Гипсовые вяжущие для сухих смесей

Богоявленская Галина Александровна, доц., к.т.н.
Медведева Ирина Николаевна, доц., к.т.н.
Санкт-Петербургский ГТУ, кафедра строительных и специальных вяжущих веществ

Гипсовые вяжущие вещества и материалы на их основе обладают рядом ценных качеств. Производство гипсовых вяжущих нетоксично, требует низких удельных расходов топлива и энергии (примерно в 4-5 раз меньше по сравнению с производством цемента), материалы на основе гипсовых вяжущих характеризуются высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами, огне- и пожаробезопасны, легкие, могут использоваться в качестве декоративных элементов для архитектурных решений внутренней отделки помещений. Особенно следует отметить, что использование гипсовых материалов для внутренней отделки обеспечивает благоприятный климат внутри помещений за счет способности материала "дышать" - легко поглощать влагу и отдавать ее. Исследования по разработке смешанных гипсовых вяжущих, начатые школой П. П. Будникова /1/, А. В. Волженского /2/, А. А. Антипина расширили области возможного применения гипсовых вяжущих за счет повышения водостойкости материалов. За последние годы разработаны материалы нового поколения на основе гипсовых вяжущих: композиционные, модифицированные, с пониженной водопотребностью и высокими эксплуатационными свойствами /3-5/.

Несмотря на несомненные преимущества гипсовых материалов и изделий по сравнению с материалами на основе других вяжущих веществ, их применение в России в настоящее время в значительной мере уступает изделиям на цементной основе.

Состояние гипсовой промышленности РФ на настоящем этапе подробно обсуждалось на семинаре "Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий", состоявшемся в Москве в апреле 2002 г. Отмечалось, что Россия, занимая ведущее место в мире как по разведанным, так и имеющимся запасам природного гипсового сырья и гипсосодержащих отходов, в значительной мере отстает не только по объемам добычи, но и по качеству добываемого сырья. Производство гипсовых вяжущих снизилось более, чем в 5 раз, и составляет ~ 1 млн. тонн. Доля гипсовых вяжущих по сравнению с производством цемента не превышает 3% (в то время как в США и Канаде - 15,0 и 13,5% соответственно) /6/.

Остро ощущается необходимость в модернизации и реконструкции ряда рудников по добыче гипсового камня, а также гипсовых заводов с привлечением современного оборудования, ресурсосберегающих технологий, что потребует значительных инвестиций в гипсовую отрасль /7/.

Номенклатура выпускаемых гипсовых вяжущих ограничена строительным гипсом, выпускаемым по ГОСТ 125-79 с диапазоном по прочности от 2 до 25 Мпа, а также формовочным и медицинским гипсом, выпускаемым по техническим условиям заводов-изготовителей, причем доля последних не превышает 1% от общего объема производства гипса. В ближайшее время предполагается организация производства ангидритового вяжущего и сухих строительных смесей на его основе на базе Порецкого месторождения (г. Чебоксары) /8/. Ангидритовое вяжущее весьма перспективно благодаря низкой себестоимости сырья и невысоким затратам на переработку. Ангидритовое вяжущее может быть использовано в качестве базового вяжущего для сухих строительных смесей, применяемых в качестве отделочных материалов, а также для самонивелирующихся стяжек.

К настоящему моменту успешно реализованы достаточно крупные проекты с иностранным участием по строительству заводов сухих смесей на гипсовом вяжущем. К числу таких следует отнести предприятия группы "КНАУФ", успешно работающие в России. Налажен выпуск сухих гипсовых смесей под торговыми марками Глимс, Боларс, Юнис и др.

Отличительной особенностью гипсовых растворов на основе сухих смесей в сравнении с цементными растворами аналогичного назначения является пониженный расход материала, что позволяет из одинаковой массы сухой смеси на гипсовой основе получить в 2 раза большую площадь, чем на цементных сухих смесях /9/. Кроме того, применение гипсовых сухих смесей для отделки обеспечивает снижение трудозатрат более, чем в 2 раза по сравнению с цементными растворами /11/.

Следует отметить, что технические свойства гипсовых растворов зависят, в основном, от качества гипсового вяжущего, так как его содержание в сухих смесях составляет 70 - 90%, доля же наполнителя невелика. Поэтому при разработке рецептур сухих строительных смесей на гипсовом вяжущем необходим его тщательный входной контроль. Для гипсовых вяжущих необходимо контролировать сроки схватывания, тонкость помола, марку, а также влажность. По ГОСТ 125 различают три вида гипса по тонкости помола (I, II, III), которые оцениваются остатком на сите с сеткой номер 02. При этом даже в тонкомолотом гипсе (III) допускается не более 2% частиц с размерами более 200 мкм. Марку гипсовых вяжущих на основе полуводных модификаций сульфата кальция по ГОСТ 125 испытывают через 2 часа твердения на воздухе. Для производителей сухих гипсовых смесей, работающих на товарном гипсе, необходимо контролировать влажность гипсового вяжущего. Установлено /10/, что в зависимости от влажности воздуха в процессе хранения вяжущего от 65% до 98% отн. уже через 7 суток влажность гипса составляет 0,8 и 14,0% соответственно. При этом не удается обеспечить требуемую по СНИП 28013-93 "Растворы строительные. Общие технические условия" влажность сухих смесей менее 0,1%. Конечная влажность гипсовых сухих смесей находится в пределах 0,7 - 0,8%. При этом следует учитывать, что повышение влажности оказывает влияние на изменение сроков схватывания, водопотребности гипса. По данным ВНИИСТРОМ /9/, гипсовые сухие смеси с влажностью 0,7 - 0,8% сохраняют свои первоначальные свойства в течение полугода хранения. Однако, необходима периодическая проверка свойств сухих смесей для прогнозирования качества растворов на гипсовых вяжущих.

В настоящее время выпускаются следующие виды сухих гипсовых смесей:

- штукатурные смеси (в том числе и легкие)
- шпатлевочные смеси
- затирочные смеси
- гипсовый клей
- клей для гипсокартонных плит
- самонивелирующиеся смеси для полов.

Основными компонентами гипсовых сухих смесей являются: гипсовые вяжущие, наполнители, функциональные добавки.

В качестве вяжущего в гипсовых смесях применяют строительный гипс на основе b- или a-полугидрата сульфата кальция. Реже используют их в смеси с ангидритом (особенно для штукатурных работ) для обеспечения необходимых сроков схватывания. В составах самонивелирующихся смесей используются высокопрочный гипс (a-полугидрат) и ангидрит. Применение таких видов гипсовых вяжущих в составах для полов объясняется особыми требованиями, предъявляемыми к таким смесям и затвердевшим растворам - необходимая живучесть и высокая ранняя прочность, обеспечивающая короткое время хождения.

Заполнитель вводят для удешевления продукта, но главное - для предотвращения растрескивания в процессе эксплуатации. Кроме того, улучшается технологичность при нанесении. В качестве заполнителей в гипсовых смесях используют кварцевый песок, а также известняковую муку, доломитовую муку, мел, золу. В составах легких штукатурок используется перлит. В определенных видах шпатлевочных смесей рекомендуется использование слюды. Дисперсность заполнителей определяется видом гипсовой смеси: кварцевый песок и известняковый песок применяются дисперсностью до 0,8 - 1,0мм. При подборе заполнителей особое внимание уделяется гранулометрическому составу - должно быть примерно одинаковое соотношение фракций заполнителя.

Гидратная известь Са(ОН)2 вводится в состав гипсовых смесей для улучшения пластических свойств, снижения усадочных деформаций и замедления схватывания.

Функциональные добавки осуществляют замедление схватывания гипсовой смеси, увеличивают водоудержание, подвижность, пластичность, прочность сцепления, создают особую поровую структуру, снижают риск трещинообразования.

Замедлители схватывания - важные функциональные добавки, обеспечивающие увеличение живучести растворной гипсовой смеси. Известно, что гипсовые вяжущие быстро схватываются, и решение задачи увеличения живучести заключается в правильном выборе специальных добавок - замедлителей схватывания.

Водоудерживающие добавки вводятся в гипсовые смеси с целью увеличения водоудержания, прилипаемости к основе, улучшения перемешивания, придания растворной смеси необходимой вязкости и пластичности. Для этих целей используются различные эфиры целлюлозы.

Кроме водоудерживающей добавки, в некоторые составы гипсовых смесей вводятся реологические добавки, так называемые загустители, которые улучшают консистенцию растворной смеси, ее удобообрабатываемость и снижает липкость к инструменту. В этом качестве используют простые эфиры крахмала.

Редиспергируемые полимерные порошки (РПП) вводятся в состав гипсовых смесей для увеличения прочности сцепления с подложкой, прочности на изгиб, водостойкости и улучшения технологичности приготовления и нанесения растворной смеси.

Порообразователи или воздухововлекающие агенты - добавки, используемые в штукатурных смесях для создания особой поровой структуры затвердевшего материала. Они представляют собой поверхностно-активные вещества, которые уменьшают поверхностное натяжение воды, и тем самым улучшают обволакиваемость самых мелких частиц растворной смеси. При этом образуются микропоры, равномерно распределенные по всему объему. Они минимизируют образование трещин, улучшают морозостойкость, технологичность.

Диспергаторы (пластификаторы) - добавки, которые абсорбируются на поверхности частиц растворной смеси, уменьшая образование комков при ее приготовлении.

Целлюлозные волокна вводят в состав гипсовых смесей для снижения трещинообразования и усадочных деформаций.

Сухие смеси для самонивелирующихся полов имеют более сложный состав. Помимо названных компонентов, эти гипсовые смеси включают такие функциональные добавки, как суперпластификаторы, ускорители твердения, пеногасители.

Суперпластификаторы - добавки, снижающие водоцементное отношение при увеличении текучести.

Ускорители твердения - добавки, которые сокращают сроки достижения времени хождения в ангидритовых полах.

Пеногасители - добавки, представляющие собой углеводороды и полигликоли на инертном носителе (аморфном кремнеземе), они снижают образование макропор в процессе приготовления растворной смеси, и в дальнейшем, после затвердевания, - риск образования кратеров на поверхности.

Портландцемент - вводят в a- полы для снижения трещинообразования и увеличения водостойкости.

В составе гипсовых штукатурных смесей в качестве вяжущего используется, в основном, строительный гипс марок от Г3 до Г5, Г6, в легких штукатурных смесях может применяться смесь с ангидритом.

Известь гидратная добавляется в гипсовую штукатурную смесь для улучшения пластических свойств, снижения объемных деформаций при твердении и для замедления схватывания.

Известняковый песок играет роль заполнителя, дисперсность меньше 1 мм, основные требования - чистый, сухой, рационального гранулометрического состава (то есть примерно одинаковое соотношение фракций), как говорят, должна быть непрерывная гранулометрическая кривая.

Перлит используется как легкий заполнитель для снижения плотности раствора, размер частиц 0 - 1мм (иногда используется вспученный вермикулит).

Известняковая мука используется в некоторых штукатурных составах для создания необходимой плотности упаковки частиц, для создания рационального гранулометрического состава заполнителя. После затвердевания снижается риск усадочных деформаций.

Водоудерживающая добавка - важный компонент штукатурных смесей, содержание колеблется от 0,16 до 0,3.

Реологическая добавка придает штукатурным смесям необходимые пластические и вязкие свойства, вводится в малых количествах 0,01 - 0,03%.

Воздухововлекающая добавка способствует образованию микропористой структуры. Вводится во все штукатурные составы в количестве 0,01 - 0,03%.

Замедлители схватывания - вводятся во все штукатурные составы в количестве, зависящем от вида замедлителя. В основном, это лимонная кислота и ее соли (цитраты натрия) и винная кислота и ее соли (тартраты натрия). Аквалон предлагает специально разработанный для гипсовых смесей замедлитель схватывания серии Silipon RV: RV 1730 и RV 1731. 1730 - смесь кальциевых комплексных соединений, 1731 - натриевая соль алкилфосфиновой кислоты. Рекомендуемая концентрация в сухой смеси - 0,1 - 0,4%.

Диспергатор - улучшает приготовление растворной смеси, устраняет образование комков. Можно рекомендовать Genapol PF80.

Шпатлевки, затирки и гипсовый клей отличаются от штукатурных составов как компонентным составом, так и его дисперсностью. Особенностью этих составов является то, что в качестве вяжущего используется строительный гипс дисперсностью менее 0,1мм, наполнителем является известняковая, доломитовая мука, мел с дисперсностью также менее 0,1мм. В связи с этим увеличивается количество водоудерживающей добавки до 0,5 - 0,8%.

В состав гипсовых шпатлевок, затирок и клеев входит РПП, который улучшает прочность на изгиб, ударную вязкость, устойчивость к деформациям, адгезию, технологичность переработки. В зависимости от вида смеси вводится в количестве 1 - 4%.

С целью снижения водопоглощения гипсовых растворов фирма Ваккер предлагает использовать Виннапас RI551Z с гидрофобным эффектом. Для полного проявления эффекта гидрофобности RI551Z необходима щелочная активация. Кроме того, рекомендуется в этих же целях в гипсовых системах соблюдать соотношение гипса и наполнителя 30/70. Ощутимое снижение водопоглощения может быть достигнуто при введении 2 - 6% RI551Z. Однако необходимо учитывать, что гидрофобные свойства материалов с использованием RI551Z сильно зависят от наличия добавок: пеногасителей, порообразователей, загустителей, пластификаторов, замедлителей схватывания и др.

Перечень испытаний (по DIN 1168) свойств сухих гипсовых смесей в зависимости от вида следующий:

1. Ситовой анализ (рассев на ситах) - соответствует ГОСТ 125 на испытания гипса.

2. Определение водогипсового отношения - по подвижности (затворяют 2,5 дм3 гипсовой смеси, укладывают в конус, затем выкладывают на стеклянную пластинку, 15 раз встряхивают, расплыв конуса должен быть 165 мм).

3. Начало схватывания - на приборе Вика.

Особенности испытания в отличие от испытаний сроков схватывания по ГОСТ 125: вместо иглы диаметром 1,1 мм используется конус размерами: нижний диаметр - 1мм, верхний - 8 мм, высота 50 мм. За начало схватывания гипсовой растворной смеси принимается время, когда конус не доходит до стеклянной пластинки 18 мм.

4. Определение прочности при сжатии и при изгибе - на балочках 40х40х160 мм. Особенность - испытания проводят через 7 дней твердения в нормальных условиях, затем образцы помещают в тепловой шкаф, где выдерживают при температуре 40оС до постоянного веса.

5. Прочность сцепления (адгезия). Осуществляется по измерению усилия отрыва затвердевшего раствора от подложки (асбестоцементные плиты или гипсокартонные листы).

Сухие гипсовые смеси для самонивелирующихся полов и стяжек имеют следующий компонентный состав:

Вяжущее - в самовыравнивающихся полах и стяжках используют либо строительный гипс в форме a-полугидрата, либо ангидрит, либо их смесь.

Заполнитель - в стяжках используется кварцевый песок с размером частиц до 0,8 мм, в наливных полах используется кварцевый песок с дисперсностью до 0,4 мм, а также тонкий наполнитель - известняковая мука, зола, мел, доломит (<0,1 мм) с целью уплотнения структуры затвердевшего раствора, снижения риска усадочных деформаций.

Гидратная известь - вводится в небольших количествах и в стяжки, и самоналивные полы с целью снижения усадочных деформаций.

Суперпластификатор - вводится в состав гипсовых полов с целью увеличения подвижности и снижения водогипсового отношения, в количестве 0,3 - 0,7%.

Водоудерживающая добавка - в этом случае используется для стабилизации многоводных гипсовых растворных смесей. В стяжках водоудерживающую добавку можно не вводить. В наливных полах на a-гипсе используются низковязкие и сверхнизковязкие эфиры целлюлозы в количестве 0,02 - 0,2%.

РПП - для самоналивных полов используются специально разработанные редиспергируемые полимерные порошки для сухих смесей для наливных полов.

Пеногаситель - способствует снижению воздухововлечения в процессе приготовления растворной смеси и предотвращает появление кратеров на поверхности затвердевшего раствора. Для гипсовых систем рекомендуется использование Агитана Р803.

Замедлители схватывания - используются в гипсовых полах не всегда, поскольку сроки схватывания a-гипса могут обеспечивать необходимую живучесть, а ангидрит требует введения катализаторов твердения. Рекомендуется вводить в случае необходимости цитрат или тартрат натрия.

Ускорители твердения - вводят в состав ангидритовых полов с целью сокращения времени хождения, можно использовать сульфат калия.

Реологическая добавка - иногда вводится в наливные полы как загуститель.

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА гипсовых смесей для устройства наливных полов рекомендовано производить по следующим показателям:
1. Текучесть - по расплыву конуса (должен быть 210 - 230 мм).
2. Живучесть - должна быть не менее 30 мин по ДИН 18560.
3. Время хождения (достижение прочности при сжатии не менее 1,5 Мпа).
4. Прочность при сжатии и изгибе в зависимости от класса прочности по ДИН 18560.
5. Усадочные деформации.
6. Прочность сцепления с подложкой.

ЛИТЕРАТУРА

1. Будников П. П. Гипс, его исследование и применение. - М.-Л.: Государственное издательство строительной литературы,1943.

2. Волженский А. В., Стамбулко В. Н., Ферронская А. В. Гипсоцементно-пуццолановые вяжущие, бетоны и изделия.-М.:1971.

3. Водостойкие гипсовые вяжущие низкой водопотребности/А.В.Ферронская, В. Ф. Коровяков, С. В. Мелениченко и др.// Строительные материалы, 1992, № 5.

4. Коровяков В. Ф. Перспективы применения водостойких гипсовых вяжущих в современном строительстве // Материалы Всероссийского семинара "Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий" -М.: РААСН, апрель 2002г, - с.51- 56.

5. Бессонов И. В. Гипсовые материалы нового поколения для отделки фасадов зданий // Там же - с.82- 87.

6. Терехов В. А. Состояние и перспективы развития гипсовой промышленности // Там же - с.11-21.

7. Ферронская А. В. Перспективы производства и применения гипсовых материалов в ХХI веке // Там же - с.22-29.

8. Гудков Ю. В., Иваницкий В. В. Гипс и ангидрит в разработках ВНИИСТРОМа // Там же - с.30-32.

9. Гонтарь Ю. В., Чалова А. И. Сухие строительные смеси на основе гипсовых вяжущих // Там же - с.91-96.

10. Изменение свойств строительного гипса в условиях открытого хранения // Haas Bertram Ficher, Boris Vtorov, Hans-Ulrich Humme и др. // Там же - с.122-127.

11. Федулов А. А. Сравнительный анализ трудозатрат при применении сухих смесей различного назначения //Строительные материалы, 1998, № 9,-с.8-9.