2.2 Классификация гипсовых вяжущих. Характеристика групп, свойства, применение
Гипсовые вяжущие вещества – тонкоизмельченные продукты, получаемые путем тепловой обработки природного гипсового камня, природного ангидрита, а также различных отходов химического производства, способные после затворения водой быстро схватываться, твердеть и превращаться в камень на воздухе (4-30 минут). Способность к твердению им придает сернокислый кальций.
Водопотребность гипсовых вяжущих материалов изменяется от 30-40 до 60-70% в зависимости от условий обжига и дисперсности. Большая разница между водопотребностью и количеством воды, необходимым на гидратацию полугидрата (менее 20%), является причиной значительной пористости гипсового камня, доходящей до 50%. Пористость камня ниже, а прочность выше у вяжущего с меньшей водопотребностью.
Отличительными особенностями гипсовых вяжущих являются быстрое схватывание, твердение, увеличение объема при твердении на воздухе до 0,3%(это позволяет широко использовать гипс для отливки декоративно-художественных изделий сложной формы, а также применять его без заполнителей, не боясь растрескивания от усадки).
Недостатки гипсовых вяжущих – повышенная гигроскопичность, низкая водостойкость, значительные деформации под нагрузкой (ползучесть) влажного гипсового камня, коррозия стальной арматуры в гипсовых изделиях. Для повышения водостойкости гипсовых вяжущих при изготовлении вводят полимерные и гидрофобизирующие добавки, проводят интенсивное уплотнение смесей с пониженным водосодержанием.
Применение – при производстве гипсокартонных и гипсоволокнистых листов, гипсобетонных перегородочных панелей и блоков, декоративных и звукопоглощающих изделий, для приготовления штукатурных растворов для внутренних частей зданий, работающих при относительной влажности воздуха не более 60%, а также в качестве добавки к другим вяжущим (расширяющийся цемент, гипсоцементно-пуццолановое вяжущее).
По тонкости помола, характеризуемой остатком на сите с отверстиями 0,2 мм массы пробы (%), взятой для просеивания, различают гипсовые вяжущие:
грубого помола (группа I) — остаток не более 23%;
среднего помола (группаII) — остаток не более 14%;
тонкого помола (группа IIII) — остаток не более 2%.
По срокам схватывания различают три группы гипсовых вяжущих:
быстротвердеющие (группа А) - начало схватывания не ранее чем через 2 мин, конец — не позднее чем через 15 мин.;
нормально твердеющие (группа Б) - начало схватывания не ранее чем через 6 мин, конец — не позднее 30 мин.;
медленно твердеющие (группа В) - с началом схватывания не ранее чем через 20 мин, конец схватывания для них не ограничен.
Для замедления схватывания гипсовое вяжущее затворяют водой с добавкой животного клея или органических клееподобных веществ, понижающих растворимость полугидрата.
Марочную прочность гипсовых вяжущих определяют после 2-х часов твердения образцов на воздухе. Образцы (балочки размером 4х4х16 см, изготовленные из теста стандартной консистенции) испытывают на изгиб, а их половинки — на сжатие. Стандартом предусмотрены 12 марок гипсовых вяжущих – от Г-2 до Г-25. Цифры в обозначении марки показывают минимальный предел прочности при сжатии в МПа. Для каждой марки регламентируется минимальная прочность при изгибе в пределах соответственно от 1,2 до 8 МПа. Строительный гипс соответствует гипсовым вяжущим невысоких марок по прочности Г-2...Г-7, а высокопрочный — высоких марок от Г-10 Г-25. Маркировка гипсового вяжущего содержит информацию о прочности, сроках схватывания и дисперсности.
В зависимости от вида сырья и принятой технологической схемы производства гипсовые вяжущие вещества делят на две группы:
низкообжиговые (собственно гипсовые – строительный, формовочный и высокопрочный гипсы, изготовленные из природного гипсового камня)
высокообжиговые (ангидритовые – ангидритовый цемент, изготовленный на основе природного ангидрида или обожженного при высокой температуре природного гипсового камня).
К низкообжиговым относят:
строительный;
высокопрочный;
формовочный гипсы;
К высокообжиговым:
ангидритовое вяжущее (ангидритовый цемент);
высокообжиговый гипс (эстрихгипс).
Ангидритовый цемент изготавливают из природного гипса обжигом при температуре 600-700°С. Продукт обжига состоит преимущественно из нерастворимого ангидрита, не способного в обычных условиях схватываться или твердеть. Для придания ему вяжущих свойств при помоле вводят минеральные активизаторы твердения. Можно получать ангидритовый цемент без обжига помолом природного ангидрита с теми же добавками. В качестве активизаторов применяют гашеную или негашеную известь(2-5 % массы ангидрита), обожженный доломит (3-8%), доменный шлак (10-15%).
Высокообжиговый гипс получают обжигом природного гипса или ангидрита при 800-1000°С. В отличие от низкообжиговых гипсовых ангидритовые вяжущие имеют большую водостойкость и медленнее схватываются и твердеют: начало схватывания наступает не ранее чем через 30 мин, конец – не позднее чем через 12 ч. Марочную прочность контролируют в возрасте 28 суток.
Применение – при устройстве бесшовных полов и подготовки под линолеум, для приготовления штукатурных и кладочных растворов различных марок, для получения искусственного мрамора(отделочный ангидритовый цемент).
Из гипсовых вяжущих веществ основными являются:
строительный;
формовочный;
ангидритовый гипсы.
Изделия на основе гипсовых вяжущих
Строительный гипс (устаревшее название – алебастр) получают при обжиге двухводного гипсового камня CaSO4 2H2O путем его термической обработки (происходит частичная дегидратация двуводного гипса и превращение его в полуводный CaSO4 0,5H2O) при температуре 170-200 оС, проводимой в печах или варочных котлах и последующего тонкого помола. Строительный гипс относится к быстротвердеющим вяжущим – начало схватывания 4-6 минут, а конец – 30 минут. Строительный гипс выпускается 3-х сортов: для I сорта тонкость помола должна быть не более 15%, для II сорта – 20% и для III сорта – 30%. Предел прочности при сжатии соответственно 5,5 МПа, 4,5 МПа и 3,5 Па.
Производство строительного гипса. Существует несколько технлогических схем: помол сырья и последующая тепловая обработка; тепловая обработка камня и помол после обработки; помол и обжиг совмещены в одном аппарате.
Тепловую обработку гипсового камня можно проводить в варочных котлах, сушильных барабанах и мельницах. Наиболее простым и распространенным способом производства строительного гипса является тепловая обработка тонкомолотого сырья в гипсоварочном котле периодического действия, который представляет собой стальной барабан(вместимость 12...15м3), футерованный огнеупорным кирпичом. Внутри котла находятся жаровые трубы и мешалка для перемешивания гипса.
Измельченный в мельнице порошок загружают через загрузочный люк в варочный котел. Топочные газы подогревают днище и стенки котла, проходят в жаровые трубы и попадают в дымовую трубу(продолжительность варки 1...3ч.); при этом двуводный гипс обезвоживается и превращается в полуводный гипс. При температуре 180 °С происходит дегидратация гипсового камня:
Таким образом, строительный гипс состоит в основном из полуводного гипса. После окончания обжига гипс через выгрузочное устройство поступает в камеру томления и выдерживается в ней в течение 20...40 мин. для выравнивания состава(дегидратация неразложившегося природного гипса и переход в полугидрат). Помол гипса после обжига производят в шаровой мельнице. Производство гипсового вяжущего по совмещенной схеме помола и обжига происходит в мельницах. В мельницах гипсовый камень измельчается, мелкие частицы подхватываются потоком горячих дымовых газов, поступающих в мельницу. Частицы, находясь во взвешенном состоянии, обезвоживаются и превращаются в полуводный гипс. В мельницах обеспечивается непрерывность работы.
Основные свойства гипса:
тонкость помола;
водопотребностъ (нормальная густота);
сроки схватывания;
прочность.
Тонкость помола характеризуется остатком на сите № 02. Различают грубый, средний и тонкий помол вяжущего. Обозначают каждую группу индексами I, II и III:
I – грубый помол, остаток на сите не более 23%
II – средний помол, остаток на сите не более 14%
III – тонкий помол, остаток на сите не более 2%.
Водопотребностъ гипса определяется количеством воды (в %), необходимой для получения теста заданной подвижности.
Реологические свойства теста оценивают в соответствии с методами его укладки в дело. Диаметр расплыва теста стандартной консистенции на вискозиметре Суттарда(рис.2) должен быть равен (180 ±5) мм. Нормальная густота гипсового теста требует 50...70% воды по массе вяжущего.
Рис.3.2 Гипсоварочный котел: 1 - топка; 2 - сферическое днище; 3 - жаровые трубы; 4 - стальной барабан; 5 - дымовая труба; 6 - винтовой конвейер; 7- крышка;8 - кольцевые каналы; 9 - шибер; 10 – мешалка
Строительный гипс является быстро схватывающимся и быстротвердеющим вяжущим веществом. Сроки схватывания определяют на приборе Вика по глубине погружения иглы в гипсовое тесто нормальной густоты. Согласно ГОСТ 125—79 различают следующие группы гипса в зависимости от сроков схватывания:
А – быстросхватывающийся (начало схватывания не ранее 2 мин, окончание — не позднее 15 мин.);
Б – нормально схватывающийся (начало схватывания не ранее 6 мин, окончание — не позднее 30 мин.);
В – медленносхватывающийся (начало схватывания не ранее 20 мин., окончание не нормируется).
При схватывании и твердении гипс расширяется в объеме до 1%. Способность гипса расширяться позволяет применять его без заполнителей (в отличие от других вяжущих), не опасаясь растрескивания изделий от усадки.
Быстрое схватывание затрудняет работу с гипсом. В случае необходимости к гипсу добавляют замедлители схватывания в количестве 0,1...0,55% по массе гипса (животный клей, столярный клей, сульфитноспиртовая барда и т.д.), при добавлении которых начало схватывания замедляется до 30 минут (прочность снижается до 10%).
Рис. 3.3. Вискозиметр Суттарда:
1 - цилиндр; 2 - стеклянная пластинка;3 - концентрические окружности
В случае необходимости ускорения схватывания гипса к нему добавляют природный гипсовый камень или поваренную соль (1% гипса и 0,5% соли).
Прочность гипса характеризуется маркой (Г-2, Г-3, Г-4, Г-5, Г-6, Г-7, Г-10, Г-13, Г-16, Г-19, Г-22, Г-25), которую устанавливают по пределу прочности при сжатии образцов-балочек размером 40x40x160 мм, изготовленных из теста нормальной густоты и испытанных через 2 ч после затворения гипса водой. Балочки испытывают на изгиб до разрушения, а полученные полубалочки испытывают на сжатие. Предел прочности при изгибе соответствующих марок меняется от 1,2 до 8,0 МПа.
Условное обозначение гипсового вяжущего характеризует его основные свойства. Например, гипсовое вяжущее Г-5 БП: нормальнотвердеющее (Б), среднего помола(П), прочность при сжатии не менее 5МПа.
Свойства строительного гипса:
белый или светло-серый порошок;
истинная плотность 2,6...2,75 г/см 3;
средняя плотность в рыхлом состоянии 800...1100 кг/м 3, в уплотненном – 1250...1450 кг/м3;
не водостойкий, поэтому прочность гипсовых изделий при увлажнении снижается на 40...60% (их следует применять в помещениях с относительной влажностью воздуха до 60%);
гигроскопичный.
Применение – для изготовления перегородочных плит и панелей, вентиляционных коробов, гипсокартонных листов (сухая штукатурка), акустических плит, приготовления гипсовых и известково-гипсовых штукатурных растворов, различных архитектурно-декоративных деталей методом отливки.
При транспортировании и хранении гипсовые вяжущие должны быть защищены от увлажнения и загрязнения.
Высокопрочный гипс – разновидность строительного. Отличается от строительного гипса способом тепловой обработки, которую проводят путём содержания двуводного гипса в автоклаве под давлением пара 0,13 МПа при 124 °С в течение 5 часов с последующей сушкой и измельчением в порошок. В результате образуются более крупные кристаллы, обусловливающие высокие прочностные характеристики и меньшую водопотребность. Нормальная густота 40-45%, прочность при сжатии не менее 25-30 МПа. Сроки схватывания сходны с таковыми у строительного гипса.
Применение – в металлургической промышленности для изготовления форм, а также применяют для изготовления архитектурных деталей и строительных изделий повышенной прочности.
Формовочный гипс от строительного отличается более тонким помолом и более высокой прочностью(сроки схватывания формовочного гипса должно быть не менее 30 мин.).
Применение - для скульптурных и лепных работ, изготовления форм для керамической промышленности.
Ангидритовый гипс получают при обжиге двуводного гипсового камня при температуре 600-700°С и последующим помолом с добавлением извести и шлака и других активизаторов твердения. По пределу прочности на сжатие (МПа) выпускают четырех марок: 5, 10, 15, 20.
Применение – для кладки и оштукатуривания внутренних стен и изготовления художественных изделий.
Более водостойкими гипсовыми вяжущими являются полимергипс и гипсоцементно-пуццолановые вяжущие. Полимергипс в отличие от строительного гипса имеет высокую прочность на сжатие – 30 МПа и большую водостойкость; получают его при смешивании строительного гипса с фенольно-фурфурольной смолой (17-20 %).
Применение – в производстве облицовочных плиток, а также для отделочных работ в помещениях с повышенной относительной влажностью воздуха.
Гипсоцементно-пуццолановые вяжущие получают на основе полуводного гипса (40-60%), портландцемента (20-25%) и трепела (10-25%).