Сообщение о вяжущих строительных материалах. Свойства минеральных вяжущих. В.1 Технические требования к глине
Назначение вяжущих материалов - связать в монолитное целое все компоненты будущего изделия или конструкции. Различают два вида вяжущих материалов: твердеющие только на воздухе - воздушные и материалы, на свойства которых после начала схватывания вода не может оказать отрицательного воздействия, а в некоторых случаях оказывает даже положительное воздействие - гидравлические. К воздушным относятся глина, гипс и воздушная известь. К гидравлическим - гидравлическая известь и цементы.
Глина - это мягкая, мелкодисперсная разновидность горных пород. При разведении водой образует пластичную массу, легко подвергающуюся любому формообразованию. При обжиге глина спекается, твердеет и превращается в камневидное тело, а при более высоких температурах обжига расплавляется и может достичь стекловидного состояния.
В зависимости от примесей глина принимает разный цвет окраски. Наиболее ценный сырьевой вид глины - белая глина или иначе каолин.
Глина имеет свойство впитывать воду до определённого предела, после которого она уже не в состоянии её впитывать или пропускать через себя. Это свойство глины используется для создания насыпных гидроизоляционных слоёв.
В зависимости от стойкости глины к температуре выделяют глины легкоплавкие, тугоплавкие и огнеупорные. Их температуры плавления соответственно от 13800С до 15500С и выше. Чистый каолин плавится при температуре выше 17500С.
Тугоплавкие глины служат сырьём для изготовления огнеупорных материалов.
Известь получают путём обжига известняка при высоких температурах. Полученную таким образом известь называют известь-кипелка за то, что при контакте с водой идёт активное выделение углекислого газа. Этот процесс называют «гашением». Для большинства случаев применения извести она должна быть «погашена».
Погашенная известь превращается в тесто, которое можно хранить много лет. От продолжительного хранения свойства извести могут даже улучшиться.
Для получения вяжущего раствора известковое тесто смешивают с песком. Такой раствор используют при кладке фундаментов под печи, дымовых труб и применяют для оштукатуривания стен домов и печей.
Гипс получают путём обжига горной породы - гипсового камня и последующего измельчения продукта обжига. Гипс существенно уступает цементу по прочности изделий, полученных при его использовании в качестве вяжущего материала, а также уступает ему в гигроскопичности - способности противостоять прониканию влаги в тело конструкции. Поэтому гипс применяют в конструкциях и растворах, работающих внутри помещений. Гипс бывает марки А - быстротвердеющий (конец схватывания - менее 15 мин) и марки Б - нормальнотвердеющий (конец схватывания - 30 мин). Гипс служит основой растворов для заделки мелких неровностей и трещин бетонных плоскостей стен и потолочных перекрытий, а также оштукатуривания печей.
Цемент - наиболее распространённый вяжущий материал, позволяющий получать изделия и конструкции высочайшей прочности. Цемент - результат мелкодисперсного измельчения продуктов спекания одного из видов глины - мергеля или смеси известняка и глины. Процесс спекания ведётся в специальных печах.
При измельчении к продуктам спекания делаются дозированные добавки гипса, шлака, песка и других компонентов, что позволяет получать цемент с самыми различными свойствами.
В зависимости от исходного сырья и введённых добавок цементы подразделяют на портландцементы и шлакопортландцементы. Среди портландцементов выделяют быстротвердеющие и портландцементы с минеральными добавками.
Бетонные конструкции, в которых используется та или иная марка цемента, могут приобретать уникальные свойства. Прежде всего, это особо прочные бетоны, например, для взлётных полос аэродромов и ракетно-стартовых площадок, морозо-, огне- и солеустойчивые марки.
Для обозначения максимальных прочностных качеств цемента применяется понятие «марка». «Марка 400» обозначает, что в заводской лаборатории при пробном испытании затвердевшего цементного кубика с ребром 100 мм при раздавливании на прессе он выдержал нагрузку не менее 400 кг/см2. Наиболее распространёнными являются марки от 350 до 500. Изготавливается цемент до 600-й и даже 700-й марки.
Все цементы имеют достаточно быстрое время твердения. Начало твердения-схватывания лежит в пределах 40-50 мин, а конец твердения - около 10-12 часов.
Ниже приводится краткое описание наиболее широко применяемых в строительстве цементов.
Портландцемент 400-Д20 рекомендуется для производства монолитных, бетонных и железобетонных конструкций, сборных железобетонных изделий, строительных растворов.
Портландцемент 500-Д5 применяется для строительства гидротехнических сооружений, для производства высокопрочных сборных железобетонных конструкций, монолитных железобетонных сооружений, аварийных ремонтных работ при высокой начальной прочности.
Сульфатостойкий цемент. Применяется для изготовления бетонных и железобетонных конструкций, подвергающихся действию сульфатных вод преимущественно в условиях переменного горизонта воды при систематическом замораживании и оттаивании, или увлажнении и высыхании, а также свай, сооружений опор, мостов, предназначенных для службы в минеральных водах.
Напрягающий цемент. Применяется при строительстве и ремонте подземных ёмкостных сооружений, бассейнов, подвалов, подземных гаражей, безрулонной эксплуатируемой кровли, транспортных и коммуникационных тоннелей, в том числе тоннелей метро; полов общественных зданий, трещиностойких водонепроницаемых стыков, швов всех видов, восстановления их водонепроницаемости.
Тампонажный цемент. Применяется для цементирования нефтяных, газовых и других скважин.
Высокоглинозёмистый цемент ВГЦ . Использование ВГЦ обеспечивает бетонам и растворам быстрое твердение и высокую прочность в ранние сроки, стойкость в агрессивных средах и высокую огнеупорность. Эти свойства делают высокоглинозёмистый цемент ценным материалом при проведении восстановительных работ - при прорывах плотин, труб, для ремонта дорог и мостов, при срочном возведении фундаментов. Большой диапазон рабочих температур (до 1750оC) позволяет широко использовать ВГЦ для футеровки шахтных колодцев, тепловых агрегатов чёрной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, керамической цементной промышленности.
Белый и цветной цемент. Применяется для архитектурно-отделочных и скульптурных работ, покраски кирпичных, шлакоблочных, бетонных и др. оштукатуренных частей здания и сооружений. Белый и цветной цемент - это прочный и долговечный материал, не содержит вредных добавок и хлористых соединений.
Более подробно остановимся на супербелом портландцементе .
Его производитель - датская компания «Ольборг Портланд», многие годы известна на рынке строительных материалов. Фирма выпускает несколько видов обычного цемента. Но наиболее важным продуктом здесь считают всё же супербелый портландцемент. В данный момент этот вид цемента поставляется более чем в 70 стран мира и находит там самое широкое применение, от строительства до реставрации.
Его популярности способствует не только достаточно эксклюзивные свойства, но и широкие возможности применения. Белый цемент является материалом с уникальными характеристиками, которые позволяют использовать его в изготовлении скульптурных элементов, колонн, а также при отделочных работах, например, фасада здания. Эстетические требования, предъявляемые к фасадам и другим парадным строительным элементам, делают применение белого цемента особенно эффективным.
Его использование позволяет получить уникальный продукт с вкраплениями мрамора - «Тераццо», из которого изготавливают различного вида плитки, напольное покрытие, а также лестничные марши. Более того, тот факт, что белая поверхность является более светоотражающей, чем серая, позволяет использовать белый цемент для изготовления ступеней, лестниц, уличных и тротуарных плит и блоков, барьеров безопасности, тоннельных скатов и т. д. Наконец, супербелый портландцемент применяется в известковом растворе, красках на цементной основе, штукатурках, а также в производстве сухих смесей. Именно как составляющий компонент в сухих смесях белый цемент более всего и известен на российском строительном рынке.
Остальные его качества ещё не в полной мере используются отечественными строителями. А все попытки производить продукцию подобного качества непосредственно в нашей стране положительных результатов не дали. Компания «Ольборг Портланд» использует для производства супербелого цемента сверхчистый известняк и тонкомолотый песок. Поэтому неудивительно, что датский супербелый цемент согласуется с местными стандартами на всех рынках его сбыта.
Вяжущие вещества довольно широко используются в строительстве в процессе приготовления различных по составу бетонов и растворов, для изготовления строительных конструкций и изделий.
Вяжущие вещества принято делить на две группы:
1. Органическая группа.
2. Неорганическая группа.
Для неорганических вяжущих веществ характерны следующие признаки:
1. Гидрофильность.
2. Способность при затворении водой образовать легко формующуюся тестообразную пластичную массу.
3. Способность переходить в твердое состояние из тестообразного (пластичного) состояния.
Неорганические вяжущие материалы
Неорганические вяжущие вещества включают воздушные, гидравлические и вяжущие автоклавного твердения.
Минеральные вяжущие вещества используемые широко в строительстве делят на три основные группы в зависимости от их основного свойства твердеть и длительно противостоять различным климатическим факторам:
1. Воздушные вяжущие вещества.
2. Гидравлические вяжущие вещества.
3. Кислотостойкие вяжущие вещества.
Воздушные вяжущие вещества
Воздушные вяжущие вещества способны при взаимодействии с водой твердеть и превращаться постепенно в камневидное прочное тело, способное длительное время сохранять свою прочность в воздушной среде. Если систематически увлажнять изделия и строительные конструкции изготовленные на основе воздушных вяжущих веществ они быстро теряют свою прочность и разрушаются. К воздушным вяжущим веществам принято относить магнезиальные и гипсовые вяжущие, воздушную известь и глину.
По химическому составу воздушные воздушные вяжущие делятся на четыре группы:
◊ Известковые вяжущие, состоящие главным образом из окиси кальция CaO;
◊ Магнезиальные вяжущие, содержащие каустический магнезит MgO;
◊ Гипсовые вяжущие основой которых является сернокислый кальций;
◊ Жидкое стекло -силикат натрия или калия (в виде водного раствора).
Гидравлические вяжущие вещества
Гидравлические вяжущие твердеют и длительное время сохраняют прочность (или даже повышают ее) не только на воздухе но и в воде.По своему химическому составу гидравлические вяжущие вещества представляют собой сложную систему, состоящую в основном из соединений четырех окислов: CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3.
Эти соединения образуют три основные группы гидравлических вяжущих:
〉 Силикатные цементы, состоящие преимущественно (на 75%) из силикатов кальция. К ним относят и его разновидности-главные вяжущие современного строительства.
〈 Алюминатные цементы, вяжущей основой которых являются алюминаты кальция, главным из них является глиноземистый цемент и его разновидности.
3. Строительный гипс (ГОСТ 125-79).
Гипс продается в мешках и бывает очень многих марок. От марки г-25 до марки г-5, что обозначает прочность на сжатие.Чем больше марка тем больше прочность, например гипс с маркировкой г-25-выдерживает прочность на сжатие до 25 кгс/см. Его недостаток состоит в том, что он имеет высокое водопоглощение при этом активно теряет в прочности.
Из гипса отливают различные фигурные формы, для оформления интерьеров домов.Также используется для изготовления различных блоков и плит используемые при кладке перегородок и вентиляционных шахт. Его хранят в мешках или навалом в сухих помещениях. Длительное время гипс хранить нельзя, потому что теряет в прочности и приходит в непригодность. Особенностью гипса является его способность к быстрому схватыванию.
Гидравлические вяжущие материалы
♣ Органические вяжущие материалы
К ним относят различные битумы и дегти темнокоричневого и черного цвета. Используют для устройства гидроизоляционных работ. органические вяжущие вещества водонепроницаемы, водостойки, эластичны и стойкие к атмосферным влияниям. При нагревании вяжущие способны размягчаться (разжижаться) а при охлаждении становятся более вязкими и даже твердыми.
В первую очередь в эту группу можно выделить природные битумы и битумы-продукты переработки нефти. По химическому составу битумы представляют собой высокомолекулярные соединения водорода, кислорода, азота и серы. Природные битумы могут образоваться в естественных условиях в результате отделения от нефти легких и средних по весу фракций (частей).
Но для нужд строительства используют главным образом твердые, полутвердые и жидкие нефтяные битумы (БН), которые делятся на дорожные, строительные и кровельные.
1. Битумы нефтяные строительные используют для различного вида строительных работ и выпускают следующих марок:
БН-50/50, БН-70/30, БН-90/10. Первая цифра показывает температуру размягчения а вторая показывает проникновение в битум иглы.
2. Битумы нефтяные кровельные используют как пропиточные составы для изготовления рубероида и различных покрывочных мастик. Широко используют в основном для производства кровельных работ. выпускают трех марок: БНК-90/180 пропиточный, БНК- 90/40 и БНК-90/30 покровные.
Пропиточные битумы имеют температуру размягчения 40-50 °С, в то время как для покровных битумов температура размягчения составляет 85-90 °С.
Битумы марок БН-50/50, БН-70/30, БН-90/10 соответствуют битумам ранее выпускаемых марок БН-III, БН-IV, БН-V.Гарантийный срок хранения кровельных нефтяных битумов -один год со дня изготовления.
2. Каменноугольный пек -черное твердое и вязкое вещество. Является продуктом перегонки каменноугольного дегтя и имеет разную температуру плавления:
мягкий-45-50 °С, средний-65-75 °С, и твердый-75-90 °С. Считается что, чем больше в пеке антраценового масла, тем он мягче и наоборот,чем меньше тем он тверже. В строительстве пек используют в смеси с тяжелым маслом для пропитки толя, для приготовления дегтевых мастик и других целей. При работе с пеком соблюдают осторожность так как при попадание на кожу мельчайшие его частицы вызывают ожоги. Лучшее время для работы с пеком это сумерки или пасмурная погода.
3. Каменноугольный деготь (каменноугольная смола) представляет собой черную маслянистую жидкость с резким запахом. Получают каменноугольный деготь на коксохимических заводах как побочный продукт при коксовании угля. Используют широко в дорожном строительстве и для приготовления простейших кровельных мастик.
***** РЕКОМЕНДУЕМ выполнить перепост статьи в соцсетях!Вяжущие строительные материалы (вещества) - материалы, образующие при смешивании с водой пластичную массу, которая через некоторое время затвердевает в прочное камневидное тело.
В зависимости от того, в какой среде они затвердевают, вяжущие материалы делятся на следующие:
- воздушные (затвердевают и приобретают прочность только на воздухе);
- гидравлические (после затвердевания на воздухе 
продолжают затвердевать и увеличивать прочность в воде).
К воздушным материалам относятся:
- гипсовые вяжущие;
- магнезиальные вяжущие;
- воздушная известь.
К гидравлическим вяжущим материалам относятся:
- гидравлическая известь;
- романцемент;
- портландцемент и его разновидности.
Также выделяют так называемые специальные виды цементов:
- тампонажные;
- напрягающие;
- расширяющиеся.
В строительные растворы и бетоны, изготавливаемые из вяжущих веществ, нередко вводят различные добавки. Это делается для того, чтобы уменьшить расход вяжущих и придать растворам особые смеси.
Гипсовые и ангидритовые вяжущие материалы
Гипсовые вяжущие изготавливают из гипсового камня и других гипсосодержащих пород, а также из отходов химических производств (фосфогипса, борогипса, фторангидрита и др.).
Строительный гипс
Данный материал получают путем термической обработки дробленого или предварительно размолотого гипсового камня при температуре 140-190 °С.
Строительный гипс используют для производства:
- гипсовых изделий, которые выполняются из гипсового теста;
- гипсовых растворов и бетонов;
- растворов для штукатурных и кладочных работ.
По прочности строительный гипс делится на три сорта:
- 1-й сорт (предел прочности при сжатии в возрасте 1,5 часа не менее 5,3 МПа);
- 2-й сорт (не менее 4,5 МПа);
- 3-й сорт (не менее 3,5 МПа).
Независимо от сорта, схватывание гипса должно начинаться не ранее 6 и не позднее 30 минут с начала затвердевания гипсового теста.
Ангидритовый строительный цемент
Этот вяжущий материал получают в результате обжига гипсового камня или ангидрита с последующим тонким измельчением (с добавками, ускоряющими твердение, или без них).
Магнезиальные вяжущие
К данной группе материалов относятся магнезит каустический и доломит каустический.
Каустический магнезит получают при обжиге горной породы магнезита с последующим измельчением в тонкий порошок.
Каустический доломит получают путем обжига природного доломита также с последующим измельчением его в тонкий порошок.
Магнезиальные вяжущие затворяют не обычной водой, а водными растворами солей сернокислого или хлористого магния (в последнем случае прочность материала повышается). Магнезиальные вяжущие слабо сопротивляются воздействию воды, поэтому их допустимо использовать только при твердении на воздухе с относительной влажностью менее 60%.
Магнезиальные вяжущие используют главным образом в производстве фибролитовых плит, каустический доломит также находит применение при изготовлении строительных растворов и в производстве бетонных камней.
Воздушная известь
Данный материал получают путем обжига известняка, мела, ракушечника. Использование воздушной извести обеспечивает затвердевание строительных растворов и сохранение ими прочности в условиях нормальной влажности.
По химическому составу воздушную известь разделяют на следующие разновидности:
- кальциевую;
- магнезиальную;
- доломитовую.
Обожженный продукт в дальнейшем подвергают различным видам обработки, поэтому выделяют:
- негашеную комовую известь (кипелку);
- негашеную молотую известь (молотую комовую);
- гидратную, или гашеную, известь-пушонку (порошок, получаемый в результате гашения комовой извести водой);
- известковое тесто (продукт гашения комовой извести, имеющий тестообразную консистенцию);
- известковое молоко (суспензию, содержащую гидроксид кальция как в растворенном, так и во взвешенном виде).
Воздушную негашеную известь разделяют на три группы в зависимости от времени гашения:
- быстрогасящуюся (время гашения составляет не более 8 минут);
- среднегасящуюся (время гашения составляет не более 25 минут);
- медленногасящуюся (время гашения составляет более 25 минут).
Известь находит широкое применение в строительстве. Ее используют для кладочных растворов (как правило, кальциевую, с содержанием оксида магния не более 5%) и для отделочной штукатурки (магнезиальную).
Гидравлические вяжущие
Вещества, относящиеся к данной группе, производят путем обжига органических материалов с последующим их тонким помолом.
Гидравлическая известь
Этот материал производят из мергелистых известняков (содержание глины и песчаных примесей - от 6 до 20%). Гидравлическая известь подразделяется на слабогидравлическую и сильногидравлическую. Ее применяют в следующих случаях:
- для приготовления кладочных и штукатурных растворов;
- для приготовления бетонов низких марок, предназначенных для твердения как на воздухе, так и в условиях повышенной влажности.
Цемент
Цемент используют для приготовления строительных растворов, бетонных смесей, для изготовления бетонных и железобетонных изделий. Выделяют виды цемента по составу, прочности при твердении, скорости твердения и т. п.
Наиболее распространены следующие виды цемента:
- портландцемент;
- шлакопортландцемент;
- глиноземистый цемент.
Портландцемент
Гидравлическое вяжущее вещество, продукт тонкого измельчения клинкера с добавлением гипса (от 3 до 5%), регулирующего сроки схватывания цемента. По составу различают портландцемент без добавок, с минеральными добавками, шлакопортландцемент и другие.
Начало схватывания портландцемента в растворе при температуре воды 20 °С должно наступать не раньше 45 минут с момента приготовления раствора и заканчиваться не позднее чем через 10 часов.
Если при изготовлении раствора используется вода с температурой более 40 °С, схватывание может наступить слишком быстро.
Прочность портландцемента характеризуется марками 400, 500, 550 и 600. Для того чтобы приблизить российские стандарты к европейским, цемент разделен на классы - 22,5, 32,5,42,5, 55,5 МПа.
Быстротвердеющий портландцемент
Портландцемент с минеральными добавками, отличающийся повышенной прочностью. Он достигает более половины запланированной прочности через 3 суток твердения.
Быстротвердеющий цемент выпускается марок 400 и 500.
Особобыстротвердеющий высокопрочный портландцемент
Применяется в производстве сборных железобетонных конструкций и при зимних бетонных работах.
Выпускается марки 600.
Шлакопортландцемент
В его состав входят доменный шлак и природный гипс, добавленные для регулирования сроков схватывания раствора. Выпускается марок 300, 400 и 500.
Быстротвердеющий шлакопортландцемент
Отличается повышенной прочностью уже через 3 суток твердения.
Выпускается марки 400.
Глиноземистый цемент
Включает в свой состав сплав, полученный из сырья известняка и пород, богатых глиноземом. Выпускается марок 400, 500 и 600.
Гипсоглиноземистый цемент
Данный материал получают путем смешивания высокоглиноземистых шлаков и природного гипса. Начало схватывания гипсоглиноземистого цемента должно наступать не раньше чем через 10 минут, конец - не позднее чем через 4 часа после приготовления раствора.
Белый портландцемент
Выпускается двух видов:
- белый портландцемент;
- белый портландцемент с минеральными добавками. По степени белизны белые цементы разделяются на три
сорта (по убыванию). Начало схватывания белого портландцемента должно наступать не раньше чем через 45 минут, конец - не позднее чем через 12 часов после приготовления раствора.
Цветной портландцемент
Данный материал бывает красного, желтого, зеленого, голубого, коричневого и черного цветов. Применяется для изготовления цветных бетонов и растворов, отделочных смесей и цементных красок.
Выпускается марок 300, 400 и 500.
Расширяющийся цемент
Материалы, относящиеся к данной группе, обладают способностью увеличиваться в объеме в процессе твердения во влажных условиях. Полное расширение данного вида цемента составляет 0,2-2%. Обладает высокой водонепроницаемостью. Выпускаются марок 150, 200, 300 и 400.
Лекция 17
Вяжущими материалами (или просто вяжущими) называют тонкодисперсные порошкообразные вещества или композиции веществ, образующие при взаимодействии с жидкостями высокополимерные твердые материалы. В качестве вяжущих материалов могут быть вещества органической, элементоорганической и неорганической природы. В качестве жидкости для неорганических вяжущих материалов обычно используют воду, иногда - ортофосфорную кислоту.
Алебастр. Встречающийся в природе гипс CaSО 4 ·2Н 2 О частичным обезвоживанием при 160°С переводят в так называемый жженый гипс - смесь CaSО 4 ·0,5Н 2 О и высокодисперсного CaSO 4 , или алебастр:
2CaSО 4 · 2Н 2 О = CaSО 4 · 0,5Н 2 О + CaSО 4 + 3,5Н 2 О
Жженый гипс довольно быстро затвердевает, снова превращаясь в CaSО 4 ·2Н 2 О. Благодаря этому свойству гипс применяется для изготовления отливочных форм и слепков с различных предметов, а также в качестве вяжущего материала для штукатурки стен и потолков. Получают также гипсобетонные изделия, содержащие в материале кроме гипса различные наполнители. В хирургии при переломах используют гипсовые повязки.
Известковый раствор . Смесь гашеной извести с песком и водой называется известковым раствором и служит для скрепления кирпичей при кладке стен. Гашеную известь применяют также в качестве штукатурки. Затвердевание извести происходит сначала из-за испарения воды, а затем в результате поглощения гашеной известью диоксида углерода из воздуха и образования карбоната кальция:
Са(ОН) 2 + СО 2 = СаСОз + Н 2 О.
Вследствие небольшого содержания СО 2 в воздухе процесс затвердевания протекает очень медленно, а так как при этом выделяется вода, то в зданиях, построенных с применением известкового раствора, долго держится сырость. При затвердевании известкового раствора также протекает процесс:
Са(ОН) 2 + SiО 2 = CaSiО 3 + Н 2 0.
Цемент. К важнейшим материалам, изготовляемым силикатной промышленностью, относится цемент, потребляемый в огромных количествах при строительных работах.
Обычный цемент (силикатцемент) получают путем обжига смеси глины с известняком. При обжиге цементной смеси карбонат кальция разлагается на диоксид углерода и оксид кальция; последний вступает во взаимодействие с глиной, причем получаются силикаты и алюминаты кальция.
Цементная смесь обычно приготовляется искусственно. Но местами в природе встречаются известково-глинистые породы - мергели, которые по составу как раз подходят к цементной смеси.
Химический состав цементов выражают обычно в процентах (масс.) содержащихся в них оксидов, из которых главными являются СаО, Аl 2 Оз, SiO 2 и Fе 2 Оз.
При замешивании силикатцемента с водой получается тестообразная, через некоторое время затвердевающая масса. Переход ее из тестообразного состояния в твердое называется «схватыванием».
Процесс затвердевания цемента протекает в три стадии. Первая стадия заключается во взаимодействии поверхностных слоев частичек цемента с водой согласно схеме:
ЗСаО · SiO 2 + nН 2 О = 2СаО · SiO 2 · 2Н 2 О + Са(ОН) 2 + (n - 3)Н 2 О.
Из содержащегося в цементном тесте раствора, насыщенного гидроксидом кальция, последний выделяется в аморфном состоянии и, обволакивая цементные зерна, превращает их в связанную массу. В этом состоит вторая стадия - схватывание цемента. Затем начинается третья стадия - кристаллизация или твердение. Частицы гидроксида кальция укрупняются, превращаясь в длинные игольчатые кристаллы, которые уплотняют массу силиката кальция. Вместе с тем нарастает механическая прочность цемента.
При употреблении цемента в качестве вяжущего материала его обычно смешивают с песком и водой; эта смесь называется цементным раствором.
При смешивании цементного раствора с гравием или щебнем получают бетон. Бетон - важный строительный материал: из него строят своды, арки, мосты, бассейны, жилые дома и т. п. Сооружения из бетона с основой из стальных балок или стержней называются железобетонными.
Кроме силикатцемента, выпускаются и другие виды цементов, в частности глиноземистый и кислотоупорный.
Глиноземистый цемент получают сплавлением тонко размолотой смеси боксита (природного оксида алюминия) с известняком. Этот цемент содержит в процентном отношении больше оксида алюминия, чем силикатцемент. Главными соединениями, входящими в его состав, являются различные алюминаты кальция. Глиноземистый цемент затвердевает гораздо быстрее, чем силикатный. Кроме того, он лучше противостоит действию морской воды. Глиноземистый цемент гораздо дороже силикатцемента, поэтому он применяется в строительстве лишь в специальных случаях.
Кислотоупорный цемент представляет собой смесь тонко размолотого кварцевого песка с «активным» кремнеземистым веществом, обладающим высокоразвитой поверхностью. В качестве такого вещества применяют или трепел, подвергнутый предварительно химической обработке, или искусственно полученный диоксид кремния. После прибавления к указанной смеси раствора силиката натрия получается пластичное тесто, превращающееся в прочную массу, противостоящую всем кислотам, кроме фтороводорода.
Кислотоупорный цемент применяется в качестве вяжущего вещества при футеровке химической аппаратуры кислотоупорными плитками. В ряде случаев им заменяют более дорогой свинец.
Магнезиальный цемент . Технический продукт, получаемый путем замешивания прокаленного при 800°С оксида магния с 30% (масс.) водным раствором хлорида магния, носит название магнезиального цемента (цемента Сореля). Такая смесь через некоторое время затвердевает, превращаясь в плотную белую, легко полирующуюся массу. Затвердевание можно объяснить тем, что основная соль, первоначально образующаяся согласно уравнению
MgO + MgCl 2 + H 2 O = 2MgCl(OH),
затем полимеризуется в цепи типа - Mg - О----- Mg – O – Mg -, на концах которых находятся атомы хлора или гидроксильные группы.
Магнезиальный цемент в качестве вяжущего материала применяется при изготовлении мельничных жерновов, точильных камней, различных плит. Его смесь с древесными опилками (ксилолит) используют для покрытия полов.
Металлофосфатные вяжущие материалы . Широкое применение находят вяжущие материалы на основе оксидов различных металлов и ортофосфоной кислоты (или ее солей). Особенностями получаемых на их основе веществ являются повышенная адгезия к различным материалам, жаропрочность и жаростойкость.
Впервые фосфатные вяжущие материалы были применены в зубоврачебной практике (их так же, как и магнезиальный цемент, называют цементом Сореля) на основе гидрофосфата и гидроксофосфата цинка. Этот цемент получается из оксидов цинка, магния, кремния и висмута. Смесь после обжига измельчают в порошок и обрабатывают ортофосфорной кислотой. Образующаяся пластичная масса схватывается за 1-2 мин.
Растворы цинкфосфатных и алюмофосфатных связующих с мольным отношением оксидов цинка и алюминия к оксиду фосфора (V) 1:5 после нанесения на древесину создают тонкослойное (толщиной менее 1 мм) покрытие, переводят древесину в категорию трудносгораемых материалов.
Производство алюмохромфосфатного вяжущего материала сводится к получению смеси соединений хрома (+3), гидроксида алюминия и ортофосфорной кислоты. Полученный вязкий прозрачный раствор зеленого цвета отвечает составу Аl 2 Оз·0,8Cr 2 O 3 ·3P 2 O 5 . На основе фосфатных связок разработаны антикоррозионные, огнезащитные и декоративные покрытия и краски, жаростойкие бетоны, обмазки, клеи и керамические огнеупорные, теплоизоляционные и конструкционные материалы.
Органические вяжущие материалы
Битумы – это вяжущие, состоящие из различных углеводородов и кислородных органических соединений азота и серы. Они растворимы в органических растворителях и подразделяются на природные и нефтяные. Битумы – сложные органические вяжущие, представляющие собой коллоидные системы, в которых дисперсионной средой являются масла и смолы, а дисперсной фазой – асфальтены. Масляные фракции битумов состоят из углеводородов со средней молекулярной массой 600 а.е.м.. У смол она около 800 а.е.м.. Сера, кислород и азот входят в состав активных групп OH, NH, SH, COOH. В битумах имеются углеводороды метанового, нафтенового и бензольного рядов и представляют свыше нескольких сот тысяч соединений.
Свойства битумов оценивают по температуре размягчения, твердости и растяжимости, которые характеризуют их пластичность и способность связывать минеральные материалы. Парафины ухудшают свойства битумов, повышая хрупкость при низкой температуре. С течением времени происходит медленное изменение свойств битумов –их старение. Хрупкость и твердость битумов при этом возрастают.
Асфальт – смесь битума и тонко измельченных минеральных материалов, которые придают им прочность при изменении температуры. Разновидностями природных асфальтов являются горные смолы, асфальтиды, асфальтовые породы. В асфальтовых породах преобладают минеральные вещества типа известняков и песчаников (до70-80%). Асфальты получают также искусственно путем смешения порошкообразного известняка с битумом, количество которого колеблется в пределах от 13 до 60%.
Асфальтены – наиболее высокомолекулярные вещества природной нефти, массовый вес которых колеблется в пределах 600-6000а.е.м. В зависимости от химического состава нефти они могут находиться в виде истинных или коллоидных растворов. Асфальтены в основном состоят из С (80-86%), О(1-9%), N(lj 2%), S(0-9%),количество которых зависит от состава нефти. Асфальтены рассматривают как продукты конденсации нефтяных смол. Это темно-бурые порошки, легко растворимые в бензоле, хлороформе, сероуглероде, что используется для выделения из нефти и нефтепродуктов.
Асфальтовые растворы приготовляют из смеси нефтяного битума с тонкодисперсными минеральными добавками (известняк, шлаки, кварцевый песок и т.п.). Их включение в битумы повышает твердость и температуру размягчения раствора. Асфальтовые растворы водоенпроницаемы, атмосферостойки, достаточно прочны и применяются для покрытия тротуаров, нанесения гидроизоляции и защиты от коррозии.
Если в асфальтовый раствор ввести крупный заполнитель, то получают асфальтобетоны , которые затем укладывают в горячем виде при покрытии автодорог. На основе битумов и латексов производят рубемаст, стеклобит, стеклопласт, битумно-полимерный элабит, обладающий высокой эластичностью на холоде при большой механической прочности.
Новый рулонный гидроизоляционный материал фольгорубероид изготовляют из алюминиевой фольги, битумного вяжущего и картона. Он применяется для защиты и теплоизоляции трубопроводов при температурах от - 40 до +70 о С. Выпускается также битумная черепица различного цвета, стойкая в суровых климатических условиях.
Занятие №13
Минеральные вяжущие вещества применяются в качестве кладочных и штукатурных растворов. В зависимости от возможных условий формирования структуры искусственного камня в них выделяют воздушные (известь воздушная, гипс, магнезиальные вяжущие вещества - формирование искусственного камня происходит в сухой среде) и гидравлические - отличаются более сложным составом, искусственный камень образуется и сохраняется как в сухой, так и во влажной среде (гидравлическая известь и цементы: портландцемент, шлакопортландцемент, специальные цементы).
В большинстве случаев в строительстве применяют смеси минерального вяжущего вещества, воды и заполнителя. Необходимость использования заполнителя вызвана двумя основными причинами:
1) вяжущие вещества в смеси только с водой при отвердении имеют повышенную склонность к набуханию и усадке, что приводит к образованию трещин и разрушению конструкций. Заполнители уменьшают усадочные явления;
2) использование заполнителя уменьшает расход вяжущего вещества, а следовательно, и стоимость сооружений.
Смесь вяжущего вещества, воды и мелкого заполнителя (песка) называется строительным раствором, а смесь вяжущего вещества, воды, песка и крупного заполнителя (щебня, гравия) - бетоном.
При оценке качества минеральных вяжущих рассматривают следующие основные показатели.
1. Тонкость помола (дисперсность) определяют просевом навески вяжущего через сито со стандартным размером ячеек и характеризуют остатком на сите (в % массы пробы). Кроме того, тонкость помола оценивают удельной поверхностью порошка.
2. Водопотребность представляет собой количество воды в % массы вяжущего, необходимое для получения теста стандартной консистенции. Для различных вяжущих методики оценки консистенции различны, что, объясняется неодинаковыми способами укладки смесей в производственных условиях. Использование теста стандартной консистенции обеспечивает сопоставимые условия при определении сроков схватывания, прочности и других свойств вяжущих. Сроки схватывания показывают, как быстро вяжущее тесто теряет пластичность, становясь жестким и неудобообрабатываемым. Начало и конец схватывания определяют в значительной степени условно по изменению во времени глубины проникания иглы прибора Вика в тесто стандартной консистенции.
3. Прочность - это основная характеристика качества вяжущих веществ, по которой устанавливают их марку. Так как прочность вяжущих изменяется во времени, то марка находится по прочности, достигнутой за определенное время при твердении в условиях, зафиксированных в соответствующем стандарте. Для вяжущих, твердеющих с различной скоростью, марка контролируется в разном возрасте: для гипсовых вяжущих - после 2 ч твердения на воздухе, а для портландцемента - после 28 сут пребывания во влажных условиях.
Воздушная известь является местным вяжущим веществом. Ее получают обжигом при температуре 1000-1200 °С кальциево-карбонатных пород (известняка, мела и др.), содержащих не более 8 % глинистых примесей. Воздушная известь может выпускаться в виде кусков белого или серого цвета и называется комовой; или, если комовую известь измельчить, получается молотая известь. В порошкообразное состояние воздушная известь может превращаться гашением. Гашение извести протекает бурно, с выделением тепла и образованием гидроксида кальция по реакции:
СаО + Н 2 О = Са(ОН) 2 + 15,5 ккал.
Если для гашения взять 40-70 % воды от веса извести, то получается тонкий порошок, который называется гидратной известью.
В зависимости от содержания активных оксидов Са и Mg и непогасившихся зерен воздушная и гидратная известь делится на два сорта: I и II. Для воздушной извести содержание оксидов должно быть не менее 70 % для I сорта и 52% - для второго сорта, а для гидратной извести соответственно 55% и 40%.
Применяется известь для приготовления растворов для кладки и штукатурки, получения силикатного кирпича и смешанных цементов.
Строительный гипс (устаревшее название - алебастр) получают при обжиге двухводного гипсового камня при температуре 120- 170 °С. В результате обжига происходит гидратация и двуводный гипсовый камень переходит в полуводное состояние по реакции: 2(CaSО 4 *2H 2 О) = 2(CaSО 4 *0,5H 2 О) + 3H 2 О.
Строительный гипс относится к быстротвердеющим вяжущим - начало схватывания 4-6 минут, а конец - 30 минут. Строительный гипс делится на три сорта: I, II и III. Для I сорта тонкость помола должна быть не более 15 %, для II сорта - 20 % и для III сорта - 30%. Предел прочности при сжатии соответственно 5,5 МПа, 4,5 МПа и 3,5 МПа.. Применяют строительный гипс при оштукатуривании помещений и получения сухой гипсовой штукатурки, перегородочных плит.
Формовочный гипс от строительного отличается более тонким помолом и более высокой прочностью. Время схватывания формовочного гипса должно быть не менее 30 мин. Применяется формовочный гипс для скульптурных и лепных работ, изготовления форм для керамической промышленности.
Ангидритовый цемент получают при обжиге двуводного гипсового камня при температуре 600-700 °С и последующим помолом с добавлением извести и шлака и других активизаторов твердения. По пределу прочности на сжатие (МПа) он делится на четыре маркий, 10, 15, 20. Применяется для кладки и оштукатуривания внутренних стен и изготовления художественных изделий.
Недостатком гипсовых вяжущих является их низкая водостойкость, т.е. их можно применять в помещениях с влажностью не более 60-70%. Поэтому были разработаны более стойкие гипсовые вяжущие, к ним относятся полимергипс и гипсоцементно-пуццолановые вяжущие.
Полимергипс получают при смешивании строительного гипса с фенольно-фурфурольной смолой (17-20 %). Этот материал в отличие от строительного гипса имеет высокую прочность на сжатие -30 МПа и большую водостойкость. Используется в производстве облицовочных плиток, а также для отделочных работ в помещениях с повышенной относительной влажностью воздуха.
Магнезиальные вяжущие вещества получают путем обжига магнезита (MgCО 3) или доломита (CaCО 3 MgCО 3) при температуре 800-850 °С. Продукт обжига соответственно называется каустическим магнезитом или каустическим доломитом. Магнезиальные вяжущие хорошо сцепляются с древесными, асбестовыми и другими волокнами и применяются для получения теплоизоляционных материалов (фибролит), устройства теплых полов (ксилолит). Магнезиальные вяжущие затворяются не водой, а растворами солей хлористого и сернокислого магния. Начало затвердевания этого материала не ранее 20 мин и не позднее 6 ч. Магнезиальные вяжущие имеют высокий предел прочности на сжатие 40-60 МПа. Недостатком материала является малая водостойкость, поэтому он используется только в сухих условиях.
Портландцемент - основной вид гидравлических вяжущих веществ. Представляет собой тонкий порошок серого цвета с зеленоватым оттенком. Получается помолом обожженной до спекания при температуре 1450 °С смеси известняка (углекислый кальций) 75% и 25% глины. Портландцемент с необходимыми свойствами можно получить в том случае, когда содержание основных оксидов будет в следующих количествах: СаО - 60-67%, SiО 2 - 12-24%, Аl 2 О 3 - 4-7% и Fe 2 О 3 -2-6%. Вредными примесями являются MgO и SО 3 , содержание которых соответственно допускается не более 5 и 3,5%. Повышенное содержание их вызывает неравномерное изменение объема при затвердевании и повышает сульфатную коррозию.
По прочности при сжатии в 28-суточном возрасте цемент подразделяется на марки: 400, 500, 550 и 600. Начало схватывания Цемента должно наступить не ранее 45 минут, а конец - не позднее 10. ч от начала затворения. Остаток на сите № 008 не должен быть более 15%.
Шлакопортландцемент представляет собой портландцемент (20- 85 %) с добавками шлаков (15-80 %). По свойствам похож на портландцемент, но является более дешевым. Выпускается трех марок: 300, 400 и 500.
Жидкое стекло – это водный раствор силиката натрия, изготавливается путем обжига смеси, состоящей из кварцевого песка и соды. Полученное стекло после дробления растворяют в воде.
В строительстве жидкое стекло применяют для защиты фундаментов от грунтовых вод, гидроизоляции стен, полов и перекрытий подвальных помещений, устройства бассейнов. Оно удачно подходит для склеивания и связки строительных материалов, изготовления кислотоупорных, огнестойких и огнеупорных силикатных масс. Им модно склеивать бумагу, картон, стекло, фарфор, пропитывать ткани, бумагу, картон, деревянные изделия для придания им большей плотности и огнестойкости. Жидкое стекло успешно используется для изготовления силикатных красок, клеев.
