Способы повышения прочности и водостойкости композиционных гипсовых смесей

Широкая востребованность гипсовых смесей объясняется их исключительными свойствами: экологичность, быстрый набор прочности, хорошие тепло- и звукоизолирующие, звукопоглощающие свойства, отсутствие усадочных деформаций, огнестойкость, положительное влияние на здоровье людей путем создания в помещениях благоприятного микроклимата. Однако, несмотря на многовековой опыт использования и высокие потребительские свойства наиболее доступного в России гипсового вяжущего, материалы и изделия на его основе имеют ограниченное применение в строительстве из-за низкой водостойкости, высокой пористости, низкой прочности, малой морозостойкости и др. [1].

Как правило, коэффициент размягчения для гипсовых составов не превышает 0,4, а прочность при сжатии обычного строительного гипса находится в диапазоне 2…6 МПа. Низкая водостойкость материалов на основе гипсовых вяжущих определяется, прежде всего, достаточно хорошей растворимостью двуводного гипса в воде, а также значительной пористостью затвердевших растворов и бетонов на основе гипсовых вяжущих [1].

Анализ работ по повышению водостойкости гипсовых вяжущих позволяет определить следующие тенденции по улучшению технических свойств гипсовых вяжущих:

• управление процессами тепловой обработки;
• повышение водостойкости гипсовых изделий наружной и объемной гидрофобизацией, т.е. пропиткой гипсовых изделий веществами, препятствующими проникновению в них влаги;
• применение химических добавок, в том числе пластифицирующих, позволяющих модифицировать различные свойства гипсобетонов;
• уменьшение растворимости в воде сульфата кальция и создание условий образования нерастворимых соединений, защищающих дигидрат сульфата кальция, сочетанием гипсового вяжущего с гидравлическими компонентами (известью, портландцементом, активными минеральными добавками) [8].

Исходя из этого, основными направлениями повышения водостойкости гипсовых составов является снижение растворимости двуводного гипса и уменьшение пористости материала с одновременным закрытием пор для предотвращения доступа воды внутрь материала. Поэтому при проектировании состава гипсового вяжущего используют компоненты, обеспечивающие максимально возможную водостойкость без снижения других строительно-технологических характеристик [1].

Повышение прочности гипсовых отливок и изделий достигается, в первую очередь, применением в качестве вяжущего ангидрита, α-полугидрата сульфата кальция или совместного использования смеси ангидрита и α-полугидрата. Эти виды гипсовых вяжущих позволяют получить гипсовый камень с более плотной структурой и более низким водопоглощением по сравнению с гипсом модификации β-полугидрата сульфата кальция.

В качестве активной минеральной добавки, повышающей прочностные характеристики гипса, обычно используют трепел, диатомит, опоки, активные золы, кислые гранулированные доменные шлаки и т.д.

Правильно подобранный гранулометрический состав заполнителей и наполнителей способствует снижению пористости затвердевшего раствора. Более плотная структура материала достигается и при использовании суперпластификаторов и пеногасителей, а использование гидрофобизирующих добавок и редиспергируемых порошков сополимеров винилацетата и акрилата препятствует распространению воды через поры гипсового камня [1].

Среди инновационных разработок в области гипсовых строительных составов можно выделить новый порошковый гидрофобизатор на кремнийорганической основе. Он запатентован в Германии компанией WACKER специально для гипсовых смесей [9]. Данный продукт обладает рядом уникальных свойств, облегчающих его использование в гипсовых смесях и позволяющих добиться существенного снижения водопоглощения гипсового материала при минимальных дозировках гидрофобизатора.

Для снижения растворимости гипса используют добавки, при взаимодействии с которыми гипс образует соединения с более низкой растворимостью, чем двуводный гипс. В качестве таких добавок производители чаще всего используют вещества, образующие общий ион с сульфатом кальция, либо гидравлические вяжущие совместно с активными минеральными добавками.

Одним из путей повышения прочности и водостойкости композитов является использование специально обработанных и оптимизированных по составу модификаторов гипсовых вяжущих серии МГ, разработанных в лаборатории «Новых строительных материалов и технологий» в МГСУ [2]. Составы на основе модифицированных гипсовых вяжущих (МГ) обладают достаточной водостойкостью и хорошими прочностными характеристиками, ранее присущими только материалам на основе портландцемента.

В работах А.В. Волженского, А.В. Ферронской и др., показано, что наиболее эффективным способом решения проблемы повышения водостойкости строительных материалов на основе гипсовых вяжущих является введение в состав вяжущего комплекса гидравлических и активных минеральных добавок [3, 4]. А.В. Ферронской, В.Ф. Коровяковым впервые разработано новое поколение водостойких композиционных гипсовых вяжущих, которые получают смешиванием гипсового вяжущего с органо-минеральным модификатором [4, 5].

Рядом исследователей также показана эффективность использования для получения гипсовых вяжущих повышенной водостойкости тонкомолотого керамзита или керамзитовой пыли в составе комплексной гидравлической добавки [5, 6].

Авторами [7] были проведены исследования с целью разработки составов штукатурной гипсовой сухой смеси повышенной водостойкости. В качестве компонента комплексной гидравлической добавки применяли известь негашеную третьего сорта. На основе разработанного композиционного гипсового вяжущего получена штукатурная гипсовая сухая смесь повышенной водостойкости. Прочность сцепления с основанием оказалась выше прочности существующих аналогов. Коэффициент размягчения составил 0,65–0,7, что также превышает показатели других штукатурных смесей (обычно 0,3–0,45).

Имеются сведения о том, что в качестве водоудерживающей добавки для получения штукатурной сухой смеси применяли высокомолекулярный полиэтиленоксид (PEO-S). В качестве добавки замедлителя схватывания применяли лимонную кислоту.

Благодаря применению в составе отхода производства – керамзитовой пыли снижается себестоимость штукатурной смеси.

Исследования В.Ф. Коровякова [8] показали, что различные модификации сульфата кальция не вносят существенного изменения в характер первичных кристаллических новообразований, но влияют на скорость гидратации вяжущего и условия кристаллизации новообразований, что, в конечном счете, отражается на прочности гипсового изделия.

Принципиально иной подход лежит в основе получения гипсоцементнопуццоланового вяжущего (ГЦПВ) повышенной прочности и долговечности. Так, используя высокопрочное гипсовое вяжущее или ангидритовый цемент, вместо обычного гипсового вяжущего при производстве ГЦПВ, можно получать быстротвердеющие водостойкие комплексные вяжущие повышенной прочности – марки М 300 и более [8].

Так разработаны водостойкие гипсовые вяжущие нового поколения – гидравлические композиционные гипсовые вяжущие.

Композиционное гипсовое вяжущее на основе высокопрочного гипсового вяжущего, описанное В.Ф. Коровяковым, имеет водопотребность от 0,22 до 0,32, прочность от 35 до 50 МПа, коэффициент размягчения от 0,77 до 0,88.

Новые композиционные вяжущие представляют собой гомогенную активированную смесь гипсового вяжущего с гидравлическим компонентом, предварительно получаемым совместной механо-химической активацией портландцемента, кремнеземистой добавки и суперпластификатора.

Этот гидравлический компонент является органо-минеральным модификатором гипсовых вяжущих и может быть приготовлен заранее и использован по мере необходимости.

Органо-минеральный модификатор содействует повышению скорости и степени гидратации портландцемента в композиционных гипсовых вяжущих и увеличению активности кремнеземистых компонентов, повышению реакционной способности трехкальциевого алюмината и других минералов, что способствует образованию эттрингита в начальный период твердения.

В дальнейшем при эксплуатации изделий исчезают условия образования эттрингита ввиду израсходования алюминатных составляющих клинкера и резкого понижения концентрации гидроксида кальция за счет его связывания активированным кремнеземом [8].

Для повышения характеристик гипсовых материалов в качестве кремнеземистой добавки может использоваться: зола-унос, керамическая пыль, отходы производства кирпича и других керамических изделий, стеклянный бой, молотый кварцевый песок, микрокремнезем, кремнегель, отработанный силикагель и некоторые другие материалы.

Таким образом, в настоящее время существует ряд способов повышения водостойкости гипсовых материалов и создание на их основе композиционных гипсовых смесей. Исследователями получены высокие значения водостойкости гипсового камня, с коэффициентом размягчения 0,7–0,8. Интересным при этом является возможность применения отходов промышленности строительных материалов, что делает получение новых гипсовых материалов с улучшенными характеристиками максимально ресурсосберегающим.