Проблемы твердения строительного гипса и портландцемента

 
 
 
 
Г. Н. Пшеничный 
 
 
 
 
 
 
 
ПРОБЛЕМЫ ТВЕРДЕНИЯ 
СТРОИТЕЛЬНОГО ГИПСА 
И ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 

УДК 691.533 
ББК 38.32 
П93 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор, член-корреспондент Российской  
инженерной академии, заслуженный деятель науки Российской Федерации 
Т. В. Кузнецова; 
доктор технических наук, профессор Российского химико-технологического 
университета им. Д. И. Менделеева Е. Н. Потапова 
 
 
Пшеничный Г. Н.  
П93  
Проблемы твердения строительного гипса и портландцемента : монография / Г. Н. Пшеничный. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 
392 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1236-0 
 
Представлена история возникновения и развития строительного гипса и 
портландцемента. Показано принципиальное отличие механизма отвердевания и 
приобретения физико-технических свойств этих вяжущих веществ, заключающееся в непосредственном заполнении межкристаллитных полостей водой затворения первого вяжущего и химическом взаимодействии цементных минералов с водой посредством стадийного формирования в межфазной зоне, развития 
и распада переходных активированных комплексов – второго. Приведена динамика ряда сопровождающих твердение гипса и портландцемента свойств и явлений, логически вписывающихся в разработанные гидратационные модели.   
Для научных сотрудников и специалистов, связанных с проектированием, 
производством и эксплуатацией строительных конструкций, зданий и сооружений. 
 
УДК 691.533 
ББК 38.32 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1236-0 
” Пшеничный Г. Н., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ 
............................................................................................................. 6
НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ 
.............................................................................. 9
Часть 1. ЭТЮДЫ ОТВЕРДЕВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО ГИПСА ........ 10
1.1. Производство строительного гипса 
.......................................................... 10
1.1.1. Гипс в историческом плане ........................................................................ 10
1.1.2. Происхождение и добыча гипсового сырья ............................................. 13
1.1.3. Обжиг и помол строительного гипса ........................................................ 17
1.1.4. Значение и роль гипса в строительной практике 
..................................... 23
Выводы по главе 
.................................................................................................... 25
1.2. О «механизмах» твердения гипса ............................................................. 27
1.2.1. Существующие модели твердения гипса 
.................................................. 27
1.2.2. Научные проблемы гипсового вяжущего вещества ................................ 35
1.2.3. Уточняющий аспект твердения строительного гипса ............................. 39
Выводы по главе 
.................................................................................................... 41
1.3. Сущность отвердевания гипса .................................................................. 43
1.3.1. Эскизный набросок процесса твердения гипса 
........................................ 43
1.3.2. Что же определяет прочность гипса? ........................................................ 48
1.3.3. Объемные деформации твердеющего гипса 
............................................. 52
1.3.4. Морфология затвердевшего строительного гипса 
................................... 57
1.3.5. Диагностика строительного гипса 
............................................................. 58
Выводы по главе 
.................................................................................................... 61
1.4. Особые свойства строительного гипса .................................................... 64
1.4.1. Действие добавок-электролитов 
................................................................ 64
1.4.2. Действие повышенных температур 
........................................................... 68
1.4.3. Использование необожженного природного гипса ................................. 70
1.4.4. Несколько слов о гипсе и гипсобетоне ..................................................... 73
1.4.5. Об обобщении схемы твердения строительного гипса ........................... 77
Выводы по главе 
.................................................................................................... 79
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ЧАСТИ РАБОТЫ ................................. 81
Часть 2. ЭТЮДЫ ОТВЕРДЕВАНИЯ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА 
................. 84
2.1. Состояние вопроса в области теории и практики
цементных бетонов 
.............................................................................................. 84
2.1.1. История создания портландцемента ......................................................... 84
2.1.2. Истоки развития бетоноведения ................................................................ 90
2.1.3. Современное состояние теории бетоноведения 
....................................... 91
2.1.4. Хронические проблемы бетоноведения 
.................................................... 95
2.1.5. Электрохимический аспект гидратации цемента .................................. 114
2.1.6. Рабочая гипотеза, цель и задачи работы 
................................................. 118
Выводы по главе 
.................................................................................................. 120
2.2. О некоторых аспектах адсорбционного процесса................................ 123
2.2.1. Особенность строения цементных минералов ....................................... 123
2.2.2. Несколько слов о воде .............................................................................. 125
3 

2.2.3. Особенность адсорбционных свойств воды ........................................... 128
2.2.4. Внешний вид активированных комплексов ........................................... 130
2.2.5. Строение двойного электрического слоя 
................................................ 132
2.2.6. Динамика развития ДЭС цементной системы 
........................................ 134
Выводы по главе 
.................................................................................................. 136
2.3. Стадийно-поверхностная схема твердения цемента 
........................... 137
2.3.1. Стадийность гидратационного процесса ................................................ 138
2.3.2. Характер гидратации цементного зерна ................................................. 142
2.3.3. Особенность гидратационного процесса ................................................ 147
2.3.4. Специфика строения цементного камня 
................................................. 154
2.3.5. Природа «пилообразного» твердения цемента ...................................... 160
Выводы по главе 
.................................................................................................. 163
2.4. Явления, сопровождающие твердение цемента 
................................... 165
2.4.1. Кинетика пластической прочности ......................................................... 165
2.4.2. Тепловыделение цементных систем 
........................................................ 169
2.4.3. Электрофизические свойства 
................................................................... 171
2.4.4. Химико-аналитические и термовесовые показатели
гидратационного процесса ................................................................................. 178
2.4.5. Объемные деформации твердеющей системы ....................................... 181
2.4.6. О «схватывании» и диагностике цементов 
............................................. 183
Выводы по главе 
.................................................................................................. 186
2.5. Влияние технологических факторов на твердение и свойства 
бетонов ................................................................................................................. 188
2.5.1. Состав и свойства портландцемента ....................................................... 188
2.5.2. Роль воды в твердении портландцемента 
............................................... 195
2.5.3. Действие различных добавок 
................................................................... 197
2.5.3.1. Минеральные добавки ........................................................................... 197
2.5.3.2. Добавки-электролиты ............................................................................ 202
2.5.3.3. Диагностика современных модификаторов ........................................ 215
2.5.3.4. Пластифицирующие добавки 
................................................................ 217
2.5.4. О некоторых особенностях лежалых цементов ..................................... 221
2.5.5. Влияние температурного фактора ........................................................... 225
Выводы по главе 
.................................................................................................. 228
2.6. Особые свойства цементных бетонов .................................................... 230
2.6.1. Действие на бетон повышенных температур ......................................... 231
2.6.2. Действие на затвердевший бетон вибрации ........................................... 236
2.6.3. Элементы ползучести цементных бетонов 
............................................. 248
2.6.4. Действие электромагнитных излучений 
................................................. 259
2.6.5. Адаптационная способность бетонов ..................................................... 260
2.6.6. Влияние технологических факторов на сбросы
прочности бетонов .............................................................................................. 263
2.6.7. О критерии качества цементных бетонов 
............................................... 275
2.6.8. Формирование контактной зоны бетонов 
............................................... 279
Выводы по главе 
.................................................................................................. 290
4 

2.7. Элементы направленного твердения бетонов 
...................................... 292
2.7.1. Циклическое вибрирование в технологии бетона ................................. 294
2.7.1.1. Историческая справка ............................................................................ 294
2.7.1.2. Оптимизация режима виброуплотнения 
.............................................. 298
2.7.1.3. Механизм циклического вибрирования бетона .................................. 302
2.7.1.4. Рациональный режим уплотнения 
........................................................ 307
2.7.1.5. Реализация эффекта циклической вибрации 
....................................... 309
2.7.2. Виброактивация неавтоклавного пенобетона ........................................ 311
2.7.3. Виброактивация самоуплотняющихся бетонов ..................................... 315
2.7.4. «Фактор времени» в технологии бетона ................................................. 317
2.7.5. Влияние давления среды на свойства бетонов 
....................................... 320
2.7.6. Раннее нагружение бетона и железобетона 
............................................ 323
Выводы по главе 
.................................................................................................. 324
2.8. Виброактивационная технология железобетона ................................. 326
2.8.1. Циклическая вибрация в технологии полурам 
....................................... 327
2.8.2. Автоматизация режима виброактивации бетона ................................... 331
2.8.3. Виброактивированное производство панелей 
........................................ 332
2.8.4. Виброактивационная технология объемных элементов ....................... 336
2.8.5. Производство активированных элементов полов 
.................................. 341
2.8.6. Мероприятия для освоения виброактивации ......................................... 343
Выводы по главе 
.................................................................................................. 347
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ЧАСТИ РАБОТЫ ............................... 348
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ............................................................................... 354
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА 
...................................................... 372
БЛАГОДАРНОСТЬ .......................................................................................... 376
Приложение А. Рекомендации по применению циклической вибрации  
в технологии железобетонных изделий и конструкций 
.................................. 379 
Приложение Б. Пластометрический метод определения рациональных  
сроков уплотнения твердеющего бетона (железобетона) ............................... 387 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Строительный гипс – известное не одно тысячелетие минеральное вяжущее вещество; портландцемент – сравнительно юный вяжущий материал. В современном строительстве широко распространено их совместное использование при возведении и внутренней отделке зданий и сооружений различного 
назначения. Сложно чем-то заменить прочные, водостойкие и долговечные цементные бетоны в технологии несущих конструкций, так же, как и относительно малопрочные, неводостойкие, но чрезвычайно быстротвердеющие гипсовые 
строительные составы и изделия – для внутреннего применения.  
Для получения предельного эффекта оперирование рассматриваемыми 
вяжущими продуктами должно быть направленным, согласованным с кинетикой их отвердевания. При этом не секрет – до сих пор не решена основополагающая проблема, физическая сущность преобразования пластичных вяжущих 
масс в искусственный камень, что делает призрачной отмеченную технологическую «направленность». В качестве теоретической основы используется разработанная (изначально применительно к строительному гипсу, а позже с некоторыми несущественными уточнениями распространенная на портландцементы) 
схема А.Л. Ле-Шателье, включающая последовательность стадий: растворение 
зерен вяжущего в воде, химическое взаимодействие реагентов, насыщение и 
пересыщение жидкой среды появляющимися новообразованиями, выпадение, 
укрупнение и сращивание кристаллов, формирование и упрочнение камня. Однако ряд моментов указывает на ошибочность растворительно-кристалли- 
зационной точки зрения. 
Продолжительность взаимодействия гипса с водой, как известно, не превышает 10–40 минут; как-то невероятно с позиций химической кинетики гетерогенных реакций втиснуть в этот временной интервал выше отмеченную последовательность гидратационных стадий. Кроме того, растворение гипса в воде – процесс с поглощением тепла (ведь надо же приложить дополнительную 
энергию для разрушения мощных кристаллических связей); в действительности 
же имеет место прямо обратный сюжет – смешивание компонентов приводит к 
разогреву гипсовых составов на многие десятки градусов. Затвердевший гипсовый камень (и это широко известно) можно неоднократно переводить в исходное вяжущее состояние путем его дробления, варки и помола; обратимость 
процесса убедительно свидетельствует не о химическом (хемосорбционном), а 
физическом (адсорбционном) взаимодействии реагентов. Тогда причем здесь 
«растворение» и пр.? Наконец, почему обнаруживаемые электронной микроскопией в затвердевшем гипсовом камне призматически-слоистые кристаллы 
микронных размеров считаются следствием пересыщающе-кристаллизаци- 
онных преобразований, а не результатом банального силового измельчения 
(дробления, помола) кристалло-слоистого природного гипсового камня? 
Обширный букет «белых пятен» и у цементных систем. До сих пор нет 
ясности в природе индукционного периода, преданы забвению такие аспекты, 
как скачкообразность (по В.А. Кинду) отвердевания, пилообразность (по  
6 

Л.А. Малининой) роста прочности бетонов, отсутствует логическое описание и 
взаимосвязь сопровождающих структурообразующий процесс свойств и явлений (пластической прочности, тепловыделения, объемных деформаций и др.). 
Противоречивы данные относительно механизма действия различных добавок 
(минеральных, электролитов, пластификаторов). Технологическим совершенством считается предельное превращение массивов цементных зерен в гидратированные соединения, что опровергается экспериментами, указывающими на 
отсутствие эффекта распада любых (мелких, средних, крупных) цементных 
дисперсий, постоянство толщины гидратной оболочки, не превышающей  
1,5 мкм. Традиционно структура цементного камня представляется кристаллогидратным продуктом, что отвергается многочисленными исследованиями.  
Изложенное приводит к логичному итогу – сквозьрастворная модель 
твердения строительного гипса и портландцемента является умозрительным, 
мало реальным, не отвечающим реальному состоянию дел продуктом. Дальнейшее использование подобного продукта вряд ли будет способствовать развитию и совершенствованию отечественной строительной отрасли. 
Задачей настоящей работы является рассмотрение гидратационной проблемы отвердевания минеральных вяжущих под несколько иным углом зрения, 
позволяющим не только взаимоувязать накопившиеся противоречия, но и представить простую и логичную картину преобразования пластичной гипсовой 
массы в камень. В процессе изложения материала использовались как собственные опытные данные, так и многочисленные экспериментальные результаты отечественных и зарубежных авторов. 
Монография содержит две взаимосвязанные части, посвященные особенностям отвердевания и формирования свойств строительного гипса и портландцемента. Первая часть включает разделы, касающиеся истории развития и 
современного состояния гипсобетонной технологии, сформировавшихся теоретических взглядов о сущности отвердевания минеральных вяжущих веществ со 
всеми их «научными проблемами». Упомянута практически забытая работа 
академика РИАН В.М. Севергина, впервые сформулировавшего основной 
принцип производства и применения строительного гипса: удаление воды при 
обжиге сырья и ее непосредственное потребление при контакте обезвоженного 
продукта с водой – одно и то же, но обратно направленное действие. Этот 
принцип очевиден, бесспорен и положен в основу предлагаемой схемы твердения гипса. Представлены: путь формирования прочности гипсового композита, 
его морфологическое устройство, сущность объемных деформаций, действие 
некоторых технологических факторов и др. Отмечена гидравлическая активность тонкомолотого природного сырья, что давно известно и находит использование в современной технологии гипсовых строительных изделий. 
Вторая часть содержит сведения о становлении портландцемента и бетонов на его основе, теоретических аспектах твердения и формирования композита, возможной динамике поверхностных явлений, морфологии микробетона 
(бетона в целом), сущности его адаптационных способностей, действии на процесс и свойства композита различных технологических, природных и техноген7 

ных факторов. Большое внимание уделено направленным технологическим 
воздействиям, обеспечивающим оптимизацию структуры бетона и железобетона, получение конечного продукта с повышенными физико-техническими и 
эксплуатационными свойствами. Приведены результаты производственного 
освоения разработанных приемов и режимов на ряде отечественных предприятий строительной индустрии.  
Автор будет признателен и благодарен всем, кто хотя бы бегло, «по диагонали», но со смыслом, просмотрит монографию и составит о ней свое мнение. Неизбежные при такого рода научно-исследовательских работ ошибки, неточности и упущения просьба направлять по е-mail: pgn46@mail.ru.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8 

НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ 
 
В монографии использованы ссылки на следующие нормативы: 
 ГОСТ 125-2018 Вяжущие гипсовые. Технические условия; 
 ГОСТ 310.3-76 Цементы. Методы определения нормальной густоты, 
сроков схватывания и равномерности изменения объема; 
 ГОСТ 450-77 Кальций хлористый технический. Технические условия; 
 ГОСТ 8829-2018 Изделия строительные железобетонные и бетонные 
заводского изготовления. Методы испытания нагружением; 
 ГОСТ 10180-90 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам; 
 ГОСТ 10690-73 Калий углекислый технический. Технические условия; 
 ГОСТ 23732-2011 Вода для бетонов и строительных растворов. Технические условия; 
 ГОСТ 23789-2018 Вяжущие гипсовые. Методы испытаний; 
 ГОСТ 24211-91 Добавки для бетонов. Общие технические требования; 
 ГОСТ 24211-2008 Добавки для бетонов и строительных растворов; 
 ГОСТ 28570-90 Бетоны. Методы определения прочности по образцам, 
отобранным из конструкций; 
 ГОСТ 31377-2008 Смеси сухие строительные штукатурные на гипсовом вяжущем; 
 ГОСТ Р 51232-98 Вода питьевая. Общие требования к организации и 
методам контроля качества; 
 ГОСТ Р 51887-2002 Гипсы стоматологические. Общие технические 
условия; 
 ГОСТ Р 54257-2010 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения и требования; 
 ГОСТ Р 56196-2014 Добавки активные минеральные для цементов. 
Общие технические условия; 
 ГОСТ Р 58144-2018 Вода дистиллированная. Технические условия; 
 СанПиН Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды 
централизованных систем питьевого водоснабжения; 
 СТО-008-02495342-2009 Предотвращение прогрессирующего обрушения железобетонных монолитных конструкций зданий;  
 СНиП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия; 
 СНиП-111-4-80 Техника безопасности в строительстве; 
 CSA CAN 3-A5 Определение времени схватывания цемента; 
 EN 196-3:2005+А1:2008 Методы испытаний цемента. Часть 3. Определение времени схватывания и равномерности изменения объема. 
 
 
 
 
9 

Часть 1. ЭТЮДЫ ОТВЕРДЕВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО ГИПСА 
 
1.1. Производство строительного гипса 
 
1.1.1. Гипс в историческом плане 
 
Согласно археологическим, историографическим, биостратиграфическим 
и научно-техническим методам исследований установлено, что человечество 
начало заниматься строительной деятельностью в доисторические времена. При 
этом характер строительства во многом зависел от географических и климатических условий региона, наличия пригодных к использованию сырьевых материалов, соответствующих опыта, знаний и навыков. Изначально жильем для 
людей служили шалаши и ветровые заслоны из древесных ветвей, уплотненные 
листвой, травой, мхом, берестой, шкурами животных. Для устройства жилищ 
использовали также естественно образовавшиеся каменные навесы, гроты и 
пещеры. 
По мере возникновения оседлого земледельческого и животноводческого 
образа жизни появилась необходимость применения более совершенных строительных материалов. И не последнюю роль здесь сыграла обычная глина – осадочная горная порода, образовавшаяся в результате выветривания алюмосиликатных горных пород. Основой состава глин являются глинозем (Al2O3) и 
кремнезем (SiO2), а также примеси песка, известняка, доломита, иных минеральных и органических соединений, влияющих на цвет, пластичность, водопотребность и прочие свойства материала. Глинистые частицы имеют чешуйчатое 
строение микронных размеров, обладающие высокими гидрофильными свойствами. При смешивании глины с водой образуется пластичное легко обрабатываемое тесто. Отформованные изделия (например, сырцовой кирпич, рис. 1.1) 
при высушивании на солнце теряют гигроскопическую воду, отвердевают и 
приобретают достаточную прочность. Для снижения массы, повышения прочности и теплозащитных свойств кирпича в глиняный состав добавляли рубленную солому. Стены жилищ возводили путем укладки кирпича на глиняной 
связке.  
Для защиты от зноя и холода применяли также глиняную обмазку стен 
тростниковых и древесных жилищ. Такую же операцию производили с плетеными корзинами и закромами, предназначенными для хранения зерна. После 
сушки эти объекты приобретали необходимую прочность.  
Конечно же, сырцовые глиняные изделия и сооружения имели существенный недостаток – низкую водостойкость. Частичное решение этой проблемы достигалась защитой глиняной поверхности шкурами и циновками. Однако ее кардинальное решение – обжиг глиняного сырца. При обжиге глина теряет не только гигроскопическую, но и конституционную воду, превращаясь в 
твердый и водостойкий камнеподобный материал с прочностью 7,5…15,0 МПа. 
Однако и здесь очевидна технологическая проблема – необходимость использования для обжига высоких температур, соответственно, повышенных энергетических затрат. 
 
10