Применение гипса
Применение гипса в производстве строительный материалов и изделий всегда будет оправдано свойством этого материала быстро набирать прочность без тепловой обработки.
Водостойкость гипса
Главная проблема, стоящая перед еще более широким применением гипса, - его недостаточная водостойкость. При увлажнении гипсовые изделия значительно снижают свою прочностью, поэтому, несмотря на все свои положительные качества, гипсовые материалы почти не применяются в конструкциях, подверженных значительному воздействию влаги.
В последнее время отечественные производители и исследователи разработали несколько способов повышения водостойкости гипсовых материалов.
Один из способов - введении в полуводный гипс портландцемента в количестве 15–30 % (и более) совместно с активными гидравлическими добавками.
Получающиеся при этом смешанные трёхкомпонентные:
- гипс + портландцемент + гидравлическая добавка
вяжущие вещества отличаются быстротой схватывания и начального твердения полуводного гипса, а также способностью к гидравлическому твердению (подобно цементам) во влажной и даже водной среде.
Возможность управления процессами взаимодействия гипса и портландцемента при помощи гидравлических добавок доказана проведенными исследованиями.
Гидравлические добавки
Гидравлические добавки снижают концентрацию гидроксида кальция в водных растворах, что благоприятным образом сказывается на ходе образования гидросульфоалюмината кальция и стойкости изделий на этих вяжущих во времени. Однако не во всех регионах страны имеются сырьевые материалы, пригодные для получения ГЦПВ (гипсоцементно-пуццолановые вяжущие вещества).
Таким образом, применение отработанного силикагеля решит не только сырьевую проблему, но и экологическую — путём утилизации многотонных отходов производства.
В ходе экспериментов было изучено влияние различных факторов на свойства образцов на основе ГЦПВ и определено количество CaO в смеси. Ранее исследования, проведённые в МИСИ им. В. В. Куйбышева, показали возможность повышения водостойкости гипсовых вяжущих путём смешивания их с портландцементом и активными гидравлическими добавками.
Последние выполняют две основные функции:
- Первая из них сводится к снижению в водном растворе концентрации гидроксида кальция до таких пределов, когда вследствие увеличения растворимости глинозёма эттрингит начинает возникать преимущественно в водной среде, а не на поверхности цементных частичек, и тогда уже он способствует не разрушению, а упрочнению сложившейся структуры цементного камня. В этом случае положительную роль играют все составляющие гидравлических добавок, способные к взаимодействию с гидратом оксида кальция с образованием малорастворимых веществ.
- Вторая функция гидравлических добавок заключается в связывании сульфатов и алюминатов кальция в комплексные соединения, менее растворимые по сравнению с исходными веществами.
Таким образом, ГЦПВ характеризуются непрерывным ростом прочности при длительном пребывании во влажных условиях, в то время как прочность изделий из чистого гипса падает и к месячному возрасту уменьшается в 2,5–3,0 раза.
Надлежащей водостойкостью обладают смеси содержащие 50–70 % гипса, 20–25 % цемента и 15–30 % гидравлической добавки. Подобные смешанные вяжущие вещества характеризуются значительной прочностью (через 1–7 сут.) и способностью к гидравлическому твердению при длительных сроках (до 1–2 лет и более).
Применение более активных трепелов или других гидравлических добавок также положительным образом сказывается на свойствах вяжущего. В частности, водостойкость вяжущего, характеризуемая отношением прочности при сжатии водонасыщенных образцов к прочности высушенных (К3), увеличивается с 0,60–0,65 до 0,80 и выше.
Количество гидравлической добавки должно назначаться с таким расчётом, чтобы концентрация окиси кальция в растворе в течение 7 сут. с начала твердения не превышала 0,9 г/л, а в первые 3 сут. — 1 г/л. При меньшей её концентрации свойства ГЦПВ улучшаются. При этом наилучшими показателями будут обладать вяжущие, содержащие низкоалюминатный цемент.
Наиболее характерной добавкой является трепел.
Однако исследования показали, что его введение в гипсоцементные композиции не является достаточно эффективным технологическим способом, обеспечивающим оптимальные условия формирования камня.
В отличие от трепела белая сажа (аморфный кремнезём) обладает большей реакционной способностью.
Так, с уменьшением содержания полуводного гипса в системе не происходит снижение пластической прочности кристаллизационной структуры материала, как это бывает при применении трепела.
Наоборот, установлен стремительный рост этой прочности, достигающей максимальных величин при содержании полуводного гипса в количестве 60–70 % от массы дисперсной фазы. При одинаковом содержании полуводного гипса в системе с увеличением количества белой сажи до 10 % пластическая прочность структуры материала возрастает.
Максимальная интенсивность роста наблюдается при оптимальном содержании полуводного гипса.
Применительно к трепелу такой закономерности изменения пластической прочности нет. Наоборот, как с уменьшением содержания гипсового вяжущего, так и с увеличением содержания трепела пластическая прочность кристаллизационной структуры снижается.
Введение в гипсоцементные композиции аморфного кремнезёма, несомненно, более эффективно, чем применение активных минеральных добавок наподобие трепела. Для достижения оптимальной структуры камня с максимальной прочностью расход белой сажи должен составлять 10 %, а для необходимой устойчивости этой структуры — 15% от массы портландцемента.
Можно предполагать, что добавка силикагеля, представляющего собой аморфный кремнезём, будет оказывать такое же воздействие на гипсоцементно-пуццолановые системы, как и белая сажа.
Также, как показали исследования, в качестве добавки может использоваться силикагель — как отход производства, который используется для очистки газов от нефтепродуктов. Применение силикагеля позволяет увеличить водостойкость материала, вне зависимости от того, используется чистый или обработанный силикагель.
По этой технологии можно получить коэффициент водостойкости состава выше 0,8, и тогда материал может быть использованы не только для воздушных, но и для влажных условий, а также при воздействии воды.
При использовании портландцемента для повышения водостойкости гипса рекомендуется введение в гипсоцементные композиции электролитов, способных нейтрализовать гидроксид кальция. Это является эффективным технологическим средством, улучшающим условия формирования искусственного камня.
Электролиты позволяют предотвратить включение в кристаллизационный каркас структуры негидратированных частиц портландцемента, снижающих её устойчивость. Карбонаты щелочных металлов, кроме того, интенсифицируют процессы гидратации портландцемента, за счёт чего скорость твердения гипсоцементных композиций значительно возрастает.
По количеству они должны соответствовать стехиометрическому отношению к свободному оксиду кальция, имеющемуся в портландцементе.
Также рекомендуется кратковременная пропарка гипсоцементных строительных изделий до их сушки, что обеспечивает существенное улучшение качества выпускаемой продукции: при прочих равных условиях достигается рост прочности более чем на 20 %.
Установлено, что оптимальным температурным режимом приготовления и твердения гипсоцементных композиций является 35–40 °C. Положительное воздействие кратковременной пропарки или же применения тёплых смесей при такой температуре обусловлено улучшением условий гидратационного твердения цементной составляющей композиции.
В результате оптимизации условий формирования гипсоцементного камня представляется возможным получить материалы, по физико-механическим свойствам и долговечности сопоставимые со стеновыми материалами на портландцементе.
Применение комплексного вяжущего из портландцемента и гипсового вяжущего имеет, без сомнения, большие преимущества.
Благодаря быстрому набору прочности отпадает необходимость тепловой обработки изделий, чем сохраняется большое количество тепла идущего на эту операцию. Есть немалая экономическая выгода при замене части цемента гипсом, из-за его сравнительно невысокой стоимости. Также решается экологическая проблема по утилизации отработанного силикагеля.