Строительный гипс — это вяжущие вещества, получаемые из гипсового камня или отходов химической промышленности.
При обжиге гипсового камня отделяется химически связанная вода и в зависимости от температуры образуются различные формы гипса. При 100 градусах Цельсия начинается формирование полугидратного гипса. При его затворении в воде вновь образуется дигидрат сульфата кальция. Этот замкнутый цикл был открыт примерно 20 тысяч лет назад. Люди сооружали очаги из гипсового камня и, вероятно, замечали, как рассыпавшийся обожженный гипс превращается под дождем снова в камень. В шумерских и вавилонских клинописях встречаются упоминания о гипсе и его применении.
Доступность сырья, простота технологии и низкая энергоемкость производства (в 4-5 раз меньше, чем для получения портландцемента) делают гипс дешевым и привлекательным вяжущим.
История применения гипса
Гипс является одним из древнейших минеральных вяжущих. В Малой Азии гипс использовали для декоративных целей за 9 тысяч лет до н.э. При археологических раскопках в Израиле находили полы, покрытые гипсом за 16 тысяч лет до н.э. Гипс был известен и в древнем Египте, его использовали при строительстве пирамид. Знания о производстве строительного гипса из Египта распространились на остров Крит, там во дворце царя Кноссоса многие наружные стены были возведены из гипсового камня. Швы в кладке были заполнены гипсовым раствором. Далее сведения о гипсе через Грецию пришли в Рим. Из Рима информация о гипсе распространилась в центральной и северной Европе. Особенно искусно применяли гипс во Франции. После вытеснения римлян из центральной Европы знания о производстве и применении гипса были утрачены во всех регионах севернее Альп.
И только с 11 столетия использование гипса вновь стало возрастать. Под влиянием монастырей распространилась технология, по которой пустоты внутри фахверковых зданий заполняли смесью гипса с сеном или конским волосом. В раннее средневековье в Германии, особенно в Тюрингии, было известно применение гипса для напольных стяжек, кладочных растворов, декоративных изделий и памятников. В Саксен-Анхальте сохранились остатки гипсовых полов ХI века.
Кладка и стяжки, выполненные в те давние времена, отличаются необыкновенной долговечностью. Их прочность сравнима с прочностью нормального бетона.
Особенность этих средневековых гипсовых растворов заключается в том, что вяжущие и наполнители состояли из идентичных материалов. В качестве наполнителей использовали гипсовый камень, измельченный до круглых зерен, не заостренных и непластинчатых. После твердения раствора образуется связанная структура, состоящая только из дигидрата сульфата кальция.
Еще одной особенностью средневековых растворов является высокая тонина помола гипса и экстремально низкая водопотребность. Соотношение воды к вяжущему составляет менее 0,4. Раствор содержит мало воздушных пор, его плотность примерно равна 2,0 г/см3. Более поздние гипсовые растворы производились с гораздо большей водопотребностью, поэтому их плотность и прочность значительно меньше.
Определение и основные характеристики
Строительный гипс – это природный минерал из класса сульфатов. Его химической формула CaSO4·2H2O (гидрат сульфата кальция). Так как в молекуле вещества содержится 2 атома воды, его также называют диаквасульфат кальция.
Мелкокристаллическая структура с большим количеством пор является и положительным качеством (дает легкость и устойчивость к высоким температурам), и отрицательным (не обеспечивает прочность и влагостойкость).
Оптимальная пористость изделия после отвердевания составляет 40-60%. Если она выше, изделие становится менее прочным и легко разламывается. Пористость зависит от количества воды, использованного при замешивании раствора.
Удельный вес материала – 2,6-2,75 г/см³. Плотность в рыхлом состоянии – 800-1100 г/м³, при уплотнении может достигать 1450 кг/м³.
Что представляет собой строительный гипс внешне? Это порошок довольно мелкого помола, обычно белый или сероватый, иногда с желтым или розовым оттенком. Запах очень слабый, усиливается при добавлении воды.
Жидкий раствор (тесто) представляет собой серую массу со специфическим запахом. После высыхания приобретает белый или светло-серый цвет, поверхность готового изделия гладкая на ощупь.
Гипс обладает таким количеством преимуществ, что его можно назвать поистине уникальным материалом.
- Экологичность и натуральность. Гипс — полностью природный материал, его до сих пор добывают дедовским способом. Он максимально экологичен, что ставит такое сырье на много ступеней выше любого современного стройматериала.
- Способность улучшать микроклимат. Давно замечено, что в помещениях, отделанных лепниной, дышится очень легко, даже если на улице стоит жара или льет дождь. Это легко объясняется тем, что застывший гипсовый раствор обладает способностью влагообмена: повышенная влага им впитывается, а при недостаточном количестве воды в воздухе — отдается.
- Отзывчивость к реставрации. В отличие от стекла, кожи, древесины, камня и даже металла, лепнина подлежит полному восстановлению. При грамотно выполненных ремонтных работах она может выглядеть идеально, даже если ей сто лет. Попробуйте воссоздать утраченную часть фарфоровой или каменной чаши так, чтобы она смотрелась как новая. Согласитесь, это невозможно. А вот гипсовые изделия после реставрации не содержат видимых следов работы мастера.
- Безграничные возможности декора. В умелых руках гипс принимает любые формы, на нем видны даже мельчайшие детали. Его можно окрашивать, патинировать, покрывать различными составами, придающими блеск или другие визуальные качества. Более того, он не подлежит усадке, поэтому готовый декор останется в первозданном виде ровно столько, сколько этого захочет владелец помещения.
Марки
В зависимости от прочности гипсовые вяжущие разделяют на 12 типов, или марок. Их обозначают буквой Г и числами от 2 до 25: Г-2, Г-3, Г-4, Г-5, Г-6, Г-7, Г-10, Г-13, Г-16, Г-19, Г-22, Г-25. Цифровая часть обозначает прочность при сжатии: например, для марки Г-5 она будет 0,5 Мпа (5 кгс/см²). Испытания на прочность проводят на стандартных брусках-балках размером 4х4х16 см. После отливки они в течение 2 часов сохнут на открытом воздухе. Затем целые балки испытывают на изгиб, а половинки – на сжатие. В зависимости от результатов образцам присваивается соответствующая марка.
В свою очередь марки строительного гипса делятся на две группы:
- Низкообжиговые – к ним относятся строительный, формовочный и высокопрочный.
- Высокообжиговые – созданные при высоких (до 1000°C) температурах эстрихгипс и ангидритовый цемент.
Разновидность гипса
Гипс β-модификации
Гипс β-модификации получают при температуре 150-180°C в аппаратах, сообщающихся с атмосферой. Продукт измельчения гипса β-модификации в тонкий порошок до или после обработки называется строительным гипсом или алебастром, при более тонком помоле получают формовочный гипс или, при использовании сырья повышенной чистоты, медицинский гипс.
Гипс α-модификации
Гипс α-модификации получают при низкотемпературной (95-130°C) тепловой обработке в герметически закрытых печах. Из него делают высокопрочным гипс.
Алебастр
Алебастр (от гр. alebastros — белый) — быстротвердеющее воздушное вяжущее, состоящее из полуводного сульфата кальция CaSO4 • 0,5Н2О, получаемого низкотемпературной обработкой гипсового сырья.
Алебастр — гипс β-модификации, порошкообразный вяжущий материал, полученный путём термической обработки в открытых печах при температуре 150-180 градусов природного двухводного гипса CaSO4 · 2H2O. Полученный продукт измельчают в тонкий порошок. При более тонком помоле получают формовочный гипс. Для медицинского гипса используют сырья повышенной чистоты.
Ангидрит
Ангидрит — природный безводный гипс. Ангидритовое вяжущее медленно схватывается и медленно твердеет, состоит из безводного сульфата кальция CaSO4 и активизаторов твердения.
Эстрих-гипс
Высокообжиговый эстрих-гипс получают обжигом природного гипсового камня CaSO4 • 2Н2О до высоких температур (800-950°С). При этом происходит его частичная диссоциация с образованием СаО, который служит активизатором твердения ангидрита. Окончательным продуктом твердения такого вяжущего является двуводный гипс, определяющий эксплуатационные свойства материала.
Технологические свойства эстрих-гипса существенно отличаются от свойств обычного гипса. Сроки схватывания эстрих-гипса: начало не ранее 2 часов, конец — не нормируется. Благодаря пониженной водопотребности (у эстрих-гипса она составляет 30-35% против 50-60 % у обычного гипса) эстрих-гипс после затвердевания образует более плотный и прочный материал.
Прочность образцов — кубов из раствора жесткой консистенции состава — вяжущее:песок = 1:3 через 28 суток твердения во влажных условиях — 10-20 МПа. По этому показателю устанавливают марку эстрих-гипса: 100, 150 или 200 (кгс/см2).
Эстрих-гипс применяли в конце XIX — начале XX вв. для кладочных и штукатурных растворов (в том числе и для получения искусственного мрамора), устройства бесшовных полов, оснований под чистые полы и т.п. В настоящее время это вяжущее применяют ограниченно.
Прочность на сжатие и изгиб
Марку гипса определяют испытанием на сжатие и изгиб стандартных образцов — балочек 4 х 4 х 16 см спустя 2 часа после их формования. За это время гидратация и кристаллизация гипса заканчивается.
Установлено 12 марок гипса по прочности от 2 до 25 (цифра показывает нижний предел прочности при сжатии данной марки гипса в МПа). В строительстве используется в основном гипс марок от 4 до 7.
Согласно ГОСТ 125-79 (СТ СЭВ 826-77) в зависимости от предела прочности на сжатие различают следующие марки гипсовых вяжущих:
| Марка вяжущего | Минимальный предел прочности образцов-балочек размерами 40х40х160 мм в возрасте 2 ч, МПа (кгс/см2), не менее | |
|---|---|---|
| при сжатии | при изгибе | |
| Г-2 | 2(20) | 1,2(12) |
| Г-3 | 3(30) | 1,8(18) |
| Г-4 | 4(40) | 2,0(20) |
| Г-5 | 5(50) | 2,5(25) |
| Г-6 | 6(60) | 3,0(30) |
| Г-7 | 7(70) | 3,5(35) |
| Г-10 | 10(100) | 4,5(45) |
| Г-13 | 13(130) | 5,5(55) |
| Г-16 | 16(160) | 6,0(60) |
| Г-19 | 19(190) | 6,5(65) |
| Г-22 | 22(220) | 7,0(70) |
| Г-25 | 25(250) | 8,0(80) |
При увлажнении затвердевший гипс не только существенно (в 2-3 раза) снижает прочность, но и проявляет нежелательное свойство — ползучесть — медленное необратимое изменение размеров и формы под нагрузкой.
Технология производства
Месторождения природного гипса бывают осадочными, остаточными или метасоматическими (по типу формирования). В России крупные месторождения в основном осадочные. При разработке большинства залежей добыча ведется карьерным способом, но из-за природных условий на некоторых месторождениях приходится применять камерно-столбовой метод.
Добытое сырье доставляется на завод по переработке. Там оно измельчается сначала на шнековой дробилке, а затем на молотковой мельнице. После этого полученный порошок сушится и подвергается термической обработке – обжигу в специальных варочных котлах. Это самая распространенная технология производства строительного гипса, но есть и другие. Например, обжиг может проводиться во вращающихся печах или в мельницах совмещенного помола и обжига.
Чаще всего обжиг проходит при температуре 150-180°C. Сушка происходит двумя способами:
- В отрытой печи – вода выходит в виде пара. Полученный в результате β-гипс по структуре волокнистый с рыхлой кристаллической решеткой. Он довольно пористый, причем поры находятся и между волокнами, и внутри кристаллов. Его обычно используют в строительстве в качестве формовочного или вяжущего сырья.
- В автоклаве – вода выводится капельным методом. При обработке с высоким давлением влага начинает выделяться уже при малых (от 60°C) температурах. В результате получается менее пористый и более прочный алебастр, который можно измельчить в тончайший порошок. Также автоклавный метод дегидрации позволяет уменьшить количество примесей и получить очень чистый результат. Он заметно дороже, поэтому его используют в основном в медицине, например, для стоматологических слепков, и искусстве – скульптуры и декор из него выглядят аккуратно и получаются более прочными.
После обезвоживания химическая формула выглядит как CaSO4·0,5H2O. Полученный полуводный гипс измельчают в мелкий порошок и фасуют в бумажные или полиэтиленовые мешки.
Работа с гипсом.
На практике, при работе с гипсом, в основном применяют раствор чистого гипса, реже с наполнителем. В зависимости от видов работ, гипсовый раствор может иметь различную степень густоты: жидкий, средний или нормальный или густой. Для приготовления жидкого раствора на 1 кг гипса потребуется примерно 0,7 л воды, среднего или нормального раствора − на 1,5 кг гипса 1 л воды и для густого раствора − на 2 кг гипса 1 л воды.
Приготовление раствора происходит следующим образом: в подготовленную тару сначала наливают необходимое количество воды и нее постепенно засыпают гипс с постоянным тщательном перемешивании. при таком способе приготовления получается однородная масса без примесей комочков неразмешанного гипса. Не следует перемешивать уже начавший схватываться гипсовый раствор, так как при этом гипс начинает отмолаживаться и практически теряет свои прочностные качества.
При работе с гипсом следует учитывать быстрое схватывание гипсового раствора и готовить небольшими порциями. Для замедления сроков схватывания гипсового раствора применяют замедлители схватывания, о которых выше уже говорилось. При использовании в качестве замедлителя клеевого раствора, его вливают в приготовленную для затворения воду, тщательно перемешивают и в этой воде затворяют гипс. Готовить клеевой раствор следует с расчетом на один день работы.
Достоинства
При выборе стройматериалов всего решающими факторами становятся его цена, простота в работе и быстрое отвердевание. Но стоит учитывать и другие, не менее важные характеристики строительного гипса:
- Экологичность. Полностью натуральный материал, гипоаллергенный, не содержит вредных веществ. Помогает поддерживать в помещении благоприятный микроклимат.
- Долговечность. Постройки из него выдерживают не менее 15-20 циклов замораживания-оттаивания. В условиях сухого климата без резких перепадов температуры строения и изделия сохраняются особенно хорошо.
- Пожарная безопасность. Сам по себе минерал не горюч, способен выдерживать длительное воздействие температуры в 600-700°C, а выделение влаги при воздействии высоких температур замедляет распространение огня.
- Низкая теплопроводность. Может использоваться для утепления помещений.
- Легкость. При высокой прочности у него низкая плотность, всего 1200-1500 кг/м³. Благодаря этому он вдвое легче цемента.
- Доступность. Среди вяжущих гипс – самый доступный. Его легко добыть, а при обработке он не требует сложных или энергоемких технологий.
Недостатки
Не существует стройматериалов без недостатков. У дигидрата кальция (гипса) они связаны в основном с водой:
- Гигроскопичность. Из-за пористой структуры минеральное сырье впитывает большое количество воды. Это свойство ограничивает применение строительного гипса во влажной среде.
- Низкая влагостойкость. В результате намокания высока вероятность деформации изделия или постройки.
- Коррозия металлической арматуры, проложенной внутри строительных блоков. Поэтому для армирования построек лучше использовать натуральные волокнистые материалы – дерево, камыш и пр.
- Низкая прочность. Побочный эффект пористой структуры. Гипсовое покрытие легко поцарапать, причем иногда для этого даже не нужны инструменты.
Показатели влагостойкости можно улучшить с помощью добавок-наполнителей. Ими могут быть известь, олеиновая кислота, глина, гранулированный доменный шлак, смесь растворимого стекла и декстрина. Другим вариантом является нанесение на готовое изделие финишных покрытий, предотвращающих попадание воды в поры.
Гипс, как вяжущий материал
Гипсовые вяжущие — это материалы на основе полуводного гипса или ангидрита. Относятся к воздушным вяжущим веществам.
В зависимости от способа получения гипсовые вяжущие (ГВ) вещества делятся на три основные группы:
- I — вяжущие, получаемые термической обработкой гипсового сырья: низкообжиговые (обжиговые и варочные) и высокообжиговые: α- или β- полугидрат сульфата кальция (или их смесь), а также растворимый ангидрит (полностью обезвоженный гипс или даже частично диссоциированный ангидрит, содержащий небольшое количество свободного оксида кальция).
- II — вяжущие, получаемые без термической обработки (безобжиговые): природный ангидрит, для активации твердения вводятся специальные добавки.
- III — вяжущие, получаемые смешиванием гипсовых вяжущих I или II групп с различными компонентами (известь, портландцемент и его разновидности, активные минеральные добавки, химические добавки и др.).
Вяжущие I и II групп являются неводостойкими (воздушными) гипсовыми вяжущими (НГВ). Вяжущие III группы относятся, за некоторым исключением, к водостойким гипсовым вяжущим (ВГВ).
Для производства указанных в табл.1.1 гипсовых вяжущих веществ применяют природное гипсовое, ангидритовое сырье или гипсосодержащие отходы.
В зависимости от температуры тепловой обработки гипсовые вяжущие разделяют на две группы:
Низкообжиговая группа
Низкообжиговые (собственно гипсовые, на основе CaSO4 • 0,5H2O), получаемые при температуре 120-180°С. Они характеризуются быстрым твердением и сравнительно низкой прочностью. К ним относятся:
- строительный гипс, в том числе алебастр;
- формовочный гипс;
- высокопрочный гипс;
- медицинский гипс;
Высокообжиговая группа
Высокообжиговые (ангидритовые, на основе CaSO4), получаемые при температурах 600-900°С. Ангидритовые вяжущие отличаются от гипсовых медленным твердением и более высокой прочностью. К ним относятся:
- эстрих-гипс (высокообжиговый гипс);
- ангидритовый цемент;
- отделочный цемент.
Схватывание гипса
По срокам схватывания, определяемым на приборе Вика гипс делят на три группы (А, Б, В):
| Вид вяжущего | Индекс сроков твердения | Срок схватывания, мин | |
| начало, не ранее | конец, не позднее | ||
| Быстротвердеющий | А | 2 | 15 |
| Нормальнотвердеющий | Б | 6 | 30 |
| Медленнотвердеющий | В | 20 | Не нормируют |
Время твердения гипса зависит от марки гипса, количества воды, от температуры воды, от дисперсности гипса. При малом содержании воды смесь плохо заливается, быстро твердеет, выделяет повышенное количество тепла, с одновременным увеличением количества объема.
Время твердения гипса с повышением температуры воды увеличивается, поэтому следует использовать холодную воду.
Замедляют схватывание гипса с помощью добавок:
- столярный клей;
- сульфитноспиртовая барда (ССБ);
- технический лигносульфонат (ЛСТ);
- кератиновый замедлитель;
- борная кислота;
- бура;
- полимерные дисперсии (например, ПВА).
Твердение гипса
Химизм твердения гипса заключается в переходе полуводного сульфата кальция при затворении его водой в двуводный: CaSO4 • 0,5Н2О + 1,5H2O → CaSO4 • 2Н2О. Внешне это выражается в превращении пластичного теста в твердую камнеподобную массу.
Причина такого поведения гипса заключается в том, что полуводный гипс растворяется в воде почти в 4 раза лучше, чем двуводный (растворимость соответственно 8 и 2 г/л в пересчете на CaSO4). При смешивании с водой полуводный гипс растворяется до образования насыщенного раствора и тут же гидратируется, образуя двугидрат, по отношению к которому раствор оказывается пересыщенным. Кристаллы двуводного гипса выпадают в осадок, а полуводный вновь начинает растворяться и т. д.
В дальнейшем процесс может идти по пути непосредственной гидратации гипса в твердой фазе. Конечной стадией твердения, заканчивающегося через 1-2 часа, является образование кристаллического сростка из достаточно крупных кристаллов двуводного гипса.
Часть объема этого сростка занимает вода (точнее, насыщенный раствор CaSO4 • 2Н2О в воде), не вступившая во взаимодействие с гипсом. Если высушить затвердевший гипс, то прочность его заметно (в 1,5-2 раза) повысится за счет дополнительной кристаллизации гипса из указанного выше раствора по местам контактов уже сформированных кристаллов.
При повторном увлажнении процесс протекает в обратном порядке, и гипс теряет часть прочности. Причина наличия свободной воды в затвердевшем гипсе объясняется тем, что для гидратации гипса нужно около 20% воды от его массы, а для образования пластичного гипсового теста — 50-60% воды. После затвердевания такого теста в нем останется 30-40 % свободной воды, что составляет около половины объема материала. Этот объем воды образует поры, временно занятые водой, а пористость материала, как известно, определяет многие его свойства (плотность, прочность, теплопроводность и др.).
Разница между количеством воды, необходимым для твердения вяжущего и для получения из него удобоформуемого теста — основная проблема технологии материалов на основе минеральных вяжущих. Для гипса проблема снижения водопотребности и, соответственно, снижения пористости и повышения прочности была решена путем получения гипса термообработкой не на воздухе, а в среде насыщенного пара (в автоклаве при давлении 0,3-0,4 МПа) или в растворах солей (СаСl2 • MgCl2 и др.). В этих условиях образуется другая кристаллическая модификация полуводного гипса — α-гипс, имеющая водопотребность 35-40 %. Гипс α
— модификации называют высокопрочным гипсом, так как благодаря пониженной водопотребности он образует при твердении менее пористый и более прочный камень, чем обычный гипс β-модификации. Из-за трудностей производства высокопрочный гипс не нашел широкого применения в строительстве.