Курс лекций РостовнаДону 2011 министерство образования и науки рф фгаоу впо институт архитектуры и искусств
 Скачать 1.63 Mb.
|
|
Воздушную известь получают из таких кальциевых карбонатных пород, как известняк (СаС0 3 ) и доломит (СаС0 3 • MgC0 3 ), содержащих не более 6 % глинистых примесей. Их обжигают при температуре 900…1100 °С; они разлагаются с выделением углекислого газа. Продукт обжига – оксид кальция (СаО) и является воздушной известью, которую за высокое тепловыделение при гидратации (гашении) называют известью- кипелкой. На воздухе при затворении водой образуются кристаллы гидрооксида кальция Са(ОН) 2 , а в результате их реакции с углекислым газом воздуха – кальцита СаС0 3 , которые обеспечивают прочность известковому камню (1...7 МПа). В строительстве известь используют для получения красочных составов, штукатурных и кладочных сложных растворов. На основе извести получают смешанные гидравлические известковые вяжущие: известково- пуццолановые, известково-шлаковые и известково- кремнеземистые, из которых изготавливают водостойкие низкомарочные бетоны. В известково-пуццолановые и известково-шлаковые, кроме пуццолановых (опока, диатомит и шлаковых добавок), для регулирования сроков схватывания вводят до 5 % гипса. Известково-шлаковое вяжущее более эффективно при изготовлении заводских изделий по тепловлажностной технологии, так как в этом случае в процессе гидратации участвует и шлаковая составляющая. Широкое применение нашли известково-кремнеземистые вяжущие, на основе которых по автоклавной технологии получают силикатные изделия: стеновые мелкоштучные 56 материалы (кирпичи, камни), несущие конструкции из плотных бетонов в виде плит перекрытий, колонн и т.д. и высокопористые ячеистые блоки, перегородочные и теплоизоляционные плиты. При использовании силикатных изделий необходимо учитывать их пониженную водо-, термо- и коррозионную стойкость. Гипсовые вяжущие. Технология получения и использования гипсовых вяжущих основана на способности природного сырья (гипсового камня CaS0 4 • 2Н 2 0) легко отдавать кристаллизационную воду при нагреве в интервале от 123°С до 180°С и переходить в химически активное по отношению к воде состояние (CaS0 4 • 0,5Н 2 О). Строительный гипс представляет собой мелкокристаллический материал, требующий для получения гипсового теста определенной пластичности от 50 до 70 % воды. Для высокопрочного крупнокристаллического гипса количество воды сокращается до 30...50 %. Прочность камня на основе высокопрочного гипса вследствие более высокой плотности составляет 30...40 МПа, а строительного гипса – до 25 МПа. Максимальная прочность гипсового камня определяется водогипсовым отношением (В/Г), которое зависит от размера и формы кристаллов минерального вяжущего. Качество гипсовых вяжущих оценивают по тонкости помола, срокам схватывания и прочности. Сроки схватывания являются временным показателем, характеризующим интенсивность процесса загустевания гипсового теста с определенной пластичностью (нормальной густоты). Начало схватывания – время до потери подвижности теста. Конец 57 схватывания – момент времени потери пластичности смеси. Марка гипса определяется по пределу прочности на сжатие (МПа) с учетом прочности на изгиб образцов, твердевших два часа в воздушно-сухих условиях (Г2, Г4,…, Г25). Высокая пористость гипсовых изделий и способность очень точно воспроизводить форму и рельефный рисунок за счет расширения при твердении на 1 % обусловили применение гипса для получения акустических (звукопоглощающих) и архитектурно-художественных изделий. К преимуществам гипсового камня, содержащего кристаллизационную воду, относится высокая огнестойкость. Это свойство обусловило его использование при производстве огнезащитных плит и строительных растворов. Кроме того, применение гипсовых изделий в жилищном строительстве обеспечивает создание комфортных условий проживания, связанных с высокой гигроскопичностью и способностью гипсового камня регулировать влажность воздуха в помещении благодаря её поглощению или отдаче. Безводный CaS0 4 (ангидрит), не способный к твердению, получают при 450...750°С; высокообжиговые вяжущие – ангидритовый цемент и эстрих-гипс – при 800...1000°С. Низкообжиговые вяжущие характеризуются быстрым набором прочности, низкой водостойкостью. Наиболее широкое применение в строительстве нашел строительный гипс, на основе которого по прокатной технологии изготавливают гипсоволокнистые (ГВЛ) и гипсокартонные (ГКЛ) листы, используемые в качестве отделочного листового материала для выравнивания стен (сухая штукатурка), выполнения потолков и модульных 58 трансформируемых каркасных перегородок. Использование в ГКЛ листового картона с внутренним слоем из гипсового камня или дисперсное (мелковолокнистое) армирование гипсового камня в ГВЛ по всему объему волокнами растительного происхождения обеспечивают гвоздимость и снижают хрупкость изделий. В зависимости от условий эксплуатации помещения применяют влагостойкие (ГКЛВ), огнестойкие (ГКЛО) и влагоогнестойкие (ГКЛВО) листовые материалы, получаемые путем введения добавок и использования декоративных пленочных покрытий. Для повышения водостойкости гипсовых изделий увеличивают их плотность, полируют лицевую поверхность или обрабатывают ее пленкозащитными и гидрофобными смесями, а также изменяют состав вяжущего за счет дополнительного введения тонкомолотых гидравлических добавок искусственного или природного происхождения (портландцемента, доменного шлака, зол, природных пуццоланов). Полученные смешанные гипсовые вяжущие: гипсоцементно-шлаковые (ГЦШВ) и гипсоцементно-пуццола- новые (ГЦПВ) приобретают свойства гидравлических вяжущих, а изделия на их основе – повышенную водостойкость (коэффициент размягчения не ниже 0,65), пониженные морозо- и воздухостойкость. Это обуславливает их применение, аналогичное высокопрочному гипсу, при изготовлении санитарно-технических кабин, монолитных полов в общественных зданиях и на предприятиях легкой промышленности с обработкой поверхности составами, повышающими водостойкость и износостойкость покрытия. 59 Высокообжиговые гипсовые вяжущие обладают пониженной химической активностью, медленным схватыванием, повышенной водостойкостью, прочностью до 20 МПа. Для ускорения процесса твердения в ангидритовый цемент, полученный при температуре 600...700°С, вводят 3…5% извести. При температуре 800... 1000°С безводный сульфат кальция частично разлагается на оксид кальция (СаО) и серный газ (S0 3 ), следовательно, выпускаемый эстрихгипс представляет собой двухкомпонентный продукт, состоящий из смеси CaS0 4 и СаО. Основное назначение этих вяжущих – выполнение монолитных или мозаичных (в сочетании с плитами из горных пород) полов; изготовление путем введения в состав смеси пигментов полированных плит искусственного мрамора, применяемых для отделки пола и стен в зданиях общественного назначения; получение штукатурных, кладочных растворов и легких бетонов. Магнезиальные воздушные вяжущие: каустический магнезит MgO и каустический доломит (MgO + СаС0 3 ) – получают путем термообработки магнезита MgC0 3 или доломита MgG0 3 • СаС0 3 при температуре 700...800°С. В связи с их невысокой химической активностью по отношению к воде при получении изделий для ускорения процесса гидратации используют водные растворы солей MgCl 2 и MgS0 4 , или природный раствор «бишофит». Контролируемыми показателями качества являются: тонкость помола, сроки схватывания, марка по прочности. 60 Прочность на сжатие каустического магнезита составляет 40...60 МПа, каустического доломита – 10...30 МПа. Снижение активности последнего объясняется присутствием неразложившегося при термообработке инертного по отношению к воде кальцита. Наиболее широко эти вяжущие применяют совместно с древесными отходами разной степени измельчения. Их используют для выполнения теплых огнестойких монолитных полов, а также для изготовления ксилолитовых крупноразмерных плит, которые в зависимости от состава и степени уплотнения могут быть использованы в качестве внутренних перегородок или теплоизоляции строительных конструкций. Жидкое стекло представляет собой водный раствор силиката калия (Si0 2 • К 2 0) или натрия (Si0 2 • Na 2 0), полученный в автоклаве в результате воздействия насыщенного водяного пара на измельчённую силикат-глыбу – продукт сплавления кремнезема (Si0 2 ) с карбонатом калия (натрия) или сульфатом натрия (калия) при температуре 1300... 1400 °С. Вяжущие свойства раствора оценивают плотностью, вязкостью и модулем стекла (2,6...4,0), который равен отношению числа грамм-молекул кремнезема к одному грамм- молю оксида калия или натрия. С увеличением модуля жидкого стекла его клеящие свойства и стойкость изделий к кислотам повышаются. На основе жидкого стекла получают кислотостойкий цемент, в состав которого дополнительно входят тонкомолотый 61 кислотостойкий наполнитель (кварцевый, базальтовый, андезитовый) и добавка, ускоряющая твердение (кремнефтористый натрий). Из него изготавливают кислотостойкие бетонные конструкции (со стеклопластиковой арматурой). Высокая термостойкость до 1000°С и огнестойкость позволяют применять составы на основе этого вяжущего для производства огнезащитных и жаростойких растворов и бетонов. Жидкое стекло является также основой для силикатных красок, кислотостойких мастик и составов, используемых для уплотнения и укрепления (силикатизации) грунтов на строительных площадках. 8.3. Гидравлические вяжущие Гидравлические вяжущие представляют собой тонкомолотые порошки, состоящие в основном из силикатов (kCaO•nSi0 2 ), алюминатов (nCaO•mAl 2 0 3 ) и ферритов (nCaO•mFe 2 0 3 ) кальция, которые, взаимодействуя с водой, образуют прочный водостойкий искусственный камень. Они способны твердеть, как на воздухе, так и в воде. Способность гидравлических вяжущих образовывать в результате реакции с водой прочный камень проверяют по показателю активности, оцениваемомупо прочности (кгс/см 2 ) образцов состава: Ц : П = 1 : 3, твердевших 28 суток в нормальных условиях (температура – 18...20°С, влажность – 95...98 %). К гидравлическим вяжущим относятся: гидравлическая известь, которая занимает промежуточное положение между 62 воздушными и гидравлическими вяжущими, романцемент, портландцемент и разновидности портландцемента, а также специальные виды цементов. Гидравлической известью называют тонкомолотый продукт обжига при температуре 900...1000 °С мергелистых известняков, содержащих до 20 % глинистых примесей. Прочность изделий на гидравлической извести различной активности колеблется от 1,7 до 5 МПа. Основное применение этого вяжущего – штукатурные и кладочные растворы, низкомарочные легкие и тяжелые бетоны, эксплуатируемые, как в сухих, так и во влажных условиях. Романцемент получают из мергеля, содержащего не менее 25 % глинистых примесей путём его спекания при 1000... 1100°С и последующего помола. Полученный продукт обладает более высокой гидравлической активностью, чем гидравлическая известь. Полученный романцемент применяют для изготовления строительных растворов, бетонных стеновых камней и мелких блоков прочностью до 15 МПа, используемых при возведении наземных и подземных конструкций. Портландцемент и его разновидности. Портландцементом называют тонкомолотый материал, полученный спеканием клинкера при температуре 1400...1500°С из известково- глинистой смеси в соотношении по массе 3 : 1 или мергелистых пород и совместным измельчением клинкера с гипсом (3...5 %). В зависимости от влажности исходного сырья применяют мокрый или сухой способ производства. При мокром способе помол и перемешивание сырья до получения однородного пластичного шлама влажностью до 45% производят 63 непосредственно в сырьевых мельницах. Затем шлам поступает в шламбассейн, где его состав корректируют путем введения добавок, и обжигают во вращающихся трубчатых горизонтальных печах. Под действием высокой температуры испаряется вода, происходит разложение сырья и образование новых, химически активных по отношению к воде, минералов. После обжига клинкер подают в специальные холодильники для быстрого охлаждения продукта с целью сохранения химически активной стеклофазы. В завершение, клинкер мелют совместно с гипсом или гипсосодержащими отходами и минеральными добавками. К преимуществам мокрого способа можно отнести простоту корректировки состава, что позволяет получать разнообразные по свойствам цементы. При сухом способе тонкомолотое сырье, имеющее низкую влажность, подогревают отходящими газами и подают на обжиг в вертикальные шахтные печи. Отсутствие процесса испарения воды делает эту технологию менее энергоёмкой. Минералогический состав клинкера включает в себя четыре основных минерала, от содержания которых зависят свойства цемента: • алит 3СаО•Si0 2 (C 3 S) – 45...60%, • белит 2СаО • Si0 2 (C 2 S) – 10...30 %, • целит 3СаО • А1 2 0 3 (С 3 А) –5...12 %, • четырехкальциевый алюмоферрит – 4СаО•А1 2 0 3 •Fe 2 0 3 (C 4 AF) – 10...20 %. При смешивании портландцемента с водой составляющие его минералы гидратируют с образованием новых 64 кристаллогидратных соединений, обуславливающих твердение цементного теста и прочность искусственного камня. Состав новообразований зависит от минералогического состава цемента, влажности и температуры окружающей среды. В результате частичного перехода воды при гидратации в химически связанное состояние (до 20% от массы цемента) происходит усадка цементного камня, вызывающая появление на его поверхности микротрещин. Испарение воды из материала приводит к образованию открытых капиллярных пор, понижающих не только прочность, но и морозостойкость, водонепроницаемость искусственного материала. Для повышения его эксплуатационных свойств необходимо обеспечить влажностные условия твердения и снизить расход воды с одновременным вводом пластифицирующих добавок, обеспечивающих необходимую пластичность смеси. К недостаткам цементного камня, кроме усадки, относится ползучесть, которая проявляется в увеличении деформаций под влиянием длительно действующих, постоянных по величине нагрузок. Снижение ползучести растворов и бетонов достигается благодаря введению жесткого недеформируемого заполнителя и уменьшения расхода цемента. В процессе эксплуатации цементный камень может подвергаться физической или химической коррозии. В первом случае разрушение происходит под действием высокой температуры (свыше 300°С) или циклических температурно- влажностных изменений, во втором – под влиянием агрессивных сред. В зависимости от состава и механизма действия для цементного камня опасны: 65 • коррозия выщелачивания – фильтрация воды с вымыванием наиболее растворимого гидрооксида кальция, что приводит к снижению щелочности среды и, как следствие, разрушению кристаллических новообразований, уменьшению прочности; • кислотная коррозия – действие кислот, сопровождаемое образованием гелеобразных, непрочных или растворимых соединений, вызывающих резкое падение прочности; • сульфатная коррозия – действие сульфатосодержащих вод разрушает структуру материала в результате накопления в порах по всему объему крупнокристаллических продуктов реакции между цементным камнем и агрессивной средой; • солевая коррозия – контакт с солесодержащими растворами (NaCl, Na 2 C0 3 и др.) вызывает, при наличии испарения влаги с поверхности изделия и капиллярного подсоса, кристаллизацию соли в поровом пространстве материала, что приводит к росту внутренних напряжений и деформаций, растрескиванию искусственного камня и потере им прочности. Для придания портландцементу заданных свойств изменяют состав клинкера, регулируют степень измельчения и вводят в мельницу при помоле органические и минеральные добавки. Цементные заводы выпускают вяжущие в широком ассортименте. Наибольший объем составляют портландцементы с минеральными гидравлическими добавками (шлаковыми и пуццолановыми). При содержании добавок до 20% получают рядовой портландцемент (ПЦ), при увеличении содержания доменного шлака с 21 до 60 % – шлакопортландцемент (ШПЦ), пуццолановых добавок (диатомит, золы, вулканический пепел) с 66 21 до 40% – пуццолановый портландцемент (ППЦ). К положительным свойствам этих вяжущих можно отнести повышенные водо- и солестойкость, а также термостойкость шлакопортландцемента до 700 °С. Рациональное применение этих цементов – подводное и подземное бетонирование, изготовление жаростойких бетонов; получение сборных конструкций при оптимальном режиме термовлажностной обработки (ТВО). При введении в качестве добавок кремнезема, известняка, доломита (до 30 %) получают безусадочный наполненный цемент низких марок, который применяют для штукатурных растворов. Промышленность выпускает в больших объёмах пластифицированные (ПЛ) портландцементы с гидрофильными поверхностно-активными добавками. Механизм действия добавок заключается в их способности адсорбироваться на поверхности цементных зерен. Их применяют для повышения пластичности смеси без увеличения расхода воды или для увеличения прочности, морозостойкости, водонепроницаемости при снижении расхода воды и сохранении заданной пластичности. При использовании гидрофобных добавок получают гидрофобный портландцемент (ГФ). Преимущества ГФ портландцемента: длительное хранение без снижения технических показателей и повышенная водостойкость, поэтому его используют при возведении гидротехнических сооружений, дорожных покрытий. Декоративные растворы и бетоны получают с использованием белого и цветного портландцементов. Необходимая степень белизны обеспечивается жесткими 67 требованиями по содержанию красящих примесей в сырье (соединений марганца и железа). Цветные портландцементы получают добавлением пигментов к белому портландцементу. При возведении конструкций (фундаменты, дамбы, плотины и т.д.), эксплуатация которых связана с действием сульфатосодержащих грунтовых вод и других сред, во избежание сульфатной коррозии применяют специальный сулъфатостойкий портландцемент (СПЦ). Его получают путем тщательной корректировки минералогического состава, в котором содержание С 3 А ограничено до 5 %, C 3 S – до 50 %, сумма С 3 А + C 4 AF – до 22 %. Монолитные конструкции, особенно возводимые при низких положительных температурах, а также высокая энергоемкость технологии производства сборного железобетона с использованием термовлажностной обработки требуют применения высокоэффективного быстротвердеющего портландцемента (БПЦ). Это, как правило, цементы высоких марок М500...700, получаемые за счет увеличения содержания наиболее активных по отношению к воде минералов C 3 S и С 3 А и более высокой тонкости помола клинкера до 5000 см 2 /г, что позволяет обеспечивать до 70% марочной прочности в трехсуточном возрасте естественного твердения. Тампонажный портландцемент применяют для цементирования холодных и горячих нефтяных и газовых скважин. Для придания таких специфических свойств, как замедленное схватывание, солестойкость, повышенная плотность цементного камня, в их состав вводят от 10 до 70% минеральных добавок. 68 8.4. Специальные вяжущие Специальные виды цементов обладают специфическими свойствами, отличаются от портландцемента используемым сырьем, технологией изготовления. К ним относят глиноземистый, безусадочный, напрягающий, расширяющийся и шлакощелочной цементы. Глиноземистый цемент получают обжигом до плавления смеси бокситов или высокоалюминатных шлаков и известняка при температуре 1500...1600 °С. Цемент через одни сутки твердения набирает до 90 % марочной прочности, а спустя трое суток достигает марочную прочность (М400, М500, М600). При взаимодействии с водой глинозёмистый цемент выделяет много тепла, а цементный камень обладает морозо-, коррозионно- и термостойкостью до 1400 °С. Глиноземистый цемент рекомендуется использовать при выполнении аварийных бетонных работ, получении долговечных конструкций, работающих в сложных условиях действия мороза и агрессивных сред, и жаростойких бетонов с температурой эксплуатации до 1200 °С. Из-за опасности растрескивания бетона его не рекомендуется использовать в жарком климате, при термообработке и возведении массивных монолитных конструкций. Составы на глиноземистом цементе с добавками гипса и гидроалюминатов кальция используют для получения безусадочного, напрягающего и расширяющегося цементов. Первый используют для омоноличивания стыков в крупнопанельном домостроении, второй – при получении труб и изготовлении емкостей для хранения жидкостей, третий – при 69 производстве преднапряженных железобетонных конструкций, что связано со способностью многокомпонентного вяжущего при гидратации расширяться в свободном состоянии на 3...4% или создавать внутренние напряжения при твердении в стеснённом состоянии. Шлакощелочной цемент получают путем помола доменного шлака и щелочесодержащего компонента или затворением тонкомолотого шлака концентрированным щелочным раствором. Вследствие высокой щелочности составы бетонов на этом гидравлическом вяжущем могут твердеть при отрицательных температурах, в автоклавах и пропарочных камерах нормального давления. Активность (марка) цемента составляет 400...1000 кгс/см 2 . Шлакощелочные бетоны обладают способностью увеличивать прочность при эксплуатации во влажной среде, имеют повышенную водо-, морозо- и коррозионную стойкость, поэтому их рационально применять в дорожном и гидротехническом строительстве. Согласно стандарту, качество цементов оценивают по следующим основным показателям: • химический, вещественный и минералогический состав; • тонкость помола цемента; • нормальная густота цементного теста (НГ), характеризующая водопотребность цемента; • сроки схватывания цементного теста; • равномерность изменения объема в процессе гидратации; • активность цемента при нормальном твердении и пропаривании (для портландцементов с минеральными добавками); 70 • скорость тепловыделения; • коррозионная стойкость; • удельная эффективная активность естественных радионуклидов. На основании полученных результатов, которые должны соответствовать требованиям стандарта, цементу присваивают марку М300, М400, М500 или М600, численно равную среднеарифметической величине предела прочности на сжатие (кгс/см 2 ) с учетом прочности на изгиб. Класс цемента по прочности на сжатие при гарантированной обеспеченности 95% должен быть равен В22,5; В32,5; В42,5; В52,5 (МПа) для соответствующих его марок. 71 ЛЕКЦИЯ 9. МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ 9.1. Изделия из бетона 9.1.1. Общие сведения Бетон на неорганических вяжущих веществах представляет собой искусственный каменный композиционныйматериал, приготавливаемый из вяжущего вещества, воды, заполнителей и специальных добавок. Бетон до затвердевания называют бетонной смесью, которая характеризуется удобоукладываемостью. Количественный состав бетонной смеси и свойства компонентов смеси обеспечивают бетону к определенному сроку прочность, морозостойкость, водонепроницаемость и другие свойства. Бетон широко распространен во всех областях строительства, что обусловлено его технико-экономическими преимуществами: низкий уровень затрат на изготовление конструкций в связи с использованием местного сырья; возможность применения в сборных и монолитных конструкциях различного вида и назначения; механизация и автоматизация приготовления бетона и производства конструкций; возможность изготовления мелких и крупногабаритных конструкции разной формы; долговечность и огнестойкость; широкий диапазон физико-механических свойств и возможность получать материал с заданными свойствами. Недостатком бетона, как любого неоднородного каменного материала, является низкая прочность на растяжение, которая в 10 – 15 раз ниже прочности на сжатие. Этот недостаток устраняется использованием в бетоне дисперсной арматуры 72 (фибры) и линейной арматуры в железобетонных изделиях и конструкциях. Благодаря близости коэффициентов температурного расширения и прочности сцепления бетона и арматуры обеспечивается их совместная работа в железобетоне. В силу этих преимуществ бетоны различных видов и железобетонные конструкциииз них являются основой современного строительства. Классификации бетонов: 1. |