3191

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

В.П.Сучков, Н.И.Ханова,С.В.Анисимова, А.Е.Коршунов

ГИПСОВЫЕ ВЯЖУЩИЕ

Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторной работы по дисциплине «Вяжущие вещества»

для обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль Производство и применение строительных материалов, изделий и конструкций

Нижний Новгород

2016

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

В.П. Сучков, Н.И. Ханова, С.В. Анисимова, А.Е. Коршунов

ГИПСОВЫЕ ВЯЖУЩИЕ

Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторной работы по дисциплине «Вяжущие вещества»

для обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль Производство и применение строительных материалов, изделий и конструкций

Нижний Новгород ННГАСУ

2016

УДК 666.91

СучковВ.П. / Гипсовые вяжущие [Электронный ресурс]: учеб. - метод. пос. / В.П. Сучков, Н.И. Ханова, С.В. Анисимова, А.Е. Коршунов ; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 29 с.– 1 электрон. опт. диск (CD-RW)

В учебно-методическом пособии даны сведения о составе гипсового вяжущего, кратко рассмотрены технологии производства гипсовых вяжущих,требования к сырью для его получения,описаны важнейшие характеристики свойств вяжущего и методы контроля, приведены примеры материалов на основе гипсового вяжущего и области его применения.

Пособие составлено в соответствии с рабочей программой дисциплины «Вяжущие вещества» и может быть использовано при подготовке к лабораторным работам и промежуточной аттестации.

Пособие предназначено для обучающихся в ННГАСУпо дисциплине Вяжущие вещества направление подготовки 08.03.01 Строительство,профиль Производство и применение строительных материалов, изделий и конструкций

© В.П. Сучков, Н.И. Ханова, С.В. Анисимова, А.Е. Коршунов, 2016 © ННГАСУ, 2016

3

Содержание

4

Введение

Гипсовыми вяжущими веществами называют тонкоизмельченные продукты термической обработки природных или техногенных разновидностей сульфата кальция, способные при затворении водой схватываться, твердеть и сохранять прочность в воздушно-сухих условиях (относительная влажность воздуха не более 60%),т.е. относятсяквоздушнымвяжущимвеществам.

В природе сульфат кальция находится в виде кристаллогидрата - дигидрата

(СаSО4·2Н2О) или в безводном состоянии в виде ангидрита(CaSO4). Это горные породы осадочного происхождения, сложенные в основном из крупных или мелких кристаллов. Подобные плотныеобразования называют гипсовым камнем.

В современной литературе рассматриваются как достоверные и воспроизводимые следующие фазы в системе CaSO4– Н2O:

–гипс (двуводный гипс, дигидрат) CaSO4·2H2O;

–полуводный гипс (полугидрат) CaSO4·0,5Н2О;

–растворимый ангидрит (γ-ангидрит, ангидрит III, АIII) CaSO4·ƐН2О;

–нерастворимый ангидрит (β-ангидрит, ангидрит II, АII) CaSO4;

–высокотемпературный ангидрит (α-ангидрит, ангидрит I, AI).

Скорость фазовых переходов и равновесие в системеCaSO4– Н2Oзависят от парциального давления водяного пара. При 20° С упругость водяного пара над

CaSO4·0,5Н2О соответствует относительной влажности воздуха, равной 6%. Для стабильного существования дигидрата при 20° С необходимо, чтобы относи-

тельная влажность воздуха была не менее 20%. Следовательно, на воздухе обезвоживание гипса возможно в широком интервале температур, от 10 до 130° С,

в зависимости от парциального давления водяного пара. При низких температурах диссоциация идет медленно, скорость реакции дегидратации растет с повышением температуры.

Растворимость сульфатов кальция в воде в зависимости от температуры по М. Мюра [1] приведена на рисунке 1. Ниже 42° С стабильной фазой в системе

CaSO4– Н2Oявляется двуводный гипс, а при более высокой температуре –

5

нерастворимый ангидрит (АII). Полугидрат метастабилен. Однако из-за сравни-

тельно низкой энергии образования центров кристаллизаци и при температуре выше 97° С(по данным разных исследователей от 97 до 101,5° С) дигидрат переходит вполугидрат. До температуры 97° С существует метастабильный гипс.

Рисунок 1 – Растворимость сульфатов кальция в воде 1 – гипс; 2 – β-полугидрат; 3 – α-полугидрат;

4 – растворимый ангидрит АIII; 5 – нерастворимый ангидрит AII

При 185–200 ° С полугидрат переходит в растворимый ангидрит

CaSО4·ƐН2О, где Ɛ обычно близко к 0,1. При низких парц иальных давлениях водяного пара непосредственно образуется АIII путем прямого превращения дигидрат→АIII. Растворимый ангидрит метастабилен и в атмосфере влажного воздуха сравнительно быстро переходитв полугидрат.

Нерастворимый ангидрит AII образуется в интервале 290 – 550° С.

Превращение АШ – АII идет с разной скоростью, в зависимости от морфологии кристаллов АIII, темпера туры и парциального давления водяного пара. АII,

полученный обжигом дигидрата при 300 – 600° С по физико-химическим свой-

ствам аналогичен природному ангидриту.

6

При температуре, приблизительно равной 1200° С, АII переходит в высокотемпературный ангидрит AI, который вследствие диссоциации CaSO4

всегда содержит некоторое количество СаО.

Важным резервом сырьевой базы гипсовой промышленности являются отходы химических производств (фосфогипс, фторогипс, борогипс, цитрогипс),

содержащие более 80% различных модификаций сульфата кальция.

В основе получения всех гипсовых вяжущих лежит способность двуводного сульфата кальция при нагревании дегидратироваться – выделять из кристаллической решетки химически связанную воду по реакциям:

Степень дегидратации двуводного сульфата кальция зависит от режимов тепловой обработки – температуры, длительности обжига, давления водяного пара. Регулируя условия можно получить различные гипсовые вяжущие,

отличающиеся составом и кристаллическим строением, и как, следствие,

строительно-техническими свойствами.

В зависимости от температуры тепловой обработки сырья гипсовые вяжущие разделяют на две группы:

1)низкообжиговыена основе полуводного гипса (полугидрат) CaSO4 0,5H2O,получаемые по уравнению (1) путемдегидратации CaSO4 2H2O при температурах 120…180° С– строительный гипс, формовочный гипс,

высокопрочный гипс (названия даны по областям применения, см. Приложение

1).

Гипсовое вяжущееполучаетсяв результате быстрого нагреваCaSO4 2H2O при атмосферном давлении с удалением воды в виде перегретого пара. При этом происходит сильное механическое диспергирование зерен, приводящее к образованию шероховатого рельефа поверхности с большим количеством трещин

7

и капилляров (рисунок 2б). Образуется так называемая β-модификация

CaSO4·0,5H2O, имеющая мельчайшие агрегаты плохо выраженных кристаллов.

Как правило, такой состав имеют вяжущиенизких марок по прочностиГ-2… Г-7 и

используются для строительных целей – строительный гипс.

При дегидратации CaSO4·2H2O в жидких средах или в условиях гидротермальной обработки (в среде насыщенного водяного пара и избыточного давления) образуется CaSO4·0,5H2O α-модификации. Отщепляемая при этом вода выделяется в капельно-жидком состоянии и не вызывает значительного количества дефектов структуры кристаллов вяжущего. Получаются плотные крупные кристаллы с гладкой поверхностью в виде прозрачных игл или призм

(рисунок 2а), существенно меньшей величиной удельной поверхности зерен. Как итог – получение высокопрочного гипса марок по прочности Г-10 и выше.

Рисунок 2 – Внешний вид кристалла гипсового вяжущего а)α-CaSO4·0,5H2O, б)β-CaSO4·0,5H2O

2) высокообжиговыена основе ангидрита CaSO4, получаемыепо уравнениям реакций (1) и (2),протекающих поочередно при температурах обжига до 600…900 ° С– ангидритовый цемент, эстрих-гипс.

Высокообжиговые вяжущие отличаются от низкообжиговых более медленным твердением и более высокой прочностью.

Возможно получение гипсовых вяжущих и без обжига (путем помола природного ангидрита с добавками – активаторами твердения).

8

Выбор и использование гипсовых вяжущих для производства конкретного строительного материала или проведения отделочных работ определяется с учетом их основных свойств (Приложение 1).

1 Свойства сырья для производства гипсового вяжущего

Основным сырьем для производства гипсовых вяжущих являются природные разновидности гипсового камня, содержащие в основном двуводный сульфат кальция (СаSО4·2Н2О). Крупные месторождения гипсового сырья в Нижегородской области находятся в Арзамасском (Бебяевское) и Павловском

(Гомзовское) районах. Химический состав сырья некоторых месторождений гипсового камня приведен в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Содержание CaSO4·2H2O и химический состав гипсового камня различных месторождений.

Для производства гипсовых вяжущих используется гипсовый камень фракций 60 –300 мм[5], твердость по шкале Мооса – 2. Качество сырья характеризуется влажностью и наличием примесей (глина, песок, известняк,

органические вещества и т.п.). Цвет гипсового камня зависит от их содержания.

Чистый гипс отличается белым цветом. Соединения Fе3+ придают ему окраску от желтоватого до бурого, Fе2+ – голубоватую, соединения Сu2+ – зеленоватую,

органические примеси – от сероватого до темного цвета. Как правило, при переработке примеси выступают в качестве балласта. Чем выше содержание примесей в сырье, тем ниже качество получаемого гипсового вяжущего.

Содержание ряда примесей до 10 – 15 % не снижают качество вяжущего и

9

позволяют экономить затраты на обжиг, и снижают удельный расход вяжущего при производстве изделий.

Вода в гипсовом камне находится в различных состояниях: свободном,

физически-связанном (гигроскопическая влага) и химически-связанном

(гидратная или кристаллизационная вода). Свободная вода удерживается вокруг частиц чисто механически и может быть удалена при любой температуре, если относительная влажность среды ниже 100%. Гигроскопическая влага находится в микротрещинах, микропорах и капиллярах частиц двуводного сульфата кальция и примесей и удаляется труднее. Считается, что при прогреве при температурах 50

– 60° С она удаляется полностью. Скорость удаления физически-связанной воды зависит от структуры и степени измельчения сырьевого материала.

Кристаллизационная вода двуводного сульфата кальция (СаSО4·2Н2О) удаляется при дальнейшей тепловой обработке при дегидратации по уравнениям реакций (1)

и (2).

По содержанию кристаллизационной водыустанавливается содержание

(CaSO4·2H2O), в зависимости от чего природное гипсовое сырье в соответствии с требованиями ГОСТ 4013 разделяется на сорта:

Таблица 1.2 – Требования к гипсовому камню при определении его сорта

2 Отбор и подготовка проб гипсового вяжущего для испытаний

На предприятиях-изготовителях гипсовых вяжущих для проведения испытаний готовятся усредненные пробы от каждой партии в количестве 10 – 15

кг. При текущем контроле отдельные пробы отбираются из потока произведенного вяжущего перед его упаковкой или отгрузкой навалом. При