Блог > Бетон и железобетон > Композиционные гипсосодержащие энерго – и ресурсосберегающие материалы для деталей архитектурного декора

Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследова­ний композиционных гипсосодержащих энерго- и ресурсосберегающих материалов для деталей архитектурного декора и предложен состав смешанного вяжущего, который позволяет получить архитектурные де­тали декора повышенной прочности и водостойкости.

Гипсовые материалы и изделия относятся к прогрессивным строитель­ным материалам благодаря простоте и малой энергоемкости производства (на производство 1 т гипсового вяжущего расходуется соответственно в 4,5 и 4,9 раза меньше топлива и электроэнергии, чем на производство 1 т прртландце-мента). В процессе изготовления изделий из гипсового вяжущего исключает­ся необходимость ускорения их твердения. Время твердения гипсового вя­жущего в 20-25 раз меньше, чем портландцемента, скорость набора проект­ной прочности для изделий на основе портландцемента в 30-40 раз больше, чем гипсового вяжущего. Украина располагает достаточными запасами при­родного гипсового сырья и огромным количеством гипсосодержащих отхо­дов.

Кроме того, гипсосодержащие материалы являются высокотехнологич­ными, так как уже через 15-20 минут после формирования изделия моэкно осуществлять его распалубку, при этом оборачиваемость форм увеличивается в 8-10 раз, а технологии изготовления являются менее энергозатратными в отличие от использования других видов вяжущих, в том числе il портландце-ментных. Известные технологии изготовления изделий из гипсового вяжуще­го   методом отливки, вытачивания или протягивания позволяют получить высокую чистоту лицевой поверхности изделия.

Такие технологии позволяют быстро перенастраивать формовочное обо­рудование и получать изделия различного профиля и назначения [1].

Изделия на основе гипсовых вяжущих имеют большую чистоту лицевой поверхности, отличаются небольшой массой, достаточной прочностью, отно­сительно низкими тепло- и звукопроводностью. Им легко придать любую ар­хитектурную форму, любой цвет. Кроме того, гипсовые материалы огнестой­ки, способствуют поддержанию комфортного микроклимата в помещениях за счет хороших показателей паро- и воздухопроницаемости, способности по­глощать лишнюю влагу из воздуха и отдавать ее при снижении влажности [2], функционируя, как постоянно работающий кондиционер.

Применение материалов на основе гипса не ограничивается внутренней отделкой помещений. Мы считаем, что его можно использовать и для фасад­ных работ, а также элементов садово-парковой архитектуры. Однако в этом случае необходима специальная модификация материала для повышения во­достойкости и морозостойкости гипсовых изделий.

Например, многие фасады зданий, построенных 100-150 лет назад в Кие­ве, Одессе, Львове, историческом центре Москвы, имеют гипсовую лепнину, сохранившуюся в удовлетворительном состоянии до наших дней. Декоратив­ные лепные архитектурные украшения, которые мы видим на фасадах зданий ХУ11-Х1Х вв., изготавливали преимущественно из гипсоизвесткового раст­вора с обработкой щелоком или купоросом и неоднократной пропиткой го­рячей олифой.

Отечественный и зарубежный опыт применения гипсовых материалов в строительстве и результаты научно-исследовательских разработок в этой об­ласти показывают [3], что применение гипсовых материалов совершенно не­достаточно. Перегородки из гипсокартонных листов и в некоторых случаях из пазогребневых плит, подвесные потолки, ряд отделочных материалов в помещениях с относительной влажностью воздуха до 75 % – в настоящее время наиболее известные варианты применения гипсовых изделий. Значите­льно меньше гипсовые материалы применяются в шпаклевках, клеях, штука­турных растворах. И совсем мало в качестве теплоизоляционных ячеистых бетонов (пеногипс, газогипс). Фосфогипс и вяжущие на его основе, несмотря на доказанную перспективность, практически не применяются для устройст­ва оснований автомобильных дорог и в качестве добавок в асфальтобетонные смеси, и едва ли не фантастикой представляется для многих строителей воз­можность получения надежного гипсобетона для возведения жилых и произ­водственных зданий.

Это обусловлено рядом отрицательных свойств как гипсовых вяжущих, так и изделий на их основе. Так, вяжущие на основе а-полугидрата сульфата кальция обладают высокой водопотребностью (50…70%), низкой водостой­костью, а изделия из них характеризуются значительной ползучестью при увлажнении, ограниченной прочностью, малой морозостойкостью, необхо­димостью длительной сушки изделий при их производстве и др.

Причина недостаточной водостойкости гипсового вяжущего, по которой в основном сдерживается широкое использование его в строительстве, объяс­няется исследователями по-разному.

По мнению П.П. Будникова и других ученых основной причиной низкой водостойкости гипсовых изделий является относительно высокая раствори­мость гипса, составляющая 2,04 г/л Са50₄ при температуре 20°С.

При увлажнении за счет растворения кристаллов двугидрата в порах из­делий образуется насыщенный раствор сульфата кальция. Вследствие этого связь между кристаллами ослабевает, и прочность изделия снижается. Другие ученые полагают, что причиной снижения прочности затвердевшего гипсово­го камня при увлажнении является адсорбция влаги внутренними поверхнос­тями микрощелей и возникающее при этом расклинивающее действие вод­ных пленок, в результате которого отдельные микроэлементы кристалличес­кой структуры разъединяются. При этом адсорбционный эффект усугубляет­ся пористостью гипсовых материалов. Можно полагать, что низкая водостой­кость гипсовых изделий объясняется одновременным воздействием этих ос­новных факторов.

Обобщая сказанное, можно заключить, что низкая водостойкость затвер­девшего гипсового камня обусловлена высокой растворимостью двугидрата сульфата кальция, его высокой проницаемостью и расклинивающим действи­ем молекул воды, проникшей в межкристаллические полости. Структура за­твердевшего гипса характеризуется высокой сообщающейся пористостью с размером пор в пределах 1,5…3 мкм, удлиненными кристаллами двугидрата сульфата кальция, которые имеют между собой точечные контакты, имею­щие тенденцию к разрыву при небольших напряжениях. Кроме того, двугид-рат сульфата характеризуется достаточно большим объемом межплоскост­ных (межкристаллических) пространств (полостей), в которые проникает во­да, ослабляя связи и вымывая гипс. Все это и приводит к значительному сни­жению прочности и деструкции гипсовых материалов под действием воды. Анализ работ по повышению водостойкости гипсовых вяжущих позволяет определить следующие тенденции в исследованиях:

• повышение плотности изделий за счет их изготовления методом тра­мбования и прессования из малопластичных смесей;
• повышение водостойкости гипсовых изделий наружной и объемной гидрофобизацией, пропиткой изделий веществами, препятствующими про­никновению в них влаги;
• применение химических добавок, в том числе, пластифицирующих, позволяющих модифицировать гипсобетоны;
• уменьшение растворимости в воде сульфата кальция и создание условий образования нерастворимые соединений, защищающих двугидрат сульфата кальция, сочетанием гипсомге вяжущего с гидравлическими ком­понентами (известью, портландцементом, активными минеральными добав­ками).

В настоящее время доказано, что одним из основных путей повышения водостойкости гипсовых вяжущих является введение в него веществ, всту­пающих с ним в химическое взаимодействие с образованием водостойких и твердеющих в воде продуктов, как в результате химической реакции с гипсо­вым вяжущим, так и вследствие собственной гидратации. Такими вещества­ми являются портландцемент и молотые гранулированные доменные шлаки, зола-унос, микрокремнезем и т.п.

Исследования показали, что наиболее устойчива композиция, состоящая из гипсового вяжущего (полугидрата сульфата кальция), портландцемента и оптимального количества активных минеральных добавок, которая получила название – гипсоцементно-пуццолановые вяжущие (ГЦПВ). Создание ГЦПВ позволило значительно расширить области применения гипсовых материалов в строительстве за

счет использования их в наружных конструкциях и в зда­ниях с повышенной влажностью воздуха.

Продолжающиеся по настоящее время исследования ГЦПВ направлены

на:

• разработку теоретических основ получения водостойких гипсовых вяжущих повышенной прочности;
• создание на их основе различных бетонов, получаемых по энерго- и ресурсосберегающим технологиям;
• изучение прочностных и деформативных свойств гипсоцементнопу-цоланового камня и бетонов при кратковременных и длительных нагрузках, а также поведения арматуры в них;
• исследование долговечности таких бетонов и изделий на их основе в натурных и лабораторных условиях.

Важное место в исследованиях занимало изучение процесса твердения ГЦПВ и формирования структуры затвердевшего вяжущего и ее влияния на прочностные, деформативные свойства и долговечность [4,5]. Были установ­лены основные причины, обусловливающие отличие физико-механических свойств неводостойких ГВ и ГЦПВ. Основы этих причин лежат в своеобра­зии процесса твердения и формирования структуры ГЦПВ. Показано, что при их твердении образуется принципиально новая структура, отличная от струк­туры затвердевшего гипсового вяжущего. В частности, в затвердевшем ГЦПВ изменяется состав и характер новообразований, включающий не толь­ко кристаллы двугидрата сульфата кальция, но и субмикрокристаллические низкоосновные гидросиликаты кальция и другие малорастворимые гидрат-ные соединения, сходные по составу с продуктами гидратации портландце­мента. При этом доказано, что их количеством и качеством, также как и структурой можно управлять различными приемами.

В настоящее время наибольшее применение получили ГЦПВ примерно следующего состава, % по массе: гипсовое вяжущее 75-50, портландцемент 15.-25, пуццолановая добавка 10-25. В качестве пуццолановой добавки в на­шей стране обычно используют трепел, диатомит, опоки, активные золы, гранулированные доменные шлаки и т.д. В других странах для этих целей применяют золу-унос, образующуюся при сгорании бурых углей, трасы и т.п.

В Киевском национальном университете строительства и архитектуры ра­зработано золотипсоцементное вяжущее, содержащее количество золы унос более чем совместное содержание портландцемента и гипсового вяжуще­го^]. Такое смешанное вяжущее сохраняет положительные технологические свойства гипсовых вяжущих (сроки схватывания, удобоукладаемость, чисто­ту лицевой поверхности изделий и т.п.), а эксплуатационные свойства изде­лий на таком вяжущем (прочность, водостойкость, морозостойкость и т.п.) приближаются к свойствам изделий на основе портландцемента.

Опыт применения в строительстве изделий из бетонов на основе ГЦП вя­жущих и результаты длительных натурных и лабораторных исследований показали их удовлетворительную эксплуатационную стойкость в разных климатических районах и температурно-влажностных условиях. В то же вре­мя, они выявили ряд недостатков, сдерживающих их широкое применение а строительстве.

Для устранения выявленных недостатков смешанных вяжущих в настоя­щее время исследования ведутся в следующих направлениях:

• модифицирование вяжущих и бетонов химическими добавками, в том числе полифункциональными, позволяющими регулировать некоторые свойства, в частности, сроки схватывания и твердения, снижать водопотреб-ность, повышать долговечность;
• улучшение свойств ГЦПВ и качества изделий из бетонов на их осно­ве за счет дисперсного армирования неорганическими и органическими во­локнами;                                                                          *

• создание нового поколения эффективных гипсовых материалов, из­делий и их технологий, в том числе, суперлегких тепло- и звукоизоляцион­ных, отделочных, а также элементов архитектурного декора.

В настоящее время в Киевском национальном университете строительства и архитектуры разрабатывается специальный гипсосодержащий материал бе­лого цвета для элементов архитектурного декора повышенной прочности, во­достойкости, который может быть окрашен в любой необходимый цвет.

Была выдвинута рабочая гипотеза, в которой предполагается, что соеди­нение гипсового вяжущего с ботым портландцементом, активными минера-

льными добавками белого цвета с большим содержанием активного кремне­зема, добавок имеющих общий ион с сульфатом кальция, которые уменьша­ют его растворимость и полифупкциональиых добавок, снижающих водопот-ребность, будет способствовать образованию в материале прочных и водо­стойких соединений.

В качестве добавки, уменьшающей растворимость гипса, использовали известь Са(ОН)₂. В качестве пуццолановой добавки применили белую сажу БС – 100, содержащую около 90% активного 5Ю₂. Серия экспериментов по­казала эффективность данного выбора. Водостойкость нового материала сос­тавила 0,7. Методом титрования определили способность белой сажи связы­вать свободную известь. Пользуясь этой методикой, разработанной в МИСИ им. Куйбышева [7], оптимизировали количество пуццолановой добавки в смешанном вяжущем.

Исследование опытных образцов позволило прийти к выводу, что в гаком материале отсутствуют признаки образования гидросульфоалюминатов каль­ция.⁵

Также в качестве полифункциональной добавки был выбран суперплас­тификатор в виде натриевой соли лингносульфанатных кислот, модифициро­ванной натриевой солью алдоновой кислоты. При введении этой добавки в виде водного раствора с р=1,5 г/см* в количестве 1,25% водопотребность с 55% до 32%, а прочность материала составила 29 МПа при водостойкости 0,9. Таким образом, получен эффективный композиционный гипсосодержа-щий материал, который позволит без тепловой обработки производить но из­вестным технологиям без их усложнения детали архитектурного декора, су­щественно улучшающие фасады зданий и прилегающие к ним участки, за счет элементов садово-парковой архитектуры, придающие оригинальность и требуемый стиль всему комплексу.

1. Іасан Ю.Г., Червенко СМ., Берник М.ІІ, Проблеми виготовлення і застосування деталей архітектурного декору. Збірник тез студентських доповідей 69-ї науково-практичної конференції. Київ-2008. 2. Фсрронская A.B. Развитие теории и практики в области гипсовых вяжущих веществ. Сб. «Развитие теории и технологий в области силикатных и гипсовых материалов». Ч.І. М..МГСУ, 2000. с.47 – 56. 3. Волженский A.B., Ферронская A.B. Гипсовые вяжущие и изделия. – М.: Стройиздат. 1974.- 328 с. 4. Книгина Г.И., Тимофеева Л.Г. Гипсоцемеитные вяжущие на основе гипса-сырца.//Строительные материалы. – 1962. № 12. 5. Алкснис Ф.Ф. Твердение и дестру­кция і иисоцементных композиционных материалов. – Л.: Стройиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. 6. Гасан Ю.Г., Кочерова ГВ. В’яжуче та бетон з йото використанням. Па­тент України №9512. 7. Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее. Технические условия ТУ 21-31-62-89.