Свойства способных к затвердеванию сульфатов кальция

Изготовленные по описанному перед этим способу кальциево-сульфатные вяжущие могут характеризоваться по их свойствам. Они отличаются по гранулометрическому составу, строению и структуре частиц и таким своим практическим и техническим свойствам как затворяемое количество материала, поведение при схватывании и прочность. Из этих различий складывается возможность их использования в разных гипсовых строительных материалах. Таблица 1.30 показывает несколько примеров [187]. На рисунке 1.67показана диаграмма трёх веществ фазового преобразования обожженного гипса.

Таблица 1.30- Свойства и возможности использования разных гипсовых строительных материалов [187]

1.3.5 Гидратация CaSO₄-вяжущих

Основанием для использования затвердеваемых кальциевых сульфатов является их способность к регидратизации. Гипсовые продукты при их применении с водой смешиваются в, большей частью, растекающуюся кашицу и превращаются в дигидрат кальциевого сульфата. Он выкристаллизовывается в сросшиеся между собой в войлокоподобные иголочки и затвердевает, таким образом, образуя прочное, имеющее постоянный объём тело («структуру»). Эта гидратация протекает через растворение твердой фазы (сквозьрастворный механизм гидратации). Происходят кристаллизационные процессы и топохимические реакции. CaSO₄-вяжущее входит в раствор и образует перенасыщенный раствор дигидрата, который затем выкристаллизовывается из-за своей более слабой, по сравнению с вяжущим, растворимости. Скорость схватывания определяется, в значительной мере, разницей в растворимости между CaSO₄-вяжущим и дигидратом. На рисунке 1.68 изображено поведение растворов различных сульфатов кальция. В соответствии с ним ß-полугидрат легче растворим, чем α-полугидрат, первый, благодаря этому, кристаллизуется в дигидрат быстрее и быстрее схватывается. Ангидрит II обладает значительно меньшей растворимостью, чем полугидраты, при температурах свыше 30 ⁰С его растворимость лежит гораздо ниже растворимости дигидратов. Такое поведение при растворении объясняет, почему чистый ангидрит непригоден для использования в качестве вяжущего. Только с помощью добавления активаторов твердения (например, таких сульфатных активаторов как K₂SO₄ или таких основных активаторов, как известь или цемент), которые понижают продукт растворимости дигидрата, достигается достаточная разница в растворимости и, тем самым, допустимое с точки зрения строительной практики схватывающее поведение. Рисунок 1.68 показывает также, что кинетика гидратации CaSO₄ значительно меньше зависит от температуры, чем кинетика гидратации цемента.

Рисунок 1.68 - Растворимость различных сульфатов кальция [189]

Полугидрат и ангидрит II без промежуточных этапов переходят в дигидрат. Только при преобразовании ангидрита III в дигидрат был обнаружен полугидрат в качестве промежуточного этапа. Процессы при гидратации в дигидрат (скорость образования центров кристаллизации и роста кристаллов, образование формы кристалла и структур) могут быть подвержены разнообразному и целенаправленному влиянию, а именно, путём применения таких, оказывающих влияние на кристаллизацию веществ, как ускорители (например, дигидрат, сульфат калия; см. рисунок 1.69), замедлители (например, винная и лимонная кислота, синтетический протеин; см. рисунок 1.70) и, изменяющие форму кристаллов вещества (например, сахароза), или не напрямую, путём фазового преобразования обожжённого гипса, а также путём изменения соотношения вода/гипс, и, при необходимости, применением

Рисунок 1.69- Активация гидратации химического ангидрита с помощью К₂SO₄ [190]

Рисунок 1.70- Замедление гидратации ß-полугидрата в щелочной среде путём добавок винной и лимонной кислоты и синтетического протеина

загустителей и разжижителей. Температура также влияет на скорость гидратации. Её максимум лежит примерно при 30 ⁰С. По сравнению с цементом и известью схватывание здесь происходит значительно быстрее, зачастую за несколько минут.

Гидратация CaSO₄-вяжущих может, также как и у цементов, прослеживаться с помощью ESEM-техники.

Рисунок 1.71 показывает, например, гидратацию УУСДГ-ангидрита, активированного с помощью 1,0 %-К₂SO₄ при соотношении вода/гипс 0,60. Уже через несколько минут можно обнаружить множество мелких кристаллов дигидрата и сингенит пластинчатой формы. Образование сингенита было подтверждено также рентгенографически [191]. Через 40 мин рост кристаллов продолжал прогрессировать. Через 28 дней гидратационный процесс завершается.

Рисунок 1.71- Гидратация УУСДГ-ангидрита; а) исходный материал (вверху слева; b) 10 мин (вверху справа) и c) 40 мин после добавления воды (внизу слева); d) проба после 28 дней (внизу справа)

В обожжённых гипсах при хранении происходят изменения имеющих значение для технического применения свойств, которые называются старением. При практическом использовании они могут стать причиной получения самых разных результатов, поэтому и являются нежелательными. Путём «аридизирования» такое старение уже при обжиге может быть вызвано искусственно. Для этой цели добавляется небольшое количество таких гигроскопических солей, как хлорид кальция. На поверхности вяжущего вещества они создают парциальное давление водяного пара, которого достаточно для того, чтобы образовать на дигидрате некристаллический слой [192]. Этот дигидратный слой, точно также как и имеющийся во время дормантной (скрытой) фазы гидратации цемента, обеспечивает прерывание в гидратации сухого CaSO₄-вяжущего и, тем самым, стабильность при хранении. ß-полугидрат и ангидрит III в свежем состоянии при контакте с водой показывают распад частиц.

В техническом применении обожжённых гипсов возможности влияния на гидратацию по-разному используются для того, чтобы обеспечить промышленную переработку гипса при постоянно сохраняющихся одинаковых условиях на больших поточных линиях или на стройплощадке. Параметрами для характеристики процессов отвердения являются фазовый состав, соотношение вода/гипс, консистенция водно-гипсовой кашицы (теста), начало и конец схватывания, ход затвердевания и гидратационная теплота, а также прочность и объёмная плотность сухого гипсового камня. Методы исследований регулируются нормативами [193, 194].

Для оказания влияния на дегидратацию и, особенно, на регидратацию гипса могут применяться различные добавки, только благодаря которым становятся возможными некоторые области применения. Примерами часто используемых добавок являются ускорители и замедлители, стабилизаторы, разжижители и средства для удерживания воды [195, 196, 197, 198, 199, 200, 201, 202, 203]. При помощи подходящих добавок, например, могут быть согласованы процесс затвердевания механически перерабатываемого гипса для машинной штукатурки и средний темп работ бригады штукатуров. Регидратация с их помощью замедляется, например, на 2-3 часа, пластичность регулируется так, чтобы штукатурка хорошо и без потёков разбрызгивалась и обработка осуществлялась без особых усилий. Кроме того, повышается способность удержания воды для того, чтобы свести к минимуму высыхание или испарение за счёт всасывающего поведения основы (например, кирпичной стены). Гипс для машинной штукатурки доставляется на стройплощадку в мешках, контейнерах или на специальных грузовых автомобилях с силосом и пневматически подаётся в штукатурную машину, где он перемешивается с водой и наносится затем на стену. С помощью постоянно работающей машины для гипсовой штукатурки штукатурный раствор однослойно разбрызгивается и, затем, дополнительно обрабатывается вручную.

1.3.5.1 α-, ß-полугидраты

α-полугидрат, из-за меньшей растворимости по сравнению с ß-полугидратом (см. рисунок 1.68), медленнее проникает в раствор и гидратизируется, или же относительно медленно схватывается. В большинстве случаев не нужны никакие замедлители для того, чтобы обеспечить необходимую обрабатываемость.

ß-полугидрат, вследствие своей высокой растворимости и, зачастую, из-за условий изготовления с более высокой удельной поверхностью (маленький размер кристаллов), очень быстро реагирует с водой. Поэтому, для того, чтобы обеспечить хорошую обрабатываемость гипсовых растворов, для многих областей применения, сроки схватывания необходимо замедлить. При машинной штукатурке, одном из главных областей применения, в качестве замедлителя предпочтительнее используются натуральные винные кислоты.