Строительный гипс


Г. Н. Пшеничный






                СТРОИТЕЛЬНЫЙ ГИПС




Монография




















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 691.533
ББК 38.32
    П93


Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, член-корреспондент Российской инженерной академии, заслуженный деятель науки Российской Федерации Т. В. Кузнецова;
доктор технических наук, профессор Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева Е. Н. Потапова


    Пшеничный Г. Н.
П93       Строительный гипс : монография / Г. Н. Пшеничный. - Москва ;
    Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 108 с. : ил.
           ISBN 978-5-9729-1058-8

     Представлена история возникновения и развития древнейшего минерального вяжущего вещества - строительного гипса. Показано, что существующая схема твердения гипса, предусматривающая растворение зерен вяжущего продукта до ионно-молекулярного состояния, химическое взаимодействие с водой затворения, пересыщение поровой жидкости новообразованиями, выпадение и сращивание кристаллов, не отражает ход реального процесса. Взаимодействие реагентов представляет собой процесс непосредственного заполнения межкристаллитных полостей гипсовых зерен водой затворения. Приведена динамика ряда сопровождающих твердение строительного гипса свойств и явлений.
     Для научных сотрудников и специалистов, связанных со строительной деятельностью.

                                                            УДК 691.533
                                                            ББК 38.32










ISBN 978-5-9729-1058-8

© Пшеничный Г. Н., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

            ОГЛАВЛЕНИЕ



ВВЕДЕНИЕ.................................................4
НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ.......................................6
1. ПРОИЗВОДСТВО СТРОИТЕЛЬНОГО ГИПСА......................7
1.1. Гипс в историческом плане...........................7
1.2. Происхождение и добыча гипсового сырья.............10
1.3. Обжиг и помол строительного гипса..................14
1.4. Значение и роль гипса в строительной практике......22
Выводы по главе.........................................24
2. О «МЕХАНИЗМАХ» ТВЕРДЕНИЯ ГИПСА.......................27
2.1. Существующие модели твердения гипса................27
2.2. Научные проблемы гипсового вяжущего вещества.......35
2.3. Уточняющий аспект твердения строительного гипса....40
Выводы по главе.........................................42
3. СУЩНОСТЬ ОТВЕРДЕВАНИЯ ГИПСА..........................45
3.1. Эскизный набросок процесса твердения гипса.........45
3.2. Что же определяет прочность гипса?.................51
3.3. Объемные деформации твердеющего гипса..............55
3.4. Морфология затвердевшего строительного гипса.......60
3.5. Диагностика строительного гипса....................62
Выводы по главе.........................................66
4. ОСОБЫЕ СВОЙСТВА ГИПСА................................69
4.1. Действие добавок-электролитов......................69
4.2. Действие повышенных температур.....................75
4.3. Использование необожженного природного гипса.......77
4.4. Несколько слов о гипсе и гипсобетоне...............81
4.5. Об обобщении схемы твердения строительного гипса...85
Выводы по главе.........................................87
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ............................................90
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................94
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА.............................100

3

                            Существует три разновидности людей: те, кто видит; те, кто видит, когда им показывают; и те, кто не видит итальянский политический деятель Никколо Макиавелли


            ВВЕДЕНИЕ


     Казалось бы, что может быть неизвестного и неизведанного в таком простом, известном не одно тысячелетие вяжущем веществе, как строительный гипс? Французский химик А. Л. Ле-Шателье дал ясный и исчерпывающий ответ на проблему его твердения, заключающуюся в последовательности явлений: растворении гипсовых зерен в воде, химическом взаимодействии реагентов, насыщении и пересыщении жидкой среды новообразованиями, выпадении и сращивании кристаллов, формировании и упрочнении камня. Авторитетные бетоноведы обобщили эту теоретическую позицию и распространили ее на другие (в том числе, клинкерные) вяжущие вещества. И вот на протяжении без малого полутора сотен лет эта позиция безапелляционно используется в научно-практической среде и учебном процессе подготовки высококвалифицированных специалистов строительного направления.
     Все бы ничего, если бы не ряд неувязок. Продолжительность взаимодействия гипса с водой составляет 10...40 минут. Попробуйте-ка втиснуть в этот временной интервал выше отмеченную последовательность явлений. Сложновато, не правда ли? Кроме того, растворение гипса в воде - процесс с поглощением тепла (ведь надо же приложить дополнительную энергию для разрушения мощных кристаллических связей). В действительности мы имеем прямо обратный сюжет - смешивание компонентов приводит к такому разогреву гипсовых составов, что делает невозможным даже прикосновение не защищенных рук. Затвердевший гипсовый камень можно неоднократно переводить в исходное вяжущее состояние путем дробления, варки и помола; к тому же, при прессовании камня отчетливо выделяется жидкая среда. Обратимость процесса и простая отпрессовка воды неопровержимо указывают не на химическую, а физическую (адсорбционную) основу взаимодействия реагентов. При чем же тогда растворение и прочее? Наконец, почему обнаруживаемые микроскопией в затвердевшем гипсовом камне призматически-слоистые кристаллы микронных размеров считают следствием растворительно-кристаллизационных преобразований, а не результатом банального силового измельчения кристалло-слоистого природного гипсового камня?
     Все изложенное приводит к неожиданному итогу - не является ли хрестоматийная сквозьрастворная модель твердения строительного гипса умозри

4

тельным, мало реальным, не отвечающим реальному состоянию дел продуктом? Не хочется даже повторять о порочности обобщения и повсеместного распространения такого сомнительного и неоднозначного продукта.
     Задачей настоящей работы является рассмотрение проблемы отвердевания строительного гипса под несколько иным углом зрения, позволяющим не только взаимоувязать накопившиеся противоречия, но и представить простую и логичную картину преобразования пластичной гипсовой массы в камень. В процессе изложения материала использовались как собственные опытные данные, так и многочисленные экспериментальные результаты отечественных и зарубежных авторов.
     Монография включает разделы, касающиеся истории развития и современного состояния гипсобетонной технологии, сформировавшихся теоретических взглядов о сущности отвердевания минеральных вяжущих веществ со всеми их «научными проблемами». Упомянута практически забытая работа академика РИАН В. М. Севергина, впервые сформулировавшего основной принцип производства и применения строительного гипса: удаление воды при обжиге сырья и ее непосредственное потребление при контакте обезвоженного продукта с водой - одно и то же, но обратно направленное действие. Этот принцип очевиден, бесспорен и положен в основу предлагаемой схемы твердения гипса. Представлены: путь формирования прочности гипсового композита, его морфологическое устройство, сущность объемных деформаций, действие некоторых технологических факторов и др. Отмечена гидравлическая активность тонкомолотого природного сырья, что давно известно и «поднято на щит» в современной технологии строительных изделий.
     Хочется надеяться, что в нашем Отечестве больше первых двух отмеченных в эпиграфе к монографии разновидностей людей. Автор будет признателен и благодарен всем, кто хотя бы бегло, «по диагонали», но со смыслом, просмотрит монографию и составит о ней свое мнение. Неизбежные при такого рода научно-исследовательских работ ошибки, неточности и упущения просьба направлять: е-mail: pgn46@mail.ru. Единственное, что не будет воспринято - тезисы типа: «этого не может быть», «все это чепуха», «я в это не верю».

5

            НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ



     В монографии использованы ссылки на следующие нормативные документы:
     -   ГОСТ 125-2018 Вяжущие гипсовые. Технические условия;
     -        ГОСТ 310.3-76 Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема;
     -   ГОСТ 450-77 Кальций хлористый технический. Технические условия;
     -   ГОСТ 10690-73 Калий углекислый технический. Технические условия;
     -   ГОСТ 23789-2018 Вяжущие гипсовые. Методы испытаний;
     -   ГОСТ 24211-91 Добавки для бетонов. Общие технические требования;
     -   ГОСТ 24211-2008 Добавки для бетонов и строительных растворов;
     -        ГОСТ 31377-2008 Смеси сухие строительные штукатурные на гипсовом вяжущем;
     -        ГОСТ Р 51232-98 Вода питьевая. Общие требования к организации и методам контроля качества;
     -        ГОСТ Р 51887-2002 Гипсы стоматологические. Общие технические условия;
     -        ГОСТ Р 56196-2014 Добавки активные минеральные для цементов. Общие технические условия;
     -   ГОСТ Р 58144-2018 Вода дистиллированная. Технические условия;
     -        СанПиН Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения;
     -   CSA CAN 3-A5 Определение времени схватывания цемента;
     -        EN 196-3:2005+А1:2008 Методы испытаний цемента. Часть 3. Определение времени схватывания и равномерности изменения объема.

6

            1.     ПРОИЗВОДСТВО СТРОИТЕЛЬНОГО ГИПСА

            1.1. Гипс в историческом плане


     Согласно археологическим, историографическим, биостратиграфиче-ским и научно-техническим методам исследований установлено, что человечество начало заниматься строительной деятельностью в доисторические времена. При этом характер строительства во многом зависел от географических и климатических условий региона, наличия пригодных к использованию сырьевых материалов, соответствующих опыта, знаний и навыков. Изначально жильем для людей служили шалаши и ветровые заслоны из древесных ветвей, уплотненные листвой, травой, мхом, берестой, шкурами животных. Для устройства жилищ использовали также естественно образовавшиеся каменные навесы, гроты и пещеры.
     По мере возникновения оседлого земледельческого и животноводческого образа жизни появилась необходимость применения более совершенных строительных материалов. И не последнюю роль здесь сыграла обычная глина - осадочная горная порода, образовавшаяся в результате выветривания алюмосиликатных горных пород. Основой состава глин являются глинозем (AI2O3) и кремнезем (S1O2), а также примеси песка, известняка, доломита, иных минеральных и органических соединений, влияющих на цвет, пластичность, водопотребность и прочие свойства материала. Глинистые частицы имеют чешуйчатое строение микронных размеров, обладающие высокими гидрофильными свойствами. При смешивании глины с водой образуется пластичное легко обрабатываемое тесто. Отформованные изделия (например, сырцовой кирпич, рис. 1.1) при высушивании на солнце теряют гигроскопическую воду, отвердевают и приобретают достаточную прочность. Для снижения массы, повышения прочности и теплозащитных свойств кирпича в глиняный состав добавляли рубленную солому. Стены жилищ возводили путем укладки кирпича на глиняной связке.
     Для защиты от зноя и холода применяли также глиняную обмазку стен тростниковых и древесных жилищ. Такую же операцию производили с плетеными корзинами и закромами, предназначенными для хранения зерна. После сушки эти объекты приобретали необходимую прочность.
     Конечно же, сырцовые глиняные изделия и сооружения имели существенный недостаток - низкую водостойкость. Частичное решение этой проблемы достигалась защитой глиняной поверхности шкурами и циновками. Од


7

нако ее кардинальное решение - обжиг глиняного сырца. При обжиге глина теряет не только гигроскопическую, но и конституционную воду, превращаясь в твердый и водостойкий камнеподобный материал с прочностью 7,5.. .15,0 МПа. Однако и здесь очевидна технологическая проблема - необходимость использования для обжига высоких температур, соответственно, повышенных энергетических затрат.


Рисунок 1 - Производство сырцового кирпича в Древнем Египте [1 ]

     Бесспорным прорывом в строительном производстве явились практически одновременное изобретение таких минеральных вяжущих веществ, как воздушная известь и гипс. Их применение в соединении с водой и заполнителями (песком, щебнем) позволило использовать не только в виде кладочных растворов, но и производить мелкоштучные строительные изделия (кирпич, стеновой камень, блоки) и даже массивные сооружения. Твердение известкового вяжущего продукта связано с испарением избыточной механически связанной воды и карбонизацией гидрата окиси кальция углекислым газом окружающей среды с появлением стабильного карбоната кальция:


8

Са(0Н)2 + СО2 = СаСОз + Н2О.
     Эти «процессы протекают крайне медленно, и даже очень старые, твердевшие сотни лет, растворы в сооружениях обычно содержат наряду с карбонатом кальция и не карбонизированный гидрат окиси кальция. Судя по исследованиям древних растворов, старая пословица - «Известь в сто лет еще ребенок»» [1] - достаточно полно отражает реальность.
     Кроме медленного отвердевания и исключительно воздушных условий выдерживания известковые растворы и бетоны характеризуются низкой водостойкостью, что ограничивало область их применения. Для придания известковой композиции гидравлических свойств (способности водного твердения) и повышенной водостойкости использовали (и сейчас применяют в соответствии с требованиями ГОСТ Р 56196) тонкомолотые гидравлические (пуццо-лановые) добавки (диатомит, трепел, туф, пемзу, вулканический пепел, молотую керамику и др.), включающие активный аморфный кремнезем, который химически связывает известь, формируя структурно стабильный и долговечный гидросиликат кальция:

Са(ОН)2 + S1O2 + Н2О = СаО-8Ю2-И2О.

     Строительный гипс является также воздушным вяжущим веществом и также имеет пониженную водостойкость, однако скорость его твердения несопоставимо выше таковой известковых составов. По этой причине в Древнем Египте, имеющем сухой и жаркий климат, предпочтение отдавалось именно гипсовому вяжущему, несмотря на то, что в этом регионе известняк более распространен и доступен. К тому же, сказывался недостаток топлива (известь требует обжига при температуре около 900.. .1000 °С, в то время как для варки гипса достаточно 100...200 ° С).
     Гипсовый раствор применяли для кладки внутренних каменных массивов пирамид фараонов, производства внутренних облицовочных плит и штукатурки, изготовления гладких поверхностей стен и потолков под фресковую роспись, формование скульптур, барельеф и подобной декоративной лепнины. Заметим, что широкое использование в Египте строительного гипса было технически рационально и вполне соответствовало экономическим и климатически условиям. Сухость климата и применение гипса для внутренних целей (отделки гробниц, храмов, дворцов) были причиной того, что египетские строители даже не стремились к совершенствованию этого вяжущего вещества в части повышения его водостойкости.
     Из Египта секрет гипсового связующего попал в древние Грецию и Рим, где местные мастера гипс (зачастую в сочетании с известью и молотым в пыль

9

мрамором) применяли для оштукатуривания внутренних и наружных стен каменных и сырцово-кирпичных зданий. Эти покрытия отличались высокой прочностью, долговечностью и силой сцепления. «Когда покрытый им камень растрескивался или сдвигался, гипс не поддавался. Часто даже, когда отдельные камни выпадали из кладки, остальные продолжали висеть, удерживаемые обмазкой» [1]. Широкое распространение гипс получил также для изготовления разъемных форм при отливке, например, бронзовых статуй. Заметим, что в рассматриваемый временной период гипс не применялся в качестве кладочного раствора, область его применения ограничивалась штукатурными, отделочными работами, скульптурой. Для кладочных дел предпочтение отдавалось известковому вяжущему.
     Со временем гипс нашел применение в Средней Азии, Индии и многих других регионах в качестве кладочных, штукатурных и отделочных материалов. Популярность гипсового вяжущего обусловлена его экологичностью, негорючестью и относительной дешевизной.


            1.2. Происхождение и добыча гипсового сырья


     Природный гипс является типичным осадочным минералом, образуется при испарении воды, насыщенной солями кальция. Залегает в пластах осадочных пород, образуя волокнистые, чешуйчатые или плотные мелкозернистые массивы. В значительных количествах отлагается в озерных и морских соленосных отмирающих бассейнах в виде горизонтальных или под небольшим (вызванным тектоническим действием) наклоном слоев толщиной от десятков до сотен метров и площадью до многих квадратных километров. Зачастую встречается гипс, загрязненный ангидритом, глиной, известняком, самородной серой, битумами, нефтью и другими минеральными и органическими продуктами, что требует дополнительных и трудозатратных обогатительных мероприятий.
     Природный гипс формируется преимущественно в виде волокнистослоистых массивов (рис. 2), включающих чередование твердых слоев сульфата кальция, разделенных водными прослойками. Такая архитектура природного гипсового камня формировалась «в условиях литогенеза - совокупности природных процессов образования и дальнейших изменений осадочных горных пород при тектонических движениях и изменении климата» [2]. Невольно напрашивается некая аналогия слоистости гипсового камня с возникновением годичных древесных колец. Осадочные процессы, включающие растворение базовой породы, осаждение твердого вещества из жидкой среды, формирование структуры камня (как и рост клеток древесины) протекают с различной


10

интенсивностью в зависимости от смены теплого (влажного) и холодного времен года. Так или иначе, периодичность климатических условий определяет слоистую архитектуру гипсового камня с естественным заполнением межкристаллитных полостей ассоциированной водной средой, содержащей не только локализовано рассредоточенную на минеральной подложке адсорбционно связанную воду, но и ряд слоев с закономерно снижающейся энергией связи диполей [3].


Рисунок 2 - Структура природного гипсового камня

     В зависимости от условий залегания гипсовый камень издавна добывали как открытым, так и подземным способами (рис. 3). В первом случае залежи гипса раскапывали из-под тонкого слоя почвы и выламывали небольшими обломками при помощи клиньев и молотов. После изобретения пороха разрушение гипсовой породы осуществляли более производительным взрывным методом. При подземном способе гипсовую породу добывали обычным выламыванием, устраивая штольневые выработки и предусматривая соответствующие меры защиты от обрушения (как правило, путем бревенчатых опорных конструкций).


Рисунок 3 - Разработка гипсового карьера [1]

11