Как и любое вяжущее вещество, гипсовые вяжущие при смешении с водой образуют пластичное тесто, превращающееся со временем в камневидное тело вследствие ряда физических и химических процессов.
Эти изменения протекают постепенно и непрерывно, однако условно различают следующие, периоды:
•: период текучести (время до начала схватывания), когда масса обладает подвижностью и текучестью;
• период схватывания, когда масса утрачивает свою подвижность, оставаясь при этом достаточно пластичной, т.е. способной деформироваться под действием внешних воздействий;
• конец схватывания, т.е. момент, соответствующий превращению массы в камневидное тело, после которого деформативное воздействие на материал приводит к необратимой потере прочности.
Далее развивается процесс нарастания прочности в материале. Особенности этапов твердения должны учитываться при изготовлении изделий, так как приготовление массы, формование, транспортировка сырца и т.д. могут осуществляться только в течение определённого времени.
С химической точки зрения твердение низкообжиговых гипсовых вяжущих происходит в результате растворения полуводного сернокислого кальция (полугидрата), появления насыщенного по отношению к полугидрату раствора, в котором протекает реакция гидратации с образованием двуводного сернокислого кальция:
СaSO4∙0,5H2O+1,5Н2О <=> CaSO4∙2H2O
Существует несколько теорий, объясняющих механизм твердения вяжущих веществ и, в частности, гипса. На примере гипса рассматривать и сравнивать эти теории особенно удобно, так как это вяжущее мономинеральное.
теория Ле-Шателье
Кристаллизационная или кристаллохимическая теория была предложена Ле-Шателье в 1882 г. Она объясняла твердение вяжущего возникновением кристаллического сростка гидратных новообразований, выпадающих из раствора. Вяжущее растворяется с образованием раствора, который быстро достигает концентрации насыщения по отношению к составляющим его соединениям. Возникающие в результате гидратации новообразования менее растворимы, чем исходные вещества, следовательно, по отношению к ним раствор оказывается пересыщенным, что и влечёт за собой их кристаллизацию.
При твердении строительного гипса в связи с тем, что растворимость двуводного сернокислого кальция составляет около 2 г/л, растворимость исходного полугидрата - около 8 г/л, раствор оказывается пересыщенным по отношению к двугидрату. в результате чего из раствора выпадают мелкие кристаллы. При этом раствор обедняется сульфатом кальция, что обеспечивает растворение новых количеств полугидрата и кристаллизацию двугидрата. По этой схеме процесс продолжается да полной перекристаллизации всего исходного CaSO4*0,5H2O. При высокой концентрации вяжущего в воде возникающие при твердении кристаллогидраты тесно соприкасаются друг с другом и даже частично срастаются, образуя прочные структуры твердения.
Коллоидно-химическая теория Михаэлиса
В 1892 г. появилась коллоидно-химическая теория, предложенная В. Михаэлисом, которая объясняла твердение вяжущих образованием коллоидного "студня" новообразований (гелей), склеивающего вяжущего и заполнителя.
Согласно этой теории при твердении полуводного гипса гидратация CaSO4*0,5H2O идёт не в растворе, а на поверхности частиц вяжущего. Двуводный гипс, образующийся таким образом, не может перейти в пересыщенный раствор и образует коллоидную массу. Упрочнение камня происходит вследствие отсоса воды из геля внутренними частями зёрен вяжущего, сопровождаемого появлением дополнительных количеств двугидрата и обусловленного этим повышения плотности.
Таким образом, процесс протекает в основном топохимически, т.е. на поверхности зерна и без перехода минералов вяжущего в жидкую фазу. На более поздних сроках твердения коллоидная масса превращается в кристаллический сросток.
Теория твердения Л.А. Байкова
В 1923 г. А.А. Байков предложил свою теорию твердения, в значительной мере обобщающую взгляды Ле-Шателье и Михаэлиса. Он выделил три этапа твердения:
• подготовительный период - образование раствора, пересыщенного по отношению к продуктам гидратации;
• период коллоидизации (схватывание), когда возникающие новообразования не могут растворяться в насыщенной жидкой фазе и выделяются в виде тонкодисперсных коллоидных частиц, минуя растворение. При этом масса теряет пластичность, но не приобретает пока прочности, так как между гидратными частицами отсутствует прочное сцепление;
• период кристаллизации (твердение), когда происходит перекристаллизация коллоидных частиц в кристаллы, которые со временем растут и срастаются друг с другом.
Эта теория в принципе признается большинством исследователей, хотя в механизм протекания отдельных этапов твердения в настоящее время внесены ряд уточнений.
Рассмотренные теории являются общими для всех типов вяжущих. В зависимости от состава вяжущего вещества, тонкости его помола, водотвёрдого отношения, температуры среды и некоторых других факторов изменяются в довольно широких пределах скорость твердения, прочность и другие свойства растворов, бетонов и различных изделий из вяжущих веществ. Это можно проиллюстрировать на примере кинетики твердения и прочностных характеристиках а- и б-модификаций полуводного гипса. Для них химизм твердения один и тот же, но поскольку б-полугидрат по своей природе более высокодисперсен и его кристаллы более дефектны, то он отличается повышенной растворимостью и более быстрой гидратацией, т.е. быстрее схватывается и твердеет. Но, с другой стороны, более высокая его удельная поверхность обуславливает повышенную водопотребность (водопотребность для б-модификации составляет 50-70%, а для а-модификации - 30-45%), а, следовательно, ведёт к более низким прочностным показателям.
Еще более плотной структурой отличаются высокообжиговые гипсовые вяжущие, переходящие в "намертво обожжённое" состояние, т.е. в чистом виде не обладающие гидравлической активностью и требующие введения добавок-катализаторов.
Процесс превращения ангидрита CaSO4 в двуводный гипс CaSO4*0,5H2O в присутствии катализаторов объясняется тем, что на поверхности ангидрита сначала образуется комплексная соль, которая в дальнейшем распадается с выделением двуводного гипса:
CaSO4+Катализатор+nH2O -> [Катализатор*СаSО4*H2О]->Катализатор+(n-2)H2O + CaSO4*2H2O
Такой химизм твердения характерен как для ангидритового вяжущего, так и для эстрих-гипса. Однако нужно учесть, что в высокообжиговом гипсе происходит гидратация СаО, приводящая к образованию Са(ОН)2, который со временем может подвергаться действию углекислого газа и частично карбонизироваться до СаСО3.
