2.4. Твердение гипсовых вяжущих

Как и любое вяжущее вещество, гипс при смешивании с водой образует пластичное тесто, превращающееся вследствие ряда физических и химических процессов в камневидное тело. Эти изменения протекают постепенно и непрерывно, однако условно можно выделить следующие этапы: 1) период текучести до начала схватывания, когда масса обладает высокой подвижностью; 2) период схватывания, когда масса утрачивает подвижность, оставаясь еще достаточно пластичной, способной деформироваться под давлением внешних воздействий; 3) конец схватывания — момент, соответствующий превращению массы в камневидное тело, после которого повреждение материала приводит к потере прочности.

С химической точки зрения, твердение низкообжиговых гипсовых вяжущих (на основе α- и -модификации) происходит в результате растворения полуводного сернокислого кальция (полугидрата), появления насыщенного по отношению к полугидрату раствора, в котором протекает реакция гидратации с образованием двуводного сернокислого кальция:

CaSO₄ · 0,5H₂O + 1,5H₂O = CaSO₄ · 2H₂O.

Существует три основные теории, объясняющих механизм твердения минеральных вяжущих, в том числе и гипсовых: Ле-Шателье, Михаэлиса, Байкова. Наиболее часто твердение полуводного гипса описывают кристаллизационной теорией Ле-Шателье. Согласно этой теории полуводный гипс, обладая достаточно высокой растворимостью в воде (8 г/л), присоединяет воду в растворе и превращается в двуводный гипс, который имеет меньшую растворимость (2 г/л) и выпадает в виде осадка из раствора. При этом раствор по отношению к полуводному гипсу вновь становится ненасыщенным, что вызывает растворение новых порций гипса. По мере увеличения количества кристаллов новой фазы они срастаются между собой, образуя кристаллический «сросток», являющийся основой твердеющей системы.

Академик А. А. Байков сформулировал классическую теорию твердения минеральных вяжущих, в том числе гипсовых вяжущих. Он разделил процесс твердения на три периода: 1) образование раствора, насыщенного по отношению к продуктам гидратации; 2) схватывание (период коллоидации), когда образующиеся продукты не могут растворяться в насыщенной жидкой фазе и выделяются в виде тонкодисперсных коллоидных частиц, минуя растворение. Масса теряет пластичность, но не приобретает пока прочности, так как между гидратными частицами отсутствует сцепление; 3) твердение (период кристаллизации), в течение которого происходит перекристаллизация коллоидных частиц в большие кристаллы и образование сростка. Эта теория в принципе признается большинством исследователей, хотя в механизм протекания отдельных этапов твердения внесен ряд уточнений.

Гидратация полуводного гипса — процесс экзотермический, сопровождающийся выделением теплоты (133 кДж на 1 кг полуводного гипса). Количество выделяющейся при твердении теплоты зависит от условий обжига, тонкости помола, состава и условий твердения массы.

2.5. Свойства гипсовых вяжущих и их применение

Гипсовые вяжущие различают по тонкости помола. Существуют следующие индексы помола: I – грубый; II – средний; III – тонкий. С увеличением тонкости помола качественные показатели гипсовых вяжущих улучшаются.

Водопотребность– это количество воды затворения, которое необходимо для получения теста нормальной густоты. Водопотребность определяется по радиусу расплыва лепешки. Для реакции гидратации требуется лишь 18,6 % воды. Остальная вода, испаряясь, оставляет поры, поэтому снижается прочность затвердевшего материала. Гипсовые вяжущие, состоящие из β-модификации полуводного гипса, имеют высокую водопотребность (обычно 50-70 %). Водопотребность гипсовых вяжущих, состоящих из α-модификации полуводного гипса, значительно меньше–35-45 %. Поскольку α-модификация (высокопрочный гипс) требует меньше воды для затворения, чем β-модификация (строительный гипс), то пористость затвердевшего материала в первом случае меньше, а прочность больше, чем во втором. В остальном свойства этих вяжущих практически одинаковы.

Сроки схватывания. Различают три вида гипсовых вяжущих по срокам схватывания: А – быстротвердеющий – не ранее 2 и не позднее 15 мин; Б – нормальнотвердеющий – не ранее 6 и не позднее 30 мин; В – медленнотвердеющий – не ранее 20 мин, конец схватывания не нормируется. Быстрое схватывание гипсовых вяжущих является во многих случаях положительным их свойством, позволяющим быстро извлекать изделия из форм. Однако нередко быстрое схватывание нежелательно. Для регулирования сроков схватывания (ускорения и замедления) в гипсовые вяжущие при затворении вводят различные добавки. В частности замедлителями схватывания являются добавки ПАВ (поверхностно-активных веществ).

Прочность. Определяется испытанием изготовленных из гипсового теста нормальной густоты образцов-балочек размером 4416 см в возрасте 2-х часов на изгиб, а их половинок – на сжатие. В зависимости от предела прочности при сжатии и изгибе определяют марку гипсовых вяжущих: Г2, Г3, Г4, Г5, Г6, Г7, Г10, Г13, Г16, Г19, Г22, Г25 (цифра в обозначении марки показывает минимальную прочность на сжатие в МПа). При высыхании гипсовые изделия повышают прочность примерно в 2 раза.

При увлажнении прочность затвердевшего гипса и изделий из него снижается. Изделия из гипса не водостойки (коэффициент размягчения гипса колеблется в пределах 0,3-0,45 и зависит главным образом от его средней плотности). Водостойкость повышается: 1) применением интенсивных способов уплотнения жестких гипсобетонных смесей при формовании; 2) нанесением покровных пленок или пропитыванием изделий уплотняющими или гидрофобными веществами; 3) применением смешанных гипсовых вяжущих, которые являются более водостойкими (например, гипсоцементнопуццолановые вяжущие –ГЦПВ).

Гипсовые вяжущие применяют для получения гипсокартонных и гипсоволокнистых листов, а также облицовочных изделий, вентиляционных коробов, плит для перегородок и т.п., используемых в конструкциях зданий и сооружений при относительной влажности воздуха не более 60 %; при условии повышения водостойкости – для элементов наружных стен малоэтажных зданий. Гипсовые изделия отличаются низкой себестоимостью и сравнительно высокой рентабельностью. Однако при эксплуатации гипсовых изделий нужно учитывать и некоторые их недостатки: пониженную водостойкость, а также то, что они могут использоваться только в помещениях с относительной влажностью не более 50-70 %. Для повышения влаго- и водостойкости гипсовых изделий их покрывают водонепроницаемыми защитными красками или пастами, а также добавляют к гипсу молотый доменный гранулированный шлак или пуццолановый портландцемент. К отрицательным качествам гипсовых бетонов относят также их пониженное сцепление с заполнителем и арматурой и недостаточную сохранность стальной арматуры в гипсобетоне.

Наибольшее применение в строительстве получили гипсокартонные листы, используемые для сухой штукатурки, а также плиты, блоки и панели.