IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

В строительстве и промышленности издавна широко применяют гипсовые вяжущие материалы. Доступность сырья, простота технологии и низкая энергоемкость производства (в 4…5 раз меньше, чем для получения портландцемента) делают строительный гипс перспективным, дешевым и экологичным вяжущим.

Порошок гипса в смеси с водой, образует пластичное тесто, которое быстро схватывается и твердеет на воздухе, превращаясь в камень. Реакция гидратации протекает c высокой скоростью с выделением теплоты по схеме:

CaS0₄·0,5Н₂0 + 1,5Н₂0 → CaS0₄·2Н₂0 + 19,4 кДж/моль

При твердении гипса отсутствует усадка получаемых изделий, а происходит незначительное увеличение их объема (на 0,3...1 %). Эта особенность позволяет использовать вяжущее без заполнителей, не боясь искажений придаваемых сложных форм или растрескиваний.

Теоретически для прохождения указанной реакции требуется 18,6 % воды от массы вяжущего. Практически воды берут в З-4 раза больше. Это необходимо для обеспечения технологичности способов формования. Конечной стадией твердения, заканчивающегося через 1…2 ч после затворения гипса водой, является образование кристаллического сростка из достаточно крупных кристаллов двуводного гипса. Часть объема этого сростка занимает вода, не вступившая во взаимодействие. Если высушить затвердевший гипс, то прочность его заметно (в 1,5. ..2 раза) повышается за счет дополнительной кристаллизации по местам контактов уже сформированных кристаллов. При повторном увлажнении процесс протекает в обратном порядке и гипс теряет более половины прочности. Поэтому гипс относят к воздушным вяжущим.

Избыточная вода, используемая прежде всего для регулирования реологических свойств гипсового теста, но не участвующая в реакции твердения, далее удаляясь при сушке, создает поры, что приводит к снижению средней плотности изделий и прочности образующегося камня. Как правило, гипсовые материалы, использующихся в строительстве и ремонте, имеют не только декоративное, но и конструкционное назначение. Поэтому задача упрочнения получаемых гипсовых отливок является актуальной. Выделяются различные направления решений этой проблемы:

1. Производство высокопрочного гипса.

2. Управление процессом твердения гипса при введении специальных добавок.

3. Формование изделий при снижении водопотребности гипса.

4. Поверхностная обработка для придания водостойкости.

5. Глубинная пропитка укрепляющими составами.

6. Армирование гипсовых изделий.

7. Полимергипсовые изделия.

Приемы поверхностной обработки и глубинной пропитки укрепляющими составами уже готовых изделий наиболее востребованы и доступны на объектах строительства, чем другие способы повышения прочности гипсовых материалов. Поверхностная прочность, качество и долговечность отделки обеспечиваются и при нанесении и формировании последующих отделочных и декоративных покрытий. Как правило, такой обработке могут быть подвержены гипсовые материалы, использующихся в строительстве и ремонте при внутренней отделке, имеющие не только декоративное, но и конструкционное назначение (колонны, пилястры, балясины, ниши, оформление арок, внешних углов, ограничителей зон). Особенное внимание к обеспечению прочности и долговечности требуется и при реставрации гипсовых отделочных элементов на фасадах и в помещениях старинных особняков – объектов и памятников культуры (карнизы, барельефы, кронштейны, орнаменты, скульптурные композиции).

В настоящей работе оценена эффективность обработки гипсовых материалов при пропитке водными растворами сульфатных солей различной концентрации. Предполагалось, что сульфатная составляющая имеет сродство к составу гипсового камня, а катион металла будет определять особенности возможного изменения структуры и прочности каменного материала.

Использованы составы растворов, приготовленных при растворении соответствующих солей в питьевой воде:

5% и 10%-ные растворы медного купороса СuSO₄·5Н₂0 ;

5% и 10%-ные растворы гидросульфата магния МgSO₄·7Н₂0

5% и 10%-ные растворы сульфата натрия Na₂SO₄

5% и 10%-ные растворы сульфата железа (III) Fe₂(SO₄₎₃.

В качестве вяжущего использовался строительный гипс марки Г-7 II Б (Пешеланский гипсовый завод «Декор-1»). Для исследований были подготовлены по две гипсовые отливки в формах размером (200х200х20) мм при соблюдении следующих значений водогипсовых отношений (В/Г): 0,6 , 0,8 , 1,0. Твердение происходило в стандартных условиях по ГОСТ 23789-79 «Вяжущие гипсовые. Методы испытаний». После выдержки на воздухе в течение суток, образцы разрезались на плитки размером (100х100х20) мм, которые затем высушивались в сушильном шкафу при температуре 60˚С до постоянной массы. Контролировалась масса каждого полученного образца. Рассчитывалась средняя плотность и пористость.

Пропитка образцов растворами солей осуществлялась методом погружения в раствор при температуре 20±2°С на 18 часов с последующей вакуумной обработкой в автоклаве с целью полного глубинного внедрения раствора. Заключительной стадией подготовки образцов являлась их повторная сушка при температуре 60˚С до постоянной массы. Количество введенных и закрепленных в структуре гипса солей контролировалось по изменению массы каждого образца. Обращалось внимание на изменение цвета вследствие наличия в гипсовом материале окрашивающих солей. В присутствии медного купороса образовались зеленоватые области на пластинах. Наличие соли магния вызвало некоторое потемнение гипса. Использование сульфата железа привело к интенсивному пожелтению поверхности. Содержание сульфат натрия обнаруживалось в проявление участков с высолами – образование мелких кристаллов.

Достигнутая поверхностная прочность гипсовых образцов до и после пропитки солями определялась с использованием прибора «Оникс-2.5».

Как ожидалось, концентрация и состав солей, вводимых в гипс в виде растворов, повлияли на изменение массы образцов и значения поверхностной прочности. Для солей двухвалентных металлов Cu²⁺ и Mg²⁺ во всех случаях обработки более концентрированные 10%-ные растворы обеспечивали больший прирост массы образцов, что отразилось и на повышении поверхностной прочности отливок.

При использовании сульфата натрия установлено максимальное его закрепление только на гипсовых отливках с В/Г=0,6 с заметным увеличением (около 25%) их прочности. Однако, в более пористых образцах эта соль при введении повышенных количеств вызывает разрушение исходной гипсовой структуры вследствие интенсивного высолообразования при сушке образцов. Упрочняющий эффект для образцов различной пористости наблюдается только от использования 5%-ного раствора сульфата железа (III) при обработке гипса. Фиксируется наибольшее закрепление соли и достигаются максимальные значения поверхностной прочности по сравнению с растворами других солей той же концентрации. Повышение содержания Fe₂(SO₄₎₃ в пропиточном растворе оказывает разрушающее действие на гипсовые образцы с наибольшей пористостью.

Таким образом, для практических задач можно рекомендовать следующие варианты обработки гипсовых изделий с применением сульфатных солей:

1. Перед проведением пропитки гипсовых изделий растворами сульфатов необходимо оценить их пористость, установив среднюю плотность.

2. Сульфат магния можно использовать для укрепления гипсовых материалов высокой пористости в виде концентрированных 10%-ных водных растворов. При этом практически не изменяется цвет защищаемой поверхности.

3. Медный купорос придает гипсовым материалам наряду с упрочнением и своеобразное окрашивание. Эти эффекты могут быть использованы при декоративных работах.

4. Использование растворов сульфата натрия необходимо обосновать при пробных испытаниях, исключая возможность разрушающих действий от высолообразований.

5. Рационально использовать для укрепления гипсовых материалов различной пористости 5%-ные растворы сульфата железа (III), с учетом интенсивного изменения цвета защищаемых материалов.

Код для цитирования: Скопировать