Характеристика и роль объемных изменений при твердении полуводного гипса —
Взаимодействие полуводного гипса с водой сопровождается изменением объемов твердой фазы и всей системы и целом, роль которых в формировании прочности гипсового камня изучена недостаточно. Изменение объемов происходит в результате физических и физико-химических процессов: седиментации и теплового расширения, изменения абсолютных объемов твердой и жидкой фаз и др.
Особого внимания заслуживает вопрос о влиянии капиллярных сил па объемные деформации твердеющего полуводного гипса. Известно, что гидратация полугидрата в водной среде сопровождается максимальным увеличением объема системы. Это можно объяснить почти полным исчезновением воздействия капиллярных сил на твердую систему. При умеренном или пониженном содержании воды в ней возникают капиллярные силы (с образованием в капиллярах вогнутых менисков), ограничивающие расширение системы, что в свою очередь должно способствовать упрочнению формирующегося гипсового камня. Можно полагать, что отсутствие волы в жидком виде, а следовательно, и капиллярных сил в твердеющей системе также отрицательно влияет на ее прочностные свойства Для выявления влияния этого фактора на твердение полуводного гипса проведены опыты.
Прессованием без воды из вяжущего приготовлены цилиндры объемной массой 1.43, 1,68. 1,88 и 1.93 г/гм3. По три образца каждой серии насыщены водой и одновременно с сухими помешены в эксикатор над водой. В последующем они взвешивались через каждые 15 сут. в течение 6 мес. После трех лет хранения образцы высушены до постоянной массы, измерены и испытаны па прочность при сжатии. Степень гидратации определяли по потерям при прокаливании при 400°С.
Масса образцов, насыщенных водой, уменьшалась, а сухих, напротив, увеличивалась. К 5 мес. хранения над водой масса всех образцов стабилизировалась. Через 1.5 мес- на сухих образцах появились волосяные трещины. Отмечено также их появление на первоначально увлажненных образцах объемной массой 1,88 и 1.94 г/см3. Наиболее глубокие трещины характерны для сухих и увлажненных образцов указанной объемной массы. Середина этих образцов долгое время остается сухой. После трех лет нахождения над водой достигается полная пидратания полу- нодного гипса с увеличением объема образцов (табл. 1).
Особенно большие объемные деформации характерны для образцов, помещенных в эксикатор над водой в сухом состоянии. Прирост их объема оказался в 2—7 риз больше прироста объема образцов, подвергнутых увлажнению после формования. Основная причина большого увеличения объема сухих образцов медленная гидратация полугидрата с образованием укрупненных кристаллов па поверхности его частичек в отсутствии жидкой фазы и стягивающих капиллярных сил.
Вместе с тем обращает на себя внимание то обстоятельство, что увлажненные образцы увеличиваются с течением времени в объеме тем больше, чем больше их исходная объемная масса. Так. при объемной массе » 1,67 г/см3 прирост объема через три года оказался разным 4,1%, а при объемной массе 1,89 и 1,93 г/см1 он достиг соответственно 8 и 11,2%. Такое увеличение объема увлажненных образцов с повышенной объемной массой объясняется давлением кристаллов Двуводиого гипса, образующегося в очень стесненных условиях исходной плотной массы вещества. Начальная абсолютная пористость прессованных образцов в двух последних случаях (табл. 1. образцы 6 и 8) с учетом плотности полугидрата в 2,63 г/см3 равна 28 и 26.6%. Если бы начальный объем образцов при гидратации полуводного гипса оказался неизменным, то теоретически пористость должна достигнуть в образцах № 6 и № 7 соответственно 7,4% и 5,5%, а плотность — быть близкой к абсолютной плотности двугидрата (2,35 г/см2).
В действительности увеличение объема образцов под воздействием сил кристаллизации привело к фактической пористости их примерно в 20%. Характерно, что увлажненные образцы № 2 незначительно увеличились в объеме, чему способствовали капиллярные силы и пористость исходных образцов 45,4%. В порах без особых напряжений могли разместиться образующиеся кристаллы двугидрата. Теоретическая пористость полностью гидратированного образца могла достигнуть примерно 30%, но фактически оказалась разной 31,8%. По-видимому, данная система может твердеть без значительных деформаций при конечной пористости не менее 25—30%.
Рассматриваемые объемные изменения взаимодействии полуводного гипса с водой по-разному отражались на целостности образцов. Наибольшее развитие трещин отмечено на образцах с повышенной объемной массой. Тем не менее с увеличением объемной массы затвердевшего полугидрата прочность возрастает. Важно отметить, что прочность увлажненных образцов з 2— 6 раз больше прочности таких же образцов, но помешенных над полон в СVXOM состоянии.
При высокой прочности образца гидратация может оказаться заторможенной вследствие малых размеров пор или из-за отсутствия свободного пространства для размещения гидратных новообразований. Для изучения этого явления изготовлены прессованием цилиндры с водогнпсовым отношением 0,4; 0.3; 0,2; 0,15 и 0,1 и объемной массой по полуводному гипсу 1,29; 1,48; 1,74; 1,91 и 2,1 г/см3. Количество воды в смесях подбирали таким образом, чтобы гидратация происходила при недостатке и избытке ее в сравнении с необходимым для одной гидратации вяжущего. Создавалась система, состоящая из твердой и жидкой фаз.
Так, при плотности полугидрата, равной 2.63 г/см3, масса его в 1,91 г занимает объем 0,72 см3. Оставшийся объем — 0.28 см3 должен быть зополнен водой, что соответствует отношению, равному 0,147 (принято 0,15). Затворение полугидрата производилось 0,2%-ным раствором кератина.
После изготовления, в процессе хранения и перед испытанием на прочность образцы измеряли и взвешивали. Прочность при сжатии определялась через 2 ч после изготовления, через 7 сут. и после 3 лет хранения в эксикаторе над водой. Часть образцов -перед испытанном высушивали до постоянной массы.
В течение 3 мес. масса образцов уменьшается. В последующем (табл. 2) она увеличивается у образцов с обьемной массой 1,91 и 2,1 г/см3, что свидетельствует о продолжающемся взаимодействии полугидрата с водой. Начальная прочность этих образцов обусловливается степенью гидратации, которая тем меньше, чем больше объемная масса и, следовательно, чем меньше их исходная пористость.
К 7-суточному возрасту прочность этих образной значительно возрастает, чему способствует дальнейшая гидратация вяжущего и дисперсность образующихся кристаллов двугидрата. Образцы № 4 и № 5 резко превосходят по прочности образцы № 3, хотя последние достигли почти 100%-ной гидратации. Прочности образцов № 4 и № 5, в которых степень гидратации к 7 сут. равна лишь 59 и 21 %. оказались близкими между собой при практически одинаковой пористости. Это явление объясняется более высокой дисперсностью частичек двугидрата, образующегося в условиях недостатка воды для полной гидратации полуводного гипса По этой же причине образцы № 3. состоящие из полуводного гипса, образовавшегося при избыточном количестве в-оды, оказались менее прочными по сравнению с теоретически необходимым
Таким образом, опыты вновь иллюстрируют большую зависимость прочностных показателей, затвердевших вяжущих от дисперсности частичек новообразований. К трем годам твердения процесс гидратации полностью закончился во всех образцах. Прочность при сжатии повысилась только у образцов № 3, объемная масса их соответственно увеличилась, а объем не изменился. В образцах с объемной массой 1.91 и 2,1 г/см3 гидратация значительно замедлена -вследствие чрезмерно малых размеров пор и недостатка свободного пространства в образцах № 4 и даже его отсутствия и образцах № 5 (табл. 2).
Теоретическая пористость образцов при полной гидратации должна быть равной 6,5%. Фактически, из-за постоянного увеличения объема при гидратации пористость увеличилась до 11%. У образцов № 5 -гидратация полуводного гипса в размере 97% его общего количества уже должна бы привести к полной теоретически возможной плотности -вещества (около 2,35 г/см3). Практически на протяжении многих месяцев взаимодействие полуводного гипса с водой и образование -новых порций твердой фазы расшатало вначале образовавшуюся структуру двугидрата, обусловило увеличение объема образцов, их растрескивание и возникновение пористости до 6% степени гидратации вещества привело не к увеличению, а к падению прочности образцов № 4 и № 5
Таким образом, даже столь активное вяжущее вещество, каким полуводный гипс, в условиях недостатка пространства в системе для размещения частичек гидратных новообразований перестает взаимодействовать с водой. Взаимодействие, хотя и замедленное, сопровождается нарушением первоначально сложившейся структуры и резким ухудшением свойств образующегося камня. Подобные процессы наблюдаются при взаимодействии других вяжущих с водой, В частности, образцы объемной массой 2,0 г/см3, изготовленные прессованием смеси негашеной извести с водой в количестве 15— 20% (меньше теоретически необходимого) под высоким давлением в форме, гасятся лишь частично. Но в момент снятия давления реакция гидратации быстро завершается с разрушением образца.