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.