Гипс - удивительный материал с многовековой историей применения в строительстве. Давайте разберемся, из чего состоит эта полезная горная порода и какое влияние оказывает ее химический состав на свойства современных строительных материалов.
История применения гипса в строительстве
Первые свидетельства использования гипса в строительстве относятся к Древнему Египту. Из минерала алебастр, представляющего собой разновидность гипса, древние египтяне вытачивали различные архитектурные элементы и предметы интерьера.
В Древнем Египте гипс применялся как раствор или штукатурка, а алебастр использовали для изготовления статуэток, ваз, предметов интерьера и прозрачных пластин, которые устанавливались вместо оконного стекла.
Древние римляне обнаружили, что при сильном нагревании гипса выделяется влага и получается идеальная штукатурка. Это открытие позволило начать широко использовать гипс в архитектуре античности.
Минералогия и химия гипса
Формула гипса - CaSO4 × 2H2O. Она показывает, что в состав молекулы входят:
- Ион кальция (Ca2+)
- Сульфат-анион (SO42-)
- Две молекулы воды (H2O)
Согласно структурной формуле, ионы кальция и сульфатные группы образуют плоские слои, между которыми располагаются молекулы воды:
При нагревании свыше 107°C гипс теряет часть кристаллизационной воды и переходит в полугидрат - CaSO4·0,5H2O. Полная потеря воды приводит к образованию ангидрита - CaSO4.
Месторождения гипса в России
Большая часть разведанных запасов гипса в России находится в Центральном федеральном округе. Здесь расположены 6 крупнейших месторождений:
- Болоховское
- Плетневское
- Скуратовское
- Новомосковское
- Лазинское
- Порецкое
Также значительные запасы гипсового сырья есть на Урале, в Поволжье и на Северном Кавказе.
| Месторождение | Регион | Запасы, млн тонн |
| Кунгурское | Пермский край | 236 |
| Камское Устье | Татарстан | 138 |
Всего в России учтено 86 месторождений гипса с суммарными запасами около 3,3 млрд тонн. Этого хватит на многие десятилетия даже с учетом возрастающих объемов добычи и потребления.
Технологии переработки гипсового камня
Добытый на месторождениях гипсовый камень проходит ряд этапов переработки, прежде чем становится готовым строительным материалом.
Сначала породу дробят и размалывают в порошок. Затем этот порошок подвергают термической обработке при температуре 140-180°С. Происходит частичная потеря кристаллизационной воды согласно формуле гипса и образование полугидрата сульфата кальция.
Для улучшения свойств в состав гипсового вяжущего часто вводят специальные добавки:
- Минеральные наполнители
- Стабилизаторы
- Пластификаторы
- Ускорители и замедлители схватывания
Виды гипсовых вяжущих материалов
В зависимости от назначения различают несколько основных видов гипсовых вяжущих на основе полугидрата сульфата кальция:
- Строительный гипс
- Высокопрочный гипс
- Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее
Формула и химический состав этих материалов практически одинаковы. Различия заключаются в технологиях производства, размере частиц и наличии специальных добавок.
Применение гипса в сухих строительных смесях
Одно из наиболее распространенных применений гипсового вяжущего - производство сухих строительных смесей (ССС).
ССС с гипсовым вяжущим выпускаются в виде порошка или готовых к применению паст. Их используют для выравнивания стен и потолков при подготовке поверхности к дальнейшей отделке.
Прочность затвердевшего раствора на основе формулы гипса в несколько раз выше, чем у традиционных цементных и известковых штукатурок.
Особенности гипсокартонных листов
Еще один популярный гипсосодержащий материал - гипсокартон. Он представляет собой листы из гипсового вяжущего, армированные картоном или стекловолокном.
Гипсокартон отличается высокой прочностью на изгиб, легкостью, пожаробезопасностью. Его активно используют для облицовки стен и потолков, устройства перегородок.
Технология производства гипсобетона
Гипсобетон - это конструкционный материал, получаемый путем твердения вяжущего на основе гипса с заполнителями.
В качестве заполнителя чаще всего используют песок. Также добавляют пластификаторы и специальные добавки для регулирования сроков схватывания.
Гипсовые штукатурки и шпатлевки
Еще одна область широкого применения гипсосодержащих материалов - это штукатурные и шпатлевочные составы.
Их используют для выравнивания и придания декоративных свойств поверхностям стен, потолков, колонн внутри помещений.
Физико-механические свойства изделий из гипса
Ключевые характеристики гипсосодержащих стройматериалов:
- Предел прочности при сжатии
- Предел прочности при изгибе
- Водостойкость
- Теплопроводность
Эти показатели во многом определяют области использования конкретных материалов с гипсовым вяжущим.
Прочность гипсосодержащих материалов
Предел прочности при сжатии для различных материалов на основе гипсового вяжущего составляет:
- Гипсовая штукатурка - 5-10 МПа
- Гипсокартон - 8-15 МПа
- Гипсобетон - 10-25 МПа
Для сравнения, цементные растворы имеют предел прочности при сжатии 20-40 МПа. То есть по этому показателю гипс уступает им, зато превосходит традиционные известковые и глиняные штукатурки.
Водостойкость гипсосодержащих материалов
Согласно химическому составу, гипс растворим в воде. Поэтому изделия на его основе не рекомендуется использовать в условиях постоянного контакта с водой.
Однако непродолжительное увлажнение, например, атмосферными осадками, гипсосодержащие материалы могут выдерживать без потери свойств.
Морозостойкость гипсовых изделий
Большинство материалов с гипсовым вяжущим не обладают достаточной морозостойкостью. При многократном замораживании/оттаивании они разрушаются.
Поэтому применение таких изделий ограничено условиями эксплуатации внутри отапливаемых помещений с положительной температурой.
Теплопроводность гипсосодержащих материалов
Коэффициент теплопроводности материалов на основе гипса составляет 0,2-0,8 Вт/м·К. Это сопоставимо с кирпичом и бетоном.
За счет невысокой теплопроводности изделия из гипса можно использовать для устройства теплоизоляционных конструкций и повышения энергоэффективности зданий.
Перспективы использования гипса
Уникальные свойства гипса, заложенные в его химической формуле и структуре, обеспечивают этому материалу широкие перспективы применения в будущем.
В частности, ведутся разработки гипсовых композитов, гипсосодержащих клеев, растворов для 3D-печати в строительстве.
