Документ Microsoft Word. Требования к материалам и их классификация
 Скачать 36.37 Kb.
|
|
Требования к материалам и их классификация Кроме того, в готовом к употреблению виде или при простой (механической) обработке можно получить следующие материалы: природный битум или асфальт, казеин, некоторые продукты растительного или животного происхождения, такие как торф, солому, кожу, шерсть и т. п. Для систематизации природных материалов их разделяют на классы или группы. Так, древесные материалы разделяют по породам – лиственные и хвойные, по ассортименту – на круглые, пиленые, штучные и т. п. Первичное разделение горных пород осуществляется по их генезису – магматические, метаморфические, осадочные. Дальнейшая классификация горных пород может осуществляться по составу, структуре, текстуре, состоянию и пр. Искусственные материалы, получаемые после специальной переработки природного или искусственного сырья, по физико-химическим свойствам значительно отличаются от исходных компонентов. Так, из глины размокающей в воде, после формования и обжига получают водостойкие керамические материалы (кирпич, облицовочные плиты). Искусственные материалы можно разделить по главному признаку их отвердевания: 1. Материалы, отвердевание которых происходит при обычных, сравнительно невысоких температурах с кристаллизацией из раствора. К ним относятся различные типы цементов, бетоны. 2. Материалы, отвердение которых происходит в автоклавах при повышенной температуре (175 – 200 0С) и давлении водяного пара (0,9 – 1,6 Мпа), например, кирпич, асфальтобетоны. 3. Материалы, кристаллизующиеся при остывании жидких расплавов. К ним относятся, прежде всего, металлы и сплавы. Состав и состояние материалов Газообразное состояние вещества. В газах молекулы находятся в непрерывном поступательном движении, сталкиваясь друг с другом. Однако, столкнувшись, молекулы тотчас разлетаются, поскольку их дипольное взаимодействие (силы Ван-дер-Ваальса) весьма слабое, а кинетическая энергия движения велика. Из-за поступательного движения молекул газ заполняет весь предоставленный им объем. Жидкое состояние вещества Расстояние между молекулами значительно меньше, чем в газе, поэтому силы притяжения не позволяют молекулам совершать беспорядочные движения, они лишь «скользят» одна по отношению к другой. Это позволяет жидкостям принимать форму сосуда, в котором они находятся (текучесть жидкости). Молекулы, оказавшиеся на поверхности, могут преодолевать силы межмолекулярного взаимодействия и переходить в газовую фазу – явление испарения жидкости. Твердое состояние вещества В твердых телах молекулы наиболее сближены между собой и силы притяжения между ними очень велики. Поэтому твердое тело сохраняет свою форму и объем. В твердых веществах поступательное движение частиц вещества отсутствует, атомы, молекулы или ионы расположены в строго определенном порядке, и частицы совершают лишь колебательные движения около определенных точек (центров равновесия). Истинные растворы представляют собой однородную смесь различных веществ (компонентов), которые равномерно распределены в веществе в виде отдельных атомов, молекул или ионов. По агрегатному состоянию растворы бывают газообразными (воздух), жидкими и твердыми (отвердевшие сплавы металлов). Дисперсной системой называется механическая смесь, состоящая из измельченных (раздробленных) частиц одного вещества – дисперсная фаза, распределенного в другом веществе – дисперсной среде. Например, в дисперсной системе, которой является обычный туман, дисперсной фазой являются мельчайшие капельки воды, а дисперсной средой служит воздух. Коллоидные растворы (золи). Дисперсная фаза, образованная коллоидными частицами, практически нерастворима в воде. В силу малого размера частиц, они обладают огромной удельной поверхностью и адсорбируют из воды, растворенные в ней положительно или отрицательно заряженные ионы. Таким образом, вокруг частицы, называемой ядром, образуется прочно связанный адсорбционный слой и более рыхлый диффузионный слой, которые имеют суммарный отрицательный или положительный заряд. Строение веществ Кристаллические вещества характеризуются геометрически правильным расположением частиц (атомов, ионов, молекул) во всем объеме материала (так называемый дальний порядок). К кристаллам относится большинство неорганических материалов. Для аморфных тел характерен только ближний порядок (на расстояниях, сопоставимых с межатомным расстоянием), а в объеме материала частицы расположены хаотично. Аморфное строение имеют стекла, смолы, битум, полимеры. Однако в зависимости от условий образования кристаллическое и аморфное состояние может быть присуще одному и тому же веществу, например, кристаллический кварц (кристобалит) и кварцевое стекло имеют общий химический состав – SiO2. Аморфные вещества характеризуются отсутствием строгой периодичности в расположении атомов, ионов или молекул. Поэтому аморфные тела изотропны. При нагреве до температуры кристаллизации аморфное вещество переходит в устойчивую кристаллическую фазу, с сокращением своего объема. Для большинства аморфных тел температура кристаллизации находится в интервале от 650 до 10000К, поэтому при комнатной температуре они сохраняют свою структуру и свойства в течение 104 – 105 лет. Особым состоянием аморфного вещества является стеклообразное. Стекло образуется при изобарическом (при постоянном давлении) охлаждении или изотермическом (при постоянной температуре) сжатии жидкости. Типы внутренних связей в веществах Химически активные элементы можно условно разделить на две группы – металлы (+), которые отдают валентные электроны, и металлоиды (-), принимающие избыточные валентные электроны. Трем различным сочетаниям таких элементов соответствуют три основных типа связей: • ионная (+ −); • ковалентная (− −); • металлическая (+ +). Кроме перечисленных типов во всех телах существуют молекулярные связи. По преобладающим типам связей различают следующие группы веществ. Ионные кристаллы. Ионная связь возникает в результате того, что в процессе образования кристалла электроны от атомов с меньшей электроотрицательностью переходят к атомам с большей электроотрицательностью. Например, в каменной соли NaCl (галит) электрон от натрия переходит к атому хлора. В результате образуется пара ионов Na+ и Cl−. В ионных кристаллах одинаковой структуры силы взаимодействия между ионами тем больше, чем выше их валентность и чем меньше сумма их атомных радиусов. Кристаллические зерна многих горных пород относятся именно к кристаллам ионного типа. В таких породах с увеличением сил взаимодействия прочность минеральных зерен и, следовательно, породы в целом повышается. Атомные (ковалентные) кристаллы. В узлах кристаллической решетки находятся нейтральные атомы, связанные обменным взаимодействием. Природа ковалентной связи может быть описана с помощью квантово-механических представлений, учитывающих волновые свойства электрона. Упрощенно механизм обменного взаимодействия можно представить следующим образом. Пусть имеются два атома. При больших расстояниях между ними атомы можно считать изолированными. По мере уменьшения расстояния увеличивается степень перекрытия электронных облаков первого атома вторым, т. Е. увеличивается вероятность перехода валентных электронов к «чужому» протону. При дальнейшем сближении атомов степень перекрытия облаков растет, и частота обменов электронов местами увеличивается настолько, что в системе возникает новое состояние, при котором электроны принадлежат одновременно обоим атомам. Такие электроны называются обобществленными. В области между химически связанными атомами в молекуле электронная плотность выше по сравнению с распределением электронной плотности в свободных атомах. Ковалентная связь возникает при взаимодействии одинаковых атомов с 4 по 7 группу таблицы химических элементов Менделеева. При этом 4-валентные элементы отдают в общее пользование четыре электрона, 5-валентные – три, 6-валентные – два и 7-валентные – один электрон. Число атомов, с которыми происходит обобществление электронов, зависит от валентности элемента и может быть определено согласно правилу 8 – N, где N – номер группы периодической системы. В этом случае у взаимодействующих атомов оказываются заполненными внешние оболочки обобществленными электронами. Ковалентная связь присуща наиболее твердым кристаллам, например алмазу. Металлические кристаллы. Аналогично ковалентным кристаллам в узлах пространственной решетки металлических кристаллов размещаются совершенно одинаковые частицы. Следовательно, ионная связь возникнуть не может. Для установления ковалентной связи у металлов недостает валентных электронов (для большинства металлов координационное число равно 8-12). Однако при кристаллизации металла его атомы сближаются настолько, что волновые функции электронов существенно перекрываются. Вследствие этого валентные электроны получают возможность переходить от одного атома к другому и могут свободно перемещаться по всему объему металла. Такие валентные электроны в металлах принято называть коллективизированными. Свобода движения валентных электронов внутри металлического кристалла и их большое число в единице объема позволяют провести некоторую аналогию между свойствами валентных электронов в металле и свойствами молекул газа. И те, и другие могут свободно перемещаться по всему объему. Поэтому для обозначения совокупности свободных валентных электронов внутри металлического кристалла употребляется термин – электронный газ. Электронный газ является общим для всего кристалла, он обладает «цементирующим» действием, связывая в прочную систему положительно заряженные ионы металла. Из характера металлической связи видно, что она должна быть более гибкой и эластичной, чем ионная и ковалентная. Иллюстрацией этого является большая пластичность (ковкость) металлов. Наличие высокой концентрации свободных электронов обусловливает хорошую электропроводность и теплопроводность металлов. Молекулярные кристаллы. В узлах кристаллической решетки находятся устойчивые молекулы, которые сохраняют индивидуальность не только в газообразной, но и в жидкой и твердой фазах (N2 , Cl2, CH4, H2O). Молекулы удерживаются в узлах решетки довольно слабыми силами, природа которых сводится к взаимодействию между молекулярными диполями (силы Ван-дер-Ваальса). Различают три вида взаимодействия молекул. 1. Дисперсионное – взаимодействие в атомах мгновенных диполей. Взаимодействие обусловлено тем, что энергетически более выгодно, когда электроны вращаются синхронно и мгновенные значения их дипольных моментов (векторное произведение заряда электрона на радиус его орбиты) совпадают по направлению. В этом случае между диполями возникают силы притяжения. 2. Ориентационное – молекулы уже являются электрическими диполями и за счет электростатического взаимодействия стремятся расположиться упорядоченно с минимумом потенциальной энергии. 3. Индуцированное – молекулы неполярные, но обладают высокой поляризуемостью под влиянием внешнего электрического поля, например, при приближении полярной молекулы. Дефекты кристаллического строения Например, реальная прочность кристаллов на два-три порядка ниже расчетной прочности. Это обусловлено наличием дефектов структуры реальных кристаллов. Под дефектами понимают любое нарушение упорядоченности идеальной кристаллической решетки. Различают следующие виды дефектов: 1. Тепловые колебания. 2. Точечные дефекты – вакансии, атомы внедрения, атомы примеси. 3. Линейные дефекты – дислокации. 4. Поверхностные дефекты – наружная поверхность кристалла, внутренние поверхности трещин и пор. 5. Объемные дефекты – поры, пустоты, трещины. 6. Классификация свойств материалов I. Физические свойства характеризуют поведение веществ и материалов в естественных или искусственных (созданных человеком) физических полях: механическом, включая гравитационное (поле силы тяжести); тепловом; электромагнитном. II. Химические свойства определяются способностью веществ и материалов вступать в химические реакции (например, химическая стойкость, окисляемость, коррозионная стойкость и др.). III. Технологические свойства включают совокупность характеристик материалов, определяющих трудоемкость и эффективность их обработки, т.е. изготовления из них различных изделий. IV. Потребительские свойства определяют качество материала в изделиях с точки зрения их эксплуатации или потребления. Параметры состояния материалов. Параметры состояния веществ и материалов характеризуют реакцию их на воздействие гравитационного поля, а также способность веществ воздействовать с потоками масс (например, воздуха, газа, пара) и излучений (свет, звук и т.д.). К числу наиболее известных и используемых в материаловедении относятся следующие параметры. Плотность – масса вещества m в единице объема V Средняя плотность – величина, определяемая отношением массы неоднородного вещества ко всему занимаемому объему V0, включая поры и пустоты Насыпная плотность – масса единицы объема Vр свободно насыпанных дисперсных материалов (цемент, песок, щебень и т. Д) Пористость – характеризует относительный объем пор и пустот Vпор в общем объеме материала. От пористости зависят и другие характеристики материалов, например, способность проводить тепло, звук, поглощать воду, воздух и т.д. Влажность характеризует содержание воды или другой жидкости в данном материале Водопоглощение это предельная влажность материала, т. Е. его способность принимать и удерживать жидкость. 8. Напряжения и деформации материалов. Напряжением называется поверхностная плотность внутренних сил, возникающих в теле под действием внешней нагрузки, т. е. напряжение - есть сила, отнесенная к единичной площадке. Размерность напряжения Н/м2 (Па). Напряжения возникают в материалах при их обработке и последующей эксплуатации. 9. Упругие свойства материалов. При малых нагрузках деформации прямо пропорциональны напряжениям (линия ОА). Эта линейная зависимость выражается законом Гука = Е , где коэффициент пропорциональности называется модулем упругости (модулем Юнга). При достижении некоторого предела (в точке А) в материале возникает необратимая пластическая деформация. Напряжение у, при котором упругая деформация переходит в пластическую, называется пределом упругости материала. Количественной мерой такой деформации может служить модуль пластичности. Для конкретных материалов соотношение между упругой и пластической деформацией может быть самым различным. Хрупкие материалы (типа керамики, стекла) могут вплоть до разрушения деформироваться без заметных пластических изменений. Напротив, вязкие глинистые материалы упругой деформации могут не иметь вовсе. В таких случаях деформацию материала на упругую и пластическую не разделяют, а оценивают ее общую величину модулем общей деформации. 10. Прочность материалов. Теория прочности Мора Разрушение твердых тел – процесс настолько сложный и неоднозначный, что до настоящего времени не существует единой и работоспособной теории прочности. Это обусловлено как многообразием существующих материалов, так и неопределенностью самого понятия «разрушение». Так, хрупкие материалы типа стекла при определенном напряжении способны «взрывоподобно» распадаться на множество частей (диспергировать). Напротив, вязкие глинистые материалы даже при очень больших нагрузках не теряют сплошности, но при этом имеют весьма малую несущую способность. Однако проблема прочности так актуальна для самых различных областей деятельности человека, что в данном направлении уже сотни лет ведется целенаправленный научный поиск. Известны тысячи публикаций по данному вопросу. В материаловедении определилось самостоятельное научное направление – механика разрушения. Теория прочности Мора. Основное положение теории прочности Мора заключается в том, что разрушение тела обусловлено совместным действием нормальных и касательных напряжений. Эти напряжения взаимосвязаны и могут быть рассчитаны методом сложения векторов и представлены с помощью кругов напряжений Мора. Огибающая совокупности кругов напряжений Мора, полученных для любых возможных напряженных состояний тела, характеризует прочность материала. На практике построение огибающей производится по двум кругам напряжений Мора, соответствующих прочности материала при одноосном растяжении р и одноосном сжатии сж. Полученный график называют паспортом прочности материала. 11. Паспорт прочности материалов Паспорт прочности представляет собой графическую зависимость между касательными и нормальными напряжениями, при которых происходит разрушение породы. По паспорту прочности горных пород обычно определяют угол внутреннего трения. Паспорт прочности может быть представлен аналитически в виде параболы. или в виде прямой линии: Например Угол внутреннего трения, Предел прочности пород при сжатии, Значения прочностных характеристик, Сцепление 12. Пластические свойства материалов Пласти́чность — способность материала без разрушения получать большие остаточные деформации. Свойство пластичности имеет решающее значение для таких технологических операций, как штамповка, вытяжка, волочение, изгиб. 13. Потребительские свойства материалов Надежностью Сохраняемость Ремонтопригодность Огнеупорность Безотказность Качество Морозостойкость Огнестойкость Химическая стойкость 14. Свойства бетонных смесей. Добавки, регулирующие свойства бетонных смесей Основными свойствами бетонной смеси являются удобоукладываемость и нерасслаиваемость. Удобоукладываемость — реолого-технологический показатель бетонной смеси, который характеризует способность бетонной смеси заполнять форму бетонируемого изделия и уплотняться в ней под действием собственной массы или механических воздействий. Удобоукладываемость бетонной смеси оценивают подвижностью или жесткостью. Добавки: 1) регулирующие свойства бетонных смесей: - пластифицирующие добавки, увеличивающие подвижность бетонной смеси; - стабилизирующие добавки, предупреждающие расслоение бетонной смеси; - водоудерживающие, уменьшающие водоотделение; 2) добавки регулирующие схватывание бетонных смесей и твердение бетона: - добавки, ускоряющие или замедляющие схватывание, ускоряющие твердение, обеспечивающие твердение при отрицательных температурах (противоморозные). 15. Свойства бетонов Основные свойства бетонов: долговечность, прочность, плотность, морозостойкость, водонепроницаемость, деформативность, усадка и набухание, огнестойкость, растекаемость, тепловыделение 16. Минеральные неорганические вяжущие. Классификация вяжущих. Классификация вяжущих веществ Вяжущими веществами (в дальнейшем - вяжущие) называют материалы, которые при определенных условиях образуют вязкопластичное тесто, способное самопроизвольно или под воздействием определенных факторов со временем затвердевать. Это свойство дает возможность создавать искусственные каменные материалы (типа бетона) или скреплять их между собой. По составу все вяжущие вещества разделяют на две группы: • Неорганические вяжущие (цемент, известь, гипс и др.). Технология их использования предусматривает затворение водой, реже водными растворами солей. • Органические вяжущие (битум, деготь, синтетические полимеры и др.). Одни вяжущие сами представляют собой вязкопластичные тела. Другие для перевода их в рабочее состояние требуют нагрева или применения органических растворителей. Главным свойством вяжущих, которое определяет технологию их применения, является реакция уже затвердевших вяжущих (т. е. после затворения) на воздействие воды. По этому признаку их подразделяют на воздушные и гидравлические. Воздушные вяжущие способны затвердевать и сохранять прочность только на воздухе. По химическому составу обычно выделяют четыре группы: 1. Известковые вяжущие, состоящие в основном из гидрооксида кальция Ca(OH)2. 2. Гипсовые вяжущие, которые состоят из сульфата кальция CaSO4. 3. Магнезиальные вяжущие, главным компонентом которых служит оксид магния MgO. 4. Жидкое стекло, представляющее собой раствор силиката натрия или калия. Гидравлические вяжущие способны затвердевать и длительное время сохранять прочность не только на воздухе, но и в воде. К ним относятся: 1. Силикатные цементы, состоящие преимущественно (более, чем на 75 %) из силиката кальция. К ним относится портландцемент – основной компонент бетонов. 2. Алюминатные цементы, состоящие в основном из алюминатов кальция. Главным представителем является глиноземистый цемент. 3. Гидравлическая известь и романцемент. 4. Вяжущие эттрингитового типа, основными компонентами которых являются игольчатые кристаллы алюминатов и сульфатов кальция. К ним относятся расширяющиеся и безусадочные цементы. Технология использования вяжущих веществ должна учитывать скорость изменения их состояния в ходе работ – от затворения до набора прочности. Важное значение имеют сроки схватывания, т. е. время от начала затворения водой до потери вяжущим текучести. За это время необходимо доставить раствор к месту работ и произвести его укладку. В противном случае, когда вяжущее начнет превращаться в твердое тело, использование его невозможно. Для примера, сроки схватывания гипса 4 – 30 минут, портландцемента – несколько часов. Другим важным показателем является скорость твердения, т. е. набора прочности. Например, при использовании вяжущего как основы бетона в крепи горной выработки необходимо точно учитывать, в какое время конструкция начнет сопротивляться нагрузкам, когда возможно производить следующий проходческий цикл, связанный с взрывными работами и т. п. 17. Приготовление и твердение м.н.в. Характеристики цемента. Приготовление и твердение минеральных вяжущих веществ. Условно можно выделить три этапа (или стадии): производство клинкера, его затворение и твердение. Рассмотрим существо этих этапов на примере наиболее распространенного в горном деле материала – портландцемента. Производство клинкера. Для реализации данного этапа, прежде всего, необходимо получить исходные компоненты вяжущего. Применительно к портландцементу такими компонентами являются известняк, глина и гипс. Чаще всего известняк и глину добывают раздельно, но в природе существует и горная порода, в которой уже имеется необходимое сочетание компонентов (известняк и глина в соотношении 3 : 1) – это мергель. Приготовленная смесь подается во вращающуюся печь для обжига (спекания) компонентов при нужной температуре. Для получения портландцемента максимальная температура обжига составляет 1450 оС. Печь устанавливание под небольшим (3-4 градуса) углом к горизонту и вращается со скоростью примерно 1 оборот в минуту. Наклон печи обеспечивает перемещение смеси от верхнего конца к нижнему, где размещено нагревательное устройство. Вращение необходимо для постоянного перемешивания компонентов смеси. При такой температуре обжига кальцит известняка разлагается до оксида кальция CaO. Разложение глины дает кислотные оксиды SiO2, Al2O3 и Fe2O3. Взаимодействуя между собой, эти компоненты частично плавятся и спекаются, образуя твердые сферические гранулы диаметром 10 – 30 мм. Получившийся продукт называется клинкером. Таким образом, портландцемент на 55 – 80 % состоит из силикатов кальция, из-за чего такой цемент называют силикатным. Следующим процессом является получение собственно цемента. Для этого клинкер смешивают с гипсом, другими необходимыми добавками и размалывают в трубных или шаровых мельницах до нужной крупности. Тонкость помола определяет марку и свойства цемента. Для предотвращения преждевременного контакта цемента с парами воды его расфасовывают в многослойные бумажные или полиэтиленовые мешки. Затворение вяжущего вещества (цемента). Промышленное использование вяжущего (цемента) начинается при смешивании его с водой (затворении). Начальная смесь воды и мельчайших частиц цемента образует суспензию или пасту. На первом этапе происходит адсорбция молекул воды на поверхности цементных частиц. В соответствии с общим законом природы любая система стремится к состоянию с наименьшей энергией. Применительно к цементным частицам, затворенным водой, это достигается путем присоединения (адсорбции) молекул воды атомами поверхности. Вследствие этого вокруг каждой частицы образуется слой прочносвязанной воды за счет ионно-дипольного взаимодействия полярных молекул Н2О с атомами поверхности частиц. На образование этого слоя тратится большая часть свободной поверхностной энергии, но не вся. Остаток этой энергии распространяет свое действие за пределы адсорбционного слоя, формируя слой рыхлосвязанной (диффузионной или сольватной) воды. Молекулы этого слоя удерживаются дипольным взаимодействием. Совокупность этих слоев образует вокруг каждой частицы гидратную оболочку. Между частицами находится свободная вода. Такая концентрированная водная суспензия называется цементным тестом. Взаимодействие цементных частиц осуществляется посредством контактов их гидратных оболочек, что обеспечивает высокую пластичность (текучесть) цементного теста. Со временем за счет взаимодействия (объединения) гидратных оболочек частиц подвижность цементного теста снижается, оно загустевает. Это можно предотвратить механическим воздействием, например, путем перемешивания цементного теста. Вода, как известно, имеет относительную диэлектрическую проницаемости ε = 81, т. е. в присутствии воды силы взаимодействия между частицами клинкера уменьшаются в 81 раз. С другой стороны, адсорбированные молекулы воды связаны с ионами поверхности клинкерных частиц совместным действием ионного и дипольного взаимодействий. Вследствие этого взаимодействие частиц поверхности клинкера с водой оказывается значительно выше, чем взаимодействие между самими ионами. В результате ионы отрываются от поверхности клинкерных частиц и уходят в раствор. В принципе, таким же образом растворяется соль или сахар в воде. Применительно к портландцементу в растворе оказываются положительно заряженные ионы кальция и отрицательные силикатные ионы алита и белита, окруженные гидратной оболочкой. Диссоциация молекул на ионы сопровождается выделением тепла, что еще больше ускоряет процесс растворения. В ходе этого процесса частицы клинкера уменьшаются в размере, что увеличивает их суммарную поверхность и также ускоряет процесс растворения. Твердение цементного теста. Отвердевание вяжущих веществ проявляется в переходе жидкой фазы (раствора) в твердое состояние (схватывание) с последующим набором прочности цементного камня. В силу сложности данного процесса единой стройной теории его протекания до настоящего времени не создано. Существуют различные точки зрения, однако надежно установлен круг явлений всегда протекающих при твердении цементного теста. Зерна цемента, соприкасаясь своими гидратными оболочками, коагулируют, т. е. притягиваются друг к другу, образуя агрегаты зерен. При этом цементное тесто становится менее подвижным. Этот момент принято считать началом схватывания. На этом этапе связь между зернами легко разорвать, например, путем перемешивания раствора. В спокойных условиях этот процесс развивается, все больше снижая подвижность раствора. Параллельно с этим раствор становится все более насыщенным диссоциированными ионами различных составляющих клинкера. Взаимодействуя с водой, они образуют гидросиликаты кальция, практически нерастворимые в воде. По мере их накопления, они начинают кристаллизоваться на поверхности зерен, образуя цементный гель. С увеличением плотности этих образований величина доступной поверхности зерен уменьшается, и процесс адсорбции молекул воды замедляется. С течением времени количество воды в цементном тесте уменьшается как за счет процессов ее адсорбции, так и за счет высыхания. Гидратные оболочки вокруг зерен становятся все тоньше. Частицы цемента вступают в непосредственный контакт, и кристаллизующийся раствор обеспечивает все более прочную их связь. Момент полной потери подвижности цементного теста принято считать концом схватывания и началом формирования цементного камня. Эти процессы сопровождаются другими многообразными физико-химическими явлениями. В частности, за счет осмотического давления в гелевых оболочках молекулы воды могут проникать внутрь цементных зерен, увеличивая их объем. Происходит кристаллизация из раствора гидроксида кальция в виде волокон, пронизывающих всю структуру цементного камня. За счет усадки цементного теста внутри образуются полости (поры), заполненные водой или газом. Все эти и многие другие процессы происходят непрерывно и параллельно. Первоначально образующаяся структура цементного камня является очень рыхлой, но постепенно она уплотняется. В заполненных водой порах продолжаются процессы кристаллизации. Объем пор уменьшается, и возрастает число контактов цементных зерен. Зерна постепенно срастаются, упрочняя цементный камень. 3.1.3. Цементы Портландцемент (ГОСТ 10178-85) представляет собой тонкий порошок темно-серого или зеленовато-серого цвета, содержащий не менее 85 % цементных частиц размером менее 0,08 мм. Для замедления схватывания имеет незначительную (3 – 5 %) добавку гипса. Впервые и практически одновременно (1824 – 1825) портландцемент был получен в России (Егор Челиев) и в Англии (Джозеф Аспдин) путем высокотемпературного обжига до спекания смеси известняка и глины. Полученное вяжущее обладало значительно большей водостойкостью и прочностью, чем известные в то время вяжущие материалы. Это определило все нарастающий рост его производства, и уже к началу ХХ века во всех странах он занял доминирующие позиции. Основные характеристики и разновидности портландцемента. Плотность зерен портландцемента в зависимости от вида и количества добавок составляет 2,7 – 3,2 г/см3; насыпная плотность – 1,0 – 1,1 г/см3; при уплотнении может достигать 1,7 г/см3. Тонкость помола портландцемента 0,08 мм (по стандарту через сито с такими отверстиями должно проходить не менее 95 % пробы цемента). При этом удельная поверхность зерен обычного портландцемента составляет 2000 – 3000 см2/г; у быстротвердеющего – 3500 – 5000 см2/г. Сроки схватывания при 20 оС: начало – не ранее 45 мин; конец – не позднее 10 ч. Прочность цемента характеризуется его маркой, которая определяется при испытании на сжатие и изгиб образцов, изготовленных из цементно-песчаного раствора состава 1:3 и твердевших в течение 28 суток. Промышленность выпускает портландцемент четырех марок: 400; 500; 550; 600. Цифра соответствует округленной в меньшую сторону прочности образцов при сжатии, выраженной в кгс/см2. В настоящее время промышленностью выпускаются следующие основные виды портландцемента: 1. Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) выпускают двух марок – 400 и 500. За счет увеличения тонкости помола (удельная поверхность зерен до 5000 см2/г) он быстро набирает прочность в первые дни твердения. В трехсуточном возрасте его прочность при сжатии достигает 25 – 28 МПа. Используется БТЦ для изготовления бетонных конструкций повышенной прочности. 2. Сульфатостойкий портландцемент изготовляют из клинкера с пониженным содержанием трехкальциевого силиката и алюмината. За счет этого цемент обеспечивает повышенную стойкость к сульфатной коррозии. Выпускается тех марок: 300, 400 и 500. 3. Пластифицированный портландцемент получают при помоле клинкера с добавкой гидрофильных поверхностно-активных веществ (типа сульфитно-спиртовой барды ССБ). Такой цемент повышает пластичность и удобоукладываемость бетонных и растворных смесей. 4. Гидрофобный портландцемент, напротив, получают при помоле клинкера с добавкой гидрофобных ПАВ (главным образом из отходов нефтепереработки). Такие поверхностно-активные вещества образуют защитные пленки на зернах цемента, что препятствует его намоканию и образованию комков. Такие цементы удобны в хранении. Причем при перемешивании такого цемента с водой защитные пленки сдираются, и гидрофобный портландцемент не теряет свои качества как вяжущего вещества. 5. Шлакопортландцемент получают путем совместного помола портландцементного клинкера с гранулированным доменным шлаком. Добавка шлака (как отхода производства чугуна) удешевляет цемент, но сопровождается снижением его морозостойкости и увеличением сроков твердения. Однако по коррозионной стойкости он превосходит обычный цемент. В настоящее время в России его доля составляет около 1/3 общего выпуска цемента. 6. Пуццолановый портландцемент получают совместным помолом портландцементного клинкера и минеральных добавок типа вулканического туфа, пеплы, золы и др. Свое название он получил от наименования местечка у подножия вулкана Везувия, где с давних пор ведется добыча вулканического пепла как добавки к цементу. Такие добавки снижают стоимость цемента, повышают его коррозионную стойкость, но так же, как и у шлакопортландцемента понижают его прочность и увеличивают сроки твердения. Поэтому пуццолановые цементы применяют в основном для массивных сооружений для подземных и подводных сооружений. Глиноземистый цемент – быстротвердеющее гидравлическое вяжущее, состоящее преимущественно из моноалюмината кальция CaO Al2O3. Свое название он получил от русского названия оксида алюминия Al2O3 – глинозем. Глиноземистый цемент обладает уникальным сочетанием свойств. При почти тех же, что и у портландцемента, сроках схватывания, он очень быстро (лавинообразно) набирает прочность. Уже через сутки глиноземистый цемент набирает до 70 % марочной прочности, и через трое суток его прочность соответствует марке цемента. Усадка глиноземистого цемента при твердении ниже, чем у портландцемента в 3 – 5 раз. Это вызвано тем, что при одинаковой с портландцементом потребности воды, он связывает ее гораздо активнее (30 – 45 % от массы цемента по сравнению с портландцементом – около 20 %). За счет этого глиноземистый цемент обладает меньшей пористостью, и является более устойчивым к коррозии. Однако за счет более высокой энергоемкости процесса его приготовления, он значительно (в 8 – 10 раз дороже портландцемента). Впервые глиноземистый цемент был получен во Франции в 1912 году и назван цемент фондю’ (в Европе он до сих пор так и называется). Этот цемент успешно использовался французами в ходе Первой Мировой войны для срочного восстановления мостов и других инженерных сооружений. В остальной Европе его начали использовать на десяток лет позже. Во-первых, его рецептура была строго засекречена и, во-вторых, в то время только Франция обладала залежами бокситов и сравнительно дешевой электроэнергией (благодаря разветвленной сети гидроэлектростанций). Получение глиноземистого цемента производится плавлением (при температуре 1500 – 1600 оС) или спеканием (при 1200 – 1300 оС) смеси боксита и известняка. На это затрачивается достаточно много энергии. Кроме того, размол клинкера затруднен из-за его высокой твердости, что также требует дополнительных затрат энергии. Все это и определяет высокую стоимость цемента. Использование глиноземистого цемента (из-за высокой стоимости) производится при аварийных и срочных работах, а также в зимних условиях, когда требуется высокая водостойкость. Он используется в основном как добавка при изготовлении расширяющихся и жаростойких цементов. За счет быстрого схватывания в глиноземистом цементе в короткие сроки выделяется большое количества тепла и, если его температура превысит 25 – 30 оС, цемент резко (в 2 – 2,5 раза) теряет прочность цементного камня. Поэтому глиноземистый цемент не рекомендуется использовать в массивных сооружениях, когда тепло не успевает отводиться, а также в жарком климате. Но с другой стороны, при работах в зимних условиях России саморазогрев цемента и его быстрое твердение – весьма полезное качество. |