Глава 1. Вяжущие вещества

1.1. Общие сведения

Все минеральные вяжущие вещества – это тонкие порошки, которые затворяют водой, в результате чего образуется пластичное тесто, с течением времени самопроизвольно отвердевающее. При получении вяжущих веществ природное сырье подвергают обжигу при высокой температуре и последующему помолу продуктов обжига.

Минеральные вяжущие вещества делят на воздушные, требующие сухих условий твердения, игидравлические, твердеющие как на воздухе, так и в воде. К воздушным относятся гипсовые и магнезиальные вяжущие вещества, воздушная известь и вяжущие на основе жидкого стекла; к гидравлическим – романцемент, гидравлическая известь, портландцемент, его виды и разновидности, глиноземистый и расширяющиеся цементы.

1.2. Гипсовые вяжущие вещества

Гипсовые вяжущие делят на низкообжиговые(строительный и технический гипсы) ивысокообжиговые(ангидритовый и эстрих-гипс).

1.2.1. Строительный гипсполучают из природного минерала гипса CaSO₄·2H₂O и некоторых отходов производства, содержащих CaSO₄.

Получениестроительного гипса включает дробление, сушку, по­мол и обжиг природного гипса. Приме­няются большей частью три технологические схемы: 1) дробление - сушка - помол - обжиг, 2) дробление - об­жиг - помол, 3) дробление - помол и обжиг в одном аппарате. Обжиг ведут в варочных котлах, сушильных барабанах, шахтных мельницах. При темпера­туре 110…180 °С отделяется вода идвугидратпереходит вполугидрат:CaSO₄·2H₂O→CaSO₄·0,5H₂O+ 1,5H₂O.

Установлено существование двух модификаций полугидрата: α и β, которые отличаются структурой кристаллической решетки (α-кристаллы имеют кубическую форму, β-кристаллы – форму параллелепипедов). Модификация β, из которой собственно и состоит строительный гипс, получается в аппаратах сообщающихся с атмосферой, когда кристаллизационная вода выделяется в виде пара и удаляется в атмосферу. Модификация α образуется при повышенном давлении в закрытых аппаратах (автоклавах), когда вода выделяется в жидком состоянии и исходный продукт разделяется на две фазы: жидкую и твердую. В автоклавах получают технический (высокопрочный) гипс, отличающийся высокой прочностью.

Химические процессы при твердениистроительного гипса заключаются вгидратациигипса, т. е. в присоединении к нему воды и превращении его вдву­гидрат:

CaSO₄·0,5H₂O+1,5H₂O = CaSO₄·2H₂O.

На эту реакцию требуется18,6 % воды от массы гипса.Обычнок гипсу добавляют от 50 до 70 % воды,иначетесто получаетсяслишкомжестким.Избыточная водараспределяется в виде мельчайших частицв объеме теста,образуя поры.

Приготовленное тесто через несколько минут схватывается (теряет пластичность) и начинает набирать прочность (твердеть). До начала схватывания тесто можно перемешивать, укладывать в форму, уплотнять. После наступления схватывания этого делать нельзя, иначе будут разрушены успевшие образоваться, но еще слабые кристаллизационные контакты, и прочность гипсового камня будет снижена.

Физические процессы тверденияЛе Шателье объяснял следующим образом. Полуводный гипс CaSO₄·0,5H₂O при затворении водой растворяется в ней до образования насыщенного раствора с концентрацией около 7,4 г СаО на 1 л воды. Такой раствор для CaSO₄·2H₂O является пересыщенным, т. к. растворимость двугидрата составляет только 2,05 г СаО/л. Следовательно, двугидрат, образуясь в растворе в результате гидратации полугидрата, будет выделяться из раствора в виде кристаллов. Образовавшийся недостаток полугидрата в растворе восполняется растворением оставшегося вяжущего и концентрация раствора сохраняется неизменной (7,4 г СаО/л) до завершения гидратации и полного перехода вяжущего в кристаллы двугидрата. Эти кристаллы вначале отделены друг от друга тончайшими прослойками насыщенного раствора двугидрата с концентрацией 2,05 г СаО/л. Дальнейший рост прочности происходит в результате испарения воды и сращивания кристаллов в кристаллический сросток.

Свойства строительного гипса.Строительный гипс является быстросхватывающимся вяжущим веществом. Начало схватывания наступает через несколько минут (обычно 2…10 мин), что вызывает определенные неудобства, т. к. имеется очень мало времени на перемешивание и использование гипсовых составов. Для замедления схватывания строительного гипса используют добавки виннокислого калия, полиалкиламида, солей фосфорной и борной кислот и др.

Отличительной особенностью строительного гипса является увеличение объема теста при твердении (до 1 %). Благодаря этому гипсовая штукатурка не растрескивается. При увлажнении затвердевшего гипса прочность его снижается в 2…3 раза вследствие частичного раство­рения двугидрата и разрушения структуры кристаллического сростка. Изделия из строительного гипса отличаются высокой пористостью (40…50 %) и, соответственно низкой теплопроводностью.

Водопотребность гипса (количество воды, необходимое для получения теста стандартной густоты) составляет 50…70 % от массы гипса. По прочности согласно ГОСТ 125 строительный гипс подразделяется на 12 марок от Г-2 до Г-25, где число означает гарантированный предел прочности при сжатии стандартных образцов в МПа в возрасте 2 часа.

Применение строительного гипса.Применяют строительный гипс главным образом во внутренних частях зданий с относительной влажностью воздуха не более 60 %. Для устройства внутренних перегородок, полов, подвесных потолков, а также в качестве сухой штукатурки широко используются гипсокартонные листы (ГКЛ). Для устройства внутренних стен применяют также гипсовые пазогребневые плиты. Строительный гипс используется в гип­совых или известково-гипсовых растворах, применяемых для штукатурных работ. Гипсовые растворы могут приготавливаться непосредственно на строительном объекте или доставляться в виде сухих смесей. Широко используется гипс для изготовления декоративных деталей и отделочных материалов (например, искусственного мрамора).

1.2.2. Ангидритовый цементполучают обжигом природного гипса при температуре 600…700 °С с последующим помолом. Он состоит главным образом из безводного CaSO₄и является мертвообожженным гипсом, ко­торый схватывается и твердеет только с добавкой катализатора (различных сульфатов, извести, обожженного доломита, доменного шлака и др.), который вводится в ангидритовый цемент при помоле.

Водопотребность ангидритового цемента – 30…40 %. Пористость затвердевшего камня – 30…35 %, а его прочность достигает 20 МПа и более. Ангидритовый цемент в противополож­ность строительному гипсу не отличается быстрым схватыванием и практически не увеличивается в объеме при твер­дении. Являясь воздушным вяжущим веществом, он, тем не менее, обладает более высокой, чем строительный гипс, водостойкостью.

Ангидритовый цемент применяется в составе строительных рас­творов в основном для кирпичной кладки и штукатурки.

1.2.3. Эстрих-гипс (гидравлический гипс)получают обжигом природного гипса или ангидрита при температуре 800…1000 °С и последующим помолом продукта обжига.

При обжиге эстрих-гипса происходит не только получение безводного (мертвообожженного) CaSO₄, но и частичное разложение сернокислого кальция с образованием свободной извести (CaO), являющейся катализатором твердения, подобным добавкам к ангидритовому цементу.

По свойствам эстрих-гипс аналогичен ангидритовому цементу, но отличается от него небольшой усадкой при твердении и более высокой водостойкостью, за что назван гидравлическим гипсом, хотя остается воздушным вяжущим.

Затвердевший эстрих-гипс характеризуется весьма высоким сопротивлением истиранию, благодаря чему он применяется для набивных (уплотняемых трамбованием) полов.