Свойства, получение, применение строительного гипса

27.07.2018

История гипса

Гипс образовался в результате испарения древнего океана около 150-200 миллионов лет назад. В природе он встречается в виде гипсового камня, который расположен в недрах земли.

Археологи находят строения из гипса на территориях современного Египта, Израиля, Малой Азии. Известно, что люди знали о его существовании и умело использовали еще во времена строительства древнеегипетских пирамид. Из Египта секреты производства гипса распространились на остров Крит, а оттуда в Древнюю Грецию – величайшую строительную империю.

На Крите наружные стены дворца царя Кносса были выполнены из гипсового камня, а швы заполнены раствором из гипса. Вскоре производство гипса появилось и в Древнем Риме. По мере завоевания Римской Империей стран Европы распространялась и информация о применении гипса в строительстве, отделке и изготовлении предметов быта. Однако после падения империи были утеряны все секреты его производства. Оно вновь было возобновлено только в 11 веке уже нашей эры. Удивительно, но древние гипсовые стяжки и кладки имели необыкновенную прочность, твердость и долговечность, сравнимую с современным бетоном. Секрет заключался в том, что наполнители и вяжущие были выполнены из одинакового по составу материала. Тонкость помола и невероятно низкое соотношение воды к гипсу (всего 0,4!) – еще одна причина высокой прочности древних строений из гипса.

В наше время плотность гипса и его прочность абсолютно другая, гораздо ниже, чем в древности.

Разновидности гипса

Гипс – это первое вяжущее вещество, полученное человеком. Строительное минеральное вяжущее – это порошкообразное вещество, которое после смешивания с водой превращается в пластичную, гибкую массу и постепенно застывает до каменного состояния.

Основу любого строительства составляют вяжущие вещества. Они используются для производства строительных растворов, изготовления плит.

Гипсовое вяжущее – это искусственно полученное вяжущее путем обжига. Оно состоит из полуводного гипса, который при термообработке (105-200°С) превращается в двуводный:

CaSO₄*0,5H₂O → CaSO₄+2H₂O

Строительный гипс может быть как природного, так и промышленного происхождения.

Его получают как из природного гипсового камня, так и из химических отходов. Смысл операции заключается в исключении воды (дегидратации) из гипсового состава при повышении температуры. Человечество открыло этот нехитрый способ получения около 20 тысяч лет назад. Люди заметили, что после обжига гипс превращался в порошок, а затем после дождя вновь трансформировался в камень.

По способу получения гипс бывает α или β-модификации.

Для очищения и получения высокопрочного гипса α-модификации сырье нагревают в автоклавах без доступа воздуха под давлением при температуре 95-130°, вода удаляется капельным путем. Полученный полуводный гипс отличается высокой прочностью и качеством. Однако дороговизна и сложность его получения сказывается на его себестоимости.

Гипс β-модификации получают в открытых печах при более высоких температурах 150-180°С. Двуводный гипс нагревают, вода превращается в пар и при выходе из сырья образует огромное количество мельчайших пор, которые значительно ухудшают его качество. Измельченный гипс β-модификации называют строительным или алебастром. Формовочным называется гипс β-модификации более тонкого помола, медицинским – из хорошего чистого сырья с мелким помолом.

Разница между гипсом альфа и бета модификации состоит только в способе производства и полученном результате.

Алебастр – это разновидность природного зернистого гипса с более мелким строением зерна. Алебастр относят к строительному гипсу, однако нельзя любой зернистый гипс считать алебастром.

Алебастр – это быстротвердеющий вяжущий материал, в составе которого полуводный сульфат кальция CaSO4 • 0,5Н2О. Он относится к гипсу β-модификации, поскольку производится в открытых печах.

Ангидрит – это безводный гипс природного происхождения. Он отличается длительным схватыванием и твердением, в его составе безводный сульфат кальция CaSO₄ и активатор твердения CaO.

Эстрих-гипс получают путем обжига природного гипсового камня при t°=800-950°С. Дополнительным веществом при его диссоциации является оксид кальция CaO, который выступает активизатором затвердения ангидрита.

В результате обжига получают двуводный гипс, который обладает улучшенными свойствами по сравнению с обычным:

- Пониженная водопотребность 30-35% против обычных 50-60%;

- Длительные срок схватывания: начало не ранее 2 часов;

- Высочайшая прочность 10-20 МПа через 28 суток.

На рубеже XIX-XX вв. эстрих-гипс применяли для получения основания под чистый пол, кладочных работ, производства искусственного мрамора.

Гипсовые вяжущие – это вещества на основе полуводного гипса или ангидрита, которые называются воздушными вяжущими.

Их делят на три группы в зависимости от способа производства:

• I вяжущие, подвергающиеся термической обработке при их получении: α или β-модификации, полугидрат кальция и растворимый ангидрит.
• II вяжущие без термообработки: природный ангидрит.
• III вяжущие из первой или второй группы, которые смешивают с другими компонентами.

Представители I и II групп являются невлагостойкими (НГВ), основная часть представителей III группы относится к влагостойким вяжущим (ВГВ).

В свою очередь, вяжущие, получаемые путем термообработки, делят на низкообжиговые и высокообжиговые.

1. К первым относятся вещества, получаемые при t°=120-180°C:
   строительный гипс, включая алебастр, формовочный, высокопрочный, медицинский гипс. Они обладают невысокой прочностью и быстрой схватываемостью.

2. К высокообжиговым относятся вяжущие, полученные при t°=600-900°С:
   ангидритовый цемент, эстрих-гипс и отделочный цемент. Они отличаются высокой плотностью, прочностью и медленным твердением.

Свойства строительного гипса

Гипс обладает большим набором свойств, по которым его можно классифицировать.

Степень помола

Степень помола – одна из важнейших характеристик для классификации гипса. Она бывает трех видов, ее определяют по % соотношению остатка после просеивания через сито, размер ячеек которого равен 0,2 мм.

Степень помола	Индекс степени	Max остаток на сите, не более %
Грубый	I	23
Средний	II	14
Тонкий	III	2

Прочность на сжатие и изгиб

Для определения прочности гипса подвергают проверке образец из него - балку размером 40х40х160 мм через 2 часа после формования. Существует 12 марок по ГОСТу 125-79 (СТ СЭВ 826-77), их прочность колеблется от 2 до 25 МПа при сжатии (минимальный предел).

Марка	Min предел при сжатии	Min предел при изгибе
Г-2	;2(20)	1,2(12)
Г-3	3(30)	1,8(18)
Г-4	4(40)	2,0(20)
Г-5	5(50)	2,5(25)
Г-6	6(60)	3,0(30)
Г-7	7(70)	3,5(35)
Г-10	10(100)	4,5(45)
Г-13	13(130)	5,5(55)
Г-16	16(160)	6,0(60)
Г-19	19(190)	6,5(65)
Г-22	22(220)	7,0(70)
Г-25	25(250)	8,0(80)

Водопотребность гипса

Важнейший показатель «прочность» гипса зависит от его водопотребности (соотношение массы воды к массе вяжущего) при его производстве, которая выражается в процентном соотношении. Для получения стандартной консистенции (нормальной густоты) гипсового вяжущего методом литья при формировании изделий из гипса используют 60-80% воды к массе строительного/формовочного и 35-45% к массе высокопрочного гипса.

Для получения гипсового вяжущего β-модификации требуется 18,6% воды. Излишки воды образуют мельчайшие поры в полученном составе. После затвердения массы вода испаряется, а оставшиеся поры в гипсовых изделиях составляют 50-60% от общего объема. Пористость гипса значительно ухудшает его свойства, уменьшает прочность, поэтому нужно стремиться к тому, чтобы уменьшить количество воды при затворении гипса.

Для сокращения водопотребности массы в ее состав добавляют пластификаторы (разжижители), которые улучшают пластичность и подвижность вяжущего, оставляя прочностные характеристики без изменений. Перечислим самые известные пластификаторы: глюкоза, меласса, декстрин, двууглекислая сода, глауберова соль, сульфитно-спиртовая барда и др. Полученные материалы называют гипсополимеры. Из них, например, производят кирпич в стиле лофт (гипсовую плитку), широкий ассортимент которой представлен в нашем интернет-магазине. Здесь вы сможете выбрать и купить гипсовый кирпич и панели 3D из гипса.

0,1% раствор хлорида кальция при варке гипсового камня благоприятно сказывается на его свойствах, сокращая водопотребность и увеличивая скорость схватывания гипса.

Гипсовые вяжущие не стоит долго хранить на открытом воздухе, поскольку их качественные характеристики значительно меняются. Потеря водопотребности ведет к их искусственному состариванию, что искажает результаты стандартных проверок.

Иногда для сокращения водопотребности и увеличения гибкости и прочности теста инициируют пароувлажнение не более 5% воды от общей массы. Однако не следует злоупотреблять и держать гипсовые вяжущие вблизи паров более 3 месяцев, поскольку это ведет к потере его свойств.

Горючесть

Гипсовые изделия не горят, не поддерживают горение, тормозят нагревание в силу присутствия пор, а при высоких температурах еще и выделяют воду.

Морозостойкость

Гипсовое вяжущее выдерживает более 15-20 циклов замораживания-размораживания.

Армирование

Дерево и его производные отлично сцепляются с гипсом и служат надежной арматурой, в отличие от металла, который подвергается сильной коррозии в нейтральной среде из-за способности гипса впитывать влагу.

Схватывание гипса

По скорости схватывания гипс также делят на три группы: быстротвердеющий (А), нормальнотвердеющий (Б), медленнотвердеющий (В). Сроки затвердевания определяет прибор Вика.

Индекс	Начало схват. , не ранее мин.	Завершение схват., не позднее мин.
А	2	15
Б	6	30
В	20	Не нормир.

На скорость твердения гипса влияет много факторов: марка гипса, температура воды и ее количество, тонкость помола. Следует точно рассчитывать количество воды, поскольку малое ее количество ведет к быстрому затвердеванию, некачественному замесу, получению большого объема. При избытке воды страдают прочность и долговечность материала.

Температура воды также влияет на скорость схватывания. Рекомендуется применять холодную воду для более быстрого затвердевания массы.

Для замедления процесса затвердевания применяют различные компоненты: борную кислоту, буру, столярный клей, сульфитноспиртовую барду (ССБ), технический лигносульфонат (ЛСТ), полимерные дисперсии, кератиновый замедлитель.

Реакция твердения гипса

Реакция превращения пластичной массы из гипса в твердое состояние состоит из перехода полуводного  гипса в двуводный:

CaSO₄*0,5H₂O → CaSO₄+2H₂O

После смешения полуводного гипса с водой он растворяется, образуя раствор, и молниеносно гидратируется. Двуводный гипс превращается в осадок, а молекулы полуводного гипса продолжают реакцию растворения и превращения в двуводный и т.д. По окончании реакции через 1-2 часа ее результатом становится получение кристаллического отростка из молекул двуводного гипса. Значительную часть в составе полученных кристаллов составляет вода, которая после высыхания испаряется, а затвердевший гипс становится прочнее в 1,5-2 раза.

Главная причина наличия свободной воды в твердом гипсе заключается в том, что для его гидратации требуется всего 20% воды, а для получения гипсового теста 50-60%. Эта разница в 30-40% воды – головная боль производителей. Именно оставшаяся влага образует поры в полученном гипсе, а излишняя пористость изменяет его свойства в худшую сторону.

Методика получения α-модификации частично решило эту проблему, поскольку водопотребность полученного гипса снизилась и составила 30-40%. Полуводный гипс α-модификации относится к высокопрочному, он менее пористый, более твердый и имеет пониженную водопотребность. Но из-за дороговизны и сложности его получения широкое распространение он не получил.  

Производство строительного гипса

В качестве сырья для производства строительного гипса используют либо природный гипсовый камень, либо гипсовые отходы химической промышленности.

Природный гипсовый камень имеет формулу Ca₂SO₄*2H₂O (двуводный гипс) плюс примеси: SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃. Он имеет 4 сорта в зависимости от содержания сульфата кальция (Ca₂SO₄*2H₂O):

I сорт 95%

II сорт 90%

III сорт 80%

IV сорт 70%  

Промышленные отходы, содержащие гипс, также активно применяются для получения строительного гипса, например, фосфогипс, фторогипс, борогипс и др.

Ca5(PO4)3F + H2SO4 → H3PO4 + HF + CaSO4 * nH2O

Чтобы получить гипсовое вяжущее из сырья, первоначально нужно произвести его дегидратацию (отщепление молекул воды), которую мы уже подробно описали в получении α и β-модификаций.

Схематично это выглядит так:

 

Практически в промышленности используют более высокие температуры и в зависимости от условий и степени нагревания получают полуводный сульфат кальция α или β-модификаций, α и β- растворимый ангидрит, нерастворимый ангидрит.   

Производители больше применяют полугидрат β-модификации, не смотря на большую его водопотребность и меньшую прочность. Это связано с более простой технологией и меньшей себестоимостью.

Формула получения полугидрата:

 2(CaSO4 * 2H2O) => 2CaSO4 * H2O + 3H2O

Та же реакция, отраженная более условно:

CaSO4 * 2H2O => CaSO4 * 0,5H2O + 1,5H2O

Поскольку в реальности приходится использовать более высокие температуры, чем нужно для получения полугидрата, строительный гипс в своем составе имеет растворимый и нерастворимый ангидрит, что ведет к изменениям свойств гипса:

Пережженный строительный гипс со временем становится еще более качественным и прочным, а недожженный – наоборот: дольше схватывается, теряет прочность.

Содержание в строительном гипсе ангидрита растворимого и влажного гипса ускоряет процесс схватывания, потому что ангидрит мгновенно растворяется и становится двуводным, а сырой гипс превращается в сросток кристаллов.

Для получения строительного гипса применяют вращающиеся печи, варочные котлы (самый распространенный вариант), устройства для обжига и помола.

По видам операций процесс производства делится на несколько стадий:

1. Гипсовый камень подвергается дроблению на молотковой или щёковой дробилке;

2. Перемалывается и сушится в шахтной мельнице;

3. Нагревание в варочном котле или автоклаве;

4. Томление;

5. Повторное перемалывание в шаровой мельнице.

Области применения гипса:

• Строительство и отделка. Применяют в качестве связующего, выравнивающего и отделочного материала. Из него производят листы ГВЛ, гипсокартон, гипсовые камни. Составляют строительные смеси.
• Производство акустических плит
• Безопасность. Использование в качестве негорючего покрытия металлоконструкций.
• Хирургия и стоматология. Гипс применяют для создания слепков челюстей и накладывания гипсовых повязок при переломах.
• Керамика и дизайн. Для создания форм для заливки фигур используют обожженный гипс. Он отличается повышенной прочностью и надежностью.
• Скульптура, архитектура. Производство барельефов, карнизов, деталей лепнины, бюстов и скульптур. <

Массовое производство и потребление гипса продолжается, потому что трудно найти более универсальный, недорогой и практичный материал.