СУХИЕ ШТУКАТУРНЫЕ СМЕСИ НА ОСНОВЕ МНОГОФАЗОВОГО ГИПСОВОГО ВЯЖУЩЕГО

2000 год. Сборник СМиИ, Алтыкис М.Г., Морева И.В., Рахимов Р.З.

УДК  691.55 /.56

И.В. Морева, М.Г. Алтыкис,  Р.З. Рахимов
Казанская государственная архитектурно-строительная академия

В отечественной практике строительства до недавнего времени применялись преимущественно товарные растворы централизованного приготовления. В последние годы появилась устойчивая тенденция к использованию для отделочных работ наряду с традиционными растворами сухих строительных смесей, но, главным образом, зарубежного производства и с привлечением для выполнения работ иностранных специалистов.

Выпуск сухих строительных смесей на предприятиях отрасли освоен еще недостаточно, они производятся в основном на заводах, построенных или оборудованных с помощью иностранных фирм, с использованием импортных технологий и дорогостоящих зарубежных добавок. Таким образом, в настоящий момент ситуация с производством и использованием сухих смесей, на наш взгляд, такова, что отечественная строительная отрасль в данном направлении поставлена в определенную зависимость от зарубежных фирм-производителей.

В связи с этим задача получения эффективных гипсосодержащих сухих смесей на отечественном сырье и добавках, разработка новых технологий приготовления сухих смесей, является актуальной.

Важнейшим этапом в создании эффективных гипсовых вяжущих, материалов и изделий является изучение теоретических и экспериментальных основ физико-химических процессов получения гипсовых вяжущих, в частности, процесса дегидратации гипса.

При дегидратации гипс претерпевает физико-химические, кристаллохимические и структурно-механические превращения, которые протекают при разных температурах, с различными скоростями и неоднозначно влияют на качество продукта.

Несмотря на то, что исследованиями системы СаSО4-Н2О занимались и занимаются в настоящее время многие ученые, совершенствуются аппаратура и методы исследования, отдельные вопросы, касающиеся количества фаз в системе, строения их кристаллической решетки, условий образования и областей стабильного существования, являются дискуссионными.

В системе СаSО4-Н2О достаточно определенно охарактеризованы  такие известные фазы, как дигидрат сульфата кальция СаSО4.2Н2О и три фазы ангидрита: растворимый ангидрит СаSO4 III, нерастворимый ангидрит СаSO4 II и высокотемпературная фаза СаSO4 I. [1, 2, 3, 4 ]

Сведения о составе фаз СаSO4. хН2О, где 0 < х < 2, противоречивы.

Кристаллы полугидрата относят к ромбической [2], моноклинной [5] и гексагональной сингониям  [6]. Предполагают также полиморфизм полугидрата [3].

Приводятся сведения, что Ле Шателье и Богич при температурах 120-175o С получали следующие фазы гипса без изменения кристаллической решетки [4 ]:

СаSO4 . 0,5H2O (120o), CaSO4 . 0,5H2O (140oС), CaSO4 х х0,46H2O (150oС), CaSO4 . 0,37H2O (160oС), CaSO4 . 0,30H2O (175oС). Причем кристаллы, полученные при температуре выше 140оС, хуже присоединяли воду.

Довольно значительный диапазон изменения количества воды, содержащейся в кристаллической решетке полугидрата ( 0 < х < 2/3), приводит К.В.Банн.

Позднее Е.Эйпельтауэр и Г.Баник [7], исследуя систему СаSO4—H2O с помощью дифференциально-термического анализа,  предположили образование моногидрата сульфата кальция СаSO4  . H2O.

Новую кристаллическую фазу гипса — СаSO4 .  0,67H2O           синтезировал М.Иосида [8]. Рентгенографические исследования на монокристалле СаSO4  . 0,67Н2О    были проведены    Н.Н Бушуевым [9].

Установлено, что структуры СаSO4 . 0,67H2O  и CaSO4 . 0,5H2O различны, и  это объясняет различие физико-химических свойств a— и b— модификаций. Различаются и рентгенограммы a— и b— полугидратов.

В более поздних исследованиях разных авторов [5,10] сообщается о фазе, имеющей моноклинную структуру , с возможной формулой СаSO4 . 0,6H2O. Изучение кристаллической структуры проводилось с помощью рентгеноструктурного (метод порошка) и нейтронографического анализа.

Таким образом, в отличие от общепринятых представлений, ступенчатую термическую дегидратацию гипса можно представить, согласно [ 6 ], схемой:
>= 50o                                      >=79o
СаSO4.2H2O->CaSO4.0,67H2O->CaSO4.0,5H2O-> g-CaSO4

Вместе с тем, рентгенографическим методом изучена тригональная фаза СаSO4.0,81H2O [11], другими исследователями в более поздних работах [12,13 ] — фаза СаSO4 х 0,15H2O.

Из анализа научно-технической литературы следует, что реакция дегидратации является многоступенчатой и все описанные соединения могут являться продуктами этой реакции.

В соответствии с приведенными данными процесс обезвоживания двугидрата сульфата кальция схематически можно представить следующим образом:

CaSO4 . 2H2O->CaSO4 . 0,81H2O->CaSO4 . 0,67H2O->CaSO4 . 0,6H2O->CaSO4 . 0,5H2O->CaSO4. 0,46H2O->  CaSO4.0,37H2O -> CaSO4.0,3H2O->CaSO4.H2O->CaSO4,. 0,15H2O->CaSO4

Данные о механизме дегидратации и условиях реакции, приводимые в литературе, не всегда согласуются между собой, что связано с изменяющимся фазовым составом изготавливаемого вяжущего, многообразием фаз и сложностью их идентификации в смеси.

В настоящее время существующими методами анализа возможно четко идентифицировать в смеси лишь фазы гипса (СаSO4 .2Н2О), нерастворимого ангидрита СаSO4 II  и бассанита (СаSO4 х0,5H2O).

Авторами выдвинута рабочая гипотеза, что, только за счет изменения соотношения вышеназванных фаз, можно получать многофазовые гипсовые вяжущие для сухих штукатурных смесей с заданными свойствами, сведя к минимуму введение химических добавок.

На основании этих предположений проводится работа по подбору составов сухих штукатурных смесей на основе местного минерального сырья  и изучение их физических и физико-механических  свойств.

На первом этапе сухие смеси готовились без введения мелкого заполнителя — песка.

В качестве вяжущего для сухих штукатурных смесей использовалось многофазовое гипсовое вяжущее, полученное путем механического  смешивания следующих фаз гипса:

  • нерастворимого ангидрита II, полученного обжигом гипсового камня Камско-Устьинского месторождения в лабораторной муфельной печи;
  • b-полугидрата (бассанита) в виде строительного гипса марки  Г-3АIII Аракчинского гипсового завода, соответствующий ГОСТ125-79.

В качестве активизатора твердения в состав многофазового гипсового вяжущего вводили известь воздушную комовую 3 сорта по ГОСТ 9179-77 Казанского завода силикатных стеновых материалов.

Физические и физико-механические свойства многофазового гипсового вяжущего и его составляющих приведены в таблице.

Физические и физико-механические свойства многофазового гипсового вяжущего и его составляющих

Процентное соотношение вводимых в состав многофазового гипсового вяжущего фаз определяет его физические и физико-механические свойства и позволяет регулировать их в зависимости от назначения вяжущего и сухих штукатурных смесей на его основе.

Частичная замена высокообжигового ангидрита строительным гипсом позволяет получать более дешевое вяжущее, сохранив при этом необходимые сроки схватывания и прочность.

Для получения сухих штукатурных смесей в состав многофазового гипсового вяжущего вводились:

  • суперпластификатор С-3 химкомбината г.Дзержинска в твердофазном состоянии в соответствии с ТУ 6-36-0204229-625-90 в качестве пластифицирующей добавки;
    метилцеллюлоза марки МЦ-С Усолье-Сибирского химического комбината по ТУ 6-01-20-43-89 в качестве водоудерживающей добавки.

Выбор активизатора твердения, добавок и их количественного соотношения обусловлен анализом научно-технической литературы и исследованиями, проведенными ранее на кафедре строительных материалов КГАСА [ 14 ].

Полученные в лабораторных условиях сухие штукатурные смеси на основе многофазового гипсового вяжущего позволяют приготовлять растворы со следующими техническими характеристиками:

  • подвижность 3-10 см;
  • начало схватывания: не ранее 1 часа;
  • конец схватывания: не ранее 20 минут после начала схватывания;
  • количество воды, необходимое для получения раствора нормальной густоты — не более 55%;
  • водоудерживающая способность 93-90%;
  • прочность сцепления с основанием 0,7-0,1 МПа;
  • прочность при сжатии 7-16 МПа.

Выводы.

Анализ научно-технической литературы и выполненные экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы:

  • достаточно определенно охарактеризованы в литературе такие известные фазы, как дигидрат сульфата кальция и ангидрит; опубликованные данные о полугидрате сульфата кальция противоречивы.
  • реакция дегидратации протекает многоступенчато, а идентификация некоторых фаз  смеси, образующихся при переходе СаSO4 .  2H2O ®CaSO4 достаточно сложна.
  • образующиеся при разных температурах модификации гипса отличаются друг от друга структурой, реакционной способностью, сроками схватывания и твердения, механической прочностью, что в итоге влияет на качество конечного продукта — многофазового гипсового вяжущего.
  • получение многофазовых гипсовых вяжущих и сухих штукатурных смесей на его основе предполагает идентификацию фаз. Существующими методами анализа фазового состава можно достаточно четко идентифицировать лишь фазы гипса, бассанита и нерастворимого ангидрита.
  • изменение процентного соотношения фаз, составляющих многофазовое гипсовое вяжущее, по нашему мнению, может позволить получать вяжущие с широким диапазоном свойств и являться одним из способов направленного регулирования физических и физико-механических свойств многофазовых гипсовых вяжущих и сухих  штукатурных смесей на его основе.
  • из местного минерального сырья республики Татарстан возможно получение многофазовых гипсовых вяжущих и  сухих штукатурных смесей на их основе.

Библиографический список

  1. Д.С.Белянкин, Л.Г. Берг. Гипс и продукты его обезвоживания/ Местные строительные материалы, вып.9, М., Стройиздат, 1949.
  2. Х.Брюкнер, Е.Дейлер, Г.Фитч. Гипс. Изготовление и применение гипсовых строительных материалов. М., Стройиздат, 1981. 223 с.
  3. Ю.Г. Мещеряков. Гипсовые попутные промышленные продукты и их применение в производстве строительных материалов. Л., Стройиздат, 1982 — 144 с.
  4. И.А. Передерий. Высокопрочный гипс ГП ( его технология и свойства ). Куйбышев, 1960. —  200 с.
  5. C.Bezou, A. Nonat, JC Mutin, AN Christensen, MS Lehmann. Investigetion of the crystal-structure of gamma-CaSO4, CaSO4 х  х0,5H2O and CaSO4. 0,6H2O by Powder Diffruction methods. Journal of solid state chemistry 1995, Vol 117. Iss 1, pp 165-176.
  6. Р.К. Расцветаева, Д.Ю. Пущаровский. Кристаллохимия сульфатов./ Итоги науки и техники. Сер. Кристаллохимия.// ВИНИТИ. 1989, т. 23, с. 172.
  7. Eipeltauer E., Banik G. Adsorbiertes Wasser und aubergewohnliche Hydrate in Gipsplastern und dadurch belingte Fehler in Plasenanalysen. — Tonindustrie Zeitung. B. 99. N 10, 1975.
  8. Yoshida M. Some studies of CaSO4. 2/3H2O Yogyo Kyokashi. — Journal of the Ceram. Society of Japan., v. 82, N 942, 1974.
  9. Н.Н. Бушуев. О структурных особенностях СаSO4.0,5H2O и  CaSO4 . 0,67H2O. Доклады АН СССР, 1980, 255, N5, с. 1104 -1109.
  10. R.J. Hand. Calcium-Sulfate Hydrates — a Review.  British Ceramic transactions 1997, Vol. 96. Iss. 3, p. 116-120.
  11. Von Walter Abriel. Calcium Sulfat Subhydrat, CaSO4. 0,8H2O.Acta Cryst. (1983), С. 39, 956-958.
  12. C.A. Strudom, D.L. Hudsonlamb, J.H. Potgieter, E. Dagg. The thermal dehydration of synthetic  gypsum.//  Thermochimica Acta 269: 1995, p. 631-638.
  13. D.L. Hudsonlamb, C.A. Strydom, J.H. Potgieter. The thermal dehydration of natural gypsum and pure calcium sulphat dihydrate (gypsum).// Thermochimica Acta 283 (Jul, 10, 1996), p. 483-492
  14. Отчет о НИР «Разработка  и исследование свойств материалов на базе ангидритового цемента для наружной и внутренней отделки зданий (плитки, отделочные растворы, растворы для самонивелирующихся полов), (заключительный). Казань,1997. — 37 с.