В.Р. ВИЛЬЧИНСКИЙ, ведущий инженер НИИ «Штиль», г. Волгоград

Не надо изобретать колесо, все давно уже придумали. А если вы не можете чего-то найти, то значит, вы плохо ищете или это никому не нужно. Так думает большинство нормальных людей, которые ездят на машинах и автобусах всех марок. Но ведь был какой-то ненормальный, кто придумал первое колесо, только его никто не помнит...

Гипс является одним из самых древних известных строительных материалов, поэтому его свойства хорошо изучены. Материал имеет простую химическую формулу, и в любом учебнике химии будет написано, что это «кислая» соль, малорастворимая в воде, обладающая способностью быстро схватываться при затворении водой, превращаясь в гипсовый камень, который используется в строительстве.

Никаких разночтений или неопределенностей в отношении данного материала нет ни у химиков, ни у строителей.

Неизвестные свойства

Автор заинтересовался гипсом, когда начал строительство собственного дома. Хотелось использовать его в качестве теплоизолятора, так как он имеет довольно низкую теплопроводность, которая станет еще меньше, если гипс сделать пористым. Привлекала низкая стоимость материала и возможность литья между воздвигаемыми стенами строящегося дома. Необходимо было найти способ вспенивания гипса и удержания его в этом состоянии достаточно долгое время, делая возможным его последующее использование.

Поиск в Интернете, учебниках по химии и строительству ничего не дал, поэтому было решено попробовать самому добиться нужного результата. Материал хорошо изучен, значит, можно будет, используя те или иные добавки, получить нужный эффект.

Действительно, прошло немного времени, и кое-что стало получаться. При добавлении в затворяемый гипс пищевой соды происходил процесс запенивания, даже без добавления кислоты, ведь гипс – кислая соль, значит, его раствор уже имеет кислую реакцию. Удалось подобрать стабилизатор пены, и были получены первые образцы пеногипса. Можно было бы радоваться, но прочность полученного материала не удовлетворяла, хотелось получить большее.

Процесс затянулся на несколько лет, и когда стало казаться, что придется ограничиться тем, что было получено в самом начале, появился образец, заметно отличающийся по прочности от того, что было ранее. Вот только почему он оказался прочнее, было непонятно. Удалось добиться стабильного получения нужного результата, исключив из рациона добавок пищевую соду, мел и все остальное, что только снижало прочность конечного продукта. Получался парадоксальный результат: гипс реагировал с выделением газа тогда, когда согласно известным химическим законам ни о какой реакции не могло быть и речи. Какой при этом выделяется газ? Простейшие опыты определения газа по горению спички ничего не объяснили. Горение спички не изменялось. Что же это за химический процесс? Было решено попробовать собрать выделяющийся в ходе реакции газ, исключив влияние окружающего воздуха. В герметичном полиэтиленовом пакете реакция текла вяло, и он никак не хотел раздуваться. Причем чем меньше туда изначально попадало воздуха, тем слабее шла реакция. Понятно, что совсем исключить из реакции воздух невозможно, он всегда есть между частицами гипса и в воде, но и так стало ясно, что в реакции участвует воздух, а точнее - углекислый газ воздуха. При этом вовлекаемый в реакцию углекислый газ постепенно из нее уходит, что приводит к вспениванию гипса. Таким образом, газовый баланс над вспенивающимся гипсом не изменяется, что и подтверждает не изменяющееся горение спички.

Этот парадоксальный вывод заставил по-другому взглянуть на свойства гипса. Углекислый газ не может вступать в реакцию с кислой солью, зато хорошо известна его реакция с известью. Если углекислый газ реагирует с гипсом, то значит, он в реакции проявляет свойства основания, которым является известь. А как же тогда идет реакция с содой, ведь она возможна только в кислой среде?

Парадокс можно разрешить, только если предположить, что гипс это «кислая» соль, которая при затворении (присоединении молекул воды к молекулам гипса) начинает проявлять «основные» свойства. Такие свойства проявляют только молекулы гипса с присоединившимися к ним двумя молекулами воды (двуводный гипс). Таким образом, в растворе находятся одновременно молекулы гипса, имеющие «кислые» свойства, и молекулы, имеющие «основные» свойства. Они начинают реагировать друг с другом. К «основным» молекулам присоединяются «кислые» и часть воды из раствора. Процесс идет по принципу цепной реакции. Чем больше «основных» молекул, тем быстрее идет реакция.

Эта теория хорошо объясняет, почему не схватывается безводный гипс (нет молекул с основными свойствами), почему нельзя оставлять схватившийся гипс при затворении нового раствора (происходит ускорение процесса схватывания за счет оставшегося гипса с «основными» свойствами).

Данная теория плохо сочетается с тем, как ранее объяснялась реакция схватывания гипса, но хорошо объясняет высокую скорость схватывания и выделяющееся при этом тепло – характерные признаки химической реакции. Она же позволяет объяснить казавшиеся ранее непонятными факты. Так, на одном из форумов в Интернете приводился пример о том, как гипс, выброшенный на улицу вместе с отходами других стройматериалов, пролежав под дождем и снегом почти год, вдруг превратился в очень прочный камень, который было трудно разбить молотком. Выражалось сожаление по поводу того, что было непонятно, с чем прореагировал гипс, чтобы можно было это использовать.

Теперь понятно – с углекислым газом воздуха. Эта реакция идет, только если гипс будет пропитываться водой, что категорически запрещено всеми строительными нормами и правилами. Поэтому это свойство гипса до сих пор никто не замечал. Замачивать гипс было нельзя. А держать его длительное время в таком состоянии никому в голову прийти не могло.

Автору удалось найти подтверждение этих свойств гипса и при строительстве собственного дома, когда всю зиму на чердаке мокла труба из-за выделяющейся воды при сгорании газа. Вода стекала на пол, залитый для утепления вспененным гипсом. Летом в этом месте осталось серое пятно, хотя вода давно уже высохла, что говорило об изменении свойств гипса.

Действительно, гипс в этом месте обладал повышенной твердостью и крайне неохотно впитывал воду. Видимо, произошло насыщение гипса углекислым газом и его карбонизация. В природе такое явление происходит повсеместно там, где гипс соприкасается с водой.

При этом часть гипса растворяется в воде, делая ее жесткой, а затем гипс осаждается на всех поверхностях, по которым движется вода. Только идет уже осаждение карбонизированного гипса - отсюда эта сверхвысокая прочность отложений на водопроводных трубах.

Автору удалось найти состав веществ (далее - концентрат), который активирует способность гипса реагировать с углекислым газом воздуха. Следствием такой реакции является замедление схватывания гипса, так как «основные» молекулы гипса, вступая в реакцию с углекислым газом, уходят из идущей цепной реакции с выделением воды назад в раствор. Концентрат активирует природное свойство гипса реагировать с углекислым газом, а сам практически не участвует в реакции. Этим объясняется малое его потребление при затворении гипса (достаточно развести концентрат в пропорции 1:50…1…100). В результате происходит запенивание гипса.

Следует также отметить, что если схватившийся гипс обладает «основными» свойствами, то он не должен разрушать стальные конструкции, размещенные в нем. Это решено было проверить. Несколько гвоздей были залиты слегка вспененным гипсом, и после схватывания гипса этот образец каждый день смачивался водой. Были созданы идеальные условия для появления и распространения ржавчины. Действительно, там, где металл находился близко к поверхности, в первый день появились маленькие бурые пятнышки, которые упорно не хотели увеличиваться в дальнейшем.

Спустя месяц образец был расколот и извлечены гвозди, вокруг которых образовалась тонкая (примерно 1- 2 мм) бурая корочка пропитанного ржавчиной гипса. При ее скалывании открывалась идеально чистая поверхность металла. Это свойство гипса требует более тщательного изучения, так как оно противоречит общепринятым нормам, а значит, необходимы более веские доказательства и время для их получения.

Свойства пеногипса

Теперь, зная, каким образом происходит запенивание гипса, становятся понятнее свойства получаемого пеногипса и его возможные области использования.

Только после тщательного высушивания пеногипс будет иметь максимальную прочность и минимальную теплопроводность. Понятно, что все характеристики по прочности и теплопроводности также зависят от исходного материала – гипса.

Следует отметить, что марка гипса по прочности, обычно приводимая производителем, ничего не говорит о прочности застывшего гипса в сухом состоянии. Например, гипс марки Г7 через 1,5 часа после схватывания имел предел прочности около 8 МПа, а гипс без заявленной марки – 4 МПа. После сушки и тот и другой имели практически одинаковую прочность – 15 МПа. При этом стоимость первого была выше почти в 2 раза. Гипс, который медленнее схватывался, давал более обильную пену, ему требовалось меньше раствора для затворения и он имел меньшую концентрацию запенивателя, что в конечном итоге заметно снижает себестоимость пеногипса.

Для понимания возможности получения тех или иных тепловых и прочностных характеристик пеногипса необходимо знать характеристики исходного материала. Обычно гипс имеет теплопроводность около 0,3 Вт/(м° C) прочность около – 15 МПа, плотность 1200-1400 кг/куб. м. Если, используя такой материал получить пеногипс плотностью около 800 кг/куб. м, то он будет иметь прочность 7 МПа и теплопроводность ~0,055 Вт/(м°С), а плотностью 400 кг/куб. м – прочность 1,5 МПа, теплопроводность ~0,04 Вт/(м°С). Т.е. при малой плотности теплопроводность пеногипса сравнима с пенополистиролом (пенопластом), а прочность заметно выше. Из приведенного примера видно, что изменение плотности пеногипса в 2 раза ведет к изменению прочности в 4 раза, а теплопроводность изменяется всего в 1,5 раза. Таким образом, прочность пеногипса очень сильно зависит от плотности, а теплопроводность - в гораздо меньшей степени. Зная эти особенности, можно получать пеногипс с нужными характеристиками. Для сравнения: прочность керамзита находится в пределах 0,6-2,4 МПа, а теплопроводность - 0,1-0,14 Вт/(м°С), то есть для получения нужной теплоизоляции пеногипса потребуется в 3 раза меньше, а прочность будет выше.

Следует также отметить, что пеногипс имеет существенно большую теплоемкость, чем большинство известных теплоизоляторов. Это значит, что при отключении отопления дом, «построенный» из пенопласта, остынет в 20 раз быстрее, чем дом, «построенный» с использованием пеногипса.

Хотя свойства пористого гипса и зависят от самого гипса, но, превратившись в пористый материал, гипс начинает приобретать новые свойства. Пористый гипс не боится мороза даже в сыром виде. При затворении его достаточно температуры 0°С. Если он схватился, а температура упала до -10°С, с ним ничего не произойдет, он будет продолжать сохнуть на морозе.

Намокание, а потом замораживание ему тоже не страшно. Это подтвердило практическое использование пеногипса для заливки полов на неотапливаемой мансарде в зимнее время.

Использование пеногипса

Везде, где в настоящее время используется гипс, можно использовать и пеногипс. Это пеногипсокартон, который при толщине листа 20 мм и выше будет хорошим теплоизолятором. Можно делать пеногипсовые блоки для внутренних перегородок, имеющие малый вес. Элементы интерьерной отделки также легко изготовить из пеногипса: он имеет хорошие литейные свойства, к тому же поверхность, соприкасающаяся с пресс-формой, становится плотной и гладкой. Пеногипс легко наносится на стену в качестве шпатлевки для заделки щелей. Для получения гладкой поверхности на стене его не надо шлифовать, хотя и можно. Достаточно просто, равномерно замачивая поверхность из мелкодисперсного распылителя, затереть ее шпателем. Пеногипс имеет открытую пористую структуру, поэтому хорошо впитывает воду, становится пластичным, и даже после полного высыхания его можно шлифовать мокрым способом.

Эти же свойства дают возможность использовать пеногипс в качестве штукатурки. При этом разбавлять концентрат можно до 1:100.

Легкость его получения и использования открывает и массу других возможностей. В первую очередь это заливка всевозможных щелей и полостей для утепления стен, полов и потолков. Используя его хорошие литьевые свойства, можно наносить пеногипс на стену методом литья в легкую опалубку и получать штукатурку толщиной от 1 до 10 см с гладкой или структурной поверхностью. Опалубку можно изготовить из оргстекла толщиной 4- 6 мм, обеспечивая ее форму с помощью ребер жесткости из того же оргстекла. Прозрачная опалубка позволяет контролировать процесс заливки и вовремя устранять возникающие дефекты поверхности.

Используя двустороннюю опалубку, можно отливать внутренние стены и перегородки из пеногипса. Несложно представить себе стену дома, с наружной стороны выполненную из облицовочного кирпича, а с внутренней - из гипсокартона, используемого в качестве несъемной опалубки в которую залит пеногипс. Таким же образом можно выполнить внутреннюю стену, состоящую из листов гипсокартона, ЦСП, МДФ и др., между которыми залит пеногипс. Оказалось, что пеногипс удобно использовать совместно со стекловатой, например для заливки полов. При этом используется самая дешевая стекловата с минимальной плотностью. Для этого она нарезается полосами 300- 400 мм, укладывается на пол с промежутками 30- 40 мм и заливается гипсом. Пеногипс толщиной порядка 30 мм над слоем стекловаты легко выдерживает нагрузки, возникающие при ходьбе, без каких-либо дополнительных покрытий. Заливку необходимо делать в 2-3 прохода, чтобы под весом наливаемого пеногипса стекловата не сжималась.

Таким же образом можно изготовить стеновые блоки, используя специальную опалубку.

Пеногипс отлично подходит для финишного выравнивания полов под ламинат, паркет или линолеум, так как позволяет с легкостью закрывать неровности любой толщины. Понятно, что этим круг возможностей использования пеногипса не исчерпываются.

Как уже отмечалось, из-за пористой структуры пеногипс хорошо впитывает жидкости, в том числе и воду, что является на первый взгляд большим недостатком. Но, зная это свойство пеногипса и правильно его используя, можно, получить материалы с уникальными полезными свойствами. Обычно такие материалы называют композитными, так как они представляют собой композицию из нескольких веществ. В строительном деле существует огромное количество полимерных и других пропиток, эмульсий, герметиков, лаков, красок и прочих защитных материалов. Если представить, что они хорошо впитываются в строительный материал на большую глубину, то отрицательное свойство превращается, наоборот, в огромный плюс, так как, глубоко проникая в материал, они создают на его поверхности толстую и прочную защитную водонепроницаемую корку, а при желании пеногипс можно пропитать на всю глубину. Если в качестве пропитки использовать пластик холодного твердения, например эпоксидную смолу, разбавленную ацетоном (пластификатор, отвердитель, ацетон, эпоксидная смола — 1:2:5:10 частей), то после полного набора прочности получим пеногипсопласт, который будет иметь прочность 35-50 МПа в зависимости от плотности используемого пеногипса. Полученный материал по прочности приближается к кирпичу и бетону, но при этом имеет удельный вес 600-900 кг/куб. м, т.е. легче воды.

Материал по-прежнему остается теплоизолятором, хотя несколько худшим, чем исходный материал. Понятно, что использование других материалов для пропитки даст меньшую прочность, но, возможно, уже существуют материалы, которые обеспечат и большую прочность.

Вероятно, после более тщательного исследования процесса упрочнения гипса во влажной среде пеногипс можно будет использовать и для наружных поверхностей без защиты от влаги.

Теперь о стоимости пеногипса. Она не превышает 2375-3000 руб. за 1 куб. м. При расчете исходим из того, что 30 кг гипса стоит 125 руб., 1 литр запенивателя 100 руб., а для получения 1 куб. м пеногипса потребуется 15-20 мешков гипса и 5 литров запенивателя. При больших объемах цена будет еще ниже, что делает использование пеногипса еще более выгодным.

Автор данной статьи не является профессиональным строителем, хотя приходилось работать и бетонщиком, и штукатуром, поэтому о многих возможностях использования пеногипса можно только предполагать. Но те, кого заинтересует эта статья, вполне могут расширить область его использования.

Дело за малым - сдвинуть этот процесс с мертвой точки, хотя бы попробовать, ведь первое колесо было совсем не похоже на современные. Одно можно сказать точно - оно было круглым. Понадобилось много тысячелетий, чтобы оно стало таким, как есть, только люди за это время не изменились. Заставить их делать что-то не так, как они привыкли, очень сложно - все равно, что заставить курильщика бросить курить. Но ведь курение вредит здоровью и подрывает семейный бюджет, а пеногипс, напротив, экологически чистый материал, позволяющий заметно экономить при строительстве.