Гипс

1. Общие свойства. Гипс - сернокальциевая соль с двумя молекулами химически связанной воды (CaSО4 • 2Н2О), которая может быть частью, или целиком, удалена нагреванием. В воде растворяется в небольших количествах: в 1 литре воды при 0° растворяется 2,256 г, при 15°- 2,534 г, при 35°- 2,684 г; при дальнейшем нагревании растворимость опять уменьшается. Кислотами гипс не разлагается при обыкновенной температуре; в кипящей соляной кислоте растворяется с образованием хлористого кальция. Сравнительно легко растворяется в водном растворе гипосульфита (Na2S2O3).
Будучи освобожден (слабым обжигом) от большей части связанной воды и обращен в порошок, гипс с водой образует жидкое тесто, хорошо заполняющее форму и очень быстро, с заметным выделением тепла, схватывающееся; на этом свойстве гипса и основаны все применения его в строительном деле.
В природе различные виды гипса встречаются в виде залежей, иногда значительной мощности, образовавшихся из морской воды, в которой гипс всегда содержится (не свыше, однако, 0,15%), путем осаждения, вместе с другими растворенными в ней солями, при испарении воды в закрытых бассейнах; поэтому, напр., залежи каменной соли всегда сопровождаются пластами гипса. Кроме того гипс образуется понемногу в природе при действии на известняки сернокислых солей тяжелых металлов, в свою очередь образующихся путем постепенного окисления природных сернистых соединений - колчеданов. При очень сильном накаливании гипс сплавляется в белую, эмалеподобную массу, теряя при этом часть серной кислоты. При прокаливании с углем гипс восетановляется в сернистый кальций (CaS), разлагающийся при действии воды с выделением сероводорода.
2. Виды природного гипса. В зависимости от условий своего образования, природный гипс встречается, как сказано выше, с 2 молекулами воды двухводный гипс или гипсовый камень, а также в безводном виде - так наз. ангидрит.
а) Гипс. Минералогическим неделимым в различных видах природного гипса являются кристаллы двуводного гипса (CaSO4 • 2Н2О), принадлежащие к моноклинической системе, иногда микроскопически мелкие, иногда же очень крупные. В чистом виде они прозрачны и бесцветны, давая в массе белый цвет: иногда же окрашены примесями в красный, желтый, бурый и даже черный. Твердость гипса невелика - средняя между твердостью талька и известкового шпата. Удельный вес 2,2 - 2,4. Шпатовый гипс или селенит, реже других встречаемый, почти прозрачен; его пластинки в древности служили в качестве оконных стекол.
Волокнистый гипс - состоит из вытянутых неделимых, на подобие волокон, направленных перпендикулярно к поверхности; встречается чаще всего в виде прослойков в глине.
Зернистый гипс - кристаллы мельче, чем в шпатовом, иногда настолько, что строение приближается к плотному. Наиболее чистые, белые и твердые сорта его, по виду похожие на белый каррарский мрамор, но более его просвечивающие в тонком слое, с давнего времени употреблялись в природном состоянии для скульптурных целей под названием алебастра; к сожалению, вследствие неряшливости нашей технической терминологии, у нас привыкли называть „алебастром" всякий обожженный гипс, и неправильное название это настолько укоренилось, что вошло в Урочное Положение.
Плотный гипс - кристаллы неразличимы простым глазом.
Землистый гипс - плохо сцементированная или даже сыпучая порода, мало пригодная для целей строительной техники, может быть употребляем в качестве удобрения для полей.
б) Ангидрит - тот же гипс, но безводный; отличается от двухводного большей твердостью (3 - 3,5 по шкале Мооса) и большим уд. весом (2,8 - 3,0), а от известкового шпата, с которым его кристаллы сходны по виду - тем, что не вскипает с кислотами. Кристаллы принадлежат к ромбической системе и обыкновенно мельче, чем у гипса. Мелкозернистый ангидрит еще более, чем алебастр, пригоден для скульптурных работ, так как, будучи тверже, хорошо принимает полировку; подобный камень, красивого голубоватого цвета, выламываемый близ м. Вольпино в Ломбардии, получил название вульпинита.
Чаще всего встречается плотная разновидность ангидрита, особенно часто с каменной солью и сопровождающими ее глинами и мергелями, в виде переслаивающихся с ними пластов различной мощности. У выходов наземную поверхность и вообще в присутствии влажности ангидрит поглощает воду и превращается в гипс, но процесс этот происходит крайне медленно и поэтому для строительных надобностей ангидрит нельзя употреблять вместо гипса. Впрочем, присутствие катализаторов (напр., щелочных сульфатов), прибавляемых в незначительном количестве, может ускорить обращение ангидрита в двуводный гипс настолько, что и он может быть употребляем; однако значительного распространения этот способ пока еще не получил.
В России различные виды гипса и ангидрита довольно распространены. В Петербурге в прежнее время более всего пользовались рижским гипсом; ныне, в Ленинграде пользуются архангельским и псковским, а в центральных губерниях - казанским; вообще же ломки гипса имеются у нас не менее, чем в 11 губерниях.
3. Виды искусственно обработанного гипса. Обработка гипса заключается в его обжиге, т. е. в нагревании или до частичного, или же до полного выделения содержащейся в нем химически связанной воды, и в измельчении его, до и после обжига, в порошок. Не вся эта вода одинаково прочно связана с сернокальциевой солью; три четверти ее, т. е полторы молекулы, удаляются при сравнительно малом нагревании, а остальные пол-молекулы при более сильном.
а) Полуводный гипс получается при нагревании двуводного гипса приблизительно до 130-170°; это и есть тот гипс, который употребляется для штукатурки, для отливки гипсовых орнаментов и т. п. Обыкновенно продажный гипс представляет смесь нормально обожженного полуводного гипса с недожженными и пережженными частичками. Будучи затворен водой, схватывается очень быстро; более сильный обжиг замедляет схватывание. Поглощение влаги из воздуха при долгом хранении также замедляет схватывание. Уд. вес чистого гипса 2,75.
б) Растворимый ангидрит, получаемый при более сильном обжиге (190 - 200°), схватывающийся не столь быстро, но все же несравненно скорее настоящего ангидрита.
в) Ангидрит, подобно природному ангидриту, вовсе не схватывающийся с водой в течение времени, допускамого условиями строительных работ. Получается при температурах обжига, приближающихся к 400°, и представляет собою пережог, практически негодный. Однако и этот ангидрит, подобно природному, при помощи катализаторов может приобрести способность более или менее быстро схватываться.
г) Эстрих или „гидравлический гипс", получаемый при еще более сильном обжиге - до 1000° и выше, снова обнаруживает способность схватываться с водой хотя и медленно, при чем дает массу более плотную и твердую, чем обыкновенный, слабо обожженный гипс. Название „гидравлического" получил лишь потому, что его отвердевание лучше идет, если его поддерживать первое время во влажном состоянии; в строгом же смысле слова он, конечно, не гидравличен, так как растворяется в конце концов водою, как и всякий вид гипса. Матерьял этот, очень распространенный в Германии, у нас еще не изготовляют.
Температуры, при которых получается тот или иной род гипса, зависят также от плотности природного камня, от крупности его кусков, от продолжительности обжига и т. д.
4. Обжиг гипса. Иногда гипс обжигают в кусках и затем измалывают в порошок, иногда же, наоборот, сперва измалывают, а затем обжигают полученный порошок. При малых заготовках толченый гипс обжигают в чугунных котлах или на железных противнях, при чем порошок гипса кипит подобно жидкости, выбрасывая вместе с парами воды гипсовую пыль; прекращение этого кипения показывает, что двухводный гипс превратился в полуводный и, следовательно, обжиг окончен (т. наз. вареный гипс).
При кустарной заготовке гипса крестьяне пользуются для обжига обыкновенными русскими печами; сперва сильно протапливают печь, затем отгребают уголья в сторону и кладут гипс в кусках, величиной с кулак; равномерного обжига, конечно, при этом ожидать нельзя.
При заводской заготовке гипса в больших количествах можно пользоваться как очелочными печами с решетчатым подом - на подобие кирпичеобжигательных, так и шахтными (длиннопламенными): при этом, однако, вследствие невысокой температуры в печи, сажа не может сгорать, куски выходят закопченные и гипс получается сероватый; для штукатурных работ это безразлично, для лепных же требуется гипс по возможности белый.
В таких случаях пользуются печами, устроенными на подобие муфельных, где обжигаемый матерьял находится в камере, снаружи нагреваемой горячими топочными газами, но не соприкасается с ними.
5. Затворение и твердение гипса. При затворении гипса для отливок требуется на 1 литр воды от 1,1 до 1,6 кг гипса. Обязательно следует всыпать гипс в воду, а не лить воду на гипс, чтобы не получилось комков. Обыкновенно гипс не отвешивают, а налив воды в ведро, сыплют гипс в середину ведра, пока вершина гипсовой кучи не покажется из воды; затем начинают размешивать смесь лопаточкой, взбалтывая ею снизу наверх, чтобы выгнать пузырьки воздуха. Во время всыпания гипса в воду взбалтывать не следует.
Взбалтывание продолжают непрерывно до тех пор, пока получившееся тесто по консистенции подобное очень жидкой сметане, не начнет заметно (на ощупь) нагреваться, и тогда его выливают в форму. Если продолжать взбалтывание некоторое время спустя после появления нагревания, то тесто густеет и делается не столь быстро твердеющим, вследствие прерванного процесса схватывания; в это время тесто удобно наносить в форму лопаточкой, так как оно уже не льется. Слишком долго размешивать гипсовое тесто во всяком случае не следует.
Самый процесс схватывания гипсового теста заключается в следующем. Всякая химическая реакция, а стало быть и превращение полуводного гипса в двуводный, требует для своего совершения некоторого промежутка времени; еле до вательно, в первые моменты растворяющийся в воде гипс будет содержаться в ней еще в виде полуводного гипса, и лишь по истечении некоторого времени превратится в двуводный. Растворимость же полуводного гипса в воде гораздо (раза в 4) более, чем двуводного; поэтому получившийся раствор полуводного гипса - насыщенный, так как гипса взято гораздо больше, чем его может раствориться во взятой воде, - после превращения его в двуводный окажется относительно последнего уже сильно пересыщенным и произойдут все явления, свойственные пересыщенным растворам; первый же кристаллик двуводного гипса вызовет быструю кристаллизацию пересыщенного раствора и, как следствие - выделение тепла, которое благодаря быстроте процесса не успевает рассеяться и произведет заметное нагревание теста, примерно градусов на 15-20 (теоретически на 30 - 35°).
Вслед за растворившимися зернами полуводного гипса, начинают перекристаллизовываться в двуводный и нерастворившиеся зерна полуводного гипса, а за ними и безводные зерна, если таковые находились, при чем вновь образующиеся кристаллики раздвигают ранее образовавшиеся, объем твердеющего теста увеличивается и оно с большой силой вдавливается во все мельчайшие углубления формы; это свойство, весьма ценное для получения точных отливок, в мельчайших подробностях передающих оригинал, заставляет крепко стягивать составные части формы; по этой же причине нельзя наливать гипсовое тесто в тонкостенную стеклянную посуду - она лопнет.
Только что схватившееся тесто представляет пористую массу слабо сросшихся кристалликов, поры между которыми наполнены насыщенным раствором гипса: окончательное отвердевание происходит вследствие испарения воды и кристаллизации этого раствора.
Изложенным разрешаются все вопросы, связанные с процессом твердения. Так, мелко измолотый гипс скорее схватывается, чем грубо измолотый, так как он быстрее растворяется в воде; сильно обожженый (хотя и не пережженый) схватывается медленнее потому, что в нем не осталось зерен двуводного гипса, служащих „затравками" или зародышами в начале кристаллизации пересыщенного раствора, и т. д.
Примешивая к употребляемой при затворении воде различные вещества, можно ускорять или замедлять схватывание гипса. Ускоряющим образом действуют; поваренная соль (в слабом растворе); сульфаты калия (действие заметно даже при 0,3% прибавки), натрия, алюминия; селитры калиевая и натриевая; двухро-мокалиевая соль; нашатырь (сильно ускоряет); хлористые магний и алюминий.
Замедляют схватывание: бура (очень сильно), крепкий раствор поваренной соли; гашеная известь, смешиваемая с гипсом при штукатурных работах; столярный клей; растительные слизистые вещества, напр., отвар алтейного корня; кислое молоко; алкоголь.
6. Формы для гипсовых отливок, напр., орнаментов, делают чаще всего так: сначала лепят из глины на доске оригинал орнамента и заливают его гипсом по частям - с таким расчетом, чтобы каждую часть формы легко было снять с отливки. Чем сложнее модель, тем больше частей имеет форма; части эти соединены между собою шипами. Материалом для формы служит, конечно, более дешевый (не совсем белый) гипс. Форму покрывают внутри спиртовым лаком, а перед отливкой смазывают смесью мыльной воды с растительным маслом и, сложив вместе ее части, связывают веревками или железными обручами, а затем заливают форму гипсовым тестом. 
Для облегчения отливки, лишнее тесто с задней стороны орнамента снимается лопаткой. Швы, получившиеся на отливке на стыках частей формы, счищают ножом.
Для массовой отливки предметов, от которых не требуется особой точности и резкости очертаний, формы делают клеевые - из чистого столярного клея, застывающего в виде весьма упругого студня, из которого легко, вследствие его податливости, вынимать отливку. Так как студень этот, высыхая, более или менее пропорционально сжимается, то посредством клеевых форм можно изготовлять с оригиналов уменьшенные копии. Применение гипсовых форм при изготовлении изразцов, черепицы и т. п., нами уже указывалось.
7. Применение гипса в строительном деле, кроме отливки из него орнаментов, статуй и т. п., в России менее обширно, чем в зап. Европе. В Париже гипсовый раствор часто применяется, вместо известкового, для кладки стен (не в сырых местах, конечно). Многие старинные замки в южной Германии были построены на гипсовом растворе; заметим кстати, что известная пирамида Хеопса (Хуфу) в Египте, которой приписывают 4.000-летнее существование, сложена на гипсовом растворе. Эстрих в Германии идет на устройство полов, покрываемых линолеумом; из него, а также из обыкновенного гипса, делают перегородки - или из отдельных гипсовых плит, заранее изготовленных, или в виде штукатурного намета, набрасываемого на натянутую проволочную сетку (система Рабитца). Для уменьшения веса, в гипсовые плиты при их изготовлении закладывают тростник или бамбук (плиты фирмы Мак), солому и т. п.
У нас, как уже указывалось, гипс идет преимущественно на штукатурку по дереву (потолков и перегородок) и на тягу карнизов, в смеси с известью (около 10% гипса), так как примесь гипса ускоряет твердение известкового раствора и предупреждает его оползание с вертикальных плоскостей, увеличивает его сцепление с дранками и позволяет сделать поверхность более гладкой. Применяют его также для кладки пологих сводов, где не должно быть никакой осадки. На Кавказе в некоторых местах употребляется гажа (в Туркестане наз. ганч), представляющая природную смесь гипса с глиной, которая, подобно гипсу, слабо обжигается; цвет гажи розоватый или желтоватый. Она идет на кладку перемычек, арок, сводов и на внутреннюю штукатурку.
Вообще гипс служит главной составной частью многих искусственных камней, от которых не требуется большой крепости и сопротивления сырости; уступая в этих качествах изделиям из портланд-цемента, гипсовые камни, плиты и т. п. иногда оказываются удобнее тем, что их легко рубить, резать, притесывать, вбивать в них гвозди и т. п. 
Цемент Кина. Под этим названием продается порошок, приготовленный следующим образом: куски обожженного гипса пропитывают раствором квасцов, снова обжигают (сильнее, чем в первый раз, а именно до красного каления) и затем затворяется он также на растворе квасцов - которые, представляя собой сульфат калия и глинозема, как мы видели выше, ускоряют твердение. По отвердении значительно крепче обыкновенного гипса и хорошо принимает полировку.
Париан-цементприготовляется подобно цементу Кина, только вместо квасцов берут раствор буры, замедляющий твердение.
Скальола(Scagliola) - масса из смеси обожженного гипса с необожженным, затворяемая на клеевой воде, иногда с примесью коксовой золы и т. п. наполнительных веществ, служащая в виде плит для устройства легких потолков, перегородок, черных полов и т. п.
Искусственный мрамор или стюк (Stucco) приготовляется из гипса, затворяемого на клеевой воде или на растворе квасцов; поверхность его полируется пемзою и натирается сперва мыльной водой, а затем мастикою из масла, воска и скипидара. При заготовлении искусственного мрамора в виде отдельных плит („марморит"), для облегчения полировки их приготовляют, наливая гипсовое тесто на смазанное жиром зеркальное стекло, так что совершенно гладкая поверхность получается при самой отливке.
Наконец, гипс применяется в качестве сцепляющего вещества при некоторых мозаичных работах.
Вследствие пористости, изделия из обыкновенного гипса гигроскопичны и их, напр., нельзя мыть водою, так как при этом вместе с водою затянется в поры гипса насевшая на него пыль и ее затем никак уже нельзя будет удалить; самый простой способ очистки гипсовых орнаментов от пыли - обмазывание их густым крахмальным клейстером, который не втягивается в поры, а по высыхании растрескивается и отваливается сам собою вместе со всей грязью, бывшей на поверхности гипса. Чтобы уменьшить пористость гипсовых изделий, их иногда пропитывают с поверхности стеарином или парафином, воском и т. п., употребляя эти вещества или в расплавленном состоянии, или в виде растворов в легко улетучивающемся растворителе-бензине, бензоле и т. п., при чем гипс получает желтоватый оттенок, подобный слоновой кости. Для предохранения гипса от непогоды, а также для декоративных эффектов, гипс иногда раскрашивают или бронзируют.
8. Испытание гипса. Для оценки достоинства гипса могут служить следующие определения:
а) Чистота цвета. Для сравнения в этом отношении двух сортов гипса насыпают на стеклянную пластинку около столовой ложки одного из них, слегка придавливают сверху другой такой же пластинкой, чтобы получить плоскую кучку; в середину ее насыпают очень немного другого сорта гипса и снова сглаживают кучку прижатием к ней стекла; если есть хоть небольшая разница в белизне обоих сортов, она ясно будет заметна.
б) Тонкость помола определяется, как для портланд цемента, просеиванием.
в) Нормальная густота, необходимая для дальнейших испытаний, определяется так: в стеклянный или металлический эмалированный цилиндрический сосуд высотой около 60 мм, диаметром около 70 мм предварительно взвешенный, наливают 100 г воды (комнатной температуры), стараясь не забрызгать его стенок выше уровня воды. Затем, заметив по часам время, начинают всыпать туда гипс до тех пор, пока не исчезнет свободная поверхность воды и получится тоненький слой сухого гипса, удерживающийся на поверхности в течение 3-5 секунд. Всыпание продолжается 1 1/2 - 2 минуты. Затем снова взвешивают сосуд с содержимым; вес его, за вычетом 100 г веса воды, представит вес всыпанного гипса, образующего со 100 г воды нормально густое тесто. Гипс предварительно должен быть пропущен через крупное сито (16 отв. на кв. см) для освобождения от комков и грубых примесей. Для дальнейших испытаний заготовляется тесто определенной таким образом нормальной густоты, при чем удобно для затворения пользоваться, в качестве сосуда, разрезанным пополам большим (около 12 см. в диаметре) резиновым мячом, из которого легко удалять отвердевшее тесто.
г) Скорость схватывания. Для гипса важно определить два момента; когда тесто утрачивает текучесть и когда оно утрачивает пластичность; первое определяет срок, в течение которого можно производить отливку, второе - предельный срок для обработки теста лопаткой. Для этого заготовляют тесто, как указано выше (заметив по часам момент начала всыпания гипса в воду), хорошо взбалтывают его лопаткой и выливают тесто на стекло (15 X 15 см), пошевеливая которое дают тесту расплыться в лепешку около 5 - 7 мм толщиной и 10-12 см в диаметре. Далее, через каждые 30 секунд прорезают лепешку перочинным ножом; предельным сроком для отливки будет момент, когда прорезы перестают заплывать снова. Затем, когда тесто на ощупь уже близко к отвердеванию, через каждые 1 - 2 минуты срезают ножом с лепешки тонкую стружку; момент, когда эта стружка уже оказывается хрупкой - срок потери пластичности.
д) Сопротивление разрыву определяется, как и для цементов, на приборе Михаэлиса. Образцы изготовляют из одного гипса (без песка), определенной, как сказано выше, нормальной густоты; для 6 образцов достаточно взять 400 куб. см воды и соответстующее количество гипса. Формы наливают гипсовым тестом, срезая избыток последнего ножом без надавливания; по затвердении, обычно через полчаса, образцы вынимают из форм (которые для этого должны быть предварительно смазаны вазелином) и хранят их до испытания в сухом месте; всего лучше класть образцы на положенные рядом трехгранные брусочки, чтобы сушка происходила равномерно. Образцы, приготовленные из эстриха, иногда хранят также в воде, насыщенной гипсом.