Ipsos armat (II). Materiale componente

Ipsosul armat se compune din ipsos, armatura (fibra de sticla, carton), apa si diversi aditivi.

Fiecare component influenteaza, intr-o anumita proportie, caracteristicile compozitului, urmare a proce­sului specific de fabricatie si a rolului componentului in compozit.

Proprietatile materialelor componente sunt grupate in: mecanice, fizice, tehnologice (care surprind modul de comportare a materialelor la diferite procese tehnologice de confectionare si montaj) si chimice (capacitatea de a rezista sau de a reactiona la actiunea diversilor agenti chimici).

Pentru a putea compara intre ele modurile de comportare ale unor materiale diferite, testele trebuie facute cu probe de aceleasi dimensiuni, in conditii similare, ceea ce a impus standardizarea proceselor de incercare. In laborator s-a urmarit ca modul si conditiile de incercare sa se apropie de conditiile reale din exploatare.

Necesitatea incercarilor mecanice de rezistenta este evidenta si datorita faptului ca rezistenta reala de rupere a unui material nu se poate determina cu exactitate prin calcul; ea se obtine prin incercari experi­mentale, care permit stabilirea limitelor de solicitare in diverse situatii practice.

IPSOSUL

In functie de materia prima uti­li­zata, acesta poate fi natural sau artificial. Ipsosul natural se obtine prin deshidratarea rocii de gips.

Sulfatul de calciu hidratat exista natural sub doua forme stabile: una, cu nivelul cel mai inalt de hidratare – gipsul (CaSO₄ x H₂O), iar cealalta – anhidritul natural (CaSCM).

Intre aceste doua forme stabile, sulfati de calciu industriali, care au rezultat din arderea gipsului, prezin­ta forme variate de hidratare. Ele se deosebesc prin structura lor crista­lina si prin reactivitate si sunt obtinute in conditii specifice de ardere (temperatura, presiunea vapo­rilor de apa).

GIPSUL

Este un dihidrat care indica faza naturala, minerala (CaSO₄ x 2H₂O), formula proprie si pentru gipsul artificial (gips chi­mic si gips rezidual).

Gipsurile artificiale sunt subpro­duse ce rezulta din fabricatia acidului fosforic (fosfogips), acidului fluorhidrical (fluorogipsuri), acidului boric (borogipsuri) sau a altor pro­duse: organogipsuri, titanogips, sulfogipsuri, sodogipsuri, gips salin etc.

Gipsul cristalizeaza in sistemul monoclinic. La scara moleculara el prezinta o structura lamelara, foliala, in care alterneaza un strat de apa si doua straturi de sulfat de calciu.

Gipsul natural se prezinta sub diverse forme, mai mult sau mai putin pure:

• forma cristalizata: selenit, mari­englass (sticla Marien), gips lenticular, gips rozeta etc.
• forma microcristalizata sau gra­nulara: alabastru, gips zaharoid, fibros, pulverulent.

Gipsul exploatat este o roca compacta sau cu granule fine, ade­sea fara particularitati cristaline aparente.

Gipsul pur este rar. Mai frecvent, el se gaseste amestecat cu impu­ritati variabile ca numar si proportii, in functie de amplasarea carierei. Impuritatile sunt: calcare, argila, si­lice, dolomita, anhidrit natural.

Gipsul rehidratat din ipsos se prezinta sub forma de cristale bine definite, avand aspect de ace pre­lungite sau scurte, cu defecte de cristalizare. Acest gips are o porozitate marita din cauza eliminarii apei in exces din procesul de ameste­care.

Pentru utilizari industriale ale ipsosului obtinut din gips (natural si/sau artificial), in vederea unei dis­persii minime a parametrilor pro­dusului rezultat, este necesara obtinerea unei materii prime cu mi­nimum de impuritati.

Din punct de vedere tehnologic, ipsosul industrial tip a, preparat prin calcinarea gipsului spre 140°C, contine o anumita proportie de ipsos tip a de joasa presiune. Acesta este cazul in care arderea se face in cuptoare, la presiune atmosferica, tinand cont de gradientii de temperatura si presiune ai vaporilor de apa in masa supusa calcinarii.

Atunci cand tipul a este supus unei macinari excesive ipsosul tip a evolueaza spre ipsos tip b, micro­poros. Acesta este un argument al faptului ca tipurile de ipsos nu difera decat prin stadiul lor de cristalizare.

Ipsosul tip a, prin textura sa cristalizata compacta, permite ra­poarte de amestecare A/l mai mici decat ipsosul tip b. Liantul intarit (tip a) prezinta caracteristici meca­nice ridicate. In schimb ipsosul tip b are avantajul fabricarii in instalatii sim­ple si cu costuri mai scazute.

DESHIDRATAREA GIPSULUI. ASPECTE FIZICO-CHIMICE

Observatii cu caracter stiintific au semnalat ca deshidratarea gipsului se face in doi timpi, primele 3/4 din apa combinata fiind mult mai usor de eliminat decat ultimul sfert.

In cazul transformarii gipsului, sub efectul caldurii degajate, au fost determinate temperaturile la care opereaza cele doua transformari (timpii de deshidratare) observate experimental.

Un prim palier, la temperatura de 128°C, corespunde deshidratarii gipsului in ipsos. Al doilea palier, spre 163°C, semnifica transfor­marea ulterioara a ipsosului in sulfat de calciu anhidru. Se con­cluzioneaza ca temperaturile de descompunere ale celor doi hidrati sunt cele pentru care presiunea vaporilor este egala cu presiunea atmosferica. Odata cu cresterea temperaturii, viteza de descom­punere este mai mare.

Ulterior, au aparut opinii diferite asupra temperaturii de descom­punere a gipsului, acestea datoran­du-se dificultatilor privind deter­minarea exacta a temperaturilor de ardere, gip­sul fiind slab conducator de caldura, iar transformarea producandu-se cu o absorbtie impor­tanta de caldura (115-120 cal/gr CaSO₄ x 2H₂O). Rezulta ca, daca se arde gipsul in granule mari, temperatura este mai ridicata la suprafata decat in centru. Apare necesitatea determinarii temperaturii de des­compunere pe gra­nule mai mici.

Cinetica de descompunere a gip­sului permite definirea factorilor care afecteaza viteza reactiilor si deter­minarea cantitativa a conditiilor opti­me de obtinere a produsului.

S-a aratat ca procesul de des­com­punere izoterma a gipsului la 170°C se abate de la regulile cineticii chimice pentru reactiile monomoleculare. Prin experimen­tari s-a evidentiat influenta impu­ritatilor asupra desfasurarii reactiei de descompunere. Presiunea vapo­rilor influenteaza deshidratarea pen­tru cele doua etape, apoi se micsoreaza.

Deshidratarea gipsului trece liniar de la un regim chimic la unul de difuzie, atunci cand dimensiunea granulelor creste. In acest proces, energia de activare se micsoreaza la jumatate.

Hidratarea ipsosului – bazele fizico-chimice

In cadrul mecanismelor prizei se pot distinge trei etape succesive:

• fenomenul chimic de hidra­tare;
• fenomenul fizic de cristali­zare;
• fenomenul mecanic de inta­rire.

Procesul fizic de cristalizare se explica prin faptul ca gipsul este mai putin solubil decat ipsosul, o solutie saturata de ipsos fiind suprasaturata in raport cu gipsul. Acesta precipita, ceea ce permite solutiei sa dizolve o noua cantitate de ipsos. Hidratarea ipsosului, la microscop, arata ca ace fine de gips se formeaza in spatiile umplute cu apa.

Mecanismele prizei pot fi explicate prin teoria coloidala si teoria cristalizarii.

Teoria coloidala. Priza ipsosului este considerata ca un proces coloidal, care ramane sub forma inter­mediara de gel. Adaugand acizii, ionii avand rolul de acceleratori sau de intarzietori, se ajunge la rezultate care coincid cu cele observate in pro­cese coloidale similare, ca gelificarea si flocularea. Mecanismul prizei si intaririi ipsosului se bazeaza pe reactia de tip solid – lichid, ionii de H- si de hidroxid OH+ intrand in reteaua cristalina a ipsosului pentru a forma gipsul.

In cazul particulelor ultrafine de semihidrat, patrunderea ionilor pana la cristal este usoara si acesta se transforma imediat in gips. In schimb, particulele mari se acopera de un strat de hidrat ce impiedica patrunderea ionilor H- si OH+ si care este cauza perioadei de inductie. Cand aceasta pelicula atinge o grosime critica, stratul se rupe, din cauza volumului molecular mare al gipsului si da nastere la cristalite. Aceasta ruptura este sursa germe­nilor de cristalizare si a unei noi suprafete de semihidrat.

Gipsul format in prima parte a reactiei este gipsul amorf. El se dizolva rapid pentru a da o solutie suprasaturata in raport cu cristalele de gips amorf. Structura cristalelor evolueaza spre cea a cristalelor de gips bine formate, a caror solubilitate este mai scazuta. Din aceasta cauza, marimea cristalelor de gips creste, in acelasi timp cu viteza de dizolvare a gipsului amorf, pana cand el se dizolva complet. Intr-un asemenea stadiu, viteza este contro­­lata de reactia semihidratului cu apa.

Un alt argument al acestei teorii este ca semihidratul nu se dizolva direct. Se formeaza, in schimb, un dihidrat coloidal, ce se dizolva for­mand o solutie in care cristalele microscopice de gips se incru­ciseaza.

Teoria cristalizarii a fost elabo­rata cu ajutorul microscopiei optice si electronice (1952), constand in urmatoarele aspecte:

• priza ipsosului se realizeaza printr-un proces de solutie – recris­talizare;
• desi marimea cristalelor vari­aza, acelasi tip de cristale este for­mat, in functie de conditiile experi­mentale, in solutie diluata sau in pasta normala;
• adaugarea de acceleratori sau intarzietori afecteaza viteza de dizolvare a ipsosului;
• niciun indiciu nu lasa posibili­tatea presupunerii formarii unei faze coloidale.

HIDRATAREA IPSOSULUI

Este un fenomen exotermic. Curba de crestere a temperaturii in functie de timp, curba ce caracte­rizeaza viteza de hidratare a ipsosu­lui, este de forma unei sinusoide. Pe ea se observa o prima crestere a temperaturii, care semnifica supra­punerea a doua fenomene: caldura de inmuiere si reactia de hidratare a anhidritului solubil, eventual prezent in ipsos. Urmeaza o perioada de inductie, mai lunga sau mai scurta, care corespunde formarii germenilor de cristalizare, plecand de la solutia suprasaturata in gips. Se observa, apoi, o crestere progresiva a cris­talelor de gips, plecand de la ger­menii ce se dezvolta cu degajare de caldura. In absenta intarzietorilor de priza, tot hidratul se transforma in dihidrat in mai putin de doua ore, stiind ca o mare proportie (95%) este hidratata in circa 30 de minute.

ROLUL TEMPERATURII IN HIDRATAREA IPSOSULUI

Micsorarea temperaturii tinde sa reduca viteza de dizolvare, cat si difuzia de ioni de calciu si sulfat. In acelasi timp, pentru numeroase ipsosuri, densitatea spatiilor favora­bile cristalizarii se mareste odata cu micsorarea temperaturii si, in plus, solubilitatea ipsosului creste. Tempe­ra­tura exercita o influenta mar­canta asupra structurii ipsosului intarit.

In final, priza ipsosului este inso­tita de o variatie de volum, care poate fi sub forma de umflare sau de contractie. Exista variatii de volum de origini diferite: din reactia chimica de hidratare sau din fenomenele fizice, cum ar fi variatiile de tempe­ratura si umiditate.

(Va urma) 

Autori:
prof. univ. dr. ing. Alexandru Ciornei
ing. Ionel Vidrascu 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 127 – iulie 2016, pag. 46