2.2. Гипсовые вяжущие материалы

Гипсовые вяжущие материалы являются материалами воздушного твердения, содержащие сульфат кальция (СаSО₄) в гидратированной форме (с включением кристаллизационной воды – СаSО₄·0,5Н₂О) или безводный (ангидрит).

2.2.1. Сырьевые компоненты и технология производства. Сырьем для производства гипсовых вяжущих является, как правило, природный двуводный гипсовый камень (СаSО₄∙2Н₂О), иногда используется безводный гипс (ангидрид СаSО₄). В последние годы расширяется применение гипсосодержащих отходов химической промышленности, выходы и запасы которых увеличились в связи с производством минеральных удобрений.

Природный гипсовый камень для производства вяжущих материалов в зависимости от содержания двуводного гипса делится на три сорта: 1 – не менее 90 %, II – не менее 75 % и Ш– не менее 65 % СаSО₄·2Н₂О. Качество (сортность) получаемого вяжущего зависит от сорта сырья.

Гипсовые вяжущие обычно получают путем термической обработки природного гипсового камня, содержащего двуводный гипс. В зависимости от режима тепловой обработки гипсовые вяжущие подразделяют на низкообжиговые и высокообжиговые. Низкообжиговые гипсовые вяжущие получают тепловой обработкой гипсового камня при температуре 120- 160 ⁰С в гипсовых котлах или вращающихся печах, при этом происходит частичная дегидратация двуводного гипса (СаSО₄·2Н₂О), в результате он превращается в полуводный строительный гипс (β – СаSО₄∙0,5Н₂О). Разновидностью низкообжиговых гипсовых вяжущих является высокопрочный гипс (α – СаSО₄∙0,5Н₂О), который получают пропариванием природного гипсового камня в аппаратах высокого давления (автоклавах) при температуре 110-120 ⁰С и давлении пара 0,13-0,7 МПа. При такой обработке происходит не только дегидратация, но и перестройка кристаллической структуры гипса, что позволяет повысить его прочность при твердении.

Модификация (α – СаSО₄·0,5Н₂О) образуется при автоклавной обработке сырья, имеет кристаллическую структуру, обладает низкой водопотребностью (менее 45 %) и поэтому образует при твердении высокопрочный гипсовый камень. Модификация (β – СаSО₄∙0,5Н₂О) образуется при варке гипса в котлах при атмосферном давлении, обладает высокой дисперсностью и водопотребностью (от 50 до 70 %), поэтому при твердении образует камень меньшей прочности.

Высокообжиговые гипсовые вяжущие получают обжигом природного гипсового камня при температурах выше 600 ⁰С, при которых происходит полная дегидратация гипса с образованием ангидрита (при температуре обжига 600-800 ⁰С и высокообжигово эстрих–гипса (при температуре 800–1000 ⁰С).

2.2.2. Химизм твердения. Твердение гипса заключается в переходе полуводного сульфата кальция при затворении его водой в двуводный:

СаSО₄·0,5Н₂О + 1,5Н₂О → СаSО₄∙ 2Н₂О.

Внешне это выражается в превращении пластичного теста в твердую камнеподобную массу. Марочная прочность гипса определяется через 2 часа после затворения водой. К этому времени образовались кристаллические сростки из крупных кристаллов двуводного гипса, но часть объема этого сростка занимает вода.

Наличие свободной воды в затвердевшем гипсе объясняется тем, что для гидратации гипса нужно около 18 % воды от его массы, а для образования пластичного удобоукладываемого гипсового теста–50-60 % воды. Поэтому после затвердевания такого теста в нем остается 30–40 % свободной воды, что составляет примерно половину объема материала. Этот объем воды образует со временем поры, которые сказываются на многих свойствах материала.

Разница между количеством воды, необходимым для твердения вяжущего и для получения удобоукладываемого теста, – основная проблема технологии материалов на основе минеральных вяжущих.

2.2.3. Технические свойства. Истинная плотность полуводного гипса – 2,65-2,75 г/см³ (двуводного – 2,32 г/см³); насыпная плотность полуводного гипса – 800-1100 кг/м³.

По срокам схватывания, определяемым на приборе Вика, гипс делят на три группы: А, Б, В ( табл.2.1):

Таблица 2.1.

Вид гипса	Схватывание, мин
	Начало	Конец
Быстротвердеющий (А)	Не ранее 2	Не позднее 15
Нормальнотвердеющий (Б)	Не ранее 6	Не позднее 30
Медленнотвердеющий (В)	Не ранее 20	Не нормируется

Замедляют схватывание гипса добавкой столярного клея, сульфатноспиртовой барды (ССБ), технических лигносульфонатов (ЛСТ), кератинового замедлителя, а также борной кислоты, буры и полимерных дисперсий (например ПВА).

Марку гипса определяют испытанием на изгиб и сжатие стандартных образцов-балочек размером 4×4×16 см спустя 2 часа после их формования. Установлено 12 марок гипса по прочности: от Г-2 до Г-25 (цифра показывает нижний предел прочности при сжатии данной марки гипса) (табл.2.2):

Таблица 2.2

Марка	Предел прочности, МПа, не менее		Марка	Предел прочности, МПа, не менее
	при сжатии	при изгибе		при сжатии	при изгибе
Г-2 Г-3 Г-4 Г-5 Г-6 Г-7	2 3 4 5 6 7	1,2 1,8 2 2,5 3 3,5	Г-10 Г-13 Г-16 Г-19 Г-22 Г-25	10 13 16 19 22 25	4,5 5,5 6 6,5 7 8

По тонкости помола, определяемой максимальным остатком пробы гипса при просеивании на сите с отверстиями 0,2 мм, гипсовые вяжущие делят на три группы (табл. 2.3):

Таблица 2.3

Группа	I	II	III
Помол	Грубый	Средний	Тонкий
Остаток на сите 02, %	23	14	2

При увлажнении затвердевший гипс не только снижает прочность (в 2-3 раза), но и проявляет нежелательное свойство – ползучесть – медленное необратимое изменение размеров и форм под нагрузкой.

2.2.4. Область применения. Строительный и высокопрочный гипс применяют для производства перегородочных панелей, блоков, тепло- и звукоизоляционных плит, сухой штукатурки; для изготовления элементов художественного оформления интерьеров жилых и общественных зданий; при производстве портландцементов в качестве добавки, замедляющей сроки схватывания, а также в составе других минеральных вяжущих, например, гипсоцементопуццолановых, которые можно использовать в дорожном строительстве для устройства оснований.