Строительные материалы

Алюминиевые сплавы получают добавлением к алюминию меди, марганца, магния, кремния, Эти сплавы обладают повышенной по сравнению с алюминием прочностью, пластичностью и коррозионной стойкостью. Среди алюминиевых сплавов чаще всего употребляют алюминиево-марганцевые, алюминиево-магниевые, дюралюминиевые [сплав алюминия с медью (до 5,5%), магнием (до 0,8%), кремнием (0,8%) и марганцем (до 0,8%)] и альвиль, который имеет те же компоненты, что и дюралюминиевые сплавы, но в несколько иных соотношениях.

Из алюминиевых сплавов изготовляют различные виды проката: уголки, швеллеры, двутавры, плоские и волнистые листы, трубы и т. д. В настоящее время область применения алюминиевых сплавов значительно расширена. Сплавы рекомендуется использовать при возведении конструкций большепролетных сооружений, конструкций химических предприятий с агрессивными средами, в сборно-разборных легких конструкциях, для витрин и оконных переплетов, а также для ограждающих конструкций, например, трехслойных навесных панелей с обшивками из алюминиевых сплавов и средним слоем из теплоизоляционного материала, кровельных панелей, подвесных потолков, ограждений балконов и т. д.

Элементы конструкций из алюминиевых сплавов соединяют заклепками, болтами, а также при помощи сварки или склеивания.

Медь и ее сплавы. Медь - мягкий, пластичный металл красноватого цвета, имеющий плотность 8,9 г/см³, температуру плавления 1083°C и предел прочности при растяжении 200 МПа. Медь обладает высокой тепло- и электропроводностью. В чистом виде ее практически не применяют, однако в различных сплавах она является основным компонентом.

Сплав меди с цинком (до 40 %) называют латунью. Этот сплав обладает высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью, хорошо поддается горячей и холодной обработке. Латунь используют в виде листов, прутьев, проволоки, труб, а также изделий для архитектурной отделки интерьеров зданий.

Сплав меди с оловом, алюминием, марганцем или никелем называют бронзой. Она обладает высокими механическими, антифрикционными, литейными, декоративными свойствами, а также коррозионной стойкостью. Бронзу употребляют в виде разнообразных изделий для внутреннего оборудования зданий (санитарно-техническая арматура, фурнитура и др.).

Цинк - металл синевато-белого цвета. Он обладает высокой коррозионной стойкостью, поэтому служит для оцинковки стальных изделий (кровельной стали, закладных деталей, болтов и др.).

Свинец - тяжелый металл серовато-синего цвета. Он хорошо льется и прокатывается, устойчив к воздействию серной и соляной кислот, обладает высокими защитными свойствами от воздействия рентгеновских лучей. В строительстве из свинца изготовляют специальные трубы, коррозионностойкие покрытия, особые виды гидроизоляции (свинцом чеканят швы между тюбингами в стволах) и т. д.

В последние годы некоторые цветные металлы и их сплавы с успехом заменяют пластмассами, стеклом, химически обработанной древесиной и другими дешевыми и менее дефицитными материалами.

Защита металлов от коррозии и огня

Коррозией называют разрушение металла под воздействием окружающей среды. В результате коррозии безвозвратно теряется около 10 - 12% ежегодного производства черных металлов.

Виды коррозии. В зависимости от механизма процесса разрушения металла коррозия может быть химической и электрохимической.

Химическая коррозия возникает при действии на металл сухих газов или жидкостей органического происхождения, которые не являются электролитами. Примером химической коррозии служит окисление металла при высоких температурах, в результате чего на его поверхности возникает продукт окисления - окалина. Данный вид коррозии встречается редко.

Электрохимическая коррозия образуется в результате воздействия на металл электролитов (растворов кислот, щелочей и солей). Ионы металла переходят в раствор, при этом металл постепенно разрушается. Этот вид коррозии может также возникать при контакте двух разнородных металлов в присутствии электролита, когда между этими металлами проходит гальванический ток. В гальванической паре любых двух металлов будет разрушаться тот металл, который стоит ниже в ряду электрохимических напряжений. Например, железо в ряду напряжений расположено выше цинка, но ниже меди, следовательно, при контакте железа с цинком будет разрушаться цинк, а при контакте железа с медью - железо. В металлах из-за наличия неоднородных структурных составляющих может возникнуть микрокоррозия. Распространяясь по границам зерен металла, она вызывает межкристаллическую коррозию.

В зависимости от характера окружающей среды электрохимическая коррозия может быть атмосферной подводной и почвенной, а также вызванной блуждающими токами. Стальные конструкции часто подвергаются атмосферной коррозии. Находящиеся в атмосфере углекислый и сернистый газы образуют с влагой воздуха электролит, воздействующий на сталь. При этом степень разрушения стали зависит от вида и концентрации электролита. Подводная коррозия возможна в металле, погруженном в воду. Почвенная коррозия протекает при взаимодействии металла конструкций с почвой. Довольно распространена коррозия металла труб, металлического каркаса подземных сооружений от воздействия блуждающих токов, возникающих при близком расположении подземных кабелей, и рельсов трамвайных или железнодорожных путей.

Защита металла от коррозии. Существуют различные методы защиты металлов от коррозии, среди которых защита основного металла лакокрасочными, неметаллическими и металлическими пленками, а также введение в состав металла легирующих элементов.

Лакокрасочное покрытие - наиболее распространенный вид антикоррозионной защиты металла. В качестве пленкообразующих материалов используют нитроэмали, нефтяные, каменноугольные и синтетические лаки, краски на основе растительных масел и др. Образующаяся при покрытии на поверхностях конструкций плотная пленка изолирует металл от воздействия окружающей его влажной среды.

Неметаллические покрытия довольно разнообразны. К ним относят эмалирование, покрытие стеклом, цементно-казеиновым составом, листовым пластиком и плитками, напыление пластмасс и др. Эти покрытия довольно стойки к внешним агрессивным средам и надежно защищают металл от коррозии.

Металлические покрытия наносят на металлы гальваническим, химическим, горячим, металлизацией и другими способами. При гальваническом способе защиты на поверхности металла путем электролитического осаждения из раствора солей металлов создается тонкий защитный слой какого-либо металла. Покрываемое изделие при этом служит катодом, а осаждаемый металл - анодом. В качестве примера можно привести оцинковку закладных деталей для железобетонных конструкций. Химическая обработка металлических изделий обеспечивает создание на поверхности металла защитной пленки. При горячем способе покрытия изделия погружают в ванну с расплавленным защитным металлом (цинк, олово, свинец) .

Металлизация - распространенный способ защиты металлов. Он состоит в нанесении сжатым воздухом тончайшего слоя распыленного расплавленного металла на поверхность защищаемого от коррозии металлического изделия. Для этой цели применяют аппараты - металлизаторы.

При защите легированием в металл вводят легирующие элементы, повышающие сопротивление сплава коррозии. Например, введение меди значительно повышает коррозионную стойкость стали. Большой стойкостью к коррозии отличаются высоколегированные нержавеющие стали.

Защита от огня. Для защиты металлоконструкций наиболее перспективны так называемые вспучивающиеся покрытия или краски на основе полимерных связующих, которые при воздействии огня образуют закоксовавшийся вспененный расплав, препятствующий нагреву металла.

Для повышения предела огнестойкости (600°C) металлических, в том числе алюминиевых конструкций применяют также асбестоцементные, асбестоперлитовые, асбестовермикулитовые покрытия, наносимые пневмонапылением. Новый вид огнезащиты - фосфатное покрытие толщиной 20 - 30 мм, представляющее собой стойкую при 1000°С монолитную легкую массу. Традиционные способы увеличения предела огнестойкости - использование облицовок и штукатурок из несгораемых огнезащитных материалов (кирпича, пустотелой керамики, гипсовых плит, растворов и др.).

МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Основные сведения о минеральных вяжущих и их классификация

Минеральными вяжущими веществами называют искусственно получаемые порошкообразные тонкодисперсные материалы, которые при затворении водой (водными растворами) образуют пластичное тесто, способное в результате физико-химических процессов затвердевать, т. е. переходить в камневидное состояние. Это свойство минеральных вяжущих веществ позволяет широко использовать их для приготовления строительных растворов и бетонов, а также для производства различных безобжиговых искусственных каменных материалов, изделий и деталей, клеящих и красочных составов. Это самая большая по номенклатуре, наиболее распространенная и значимая по применению группа строительных материалов.

Минеральные вяжущие вещества разделяют на воздушные и гидравлические. Воздушные вяжущие - вещества, которые способны твердеть, длительное время сохранять и повышать свою прочность только на воздухе. K воздушным вяжущим относятся воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие, жидкое стекло и др.

Гидравлическими вяжущими называют вещества, которые способны твердеть, длительное время сохранять и повышать свою прочность не только на воздухе, но и в воде. K гидравлическим вяжущим относятся гидравлическая известь, романцемент, портландцемент и его разновидности, глиноземистый цемент, водонепроницаемые расширяющиеся и безусадочные цементы и др.

Строительная воздушная известь

Строительная воздушная известь представляет собой вяжущее вещество, получаемое умеренным обжигом (не до спекания) известняков, содержащих не более 6 % глинистых примесей. В результате обжига образуется продукт в виде кусков белого цвета, называемый негашеной комовой известью ( кипелкой). В зависимости от характера последующей обработки различают следующие виды воздушной извести: негашеная молотая, гашеная гидратная (пушонка), известковое тесто, известковое молоко.

Производство воздушной извести. В качестве сырья для производства воздушной извести используют известняки, мел, доломитизированные известняки и др., состоящие в основном из углекислого кальция CaCO₃, а также небольшого количества примесей - доломита, гипса, кварца и глины.

Технологический процесс производства воздушной извести состоит из добычи в карьере карбонатной породы (известняка или мела), дробления и сортировки ее и последующего обжига в шахтных или вращающихся печах, где за счет горения топлива температура повышается до 1000 - 1200^оC и происходит разложение (диссоциация) известняка: СаСО₃ = СаО+СО₂. Присутствующий в известняках углекислый магний МgСО₃ в процессе обжига также разлагается: MgCO₃ = МgO+CO₂.

При дальнейшем опускании в зону охлаждения обожженная известь охлаждается воздухом, а затем выгружается в нижней печи специальным механизмом.

Применяя вращающиеся печи, можно получать известь из любых карбонатных пород, в том числе мелкой известковой щебенки и рыхлого влажного мела, которые не могут быть обожжены в шахтных печах.

Комовую известь высокого качества можно получить при равномерном обжиге известняка до полного удаления из него СО₂. Оставшиеся после обжига оксиды кальция и магния (CaO+MgO) являются активными составляющими извести; их количество определяет качество полученного материала как вяжущего вещества. Кроме того, в комовой извести обычно содержится некоторое количество недожога и пережога. Недожог - неразложившийся углекислый кальций получается при загрузке в печь слишком больших кусков известняка или недостаточно высокой температуры обжига. Недожог почти не обладает вяжущими свойствами и поэтому является балластом. Пережог получается в результате сплавления оксида кальция с примесями - кремнеземом, глиноземом и оксидом железа - под действием слишком высокой температуры. Зерна пережога гасятся очень медленно. Наличие в извести пережога опасно, так как непогасившиеся частицы могут начать гаситься в затвердевшем известковом растворе и вызвать трещины в штукатурке, силикатных изделиях и т. д.

Негашеная комовая известь состоит из пористых кусков плотностью 900 - 1100 кг/м³ и является полупродуктом, который затем измельчают или гасят для превращения в товарную продукцию.

При помоле в шаровых мельницах предварительно дробленых кусков комовой извести-кипелки получат негашеную молотую известь, которая в отличие от гашеной извести обладает способностью быстро схватываться и твердеть. В процессе помола комовой извести-кипелки можно вводить различные добавки: шлаки, золы, песок, пемзу, известняк, которые улучшают ее свойства и снижают стоимость. Таким способом, например, получают карбонатную известь, состоящую из 30 - 40% негашеной извести и 70 - 60% необожженного известняка. Эту известь используют для приготовления саморазогревающихся строительных растворов, применяемых в зимних условиях.

Гашение извести. При обработке негашеной комовой извести водой оксид кальция превращается в гидрат по следующей формуле: CaO+H₂O = Ca(ОН)₂. Этот процесс носит название "гашение извести" и сопровождается выделением большого количества теплоты и интенсивным парообразованием (именно в связи с этим негашеную комовую известь обычно называют кипелкой).

В зависимости от количества воды, взятой при гашении, получают гидратную известь (пушонку), известковое тесто или известковое молоко.

Гидратную известь (пушонку) получают в том случае, когда для гашения извести-кипелки берут 6О - 70 % воды. При этом 32% воды участвует в химической реакции, а остальная вода испаряется в процессе гашения. В результате гашения объем полученной извести увеличивается в 2 - 3 раза по сравнению с исходным. Получившаяся гидратная известь представляет собой белый порошок, состоящий из мельчайщих частиц гидроксида кальция.

Известковое тесто представляет собой пластическую массу белого цвета плотностью до 1400 кг/м3. При гашении извести - кипелки в известковое тесто расход воды увеличивают до 2 - 3 частей по массе на 1 часть извести. Используя большее количество воды получают известковое молоко. Объем получившегося известкового теста в 2 - 3,5 раза превышает объем исходной извести- кипелки.

В зависимости от скорости гашения комовую известь разделяют на быстрогасящуюся со сроком гашения до 20 мин и медленногасящуюся - свыше 20 мин. Чем выше активность извести, тем быстрее происходит ее гашение и тем больше выход известкового теста.

Твердение извести. Известь, как правило, применяют в строительстве в виде раствора, т. е. в смеси с песком. Известковый раствор на воздухе постепенно затвердевает, превращаясь в искусственный камень. При твердении известкового раствора, приготовленного на гашеной извести, одновременно протекает несколько процессов. В результате испарения из известкового раствора избытка влаги мельчайшие частицы Са(ОН)₂ сближаются между собой, кристаллизуются, а затем образуют прочные кристаллические сростки, которые связывают зерна песка в монолитное тело. Наряду с этим вследствие взаимодействия гидроксида кальция с углекислым газом воздуха происходит процесс карбонизации с выделением воды:

Са(ОН)₂ + CO₂+ nH₂O = CaCO₃ + (n+1)Н₂О.

В результате этой реакции образуется углекислый кальций, обладающий высокой прочностью. Однако процесс карбонизации происходит очень медленно, так как на поверхности слоя известкового раствора образуется плотная корка из углекислого кальция, затрудняющая проникание углекислого газа внутрь. Этим объясняется исключительно медленное нарастание прочности известковых растворов.

Области применения, транспортирование и хранение. Воздушную известь используют для приготовления известково-песчаных и смешанных строительных растворов, применяемых для каменной кладки и штукатурки, в производстве силикатных изделий, а также в качестве связующего вещества для малярных красочных составов. Кроме того, воздушную известь молотую и пушонку употребляют при производстве известково-пуццолановых и известково-шлаковых цементов, которые обладают гидравлическими свойствами.

Растворы и изделия, изготовленные на воздушной извести, не следует применять во влажных помещениях и кладке фундаментов, так как они неводостойки. Штукатурные растворы на молотой негашеной извести рекомендуется использовать как при положительной, так и при отрицательной температуре наружного воздуха. В данном случае благодаря тому, что во время приготовления и нанесения раствора выделяется большое количество теплоты, излишки влаги испаряются, а сам раствор быстро набирает прочность.

Негашеную комовую известь перевозят навалом в железнодорожных вагонах или автосамосвалах, закрывая кузова брезентом для защиты извести от увлажнения. Тарой для перевозки извести пушонки и молотой извести служат плотно закрывающиеся металлические контейнеры и бумажные битуминизированные мешки. Известковое тесто перевозят в автосамосвалах со специально приспособленными кузовами, а известковое молоко - в автоцистернах.

Из извести-кипелки, поступающей на строительную площадку, следует приготовлять известковое тесто, которое при малых объемах работ длительное время может находиться в творильных ямах. Известь пушонку можно хранить непродолжительное время в мешках в сухих складских помещениях. Молотую известь не следует хранить более месяца, так как она постепенно гасится влагой воздуха и теряет активность.

При транспортировании, хранении и применении воздушной извести необходимо соблюдать меры предосторожности, так как известковая пыль раздражающе действует на органы дыхания и влажную кожу.

Гипсовые вяжущие вещества

Гипсовыми вяжущими веществами называют материалы, состоящие из полуводного гипса или ангидрита и получаемые путем тепловой обработки тонко измельченного исходного сырья.

Сырьем для производства гипсовых вяжущих веществ служат: природный двуводный гипс CaSO₄ Н₂О, называемый, гипсовым камнем, природный ангидрит CаSO₄ и некоторые отходы промышленности, содержащие двуводный или безводный сернокислый кальций (фосфогипс, борогипс и др.).

Гипсовые вяжущие вещества в зависимости oт температуры обработки сырья разделяют на две группы: низкообжиговые и высокообжиговые. Низкообжиговые гипсовые вяжущие получают тепловой обработкой двуводного гипса при 110 - 180^оС. Они состоят главным образом из тонкоизмельченного полуводного гипса CaSO₄0,5Н₂О и характеризуются быстрым твердением. Высокообжиговые гипсовые вяжущие обжигают при 600 - 1000^оС. В них преимущественно входит безводный гипс - ангидрит CaSО₄, они отличаются медленным твердением. К низкообжиговым гипсовым вяжущим веществам относят: формовочный, строительный и высокопрочный гипс, а также гипсовые вяжущие из материалов содержащих гипс. К высокообжиговым вяжущим веществам относят: ангидритовое вяжущее (ангидритовый цемент) и высокообжиговый гипс (экстрих-гипс),

Производство строительного гипса. При обжиге кускового гипсового камня в сушильном барабане (вращающейся печи) происходит непосредственное соприкосновение раскаленных дымовых газов с медленно движущимся дробленым гипсовым камнем. После обжига гипс измельчают в шаровой мельнице.

Совместный обжиг гипсового камня и его помол производят в шаровых мельницах. В них гипсовый камень измельчается, мелкие частицы его подхватываются потоком поступающих в мельницу горячих дымовых газов. Находясь во взвешенном состоянии, частицы гипсового камня обезвоживаются до превращения в полуводный гипс и выносятся дымовыми газами из мельницы в пылеосадочные устройства.

Твердение строительного гипса. При затворении полуводного гипса водой образуется пластичное тесто, которое быстро загустевает и переходит в камневидное состояние. Процесс твердения полуводного гипса происходит в результате гидратации полуводного гипса, т.е. присоединения к нему воды и перехода его в двуводный гипс: CaSO₄ 0,5H₂O + 1,5Н₂О = CaSO₄ 2H₂O.

Дальнейшее высыхание твердеющей массы приводит к значительному повышению прочности гипса. Для ускорения твердения применяют искусственную сушку гипсовых изделий при температуре не выше 60-65^оС. При более высокой температуре может начаться процесс разложения двуводного гипса, сопровождаемый резким снижением прочности. При твердении гипс увеличивается в объеме до 1%, хорошо заполняя формы при отливке гипсовых изделий.

Свойства строительного гипса. Строительный гипс представляет собой порошок белого цвета. Плотность его в рыхлом состоянии колеблется в пределах 800 - 1100 кг/м³, а в уплотненном - 1250- 1450 кг/м³, истинная плотность - 2,6 - 2,75 г/cм³. Он является быстросхватывающимся и быстротвердеющим вяжущим веществом, к основным свойствам которого относят водопотребность, сроки схватывания, тонкость помола и предел прочности при сжатии и изгибе.

Нормальная густота гипсового теста характеризуется количеством воды (в %), при котором получается тесто заданной подвижности. Строительный гипс обладает большой водопотребностью. Для получения теста нормальной густоты необходимо 50 -70% воды по массе гипса.

Сроки схватывания гипсового теста (т.е. такой густоты теста, при которой механическое перемешивание его затруднено или невозможно) определяются на приборе Вика по глубине погружения иглы в гипсовое тесто. По срокам схватывания гипсовое тесто делят на три группы: А - быстросхватывающееся (начало схватывания 2 мин и конец схватывания 15 мин); Б - нормально схватывающееся (соответственно 6 мин и 30 мин); В - медленносхватывающееся (начало схватывания не ранее 20 мин с момента затворения гипсового теста).

Быстрое схватывание гипса затрудняет работу, поэтому в случае необходимости к гипсовому тесту добавляют замедлители схватывания (животный клей, сульфитно-дрожжевую бражку - СДБ) в количестве 0,1 - 0,3% по массе гипса. При производстве гипсобетонных изделий может возникнуть необходимость в ускорении схватывания гипса, тогда к нему добавляют в небольшом количестве двуводный гипс и поваренную соль.

Прочность гипса характеризуется пределом прочности при сжатии образцов-балочек размером 40х40х160 мм из гипсового теста нормальной густоты, испытанных через 1,5 ч после изготовления.

По пределу прочности при сжатии установлено 12 марок гипса: Г-2, Г-3, Г-4, Г-5, Г-6, Г-7, Г-10, Г-13, Г-16, Г-19, Г-22, Г-25, при этом минимальный предел прочности при изгибе для каждой марки должен соответствовать значению соответственно от 1,2 до 8 МПа.

Вследствие сравнительно высокой растворимости двуводного гипса прочность гипсовых изделий при увлажнении резко снижается (на 40 - 70 %) и обнаруживаются пластические деформации. Водостойкость гипса повышают добавлением молотого гранулированного доменного шлака. Кроме того, водостойкость гипсовых изделий увеличивают, покрывая их поверхности различными составами, образующими водонепроницаемые пленки.

Применение строительного гипса. Строительный гипс применяют для изделий и деталей, используемых в конструкциях зданий и сооружений при относительной влажности воздуха не более 60 %. Из строительного гипса изготовляют гипсовые и известково-гипсовые штукатурные растворы, декоративные, теплоизоляционные и отделочные материалы, а также различные архитектурные детали методом отливки.

Гипс не рекомендуется долго хранить, даже при хранении в сухих условиях активность его постепенно снижается.

Высокопрочным гипсом называют вяжущее, состоящее в основном из полуводного сульфата кальция, получаемое термической обработкой двуводного гипса в автоклаве под давлением пара или кипячением в водных растворах некоторых солей с последующими сушкой и измельчением в тонкий порошок. Он обладает меньшей водопотребностью (около 45 %), что позволяет получать гипсовые изделия с большой плотностью и прочностью.

Предел прочности при сжатии высокопрочного гипса не менее 25 - 30 МПа. Сроки схватывания высокопрочного гипса примерно такие же, как и у строительного.

Высокопрочный гипс применяют для изготовления архитектурных деталей и строительных изделий с повышенными требованиями по прочности.

Магнезиальные вяжущие вещества

Магнезиальные вяжущие вещества представляют собой тонкомолотые порошки, содержащие оксид магния и твердеющие при затворении водными растворами хлористого или сернокислого магния. Магнезиальные вяжущие вещества в зависимости от применяемого сырья разделяют на два вида: каустический магнезит и каустический доломит.

Каустический магнезит - порошок, состоящий в основном из оксида магния. Его получают обжигом горной породы магнезита MgCO₃ - в шахтных или вращающихся печах при 700 - 800^оС с последующим измельчением продукта обжига в тонкий порошок. При обжиге магнезит разлагается по реакции

MgCО₃ = MgO+СО₂.

Готовое вяжущее упаковывают в стальные барабаны или бумажные мешки и направляют к месту применения. Из-за высокой гигроскопичности каустический магнезит не подлежит длительному хранению.

Каустический магнезит затворяют не водой, а водными растворами хлористого или сернокислого магния. Каустический магнезит твердеет сравнительно быстро. Схватывание его должно наступать не ранее 20 мин, а конец - не позднее 6 ч с момента затворения. Марки каустического магнезита - 400, 500 и 600.

Каустический доломит - порошок, состоящий из оксида магния и углекислого кальция, получаемый обжигом природного доломита СаMg(CО₃)₂ с последующим измельчением в порошок. В связи с содержанием инертного CaCO₃ каустический доломит по качеству уступает каустическому магнезиту. Марки каустического доломита - 100, 150, 200 и 300.

Магнезиальные вяжущие вещества обладают способностью прочно сцепляться с древесными опилками, стружками и другими органическими заполнителями, которые в изделиях не подвергаются разложению и загниванию. Эти вяжущие применяют для изготовления теплоизоляционных материалов (фибролита и др.), устройства теплых и износостойких ксилолитовых полов, ступеней, плиток.

Жидкое стекло и кислотоупорный цемент

К воздушным вяжущим веществам относятся жидкое стекло и затворяемый им кислотоупорный цемент.

Жидкое стекло представляет собой натриевый Na₂nSiO₂ или калиевый силикат К₂ОnSiO₂ желтого цвета, который получают сплавлением в стекловаренных печах при температуре 1300 - 1400^оC измельченного чистого кварцевого песка с содой Na₂CO₃ или поташем К₂СО₃. Образовавшиеся после быстрого охлаждения расплава прозрачные куски и глыбы синеватого, зеленоватого и желтоватого цвета под действием пара (в автоклаве) под давлением 0,4 - 0,6 МПа растворяются, превращаясь в вязкий раствор, обычно называемый жидким стеклом. На строительства жидкое стекло (преимущественно натриевое, как более дешевое) поступает с истинной плотностью 1,32 - 1,50 г/см³. Оно твердеет только на воздухе. Процесс твердения жидкого стекла значительно ускоряется за счет введения катализатора - кремнефтористого натрия Na₂SiF₆.

Жидкое стекло применяют для получения силикатных огнезащитных красок, предохранения естественных каменных материалов от выветривания, уплотнения (силикатизации) грунтов, а также для получения кислотоупорного цемента и жаростойкого бетона.

Кислотоупорный цемент - тонко измельченная смесь кварцевого песка и кремнефтористого натрия, затворенная жидким стеклом. Схватывание и твердение кислотоупорного цемента происходит при температуре не ниже 10^оС, при этом начало схватывания должно наступать не ранее 30 мин, а конец - не позднее 6 ч с момента затворения. Кислотоупорный цемент неводостоек и сравнительно быстро разрушается от действия воды и слабых растворов кислот.

Растворы и бетоны, приготовленные на кислотоупорном цементе, обладают высокой стойкостью против действия ряда минеральных и органических кислот, но разрушаются в щелочах, а также в фосфорной, фтористоводородной и кремнефтористоводородной кислотах. Их применяют для футеровки химической аппаратуры, возведения резервуаров и других сооружений химической промышленности.

Гидравлическая известь

Гидравлическая известь - продукт умеренного обжига мергелистых известняков, содержащих 6 - 20% глинистых и тонкодисперсных песчаных примесей. Обжигают эти известняки в шахтных печах при 900 - 1100^оС. При этой температуре углекислый кальций разлагается и часть оксида кальция соединяется с оксидами кремния и алюминия, которые содержатся в глине. В результате образуются силикаты и алюминаты кальция, придающие гидравлической извести способность твердеть в воде.

Гидравлическая известь, немного смоченная водой, полностью или частично гасится и рассыпается в порошок, а залитая достаточным количеством воды образует тесто, которое начав твердеть на воздухе, продолжает твердеть в воде, при этом физико-химические процессы воздушного твердения сочетаются с гидравлическими.

Негашенная гидравлическая известь представляет собой порошок. Прочность при сжатии гидравлической извести через 28 сут от 1,7 до 10 МПа.

Гидравлическую известь применяют для приготовления кладочных и штукатурных растворов, эксплуатируемых как в сухих, так и во влажных средах, а также для бетонов низких марок. Растворы и бетоны на гидравлической извести в первые сутки твердения необходимо защищать от воздействия воды, так как они легко размываются.

Гидравлическую известь следует хранить в сухих закрытых помещениях, а при перевозке предохранять от увлажнения.

Портландцемент

Портландцемент и его разновидности являются основными вяжущими веществами в современном строительстве. В Украине его производство составляет свыше 65% выпуска всех цементов.

Портландцементом называют гидравлическое вяжуее вещество, получаемое тонким помолом портландцементного клинкера с гипсом, а иногда и со специальными добавками.

Портландцементный клинкер - продукт обжига до спекания тонкодисперсной однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины и некоторых других материалов (мергеля, доменного шлака и пр.). При обжиге обеспечивается преимущественное содержание в клинкере высокоосновных силикатов кальция.

Для регулирования сроков схватывания портландцемента в клинкер при помоле вводят двуводный гипс в количестве 1,5 - 3,5% (по массе цемента в пересчете на SO₃).

По составу различают портландцемент без добавок, портландцемент с минеральными добавками, шлакопортландцемент и др.

Исходным сырьем для производства портландцемента служат горные породы - мергели, известняковые (известняки, мел, ракушечник, известковый туф и др.) и глинистые горные породы. С известняком в состав цемента. вносится основной оксид CaO; с глиной - оксиды кремния, алюминия, железа; с мергелем - все необходимые оксиды.

В природе редко встречаются горные породы, химический состав которых обеспечивал бы получение после обжига портландцементного клинкера необходимого качества, поэтому сырьевую смесь составляют из двух или нескольких компонентов. Соотношение компонентов сырьевой смеси выбирают с таким расчетом, чтобы полученный при обжиге портландцементный клинкер имел следующий химический состав; 63 - 68% СаО; 4 - 8 % Al₂О₃; 19 - 24 %SiO₂, 2 - 6% Fe₂О₃. Обычно сырьевая смесь состоит из 75 - 78% известняка и 25 - 22% глины.

Производство портландцемента состоит из следующих основных процессов: добычи сырья и подготовки сырьевой смеси, обжига смеси до спекания с получением клинкера, помола клинкера в тонкий порошок совместно с добавками.

В зависимости от свойства сырья и типа обжигательных печей сырье к производству готовят мокрым или сухим способом. При мокром способе компоненты измельчают и смешивают в присутствии воды, и смесь в виде жидкой массы (шлама) обжигают; при сухом способе сырьевые компоненты измельчают, смешивают и обжигают в сухом виде.

Производство портландцемента мокрым способом. Мягкие горные породы (глину и мел), применяемые в качестве сырьевых компонентов, предварительно дробят в валковых дробилках и измельчают в специальных бассейнах-болтушках в присутствии 36 - 42 % воды по массе. Суспензии глины и мела в заданных соотношениях поступают в шаровые мельницы для тонкого измельчения. Если в качестве известкового компонента применяют твердый известняк, то его подвергают двухстадийному дроблению на щековой и молотковой дробилках, а затем измельчают в шаровых мельницах совместно с глиняной суспензией, получаемой в болтушках.



Рис.1. Технологическая схема производства портландцемента мокрым способом

1 - приемный бункер для известняка; 1- дробилка для известняка;3 - вагонетка с глиной; 4 - дозатор для воды; 5 - бассейн-болтушка;6 - сырьевая мельница; 7 - шламбассейны; 8 - вращающаяся печь;9 - форсунка подачи топлива; 10 - склад клинкера; 11 - складгипсового камня; 12 - дробилка для гипсового камня; 13 - шароваямельница; 14 - силосы для цемента; 15 - вагоны с цементом)

Шаровая многокамерная мельница - стальной цилиндр длиной 8 - 15 и диаметром 1,8 - 3,5 м, внутренняя поверхность которого облицована стальными плитами. Мельница вращается на полых цапфах, через которые, с одной стороны, ее загружают, а с другой - разгружают. Смесь известняка, глины и воды проходит через все камеры мельницы и, измельчаясь под ударами стальных шаров и цилиндров, выходит из нее в виде сметанообразной массы - шлама.

Шлам перекачивают насосами в цилиндрические щламбассейны для корректировки его состава. При корректировке устанавливают химический состав шлама (в основном определяют содержание углекислого кальция) и в соответствии с полученными данными добавляют к нему строго определенное количество шлама другого состава (обогащенного или обедненного известняком). Скорректированный таким образом шлам перекачивают в шламбассейны для хранения. В этих бассейнах шлам постоянно перемешивают. По мере необходимости шлам насосами подают на обжиг.

Сырьевую смесь обжигают во вращающихся печах (рис.2), представляющих собой сварной цилиндр диаметром 4 - 5 и длиной 150 - 185 м, футерованный изнутри огнеупорным материалом. Печь расположена под небольшим уклоном к горизонту и медленно вращается вокруг своей оси. Питатели-дозаторы подают шлам в верхний конец печи. Вследствие вращения печи и наклона ее к горизонту обжигаемый материал перемещается к нижнему концу печи. Навстречу ему движутся горячие топочные газы, образовавшиеся при сгорании топлива (пылевидный уголь, мазут, газ), подаваемого через форсунку в нижней части печи.

Рис.2. Вращающаяся печь для обжига цементного клинкера

1 - дымосос; 2 - питатель для подачи шлама; 3 - барабан; 4 - привод;5 - форсунка подачи топлива; 6 - холодильник)

Шлам омывается горячими газами и подсушивается, образуя комья. По мере продвижения материала при 500 - 750^оС выгорают органические вещества и начинается дегидратация - выделение химически связанной воды из глинистой составляющей, сопровождаемая потерей пластичности и связующих свойств. Комья материала распадаются в подвижный порошок. При 750 - 800^оС и выше в материале начинаются реакции в твердом состоянии между его составляющими. Их интенсивность возрастает с повышением температуры. Происходит сцепление отдельных частичек порошка и образование гранул разного размера. При прохождении зоны с температурой 900 - 1000^оС происходит диссоциация карбонатов кальция с выделением оксида кальция и углекислого газа, который уносится с продуктами горения. Оксид кальция СаО вступает в химическое взаимодействие с глиноземом, оксидом железа и кремнеземом. Реакции химического связывания СаО протекают в твердом состоянии достаточно интенсивно при 1200 - 1250^оС, при этом образуются следующие химические соединения: 2CaОSiO₂ (двухкальциевый силикат), 3CaOAl₂О₃ (трехкальциевый алюминат) и 4СаОAl₂О₃Fе₂О₃ (четырехкальциевый алюмоферрит) . При температуре свыше 1300^оС 3CaOАl₂О₃ и 4СаОAl₂О₃Fе₂О₃ переходят в расплав, в котором частично растворяются СаО и 2CaO SiO₂ до насыщения раствора; в растворенном состоянии они реагируют между собой, образуя трехкальциевый силикат ЗСаО SiO₂ - основной минерал портландцемента. Процесс образования трехкальциевого силиката, выделяющегося из жидкой фазы в виде кристаллов, способных расти, обычно происходит около 1450^оC. При понижении температуры до 1300^оС жидкая фаза застывает, процесс спекания заканчивается.

Клинкер - гранулы серовато-зеленого цвета размером 15 - 25 мм для охлаждения до 80 - 100^оC направляют в холодильник, откуда он поступает на склад, где его выдерживают в течение 1 - 2 недель. В результате вылеживания содержащийся в клинкере в небольшом количестве свободный оксид кальция гасится влагой воздуха, а также уменьшается твердость зерен клинкера, что, в свою очередь, облегчает его помол и обеспечивает равномерность изменения объема цемента при твердении.

Клинкер измельчают в многокамерных шаровых мельницах. В процессе помола к нему добавляют 2 - 5 % гипсового камня для регулирования сроков схватывания портландцемента и различные, предусмотренные технологическим процессом, добавки. Из шаровых мельниц портландцемент пневмотранспортом подают в силосы - железобетонные башни цилиндрической формы емкостью до 6000 т каждая, где цемент перед отправкой потребителю выдерживается в течение 10 - 14 сут. За это время нагретый при помоле цемент охлаждается и оставшаяся в нем свободная известь гасится, что улучшает свойства цемента. Из силосов цемент поступает в упаковочные машины для расфасовки в многослойные бумажные мешки по 50 кг или направляется в специально оборудованные средства железнодорожного, автомобильного или водного транспорта.

Сухой способ производства портландцемента применяют в том случае, когда сырьевыми материалами являются мергели или смеси твердых известняков и глин влажностью 8 - 10 %. По этому способу сырьевые материалы после предварительного дробления и сушки совместно измельчают в шаровых мельницах. Сухую сырьевую муку с остаточной влажностью 1 - 2% гранулируют в зерна размером 20 - 40 мм или формуют, добавляя молотый на механических прессах уголь в брикеты.

Гранулы обжигают в циклонных теплообменниках, конвейерных кальцинаторах, вращающихся печах, а брикеты - в шахтных. Дальнейшие производственные операции осуществляют в той же последовательности, что и при мокром способе.

При сухом способе на обжиг клинкера расходуется значительно меньше топлива, чем при мокром.

Наряду с рассмотренными выше основными способами производства в последнее время применяют комбинированный способ, совмещающий достоинства мокрого и сухого способов. Сущность его заключается в том, что сырьевую смесь подготовляют по мокрому способу, после чего шлам обезвоживают на специальных установках и в виде гранул, как и при сухом способе, обжигают во вращающихся печах.

Минералогический состав клинкера. Клинкер состоит из следующих основных клинкерных минералов: трехкальциевого силиката ЗСаОSiO₂ (алит), двухкальциевого силиката 2СаО . SiO₂ (белит), трехкальциевого алюмината 3СаО. Аl₂О₃, четырехкальциевого алюмоферрита 4CaOАl₂О₃ Fe₂O₃. Часто используют их сокращенное обозначение: соответственно C₃S, C₂S, С₃А и C₄AF. Содержание этих минералов в портландцементном клинкере обычно колеблется в следующих пределах: 40 - 65% C₃S; 15 - 40 % C₂S; 2 - 15 % C₃A и 10 - 20% С₄АF. При увеличении содержания указанных выше минералов портландцемент получает специальное название. Так, при большом содержании C₃S (более 56%) его называют алитовым; C₂S (более 38% ) - белитовым; С₃А (более 12%) - алюминатным и пр. Если в клинкере содержится повышенное количество двух минералов, его соответственно называют алитоалюминатным и пр. Каждый из клинкерных минералов имеет свои специфические свойства.

Трехкальциевый силикат (алит) является химически активным минералом, он оказывает решающее влияние на прочность и скорость твердения цемента. Взаимодействие его с водой происходит с большим тепловыделением. Алит обладает способностью быстро твердеть и набирать высокую прочность, поэтому повышенное содержание трехкальциевого силиката обеспечивает получение из данного клинкера высокомарочного портландцемента.

Двухкальциевый силикат (белит), затворенный водой, в начальный период твердеет медленно, при этом выделяется очень мало теплоты. Продукт твердения в течение первого месяца обладает невысокой прочностью, но затем на протяжении нескольких лет при благоприятных условиях прочность его неуклонно возрастает.

Трехкальциевый алюминат характеризуется высокой химической активностью, в первые сутки твердения он выделяет наибольшее количество теплоты гидратаци и быстро твердеет. Однако продукт его твердения имеет низкую долговечность и малую стойкость против воздействия сернокислых соединений.

Четырехкальциевый алюмоферрит характеризуется умеренным тепловыделением, твердеет он значительно медленнее, чем алит, но быстрее, чем белит. Прочность продуктов его гидратации несколько ниже, чем у алита.

Располагая данными о минералогическом составе портландцементного клинкера и зная свойства клинкерных минералов, можно заранее составить представленге об основных свойствах портландцемента и особенностях его твердения в различных условиях.

Твердение портландцемента. При затворении портландцемента водой сначала образуется пластичное клейкое цементное тесто, которое затем постепенно густеет, переходя в камневидное состояние. Твердение и есть процесс превращения цементного теста в цементный камень.

При смешивании портландцемента с водой в начальный период происходит растворение клинкерных минералов с поверхности цементных зерен, взаимодействие минералов с водой и образование насыщенного по отношению к клинкерным минералам раствора. По достижении насыщения растворение клинкерных минералов прекращается, но реакции между ними и водой продолжаются. Реакции присоединения воды к клинкерным минералам называют реакциями гидратации, а реакции разложения клинкерных минералов под действием воды на другие соединения - реакциями гидролиза.

Во втором периоде в насыщенном растворе идут реакции гидратации клинкерных минералов в твердом состоянии, т. е. происходит прямое присоединение воды к твердой фазе вяжущего без предварительного его растворения. Продуктами этих реакций являются гидратные новообразования в коллоидном виде. Период коллоидации сопровождается повышением вязкости цементного теста, обусловливающим схватывание цемента.

В третьем периоде протекают процессы перекристаллизации мельчайших коллоидных частиц новообразований, т.е. растворение мельчайших частиц и образований крупных кристаллов. Кристаллизация сопровождается твердением цементного теста и ростом прочности образовавшегося цементного камня.

Взаимодействие клинкерных минералов с водой протекает по следующим реакциям:

3CaO . SiO₂ + (n+1)Н₂О = 2CaO . SiО₂ . пН₂О + Са(ОН)₂;

2СаО . SiO₂ + nH₂O = 2CaO . SiO₂ . nH₂O;

3СаО . Аl₂О₃ + 6H₂O = 3CaO . Аl₂О₃ . 6H₂O;

4CaO . Аl₂О₃ . Fe₂O₃ + nH₂O = 3CaO . Аl₂О₃ . 6H₂O + CaO . Fe₂O₃(n - 6)Н₂О

Приведенные химические реакции показывают, что в результате взаимодействия клинкерных минералов с водой образуются новые соединения - гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция. Минералы C₃S и C₄AF, взаимодействуя с водой, подвергаются гидролизу, т.е. разложению, и минералы C₂S и С₃А гидратируются, т. е. присоединяют воду.

По скорости взаимодействия с водой клинкерные минералы располагаются в следующей последовательности: С₃А, C₄AF, C₃S и C₂S. Скорость гидратации клинкерных минералов в значительной мере определяет и скорость их твердения. Чем быстрее гидратирует минерал, тем быстрее происходит его схватывание и твердение.

В случае твердения цемента на воздухе рассмотренные выше процессы дополняются карбонизацией гидроксида кальция: Са(ОН)₂ + СО₂ = CaCO₃ + H₂O. Она происходит главным образом на поверхности цементного камня с образованием тонкой корки из углекислого кальция, способствующей повышению стойкости и прочности цементного камня.

В результате процессов коллоидации, кристаллизации, уплотнения гидратных новообразований и карбонизации образуется прочный цементный камень. Прочность цементного камня нарастает довольно быстро в течение первых 3 - 7 сут, затем в интервале 7 - 28 сут рост прочности замедляется. В дальнейшем повышение прочности относительно невелико, но может продолжаться в течение многих лет, особенно во влажной и теплой среде. В сухой среде или при отрицательных температурах процессы твердения цементного камня приостанавливаются и рост прочности прекращается. Замерзший цементный камень обладает способностью после оттаивания продолжать набирать прочность.

Твердение портландцемента можно ускорить за счет повышения температуры окружающей среды и введения химических веществ - ускорителей твердения (хлористого кальция, хлористого натрия и др.) в количестве 1 - 2% по массе цемента.

Твердение портландцемента сопровождается выделением теплоты. Это свойство портландцемента является положительным при бетонировании монолитных конструкций в зимних условиях и отрицательным в тех случаях, когда разогрев массивных бетонных конструкций (плотины, массивные фундаменты и т. п.) может привести к появлению в них трещин от температурного расширения.

Свойства портландцемента. К основным свойствам портландцемента относятся средняя плотность, истинная плотность, тонкость помола, водопотребность, сроки схватывания, равномерность изменения объема и прочность.

Средняя плотность портландцемента в рыхлом состоянии равна 1000 - 1100 кг/м³, а в уплотненном - 1400 - 1700 кг/м³. Истинная плотность портландцемента 3,05 - 3,15 г/см³.

Тонкость помола цемента характеризуется остатком на сите №008 (размер ячейки в свету 0,08 мм) не более 15% или удельной поверхностью - величиной поверхности зерен (в см) в 1 г цемента. Удельная поверхность портландцемента должна быть 2500 - 3000 см²/г. С увеличением тонкости помола цемента до 4000 - 4500 см²/г возрастает скорость твердения и повышается прочность цементного камня.

Водопотребность портландцемента определяется количеством воды (в %), которое необходимо для получения цементного теста нормальной густоты, т. е. заданной стандартной пластичности.

Нормальной густотой цементного теста считается его консистенция, при которой игла прибора Вика, погружаясь, не доходит до дна (стекла) кольца на 5 - 7 мм. Водопотребность портландцемента обычно колеблется в пределах 22 - 26% и зависит от минералогического состава и тонкости помола.

Сроки схватывания цементного теста нормальной густоты определяют на приборе Вика по глубине проникания иглы. Начало схватывания должно наступить не ранее чем через 45 мин, а конец схватывания - не позднее 10 ч от начала затворения. У портландцемента обычно начало схватывания наступает через 1- 2 ч, а конец - через 4 - 6 ч. На сроки схватывания портландцемента влияют его минералогический состав, тонкость помола и другие факторы. Равномерность изменения объема цемента устанавливают на образцах-лепешках, изготовленных из цементного теста нормальной густоты, при кипячении их в воде и выдерживании над паром. Цемент считают доброкачественным, если на лицевой стороне лепешек, подвергнутых испытаниям, нет радиальных, доходящих до краев трещин или сетки мелких трещин, видимых в лупу или невооруженным глазом, а также каких-либо искривлений. Одной из причин неравномерного изменения объема цементного камня при твердении является наличие в цементе свободных СаО и MgО, которые гидратируются с увеличением объема в уже затвердевшем цементном камне, разрушая его.

Прочность портландцемента характеризуется его маркой. Марку цемента устанавливают по пределу прочности при изгибе образцов призм размером 40х40х х160 мм и при сжатии их половинок, изготовленных из цементно-песчаного раствора состава 1:3 (по массе) на стандартном вольском песке при водоцементном отношении В/Ц=0,4 и испытанных через 28 сут. Предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут называют активностью цемента, по ее величине устанавливают марку цемента. Например, если при испытании цемента установлена активность 43 МПа, то его относят к марке 400.

Портландцементы разделяют на марки 400, 500, 550 и б00.

Коррозия цементного камня. Возведенные с применением портландцемента бетонные сооружения могут подвергнуться разрушению (коррозии) под действием природных вод и агрессивных жидкостей. Разрушение обычно начинается с цементного камня, как наиболее подверженного коррозии.

Различают три основных вида коррозии цементного камня. Коррозия первого вида возникает при действии на цементный камень бетона проточных пресных вод (с малой временной жесткостью). Эти воды растворяют и вымывают гидроксид кальция, выделяющийся при гидролизе трехкальциевого силиката. В результате такого выщелачивающего действия воды повышается пористость цементного камня и снижается его прочность, что, в свою очередь, приводит к постепенному разрушению бетона.

Для повышения стойкости цементного камня в пресных водах рекомендуется вводить в портландцемент гидравлические добавки, которые связывают гидроксид кальция в малорастворимые соединения - гидросиликаты кальция.

Коррозия второго вида происходит при действии на цементный камень бетона минерализованных вод, содержащих химические соединения, которые вступают в обменные реакции с составляющими цементного камня. Образующиеся при этом продукты реакции либо легко растворяются и уносятся водой, либо выделяются в виде аморфной массы, не обладающей связующими свойствами.