Трех-четырехкратную и большую степень пересыщения создают кристаллы размером 0,0038 мкм. Несмотря на то, что данные расчеты являются приближенными, тем не менее они дают ясное представление о взаимосвязи степени пересыщения, величине равновесных зародышей и их растворимости.

Она достигает максимума тогда, когда закристаллизовавшийся объем достигнет половины первоначального.

В результате растворения полугидрата раствор становится пересыщенным по отношению к двугидрату и последний выкристаллизовывается из него. Это приводит к обеднению раствора ионами Са2+ и O42- , и вследствие этого появляется возможность растворения новых порций полугидрата снова до образования пересыщенного раствора и последующего выделения из него двугидрата. Массовое образование зародышей двугидрата приводит к тому, что пластичная гипсовая смесь уплотняется и загустевает. Это явление соответствует началу ее схватывания.

В этот период за счет энергии межмолекулярного притяжения образуются коагуляционные контакты между кристалликами гипса. Характерной особенностью этих контактов является наличие между кристаллами водной прослойки, в результате чего возникшая структура эластична и тиксотропна, т.е. обладает самопроизвольным восстановлением структуры вязкой системы после ее разрушения. Прочность коагуляционных контактов - примерно 10-10 ...10-11 N на один контакт, что слабее кристаллизационных контактов на несколько порядков.

Процессы растворения частиц вяжущего и выкристаллизовывания двугидрата продолжаются до полной гидратации полугидрата. Отсутствие водных прослоек между кристалликами двугидрата вследствие гидратации приводит к образованию условно-коагуляционных контактов срастания. Гипсовое тесто все больше теряет пластичность и уплотняется. Это соответствует концу схватывания гипсовой смеси.

По мере роста кристаллов двугидрата и расхода воды на гидратацию образуются самые прочные кристаллизационные контакты срастания по границам зерен, которые обеспечивают жесткий кристаллический каркас гипсового камня.

При кристаллизации на анизотропной поверхности подложки различают два принципиально отличных механизма роста — послойный и нормальный. Послойный рост кристалла предполагает наличие на атомно-гладкой поверхности кристаллизации ступеней, к атомам которой присоединяются атомы кристаллизующегося двугидрата.

 Рост кристаллов осуществляется путем последовательного зарастания слоев, т.е. тангенциального перемещения ступеней.

При нормальном росте кристаллов гипса атомы кристаллизующегося вещества присоединяются к атомам кристалла практически в любом месте поверхности. Это возможно в том случае, когда на поверхности имеется достаточно много энергетически выгодных мест закрепления атомов, т.е. когда поверхность является атомно-шероховатой. В этом случае поверхность в процессе роста перемещается по нормали к ней.

Таким образом, развитие структуры гипсового камня протекает в два этапа. На первом этапе формируется кристаллизационный каркас, а на втором — этот каркас обрастает кристалликами двугидрата. Эти процессы приводят к повышению прочности гипсового камня. Но, с другой стороны, как показали П.А. Ребиндер, Е.Е. Сегалова [3] и А.Ф. Полак и др. [4], в твердеющей структуре могут развиваться внутренние напряжения, снижающие прочность структуры. Однако при затвердевании литых гипсовых смесей твердеющая влажная структура достаточно хорошо сопротивляется (релаксирует) нарастающим внутренним напряжениям вследствие остаточных коагуляционных и условно-коагуляционных контактов срастания кристалликов гипса.

Таким образом, в результате физико-химических процессов образуется прочная капиллярно-пористая структура искусственного гипсового камня, которая является основой гипсовых изделий.

Современное состояние применения гипсовых материалов в строительстве

Отечественный и зарубежный опыт применения гипсовых материалов в строительстве и результаты научно-исследовательских разработок в этой области показывают [5], что применение гипсовых материалов совершенно недостаточно. Перегородки из гипсокартонных листов (ГКЛ) 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 ?-полугидрата сульфата кальция (строительный гипс) 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.

Повышение водостойкости гипсовых вяжущих веществ 

 Причина недостаточной водостойкости ГВ, 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 CaSO4 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 ГВ 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 ГВ 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 соединения, имеющие тенденцию к разрыву при небольших напряжениях. Кроме того, двугидрат 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 размыванию гипсовых отливок под действием воды.

Анализ работ по повышению водостойкости гипсовых вяжущих позволяет определить следующие тенденции в исследованиях по улучшению технических свойств гипсовых вяжущих:

• 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 различные свойства гипсобетонов;
• уменьшение растворимости в воде сульфата кальция и создание условий образования нерастворимых соединений, защищающих двугидрат сульфата кальция, сочетанием ГВ 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 взаимодей ствие с образованием водостойких и твердеющих в воде про дуктов, как в результате химической реакции с гипсовым вяжу щим, так и вследствие собственной гидратации. Такими ве ществами являются портландцемент и молотые гранулирован ные доменные шлаки.

Исследования показали, что наиболее устойчива композиция, состоящая из гипсового вяжущего (полугидрата сульфата кальция), портландцемента и надлежащего количества активных минеральных добавок, которая получила название - г ипсоцементно-пуццолановые вяжущие (ГЦПВ). Они были подвергнуты всесторонним исследованиям в МИСИ им. В.В. Куйбышева (МГСУ) и других организациях.

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.