Классификация строительных материалов

16. Воздушная известь. Сырье и условия получения

Сырьем для производства воздушной извести служат плотные известняки, ракушечники, мел, доломитизированные известняки при условии, что содержание глинистых примесей в них не превышает 6%. Сырье обжигают при температуре 1000 ... 1200°С до полного удаления углекислого газа. Обжиг известняка производится в печах различных конструкций: шахтных, вращающихся, с «кипящим» слоем, в циклонно-вихревых печах во взвешенном состоянии, а также на движущихся агломерационных решетках. Распространен обжиг в шахтных печах, которые надежны в эксплуатации, позволяют использовать местные виды топлива и требуют меньшего его расхода, После обжига получают комовую известь или известь-кипелку (так ее называют из-за бурной химической реакции с водой). Это вещество обладает сильно развитой внутренней микропористостью и большим запасом свободной внутренней энергии, что проявляется при гашении комовой извести, т. е. присоединении воды с выделением большого количества теплоты.

Известняки при обжиге разлагаются на известь СаО и углекислый газ, который полностью удаляется. Реакция разложения известняка обратимая.

Признаком высокого качества извести является высокое содержание в ней СаО + MgO. Недожог и пережог извести в печи снижают ее качество. Особенно опасен пережог - остеклованная известь. Частицы пережога медленно гасятся с увеличением в объеме и могут вызвать трещины в штукатурке и изделиях.

Содержание чистых окислов CaO + MgO в общем количестве извести называют ее активностью. По активности и содержанию непогасившихся зерен определяется сорт извести.

Гашение извести производится в условиях стройплощадки в творильных ящиках с сеткой для сцеживания разжиженного известкового теста (известкового молока) в гасильную яму, где оно выдерживается длительное время. В заводских условиях известь гасят в специальных барабанных гасителях. Гашение извести производят в пушонку или в известковое тесто. При расходе воды 1 л на 1 кг извести комовой известь превращается в тонкий рыхлый порошок со значительным увеличением в объеме; при расходе воды 2 ... 3 л на 1 кг извести получается известковое тесто, что тоже сопровождается увеличением в объеме. Для получения из пушонки известкового теста ее разбавляют водой. Обычно содержание воды в известковом тесте составляет примерно 50% (по массе). Гашеная известь медленно схватывается и твердеет, обладает низкой прочностью, поэтому кроме гашеной извести в строительстве применяют известь негашеную. По содержанию оксида магния в извести она подразделяется на кальциевую (MgO<5%), магнезиальную (MgO = 5 ... 20%) и доломитовую (MgO = 20 ... 40%); по времени гашения различают известь быстрогасящуюся (время гашения < 8 мин), среднегасящуюся (время гашения 8 ... 25 мин) и медленногасящуюся (время гашения не менее 25 мин).

Воздушную известь применяют для приготовления кладочных и отделочных растворов, изготовления штучных бетонных изделий, например известковошлаковых, силикатного кирпича и других известково-песчаных изделий автоклавного твердения.

17. Твердение и свойства воздушной извести

Известь применяют в виде строительных растворов, т.е. в смеси с песком и другими заполнителями. На воздухе известковый раствор постепенно отвердевает под влиянием двух одновременно протекающих процессов: а) высыхания раствора, сближения кристаллов Са(ОН)₂ и их срастания; б) карбонизации извести под действием углекислого газа, который в небольшом количестве содержится в воздухе: Са(ОН)₂ + С0₂ -» СаС0₃ + Н₂0.

Образующийся карбонат кальция срастается с кристаллами Са(ОН)₂ и упрочняет известковый раствор. При карбонизации выделяется вода, поэтому штукатурку и стены, в которых применены известковые растворы, подвергают сушке. Известковые растворы твердеют медленно, сушка ускоряет процесс их твердения. Для ускорения твердения к извести добавляют цемент и гипс. Цемент и активные минеральные добавки повышают также водостойкость известковых растворов.

Известковое тесто, защищенное от высыхания, неограниченно долго сохраняет пластичность, т. е. у извести отсутствует процесс схватывания. Затвердевшее известковое тесто при увлажнении вновь переходит в пластичное состояние (известь - неводостойкий материал).

Однако при длительном твердении (десятилетия) известь приобретает довольно высокую прочность и относительную водостойкость (например, в кладке старых зданий). Это объясняется тем, что на воздухе известь реагирует с углекислым газом, образуя нерастворимый в воде и довольно прочный карбонат кальция, т. е. как бы обратно переходит в известняк:

Са(ОН)₂ + С0₂ -» СаС0₃ + Н₂0

18. Применение гипсовых вяжущих и воздушной извести

строительный материал гипсовый вяжущий

Область применения воздушной извести - приготовление известково-песчаных и смешанных строительных растворов, которые используют в каменной кладке и при оштукатуривании поверхностей, а также для побелки и в производстве силикатных изделий.

В зависимости от содержания оксида магния воздушная известь разделяется на кальциевую (MgO<5%), магнезиальную (MgO = 5-20%) и высокомагнезиальную, или доломитовую (MgO = 20-40 %).

Наиболее важные показатели качества извести: активность - процентное содержание оксидов, способных гаситься; количество непогасившихся зерен (недожог и пережог); время гашения.

В зависимости от времени гашения извести всех сортов различают: быстрогасящуюся известь с временем гашения до 8 мин, среднегасящуюся - время гашения не превышает 25 мин и медленно гасящуюся с временем гашения более 25 мин.

Строительные растворы на воздушной извести имеют невысокую прочность. Так, известковые растворы через 28 суток воздушного твердения имеют прочность при сжатии: на гашеной извести 0,4-1 МПа, на молотой негашеной извести до 5 МПа. Поэтому сорт воздушной извести устанавливают не по прочности, а по характеристикам ее состава (табл. 5.1). Чем меньше глинистых и других примесей в исходном известняке, тем выше активность извести, быстрее происходит ее гашение и больше выход известкового теста.

Марки гипса от Г-2 до Г-7 (группы А, Б, В и I, II, III) применяют для изготовления разнообразных гипсовых строительных изделий. Марки Г-2 до Г-7 (группы А, Б и II, III) применяют для изготовления тонкостенных строительных изделий и декоративных деталей. Марки от Г-2 до Г-25 (Б, В и II, III) применяют в штукатурных работах, для заделки швов и в специальных целях.

19. Магнезиальные вяжущие и жидкое стекло

Сырьем для магнезиальных вяжущих служат магнезит и доломит.

Обжиг магнезита производится при температуре 750 ... 800°С (во вращающихся печах до 1000°С) до полного разложения MgСОз на MgO и СО₂ с удалением углекислого газа. После помола MgO представляет собой воздушное вяжущее вещество, называемое каустическим магнезитом, оно имеет предел прочности при сжатии 40 ... 60 МПа, достигая иногда до 100 МПа.

Обжиг доломита производят при более низких температурах <в интервале 650 ... 750^оС, так как при повышении температуры обжига начинает разлагаться и СаСОз с образованием извести.

Особенностью применения магнезиальных вяжущих веществ является затворение их водными растворами магнезиальных солей, причем начало схватывания наступает не позднее 20 мин, а конец - не позднее 6 ч.

Растворимое (жидкое) стекло.

Для производства растворимого стекла сырьем служат в основном чистый кварцевый песок и кальцинированная сода или сернокислый натрий, значительно реже вторым компонентом является поташ.

Тщательно перемешанную сырьевую смесь расплавляют в стекловаренных печах при температуре 1300 ... 1400°С, а затем стекломассу выгружают в вагонетки. При быстром охлаждении она твердеет и раскалывается на куски, именуемые силикат- глыбой. Лучше всего растворять силикат-глыбу в автоклавах при давлении 0,6 ... 0,7 МПа и температуре 150°С, превращая ее в сиропообразную жидкость. Жидкое (растворимое) стекло применяют для производства кислотоупорных цементов, жароупорных бетонов, силикатных красок и обмазок, для пропитки (силикатизации) грунтовых оснований.

20. Портландцемент. Сырье и условия получения. Способы производства цемента

Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, в составе которого преобладают силикаты кальция ( 70-80 % ). Портландцемент - продукт тонкого измельчения клинкера с добавкой (3-5 %) гипса. Клинкер представляет собой зернистый материал (в виде порошка или гранул), полученный обжигом до спекания (при 1450^оС) сырьевой смеси, состоящей в основном из карбоната кальция (различных видов известняков) и алюмосиликатов (глин, мергеля, доменного шлака и др.).

Основные свойства портландцемента обусловливаются составом клинкера. Качество клинкера определяет все свойства портландцемента; добавки же, вводимые в цемент, лишь регулирует его свойства. Качество клинкера зависит от его химического и минерального состава, тщательности подготовки сырьевой массы, условий проведения ее обжига и режима охлаждения.

Сырье для получения портландцемента. В качестве сырья иногда используют природные горные породы - мергели. В них содержатся необходимые для производства портландцементов количества каронатных (75 ... 78 %) и глинистых пород (25 ... 22 %). В большинстве случаев необходимое сочетание пород получается искусственным путем. В этом случае в качестве карбонатных пород используются известняки, мел, известковые ракушечники; в качестве глинистых - глины, глинистые сланцы, лёссы, доменные шлаки; кроме того, в состав сырьевой смеси вводятся различные корректирующие добавки, например гипс. Гипс необходим для регулирования сроков схватывания. С увеличением количества гипса увеличиваются (замедляются) сроки схватывания. Однако максимальное количество вводимого гипса регламентируется химическим составом портландцемента.

Производство портландцемента. Производство портландцемента состоит из следующих процессов: добычи сырья и доставки его на завод; подготовки сырья и смеси; обжига смеси - получения клинкера; измельчения клинкера с добавками - получения цемента.

По характеру подготовки сырья и приготовления смеси различают мокрый и сухой способы изготовления цемента.

При мокром способе сырье дробят и размалывают без дополнительной подсушки. Весьма часто помол осуществляют с добавлением воды, глину размешивают в специальных емкостях - болтушках. Смесь готовят тщательным перемешиванием жидких молотых смесей в шламбассейнах. В этом случае подготовленная смесь - цементный шлам - содержит до 40 % и более воды.

При сухом способе тонкое измельчение исходного сырья - помол - осуществляют в сухом состоянии. Тщательное смешивание производят в специальных смесителях. В строительстве наиболее распространен мокрый способ, при котором удается достичь хорошей гомогенности сырьевой смеси, что в конечном итоге обусловливает получение цемента с более высокими и стабильными качествами. В связи с созданием оборудования, обеспечивающего хорошую гомогенизацию в смеси тонкомолотых порошков, сухой способ как более экономичный (не требующий теплоты на испарение воды) и, следовательно, перспективный находит все большее применение.

21. Обжиг клинкера. Химический и минералогический состав клинкера

Химический состав клинкера определяется содержанием оксидов (% по массе), причем главных из них: СаО 63- 66, SiQ₂ 21-24, А120₃ 4-8, Fe₂0₃ 2-4; их суммарное количество составляет 95-97%. В небольших количествах в виде различных соединений могут входить MgO, S0₃, Na₂О и К₂О, а также ТiO₂, Сг₂0₃, Р₂О₅. В процессе обжига, доводимого до спекания, главные оксиды образуют силикаты, алюминаты, алюмоферрит кальция в виде минералов кристаллической структуры, а некоторые из них входят в стекловидную фазу.

Минеральный состав клинкера. Основные минералы клинекера: алит, белит, трехкальциевый алюминат и алюмоферрит кальция.

Алит 3CaO-Si0₂ (или C₃S*) - самый важный минерал клинкера, определяющий быстроту твердения, прочность и другие свойства портландцемента; содержится в клинкере в количестве 45-60 °С. Алит представляет собой твердый раствор трехкальциевого силиката и небольшого количества (2-4 %) MgO, А1₂0₃, Р₂0₅, Сг₂0₃ и других примесей, которые могут существенно влиять на структуру и свойства.

Белит 2CaO-Si0₂ (или C₂S) - второй по важности и содержанию (20-30%) силикатный минерал клинкера. Он медленно твердеет, но достигает высокой прочности при длительном твердении портландцемента. В интервале между нормальной температурой и 1500 °С существу _ет пять кристаллических форм двухкальциевого силиката. Белит в клинкере представляет собой твердый раствор В-двухкальциевого силиката (В-C₂S) и небольшого количества (1-3%) А1₂0₃, Fe₂0₃, MgO, Сг₂0₃.

Обжиг смеси производится во вращающихся печах, представляющих собой металлические цилиндры, обложенные внутри огнеупорной футеровкой. Печь укладывают на специальные катки с небольшим уклоном к поверхности земли, за счет чего по мере вращения сырьевая смесь продвигается по печи от приподнятого конца к опущенному. Длина печи достигает 180 м, а иногда доходит до 250 м, диаметр - до 6 м. По мере продвижения смесь подсушивается, скатывается в шарики и под действием высокой температуры (1450 ... 1500 °С) спекается в гранулы размером 5 ... 20 мм и более. Затем гранулы охлаждаются сначала в печи, в зоне охлаждения, впоследствии - в специальных устройствах - холодильниках.

Существует и достаточно прогрессивный способ обжига клинкера. В печи силикатный расплав заменен расплавом на основе хлористого кальция. Существенно снижается температура обжига (1100 ... 1150 °С), в 3 .. .4 раза облегчается помол, но в цементе появляется минерал - алинит, содержащий алюмохлоридсиликат кальция. Этот цемент быстрее твердеет в начальные сроки.

Остывший клинкер подвергают размолу чаще всего в шаровых мельницах, представляющих собой металлические цилиндры диаметром до 3,5 и длиной до 15 ... 20 м, которые выложены изнутри бронированными плитами. Мельницы имеют 2 ... 3 камеры, отделенные друг от друга металлическими перегородками с отверстиями для прохождения размалываемого материала.

Размол клинкера и постепенное продвижение размалываемого материала обеспечиваются при вращении за счет наклона мельницы. По выходе из шаровой мельницы портландцемент подают на склад в силосы, где он остывает и выдерживается некоторое время, достаточное для стабилизации.

22. Твердение и основные свойства портландцемента

Свойства портландцемента. К основным техническим свойствам портландцемента относятся: истинная плотность, средняя плотность, тонкость помола, сроки схватывания, нормальная густота (водопотребность цемента), равномерность изменения объема цементного теста, прочность затвердевшего цементного раствора.

Истинная плотность цемента находится в пределах 3000 ... 3200 кг/м3, плотность в рыхлом состоянии - 900 ... 1300 кг/м3, в уплотненном (слежавшемся) - 1200 ... 1300 кг/м3.

Тонкость помола характеризуется остатком на сите № 08 или удельной поверхностью, проверяемой на специальном приборе ПСХ. Согласно ГОСТ через сито № 08 должно проходить не менее 85 % массы пробы, удельная поверхность при этом (поверхность зерен цемента общей массой 1 г) должна быть 2500 ... 3000 см²/г.

Нормальная густота цементного теста (количество воды в % от массы цемента) определяется погружением пестика, укрепляемого на штанге прибора Вика, и колеблется в пределах 21 ... 28 %. Она зависит от минералогического состава цемента и тонкости помола.

Сроки схватывания проверяют прибором Вика на цементном тесте нормальной густоты. Согласно требованиям ГОСТ начало схватывания должно быть не ранее 45 мин; конец - не позднее 10 ч (нормально - 2 ... 3 ч),



Если в цементе в результате нарушений технологического процесса при изготовлении окажется много свободных осадков кальция и магния, то процесс их гашения при затворении цемента водой будет протекать замедленно. Это явление может привести к разрушению уже затвердевшего цементного камня. Для предотвращения подобных явлений при оценке качества цемента и проводят испытание на равномерность изменения объема.

Одним из основных свойств цемента является прочность, которая определяется в положенные сроки испытанием образцов (балочек) размером 40 х 40 х 160 мм первоначально на изгиб, а затем половинок - на сжатие. Балочки готовят из раствора состава 1:3 (1 ч. по массе цемента, 3 ч.- нормального вольского песка) при водоцементном отношении (отношении количества воды к количеству цемента), равном 0,4. Водоцементное отношение в свою очередь проверяется, а при необходимости корректируется по расплаву конуса на встряхивающем столике. Расплыв усеченного конуса из растворной смеси, изготовленного в форме высотой 60 мм и основаниями верхним с внутренним диаметром 70 мм и нижним - 100 мм, после 30 встряхиваний должен быть в пределах 106 ... 115 мм. При отсутствии встряхивающего столика испытания проводят на стандартной лабораторной виброплощадке. В этом случае после 20 секунд вибрирования расплыв должен быть (170 ± 5) мм.

Твердение цемента. Твердение портландцемента - сложный физико-химический процесс. При затворении цемента водой основные минералы, растворяясь, гидратируются по уравнениям:

Образующиеся новообразования отличаются от первоначальных меньшей растворимостью и, выпадая в осадок, выкристаллизовываются, что приводит к потере пластичности (схватыванию) и последующему твердению. Добавка гипса в самом начале процесса при растворении взаимодействует с трехкальциевым алюминатом, образуя гидросульфоалюминаты, которые, обволакивая цементные зерна, замедляют процесс растворения и гидратации. Однако в последующем эти оболочки разрушаются (чем меньше гипса, тем замедление короче по времени) и процесс твердения ускоряется. Но сами выкристаллизовывающиеся новообразования начинают препятствовать гидратации, поэтому значительная часть зерен цемента может гидратироваться при наличии водной среды весьма продолжительный срок, измеряемый даже годами.

Цемент твердеет тем быстрее, чем больше в нем алита (алитовые цементы) и трехкальциевого алюмината. С течением времени процесс твердения резко замедляется. Цементы, содержащие много белита (белитовые цементы), в раннем возрасте твердеют медленно; нарастание прочности продолжается длительно и равномерно. Процессы твердения и особенно схватывания сопровождаются выделением теплоты, которая тем интенсивнее, чем быстрее протекает процесс схватывания. Поэтому в массивных конструкциях, как правило, применяют белитовые цементы. Использование в таких конструкциях алитовых цементов может привести к интенсивности тепловыделению, разогреву до высокой температуры (70 ... 80 °С), появлению трещин и даже потере воды, что в итоге приведет к утрате цементным камнем своих качеств. В то же время применение алитовых цементов позволяет быстрее получить минимальную прочность, а интенсивное тепловыделение обеспечивает в некоторых случаях необходимую для твердения температуру в зимних условиях.

При твердении цемента на воздухе происходит небольшая усадка, а в воде - набухание.

23. Виды цементов

Название "портландцемент" происходит от названия английского города Портланд: цвет материала схож по оттенку с цветом скал вокруг этого города.

Портландцемент, или силикатный цемент, пользуется высоким спросом. Исходный вид портландцемента - порошок серо-зеленого оттенка. Его особенность - тонкий помол клинкера с гипсом и возможность примешивания специальных добавок. Портландцементный клинкер характеризуется высоким содержанием силикатов кальция. Применение различных видов портландцемента зависит от целей и задач, поставленных при строительстве.

Быстротвердеющий портландцемент применяется там, где необходимо схватывание материала в сжатые сроки. В его составе - высокий процент трехкальциевого алюминия и трехкальциевого силиката. Прочность этого вида цемента возрастает уже на первом этапе отвердевания - в первые сутки - трое после его применения.

Гидрофобный портландцемент отличается сложным составом. В него включают мылонафт (0,1-0,2%), асидол, синтетические жирные кислоты, окисленный петролатум и другие добавки. Такой состав смеси приводит к образованию особой оболочки, придающей частицам цемента повышенную прочность.

При изготовлении белого портландцемента применяют маложелезистый клинкер. Это позволяет получить не обычный серый цемент, а материал белого цвета, на основе которого путем добавления красящих пигментов получают разноцветные цементы. Они применяются при декоративном оформлении объектов и при изготовлении цветных бетонных дорожек.

В состав пластифицированного портландцемента входит 0,25% сульфитно-спиртовой барды. Это поверхностно-активное вещество дает возможность сократить расход материала, пластифицируя цемент. Бетонная смесь в этом случае получается пластичной. Кроме экономии строительного материала, это позволяет быстрее провести укладку бетона и повысить качество работы. Бетон, сделанный на основе пластифицированного цемента, имеет повышенные показатели морозоустойчивости.

Шлаковый цемент общее название цементов получаемых совместным помолом гранулированных доменных шлаков с добавками- активизаторами (известь строительный гипс ангидрит и др.) или смешением этих раздельно измельченных компонентов. Различают известково-шлаковый с содержанием извести 10-30% и гипса до 5% от массы цемента и сульфатно-шлаковый с содержанием гипса или ангидрита 15-20% портландцемента до 5% или извести до 2%. Шлаковый цемент применяют для получения строительных растворов и бетонов используемых преимущественно в подземных и подводных сооружениях. Известково-шлаковый цемент наиболее эффективен в производстве автоклавных материалов и изделий.

Быстротвердеющий цемент цемент характеризующийся интенсивным нарастанием прочности в начальный период твердения. Применяется в основном для изготовления сборных железобетонных конструкций и изделий. Выпускаются: быстротвердеющий портландцемент с пределом прочности при сжатии через 3 сут 25 Мн/м2 (250 кгс/см2) особо быстротвердеющий портландцемент а также быстротвердеющий шлакопортландцемент.

Пуццолановый цемент собирательное название группы цементов в состав которых входит не менее 20% активных минеральных добавок. В строительстве основной вид пуццоланового цемента - пуццолановый портландцемент получаемый совместным помолом портландцементного клинкера (60-80%) активной минеральной добавки (20-40%) и небольшого количества гипса. От обычного портландцемента он отличается повышенной коррозионной стойкостью (особенно в мягких и сульфатных водах) меньшей скоростью твердения и пониженной морозостойкостью. Пуццолановый цемент применяют в основном для получения бетонов используемых в подводных и подземных сооружениях.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) представляет собой быстросхватывающее и быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество получаемое путем совместного помола и тщательного смешивания измельченных глиноземистого цемента гипса и высокоосновного гидроалюмината кальция. Цемент характеризуется быстрым схватыванием: начало процесса- ранее 4 мин. конец не позднее 10 мин. с момента затворения.

Глинозёмистый цемент быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество; продукт тонкого измельчения клинкера получаемого обжигом (до плавления или спекания) сырьевой смеси состоящей из бокситов и известняков.

Сульфатостойкий цемент сульфатостойкий портландцемент разновидность портландцемента. По сравнению с обычным портландцементом сульфатостойкий цемент обладает повышенной стойкостью к действию минерализованных вод содержащих сульфаты меньшим тепловыделением замедленной интенсивностью твердения и высокой морозостойкостью.

Романцемент получают обжигом не до спекания известняковых или магнезиальных мергелей содержащих более 20% глины. Продукт обжига размалывают и получают гидравлические вяжущие. Образуются алюминаты, ферриты и силикаты придающие гидравлические свойства.

24. Коррозия цементного камня. Ее виды и методы защиты

Коррозия цементного камня в водных условиях по ряду ведущих признаков может быть разделена на три вида:

Первый вид коррозии - разрушение цементного камня в результате растворения и вымывания некоторых его составных частей. Наиболее растворимой является гидроксид кальция, образующийся при гидролизе трехкальциевого силиката. Растворимость Са(ОН)₂ невелика (1,3 г СаО на 1 л при 15°С), но из цементного камня в бетоне под воздействием проточных мягких вод количество растворенного и вымытого Са(ОН)₂ непрерывно растет, цементный камень становится пористым и теряет прочность.

Несколько предохраняет от данного вида коррозии защитная корка из углекислого кальция, образующаяся на поверхности бетона в результате реакции между гидроксидом кальция и углекислотой воздуха

Са (ОН)₂ + СО₂ = СаСОз + Н₂О

Второй вид коррозии - разрушение цементного камня водой, содержащей соли, способные вступать в обменные реакции с составляющими цементного камня. При этом образуются продукты, которые либо легкорастворимы, либо выделяются в воде аморфной массы, не обладающей связующими свойствами. В результате таких преобразований увеличивается пористость цементного камня и, следовательно, снижается его прочность.

К третьему виду коррозии относятся процессы, возникающие под действием сульфатов. В порах цементного камня происходит отложение малорастворимых веществ, содержащихся в воде, или продуктов взаимодействия их с составляющими цементного камня. Их накопление и кристаллизация в порах вызывают значительные растягивающие напряжения в стенках пор и приводит к разрушению цементного камня. Характерным видом сульфатной коррозии цементного камня является взаимодействие растворенного в воде гипса с трехкальциевым гидроалюминатом:

ЗСаО * А1₂О₃ * 6Н₂О + 3CaSO₄ + 25H₂O = ЗСаО * А1₂О₃ * 3CaSO₄ * 31Н₂О

При этом образуется труднорастворимый гидросульфоалюминат кальция, который, кристаллизуясь, поглощает большое количество воды и значительно увеличивается в объеме (примерно в 2,5 раза), что оказывает сильное разрушающее действие на цементный камень.

Исключить или ослабить влияние коррозионных процессов при действии различных вод можно конструктивными мерами, путем улучшения технологии приготовления бетона и применения цементов определенного минералогического состава и необходимого содержания активных минеральных добавок.

25. Бетоны. Понятие и классификация

Бетоны - искусственные каменные материалы, получаемые в результате затвердевания тщательно перемешанной и уплотненной смеси из вяжущего вещества, воды, мелкого и крупного заполнителей, взятых в определенных пропорциях. До затвердевания эта смесь называется бетонной смесью.

Вяжущее вещество и вода являются активными составляющими бетона; в результате реакции между ними образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителей. Заполнители (песок, гравий, щебень) в большинстве случаев не вступают в химическое соединение с цементом и водой. Эти материалы образуют жесткий скелет бетона и уменьшают его усадку, вызываемую усадкой цементного камня при твердении. В легких бетонах пористые заполнители уменьшают плотность и теплопроводность бетона.

В бетон могут вводиться специальные добавки, улучшающие свойства бетонной смеси и бетона, повышающие подвижность бетонной смеси, регулирующие сроки схватывания, ускоряющие твердение бетона в раннем возрасте, повышающие его морозостойкость.

Основную классификацию бетонов производят по плотности, зависящей, главным образом, от плотности цементного камня, вида заполнителей и структуры бетона.

Бетоны разделяются на пять видов:

1) особо тяжелый, содержащий такие тяжелые заполнители, как стальные опилки или зерна (стальбетон), железные руды или барит (баритовый бетон); плотность этих бетонов выше 2600 кг/м³;

2) тяжелый (обычный), содержащий плотные заполнители (кварцевый песок, щебень или гравий из плотных каменных пород); плотность этого бетона 2100-- 2600 кг/м³;

3) облегченный, например, с кирпичным щебнем или крупнопористый (беспесчаный); плотность 1800-- 2000 кг/м³;

4) легкий, содержащий пористые заполнители (шлак, пемзу, туф и т. п.), обычной плотной структуры или крупнопористый; его плотность 1200--1800 кг/м³ (чаще 1300--1500 кг/м³);

5) особо легкий, очень пористый, ячеистый (пенобетон, газобетон) или крупнопористый с легкими заполнителями; плотность меньше 1200 кг/м³ (чаще 500-- 800 кг/м³).)

В зависимости от вида вяжущих веществ бетоны подразделяются на цементный, цементно-полимерный, силикатный (на извести), шлакощелочной и другие виды бетона.

Бетон - один из основных строительных материалов. Он ценен тем, что ему можно придавать самые разнообразные свойства, изменяя в широких пределах прочность, плотность, теплопроводность, и изготовлять из него сборные конструкции, изделия и монолитные сооружения различной формы и назначения. Бетон широко используют в гражданском, промышленном, гидротехническом, теплоэнергетическом, дорожном и других видах строительства.

В зависимости от применения различают бетоны:

обычный - для железобетонных конструкций (фундаментов, колонн, балок, перекрытий, сводов, мостов и т. п.);

специального назначения, например кислотоупорный, жароупорный…

гидротехнический - для плотин, шлюзов, облицовки каналов, водопроводно-канализационных сооружений и т. п.;

бетон для стен зданий (главным образом, легкий бетон) и легких перекрытий;

теплоизоляционный особо легкий (пено- и газобетон);

бетон для полов, тротуаров, дорожных и аэродромных покрытий.

26. Материалы для приготовления бетонов. Требования к ним

Заполнители - занимают 85-90% всего объема бетона. Заполнители бывают природного, искусственного происхождения, а также их отходов промышленности.

Природные заполнители получают путем дробления горных пород (известняков, гранитов, мраморов, диабазов).

Искусственные заполнители получают из природного сырья по специальным технологиям (керамзит).

Отходы - золы, шлаки, золошлаковые смеси.

Заполнители бывают крупные (щебни, гравий d= 5-70мм или до 150мм) и мелкие (пески d= 0,14-5мм). В бетоне должны находится заполнители разных фракций (размеров). Делятся они по размерам сит - 0,14; 0,315;0,63;1,25;2,5;5;10;20;40;70- размеры ячеек в мм. В зависимости от характера формы зерен, заполнители бывают неправильной формы и правильной формы (округлой). Форма зерен влияет на плотность бетонной смеси. Заполнители с округлой формой образуют более пластичные бетонные смеси.

В зависимости от характера поверхности, заполнители бывают

- с шероховатой поверхностью (щебень, дробленый песок)

- с гладкой окатанной поверхностью (гравий, речной и морской песок).

Существуют заполнители с игольчатой или пластинчатой формой зерен. При приготовлении бетона такие заполнители укладывают строго горизонтально, бетоны получаются неоднородного состава. Содержание таких зерен ограничивается требованиями ГОСТа.

Песок.

В зависимости от минералогического состава пески бывают

- полевошпатные

- кварцевые

-известковые и др.

Лучшими для приготовления бетона являются кварцевые пески. В зависимости от происхождения бывают: морские, речные (содержат мало пыли, имеют окатанную форму) и овражные (горные) пески (содержат много пыли и глины).

В зависимости от модуля крупности М_кр пески бывают_: повышенной крупности с модулем 3-3,5, крупные 2,5-3, средние 2-2,5, мелкие 1,5-2, очень мелкие 1-1,5.

Мелкие и очень мелкие пески в бетонах не применяются, т.к. они содержат много пыли и глины, которая требует большего расхода вяжущего вещества. Содержание пыли и глины ограниченно ГОСТом, их содержание в песке не должно превышать 2-5% (2-3%) (определяется методом отмучивания).

Гравий

Гравий состоит из более или менее окатанных зерен размером 3-70 мм. В нем могут содержаться зерна высокой прочности, например гранитные, и слабые зерна пористых известняков. Гравий обычно содержит примеси пыли, глины, иногда и органических веществ, а также песка. При большом содержании песка такой материал называют песчано-гравийной смесью, или гравилистым песком.

В зависимости от происхождения различают гравий овражный (горный), речной и морской. Овражный (горный) гравий обычно загрязнен примесями, речной и морской - более чистые. Зерна морского и речного гравия вследствие истирания водой обычно имеют округлую форму, иногда со слишком гладкой поверхностью, не дающей прочного сцепления с цементным раствором, что понижает прочность бетона. Зерна овражного (горного) гравия более остроугольные.

При изготовлении бетона большое значение имеет максимально допускаемая крупность гравия, определяемая размером отверстия сита, на котором полный остаток не превышает 5 % общей навески. Прочность зерен гравия должна обеспечивать получение прочности бетона выше заданной на 20-50 %. В гравии допускается не более 1 % (по массе) глинистых, илистых и пылевидных примесей, количество которых определяют отмучиванием.

Щебень

Основное требование - прочность. Получают путем дробления горных пород или дробления крупного камня. Прочность щебня из горных пород определяется его пределом прочности при сжатии. Показатель прочности щебня получаемого из гравия служит показателем дробимости (Др). Др8, Др12, Др16, Др24 - марки по дробимости, цифры обозначают процентное содержание раздробленных зерен.

Для щебня ограниченно содержание пыли и глины т.е. оно не должно привышать 1-2%.

Требования к воде затворения.

Для приготовления бетона используется вода с рН= 4-12,5. Вода не должна содержать органических примесей, жиров, масел, нефтепродуктов, взвешенных частиц пыли, глины и песка. Органические примеси содержащие фенолы и сахара снижают гидратацию цемента.

27. Бетонная смесь и ее свойства

В практике производства бетонных работ для оценки свойств бетонной смеси используют технические характеристики. Самая важная характеристика - удобоукладываемость, т. е. способность бетонной смеси после уплотнения заполнять форму, образуя плотную, однородную массу. Для оценки удобоукладываемости используют три показателя: подвижность, жесткость и связность смеси.

Подвижность бетонной смеси определяют по осадке стандартного конуса.

Рис. 1. Определение удобоукладываемости бетонной смеси по осадке конуса:

1 - опоры; 2 - ручки; 3 - конус; ОК - осадка конуса

Усеченный конус изготовляют из тонкой листовой стали следующих размеров: высота 300 мм, диаметр нижнего основания 200, верхнего - 100 мм. Конус устанавливают на горизонтальной площадке, не впитывающей влагу. Берут пробу бетонной смеси. Конус наполняют в три приема, каждый раз уплотняя смесь 25 ударами металлического стержня-штыковки. Поверхность смеси заглаживают, затем конус снимают и устанавливают рядом. Под действием силы тяжести бетонная смесь деформируется и оседает. Разность высот металлической формы конуса и осевшей бетонной смеси, выраженная в сантиметрах, характеризует подвижность смеси и называется осадкой конуса (ОК). С помощью этого показателя оценивают подвижность пластичных бетонных смесей.

Жесткость - время вибрирования, необходимого для уплотнения бетонной смеси. Жесткость смесей, у которых значение ОК = 0, характеризуют показателем жесткости, определяемым на приборе вискозиметре(рис. 2), который представляет собой металлический цилиндр 2 диаметром 240 мм и высотой 200 мм. Цилиндр устанавливают на лабораторную виброплощадку со стандартными характеристиками частоты (50 Гц) и амплитуды колебаний (0,5 мм в ненагруженном состоянии). Затем в цилиндр вставляют конус 3 и заполняют его бетонной смесью так же, как и при определении подвижности. После этого конус снимают и, поворачивая штатив, опускают стальной диск 4 на бетонную смесь. Общая масса диска с шайбой и штангой составляет около 2750 г, что создает при уплотнении пригруз 0,9 кПа. Включив виброплощадку, смесь подвергают вибрации до тех пор, пока цементное тесто не начнет выделяться из всех отверстий диска. В этот момент вибратор выключают. Время, необходимое для уплотнения смеси в приборе, называют показателем жесткости бетонной смеси (Ж) и выражают в секундах.

Рис. 2. Схема определения жесткости бетонной смеси:

а - прибор в исходном состоянии; б-после окончания вибрирования;

1 - виброплощадка; 2-цилиндр; 3 - конус с бетонной смесью; 4- диск с отверстиями; 5 - втулка; 6 - штанга; 7 - штатив

В зависимости от удобоукладываемости различают жесткие и подвижные бетонные смеси.

Связность - это способность бетонной смеси сохранять однородную структуру, т. е. не расслаиваться в процессе транспортирования, укладки и уплотнения. В результате уплотнения смеси частицы сближаются, а часть воды как наиболее легкого компонента отжимается вверх, образуя капиллярные ходы и полости под зернами крупного заполнителя.

На удобоукладываемость бетонных смесей оказывает влияние содержание цементного теста, воды, вид цемента, крупность и форма зерен заполнителей, соотношение между крупным заполнителем и песком, чистота заполнителей, поверхностно-активные добавки.

28. Свойства бетонов. Отличие марки бетона от его класса

Прочность является основной характеристикой бетона. В основном конструкционная прочность определяется на сжатие и на изгиб. Прочность характерезуется пределом прочности при сжатии стандартных образцов кубов 15*15*15см (можно использовать образцы 10*10*10 или 20*20*20, но тогда необходимо при расчете на прочность вводить переходные коэффициенты. Для 10ок k= 0,91, для 20ок k= 1,05).

R_сж = kF/S,

где F - предел прочности при сжатии; S - площадь поверхности.

Для определения прочности на растяжение или изгиб используются стандартные балочки 15*15*60см.

R_раст = kFl² /a³ ,

где F - предел прочности при изгибе, l - пролет балки, а - сторона квадратного сечения.

Для испытания на растяжение используют образцы восьмерки и марки бетона М 100; М 200;….. М600, - цифры обозначают предел прочности при сжатии стандартных образцов в возрасте 28 суток.

Класс бетона - это числовая характеристика какого-либо его свойства, принимаемая с гарантированной обеспеченностью 0,95. Это значит, что установленное классом свойство обеспечивается не менее чем в 95 случаях из 100 и лишь в 5-ти случаях можно ожидать его не выполненным.

Бетоны подразделяются на классы: В1; В1,5; В2; В2,5; В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В40; В45; В50; В55; В60. Соотношение между классом и марками бетона по прочности при нормативном коэффициенте вариации v = 13,5%

29. Основные принципы подбора состава тяжелого бетона

Исходные материалы для приготовления тяжелых бетонов: цемент, вода, плотные, крупные и мелкие заполнители. Иногда для придания особых свойств бетону при его приготовлении вводят в небольшом количестве различные добавки.

В качестве вяжущих веществ в тяжелых бетонах используют портландцемент, пуццолановый портландцемент, шлакопортландцемент, глиноземистый цемент, гипсоглиноземистый (расширяющийся) цемент. Все они в той или иной мере способствуют максимальному химическому и адсорбционному удержанию воды в цементном камне и бетоне.

Заполнителями в особо тяжелых бетонах служат весьма тяжелые (с высокой плотностью) магнетит, гематит, барит, металлический скрап, обрезки железа и т. п. Песчаные фракции обычно составляют дробленый бурый железняк, кварцитовые «хвосты», «чугунная дробь и др.

К крупному заполнителю предъявляются требования по прочности, максимальной крупности, зерновому составу, чистоте, форме зерна; к мелкому - требования по зерновому составу и чистоте.

Прочность крупного заполнителя определяется испытанием на сжатие образцов правильной (кубической или цилиндрической) формы, выпиленной из породы, образующей крупный заполнитель. Прочность исходной породы при сжатии в насыщенном водой состоянии должна не менее чем в 1,5 ... 2 раза превышать класс бетона.

30. Виды бетонов

Бетоны классифицируют:

- по средней плотности

- по виду вяжущего вещества

- по назначению

Многие свойства бетона зависят от его плотности, на величину которой влияют плотность цементного камня, вид заполнителя и структура бетонов.

По плотности бетоны делят на:

- особо тяжелые с плотностью (более 2500 кг/куб. м).;

- тяжёлые (1800-2500кг/куб. м);

- облегченные (1800...2000 кг/ куб.м)

- лёгкие (500-1800 кг/куб. м);

- особо лёгкие (менее 500 кг/куб. м)

Особо тяжелые бетоны приготовляют на тяжелых заполнителях- стальных опилках или стружках (сталебетон), железной руде (лимонитовый и магнетитовый бетоны) или барите (баритовый бетон).

Тяжёлые бетоны с плотностью 2100-2500 кг/ куб. м. получают на плотных заполнителях из горных пород (гранит, известняк, диабаз).

Облегченный бетон с плотностью 1800...2000 кг/ куб.м. получают на щебне из горных пород с плотностью 1600-1900 кг/куб. м.

Легкие бетоны изготовляют на пористых заполнителях (керамзит, аглопорит, вспученный шлак, пемза,туф).

К особо легким бетонам относятся ячеистые бетоны (газобетон, пенобетон), которые получают вспучиванием вяжущего, тонкомолотой добавки и воды с помощью специальных способов, и крупнопористый бетон на легких заполнителях.

Главной составляющей бетона, во многом определяющей его свойства, является вяжущее вещество, по виду которого различают бетоны:

- цементные

- силикатные

- гипсовые

- шлакощелочные

- полимерцементные

- специальные

Цементные бетоны приготовляют на различных цементах и наиболее широко применяют в строительстве. Среди них основное место занимают бетоны на цементе (портландцемент) и его разновидностях (около 65% от общего объема производства), успешно используют бетоны на шлакопортландцементе (20-25%) и пуццолановом цементе.

К разновидностям цементных бетонов относятся:

- декоративные бетоны, (на белом и цветных цементах),

- бетоны для самонапряженных конструкций (на напрягающем цементе),

- бетоны для специальных целей (на глиноземистом и безусадочном цементах).

Силикатные бетоны готовят на основе извести. Для производства изделий в этом случае применяют автоклавный способ твердения.

Гипсовые бетоны готовят на основе гипса. Гипсовые бетоны применяют для внутренних перегородок, подвесных потолков и элементов отделки зданий. Разновидностью этих бетонов являются гипсоцементные- пуццолановые бетоны, обладающие повышенной водостойкостью.

Шлакощелочные бетоны делают на молотых шлаках, затворенных щелочными растворами.

Полимербетоны изготовляют на различных видах полимерного связующего, основу которого составляют смолы (полиэфирные, эпоксидные, карбамидные) или мономеры (фурфуролацетоновый), отверждаемые в бетоне с помощью специальных добавок. Эти бетоны более пригодны для службы в агрессивных средах и особых условиях воздействия (истирание, кавитация).

Полимерцементные бетоны получают на смешанном связующем, состоящем из цемента и полимерного вещества (водорастворимые смолы и латексы).

Специальные бетоны готовят с применением особых вяжущих веществ. Для кислотоупорных и жаростойких бетонов применяют жидкое стекло с кремнефтористым натрием, фосфатное связующее. В качестве специальных вяжущих используют шлаковые, нефелиновые и стеклощелочные, полученные из отходов промышленности.

В зависимости от области применения различают:

обычный бетон для железобетонных конструкций (фундаментов, колон, балок перекрытий и мостовых конструкций);

гидротехнический бетон для плотин, шлюзов, облицовки каналов, водопроводно-канализационных сооружений;

бетон для ограждающих конструкций (легкий);

бетон для полов, тротуаров, дорожных и аэродромных покрытий;

бетоны специального назначения (жароупорный, кислотостойкий, для радиационной защиты).

Общие требования ко всем бетонам и бетонным смесям следующие: до затвердевания бетонные смеси должны легко перемешиваться, транспортироваться, укладываться (обладать подвижностью и удобоукладываемостью), не расслаиваться; бетоны должны иметь определенную скорость твердения в соответствии с заданными сроками распалубки и ввода конструкции в эксплуатацию; расход цемента и стоимость бетона должны быть минимальными.

31. Железобетон. Понятие и свойства

Железобетон представляет собой строительный материал, в котором выгодно сочетается совместная работа бетона и арматурной стали.

Наиболее выгодно применять железобетон для строительных конструкций, работающих на изгиб (см. схему ниже):

При работе таких элементов возникают два противоположных напряжения - растягивающее, воспринимаемое сталью, и сжимающее, воспринимаемое бетоном, и железобетонная конструкция в целом успешно противостоит изгибающим нагрузкам.

Взаимодействие столь различных материалов весьма эффективно: бетон при твердении прочно сцепляется со стальной арматурой и надежно защищает ее от коррозии, так как в процессе гидратации цемента образуется щелочная среда; монолитность бетона и арматуры обеспечивается также относительной близостью величин их коэффициентов линейного расширения (для бетона от 7,5 · 10-6 до 12 · 10-6, для стальной арматуры 12 · 10-6).

Арматура - это стальные стержни, проволока, пряди, канаты или прокатные профили, закладываемые в бетон для получения железобетонных конструкций необходимой прочности, жесткости, трещиностойкости.

По своему назначению в бетоне арматура подразделяется на рабочую и монтажную. Рабочая воспринимает нагрузки, монтажная необходима для обеспечения правильного расположения рабочей арматуры. Для улучшения свойств арматуры ее иногда подвергают упрочнению. Упрочнение может достигаться вытяжкой, протяжкой, обжатием, посредством нагревания и охлаждения (термически упрочненная арматура).

32. Строительные растворы. Классификация и свойства

Строительные растворы классифицируют по плотности, виду вяжущего, составу и назначению.

По средней плотности различают растворы тяжелые, плотностью более 1500 кг/м3, и легкие, плотностью менее 1500 кг/м3.

По виду вяжущего растворы бывают известковые, глиняные, гипсовые, цементные, известково-цементные, известково-гипсовые, цементно-глиняные и др.

В зависимости от свойств вяжущего растворы подразделяют на воздушные, твердеющие в воздушно-сухих условиях (например, известковые, гипсовые, глиняные), и гидравлические, начинающие твердеть на воздухе и продолжающие твердеть в воде или во влажных условиях.

По составу растворы делят на простые и сложные (смешанные).

Растворы, приготовленные на одном вяжущем, заполнителе и воде, называют простыми. Составы простых растворов обозначают двумя числами, например, известковый раствор 1:4 означает, что в растворе на одну часть извести приходится четыре части заполнителя (песка).

Растворы, приготовленные на нескольких вяжущих, заполнителе и воде, называют сложными, или смешанными. Составы сложных растворов обозначают тремя числами. Например, состав известково-цементного раствора 1:1:9 означает, что на одну часть извести в растворе приходится одна часть цемента и девять частей заполнителя.

По назначению строительные растворы различают:

кладочные - для каменной кладки фундаментов, стен, столбов, сводов и пр.;

штукатурные - для оштукатуривания стен, потолков, фасадов зданий, для декоративных и специальных штукатурок, крепления облицовочных материалов, для устройства мозаичных полов;

монтажные - для заполнения и заделки швов между крупными элементами при монтаже зданий и сооружений из готовых сборных конструкций и деталей.

33. Сухие строительные смеси

Сухая строительная смесь представляет собой тщательно приготовленную в заводских условиях смесь, состоящую из минерального и (или) полимерного вяжущего, заполнителя, наполнителя и полимерных модифицирующих добавок. Для придания специальных свойств в их состав могут входить добавки: ускорители твердения, порообразователи, противоморозные, окрашивающие, гидрофобизирующие и др.

Сухие строительные смеси классифицируются по ряду признаков: виду вяжущего, дисперсности наполнителя и основному назначению.

По виду вяжущего смеси подразделяются на:

- цементосодержащие;

- бесцементные.

По дисперсности наполнителя на:

- крупнозернистые - с наибольшей крупностью зерен наполнителей не более 2,5 мм;

- тонкодисперсные - с крупностью зерен наполнителя не более 0,315 мм.

По назначению сухие смеси различаются следующим образом