Курс лекций: Строительные материалы

Гипсовое вяжущее должно соответствовать требованиям ГОСТ 125-79 «Вяжущие гипсовые. Технические условия»

Технические свойства гипса. Истинная плотность полуводного гипса -- 2,65...2,75 г/см³ (двуводного -- 2,32 г/см⁵); насыпная плотность полуводного гипса -- 800... 1100 кг/м³.

По срокам схватывания, определяемым на приборе Вика гипс делят на три группы (А, Б, В):

Таблица 4.1

Замедляют схватывание гипса добавкой столярного клея, сульфит-носпиртовой барды (ССБ), технических лигносульфонатов (ЛСТ), кератинового замедлителя, а также борной кислоты, буры и полимерных дисперсий (например, ПВА).

Марку гипса определяют испытанием на сжатие и изгиб стандартных образцов-балочек 4 х 4 х 16 см спустя 2 ч после их формования. За это время гидратация и кристаллизация гипса заканчивается.

Установлено 12 марок гипса по прочности от Г-2 до Г-25 (цифра показывает нижний предел прочности при сжатии данной марки гипса в МПа):

В строительстве используется в основном гипс марок от Г-4 до Г-7.

По тонкости помола, определяемой максимальным остатком пробы гипса при просеивании на сите с отверстиями 0,2 мм, гипсовые вяжущие делят на три группы: грубый, средний, тонкий.

Плотность затвердевшего гипсового камня низкая (1200... 1500 кг/м³) из-за значительной пористости (60...30 % соответственно).

Гипсовое вяжущее -- одно из немногих вяжущих, расширяющихся при твердении: увеличение в объеме достигает 0,2 %. Эта особенность гипсовых вяжущих позволяет применять их без заполнителей, не боясь растрескивания от усадки.

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. Характер водной среды во влажном гипсе -- нейтральный (рН = 6,5...7,5), и она содержит ионы Са⁺² и SO^-2₄, поэтому стальная арматура в гипсе корродирует. Увлажнению гипса способствует его гигроскопичность -- способность поглощать влагу из воздуха.

Гипс хорошо сцепляется с древесиной и поэтому его целесообразно армировать деревянными рейками, картоном или целлюлозными волокнами и наполнять древесными стружками и опилками.

Гипсовые материалы не только являются негорючими материалами, но в силу своей пористости замедляют передачу теплоты, а при действии высоких температур в результате термической диссоциации выделяют воду, тем самым тормозя распространение огня.

В сухих условиях эксплуатации или при предохранении от действия воды (гидрофобизирующие покрытия, пропитки и т. п.) гипс очень перспективное с технической и экологической точек зрения вяжущее.

Области применения. Главнейшая область применения гипса -- устройство перегородок. Они могут быть заводского изготовления в виде панелей «на комнату», из гипсовых камней или из гипсокартонных листов. Последние также широко применяют для отделки стен и потолков. Гипсоволокнистые материалы используют как выравнивающий слой под чистые полы. Из гипса делают акустические плиты. В различных вариантах его применяют для огнезащитных покрытий металлических конструкций. Небольшое по объему, но важное направление использования гипса: декоративные архитектурные детали (лепнина) и скульптура.

Гипс используют для изготовления форм (например, для керамики)

- формовочный гипс и в медицине для фиксации при переломах -медицинский гипс. Два последних вида гипса отличаются от строительного несколько повышенными требованиями к тонкости помола ихимическому составу.

Местные вяжущие материалы из гипсосодержащих пород. В районах Средней Азии и Закавказья применяют местные вяжущие -- ганч и гажу. Их получают из пород, содержащих гипс (20...60 %) и глину (80...40 %). Ганч и гажа по свойствам напоминают обычный гипс, отличаясь от него более медленным схватыванием. Эти вяжущие используют для штукатурных и художественных работ.

Ангидритовое вяжущее и высокообжиговый гипс -- медленносхва-тывающиеся и медленнотвердеющие вяжущие, состоящие из безводного сульфата кальция CaSO₄ и активизаторов твердения.

Безводный сульфат кальция существует в природе в виде минерала -ангидрита, однако даже в тонкоразмолотом состоянии он не обнаруживает вяжущих свойств.

Высокообжиговый гипс (эстрих-гипс) получают обжигом природного гипсового камня CaSO₄ * 2Н₂О до высоких температур (800...950° С). При этом происходит его частичная диссоциация с образованием СаО. Последний 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 ч, 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. Весьма вероятно появление интереса к этому вяжущему в недалеком будущем.

Магнезиальные вяжущие

Магнезиальные вяжущие вещества (каустический магнезит MgO и каустический доломит MgO + СаСО₃) -- тонкодисперсные порошки, активной частью которых является оксид магния.

Получают магнезиальные вяжущие умеренным (до 700...800° С) обжигом магнезита (реже доломита). При этом карбонат магния диссоциирует с образованием оксида магния MgCO₃ > MgO + СО₂, а карбонат кальция СаСО₃ (в доломите) остается без изменения и является балластной частью вяжущего. Обожженный продукт размалывают.

При затворении водой оксид магния гидратируется очень медленно, проявляя слабые вяжущие свойства. Магнезиальные вяжущие принято затворять раствором хлорида или сульфата магния. В этом случае гидратация протекает значительно быстрее с образованием гидрата оксихлорида магния (3MgO * MgCl₂ * 6Н₂О), уплотняющего образующийся материал.

Сроки схватывания каустического магнезита зависят от температуры обжига и тонкости помола и обычно находятся в пределах: начало - не ранее 20 мин; конец - не позднее 6 ч.

Твердение начинается интенсивно, и через сутки вяжущее достигает прочности 10... 15 МПа; через 28 суток воздушного твердения прочность составляет 30...50 МПа. В жестких смесях прочность может достигать 100 МПа.

Магнезиальные вяжущие в XIX -- начале XX в. применялись для устройства бесшовных монолитных, так называемых ксилолитовых полов. Ксилолит (от гр. xelon -- древесина) -- бетон на магнезиальном вяжущем с наполнителем из древесных опилок. Серьезных перспектив у магнезиальных вяжущих из-за дефицитности сырья (магнезиты необходимы для получения огнеупоров) нет, но в последнее время они вновь начали применяться в отечественном строительстве.

Растворимое стекло и кислотоупорный цемент

Растворимое стекло -- силикаты натрия (Na₂O*mSiO₂) или калия (К₂О*mSiO₂), где m -- модуль стекла, находящийся в пределах для натриевого стекла 2,0...3,5, а для калиевого 3,5...4,5. Растворимое стекло получают сплавлением смеси кварцевого песка соответственно с содой Na₂CO₃ (или сульфатом натрия Na₂SO₄) и поташем К₂СО₃ в стекловаренных печах при 1300...1400°С. Образовавшийся расплав быстро охлаждают. При этом он распадается на полупрозрачные желто-зеленые куски, называемые силикат-глыбой.

В строительстве обычно используют раствор силикат-глыбы в воде - жидкое стекло (в быту такой раствор называют силикатный клей).Растворение производится в автоклаве насыщенным паром. Плотность раствора 1,5...1,3 г/см³, что соответствует концентрации раствора 70...50 %.

При растворении в воде силикаты натрия и калия гидролизуются с образованием коллоидного раствора кремневой кислоты Si(OH)₄ и соответствующих щелочных гидроксидов. В этих условиях (рН = 12...13) раствор кремневой кислоты относительно стабилен. Жидкое стекло имеет повышенную вязкость из-за того, что кремнекислота в нем находится в полимеризованном виде. При обезвоживании (испарении или отсасывании воды) или при нейтрализации щелочей (например, углекислым газом воздуха) раствор теряет стабильность и переходит в гель, уплотняющийся со временем и приобретающий значительную прочность. Так, растворимое стекло проявляет вяжущие свойства. В обычных условиях этот процесс может идти очень долго, поэтому используют добавки -- ускорители твердения.

Жидкое стекло применяют для изготовления кислотоупорных и жаростойких замазок и бетонов, а также как связующее в силикатных красках (только калиевое стекло).

Кислотоупорный цемент изготовляют из тонко измельченной смеси кислотоупорного наполнителя (кварца, диабаза, андезита и т. п.) и ускорителя твердения -- кремнефтористого натрия Na₂SiF₆. Название «цемент» для такого порошка имеет условный характер, так как сам он вяжущими свойствами не обладает и при смешивании с водой не твердеет. Вяжущим веществом в таких цементах является жидкое стекло, которым этот «цемент» и затворяют.

Ориентировочное количество Na₂SiF₆ от массы растворимого стекла (т. е. сухого вещества в составе жидкого стекла) в кислотоупорных растворах и бетонах составляет 10...15 %.

Сроки схватывания кислотоупорного цемента: начало -- не ранее 20 мин., конец -- не позднее 8 ч. У этого цемента нормируется предел прочности при растяжении после 28 суток твердения -- не менее 2,0 МПа. Прочность при сжатии бетонов на кислотоупорном цементе составляет 20...60 МПа.

Основным достоинством и отличием кислотоупорного цемента от других неорганических вяжущих является способность работать в условиях действия большинства кислот (за исключением плавиковой и фосфорной).

Кислотостойкость -- сохранение массы при испытании в кислоте -- не менее 93 %.

Однако при длительном воздействии воды, пара и растворов щелочей бетоны и растворы на жидком стекле теряют прочность.

Воздушная известь

Известь известна человечеству не одно тысячелетие и все это время активно используется им в строительстве и многих других отраслях. Это объясняется доступностью сырья, простотой технологии и достаточно хорошими свойствами извести.

Сырьем для получения извести служат широко распространенные осадочные горные породы: известняки, мел, доломиты, состоящие преимущественно из карбоната кальция (СаСО₃). Если куски таких пород прокалить на огне, то карбонат кальция перейдет в оксид кальция:

СаСО₃ > СаО + СО₂^

После прокаливания куски, теряя с углекислым газом 44 % своей массы, становятся легкими и пористыми. При смачивании водой они бурно реагируют с ней, превращаясь в тонкий порошок, а при избытке воды в пластичное тесто. Этот процесс, сопровождающийся сильным выделением теплоты и разогревом воды вплоть до кипения, называют гашением извести. Образующееся при избытке взятой воды пластичное тесто используют в качестве вяжущего. При испарении воды тесто загустевает и переходит в камневидное состояние. Недостаток извести -- медленное твердение: процесс набора прочности твердеющей известью растягивается на годы и десятилетия. В реальные сроки строительства прочность затвердевшей извести, как правило, не превышает 0,5...2 МПа.

Производство. Сырье -- карбонатные породы (известняки, мел, доломиты), содержащие не более 6...8 % глинистых примесей, обжигают в шахтных или вращающихся печах при температуре 1000... 1200° С. В процессе обжига СаСО₃ и MgCO₃, содержащиеся в исходной породе, разлагаются на оксиды кальция СаО и магния MgO и углекислый газ. Неравномерность обжига может привести к образованию в извести недожога и пережога.

Недожог (неразложившийся СаСО₃), получающийся при слишком низкой температуре обжига, снижает качество извести, так как не гасится и не обладает вяжущими свойствами.

Пережог образуется при слишком высокой температуре обжига в результате сплавления СаО с примесями кремнезема и глинозема. Зерна пережога медленно гасятся и могут вызвать растрескивание и разрушение уже затвердевшего материала.

Куски обожженной извести -- комовая известь -- обычно подвергают гашению водой:

СаО + Н₂О > Са(ОН)₂ + 1160 кДж/кг

Выделяющаяся при гашении теплота резко повышает температуру извести и воды, которая может даже закипеть (поэтому негашеную известь называют кипелкой).

При гашении куски комовой извести увеличиваются в объеме и распадаются на мельчайшие (до 1 мкм) частицы.