Гипсосодержащие материалы

Бессонов И.В. (НИИСФ), Жуков А.Д. (НТЦ СТРОЙИНФОРМ, МГСУ) кандидаты технических наук, Ялунина О.В. инженер

Гипс, гипсовые вяжущие, сухие строительные смеси, изделия на основе гипса являются одними из наиболее распространенных строительных материалов, используемых при внутренней отделке помещений. Гипс и изделия на его основе обладают рядом ценных свойств. Гипс не имеет запаха, не содержит и не выделяет вредных для здоровья субстанций, и не является аллергеном. Благодаря макропористой структуре, гипсосодержащие изделия способны регулировать влажность воздуха в помещениях: забирать из воздуха избыточную влагу, накапливать ее и отдавать при вентилировании помещения. Гипсовые покрытия содержат до 20% кристаллизационной воды, которую можно рассматривать как «встроенный источник воды» для замедления горения (или тушения огня) при пожаре.

Гипсосодержащие материалы, имея невысокую теплопроводность и низкий коэффициент теплоусвоения, являются «теплыми на ощупь». Именно эти свойства делают гипсосодержащие материалы привлекательными для строителей, дизайнеров интерьеров и архитекторов.

К гипсовым вяжущим относятся: полуводный гипс (α– и β– модификации), ангидрит, эстрих-гипс, вяжущие на основе техногенного сырья (в том числе фосфогипс) и др. Основными потребителями гипсового вяжущего или гипсового камня являются строительство, медицина, прикладное и декоративное искусство, сельское хозяйство, цементная и химическая промышленность. Наиболее востребованными материалами и изделиями из гипса являются гипсокартонные, гипсоволокнистые и гипсостружечные листы, блоки или панели; декоративные и звукопоглощающие изделия; огнестойкие и теплоизоляционные элементы; сухие гипсовые смеси.

В мировой практике сегодня потребляется примерно 105 млн. т в год природного гипса. По потреблению природного гипса лидирует США – 18 млн. т (17% от мировой добычи); далее следует Иран, Канада, Испания и КНР, потребляющие соответственно 10,8; 8,5; 7,1 и 6,5% природного гипса от мировой добычи.

В России в настоящее время добывается чуть больше 5 млн. т в год природного гипсового камня. Предполагается что в ближайшие годы возрастет производство гипсовых материалов и изделий, а следовательно потребуется увеличение добычи гипсового камня, что повлечет строительство новых и модернизацию старых рудников, реконструкцию подземного хозяйства.

Основным источником сырья для производства гипсовых материа­лов и изделий являются природные месторождения гипса и ангидрита, а также в небольшой степени месторождения гипсосодержащих пород. Кроме того, в качестве перспективного сырья для получения гипсовых вяжущих материалов следует рассматривать гипсосодержащие отходы ряда производств (фосфогипс, фторангидрит, титаногипс, витаминный гипс, борогипс и др.).

Для того чтобы гипсовый камень превратился в вяжущее, его подвергают температурной обработке, во время которой происходит обезвоживание. Если при обычных условиях вода выделяется в виде пара, то при повышенном давлении она может быть получена в капельном состоянии. Такая вода получаемая из кристаллов, самая чистая в природе, а гипсовое вяжущее, как и вся продукция на его основе, - экологически чистый негорючий строительный материал.

В нашей стране с середины прошлого века гипс был отодвинут на задний план из-за приоритетного развития крупнопанельного домостроения. Начало рыночных отношений было ознаменовано появлением на отечественном рынке современных и эффективных материалов, технологий их изготовления, а том числе и технологий фирмы КНАУФ. Приход КНАУФ в Россию позволил не только возродить предприятиям стройиндустрии, а также добывающие и перерабатывающие компании, но и продемонстрировал новые возможности этого экологически чистого материала. Доказательством является широкое использование изделий изготовленных на дочерних предприятиях КНАУФ в России, при сооружении самых престижных объектов в разных регионах страны.

Наиболее крупными мировыми производителями гипсовых вяжущих, материалов и изделий на их основе являются: американская ЮНАЙТЕД СТЕЙТС ДЖИПСУМ; германские БЮТНЕР ШИЛЬДЕ ХААС, ФЕРМАЦЕЛЬ, КНАУФ, МАТИС, АСТАНА; французские ЭР ИНДУСТРИ, ЛАФАРЖ; японская ЦУКИСИМА КИКАИ; австрийская ПРО-МОНТИ.

Основными видами используемых гипсовых материалов и изделий являются гипсокартонные (ГКЛ), гипсоволокнистые (ГВЛ) и гипсостружечные (ГСЛ) листы, а также в небольших объемах мелко- и среднеразмерные плиты и блоки. Достаточно широкое применение получили декоративно-отделочные и акустические изделия, а также в больших объёмах разнообразные сухие гипсовые смеси (СГС).

Особенно следует отметить, что гипсовые материалы и изделия, распространенные за рубежом, имеют пониженную среднюю плотность за счёт поризации, включения дисперсных и пористых наполнителей, а также слоёв из суперлегких материалов. Благодаря этому масса конструкций уменьшается (например, стеновых конструкций по сравнению с кирпичными в 3 раза), что сокращает не только их стоимость, но и фундаментов, а также транспортные расходы.

Экономическая эффективность широкого применения гипсовых материалов в зарубежном строительстве обусловлена, во-первых, комплексной поставкой на строительство всех необходимых элементов конструкций; во-вторых, высоким уровнем применяемого инструмента и оборудования и, в-третьих, высокой квалификацией рабочих-строителей.

Традиционные гипсосодержащие материалы используются, как правило, внутри зданий, в помещениях с относительной влажностью воздуха - не более 60%. Это обусловлено присущими гипсосодержащим материалам низкой водо- и морозостойкостью, относительно высокой ползучестью. Повышение водо- и морозостойкости осуществляется двумя способами: поверхностной обработкой гидрофобизаторами (как временная мера); модификацией гипсовой смеси водорастворимыми полимерами (с последующей их поликонденсацией); введением специальных минеральных добавок, проявляющих пуццолановую активность.

Гипсовые вяжущие с добавкой портландцемента и пуццоланового компонента (разработка МГСУ-МИСИ) обладают универсальными свойствами, проявляющимися в способности быстро схватываться и твердеть подобно гипсовому вяжущему и, подобно портландцементу, в способности к гидравлическому твердению, меньшей ползучести и высокой долговечности. К это группе относятся гипсо-цементно-пуццолановое вяжущее (ГЦПВ); водостойкое цементное вяжущее низкой водопотребности, названное композиционным гипсовым вяжущем (КГВ); многофазовое гипсовое вяжущее (МГВ) – разработка Казанской ГАСА. Другим способом повышения водостойкости гипсовых вяжущих является введение в них извести и пуццолановых добавок. В случае использования кислых шлаков и соблюдения технологии Уральского ПИ, такое вяжущее называют гипсо-известоково-шлаковым (ГИШВ).

В нашей стране область применения гипса в строительстве значительно расширена, благодаря важнейшим отечественным разработкам. К их числу, прежде всего, относятся созданные ещё в 30-х годах в МИСИ (ныне МГСУ) водостойкие гипсовые вяжущие, не имеющие аналогов за рубежом – гипсоцементно-пуццолановые вяжущие (ГЦПВ) – ТУ 21-31-62-89 и в 90-х годах – ГЦПВ нового поколения – водостойкие гипсовые вяжущие низкой водопотребности, названные композиционными гипсовыми вяжущими (КГВ) – ТУ-21-53-110-91 (патент РФ№2070172 по заявке №4857294/33 от 07.08.92. Б.И., 1996, №34).

ГЦПВ изготовляют либо непосредственно при производстве изделий из них, либо на предприятиях по производству гипсовых вяжущих, т.е. централизованно (так с 60-х годов работало несколько предприятий. Что касается КГВ то его можно изготавливать на предприятиях по выпуску сухих смесей по специальным технологиям.

Создание водостойких гипсовых вяжущих позволило значительно расширить области применения гипсовых материалов в строительстве за счёт использования их в наружных конструкциях сборного и монолитного строительства. Для монолитного строительства особенно перспективны КГВ, так как бетоны на этих вяжущих позволяют осуществлять бетонирование и при отрицательных температурах без применения специальных мероприятий, необходимых при работе с цементными бетонами. Многие изделия из этих вяжущих (панели и плиты для перегородок и оснований под полы, санкабины, вентиляционные панели и блоки, изделия для инженерных коммуникаций выпускаются на предприятиях России, и стран ближнего зарубежья.

Особенно следует отметить, что широкому применению многих из указанных выше изделий, панелей для наружных стеновых конструкций и покрытий и других, способствовало создание в нашей стране прокатных станов ГПС-6 и ГПС-12, предложенных Н.Я.Козловым.

Введение в состав гипсовых смесей органических водорастворимых добавок позволяет так же увеличить водо- и атмосферостойкость материалов. Смолы, отверждаясь в порах и капиллярах формирующегося гипсового камня, образуют непрерывную полимерную матрицу и кальматируют эти поры. Проницаемость материала для капельной влаги значительно снижается, а образующийся защитный экран из полимерной пленки во круг кристаллов гипса препятствует доступу воды к обладающему высокой расторимостью сульфату кальция. По данным НИИСФ и «НТЦ ЭМИТ», наилучшие результаты получают при использовании аминоальдегидных смол с мономерами нелинейного вида: меламина, розорцина, бензогуанамина. Полимергипс может рассматриваться как фасадный материал и применяться в элементах декора и наружной отделки зданий.

Требования к технологии современной отделки зданий предполагают использование систем повышенной заводской готовности. К подобным материалам относят композиции на основе сухих строительных смесей: штукатурки, шпатлевки, монтажные растворы. Модификация свойств (замедление сроков схватывания, увеличение адгезии и пр.) достигается введением на стадии изготовление в сухое вяжущее различных добавок. Наиболее распространенными являются эфиры целлюлозы, различные клеи животного происхождения в порошковом виде, модифицированные твердые лигносульфонаты, винная и лимонная кислоты и их соли. В некоторых случаях рекомендуется применять карбоксиметилцеллюлозу в сочетании с полифосфатами натрия или лигносульфонатами натрия, а так же с гидратной известью или бурой; солей фосфорной или борной кислот.

Получаемые на основе сухих смесей, гипсовые и гипсоизвестковые штукатурки обладают низкой теплопроводностью, имеют высокую скорость набора прочности и короткий период высыхания. Гипсовые шпатлевки характеризуются практически полным отсутствием усадки, обладают повышенной трещиностойкостью, хорошей адгезией и шлифуемостью, совместимостью со всеми видами вододисперсионных красок строительного назначения. Растворы на основе смесей для монтажных работ (используемые для приклеивания листовых и плиточных материалов, применяемые при сборке перегородочных плит) обладают как клеящими так и шпатлевочными свойствами, что позволяет одновременно проводить и монтажные работы и подготовку поверхности к чистовой отделке.

Внутренняя отделка «сухим методом» позволяет значительно повысить качество работ и сократить их сроки. «Сухое строительство» - это комплекс строительных работ по обустройству межкомнатных перегородок и облицовке капитальных стен, в процессе, которого не применяют в больших объемах различные «мокрые» операций: штукатурные и кладочные работы, использование цементных и бетонных смесей. Базовыми элементами этих систем являются гиспокартонные листы, гипсоволокнистые листы и плиты, гипсовые пазогребенные и потолочные плиты.

В России для внутренней отделки помещений «сухим методом» широко используется продукция предприятий группы КНАУФ: ТИГИ-КНАУФ, ГИПС-КНАУ», ПОБЕДА-КНАУФ, КУБАНСКИЙ ГИПС-КНАУФ», АВАНГАРД-КНАУФ, УРАЛГИПС-КНАУФ», СМС-КНАУФ (Молдова). Ранее продукция под торговыми марками RIGIPS и GYPROC была представлена на отечественном рынке BRITISH PLASTER BOARD (ВРВ); с 2007 года эти марки представляет СЕН ГОБЕН СТРОИТЕЛЬНАЯ ПРОДУКЦИЯ РУС (GYPSUM).

В перспективе поризованный гипс найдет широкое применение в производстве стеновых, отделочных, звукопоглощающих и теплоизоляционных изделий. Поризация гипсовых смесей может осуществляться за счет газообразования. В этом случае в качестве газообразующей добавки могут применяться техническая соль сернокислого алюминия, измельченные карбонатные породы (известняк или доломит) в смеси с минеральными кислотами, перекись водорода. Короткие сроки схватывания гипсового вяжущего делает предпочтительным поризацию гипсовых систем за счет введения поверхностно-активных веществ (ПАВ), что широко применяется в производстве отделочных гипсокартонных листов, перегородочных плит и других изделий со средней плотностью не менее 800 кг/м³.

Пеногипс плотностью менее 400 кг/м³ изготавливают методом «сухой минерализации» пены (предложенным МГСУ-МИСИ). Метод включает две операции: приготовление пены и ее минерализацию путем подачи сухого порошка вяжущего на поверхность пены при одновременном перемешивании массы. Подобный подход позволяет упростить технологию, снизить водогипсовое отношение до 0,4-0,5, сократить цикл приготовления пеногипсовой смеси до 30-60 с. Модернизация данного способа, предложенная НИИСФ, позволила получать материалы со стабильными свойствами и плотностью 200-400 кг/м³.

Звукопоглощающая способность материала формируется либо за счет его пористой структуры, либо с помощью механической перфорации его поверхности. Использование поризованного гипсового вяжущего позволяет получать материал с заранее заданными свойствами. Звукопоглощающие свойства этого материала изменяются в широком диапазоне частот в зависимости от его толщины и величины относа. Располагая плиты с воздушным относом от стены на 0-100 мм можно обеспечивать избирательное звукопоглощение с максимальными коэффициентами в диапазоне частот от 200 до 1200 Гц. Помимо основной функции – создания звукового комфорта звукопоглощающий материал выполняет еще ряд не менее важных задач. Как отделочный материал, он должен иметь декоративную привлекательность и архитектурную выразительность. Во многих конструкциях к ЗПМ предъявляются требования по огнестойкости и огнезащиты; обеспечения необходимых условий эксплуатации помещений.

Наиболее важные отечественные разработки.

• Создание малоразмерных плит с пазогребневой конструкцией стыка; эффективного кирпича, пустотелых камней, блоков и формующего оборудования для них, которое обеспечивает изделиям высокую точность размеров, что в свою очередь позволяет осуществлять кладку из них «насухо».

• Технология непрерывного формования гипсовых изделий методом экструзии любого профиля с высокой пустотностью, разработанная во ВНИИСТРОМе. Эта технология обеспечивает высокую прочность изделий, при этом отпадает необходимость их сушки.

• Технология материалов и изделий из ячеистого бетона, в которых поризация осуществляется либо за счёт газообразования в гипсовых вяжущих (институт ЛенЗНИИЭП, Ярославстройпроект, ЛатНИИстроительства и др.); либо за счёт пенообразования, например, методом сухой минерализации (МГСУ, ООО НТЦ «ЭМИТ»); либо за счёт вакуумного способа поризации, не требующего газо- или пенообразователя (БГТАСМ).

• Технологии возведения малоэтажных зданий монолитным способом из бетонов на основе водостойких гипсовых вяжущих и особенно эффективного в этом случае КГВ.

• Технологии возведения малоэтажных зданий методом «Гитор» и утепление фасадов этим же методом (ЗАО «ЗМС», МГСУ, КиевЗНИИЭП, ЦНИИОМТП, МИИЗ, КБ им. Якушева, ГРЦ им. Макеева).

• Создание эффективных декоративных, звукопоглощающих и теплоизоляционных изделий и технологий для них; разработка технологий СГС, в том числе с использованием гипсосодержащих отходов.

Опыт производства и применения гипсосодержащих материалов в нашей стране и за рубежом, обобщенный, в частности, в Справочнике [21] и в трудах 3-х Всероссийских семинаров по гипсу [70, 74, 75], показывают, что материалы и изделия на основе гипсовых, и особенно, водостойких гипсовых вяжущих становятся востребованными. Обладая уникальными свойствами, эти материалы могут сыграть важную роль в увеличении объемов жилищного и, прежде всего, малоэтажного сроите6льства, а, соответственно в реализации програм ФЦП «Жилище» и национального проекта «Доступное и комфортное жилье – гражданам России».

Расчеты специалистов ведущих организаций в области производства строительных материалов, а также прогнозы в области развития гипсовой промышленности позволяют определить объемы производства и применения основных гипсовых вяжущих, материалов и изделий.

Таблица 1.1.

Ориентировочная потребность в гипсовых вяжущих, материалах и изделиях

Приведенные данные (табл.1.1) показывают, что необходимо наращивание мощностей гипсовых предприятий в несколько раз. Это потребует проведения модернизации действующих и строительство новых гипсовых предприятий, а в ряде случаев и других предприятий ПСМ с использованием уже проверенных и новейших наукоемких отечественных и зарубежных технологий и современного оборудования, которые обеспечат выпуск разнообразной гипсовой продукции высокого качества, и экологической безопасности.

Применение гипсовых материалов и изделий позволит не только снизить дефицит, прежде всего, в стеновых и перегородочных материалах и изделиях в жилищном строительстве города и села, особенно, малоэтажном, но и обеспечить сокращение сроков возведения зданий примерно в 2 раза; снизить массу возводимых зданий (по сравнению с кирпичом или бетонными изделиями); сэкономить транспортные расходы от их перевозки.