Гипсовые вяжущие вещества

Общие сведения

Контрольные вопросы

1. Почему происходит усадка отформованных изделий при сушке и как она зависит от состава керамической массы?

2. От чего зависит цвет керамических изделий?

3. В каких случаях отсутствует необходимость в использовании флюса и в каких — отощителя?

4. Как по внешнему виду отличить кирпич пластического формования от кирпича полусухого прессования?

5. Чем ограничены минимальный и максимальный уровни температу­ры при обжиге керамических изделий? От чего зависит выбор фактиче­ской температуры обжига?

6. Почему выбор способа получения изделий зависит от принятой влажности керамической массы?

7. В чем заключаются преимущества и недостатки применяемых схем получения керамических изделий?

тема 5. Минеральные вяжущие вещества, их классификация

Вяжущие вещества (ВВ) подразделяются на органические и минеральные. Объединение их в группу ВВ возможно благодаря единственному общему признаку — и те, и другие используются для получения связующих веществ в композиционных материалах. Больше они не имеют ничего общего. К органическим ВВ относят­ся битумы, дегти, полимеры. Эти вещества правильнее было бы называть связующими, так как многие из них (битумы, дегти, термопластичные полимеры) способны связывать наполнители без добавления других веществ и изменения химического состава, чего нельзя сказать о минеральных ВВ. Органические ВВ классифици­руются обычно по происхождению.

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

Общими классификационными признаками минеральных ВВ являются:

1) порошкообразное состояние;

2) потребность в воде (иногда с добавками) для получения связующего;

3) способность отвердевать в результате химического взаимо­действия с водой (гидратации);

4) единство сырьевой базы (горные породы, отходы производ­ства);

5) единство технологических операций (обжиг, помол).

Классификация гипсовых вяжущих веществ. Гипсовые вяжущие вещества подразделяются на низкообжиговые (строительный и тех­нический гипсы) и высокообжиговые (ангидритовый цемент и эстрихгипс).

Строительный гипс получают из минерала гипса CaS0₄-2H₂0 и некоторых отходов производства, содержащих CaS0₄.

Получение строительного гипса включает в себя дробление, сушку, помол и обжиг природного гипса. Применяются большей частью три технологические схемы получения строительного гип­са:

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 и дигидрат переходит в полугидрат:

CaS0₄-2H₂0 -» CaSO₄0,5H₂O + 1,5Н₂0

Установлено существование двух модификаций полугидрата (а и (3), которые отличаются структурой кристаллической решетки (а-кристаллы имеют кубическую форму; (3-кристаллы имеют форму параллелепипедов). Модификация р, из которой состоит строи­тельный гипс, получается в аппаратах, сообщающихся с атмос­ферой, когда кристаллизационная вода выделяется в виде пара и удаляется в атмосферу. Модификация а 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 твердении строительного гипса зак­лючаются в гидратации гипса и превращении его в дигидрат:

CaSO₄0,5H₂O + 1,5Н₂0 = CaS0₄-2H₂0

На эту реакцию требуется 18,6 % воды от массы гипса. Обычно к гипсу добавляют от 50 до 70 % воды, иначе тесто получается слишком жестким. Избыточная вода распределяется в виде мель­чайших частиц в 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 твердения Ле Шателье объяснял следу­ющим образом. Полуводный гипс CaSO₄0,5H₂O при затворении водой растворяется в ней до образования насыщенного раствора с концентрацией около 7,4 г СаО на 1 л воды. Такой раствор для CaS0₄-2H₂0 является пересыщенным, так как растворимость дигидрата составляет только 2,05 г СаО на 1 л. Следовательно, дигидрат, 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 на 1 л) до завершения гидратации и полного перехода вяжущего в кристаллы дигидрата. Эти кристал­лы сначала отделены друг от друга тончайшими прослойками насы­щенного раствора дигидрата с концентрацией 2,05 г СаО на 1 л. Дальнейший рост прочности происходит в результате испарения воды и сращивания кристаллов в кристаллический сросток.

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

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

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

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 применяются также гипсовые пазогребневые плиты. Строитель­ный гипс используется в гипсовых или известково-гипсовых ра­створах, применяемых для штукатурных работ. Гипсовые раство­ры могут приготавливаться непосредственно на строительных объектах или доставляться на них в виде сухих смесей. Широко используется гипс для изготовления декоративных деталей и от­делочных материалов (например, искусственного мрамора).

Ангидритовый цемент получают обжигом природного гипса при температуре 600... 700 "С с последующим помолом. Он состоит глав­ным образом из безводного CaS0₄ и 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 строительных растворах в основном для кирпичной кладки и штукатурки.

Эстрих-гипс (гидравлический гипс) получают обжигом природ­ного гипса или ангидрита при температуре 800... 1 000°С и после­дующим помолом продукта обжига. При обжиге эстрих-гипса про­исходит не только получение безводного (мертвообожженного) CaS0₄, но и частичное разложение сернокислого кальция с обра­зованием свободной извести (СаО), 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 высоким сопротив­лением истиранию, благодаря чему он применяется для изготов­ления набивных (уплотняемых трамбованием) полов.

Испытания гипсовых вяжущих веществ. Определение водопотреб-ности производят с помощью вискозиметра Суттарда, в цилиндр которого заливают приготовленное тесто. Цилиндр под­нимают вертикально вверх через 45 с после начала затворения. Нор­мальной считается густота при диаметре лепешки (180 ± 5) мм.

Определение сроков схватывания производят с помощью при­бора Вика (рис. 8.2). Тесто нормальной густоты помещают в коль­цо 5. Иглу 6 прибора доводят до соприкосновения с поверхностью теста и фиксируют стопорным винтом 7 (верхним). Погружение иглы производят с интервалом в 30 с, каждый раз — в новое место. Перед погружением иглу тщательно протирают. С наступ­лением начала схватывания игла перестает доходить до дна, с на­ступлением конца схватывания игла погружается в тесто не бо­лее чем на 1 мм.

При определении пределов прочности при изгибе и сжатии на одно испытание вручную го­товят из теста нормальной гус­тоты три образца-балочки раз­мерами 40 х 40 х 160 мм. Уплотня­ют тесто, постукивая пять раз краем формы о стол. Избыток теста срезают линейкой и поверх­ность заглаживают. Через 10...20 мин после конца схватывания образцы освобождают от форм и хранят в помещении для испы­таний.

Испытание образцов-балочек производят в возрасте 2 ч снача­ла на изгиб, а полученные половинки — на сжатие с помощью стандартных пластин с рабочей площадью 25 см².

Пример условного обозначения гипсового вяжущего: Г-25 В III.