3235

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

2018

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

2018

УДК 666.91

Сучков В. П. Гипсовые вяжущие [Текст]: учеб. - метод. пос. / В. П. Сучков, Н. И. Ханова, С. В. Анисимова, А. Е. Коршунов ; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород:

ННГАСУ, 2018. – 28 с; ил.

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.

Предназначено студентам ННГАСУ, обучающимся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль Производство и применение строительных материалов, изделий и конструкций при подготовке к лабораторным работам и аттестации по дисциплинам «Строительные материалы», «Материаловедение», «Вяжущие вещества».

© В.П. Сучков, Н.И. Ханова, С.В. Анисимова, А.Е. Коршунов, 2018

© ННГАСУ, 2018

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. относятся к воздушным вяжущим веществам.

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 плотные образования 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 системе CaSO4– Н2O зависят 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– Н2O является 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 в полугидрат. 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 раст воримый ангидрит

CaSО4·ƐН2О, где Ɛ обыч но 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 переходит в 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) низкообжиговые на основе полуводного гипса (полугидрат) CaSO4 0,5H2O, получаемые по уравнению (1) путем дегидратации CaSO4 2H2O

при температурах 120…180 ° С – строительный гипс, формовочный гипс,

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

1).

Гипсовое вяжущее получается в результате быстрого нагрева CaSO4 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 вяжущие низких марок по прочности Г-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) высокообжиговые на основе ангидрита CaSO4, получаемые по 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 воды устанавливается 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