книги / Эффективные строительные материалы на основе гипса и фосфогипса

лась также при прессовании прокаткой предварительно гидратированного минерала цементного клинкера/З-С^Б (рис. 2.13, д, е) .

Отпрессованный при р = 520 МПа на валковом прессе предварительно нейтрализованный известковым молоком фосфогипс ГХЗ характеризуется структурой, подобной структуре не нейтрализованного фосфогипса. Отличие заключается в наличии частиц извести у торцевых поверхностей кристаллов двуводного гипса (см. рис, 2.13, а). Идентична предыдущей структура фос­ фогипса, подвергнутого нейтрализации в лабораторных условиях путем введе­ ния Са (ОН) 2 (см. рис. 2.13, б) .

Ангидрит AIM, прошедший прессование прокаткой, характеризуется частично монолитизированной структурой, состоящей из сильно деформи­ рованных кристаллов со следами сдвиговых деформаций. Наблюдаются большие зазоры и поры между зернами, иногда трещины в кристаллах. После прессования материал разрушается при приложении небольшого усилия.

Эстрих-гипс (AI) не удалось отпрессовать на валковом прессе вообще. Даже при самых высоких давлениях наблюдался выход несинтезированного порошка эстрих-гипса, не претерпевшего никаких изменений по фазовому и химическому составу.

Анализ процесса структурообразования термопрессованных фосфогипсовых материалов позволил сделать предположение, что наблюдаемый эффект "спекания" материала в процессе формирования структуры связан с осо­ бенностями кристаллической структуры гипса.

Известно, что кристалл двуводного гипса имеет слоистую структуру,

в которой ионы Са2+ и группы SO2 - разделены слабо связанными прослой­ ками воды. При нагревании в процессе прессования даже частичное удаление молекул воды из кристаллов приводит к образованию дефектов их упаковки типа вакансий и дислокаций, что предопределяет развитие интенсивных плас­ тических деформаций уже при давлении порядка 100 МПа. На микрофотогра­ фиях структуры, сформированной в условиях динамического сжатия (см. рис. 2.12, 2.13), хорошо видны пластические течения и сдвиговые явления, залечивание дефектов упаковки, выходящих на свободную поверхность кристалла.

В общем случае фазовые контакты между кристаллами дигидрата сульфа­ та кальция могут формироваться за счет дегидратированных с поверхности частиц двуводного гипса и подвижных молекул воды адсорбционного слоя. Молекулы подвижного слоя стремятся занять на поверхности кристаллогид­ рата положение, отвечающее их наименьшей свободной энергии, и в условиях механического поджима между частично дегидратированными кристаллами гипса образуются контакты. Это подтверждается результатами наших иссле­

Формирование структуры материала, по нашему мнению, может происхо­ дить и за счет прямого перехода кристаллизационной воды из одного кристал­ логидрата гипса в другой. При динамическом прэссовании дисперсной системы CaS04* 2 Н2О в деформированных до предела пластичности кристаллах дигид­ рата сульфата кальция наиболее вероятен разрыв слабых связей между отдель­ ными слоями CaS04 (катионов Са2+ с анионами SO2” ) и молекулами крис­ таллизационной воды, которая может выдавливаться из кристаллической ре­

шетки дигидрата сульфата кальция при высоких статических нагрузках, на­ пример в природных условиях при образовании подстилающих дигидрат слоев ангидрита. В условиях динамического сжатия пластическое деформирование кристаллов идет при сравнительно невысоких давлениях. Этому способствует нагрев кристаллов до температур, при которых система выходит из фазового равновесия. В рассматриваемом случае кратковременное воздействие динами­ ческих нагрузок может приводить к образованию фазовых контактов между деформированными кристаллами. Новые контакты возникают за счет восста­ новления разорванных при деформациях кристаллогидратных связей. Таким образом, контактообразование в твердой фазе может идти за счет непосредственнного "срастания" деформированных кристаллов, что приводит к обра­ зованию из порошкообразного сырья твердого дисперсно-пористого тела.

Процесс структурообразования системы CaS04*2H20 в условиях динамиче­ ского сжатия идет в дигидратной фазе по твердофазовой схеме с участием структурообразующих факторов 4, 7, 8, интенсифицирующих образование кристаллизационных контактов, пластическое деформирование кристаллов и их "спекание" При ударном прессовании, прокатке и штамповке в процессе структурообразования дополнительно участвует структурообразующий фак­ тор 9а — образование локальных зон высокого давления на границах гипсовых зерен. В отличие от фактора 9, ответственного за образование зон высокого давления на границе "твердый заполнитель (кварц) — мягкий гипс" при низких давлениях прессования (10...15 М Па), для проявления структурообразующего фактора 9а требуются значительные (до 1000 МПа) прессующие нагрузки.

3.ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, СТРУКТУРНЫЕ

ИЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕССОВАННЫХ ГИПСОВЫХ И ФОСФОГИПСОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.1. СВОЙСТВА ПРЕССОВАННЫХ ГИПСОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Плотность, пористость, влагосодержание. Исследование физико-механи­ ческих свойств гипсового калия выполнено на образцах, изготовленных фильтр-прессованием (см. § 1.3) и литьем (ГОСТ 23789—79) из смесей нормальной густоты на основе гипсового вяжущего Минского завода (см. табл. 1.5).

Табл. 3.1. Характеристики физических свойств гипсового камня

меньше, чем образцов стандартного изготовления. Влагосодержание прессо­ ванных образцов непосредственно после изготовления составляет 9 %, а в суточном их возрасте не превышает 4 %. Это обусловливает значительное увеличение прочности материала и позволяет исключить из технологического цикла изготовления прессованных гипсовых изделий процесс их сушки.

Водостойкость. Широкому использованию гипсовых вяжущих препятст­ вует низкая водостойкость изделий на их основе. При хранении гипсового камня в условиях повышенной влажности или при непосредственном контак­

сокая пористость с преобладанием пор, проницаемых для воды). Водяные пары, проникая в материал через поры и микротрещины, адсорбируются на их внутренних поверхностях и оказывают раоклинивающее давление на эле­

верхности частиц твердой фазы идет процесс растворения кристаллов, и в пер­ вую очередь кристаллизационных контактов, т.е. снижение прочности мате-

риала. Кроме того, при наличии свободной воды в системе термодинамически неизбежен процесс перекристаллизации мелких кристаллов в более крупные, что приводит к частичной потере контактов срастания и снижению прочности, поскольку наибольшей прочностью обладают мелкокристаллические струк­ туры.

В связи с увеличением средней плотности прессованных образцов и умень­ шением их пористости естественно было ожидать улучшения показателей их водостойкости. Из табл. 3.2 и 3.3 видно, что скорость впитывания воды образцами стандартного твердения намного выше, чем образцами, сформо­ ванными под давлением. Если в гипсовом камне стандартного твердения по­ ловина объема поглощаемой им воды впитывается в течение 1 мин, то в прес­ сованном гипсовом камне — в течение 60 мин. Однако, несмотря на то что водопоглощение прессованных образцов намного ниже, чем образцов стандартного твердения, коэффициент их размягчения всего лишь в 1,5 раза выше, а прочность при водонасыщении снижается более чем на 50 %. Связано это, как уже говорилось, с природой самого гипса, для которого характерна высокая растворимость в воде, обусловливающая частичную потерю кристал­ лизационных и ослабление коагуляционных контактов.

Табл. 3 2. Результаты испытания гипсового камня на водостойкость

"Здесь и ниже в чесах.

Прочность и деформативность. Результаты исследования прочности при сжатии литых и прессованных образцов в возрасте 28 сут приведены в табл. 3.4.

Прочность при сжатии прессованного гипсового камня в 3...4 раза выше, чем камня стандартного изготовления. Коэффициент вариации прочности прессованных образцов хотя и невелик, но больше соответствующих коэффи циентов для стандартных образцов.

Поскольку на сжатие испытывались образцы разных размеров (с пло щадью поперечного сечения 16, 25 и 49 см2 ) , представилось возможным про* анализировать влияние масштабного фактора на их прочность. Для образцов стандартного твердения влияние масштабного фактора на прочность гипсово­ го камня весьма незначительно, в то время как для образцов прессованного гипсового камня явно видна тенденция повышения прочности при уменьшении размеров образца.

Табл. 3.4. Результаты испытаний гипсового камня на сжатие

(отношение прочности кубов с ребром 70 мм к прочности других образцов)

гибе к пределу прочности при сжатии половинок призм

Предел прочности при изгибе прессованных образцов почти в 3 раза выше, чем образцов стандартного твердения (табл. 3.5). Образцы гипсового камня характеризуются лучшим соотношением прочностных характеристик при восприятии изгибающих нагрузок, чем образцы из цементов соответ­ ствующих марок.

Прочность при растяжении прессованных образцов выше, чем образцов стандартного твердения (табл. 3.6).

Образцы гипсового камня в виде призм 70 х 70 х 280 мм были испытаны при статическом приложении вдоль оси образцов возрастающей ступенями нагрузки с целью исследования их деформационных свойств (табл. 3 .7).

Призменная прочность гипсовых образцов приблизительно равна Кубико­ вой, в то время как для бетона она обычно составляет 0,7...0,8 от кубиковой. Модуль упругости испытанных прессованных гипсовых образцов в 2,6 раза выше, чем образцов стандартного твердения. По модулю упругости гипсовые материалы сравнимы с легкими бетонами. Коэффициент упругости прессо­

лу прочности при сжатии

так и позитивную (трещиностойкость за счет перераспределения напряжений в материале и повышенная прочность при изгибе) стороны.

Как видно из табл. 3.7, начальная граница микроразрушений в образ­ цах стандартного твердения ниже, чем в прессованных. Следовательно, при на­ пряжениях, не превышающих половины предела прочности, прессованный гипсовый камень будет надежно работать при воздействии многократно по­ вторяющейся нагрузки.

Табл. 3.7. Прочность и деформативность гипсового камня

Для прессованных образцов упругие и полные деформации несколько превышают соответствующие характеристики обычных бетонов.

Ударная прочность. Истираемость. Из табл. 3.8 видно, что ударная проч­ ность прессованных образцов почти вдвое выше, чем образцов стандартного изготовления.

Истираемость гипсового камня исследовалась в соответствии с ГОСТ 13087—81 (табл. 3 .9). Для прессованных образцов потери массы и уменьше­ ние высоты оказались одинаковыми, для стандартных - различными, что можно объяснить частичным выкрашиванием материала. Прессованный гипсо-

Табл. 3.8. Результаты испытания гипсового камня ударной нагрузкой

Рис. 3.2. Изменение коэффициенте теплопроводности (/), продела прочности при сжатии

(2) и убыль влаги (3) в процессе твердения прессованного гипсового камня

мере уменьшения содержания свободной воды в системе в результате есте­ ственной сушки перекристаллизация затухает и превалируют процессы, ве­ дущие к упрочнению структуры (см. рис. 3.1, кривая 2). В системе, сформо­ ванной под давлением, перекристаллизация завершается примерно через 8 ч от начала затворения смеси (см. рис. 3.2). С этого момента времени вновь наблюдается рост теплопроводности системы. В течение первых суток тверде­ ния из нее удаляется более половины объема всей свободной воды. Убыль по­ следней, а также продолжающийся процесс гидратации приводят к формиро­ ванию прочной пространственной структуры материала, характеризующейся наличием условно-коагуляционных и кристаллизационных связей между кри­ сталлами.

Однако процесс структурообразования, обусловливающий рост проч­ ности твердеющей системы, является причиной возникновения в ней с тече­ нием времени внутренних напряжений, приводящего в большинстве случаев к образованию микротрещин. По-видимому, этим и объясняется очередной спад теплопроводности системы, сформованной под давлением, в течение пер­ вых двух суток твердения, после чего в ней практически прекращается про­ цесс роста кристаллов. Степень гидратации вяжущего в системе достигает 95 %. Дальнейшее испарение влаги, способствующее поддержанию некоторого

шей-контактов в зазоре между двумя соприкасающимися поверхностями кристаллов. Это подтверждается электронно-микроскопическими исследова­ ниями структур (см. рис. 1.18, 1.19).

Падение теплопроводности образцов 5...9-суточного возраста связано с увеличением контактного сопротивления системы из-за практически полного замещения влаги в порах материала воздухом. На этом этапе испарение влаги из материала заканчивается и достигается равновесное состояние образца с окружающей средой. В дальнейшем в образцах возраста до 1,5 лет наблю­ дается рост прочности материала и плавное увеличение его теплопроводнос­