но при температуре не выше 65°С во избежание обратной дегидратации двуводного гипса. Быстрое схватывание гипса затрудняет в ряде случаев его использование и вызывает необходимость применения замедли¬телей схватывания (кератинового, известково-кератинового клея, сульфитно-дрожжевой бражки в количестве 0,1...0,3% от массы гипса). Замедлители схватывания уменьшают скорость растворе¬ния полуводного гипса и замедляют диффузионные процессы. При необходимости ускорить схватывание гипса к нему добавля¬ют двуводный гипс, поваренную соль, серную кислоту. Одни из них повышают растворимость полуводного гипса, другие (двуводный гипс) образуют центры кристаллизации, вокруг которых быстро закристаллизовывается вся масса. Применяется гипсовое вяжущее для производства гипсовых, гипсобетонных строительных изделий для внутренних частей зданий (перегородочных плит, панелей, сухой штукатурки, при¬готовления гипсовых и смешанных растворов, производства де¬коративных и отделочных материалов, например искусственного мрамора), а также для производства гипсоцементно-пуццолановых вяжущих. (прочн 10-18 МПа) Высокопрочный гипс(ВЫСОКОПРОЧНЫЙ) является разновидностью полуводного гипса. Этот полуводный гипс а-модификации, который имеет бо¬лее крупные кристаллы, обусловливающие меньшую водопотреб-ность гипса (40...45% воды), позволяет получать гипсовый ка¬мень с большей плотностью и прочностью. Получают его путем нагревания природного гипса паром под давлением 0,2...0,3 МПа с последующей сушкой при температуре 16О...18О°С. Прочность его за 7 сут достигает 15...40 МПа. Высокопрочный гипс выпус¬кают пока в небольшом количестве и применяют в основном в металлургической промышленности для изготовления форм. Од¬нако он успешно может заменить обыкновенное гипсовое вяжу¬щее, обеспечив изделиям высокую прочность. • Основными характеристиками гипсовых вяжущих являются сроки схватывания, тонкость помола, прочность при сжатии и растяжении, водопотребность и др. Гипсовое вяжущее является быстросхватывающим и быстротвердеющим вяжущим веществом. По срокам схватывания ГОСТ 125—79 предусматривает выпуск вяжущих: быстротвердеющего (инд А) с началом схватывания не ранее 2 мин, концом — не позднее 15 мин; нормальнотвердеющего (индекс Б) с началом схватывания не ранее 6 мин, концом — не позднее 30 мин; медленнотвердеющего (индекс Б) с началом схватыва¬ния не ранее 20 мин, конец схватывания не нормируется. В зависимости от степени помола различают вяжущие гру¬бого, среднего и тонкого помола с максимальным остатком на сите с размером ячеек в свету 0,2 мм не более 23, 14 и 2% (обозначаемые соответственно индексами I, II и III). Марку. гипсовых вяжущих характеризуют по прочности при сжатии образцов-балочек 40X40X160 мм в возрасте 2 ч после затворения водой. Например, гипсовое вяжущее с прочностью при сжатии 5,2 МПа, началом схватывания 5 мин, концом схватывания 9 мин и остатком на сите 0,2 мм 9%, т. е. вяжущее марки Г-5 быстротвердеющее, среднего помола, может быть записано в виде сокращенного обозначения Г-5АII. Гипсовые вяжущие применяют при производстве гипсовой штукатурки, перегородочных стеновых плит и панелей, вентиляционных коробов и других деталей в зданиях и сооружениях, работающих при относительной влажности воздуха не вы¬ше 65%. Изделия из них обладают небольшой плотностью, не¬сгораемостью и рядом других ценных свойств, но при увлажне¬нии прочность их снижается. • Ангидритовое вяжущее получают обжигом природного двуводного гипса при температуре 600...700°С с последующим его измельчением с добавками — катализаторами твердения (изве¬стью, смесью сульфата натрия с медным или железным купоро¬сом, обожженным доломитом, основным доменным гранулиро¬ванным шлаком и др.). Ангидритовое вяжущее можно получить также путем помола природного ангидрита с указанными выше добавками. CaSO4*2H2O=CaSO4+2H2O Ангидритовый цемент — это медленно схватывающееся вяжу¬щее вещество с началом схватывания не ранее 30 мин, концом — не позднее 24 ч. Марки ангидритового цемента по прочности при сжатии М50, 100, 150 и 200. Применяют ангидритовые цементы Для приготовления кладочных и отделочных растворов, бетонов, производства теплоизоляционных материалов, искусственного мрамора и других декоративных изделий. - Высокообжиговый гипс (эстрих-гипс) является разновидно¬стью ангидритовых цементов. Его получают обжигом природного гипса или ангидрита при температуре 8ОО...1ООО°С с последующим тонким измельчением. При этом происходит не только пол¬ное обезвоживание, но и частичная диссоциация (разложение) ангидрита с образованием СаО (в количестве 3...5%) по реак¬ции CaSO4*2H2O=CaSO4+2H2O CaSO4 = СаО + SO3. При затворении водой СаО действует как катализатор по схеме твердения ангидритового цемента, рассмотренной выше. Высокообжиговый гипс медленно схватыва¬ется и твердеет, но водостойкость и прочность при сжатии (10... 20 МПа) позволяют успешно использовать его при устройстве мозаичных полов, изготовлении искусственного мрамора и др. Изделия из высокообжигового гипса мало-, тепло- и звукопро-водны, они обладают по сравнению с изделиями из гипсового вяжущего более высокой морозостойкостью, повышенной водо¬стойкостью и меньшей склонностью к пластическим деформа¬циям.