Гипсовые вяжущие

Ги́псовые вя́жущие — группа воздушных вяжущих веществ, состоящих преимущественно из полуводного сульфата кальция (CaSO₄·0,5H₂O) или ангидрита (CaSO₄), получаемых путём термической обработки природного гипсового камня (двуводного сульфата кальция CaSO₄·2H₂O) или некоторых промышленных отходов. При смешивании с водой они образуют пластичное тесто, которое быстро схватывается и твердеет, превращаясь в искусственный камень. Благодаря экологичности, хорошим тепло- и звукоизоляционным свойствам, а также способности создавать комфортный микроклимат в помещениях, гипсовые вяжущие широко применяются для производства стеновых блоков и панелей, штукатурок, сухих строительных смесей, декоративных и отделочных материалов .

История применения

Использование гипса в строительстве насчитывает несколько тысячелетий. В Древнем Египте гипсовые растворы применяли при возведении пирамид и для оштукатуривания стен. В античности гипс использовали как для строительных, так и для декоративных целей, создавая лепнину и архитектурные детали. Технология обжига гипса была известна и в Древней Греции, и в Римской империи. В Средние века в Европе гипс продолжали применять для внутренней отделки и кладки стен. Научное изучение процесса твердения гипса началось в XVIII–XIX веках, когда были заложены основы современных представлений о его гидратации. Значительный вклад в развитие технологии гипсовых материалов внесли российские учёные Будников П.П. , А.В. Волженский и другие.

Получение

Сырьём для производства гипсовых вяжущих служит природный гипсовый камень (CaSO₄·2H₂O), а также ангидрит (CaSO₄) и некоторые гипсосодержащие отходы промышленности (фосфогипс, борогипс, цитрогипс и др.). Технологический процесс включает:

1. Дробление и помол исходного материала.

2. Тепловая обработка (дегидратация) — удаление части или всей химически связанной воды.

3. Дополнительный помол (при необходимости).

В зависимости от условий тепловой обработки получают различные виды гипсовых вяжущих. Обжиг гипсового камня при температуре 110–180 °C во вращающихся печах или в варочных котлах приводит к образованию полуводного гипса (CaSO₄·0,5H₂O). Режим тепловой обработки (среда, давление) определяет разновидность получаемого продукта: α-полугидрат (высокопрочный гипс, образуется при нагреве в герметичных условиях под давлением) или β-полугидрат (строительный гипс, образуется при атмосферном давлении). При более высокой температуре (600–900 °C) получают ангидрит или высокообжиговый (эстрих-гипс) .

Классификация и виды

По условиям тепловой обработки и конечным свойствам гипсовые вяжущие подразделяются на несколько основных видов.

Строительный гипс (β-полугидрат)

Наиболее распространённый вид, получаемый при нагревании двуводного гипса до 150–180 °C в открытых аппаратах. Обладает умеренной прочностью (марки от Г-2 до Г-25), быстрым схватыванием и относительно невысокой стоимостью. Применяется для производства гипсокартонных листов, сухих штукатурных смесей, перегородочных плит, вентиляционных блоков.

Высокопрочный гипс (α-полугидрат)

Получают при нагреве гипса в герметичных условиях (автоклавная обработка). Характеризуется меньшей водопотребностью (около 35–45% против 50–70% у строительного гипса) и, как следствие, значительно более высокой прочностью (марки от Г-13 до Г-50 и выше). Используется для изготовления архитектурных деталей, лепнины, формочек в керамической промышленности, для гипсовых заливок.

Ангидритовые вяжущие

Получают путём обжига гипса при температуре 600–900 °C с последующим помолом. Состоят из нерастворимого ангидрита (CaSO₄). Для активизации процесса твердения в них вводят катализаторы (известь, сульфаты, некоторые соли). Твердеет медленно, но обладает повышенной водостойкостью и прочностью. Применяется для устройства полов, штукатурок, кладочных растворов.

Эстрих-гипс (высокообжиговый гипс)

Обжиг при температуре 900–1000 °C. Содержит значительное количество свободной извести, которая играет роль активизатора твердения. Отличается очень медленным схватыванием (до нескольких суток), высокой плотностью и повышенной водостойкостью. Использовался для устройства монолитных полов и оснований.

Формовочный гипс

Разновидность строительного или высокопрочного гипса с особо тонким помолом, предназначенная для получения точных слепков и форм. Соответствует маркам Г-5 – Г-7 .

Механизм твердения

При смешивании гипсового вяжущего с водой происходит обратный процесс гидратации. Полуводный сульфат кальция растворяется в воде, образуя пересыщенный раствор, из которого кристаллизуется двуводный гипс:

CaSO₄·0,5H₂O + 1,5H₂O → CaSO₄·2H₂O.

Выделяющиеся кристаллы двуводного гипса срастаются между собой, формируя прочный кристаллический сросток — гипсовый камень. Процесс твердения характеризуется несколькими стадиями: образование пересыщенного раствора, возникновение центров кристаллизации, рост кристаллов и их переплетение, приводящее к потере пластичности и набору прочности . Важной особенностью гипса является увеличение объёма при твердении (около 0,5–1%), что позволяет ему хорошо заполнять формы и воспроизводить мельчайшие детали рельефа. Это свойство широко используется в производстве архитектурного декора и формовочных изделий .

Свойства гипсовых вяжущих

Основные технические характеристики гипсовых вяжущих регламентируются ГОСТ 125-79.

• Тонкость помола — характеризует дисперсность порошка и влияет на водопотребность, сроки схватывания и прочность. Определяется остатком на сите с сеткой № 02 или № 008.
• Сроки схватывания — гипс относится к быстротвердеющим вяжущим. Начало схватывания для различных марок может наступать от 2 до 20 минут, конец — от 6 до 30 минут. Регулировка сроков осуществляется с помощью замедлителей (клеевая вода, бура, известковое молоко) или ускорителей (молотый гипсовый камень).
• Прочность при сжатии и изгибе — основная характеристика марки гипса (от Г-2 до Г-25 для строительного, до Г-50 для высокопрочного). Прочность образцов-балочек размером 40×40×160 мм определяется через 2 часа после их изготовления. С течением времени прочность может продолжать расти, но медленно.
• Водопотребность — количество воды, необходимое для получения теста нормальной густоты (расплыв цилиндра 50±5 мм). У строительного гипса она высока (50–70%), у высокопрочного — ниже (35–45%). Высокая водопотребность объясняется большой удельной поверхностью частиц β-полугидрата.
• Водостойкость — низкая. Гипсовый камень обладает растворимостью в воде, поэтому его применение в условиях повышенной влажности ограничено. Для повышения водостойкости вводят гидрофобные добавки, покрывают изделия защитными составами или модифицируют цементом и активными минеральными добавками .

Модификация и повышение эксплуатационных характеристик

Несмотря на ценные свойства (экологичность, огнестойкость, хорошая адгезия, способность «дышать»), основным недостатком гипсовых материалов остаётся их низкая водостойкость. Для её повышения, а также для регулирования сроков схватывания и улучшения прочностных показателей применяют различные методы модификации:

• Введение замедлителей и ускорителей схватывания для управления технологическими процессами.
• Добавление гидрофобизирующих веществ (кремнийорганические соединения, парафиновая эмульсия) для снижения водопоглощения.
• Применение комплексных добавок (полимеров, цемента, активных минеральных наполнителей) для создания смешанных вяжущих, например, гипсоцементно-пуццолановых, которые обладают повышенной водостойкостью. Такие смеси позволяют использовать гипс даже для устройства оснований полов и фасадных систем .
• Армирование — введение в гипсовую матрицу полимерной или другой фибры для повышения трещиностойкости и ударной вязкости.

Области применения

Благодаря разнообразию свойств, гипсовые вяжущие находят широчайшее применение в строительстве и других отраслях:

• Производство стеновых материалов: гипсобетонные плиты и блоки для перегородок, пазогребневые плиты.
• Изготовление листовых материалов: Гипсокартон (ГКЛ) и гипсоволокнистые листы (ГВЛ).
• Сухие строительные смеси: штукатурки (машинного и ручного нанесения), шпатлёвки, монтажные клеи (например, для крепления гипсокартона).
• Декоративные и архитектурные элементы: лепнина (молдинги, карнизы, розетки), искусственный камень, барельефы.
• Формовочное производство: в керамической и фарфоро-фаянсовой промышленности для изготовления форм, в ювелирном деле и медицине (стоматология, травматология).
• Сельское хозяйство (для гипсования почв).

Роль гипса в производстве цемента

Помимо самостоятельного применения, гипс (обычно природный двуводный или ангидрит) выполняет важнейшую технологическую функцию при производстве портландцемента и других видов цемента. Он вводится в состав цемента на стадии тонкого помола цементного клинкера. Основная цель этой операции — регулирование сроков схватывания.

Без добавки гипса минералы клинкера, особенно трехкальциевый алюминат (C₃A), при взаимодействии с водой прореагировали бы практически мгновенно, вызывая практически моментальное схватывание («ложное схватывание»), что сделало бы невозможным транспортирование и укладку бетонной смеси. Сульфат-ионы, поступающие при растворении гипса, реагируют с C₃A и водой, образуя игольчатые кристаллы эттрингита (гидросульфоалюминат кальция). Эта реакция протекает в пластичной фазе и замедляет гидратацию самого C₃A, обеспечивая технологически необходимое время до начала схватывания (обычно не менее 45 минут) .

Количество вводимого гипса строго дозируется и зависит от содержания C₃A в клинкере и условий последующего твердения. Обычно оно составляет 3–6% от массы цемента. Недостаток гипса может привести к быстрому схватыванию, а его избыток — к сульфатной коррозии (образованию позднего эттрингита) в затвердевшем бетоне, что вызывает растрескивание и разрушение конструкции .

Нормативные документы

• ГОСТ 125-79 «Вяжущие гипсовые. Технические условия»
• ГОСТ 23789-2018 «Вяжущие гипсовые. Методы испытаний»
• ГОСТ 31377-2008 «Плиты гипсовые пазогребневые для перегородок. Технические условия»
• ГОСТ 32614-2012 (EN 520:2009) «Листы гипсовые. Технические условия»
• EN 13279-1:2008 «Gypsum binders and gypsum plasters — Part 1: Definitions and requirements»

См. также

• Гипс
• Ангидрит
• Гипсобетон
• Пеногипс
• Строительный раствор
• Смешанные вяжущие

Литература

• Волженский А.В., Буров Ю.С., Колокольников В.С. Минеральные вяжущие вещества: технология и свойства. — М.: Стройиздат, 1979. — 476 с.
• Ферронская А.В. Гипсовые материалы и изделия (производство и применение). — М.: АСВ, 2004. — 488 с. ISBN 5-93093-272-7
• Будников П.П. Гипс и его исследование. — М.: Изд-во Академии наук СССР, 1933. — 266 с.
• Брюкнер Х., Дейлер Е., Фитч Г. Гипс. Изготовление и применение гипсовых строительных материалов / под ред. В.Б. Ратинова. — М.: Стройиздат, 1981. — 223 с.
• Воробьев Х.С. Гипсовые вяжущие и изделия (зарубежный опыт). — М.: Стройиздат, 1983. — 200 с.
• Мещеряков Ю.Г. Гипсовые попутные промышленные продукты и их применение в производстве строительных материалов. — М.: Стройиздат, 1982. — 144 с.
• Булычев Г.Г. Смешанные гипсы. Производство и применение в строительстве. — М.: Госстройиздат, 1952. — 133 с.
• Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. — М.: Стройиздат, 1981. — 464 с. (главы по гипсовым системам)
• Попов К.Н., Каддо М.Б. Строительные материалы и изделия. — М.: Высш. шк., 2001. — 367 с. ISBN 5-06-003799-1