Конспект строительные материалы

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
для бакалавров направления «Строительство»
Разработал: доц. А.И. Макеев
Рекомендуемая литература:
1. Микульский В.Г. Строительные материалы (материаловедение и технология): Учебное пособие. – М.: ИАСБ, 2002. – 536 с.
2. Строительное материаловедение : учеб. пособие для вузов : рек. УМО / Под общ. ред. В.А.
Невского. – Ростов н/Д: Феникс, 2009. – 589 с.
3. Рыбьев, И.А. Строительное материаловедение: учеб. пособие для бакаплавров / И.А. Рыбьев.
4-е изд. – М.: Издательство Юрайт, 2012. - 701 с.
ВВЕДЕНИЕ.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ "СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ"
Строительство – это сфера человеческой деятельности, направленной на формирование
искусственной среды обитания. Цели и задачи строительства обозначил римский архитектор и
военный инженер Марк Витрувий Поллион:
Польза – прочность – красота
Предназначением строительных конструкций является исполнение функций нести силовую нагрузку, защищать от атмосферных воздействий (холод, жара, осадки), защищать от
внешних вредных воздействий (шум, пыль, вредные вещества). Для того чтобы конструкции
успешно и надежно выполняли эти функции, они должны быть изготовлены из материалов, обладающих определенным набором свойств, соответствующих поставленным задачам. Таким
образом, понятия "материал" и "свойства" оказываются ключевыми, базисными в осуществлении человеком строительной деятельности. Ни одно сооружение нельзя правильно спроектировать, построить и эксплуатировать без наличия соответствующих строительных материалов.
В связи с этим, при качественном осуществлении строительства, реконструкции жилья и
правильной его эксплуатации высококвалифицированный инженер-строитель:
 выбирает оптимальный материал для конструкции, работающей в заданных условиях
эксплуатации, по комплексу его механических, теплотехнических, акустических и
других свойств;
 правильно оценивает условия эксплуатации материала в конструкции и сооружении,
определяет степень агрессивности влияния среды и рекомендует способы защиты конструкций от разрушения;
 принимает материал, то есть оценивает его свойства;
 правильно транспортирует и хранит изделия, чтобы не допустить снижения их качества;
 учитывает влияние качества материала на долговечность и надежность строительных
изделий и конструкций.
Для этого инженер-строитель должен:
- знать основные свойства строительных материалов, технологические методы их изготовления;
- иметь навыки испытания строительных материалов и изделий, знать принцип работы
приборов и оборудования для проведения испытаний;
- знать методы и способы защиты материалов и изделий от разрушения.
Все это и является задачей изучения курса «Строительные материалы».
Материалы – это вещества, идущие на изготовление чего-либо. Строительные материалы идут на изготовление строительных изделий и конструкций. Это организованная (структу-
рированная) система из составных частей (композиция), образующая целое и наделяемое функциональными характеристиками (свойствами).
Свойства – внутренние, присущие данному материалу особенности, обусловливающие
его различие или общность с другими материалами и проявляющиеся как ответные реакции на
воздействия внешних полей или сред. Более простое определение: свойства - это способность
материала определенным образом реагировать на отдельные или совокупные внешние или
внутренние воздействия.
Зависят свойства материала от его состава и структуры. Состав и структура материала
формируются в ходе процессов его структурообразования и изменяются в процессе его эксплуатации. Движущей и регламентирующей силой процессов структурообразования являются
рецептурно-технологические факторы – сырьевой состав, температура, давление и т.д. Целенаправленное регулирование рецептурно-технологических факторов составляет сущность управления технологическими процессами получения материала с задаваемыми свойствами. Соответствие уровня полученных в результате технологических процессов и требуемых свойств
реализуется через оценку качества материала и вывод о его пригодности для использования в
тех или иных условиях.
Под влиянием нагрузок в материале формируются деформации, напряжения, происходят
необратимые вещественные превращения, накапливаются повреждения, приводящие к износу
материала в конструкции. Назначение обуславливает набор эксплуатационных факторов среды,
воздействующей на материал, и определяет существо эксплуатационных процессов изменения
материала в форме изменения состава, структуры, состояния его и как следствие изменения
свойств.
Материаловедение - это наука, рассматривающая закономерные связи свойств материала с его составом, структурой и состоянием; механизм проявления свойств в ходе применения
материала, т.е. при взаимодействии материала со средой.
Технология – это процесс выполнения последовательных операций, в результате которых появляется готовая продукция. В более широком толковании технология – учение, область
знания о мастерстве получения материалов с наперед заданными свойствами из исходного сырья посредством определенных воздействий на него.
Содержанием курса «Строительные материалы» является раскрытие номенклатуры
строительных материалов, сведения об их составе, структуре и свойствах, технологии получения и областях рационального применения в строительстве.
ТЕМА №1 СОСТАВ, СТРУКТУРА, СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
1.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Состав - совокупность чего-либо, образующая нечто целое. По своему составу материал
может характеризоваться с позиций его химических, минералогических, морфологических, гранулометрических и других особенностей.
Фаза – термодинамически равновесное состояние вещества, характеризующееся агрегатным состоянием, атомным (молекулярным) составом и строением, а также отделенное пространственными границами от других возможных равновесных состояний (фаз) того же вещества. Фазовый состав материала характеризует содержание в нем твердой, жидкой и газовой
фазы. В этом смысле все строительные материалы состоят из твердого вещества, образующего
стенки пор, т.е. "каркас" материала, и пор, заполненных воздухом (это газовая фаза) и водой
(жидкая фаза). Содержание этих фаз оказывают влияние на все свойства и поведение материала
при эксплуатации.
Химический состав строительных материалов отражает содержание в них химических
элементов, оксидов, соединений. По химическому составу материалы делятся на органические
и неорганические.
Органические материалы состоят преимущественно из углеводородов и их производных.
Соответственно, им свойственны горючесть, старение под действием солнечного света и атмосферного кислорода и т.д. примеры органических материалов: полимеры (линолеум), толь, рубероид, пластмассы (пластиковые окна).
Неорганические строительные материалы можно разделить на металлические и минеральные (неметаллические). Металлические материалы характеризуются высокой плотностью,
прочностью, однако они обладают низкой термостойкостью и подвержены коррозии. В строительстве используются стальные и алюминиевые конструкции, стальная арматура, чугунные
изделия.
Химический состав практически всех минеральных строительных материалов можно
представить как совокупность кислотных и щелочных оксидов. Подавляющее большинство
строительных неорганических материалов относится к классу силикатов - соединений, образованных SiO2 и оксидами других элементов. Они негорючи, термостойки, долговечны. Это керамические материалы, стекло, бетоны на минеральных вяжущих.
Для минеральных материалов важнейшей характеристикой служит минералогический
состав, который показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в вяжущем веществе или в каменном материале. Минералы - это химические соединения кристаллической
структуры. 1/3 всех минералов Земли составляют природные силикаты. Все минералы отличаются друг от друга по составу, структуре и свойствам, поэтому преобладание в материале тех
или иных минералов определяет его строительные свойства. Чем больше прочных минералов,
тем прочнее материал.
Морфологический характеризует форму структурных компонентов с точки зрения их
геометрии: волокнистые, пластинчатые, призматические формы образований в составе материала.
Гранулометрический (дисперсный) отражает размер входящих в материал частиц.
Структура - строение - это пространственное объемное взаиморасположение в материале фаз (компонентов) и связь их друг с другом. При одном и том же составе, но разной
структуре материал буде обладать и разными свойствами. Все материалы характеризуются полиструктурностью – их строение представляет собой систему «структура в структуре». Традиционно структуру материалов изучают на трех масштабных уровнях: 1) макроструктура материала - строение, видимое невооруженным глазом; 2) микроструктура материала - строение видимое в оптический микроскоп; 3) внутреннее строение веществ, составляющих материал, на
молекулярно-ионном уровне, изучаемом методами рентгено-структурного анализа, электронной микроскопии и т.п.
При одном и том же составе, одной и той же структуре материала можно говорить о различном его состоянии. Состояние – категория научного познания, характеризующая способность движущейся материи к проявлению в различных формах с присущими им существенными свойствами и отношениями. С помощью этой категории выражается процесс изменения и
развития вещей и явлений, который в конечном итоге приводит к изменению их свойств и отношений. Совокупность таких свойств и отношений определяет состояние вещи или явления.
Один и тот же материал может быть в сухом и увлажненном состоянии, в ненапряженном и напряженно-деформированном состоянии, в нагретом и охлажденном состоянии. Соответственно
этому он будет проявлять различные свойства.
1.2. ПАРАМЕТРЫ СОСТАВА, СТРУКТУРЫ И СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА
Состав, структура, состояние материала – системно взаимосвязанные, взаимозависимые,
взаимообусловленные понятия.
Плотность отражает количество материала в единице его объема, т.е. сконденсированность вещества. Различают плотность истинную, среднюю и насыпную.
Пористость П есть степень заполнения объема материала порами. За немногими исключениями (металлы, стекло, мономинералы) строительные материалы пористы. Строение
пористого материала характеризуется общей, открытой и закрытой пористостью, распределением пор по их радиусам, средним радиусом пор и удельной внутренней поверхностью пор.
Пористость выражают в долях от объема материала, принимаемого за 1, или в % от объема.
Влажность – это содержание в материале влаги, то есть жидкой фазы.
1.3 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Свойства – внутренние, присущие данному материалу особенности, обусловливающие
его различие или общность с другими материалами и проявляющиеся как ответные реакции на
воздействия внешних полей или сред. Более простое определение: свойства - это способность
материала определенным образом реагировать на отдельные или совокупные внешние или
внутренние воздействия. А воздействия или нагрузки могут быть:
- физическими (тепло, влага, радиация, свет и т.д.);
- механическими (силовые нагрузки);
- химическими (осадки, выхлопные газы, щелочи, кислоты);
- физико-климатическими или природными (заморозки, оттепели, ветер);
- биологическим (биогенным) и т.д.
Строительные материалы должны иметь набор свойств, способных противостоять этим
нагрузкам. Отсюда появляются физические, механические, химические и другие свойства.
Уровень этих свойств задается для материала в соответствии с его назначением в конструкции.
1.3.1. Физические свойства (способность материала реагировать на воздействия физических факторов – тепловых, водной среды, акустических, электрических, радиационных и
т.д.). Делятся на:
Гидрофизические свойства (реакция материала на действия водной среды):
- гидрофильность (гидрофобность) - способность (неспособность) материала смачиваться водой. Гидрофильные материалы – глины, силикаты; гидрофобные – металлы, органические соединения (битум, некоторые пластмассы). Зависят от химического состава материалов и оказывают влияние на многие свойства;
- водопоглощение - способность материала впитывать и удерживать воду, будучи полностью в
нее помещенным. В отличии от влажности водопоглощение – это максимальная степень заполнения открытых пор материала водой. Водопоглощение различных материалов колеблется в
широких пределах: гранита - 0,02 - 0,7 %, тяжелого бетона -2-4 %, кирпича - 8-15 %, пористых
теплоизоляционных материалов - 100 % и больше;
- гигроскопичностью называют свойство капиллярно-пористого материала поглощать водяной
пар из влажного воздуха. Поглощение влаги из воздуха обусловлено полимолекулярной адсорбцией водяного пара на внутренней поверхности пор и капиллярной конденсацией. Древесина, теплоизоляционные, стеновые и другие пористые материалы обладают развитой внутренней поверхностью пор и поэтому высокой сорбционной способностью;
- капиллярное всасывание – поглощение влаги частично погруженным в воду материалом;
- водо-, газо- и паропроницаемость (непроницаемость) - способность материала пропускать
(не пропускать) воду, пар или газ под давлением;
- влажностные деформации - способность материалов изменять свой объем и размеры при
изменении влажности;
- водостойкость - способность материала сохранять свои прочностные свойства при увлажнении. Характеризуется коэффициентом размягчения Кр - отношением прочности материала, насыщенного водой, к прочности сухого материала;
- морозостойкость - способность насыщенного водой материала выдерживать попеременное
замораживание и оттаивание без разрушения.
Теплофизические свойства (реакция материала на действие тепла):
- теплопроводностью называется способность материала проводить через свою толщу
тепловой поток под действием градиентов температуры. Оценивается коэффициентом теплопроводности λ, Вт/(м·°С), - это количество теплоты (Дж), проходящей через стену толщиной 1
м и площадью 1 м2 за 1 ч при разности температур 1 ºК;
- огнеупорность - способность материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не размягчаясь и не деформируясь;
- огнестойкость - способность материала сопротивляться действию открытого огня в течение
определенного времени)
- теплоемкость - способность материала аккумулировать тепло при нагревании и выделять
тепло при остывании. Оценивается коэффициентом теплоемкости - количеством тепла, которое
необходимо сообщить 1 кг данного материала, чтобы повысить его температуру на 1°С;
- температуро- или термостойкость - способность выдерживать повторяющиеся резкие
температурные изменения;
- температурные деформации – способность материала изменять свои размеры и объем при
изменении температуры. Оцениваются коэффициентом линейного или объемного температурного расширения – удлинением 1 м материала при его нагревании на 1 °С
К физическим относятся также акустические (звукопоглощение и звукопроводность),
оптические (светопроницаемость), электрические (электропроводность), радиационные (радиационная стойкость, поглощение ядерных и рентгеновских излучений) и т.п. свойства.
1.3.2. Механические свойства (способность материала сопротивляться деформациям и
разрушению от внутренних напряжений, возникающих в материалах под действием внешних
силовых статических и динамических нагрузок) делятся на деформативные и прочностные.
Деформативные свойства:
- упругость - способность твердого тела самопроизвольно восстанавливать первоначальную
форму и размеры после прекращения действия внешней силы;
- пластичность - способность твердого тела изменять форму или размеры под действием
внешних сил, не разрушаясь, причем после прекращения действия силы тело не может самопроизвольно восстанавливать свои размеры и форму;
- хрупкость - способность твердого тела разрушаться без образования заметных остаточных
деформаций;
Оцениваются эти свойства при помощи модуля упругости Е (модуль Юнга), который
зависит от энергии межатомных связей и характеризует меру жесткости материала, то есть его
способность сопротивляться упругому изменению формы под действием внешних сил; коэффициента Пуассона (коэффициента поперечного сжатия) - отношению поперечных относительных деформаций к продольным и модуля сдвига, связанного с модулем упругости посредством коэффициента Пуассона.
Прочностные свойства:
- прочность при сжатии - способность материала сопротивляться разрушению от внутренних
растягивающих напряжений, возникающих в нем при сжимающих нагрузках (схема). Оценивается пределом прочности при сжатии Rсж (МПа, кгс/см2), который равен частному от разрушающей силы (нагрузки) Рр на первоначальную площадь поперечного сечения образца (куба,
цилиндра, призмы) S:
Pр
S
Rсж 
- прочность при растяжении - способность материала сопротивляться разрушению от внутренних растягивающих напряжений, возникающих в нем при растягивающих нагрузках. Оценивается пределом прочности при осевом растяжении Rр (МПа, кгс/см2):
Rр 
Pр
S
или косвенными методами
пределом прочности при раскалывании цилиндра:
R рр 
2 Pр
,
 d l
где d и l – диаметр и длина цилиндра, см;
или пределом прочности на растяжение при изгибе:
3 P ( l  а )
R ри   р
,
2
b  h2
где Рр – разрушающая нагрузка, кгс или Н; l – расстояние между опорами, см; b и h – ширина
высота балки, см; а – расстояние между осями приложения нагрузки, см.
- прочность при изгибе - способность материала сопротивляться разрушению от внутренних
растягивающих напряжений, возникающих в нем при изгибающих нагрузках. Оценивается пределом прочности при изгибе Rи (МПа, кгс/см2), определяемой как максимальное растягивающее
напряжение в нижнем растянутом слое балки (бруса):
3 Pl
при одночечном изгибе;
Rи  
2 b  h2
3 P ( l  а )
при двухточечном изгибе;
R ри   р
2
b  h2
В зависимости от соотношения Rр/Rсж можно условно разделить материалы на три группы: материалы, у которых Rр>Rсж (волокнистые – древесина и др.); Rр= Rсж (сталь); Rр<Rсж
(хрупкие материалы - природные камни, бетон, кирпич). Для последних величина Rр оказывается более важной, чем Rсж, поскольку эти материалы в большинстве конструкций работают
именно на изгиб.
- критический коэффициент интенсивности напряжений (вязкость разрушения) KIc,
кН/м3/2 – характеризует напряженное состояние концевой зоны трещины в момент ее страгивания, является константой материала.
- твердость (способность материала сопротивляться проникновению в него другого более
твердого тела);
- истираемость - способность материала уменьшаться в массе или объеме под действием истирающих усилий;
- износ - способность материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и
ударов;
- ударная вязкость (динамическая или ударная прочность) - способность материала сопротивляться разрушению при ударных нагрузках.
Прочностные свойства материалов зависят от силы внутренних связей, их количества в
единице объема материала и равномерности распределения по объему материала. В зависимости от прочности строительные материалы разделяются на марки или классы по прочности на
сжатие, осевое растяжение, растяжение при изгибе. Марка по прочности – это нормируемое
ГОСТами значение унифицированного ряда прочности материала на сжатие в кгс/см 2, принимаемое по его среднему значению. Класс бетона – это значение унифицированного ряда прочности в проектном возрасте в МПа, принимаемого с гарантированной обеспеченностью 0,95.
1.3.3. Химические свойства:
Химическая (коррозионная) стойкость - способность материала сопротивляться химическим воздействиям среды: воздуха и содержащихся в нем паров и газов (атмосферостойкость), воды и растворенных в ней веществ (водостойкость), химически агрессивных веществ –
кислот, щелочей (кислото- и щелочестойкость), при взаимодействии с которыми может происходить разрушение материала (коррозия). Коррозионная стойкость материала зависит от его
химического состава. При высоком содержании кремнезема, например, наблюдается высокая
кислотостойкость. Если в составе много основных (щелочных) оксидов, то этот материал обычно не стоек к кислотам, но не разрушается щелочами. Органические материалы (древесина, битумы, пластмасса) при обычных температурах обычно стойки к действию слабых кислот и щелочной среды. Значительная часть строительных материалов, особенно на основе минеральных
вяжущих, обладает низкой коррозионной стойкостью, поэтому их надо защищать от коррозии.
1.3.4. Биологические свойства
Биостойкость - это способность материала сопротивляться агрессивному действию
биологической среды (макро-, микроорганизмам и т.п.).
1.3.5. Технологические свойства
- размалываемость;
- распиливаемость, раскалываемость;
- формуемость (напр., удобоукладываемость б. смеси);
- сохраняемость (напр., расслаиваемость б. смеси);
- сверлимость, гвоздимость и т.д.
Тема № 2 КЛАССИФИКАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
1. По происхождению:
- природные (камень, древесина);
- искусственные (керамика, бетон, полимеры и т.д.).
2. По составу:
- органические (древесина, полимеры, биокомпозиты);
- неорганические, которые делятся на металлические (металлы и сплавы) и минеральные (стекло, минеральная вата, керамика, растворы и бетоны на минеральных вяжущих и т.д.). К неорганическим относится также соединение металла и минерала – железобетон;
- органо-минеральные (смешанные) – это бетонополимеры, полимерцементные бетоны, растворы и бетоны на органических связующих (асфальтобетон), изделия на основе древесины, минераловатные плиты и др.
3. По принципу получения (способу формирования структуры) для искусственных:
- плавленые материалы и изделия, получаемые полным расплавлением исходного сырья при его
плавке (варке), в которых структура материала формируется с использованием явления термопластичности (свойства вещества размягчаться, плавиться при нагревании и переходить в
твердое состояние при охлаждении, причем этот переход обратим). Плавленые материалы
можно разделить на металлические (металлы) и материалы из минеральных расплавов, к которым относятся стекло, ситаллы, минеральная вата;
- обжиговые материалы, получаемые частичным расплавлением исходного сырья при обжиге,
также с использованием явления термопластичности: керамика, неорганические (минеральные) вяжущие вещества;
- материалы на основе неорганических вяжущих веществ, в которых омоноличивание, твердофазовое состояние обеспечивается за счет затвердевания минерального вяжущего, идущего с
использованием явления кристаллизации в результате развития последовательных процессов
растворения частиц вяжущего, сгущения раствора, т.е. конденсации и образования в результате
этого зародышей кристаллов, их разрастания, контактирования и срастания в ансамбли (сростки). Разновидности – гидратный, на основе которого получают растворы и бетоны на основе
гипсовых, известковых и цементных вяжущих, синтезный (силикатные бетоны) и контактноконденсационный механизм твердения.
- материалы на основе органических вяжущих, твердое, монолитное состояние которых обеспечивается за счет затвердевания органических связующих, происходящее с использованием
различных механизмов, действующих подчас одновременно: уже известной термопластичности
(материалы на основе битумных и дегтевых вяжущих), поликонденсации и полимеризации, когда исходный мономер образует структуру и приобретает твердое состояние путем пространственной сшивки макромолекул (полимеры, полимербетон, ДВП, ДСП, фанера, минераловатные
плиты и т.д.), адсорбции в мономолекулярном слое на твердой подложке (асфальтобетон).
- биокомпозиты, с использованием биогенных явлений. Природа использует биотехнологии,
т.е. биологические процессы формирования структуры миллиарды лет (кость, яичная скорлупа,
известняк-ракушечник, древесина, песчаники, руды и т.д.).
Кроме указанных, в технологии используются также физические явления трения, механического зацепления и межчастичного взаимодействия (рыхлозернистые, порошковые, волокнистые материалы) и явления капиллярного стяжения частиц и межчастичного их взаимодействия (кирпич-сырец, саман, терраблок – заметим, что в этом принципе работают силы трения и механического зацепления).
4. По макроструктуре
- слитные, представляющие собой сплошное плотное тело, в котором компоненты невооруженным глазом неразличимы (стекло, металлы, полимеры);
- пористые, в которых слитная (сплошная) матрица (твердофазовый скелет) насыщена порами,
мелкими (мелкопористые – керамика, поризованные бетоны) или крупными (ячеистые бетоны,
пенокерамика). Характеризуются пористостью, ее объемом, типом и структурой;
- конгломератные, представляющие собой видимые глазу зернистые или волокнистые частицы,
омоноличенные в единое целое связующим веществом (матрицей). Отличаются хаотическим
(беспорядочным) расположением частиц в объеме материала. Характеризуются гранулометрическим составом включений (мелкозернистые и крупнозернистые, мелковолокнистые и крупноволокнистые), соотношением объемов матрицы и включений (растворы, бетоны, минераловатные плиты, ДВП, ДСП);
- волокнистые, в которых волокна располагаются строго направленно и могут быть склеены
между собой (древесина), а могут соединяться (переплетаться) между собой и без матрицы
(стекловолокнистый холст);
- слоистые: состоят из склеенных между собой пластин (тел, у которых два геометрических
размера намного превосходят третий, примеры – фанера, древесно-слоистый пластик). Это
композиты с абсолютно упорядоченной структурой, характеризуются толщиной и направленностью слоев, которые, как правило, имеют волокнистое строение;
- рыхлозернистые (песок, щебень, вяжущие и др.): представляют собой совокупность частиц
зернистой формы (то есть когда все три габаритных размера одного порядка). Частицы ничем
не скреплены, кроме сил трения. Примеры конструкций: грунты, основания дорог, насыпи,
дамбы и т.д. Характеризуются гранулометрическим составом, удельной площадью поверхности
и пустотностью;
- рыхловолокнистые (комовая минеральная вата): совокупность частиц в форме волокон (один
из габаритных размеров включений намного больше двух остальных), также соединены между
собой силами трения и зацепления. Характеризуются насыпной плотностью, габаритными размерами волокон, пустотностью;
Если в рыхлозернистые или рыхловолокнистые материалы ввести связующее (матрицу), то получится конгломератная структура.
5. По назначению:
конструкционные – это материалы универсального типа, пригодные для несущих конструкций
(камень, бетоны, растворы, керамика, стекло, ситаллы, металлы, конструкционные пластмассы,
лесные материалы и др.).
специального назначения - строительные материалы, необходимые для защиты конструкций от
вредных влияний среды, а также для повышения эксплуатационных свойств зданий и создания
комфорта. К ним относятся:
- изоляционные (теплоизоляционные, гидроизоляционные, герметизирующие, звукоизоляционные (акустические) материалы);
- кровельные;
- отделочные;
- антикоррозионные и др.
Тема № 3 ПРИРОДНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
При изготовлении изделий из природных материалов человек практически не вмешивается в их структуру, а только придает им заданную форму. К таким материалам относится древесина и природный камень.
3.1. Лесные материалы
Качество древесины зависит от породы древесины. Древесные породы подразделяются
на две основные группы: хвойные и лиственные. К хвойным породам, широко используемым в
строительстве, относят сосну, лиственницу, ель, пихту и кедр. Лиственные породы в строительстве используют значительно реже, чем хвойные. Среди многообразия лиственных пород наибольшее применение в строительстве имеют дуб, ясень, бук, береза, осина.
Как по структуре, так и по физико-механическим свойствам древесина является природным композиционным материалом.
СОСТАВ, СТРУКТУРА И СОСТОЯНИЕ ДРЕВЕСИНЫ
Микроструктурой называют строение ствола дерева, видимое под микроскопом, макроструктурой - видимое невооруженным глазом или через лупу.
По химическому составу древесина слагается из органических веществ, представленных
углеводами (у хвойных пород примерно на 70%, а у лиственных — на 80%). Основной углеводный компонент - целлюлоза (С6Н10О5)n, где п — степень полимеризации, которая у древесной
целлюлозы достигает значений от 300 до 6000 и более. Около 30% древесины составляют вещества ароматической природы, известные под названием лигнина - тоже природный полимер,
представляет собой высокомолекулярную ароматическую часть. К небольшой части древесины
(2…4 %) относятся экстрактивные вещества. В отличие от углеводов и лигнина, это низкомолекулярные соединения, в основном, соли щелочноземельных металлов. Хотя их немного, но
они придают древесине цвет, запах, вкус, иногда токсичность, помогают дереву сопротивляться
гниению, поражению грибами и пр.
Длинные нитевидные цепные молекулы целлюлозы образуют спиралевидные древесные
волокна: фибриллы и микрофибриллы – тонкие волоконца, несколько слоев которых, компактно
уложенные и направленные по спиралям под разным углом к продольной оси клетки, образуют
стенки (оболочки) клеток. Фибриллы и микрофибриллы имеют кристаллическую структуру,
обладают высокой прочностью на разрыв, но легко изгибаются. В единое целое фибриллы и
микрофибриллы объединяет лигнин с помощью водородных и ван-дер-ваальсовых сил связи и
когезии.
Срубленная древесина состоит из отмерших клеток – трахеидов (для хвойных пород),
т.е. только из клеточных оболочек. Основное число клеток имеют веретенообразную форму
средней шириной 50 мкм и длиной 3 мм и вытянуты вдоль ствола, а некоторые – в горизонтальном направлении (клетки сердцевинных лучей). Таким образом, с инженерной точки
зрения любую древесину можно считать пучком параллельных трубок. Поскольку материал
этих трубок по существу для всех пород одинаков, то прочность древесины зависит от толщины
стенок и, следовательно, от средней плотности древесины.
Помимо этого, древесина содержит капилляры и поры различных размеров; в период
жизни дерева они имеют большое значение для передвижения воды и питательных соков, их
накопления и пр. Крупные капилляры могут заполняться водой, которая мало влияет на состояние древесины и ее качество (механические свойства) как строительного материала. Эта влага
сравнительно легко приходит в капилляры и поры, особенно при контакте дерева с водой, заполняет полости и может составлять до 100…200 % к массе абсолютно сухой древесины. Она
сравнительно быстро и легко удаляется из них при сушке. Мелкие поры и капилляры заполняются не только при контакте с водой, но и в условиях влажного воздуха. Это и обуславливает
гигроскопичность древесины и влажностные деформации.
Макроструктура древесины зависит от разреза ствола: поперечный (торцовый), радиальный, проходящий через ось ствола, и тангенциальный, проходящий по хорде вдоль ствола. При
рассмотрении разрезов ствола дерева можно различить следующие основные его части: сердцевину, кору, камбий и собственно древесину.
На мегамасштабном уровне растущее дерево состоит из корневой системы, ствола и
кроны. Промышленное значение имеет ствол, так как из него получается от 60% до 90% древесины.
Параметры структуры. Поскольку древесина состоит практически из одного вещества
– целлюлозы, то ее истинная плотность для всех пород принимается равной 1,54 г/см 3. Средняя
плотность наиболее распространенных пород древесины в зависимости от влажности составляет 300…750 кг/см3. Хотя есть и экзотические для нас породы, которые даже в абсолютно сухом
состоянии имеют плотность выше 1 г/см3. Самое тяжелое дерево в мире – квебрахо (Южная
Америка).
Помимо обозначенных нами структурных элементов, строение древесины характеризуется также наличием пороков: сучков (нарушают однородность строения древесины, вызывают
искривление волокон и затрудняют механическую обработку), трещин (нарушают целостность
лесоматериалов, снижают их механическую прочность и долговечность), пороки формы ствола
(увеличивают отходы при распиловке и лущении бревен, обуславливают появление радиального наклона волокон в пиломатериалах и шпоне, а следовательно, и снижение прочности этих
материалов), химические окраски (могут портить внешний вид облицовочных материалов),
грибные поражения (резко снижают механические свойства древесины вплоть до полной ее непригодности) и прочие.
СВОЙСТВА. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ.
Главное положительное качество древесины – ее экологичность, отличные санитарногигиенические характеристики. Древесина «дышит». Это единственный, пожалуй, материал,
относящийся к категории возобновляемых.
Декоративность древесины обусловлена ее текстурой, цветом и блеском. Текстура - это
рисунок древесины, зависящий от сочетания ее видимых элементов: годовых слоев, сердцевинных лучей, сосудов. Цвет и текстура древесины характерны для каждой породы дерева. Блеск
древесины зависит от плотности и степени обработки. Блеск придается древесине путем полирования и покрытия лаками. Древесина теряет блеск при загнивании. Запах древесины зависит
от содержания в ней смолистых, эфирных и дубильных веществ.
Конструкционные свойства. Малая плотность древесины обеспечивает ее низкую теплопроводность. Теплопроводность сухой сосны поперек волокон - 0,17 Вт/(м·°С), вдоль волокон 0,34 Вт/(м·°С). Древесина морозостойка, не растворяется в воде и органических растворителях. К тому же такие конструкции обладают надежной химической стойкостью в средах,
которые агрессивны по отношению к стали и бетону.
Прочность древесины как анизотропного волокнистого материала зависит от того, под
каким углом к волокнам направлена сила. Прочность древесины при сжатии вдоль волокон в
3…6 раз больше, чем прочность поперек волокон, и составляет примерно 40…60 МПа. Прочность древесины при растяжении вдоль волокон (60…170 МПа) в среднем в 2,5 раза превосходит соответствующий предел прочности при сжатии. Прочность древесины при изгибе очень
высокая: она примерно в 1,8 раза превышает прочность при сжатии вдоль волокон и составляет
около 70 % прочности при растяжении. Поэтому древесина (балки, настилы и т.п.) чаще всего
работает на изгиб.
Хотя по абсолютным показателям прочности древесина значительно уступает высокопрочной стали и стеклопластику, ее удельная прочность при растяжении вдоль волокон (соотношение прочности с относительной плотностью) примерно такая же, как у этих самых прочных материалах. Это обуславливает ее высокую конкурентоспособность и позволяет возводить
деревянные конструкции пролетом до 100 м и более.
Имеется у древесины и положительные технологические качества: легкость технологической обработки с приданием изделиям практически любых форм; надежная склеиваемость и
хорошая гвоздимость.
Вместе с тем древесина имеет ряд недостатков, ограничивающих ее область применения
в строительстве. К ним можно отнести пороки структуры; гигроскопичность и, как следствие,
влажностные деформации - усушка и разбухание, которые вызывают коробление и растрескивание лесных материалов; загниваемость и горючесть, обусловленные легкой окисляемостью
древесины.
Практически все эти недостатки сравнительно легко преодолеваются техническими
средствами. Для защиты древесины от гниения применяют сушку древесины, конструктивные
меры по предотвращению увлажнения конструкций в процессе эксплуатации и пропитку древесины антисептиками.
Защита древесины от поражения насекомыми ведется путем обработки древесины ядовитыми веществами – инсектицидами, в качестве которых используют антисептики на органических растворителях и другие вещества.
На деревянные конструкции наносят огнезащитные составы или пропитывают древесину
химическими веществами - антипиренами. Огнезащитное действие антипиренов основано на
том, что одни из них при нагревании древесины создают оплавленную пленку, закрывая доступ
кислорода к древесине, другие при высокой температуре выделяют газы, которые препятствуют
горению древесины.
ТЕХНОЛОГИЯ, НОМЕНКЛАТУРА И ПРИМЕНЕНИЕ ЛЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
По способу механической обработки все лесоматериалы подразделяются на шесть классов:
1. Круглые лесоматериалы, получаемые поперечным делением хлыста на отрезки стандартной длины от 1 до 6,5 м с градацией размеров через каждые 0,25 м. К ним относятся: бревна, предназначенные для использования в круглом виде или в качестве сырья для выработки
пиломатериалов и заготовок; кряжи (чураки), используемые для выработки специальных видов
лесоматериалов — лущеного и строганного шпона, шпал и др.; балансы, перерабатываемые на
целлюлозу и древесную массу.
2. Пиленые лесоматериалы, изготовляемые продольным пилением круглого леса с последующей поперечной распиловкой полученного полуфабриката с припусками на усушку. По
форме и размерам поперечного сечения пиломатериалы подразделяются на: доски (ширина от
60 до 250 мм вдвое больше толщины от 11 до 100 мм); бруски (ширина от 100 до 175 мм –
меньше двойной толщины, которая составляет от 50 до 100 мм), брусья (ширина не превышающую полуторной толщины и составляет от 125 до 250 мм), обапол (горбыльный и дощатый) и шпалы.
Из пиломатериалов изготовляют:
- строганые и шпунтовые доски и бруски;
- фрезерованные изделия (плинтусы и галтели для заделки углов между стенами и полом, поручни и наличники для обшивки дверных и оконных коробок);
- паркет планочный и щитовой;
- столярные изделия (оконные и дверные блоки с вмонтированными в них оконными переплетами и дверными полотнами, столярные перегородки и панели для жилых и гражданских
зданий);
3. Лущеные лесоматериалы, получаемые резанием древесины по спирали (лущением).
В качестве полуфабриката лущеный шпон используется для изготовления клееной фанеры,
древесных слоистых пластиков и облицовки (фанерования) изделий из древесины.
4. Строганные лесоматериалы, изготавливаемые резанием древесины ножами, формирующими плоскую поверхность раздела. К ним относится строганный шпон, который изготавливают из древесных пород, обладающих красивой текстурой, цветом и рисунком, и применяют как облицовочный материал, для производства декоративной фанеры. Строганием получают
также штукатурную дрань, толщиной 4 мм, шириной 19…32 мм и длиной от 500 до 1500 мм.
При этом в основном используются отходы древесины хвойных и мягких лиственных пород.
5. Колотые лесоматериалы, производимые продольным разделением древесины клиновидными инструментами. Путем раскалывания получают колотые балансы. После удаления
ядровой гнили из низкокачественной древесины при раскалывании поленьев образуется полноценное сырье для выработки целлюлозы и древесной массы.
6. Измельченные лесоматериалы, получаемые переработкой древесины на специальном оборудовании (рубильном, строгальном, размольном). К этой категории материалов относятся технологическая щепа, технологические опилки, стружка и древесная мука. Широко используются в качестве заполнителей в производстве древесностружечных и древесноволокнистых плит, цементно-стружечных плит, арболита, фибролита, ксилолита, строительных биокомпозитов.
3.2. Каменные материалы и изделия
СОСТАВ, СТРУКТУРА И СОСТОЯНИЕ
Каменные материалы и изделия изготовляются из горных пород. Горная порода - это
природный минеральный агрегат более или менее определенного состава и строения, являющийся продуктом геологических процессов и образующий в земной коре самостоятельные тела.
Свойства горных пород, и, соответственно, изделий из природного камня, зависят от
происхождения породы и ее минералогического состава. В зависимости от условий формирования горные породы делят на три генетические группы: магматические, осадочные и метаморфические.
Горные породы слагаются из минералов. Минералы - это природные физически и химически однородные тела, возникающие в земной коре в результате физико-химических процессов. В образовании горных пород участвуют около 50 минералов. Горные породы могут со-
стоять как из одного (мономинеральные), так и из нескольких (полиминеральные) минералов.
Все минералы отличаются друг от друга по составу, структуре и свойствам, поэтому преобладание в породе тех или иных минералов определяет ее строительные свойства.
Минералы находятся, как правило, в твердом состоянии. Большинство имеют кристаллическую структуру, но есть и аморфные (например, опал, трепел, вулканическое стекло). По
химическому составу минералы делятся на четыре основные группы: кварца, алюмосиликатов,
железистомагнезиальных, карбонатов и сульфатов.
СВОЙСТВА КАМНЯ, ЕГО ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ
Средняя плотность камней составляет от 0,5 до 3,3 г/см3. По этому показателю природные камни делятся на легкие (плотностью не более 1,8 г/см3) и тяжёлые (более 1,8 г/см3).
Легкие камни имеют пористое строение и малую теплопроводность (вулканический туф,
пемза, известняк-ракушечник), и потому применяются в конструкциях стен жилых и общественных зданий в виде стеновых камней и блоков и щебня для легких бетонов. Недостаток - малая прочность и долговечность.
Плотные каменные материалы (из гранита, сиенита, диорита и т.п.) трудоемки, обладают
большой массой и высокой теплопроводностью. Но характеризуются высокой прочностью при
сжатии (до 500 МПа), долговечностью (например, гранит до 1500 лет), архитектурной выразительностью (цвет, фактура и текстура поверхности), высокой огнестойкостью (кроме гранита).
Применяются для облицовочных работ, устройства полов, для гидротехнического и дорожного
строительства и пр.
Отличительной чертой всех каменных материалов является то, что их предел прочности
при растяжении в 10 – 50 раз ниже прочности на сжатие. Поэтому их нельзя применять в изгибаемых конструкциях.
Изделия из природного камня делят на следующие основные виды:
грубообработанные (бутовый камень, щебень, гравий и песок);
камни и блоки правильной формы (для кладки стен и др.);
плиты (облицовочные для стен, чистого пола и др.);
профилированные детали (ступени, подоконники, пояски, наличники, капители колонн и
т.п.);
изделия для дорожного строительства (бортовой камень, брусчатка, шашка для мощения).
В наше время природные плотные каменные материалы уже не используются для возведения несущих конструкций. Горные породы являются главным источником получения остальных строительных материалов: их используют как сырье для изготовления керамики, стекла,
металла, тепло- гидроизоляционных и других материалов, а также для производства неорганических вяжущих веществ - цементов, извести и строительного гипса. Отходы горнодобывающей и камнеобрабатывающей промышленности (песок, гравий и щебень) используются в качестве заполнителя для бетонов и растворов.
Тема 4. МЕТАЛЛЫ И МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ
Общие сведения о металлах и сплавах
Наука о промышленных способах получения металлов из руды называется металлургией. Наука о структуре, свойствах и технологии изготовления металлов – металловедение.
Металлы на сегодня являются главным конструкционным материалом, во-первых, благодаря высоким эксплуатационным и технологическим свойствам, во-вторых, металлические
изделия и конструкции легко соединяются друг с другом с помощью болтов, заклепок и сварки.
В технике обычно применяют не чистые металлы, а сплавы. Сплавы - это системы, состоящие из нескольких металлов или металлов и неметаллов. Все металлы и сплавы условно
принято подразделять на черные (железные) и цветные (нежелезные). Наиболее широко применяют черные металлы (железоуглеродистые сплавы), которые в зависимости от содержания углерода подразделяются на две группы – чугуны (содержание углерода более 2,14 %, как правило – от 2,5 до 4,5 %) и стали (содержание углерода менее 2,14 %, как правило, редко превышает 1,5 %). Кроме углерода, черные металлы могут содержать в небольших количествах кремний, марганец, фосфор, серу и другие химические элементы.
Стали выпускают углеродистые и легированные. В зависимости от содержания углерода
углеродистые делятся на низко- (до 0,25 % углерода), средне- (0,25...0,6 %) и высокоуглеродистые (>0,6 %). С увеличением содержания углерода уменьшается пластичность и повышается
твердость стали; прочность ее также возрастает, но при содержании углерода более 1 % вновь
снижается. Углеродистые стали по назначению подразделяют на стали общего назначения и
инструментальные.
Легированные стали помимо компонентов, входящих в углеродистые стали, содержат
легирующие элементы, каждый из которых оказывает свое влияние на сталь. Марганец (Г) повышает прочность, износостойкость стали и сопротивление ударным нагрузкам без снижения
ее пластичности. Кремний (С) повышает упругие свойства. Никель (Н) и хром (Х) улучшают
механические свойства, повышают жаростойкость и коррозионную стойкость. Молибден
улучшает механические свойства стали. По назначению легированные стали делят на конструкционные (0,02…0,85 % углерода), инструментальные (0,65…1,4 %) и специальные (легированные).
Для изготовления строительных конструкций и арматуры применяют конструкционные
стали, которые обладают хорошей пластичностью и низкой хрупкостью.
К цветным металлам относятся все металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка,
титана. В строительстве применяют сплавы меди и олова (бронза) и меди и цинка (латунь) и др.
Металлы и сплавы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из бесчисленного числа кристаллических образований, группирующихся в виде отдельных прочно
связанных между собой зерен. Кристаллы имеют кубическую гранецентрированную или объемно-центрированную решетку, образованную металлическими связями. Помимо химического
состава, свойства черных металлов зависят и от типа и размера кристаллов.
Поскольку твердое тело металла образовалось из расплава, его пористость равна нулю,
то есть средняя плотность совпадает с истинной. Поэтому металлические изделия водо- и воздухонепроницаемы.
Металлы обладают высокой прочностью, пластичностью, высокими электро- и теплопроводностью, ковкостью, свариваемостью, способностью хорошо отражать электромагнитные
волны и другими специфическими свойствами. Металлы очень технологичны: из них можно
получать изделия самых разнообразных форм и размеров и соединять между собой с помощью
сварки, клепки и т.д.
Недостатки – высокая теплопроводность (требуется устройство тепловой изоляции металлоконструкций зданий). Металлические конструкции зданий необходимо специально защищать от действия огня, т.к. они теряют устойчивость и деформируются: алюминий уже при 100
С теряет свою несущую способность, сталь – при 500 С. Большой ущерб экономике наносит
коррозия металлов.
Технология изготовления металлов
Основной способ производства черных металлов - получение чугуна и последующая его
переработка в сталь.
Сырьем для выплавки чугуна являются железные руды, твердое топливо (кокс) и флюсы.
Руда состоит из минералов, содержащих металл, и пустой породы (песчаники и глина).
В минералах металлы находятся в виде химических соединений (оксидов, силикатов и др.).
Промышленной рудой называют горную породу с определенным содержанием металла. Например, для железа он составляет не менее 30-50 %, для меди 3-5 %, для молибдена 0,005-0,02
%. Помимо химического состава, руда для доменного процесса должна иметь определенный
размер кусков.
Топливо в доменных печах служит не только источником тепла, но и реагентом, обеспечивающим восстановление железа из руды и образование чугуна (путем науглероживания
железа). Главным видом топлива в доменных печах является кокс. Дополнительно применяют
природный газ. Кокс получают в коксовых печах сухой перегонкой при температуре 1000 °C
(без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов.
Флюс необходим для удаления остатков пустой породы (состоящей в основном из SiO2
и Al2O3) и золы от сжигания топлива. Эти компоненты, сплавляясь друг с другом, образуют до-
менный шлак, который представляет собой смесь силикатов и алюминатов кальция и в жидком
состоянии удаляется из печи.
Подготовка руды включает дробление, обогащение и окускование.
Основным способом получения чугуна из железной руды является высокотемпературная
(до 2000 С) обработка шихты в доменных печах, при которой происходит восстановление железа при реакции с углекислым газом. При 1147 С в доменной печи начинается образование
жидкого чугуна и расплавление пустой породы и флюсов с образованием шлаков в результате
сплавления извести CaO и пустой пароды SiO2 и Al2O3. Расплавленный чугун стекает вниз печи, а расплав шлака, как более легкий, находится сверху чугуна. Чугун и шлак периодически
выпускают через летки в ковш. На каждую тонну чугуна получается от 0,4 до 0,65 т огненножидкого шлака, который называется доменным. Помимо чугуна и шлака, продуктами доменного производства являются колошниковый газ и колошниковая пыль. Чугун поступает к разливочным машинам для отливки в «чушки» для переработки в сталь или изделия, а шлаки из печи
направляют на грануляцию или в отвал. В зависимости от состава, производится чугун передельный (белый), литейный (серый) и ферросплав.
Доменные шлаки являются ценным сырьем для производства строительных материалов
(портландцемент, шлакопортландцемент, смешанные бесцементные вяжущие, заполнители для
бетонов, шлаковая вата, шлакоситаллы и т.д.). В их состав входит до 30 различных химических
элементов, главным образом в виде оксидов. Основные оксиды: SiО2, Аl2О3, CaO, MgO. В
меньших количествах присутствуют FeO, MnO, P2О5, TiО2, V2O5 и др.
Сталь производят из передельного чугуна и стального лома (скрапа) в конвертерах (40
%), мартенах (40 %) и электропечах (20 %). Сущностью металлургического процесса передела
чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем их окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки. Для этого железо сперва окисляют, а затем восстанавливают путем окисления кремния Si, марганца Mn, алюминия, углерода C. В качестве раскислителей применяют ферромарганец, ферросилиций, алюминий и др.
При производстве стали также образуются шлаки, аналогичные доменным, но имеющие
свои особенности. Выплавленную сталь разливают на слитки или перерабатывают в заготовки
методом непрерывной разливки.
Изготовление металлических изделий
Стальные слитки - полуфабрикат, из которого получают необходимые изделия. В основном применяют обработку стали давлением: металл под действием приложенной силы деформируется, сохраняя приобретенную форму. Для облегчения обработки сталь часто предварительно нагревают. Различают следующие виды обработки металла давлением: прокатка, прессование, волочение, ковка, штамповка.
Строительные металлические изделия и конструкции
Из чугунов в строительстве применяют в основном серый (литьевой) чугун. Из него путем отливки получают элементы строительных конструкций, работающих на сжатие: колонны,
опорные подушки, арки, своды, тюбинги метрополитена, плиты для полов промышленных зданий и т.п.; также изготавливают санитарно-технические (отопительные радиаторы, ванны, мойки, вентили, люки колодцев, трубы для стояков санитарно-технических кабин, канализационных сетей, для отвода промышленных вод и т.д.) и архитектурно-художественные изделия. Серый чугун используют для литья труб печных приборов (топочные дверцы, задвижки, колосники).
Строительные металлические изделия можно разделить на строительные конструкции и
стальную арматуру для железобетона. Изготовляют их, как правило, из конструкционных углеродистых сталей. Конструкционные легированные стали используют только для особо ответственных металлических конструкций и арматуры для предварительно напряженного железобетона.
Металлические строительные конструкции подразделяются на несущие, ограждающие и
совмещающие функции несущих и ограждающих. К несущим конструкциям относятся арки,
балки, фермы, колонны, рамы, связи, стойки, трубы, структурные конструкции покрытия, фахверковые ригели, стойки, лестницы и т.д. Несущие конструкции выполняют из прокатных эле-
ментов различного профиля (двутавровые балки, швеллеры, уголки равно- и неравнополочные),
квадратные и прямоугольные трубы, полосовой и листовой стали.
К ограждающим конструкциям можно отнести одно- и многослойные стеновые панели,
каркасы и панели перегородок. В многослойных панелях один или два наружных слоя выполняются из профилированного листового металла – оцинкованной стали или алюминия, а внутренний слой – теплоизоляционный – изготавливается из пенопласта, пенополиуретана и т.д.
Применяются металлические конструкции в основном в промышленном строительстве,
для возведения мостов, как декоративные элементы городского благоустройства – ограды, решетки, урны, скамейки, остановки общественного транспорта и т.д.
В строительстве металлы имеют ограниченное применение, так как требуются для других отраслей промышленности (главным образом, машиностроении), дорого стоят, требуют теплоизоляции, защиты от коррозии и от действия высоких температур.
Тема 5. СТЕКЛО И МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНЫХ РАСПЛАВОВ
Стеклом называют все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплавов,
независимо от их химического состава и температурной области затвердевания, обладающие в
результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем
процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым. Стекла
подразделяются на природные и искусственные. К природным относят стекла, образованные в
процессе деятельности вулканов (извержение магм), например обсидиановое стекло. К искусственным относят стекла и другие плавленые материалы, создаваемые из минеральных силикатных расплавов. Разделяются на следующие группы: стеклянные, каменные, шлаковые, ситаллы
и шлакоситаллы.
Состав, структура и состояние стекла
Стекло не имеет определенной структурной химической формулы, в отличие от кристаллических тел. Состав стекол выражают суммой оксидов. В зависимости от вида и назначения строительное стекло содержит оксиды SiО2, Nа2О3; К2О; CaO; MgO; Аl2О3; Fе2О3; SО3;
В2O3. Каждый из оксидов в процессе варки играет свою роль в формировании свойств стекла.
Поскольку стекло имеет нулевую пористость, его средняя плотность равна истинной и в
зависимости от химического состава меняется в пределах от 2,2 до 7,5 г/см3. Большинство промышленных строительных стекол (оконное, полированное, профильное) имеет плотность
2,5…2,7 г/см3, в частности оконное стекло – 2,55 г/см3. Средняя плотность теплоизоляционных
изделий из стекла составляет от 15 до 600 кг/м3.
Свойства стекла
Теплопроводность обычных стекол меняется в пределах от 0,5 до 1,0 Вт/(м·°С), а теплоизоляционных стеклоизделий 0,032…0,14 Вт/(м·°С). Теплоемкость стекол при комнатной
температуре составляет 0,63…1,05 кДж/(кг°С). Из-за высокого коэффициента температурного расширения (910-6…1510-6) обычное стекло имеет относительно малую термостойкость.
Оптические свойства стекол являются их важными свойствами и характеризуются показателями светопропускания (прозрачности), светопреломлением, отражением и рассеиванием. Обычные силикатные стекла пропускают всю видимую часть спектра и практически не
пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Коэффициент направленного пропускания света стеклами достигает 0,89.
Звукоизолирующая способность стекла относительно высока. По этому показателю
стекло толщиной 1 см соответствует кирпичной стене в полкирпича - 12 см.
Деформативные свойства. У стекла отсутствуют пластические деформации, то есть его
разрушение носит абсолютно хрупкий характер, в отличие от всех других строительных материалов. Хрупкость является главным недостатком стекла, которое плохо сопротивляется удару.
Прочность обычного стекла при ударном изгибе составляет всего 0,2 МПа. Модуль упругости
стекол различного состава колеблется в пределах от 45 000 до 98 000 МПа (у кварцевого стекла
71 400 МПа).
Предел прочности на сжатие для различных видов стекла колеблется от 500 до 2000
МПа, например прочность оконного стекла 900…1000 МПа. На растяжение стекло работает в
15…20 раз хуже, чем на сжатие, поэтому прочность стекол на растяжение является одним из
важнейших их механических свойств. При этом расчетный теоретический предел прочности
при растяжении стекла составляет 12 000 МПа, а реальный (технический) – 30…100 МПа.
Объясняется это наличием в стекле микронеоднородностей, микротрещин, внутренних напряжений, инородных включений и др. Особенно опасны повреждения и царапины на поверхности
стекла, так как на этих дефектах возникает концентрация и усиление напряжений, разрушающих структуру. Предел прочности стекла при растяжении может быть увеличен химическим
травлением поверхностного слоя, его оплавлением, полировкой, закалкой.
Химическая стойкость стекла зависит от его состава. Силикатное стекло обладает высокой химической стойкостью к большинству агрессивных сред за исключением плавиковой и
фосфорной кислот.
О технологических свойствах. Важным является свойство стекла в пластичном состоянии принимать любую форму, в том числе вытягиваться в тончайшие нити, что невозможно для
гетерогенных по структуре материалов. В строительстве используют стекловолокна диаметром
5…15 мкм, прочность при растяжении которых достигает 4000 МПа.
В целом материалы из стекла и расплавов обладают высокими показателями долговечности, отличными декоративными свойствами. Ведутся исследования в направлении коренного
изменения свойств стекла, в частности устранения хрупкости, а также значительного повышения прочностных показателей.
Основы производства стекла
Основные сырьевые материалы – это кварцевый песок SiO2, сода Nа2СО3, доломит СаСО3МgСО3, известняк СаСО3, поташ К2СО3, сульфат натрия Nа2SО4, доменные шлаки, кварцесодержащие материалы, тетраборит кальция, стеклобой и др. Кроме того, вводятся также осветлители, которые способствуют удалению из стекломассы газовых пузырьков (сульфаты натрия и алюминия, калиевая селитра, мышьяковистый ангидрид); глушители, которые делают
стекло непрозрачным (криолит, плавиковый шпат, двойной суперфосфат); красители для придания заданного цвета (кобальт - синий, хром - зеленый, марганец - фиолетовый, железо - коричневый и сине-зеленые тона и др.).
Производство строительного стекла состоит из следующих основных операций: подготовка сырьевых материалов; приготовление шихты; варка стекла в ванных или горшковых печах; формование изделий; их отжиг и при необходимости закалка.
Перемешивание измельченных компонентов в строго отдозированных количествах (погрешность не более 1%) производят в смесителях барабанного или тарельчатого типа. Готовую
шихту загружают в ванную печь – бассейн, сложенный из огнеупорных материалов, или в
горшковую печь. Топливом служит природный газ. При нагревании шихты до 600…900 °С
происходит плавление и разложение ее компонентов с образованием оксидов натрия, калия,
кальция, магния и выделением большого количества углекислого газа.
При нагревании шихты до 1100…1150 °С происходит образование силикатов сначала в
твердом виде, а затем в расплаве. При дальнейшем повышении температуры в этом расплаве
полностью растворяются наиболее тугоплавкие компоненты SiO2 и Аl2О3 - образуется стекломасса. Эта масса неоднородна по составу и настолько насыщена газовыми пузырьками, что ее
называют варочной пеной. Для осветления и гомогенизации температуру стекломассы повышают до 1500…1600 °С. При этом вязкость расплава снижается, облегчается удаление газовых
включений и получение однородного расплава. Стекловарение завершается охлаждением
(студкой) стекломассы до температуры, при которой она приобретает вязкость, требуемую для
выработки стеклоизделий.
Формование изделий производится вытягиванием, литьем, прокатом, прессованием и
выдуванием. Формование листового стекла производится путем вертикального или горизонтального вытягивания ленты из расплава, прокатом или способом плавающей ленты (флоатспособ).
Отжиг - обязательная операция при изготовлении изделий. При быстром охлаждении
для закрепления формы изделий в них возникают большие внутренние напряжения, которые
могут привести даже к самопроизвольному разрушению стеклоизделий. Закалка - эта операция
применяется при получении стекла с повышенной в 4-6 раз при сжатии и 5-8 раз при изгибе
прочностью по сравнению с обычным стеклом. Закалка проводится доведением стекла до пластического состояния и затем резким охлаждением поверхности. Заключительная обработка
изделий включает в себя операции шлифования, полирования, декоративной обработки.
Номенклатура изделий из стекла
1. Листовое стекло. Используется для остекления оконных и дверных проемов, витрин
и внутренней отделки зданий. Листовое стекло подразделяется на: оконное; витринное; узорчатое; армированное; закаленное; многослойное (триплекс); увиолевое; теплопоглощающее и теплоотражающее; электропроводящее; поглощающее рентгеновские и радиоактивные лучи.
2. Архитектурно-строительное стекло
а) Светопрозрачные строительные изделия и конструкции изделия являются эффективным светопрозрачным строительным материалом для наружных и внутренних ограждений в
жилых, общественных и промышленных зданиях и для остекления оконных проемов. В строительстве применяются: стеклоблоки, стеклопрофилит, стеклопакеты, стеклобетонные конструкции и стеклянная черепица.
б) Облицовочные изделия из стекла используют для облицовки стен многих зданий. К
ним относятся: цветное листовое стекло, стемалит, марблит, стекломрамор, стеклоплитка, эмалированная плитка, коврово-мозаичная плитка, смальта, стеклокрошка, пенодекор, порокерамзит, сигран, стекло-кристаллит, стеклокерамит, стеклокремнезит.
3. Пеностекло
Получается путем вспучивания при температуре размягчения размолотого стекла, смешанного с газообразователем (древесный уголь, известняк и др.). Пеностекло хорошо обрабатывается, склеивается, гвоздится, воздухопроницаемо и негигроскопично. Плотность пеностекла 15…700 кг/м3, коэффициент теплопроводности 0, 04-0,15 Вт/(м·°С), предел прочности при
сжатии 0,1-15 МПа. Изготавливается в виде блоков 475400120 мм для тепловой изоляции
строительных конструкций, промышленного оборудования, холодильников, и гранул в качестве
особо легкого (насыпная плотность - 100-150 кг/м3) заполнителя в легких бетонах.
4. Стеклянное волокно и изделия из него - непрерывные нити (получают вытягиванием из расплава) для изготовления стеклопластиковых труб и резервуаров методом намотки на
соответствующие оправки; стеклоткань для изготовления стеклотекстолитов на полимерном
связующем, а также в строительстве при теплоизоляции трубопроводов; стекловолокнистый
холст (тонкий листовой материал из переплетенных непрерывных волокон, скрепленных синтетическим связующим) для изготовления гидроизоляционных и кровельных материалов, в частности, стеклорубероида; рубленное стекловолокно (как армирующий элемент в бетонах и растворах) и стекловата (получают из алюмосиликатных расплавов с содержанием Al2O3 не менее
45%).
5. Стеклянные трубы
6. Техническое стекло (жаростойкое, химико-лабораторное, медицинское, светотехническое, кварцевое и др.) и эмали.
Ситаллых, шлакоситаллы и ситаллопласты
Ситаллы представляют собой стеклокристаллические материалы, полученные из стеклянных расплавов путем их полной или частичной кристаллизации. По структуре ситаллы
представляют собой композиционные материалы со стекловидной аморфной непрерывной фазой – матрицей, наполненной мелкими (1-2 мкм) кристаллами. Толщина прослоек стеклофазы
не превышает десятых долей микрона. Объем кристаллической фазы в ситаллах достигает 9095 %. Обладая поликристаллическим строением (аналог металла), ситаллы, сохраняя положительные свойства стекла, лишены его недостатков: хрупкости, малой прочности при изгибе,
низкой теплостойкости. По своим физико-техническим свойствам ситаллы выдерживают сравнение с металлами.
Твердость ситаллов приближается к твердости закаленной стали. Термостойкость изделий из ситалла достигает 1100 °С. Ситаллы обладают высокой стойкостью к воздействию сильных кислот (кроме плавиковой) и щелочей. Отдельные виды ситаллов отличаются жаростойкостью и способностью паяться со сталью. Прочность ситаллов при сжатии - до 500 МПа. По
внешнему виду ситаллы могут быть темного, серого, коричневого, кремового, светлого цветов,
глухие и прозрачные. Сырьем для производства ситаллов являются те же природные материалы, что и для стекла, но к чистоте сырья предъявляются очень высокие требования. Кроме того,
в расплав вводят добавки, катализирующие кристаллизацию при последующей термообработке.
В качестве катализаторов кристаллизации применяют соединения фторидов или фосфатов щелочных и щелочноземельных металлов. Технология производства изделий из ситаллов не отличается от технологии производства изделий из стекла. Требуется лишь дополнительная термическая обработка стекла в кристаллизаторе.
В строительстве ситаллы используются для устройства полов промышленных цехов, в
которых могут быть проливы кислот, щелочей, расплавов металлов, а также движение тяжелых
машин.
Шлакоситаллы являются разновидностью ситаллов, производство которых получило
наиболее широкое развитие. Это стеклокристаллические материалы, получаемые путем управляемой кристаллизации стекла, полученного на основе металлургических шлаков, кварцевого
песка и некоторых добавок. Шлакоситаллы намного дешевле технических ситаллов.
Ситаллопласты - материалы, изготовляемые на основе фторопластов и ситаллов, отличаются более высокой химической стойкостью и износостойкостью, чем каждый из компонентов в отдельности. Применяются для изготовления изделий, работающих в условиях, где ни ситаллы, ни фторопласт не удовлетворяют по износостойкости к химическому сопротивлению.
Тема № 6. АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ КЕРАМИКА
6.1. Состав, структура и свойства строительной керамики
В общем смысле керамикой принято называть тугоплавкие неорганические неметаллические материалы, обладающие комплексом заданных свойств и полученные путем спекания
заранее подобранной шихты или иным способом. В строительстве керамическими называют
искусственные каменные материалы и изделия, полученные в процессе высокотемпературной
обработки (обжига) глинистого сырья с добавками. Различают керамику тонкую (тонкозернистую - фаянс и фарфор) и грубую, или крупнозернистую.
Химический состав керамики: SiO2 – 40…80 %; Аl2О3 – 8…50 %; Fе2O3 – 0…15 %; CaO –
0,5…25 %; MgO – 0…4 %; R2O - 0,3…5 %. В зависимости от состава цвет керамики колеблется
от нежно-бежевого до темно-бурого.
Фазовый состав: керамика относится к кристаллическим материалам, однако содержит и
небольшое (до 5 %) количество аморфной (стекловидной) фазы. По содержанию газовой фазы
(пор) делятся на пористые с водопоглощением по массе более 5 % (керамические стеновые
кирпич и камень, изделия для кровли и перекрытий, дренажные трубы) и плотные. Минералогический состав полиминеральный: главным образом муллит и кварц, силлиманит и других веществ, кристаллизующихся при остывании (в основном алюмосиликатов).
В отличие от плавленых материалов (стекла и металлов), по своему строению керамика
относится к классу композиционных материалов, то есть является гетерогенной полимасштабной системой. На макроскопическом уровне керамика состоит из твердофазового скелета,
который называют керамическим черепом. В пористых изделиях в твердофазовом скелете размещаются макро- и микропоры, заполненные воздухом и/или влагой. При этом пористость может достигать 90 % (пенокерамика). Спекшийся (плотный) череп имеет только микропоры в
небольшом количестве (поэтому его водопоглощение по массе менее 5 % - это клинкерный
кирпич, облицовочные плиты). В свою очередь, керамический череп грубой керамики представляет собой композит, в котором пылевидные и песчаные частицы омоноличены остывшим
расплавом. Остывший расплав в свою очередь представляет собой микрокомпозиционный материал, состоящий из кристаллических зерен минералов, кристаллизующихся при остывании (в
основном алюмосиликатов), объединенных в единое целое прослойкой непрерывной стекловидной фазы. Стекловидная, аморфная фаза (переохлажденная жидкость) представлена в микроструктуре легкоплавкими компонентами, которые не успели выкристаллизоваться при заданной скорости остывания расплава. То есть, в отличие от стекла, при производстве керамики в
расплав переходит не вся масса, а только небольшая ее часть из глинистых частиц. Собственно
стекла в составе керамики не более 5 %, но в основном оно и придает связность этому материалу.
На атомно-молекулярном уровне структура представляет собой совокупность кремнекислородных и алюмокислородных тетраэдров (анионов), объединенных с катионами металлов
кальция, магния, железа и т.д.
Истинная плотность керамических материалов 2,5…2,7 г/см3; средняя плотность плотного черепа 2000…2300 кг/м3; теплопроводность абсолютно плотного черепка 1,16 Вт/(м·°С). Водопоглощение керамических материалов в зависимости от пористости меняется в пределах от 0
до 70 %. Теплоемкость керамических материалов 0,75…0,92 кДж/(кг·°С). По сравнению с металлами керамика имеет повышенную огнеупорность вплоть до высшей огнеупорности.
Предел прочности при сжатии самого распространенного представителя строительной
керамики составляет от 7,5 до 70 МПа. А прочность технической керамики может достигать
1000 МПа. Прочность при изгибе 0,7…5 МПа - на порядок меньше прочности при сжатии из-за
того, что керамика обладает низкой трещиностойкостью. Это главный ее недостаток по сравнению с металлами.
6.2. Основы технологии керамических изделий
Основные этапы производства: добыча сырьевых материалов (глинистого сырья, состоящего из глинистых, пылевидных и песчаных частиц), подготовка массы, формование изделий (сырца), их сушка при 60…70 С и обжиг при 900…1100 С. В процессе обжига происходит
спекание черепа – легкоплавкие глинистые частицы расплавляются, образовавшийся расплав
обтекает нерасплавившиеся частицы и при остывании затвердевает, объединяя все частицы в
монолитный прочный водостойкий камень.
Сырьем для производства строительной керамики служит глинистое сырье с добавками
или без них. Глинистое сырье (глины и каолины) - продукт выветривания изверженных полевошпатных горных пород, содержащий примеси других горных пород. В гранулометрический
состав входят глинистые частицы размером до 0,005 мм, пылевидные частицы с размерами зерен 0,005…0,05 мм и песчаные частицы с размерами зерен 0,05…2 мм. Минералогический состав глин: глинистые частицы состоят
из
вторичных
минералов (каолинит
Al2O3·2SiO2·2H2O, монтмориллонит Al2O3·4SiO2·4H2O, гидрослюды); пылевидные и песчаные
включают в себя кварц, полевой шпат, слюды и др.
Наиболее ценным компонентом глинистого сырья являются глинистые частицы, представляющие собой мельчайшие чешуйки минералов. Именно глинистые частицы обеспечивают
способность при затворении водой образовывать пластичное тесто, сохраняющее при высыхании приданную форму (частицы имеют форму пластин, между которыми при смачивании образуются тонкие слои воды, вызывая набухание частиц и способность их к скольжению относительно друг друга без потери связности). А при обжиге расплавляться и при остывании образовывать монолитный прочный водостойкий камень. Технологические свойства глинистого сырья: пластичность, воздушная и огневая усадка, плотность, пористость, прочность, трещиноватость и цвет керамического черепка, которые зависят от содержания глинистых частиц.
Добавки к глинам
Для снижения высокой усадки при сушке и обжиге "жирных" глин и предотвращения деформаций и трещин в изделиях в сырье вводят отощающие добавки. К ним относятся: дегидратированная глина, шамот, шлаки, золы, кварцевый песок, череп (брак обожженных изделий).
С целью повышения пластичности "тощих" глин при меньшем расходе воды вводят пластифицирующие добавки. К ним относятся высокопластичные глины, бентониты, поверхностно-активные вещества.
Для повышения пористости черепка и улучшения теплоизоляционных свойств керамических изделий вводят порообразующие добавки. К ним относятся: выгорающие добавки (древесные опилки, угольный порошок, торфяная пыль, эти добавки являются одновременно и
отощающими), газообразователи и пенообразователи.
С целью снижения температуры обжига керамики вводят плавни. К ним относятся: полевые пшаты, железная руда, доломит, магнезит, тальк, песчаник, пегматит, стеклобой, перлит.
Специальные добавки. Для повышения кислотостойкости керамических изделий в
сырьевые смеси добавляют песчаные смеси, затворенные жидким стеклом. Для получения некоторых видов цветной керамики в сырьевую смесь добавляют оксиды металлов (железа, кобальта, хрома, титана и др.).
Некоторые виды керамических изделий для повышения санитарно-гигиенических
свойств, водонепроницаемости, улучшения внешнего вида покрывают декоративным слоем глазурью или ангобом. Глазурь - стекловидное покрытие толщиной 0,1…0,2 мм, нанесенное на
изделие и закрепленное обжигом. Глазури могут быть прозрачными и глухими (непрозрачными) различного цвета. Для изготовления глазури используют: кварцевый песок, каолин, полевой шпат, соли щелочных и щелочноземельных металлов. Сырьевые смеси размалывают в порошок и наносят на поверхность изделий в виде порошка или суспензии перед обжигом. Ангобом называется нанесенный на изделие тонкий слой беложгущейся или цветной глины, образующей цветное покрытие с матовой поверхностью. По свойствам ангоб должен быть близок к
основному черепку.
Подготовка глин и формование изделий
Добыча глины осуществляется на карьерах обычно открытым способом экскаваторами и
транспортируется на предприятие керамических изделий рельсовым, автомобильным или другим видом транспорта. Разработке карьера предшествуют подготовительные работы: геологическая разведка с установлением характера залегания, полезной толщи и запасов глин; счистка
поверхности от растений за год-два до начала разработки, удаление пород, непригодных для
производства.
Карьерная глина в естественном состоянии обычно непригодна для получения керамических изделий, поэтому глины подготавливают путем естественной и (или) механической обработки. Естественная обработка – вылеживание глины в течение 1-2 лет при увлажнении атмосферными осадками или искусственном замачивании и периодическом замораживании и оттаивании. При этом глина измельчается, глинистые частицы разделяются друг от друга. Вымываются вредные примеси. Механическая обработка глин производится с целью дальнейшего разрушения их природной структуры, удаления или измельчения крупных включений, удаления
вредных примесей, измельчения глин и добавок и перемешивания всех компонентов до получения однородной и удобоформуемой массы с использованием: глинорыхлителей; камневыделительных, дырчатых, дезинтеграторных, грубого и тонкого помола вальцов; бегунов, глинорастирочных машин, корзинчатых дезинтеграторов, роторных и шаровых мельниц, одно- и двухвальных глиномешалок, пропеллерных мешалок и др.).
Сушка изделий
Перед обжигом изделия должны быть высушены до содержания влаги 5…6 % во избежание неравномерной усадки, искривлений и растрескивания при обжиге. Прежде при производстве кирпича сырец сушили преимущественно в естественных условиях в сушильных сараях в
течение 2…3 недель в зависимости от климатических условий. В настоящее время сушка производится преимущественно искусственная в туннельных непрерывного действия или камерных периодического действия сушилах в течение от нескольких до 72-х часов в зависимости от
свойств сырья и влажности сырца. Сушка производится при начальной температуре теплоносителя - отходящих газов от обжиговых печей или подогретого воздуха – 120 – 150 °С. Температура в сушилке – около 90 °С.
Обжиг изделий
Обжиг - важнейший и завершающий процесс в производстве керамических изделий. Интервал температур обжига большинства керамических изделий лежит в пределах от 900 °С до
1100 °С. При этой температуре легкоплавкие соединения керамической массы и минералы
плавни превращаются в расплав, который обволакивает не расплавившиеся частицы, стягивает
и после остывания придает изделию камневидное состояние, водостойкость и прочность.
Этот процесс можно разделить на три периода: прогрев сырца, собственно обжиг и регулируемое охлаждение.
После остывания изделие приобретает камневидное состояние, водостойкость и проч-
ность. Это явление называется спеканием, а свойство глин уплотняться при обжиге и образовывать камнеподобный черепок называется спекаемостью глин.
Обжиг осуществляется, как правило, в печах непрерывного действия (туннельных,
раньше – кольцевых) и редко – периодического действия. Кольцевые печи сейчас не строят
вследствие большой трудоемкости погрузочно-разгрузочных работ, но существующие еще эксплуатируют.
6.3. Номенклатура и применение изделий строительной керамики
По назначению керамические изделия подразделяют на следующие виды:
1. Стеновые для кладки стен: кирпич и камни керамические; крупноразмерные блоки
и панели из кирпича и керамических камней.
2. Отделочные (облицовочные) для наружной и внутренней облицовки зданий и сооружений с целью декоративно-художественной отделки и повышения их долговечности:
- кирпич и камни лицевые
- крупноразмерные облицовочные керамические плиты
- плитки керамические фасадные и ковры из них
- плитки для внутренней облицовки стен
3. Для полов: метлахские плитки; керамогранит.
4. Кровельные (черепица).
6. Заполнители для бетонов (керамзит, аглопорит).
7. Теплоизоляционные (ячеистая керамика, пенокерамика).
8. Дорожные (клинкерный кирпич, дорожная плитка).
9. Санитарно-технические (умывальники, унитазы, сливные бачки, биде, писсуары, раковины).
10. Трубы керамические (канализационные и дренажные).
11. Специальные (кирпич для дымовых труб и кислотоупорные изделия).
ТЕМА № 7. МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА
7.1. Общие понятия
Неорганическими вяжущими веществами называют порошкообразные материалы, которые при смешивании с водой образуют вязко-пластичное тесто, способное со временем самопроизвольно или в определенных условиях переходить из тестообразного в камневидное состояние (затвердевать). Эти способности обуславливают возможность смешения теста с зернами песка, гравия, щебня и последующего скрепления их между собой (омоноличивания в единое твердое тело) при затвердевании теста. На этом основан принцип получения самых распространенных строительных материалов - бетонов, строительных растворов и многих других искусственных материалов.
Получение твердого тела с помощью любых минеральных вяжущих основано на явлении кристаллизации. При гидратном твердении в результате гидратации молекулы гидратов солей образуют зародыши кристаллов, которые начинают расти. Когда они заполняют весь свободный объем в системе, тесто начинает терять пластичность – это начало схватывания. После
этого кристаллы начинают переплетаться, срастаться, пока тесто окончательно на потеряет пластичность – конец схватывания. Почему так важны сроки схватывания? До начала схватывания
смесь (тесто) можно перемещать, транспортировать, укладывать. Как только началось схватывание, вмешательство в структуру может сильно повредить, привести к снижению качества.
Окончание схватывания говорит о том, что изделие набрало некоторую структурную прочность, значит, его уже можно распалубливать.
Неорганические вяжущие вещества делятся на три группы: воздушные, гидравлические
и вяжущие гидротермального синтеза (автоклавные).
7.2. Воздушные вяжущие вещества
Воздушные вяжущие вещества характеризуются тем, что, будучи смешаны с водой, самопроизвольно твердеют и длительно сохраняют прочность лишь в воздушной среде. При систематическом увлажнении бетоны, изделия и конструкции на воздушных вяжущих сравнительно быстро теряют прочность и разрушаются. К воздушным вяжущим относят гипсовые вяжущие, воздушная известь, магнезиальные вяжущие и жидкое стекло.
Гипсовые вяжущие
Гипсовые вяжущие в зависимости от температуры тепловой обработки разделяются на
две группы: низкообжиговые (строительный гипс, технический (высокопрочный) гипс, формовочный гипс) и высокообжиговые (ангидритовый цемент и эстрих-гипс).
Строительным гипсом называют порошкообразный материал белого или сероватого
цвета, состоящий в основном из кристаллов β-модификации CaSО4·0,5H2О, содержит также некоторое количество ангидрида (CaSО4) и частицы неразложившегося сырья CaSО4·2H2О.
Строительный гипс изготовляют из природного двуводного гипса, глиногипса, а также
некоторых отходов промышленности: фосфогипса (отход при производстве суперфосфатов),
борогипса (отход от производства борной кислоты) и др. Сырье обжигают в варочных котлах
или печах при 130...150 °С: при первом случае гипсовый камень сначала размалывают, а потом
в виде порошка нагревают в котлах; во втором куски гипса различных размеров обжигают в
шахтных, вращающихся, камерных и др. печах, а затем измельчают в порошок. Имеются промышленные установки, в которых совмещены операции сушки, помола и обжига. При этой
температуре происходит дегидратация двуводного гипса:
CaSО4·2H2О = CaSО4·0,5H2О + 1,5Н2О.
Схватывание и твердение полуводного гипса обусловлено переходом его при взаимодействии с водой в двугидрат по схеме
CaSО4·0,5Н2О + 1,5Н2О = CaSO4·2Н2О.
При этом выделяется 133,14 кДж/кг теплоты. Молекулы CaSO4·2Н2О обеспечивают явление кристаллизации.
После окончания схватывания в структуре идет процесс набора прочности. Для строительного гипса это набор (твердение) заканчивается через 2 ч. В результате образуется твердое
тело с высокой пористостью, достигающей 40…60 % и более, и прочностью на сжатие от 2 до
12 МПа (высокопрочный гипс – до 25 МПа). Прочность при растяжении камня из полуводного
гипса в 6…9 раз меньше прочности при сжатии. Прочность затвердевшего гипса зависит от его
влажности (коэффициент размягчения колеблется в пределах 0,3…0,45), что можно объяснить
растворением двуводного гипса в местах контакта кристаллических сростков в структуре гипсового камня, вызывающим уменьшение его прочности.
При твердении строительный гипс расширяется на 0,05…0,15 %, что благоприятствует
изготовлению архитектурных деталей способом литья и плотному заполнению трещин, швов,
раковин и т.д. при отделке поверхностей.
Достоинства: гипсовые вяжущие вещества отличаются от всех известных минеральных
вяжущих веществ быстрым твердением (обычно начало схватывания гипсового теста наступает
через 4…5 мин, а конец схватывания – через 10…15 мин после затворения водой), хорошими
формовочными свойствами и наибольшей экономичностью. Это позволяет сравнительно просто и в короткие сроки производить на их основе различные виды изделий с невысокой плотностью (800...1500 кг/м3), достаточной прочностью, хорошими акустическими и теплофизическими свойствами, большой долговечностью при службе их в воздушно-сухой среде. Они легко
поддаются механической обработке (пилению, сверлению и т.д.). Однако из-за низкой водо- и
морозостойкости гипсовые изделия можно использовать при относительной влажности воздуха
не более 65 % (для эксплуатации в помещениях большей влажности необходима гидрофобизация). Кроме этого, следует учитывать, что гипс ускоряет коррозию металла.
Нормативные требования к гипсовым вяжущим предъявляются по следующим показателям: тонкости помола, срокам схватывания, прочности при сжатии.
Применяют строительный гипс для изготовления: гипсокартонных листов (гипсовая сухая штукатурка); плит гипсовых для перегородок; гипсобетонных панелей; гипсоволокнистых
листов; гипсовых блоков (камней); звукопоглощающих плит; декоративных плит; санитарно-
технических кабин; вентиляционных блоков; панелей основания пола. Также строительный
гипс вводят в состав сухих строительных смесей, предназначенных для оштукатуривания стен
и потолков, для подготовки оснований под малярные работы внутри помещений с нормальной
влажностью; для получения гипсоцементнопуццолановых вяжущих (ГЦПВ).
Высокообжиговые (ангидритовые) гипсовые вяжущие получают обжигом при высоких
температурах (600…900 °С); в них преимущественно входит безводный гипс (ангидрит CaSО4);
отличаются они медленным твердением. Высокообжиговыми являются:
а) ангидритовое вяжущее (ангидритовый цемент) – 600…750 °С;
б) высокообжиговый гипс (эстрих-гипс) – 800…1200 °С.
Высокообжиговый гипс медленно схватывается и твердеет, но его водостойкость и
прочность при сжатии выше строительного гипса – 10…20 МПа. Поэтому его применяют при
устройстве бесшовных полов, в растворах для штукатурки и кладки, для изготовления "искусственного мрамора".
Воздушная известь
Известь - древнейшее вяжущее вещество. Ее применяли за несколько тысяч лет до нашей эры. Воздушная известь состоит преимущественно из оксидов кальция и магния (СаО +
MgO). Это продукт обжига при температуре 900…1200 °С кальциево-магниевых карбонатных
горных пород (мела, известняка, доломитизированного известняка, доломита - СаСО3 и
MgCO3·СаСО3) с разложением их на СаО и СО2 по реакции:
СаСО3 = СаО + СО2↑ - 425,2 ккал/кг (1777 кДж/кг).
В результате обжига в печах различных типов (шахтных, вращающиеся, в кипящем слое,
на спекательных решетках и т.д.) получают комовую негашеную известь в виде кусков различной величины (до 60 мм). Истинная плотность негашеной извести колеблется в пределах
3,1…3,3 г/см3 и зависит главным образом от температуры обжига, наличия примесей, недожога
и пережога. Средняя плотность комовой негашеной извести в куске в большой мере зависит от
температуры обжига и возрастает с 1,6 г/см3 (известь, обожженная при температуре 800 °С) до
2,9 г/см3 (длительный обжиг при температуре 1300 °С).
При тонком измельчении комовой извести получают известь негашеную молотую (кипелку). Насыпная плотность в рыхлонасыпанном состоянии 900…1100, в уплотненном
1100…1300 кг/м3. Молотую негашеную известь обычно используют сразу после помола, так как
вследствие поглощения влаги из воздуха она теряет свои вяжущие свойства.
При взаимодействии негашеной извести с водой (этот процесс называется гашением) по
реакции
СаО + Н2О = Са(ОН)2 + 277 ккал/кг (1158 или, по другим данным, 950 кДж/кг)
получают известь гидратную (пушонку) Са(ОН)2 + Mg(ОН)2 в виде высокодисперсного
сухого порошка. В процессе гашения идет самопроизвольный распад кусков извести на тонкодисперсные частички размером не более 5…20 мк (тоньше, чем у цемента) и образуется тончайший порошок с удельной площадью поверхности до 10000 см2/г и насыпной плотностью
400…450 кг/м3. Воздушная известь является единственным вяжущим веществом, которое превращается в тонкодисперсное состояние химическим диспергированием. При этом известь увеличивается в объеме в 2…3,5 раза. Истинная плотность гидратной извести зависит от степени
ее кристаллизации и равна для Са(ОН)2, кристаллизованной в форме гексагональных пластинок, — 2,23, аморфной — 2,08 г/см3. Гашение извести в порошок осуществляют в специальных
гасильных аппаратах (гидраторах) периодического и непрерывного действия.
Существуют два вида твердения извести. При использовании гашеной извести происходит карбонатное твердение за счет образования карбоната кальция по реакции
Са(ОН)2 + СО2 + nН2О = СаСО3 + (n+1)Н2О.
Прочность при сжатии растворов и бетонов на гашеной извести при твердении в обычных условиях (10…20 °С) в течение месяца достигает небольших значений порядка 0,5…1
МПа. С помощью искусственной карбонизации можно получать бетоны с прочностью до
30…40 МПа. При длительном твердении в течение многих десятков (а иногда и сотен) лет благодаря взаимодействию песка с гидроксидом кальция прочность возрастает до 6…7 МПа.
При использовании молотой негашеной извести происходит гидратное твердение. Эффект твердения обусловливается взаимным сцеплением и срастанием образующихся в результате взаимодействия извести с водой при правильно подобранном водо-известковом отношении
(0,9…1,5) субмикроскопических частичек гидроксида кальция CaO·Н2O, срастающихся между
собой и быстро образующих прочный кристаллический сросток. Растворы на молотой негашеной извести схватываются через 15…60 мин после затворения. Саморазогревание материала
(раствора или бетона) при этом способствует ускорению твердения и росту прочности раствора,
что особенно важно при зимних работах (каменной кладке, штукатурке и др.). Через 28 суток
твердения на воздухе прочность растворов при сжатии достигает 2…3 МПа, т.е. втрое больше,
чем на гашеной. С течением времени гидратное твердение переходит в карбонатное.
Во влажных условиях известковые строительные растворы и бетоны постепенно теряют
прочность и разрушаются. Разрушение при этом наступает особенно быстро, если бетоны то
замерзают, то оттаивают. Чем активнее в растворах и бетонах прошли процессы карбонизации
извести, тем они более водостойки и морозостойки. Об этом убедительно свидетельствует длительная сохранность многих фасадов зданий, оштукатуренных известковыми растворами.
Важнейшие эксплуатационно-технические показатели воздушной извести:
- содержание активных СаО + МgO (активность извести): по активности известь делится на 3 сорта: 1-й сорт – не менее 90 % СаО + МgO; 2-й – 80 % и 3-й – 70 %;
- по содержанию MgO различают кальциевую (или маломагнезиальную – не более 5 %),
магнезиальную (5…20 %) и доломитовую (20…40 %) воздушную известь;
- температура и время гашения извести: быстрогасящаяся – не более 8 мин, среднегасящаяся – не более 25 мин, медленногасящаяся – более 25 мин.
- содержание непогасившихся зерен: при гашении извести необходимо стремиться к
полному переводу оксидов кальция и магния в гидроксиды, поскольку непогасившиеся частицы
могут впоследствии отрицательно влиять на качество затвердевших растворов и бетонов (дутики);
- остаток на сите № 02 порошкообразной извести должна быть не более 1,5 %; №008 не более 15 %.
- равномерность изменения объема, которая определяется как и для цемента, но с некоторыми изменениями.
Широкое применение извести в строительстве обусловлено тем, что она является местным вяжущим веществом. Сырье и топливо для ее получения есть почти повсюду, а организация производства связана с относительно невысокими капиталовложениями. Из строительной
воздушной извести изготовляют:
1) растворы, предназначенные для наземной кладки частей зданий и штукатурок, работающих в воздушно-сухих условиях.
2) бетоны низких марок, применяемые в конструкциях, работающих в воздушно-сухих
условиях;
3) известковые красочные составы;
4) смешанные гидравлические вяжущие (известково-шлаковые и известковопуццолановые цементы);
5) вяжущие автоклавного твердения.
Магнезиальное вяжущее
Магнезиальные вяжущие вещества - каустический магнезит и каустический доломит тонкие порошки оксида магния MgO. Магнезиальное вяжущее получают путем умеренного обжига (при температуре 750-850°С) магнезита (реже доломита): MgCО3 = MgO + СО2↑.
Магнезиальное вяжущее чаще всего затворяют водным раствором хлористого магния
MgCl2 (или других магнезиальных солей). Это ускоряет твердение и значительно повышает
прочность, так как наряду с гидратацией оксида магния по реакции MgO + Н2О = Mg(ОН)2 происходит образование гидрохлорида магния 3MgO·MgCl2·6H2О. При затворении же водой оксид
магния гидратируется очень медленно.
Магнезиальное вяжущее отличается высокой прочностью, достигающей при сжатии 60100 МПа, хорошо сцепляется с деревом, поэтому его можно применять для изготовления фибролита и магнезиально-опилочных (ксилолитовых) полов - монолитных и плиточных.
Жидкое стекло
Жидкое стекло представляет собой коллоидный водный раствор силиката натрия
Na2O·(2,5…3)SiO2 или силиката калия К2O·(3…4)SiO2, получаемый варкой стекла из кварцевого песка SiO2 и соды Na2СO3 в стеклоплавильных печах, как обычное стекло, с последующим
растворением застывшего расплава при повышенной температуре и давлении 0,6-0,7 МПа.
Жидкое стекло имеет желтый или коричневый цвет, плотность 1,3-1,5 г/см3 при содержании воды 50-70%. Силикаты натрия и калия в воде подвергаются гидролизу:
Na2SiO3 + 3Н2О = 2NaOH + SiО2·2H2О.
Выделяющийся гель кремневой кислоты SiО2·2H2О и обладает вяжущими свойствами.
Для ускорения твердения жидкого стекла к нему добавляют кремнефтористый натрий Na2SiF6,
ускоряющий выпадение геля кремневой кислоты и гидролиз жидкого стекла.
Натриевое жидкое стекло применяют для изготовления кислотоупорных и жароупорных
бетонов, для уплотнения грунтов. Калиевое стекло, более дорогое, применяют преимущественно в силикатных красках.
Кислотоупорный кварцевый цемент - это порошкообразный материал, получаемый путем совместного помола чистого кварцевого песка и кремнефтористого натрия Na2SiF6 (возможно смешение раздельно измельченных компонентов). Кислотоупорный цемент затворяют
водным раствором жидкого стекла, которое и является вяжущим веществом. Сам же порошок
вяжущими свойствами не обладает. Кислотоупорный цемент применяют для изготовления кислотостойких растворов и бетонов, замазок. При этом берут кислотостойкие заполнители:
кварцевый песок, гранит, андезит и т.п.
7.3. Гидравлические вяжущие
Гидравлические вяжущие твердеют и длительное время сохраняют прочность (или даже
повышают ее) не только на воздухе, но и в воде. Их можно разделить на три основные группы:
гидравлическая известь и романцемент, силикатные цементы (портландцемент и его разновидности) и алюминатные цементы (глиноземистый цемент и его разновидности).
Гидравлическая известь и романцемент
Гидравлическую известь получают обжигом в шахтных печах не до спекания (900…1100
°С) мергелистых известняков с содержанием глины 6…20 %. Полученную известь размалывают
и применяют в виде порошка либо гасят в пушонку. В процессе обжига мергелистых известняков после разложения карбоната кальция (900 °С) часть образующейся СаО остается в
свободном состоянии, а часть соединяется с оксидами SiO2, А12O3 и Fе2О3, входящими в состав
глинистых материалов. При этом образуются низкоосновные силикаты (2CaO·SiO2) алюминаты
(СаО·Аl2О3) и ферриты (СаО·Fе2О3) кальция, которые и придают извести гидравлические свойства. Предел прочности при сжатии после 28 сут комбинированного (7 сут во влажном воздухе
и 21 сут в воде) хранения образцов из раствора 1:3 по массе 2…5 МПа и выше. Гидравлическую
известь применяют для изготовления строительных растворов, бетонов низких марок и бетонных камней.
Романцемент - гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким помолом обожженных не до спекания (900 °С) известняковых или магнезиальных мергелей, содержащих более 20 % глины. Образующиеся при обжиге низкоосновные силикаты и алюминаты кальция
придают романцементу способность твердеть и сохранять прочность в воде. Романцемент выпускают трех марок: М25, М50 и M100. Он должен выдерживать испытание на равномерность
изменения объема. Применяется для изготовления строительных растворов, бетонов, бетонных
камней.
Гидравлическая известь и романцемент ранее широко применялись, но теперь эти вяжущие уступили свое место более совершенным гидравлическим вяжущим и прежде всего портландцементу.
Получение известково-шлаковых вяжущих основано на способности тонкоизмельченных гранулированных доменных шлаков твердеть при добавке извести. Обычно шлак размалывают совместно с воздушной известью, содержание которой в вяжущем составляет 20…30 %.
При помоле добавляют до 3…5 % гипса для улучшения процессов твердения. Известь, реагируя
с низкоосновными алюминатами и силикатами шлака, способствует образованию высокоосновных гидроалюминатов и гидросиликатов кальция. Добавляемый гипс реагирует в водном
растворе с алюминатами кальция, образуя гидросульфоалюминат кальция. В результате обоих
этих процессов возрастает прочность вяжущего. Известково-шлаковые вяжущие схватываются
и твердеют медленно, но при тепловлажностной обработке твердение ускоряется. Они стойки в
пресной воде, но имеют низкую морозостойкость. Известково-шлаковые вяжущие применяют в
бетонах невысоких марок и в строительных растворах.
Известково-пуццолановые вяжущие изготовляют путем совместного помола трепелов,
диатомитов и других активных минеральных добавок с известью. При твердении во влажных
условиях или в воде образуются низкоосновные гидросиликаты кальция. На воздухе в сухих
условиях гидросиликаты способны дегидратироваться, при этом прочность изделия может
сильно снижаться. Прочность этих вяжущих невысока, и они применяются там же, где и известково-шлаковые вяжущие.
Портландцемент
Портландцемент – порошкообразный продукт темно-серого или зеленовато-серого цвета, получаемый тонким измельчением клинкера с добавкой 3…5 % двуводного гипса (гипсового камня). Самое распространенное сегодня вяжущее. Ежегодно в мире выпускается около 3
миллиардов тонн цемента.
Готовый клинкер представляет собой зернистый материал в виде спекшихся гранул размером 10…40 мм ("горошек") темно-серого или зеленовато-серого цвета. Получение портландцементного клинкера включает подготовку (измельчение) сырьевых материалов: известняков
(мел, плотный известняк и др.) и глинистых пород (глины, глинистые сланцы), их смешивание
в соотношении 3:1 (т.е. берется около 75 % известняка и 25 % глины) по сухому или мокрому
способу и обжиг смеси во вращающихся печах при 1450 °С до спекания.
В среднем на 1 т цемента расходуется около 1,5 т минерального сырья. В сырьевую
смесь вводят добавки, корректирующие химический состав, регулирующие температуру спекания смеси и кристаллизацию минералов клинкера.
В процессе обжига сырье комкуется при перекатывании, дегидратируется, декарбонизируется, распадается на оксиды, которые вступают в химическое взаимодействие друг с другом с
образованием силикатов, алюминатов и алюмоферритов кальция в виде минералов кристаллической структуры, а некоторая часть их входит в стекловидную фазу.
Помол клинкера в тонкий порошок производится преимущественно в трубных (шаровых) мельницах. Природный гипс в портландцемент добавляют для регулирования скорости
схватывания и некоторых других свойств. Клинкерный порошок без гипса при смешении с водой быстро схватывается и затвердевает в цементный камень, который характеризуется пониженными техническими свойствами.
Химический состав клинкера:
СаО – 63…66 %,
SiO2 – 21…24 %,
Аl2O3 – 4…8 %
Fe2О3 – 2…4 %,
Минералогический состав клинкера:
Алит 3CaO·SiO2 (С3S) - 45…60 %
Белит 2CaO·SiO2 (С2S) – 20…30 %
Трехкальциевый алюминат 3CaO·Al2O3 (С3А) – 4…12 %
Четырехкальциевый алюмоферрит 4CaO·Al2O3·Fe2O3 (C4AF) – 10…20 %
Клинкерное стекло - 5…15 %.
Щелочи (Na2O, К2О) до 0,6 %.
Истинная плотность портландцемента (без минеральных добавок) составляет
3,05…3,15. Его насыпная плотность зависит от уплотнения и у рыхлого цемента составляет
1100 кг/м3, у сильно уплотненного - до 1600 кг/м3, в среднем - 1300 кг/м3.
После затворения цемента водой цементное тесто в течение 1…3 ч пластично и легко
формуется. В это время происходит гидратация перечисленных нами клинкерных минералов
(реакция взаимодействия безводных солей с водой, сопровождается выделением тепла) с образованием гидросиликатов, гидроалюминатов и гидроферритов кальция, а также гидроксида
кальция.
Эти соединения выпадают в осадок и образуют кристаллы, которые начинают расти в
объеме цементного теста. Этот период называется схватыванием, в это время цементное тесто
загустевает, утрачивая подвижность, но его механическая прочность еще невелика. Сроки схватывания зависят от минерального состава клинкера и от тонкости помола цемента. Быстрее всего гидратируется трехкальциевый алюминат, поэтому, чем выше его содержание в клинкере,
тем быстрее заканчивается схватывание. Двуводный гипс (или гипсовый камень) служит как
раз для замедления гидратации алюмината.
По срокам схватывания цементы подразделяют на:
- медленносхватывающиеся — с нормируемым сроком начала схватывания более 2 ч;
- нормальносхватывающиеся — с нормируемым сроком начала схватывания от 45 мин
до 2 ч;
- быстросхватывающиеся — с нормируемым сроком начала схватывания менее 45 мин.
Обычно схватывание портладцемента заканчивается через 5…10 ч после затворения.
Когда растущие кристаллы заполняют весь объем цементного теста, они начинают срастаться
между собой, образуются кристаллические сростки, обеспечивающие переход загустевшего
цементного теста в твердое состояние. Это означает конец схватывания и начало твердения
(возрастание прочности вследствие образования пространственной структуры сросшимися
кристаллами).
Проектным возрастом бетонов на цементе считают 28 суток – полагается, что к этому
времени гидратируются практически все частицы цемента. Однако на самом деле наиболее
крупные частицы (более 80 мкм) прогидратированы только снаружи, а внутри остаются негидратированы – это так называемый «клинкерный фонд», который и обеспечивает последующий
набор прочности в течении многих лет. Важным также является то, что повышение температуры существенно ускоряет процессы гидратации и твердения цемента, сокращая сроки твердения до 6…10 часов. Этот эффект лежит в основе тепловлажностной обработки бетонных изделий – непременного атрибута индустриального производства бетона и железобетона. Однако
расплатой за сокращение сроков твердения и ускоренное изготовление продукции является
снижение прочности бетона вследствие повышенной дефектности его структуры из-за возникающих при тепловой обработке температурно-влажностных градиентов.
В результате твердения образуется цементный камень. Его твердая фаза состоит из субмикрокристаллических (гелевых) и кристаллических продуктов гидратации цемента и многочисленных включений в виде негидратированных зерен клинкера (клинкерный фонд). Благодаря этому фонду твердение при благоприятных условиях длится годами – вплоть до полной гидратации цемента.
Кроме того, в структуре цементного камня присутствуют капиллярные и гелевые поры.
Их содержание зависит от водопотребности цемента, которое определяется количеством воды
(в % от массы цемента), необходимым для получения цементного теста нормальной густоты.
Водопотребность обычного (нормального) портландцемента в пределах от 22 до 28 %. При введении активных минеральных добавок осадочного происхождения (диатомита, трепела, опоки)
водопотребность цемента повышается и может достигнуть 32…37 %. Сроки схватывания и водопотребность цемента зависят от тонкости его помола – остаток на сите № 008 не более
10…15 %. Удельная поверхность цемента такого помола составляет обычно 2500…3000 см2/г.
Чем выше тонкость помола, тем выше водопотребность цемента, выше пористость и ниже
прочность цементного камня. Для снижения водопотребности цемент пластифицируют или
гидрофобизируют.
Важным в процессах твердения является также равномерность изменения объема цемента, определяемая в тесте нормальной густоты.
Прочностные свойства портландцемента оцениваются классом и активностью. Класс
цемента – это значение из унифицированного ряда, определяемое по средней величине предела
прочности при сжатии (в МПа) цементно-песчаного раствора состава 1:3 при В/Ц = 0,5, испытанного в проектном возрасте (2, 7 или 28 суток) твердения под водой. По прочности на сжатие
в возрасте 28 сут цементы подразделяют на классы 22,5; 32,5; 42,5; 52,5. В нормативных документах на цементы конкретных видов могут быть установлены дополнительные классы прочности. Для некоторых специальных видов цементов с учетом их назначения классы прочности
не устанавливают. Активность – это конкретное значение прочности, не приведенное к унифицированному ряду.
По назначению цементы подразделяют на общестроительные и специальные.
По виду клинкера цементы подразделяют на основе:
- портландцементного клинкера;
- глиноземистого (высокоглиноземистого) клинкера;
- сульфоалюминатного (-ферритного) клинкера.
По скорости твердения общестроительные цементы подразделяют на:
- нормальнотвердеющие с нормированием прочности в возрасте 2 (7) и 28 сут;
- быстротвердеющие с нормированием прочности в возрасте 2 сут, повышенной по сравнению с нормальнотвердеющими, и 28 сут.
По вещественному составу цементы подразделяют на пять типов:
- ЦЕМ I - портландцемент;
- ЦЕМ II - портландцемент с минеральными добавками;
- ЦЕМ III - шлакопортландцемент;
- ЦЕМ IV - пуццолановый цемент;
- ЦЕМ V - композиционный цемент.
В маркировке цемента указывается его тип, класс по прочности, подкласс по скорости
твердения: Н (нормальнотвердеющий) и Б (быстротвердеющий) и обозначение нормативного
документа, по которому поставляют цемент.
Разновидности портландцемента: шлаковый портландцемент; пуццолановый портландцемент; гипсоцементнопуццолановые вяжущие (ГЦПВ); быстротвердеющий (БТЦ), особобыстротвердеющий высокопрочный (ОБТЦ) и сверхбыстротвердеющий (СБТЦ) портландцементы; пластифицированный и гидрофобный портландцементы; вяжущие низкой водопотребности (ВНВ); сульфатостойкий портландцемент; белый и цветные портландцементы;
тампонажный портландцемент; портландцемент с умеренной экзотермией; магнезиальный
портландцемент и др.
Коррозия цементного камня вызывается воздействием агрессивных газов и жидкостей
на составные части затвердевшего портландцемента, главным образом на Са(ОН)2 и
3СаО·А12O3·6Н2O. Встречаются десятки веществ, могущих воздействовать на цементный камень и оказаться для него вредным. Несмотря на разнообразие агрессивных веществ, основные
причины коррозии можно разделить на три вида:
1) разложение составляющих цементного камня, растворение и вымывание гидроксида
кальция (выщелачивание);
2) образование легкорастворимых солей в результате взаимодействия гидроксида кальция и других составных частей цементного камня с агрессивными веществами и вымывание
этих солей (кислотная, магнезиальная коррозия);
3) образование в порах новых соединений, занимающих большой объем, чем исходные
продукты реакции; это вызывает появление внутренних напряжений в бетоне и его растрескивание (сульфоалюминатная коррозия).
Глиноземистый и другие виды цементов
Глиноземистый цемент - быстротвердеющее и высокопрочное гидравлическое вяжущее
вещество, получаемое путем тонкого измельченного клинкера, содержащего преимущественно
низкоосновные алюминаты кальция. Глиноземистый цемент обладает высокой прочностью
только в том случае, если он твердеет при умеренных температурах, не свыше 25 °С. Поэтому
глиноземистый цемент нельзя применять для бетонирования массивных конструкций из-за разогрева бетона, а также подвергать тепловлажностной обработке.
Глиноземистый цемент быстро твердеет (на 3 сутки получают марки М400, М500 и
М600) при нормальных сроках схватывания. Тепловыделение глиноземистого цемента при
твердении примерно в 1,5 раза больше, чем у портландцемента. Бетон на глиноземистом цементе более стоек по сравнению с портландцементом против выщелачивания, а также в растворах
сульфата кальция и магния (в частности, в морской воде). Однако затвердевший глиноземистый
цемент разрушается в растворах кислот и щелочей, поэтому глиноземистый цемент нельзя
смешивать с портландцементом и известью.
С учетом специфических свойств и высокой стоимости глиноземистый цемент предназначается для получения быстротвердеющих, а также жаростойких бетонов и растворов. Кроме
того, глиноземистый цемент используется для получения расширяющихся цементов.
7.4. Вяжущие автоклавного твердения
Вяжущие автоклавного твердения - это вещества, способные образовывать плотный,
прочный камень в условиях гидротермального синтеза, происходящего при автоклавной обработке. В эту группу входят: известково-кремнеземистые, известково-зольные, известковошлаковые вяжущие, нефелиновый цемент и др. По существу их тоже можно отнести к гидравлическим вяжущим, поскольку во влажных условиях они также способны сохранять прочность.
Это продукт совместного или раздельного помола извести и кремнеземсодержащего
компонента до удельной поверхности смеси 2000…4000 см2/г. Известь, как правило, применяется молотая негашеная, поскольку она обеспечивает получение более прочных и долговечных
изделий по сравнению с гашеной известью. В качестве кремнеземистого компонента используется преимущественно кварцевый песок, содержащий не менее 75 % кварца, а также другие
природные и искусственные кремнеземистые материалы – трепел, опока, маршалит, диатомит,
шлаки, золы от сжигания угля, торфа и сланца, содержащие SiO2 не менее 45 %; продукты обогащения руд, содержащие SiO2 не менее 60 %.
На основе известково-песчаного вяжущего производятся силикатные бетоны. При этом
само вяжущее изготовляется непосредственно на предприятиях по производству силикатобетонных изделий.
Гидросиликатным, или синтезным твердением называют процесс взаимодействия извести, кремнезема SiO2 и воды при температуре 174,5…200 °С с образованием гидросиликатов
кальция, обеспечивающих высокую прочность получаемому материалу:
Ca(OH)2+SiO2+(n-1)H2O → CaOSiO2nH2O
Представленная реакция происходит и в естественных условиях, но очень медленно,
иногда в течении веков. Зато при температуре 170 ºС и выше реакция занимает всего 6…12 часов, поскольку кремнезем приобретает химическую активность.
Для того, чтобы разогреть изделие до 170 ºС и при этом не потерять влагу, необходимо
избыточное давление 0,8…1,2 МПа, поэтому для реализации гидротермального синтеза применяют запаривание изделий в автоклавах. Автоклав представляет собой горизонтально расположенный герметичный стальной цилиндр диаметром 2 и более метра, длиной до 30 м, закрытый
с одной или обеих сторон крышками. В автоклав на специальных вагонетках загружают изделия, герметично закрывают крышку и нагнетают водяной пар до заданного давления. Роль давления при этом сводится только к сохранению жидкой воды в материале в условиях высоких
температур. При атмосферном давлении вода бы испарялась и полностью прекращались реакции, связанные с образованием цементирующих веществ.
Производство вяжущих автоклавного твердения обходится значительно дешевле, чем
клинкерных, поскольку значительно ниже температура обжига и количество обжигаемого материала. При этом по качеству силикатные бетоны нисколько не уступают цементным. Стоимость силикатобетонных изделий, в том числе крупных армированных, обычно на 20…30 %
меньше стоимости бетонных на основе цемента. Строительные же их качества равноценны.
Тема № 8 СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНЫХ
ВЯЖУЩИХ
8.1. Общие сведения
К таким материалам относятся строительные растворы, бетоны, асбоцементные изделия,
цементно-стружечные плиты и т.д. Самым распространенным на Земле строительным материалом является бетон, точнее – бетоны. Сегодня ежегодное производство бетона составляет более
2 млрд. м3, что намного превосходит производство других видов промышленной продукции и
строительных материалов. Это наиболее ресурсоемкий вид человеческой деятельности в мире.
Бетон – это искусственный камневидный композиционный материал, получаемый в результате затвердевания рационально подобранной и тщательно перемешанной смеси вяжущего,
затворителя (как правило, воды), в ряде случаев мелкого и крупного заполнителей, добавок. Сегодня используется порядка 1600 видов бетона с самым широким диапазоном свойств: плотностью от 0,1 до 4,5 т/м3; прочностью при сжатии от 0,1 до 1000 МПа; температурой применения
от –150 до +1500 С.
1. В зависимости от основного назначения бетоны подразделяются на:
конструкционные;
специальные: жаростойкие; химически стойкие; декоративные; радиационно-защитные; теплоизоляционные; напрягающие и др.
2. По виду вяжущего бетоны могут быть на основе:
 цементных вяжущих;
 известковых вяжущих;
 шлаковых вяжущих;
 гипсовых вяжущих;
 специальных вяжущих.
3. По виду заполнителей бетоны могут быть на:
 плотных заполнителях;
 пористых заполнителях;
 специальных заполнителях.
4. По структуре бетоны могут быть:
 плотной структуры;
 крупнопористой структуры;
 поризованной структуры;
 ячеистой структуры;
 мелко- или крупнозернистой структуры.
5. По условиям твердения бетоны подразделяются на твердевшие:
 в естественных условиях;
 в условиях тепловлажностной обработки при атмосферном давлении;
 в условиях тепловлажностной обработки при давлении выше атмосферного (автоклавного твердения).
6. По средней плотности можно разделять бетоны на:
 особо тяжелые (свыше 2500 кг/м3);
 тяжелые (2200 – 2500 кг/м3);
 облегченные (1800 – 2200 кг/м3);
 легкие (500 – 1800 кг/м3);
 особо легкие (до 500 кг/м3).
Важнейшей характеристикой бетонов является его класс по прочности на осевое сжатие (определяемый по кубиковой или призменной прочности) или на осевое растяжение. Класс
бетона – это значение унифицированного ряда прочности бетона в проектном возрасте в МПа,
принимаемого с гарантированной обеспеченностью 0,95.
Класс бетона принимают из условия B ≤ Rг, где Rг – гарантированная с определенной
вероятностью прочность. Гарантированная прочность Rг рассчитывается по формуле:
R г  R (1  t ),
где R - средняя прочность бетона, МПа, которую следует обеспечить при производстве конструкций; ν - коэффициент вариации прочности бетона; t - коэффициент Стьюдента, характеризующий отклонения выборки от генеральной совокупности. Принимается по таблицам справочников в зависимости от величины значимости  ( = 1 – Р, где Р – доверительная вероятность) и числа степеней свободы k (k = m – 1, где m – число испытанных образцов).
В зависимости от состава и структуры, производят бетоны классов по прочности на сжатие от В0,35 до В80. Сегодня выпускаются уже бетоны с прочностью до 150 МПа, так называемые High Performance Concrete, под которым подразумеваются бетоны высокой (55-80 МПа) и
сверхвысокой (выше 80 МПа) прочности, низкой проницаемости, повышенной коррозионной
стойкости и долговечности, полученные из пластичных смесей.
Как и всем минеральным строительным материалам, бетонам на минеральных вяжущих
свойственна хрупкость. Прочность при изгибе бетона в 5…10 раз ниже прочности при сжатии.
Важным механическим свойством бетонов является ползучесть - явление увеличения
деформаций бетона во времени при действии постоянной статической нагрузки. Реализуется
ползучесть как пластическая деформация, однако сегодня установлено, что эти деформации вызваны микротрещинообразованием в структуре бетона, поэтому их называют псевдопластическими. Ползучесть и связанная с ней релаксация напряжений может играть отрицательную
роль. Например, ползучесть бетона приводит к потере натяжения в предварительно напряженных железобетонных конструкциях.
При твердении на воздухе происходит усадка бетона, т.е. бетон сжимается и линейные
размеры бетонных элементов сокращаются. Усадка слагается из влажностной, карбонизационной и контракционной составляющих. Влажностная усадка вызывается изменением распределения, перемещением и испарением влаги в образовавшемся скелете цементного камня.
Эта составляющая играет ведущую роль в суммарной усадке бетона. Карбонизация содержащегося в цементном камне гидроксида кальция с переходом его в карбонат кальция также вызывает усадку, особенно заметную в ячеистых бетонах. Контракционная составляющая усадки, вызванная уменьшением абсолютного объема системы цемент-вода, невелика и составляет всего
около 10 % от влажностной усадки.
Вследствие усадки бетона в железобетонных и бетонных конструкциях возникают усадочные напряжения, поэтому сооружения большой протяженности разрезают усадочными
швами во избежание появления трещин. Неравномерная усадка вызывает растягивающие напряжения в наружных слоях конструкции и появление внутренних трещин на контакте с заполнителем и в самом цементном камне.
Помимо влажностных деформаций (усадки), бетон также претерпевает и температурные
деформации расширения-сжатия, которые оцениваются величиной коэффициента линейного
или объемного температурного расширения. Линейный коэффициент температурного расширения бетона составляет около 10∙10-6 C, следовательно, при увеличении температуры на 50
°С расширение достигает примерно 0,5 мм/м. Во избежание растрескивания сооружений большой протяженности разрезают температурно-усадочными швами. Кроме того, большие колебания температуры (более 80 °С) могут вызывать внутреннее растрескивание бетона и при наличии швов вследствие различного теплового расширения крупного заполнителя и раствора.
Внутреннее растрескивание можно предотвратить, если позаботиться о подборе составляющих
бетона с близкими коэффициентами температурного расширения.
Помимо этого, на долговечности бетона негативно будут сказываться циклические температурные воздействия нагрев-охлаждение. Так же как и переменные влажностные деформации, они приводят к усталости бетона, возникновению в нем микродефектов, которые со временем могут перерасти в крупные трещины и разрушить бетон.
Морозостойкость бетона зависит от качества примененных материалов и капиллярной
пористости бетона. Объем капиллярных пор оказывает решающее влияние на водопроницаемость и морозостойкость бетона. Морозостойкость бетона значительно возрастает, когда ка-
пиллярная пористость менее 7%.
Важнейшей технической и экономической характеристикой бетона является его однородность, под которой понимается разброс значений его показателей. Для оценки однородности бетона данной марки используют результаты контрольных испытаний бетонных образцов.
Прочность бетонных образцов будет колебаться, отклоняясь от среднего значения в большую и
меньшую стороны. Такой разброс должен быть минимальным - это важнейшее требование. Чем
ближе частные результаты испытания образцов к среднему значению, тем выше однородность
бетона. На колебания прочности влияют колебания в качестве цемента и заполнителей, точность дозирования составляющих, тщательность приготовления бетонной смеси и другие факторы. Однородность прочности учитывается при определении класса бетона по коэффициенту
вариации. На отечественных предприятиях нормативный коэффициент вариации составлял 13,5
%, а для массивных гидротехнических конструкций — 17,0 %.
8.2. Сырьевые материалы для бетонов и растворов
Вяжущее
Вяжущие являются главным компонентом бетонной смеси, твердение которого и обеспечивает твердофазовое состояние искусственного камня - бетона. Можно обойтись без крупного заполнителя, без мелкого, без добавок, а без вяжущего – не обойтись.
Выбор типа вяжущего для конкретного бетона предопределяется условиями его последующей эксплуатации: тип и величина силовой нагрузки, температурно-влажностные параметры, химический состав эксплуатационной среды и др. Иногда на этот выбор влияют требования
по условиям изготовления строительных конструкций (например, срокам, тампонированию,
предварительному натяжению). Конкретную марку выбранного типа вяжущего и его расход
назначают исходя из проектного класса бетона (прочность вяжущего должна быть минимум на
10…40 % выше желаемой прочности бетона), его марки по морозостойкости, водонепроницаемости с учетом требуемой удобоукладываемости бетонной смеси.
Заполнители
Заполнители – это зернистые (иногда волокнистые) материалы, которые в рационально
составленной смеси с вяжущим веществом и затворителем образуют бетоны и растворы. Заполнители занимают в бетоне до 80 % объема и создают жесткий скелет, который увеличивает
прочность и модуль упругости бетона, уменьшает его ползучесть и усадку (примерно в 10 раз
по сравнению с усадкой цементного камня). Наконец, заполнители позволяют резко сократить
расход вяжущих – наиболее дорогой и дефицитной составной части бетона.
По составу заполнители делятся на органические и неорганические. Наибольшее применение в бетонах на минеральных вяжущих имеют минеральные заполнители. В специальных
бетонах иногда применяют металлические заполнители, например, свинцовую дробь. К органическим относятся отходы деревообработки (опилки, стружка, дробленка (частицы длиной до 40
мм, шириной и толщиной 2...5 мм), древесная шерсть (древесные волокна) и т.д.), отходы переработки сельскохозяйственной продукции (стебли камыша, хлопчатника, лузга семечек, волокна конопляных и льняных культур и т.д.), отходы и продукты промышленности полимерных
материалов (пластики, полимерные волокна, резиновая крошка и т.д.). Используются для производства древесностружечных и древесноволокнистых плит, арболита, ксилолита, фибролита,
цементно-стружечных плит, опилкобетона, костробетона и других аналогичных бетонов.
По происхождению заполнители подразделяют на три группы:
1) природные, в том числе из попутно добываемых пород и отходов обогащения. Применяются без изменения их химического состава и фазового состояния (песок, гравий, щебень из
природного камня);
2) искусственные, получаемые из природного сырья или отходов промышленности путем термической или иной обработки с изменением химического состава и фазового состояния
(керамзитовый, аглопоритовый, шунгизитовый гравий и песок, шлаковая пемза, гранулированное пеностекло);
3) из отходов промышленности без изменения их состава, что позволяет не только расширить дешевую сырьевую базу, но и решить проблему утилизации отходов (щебень и песок из
металлургических и шлаковые, золы).
По форме:
1) зернистые, которые делятся на окатанной (округлой – гравий, природный песок) и угловатой формы (щебень, дробленый песок). Угловатые заполнители обеспечивают более высокую прочность бетона из-за лучшего сцепления с цементным камнем, однако зерна пластинчатой (лещадной) формы могут негативно сказываться на качестве бетона.
2) волокнистые, пока еще ограниченно используемые заполнители. Такие заполнители
позволяют значительно повысить прочность бетона на растяжение и его трещиностойкость, то
есть снижают хрупкость материала.
По крупности зерен заполнители подразделяют на:
1) Мелкие заполнители (песок) – это неорганический сыпучий материал с крупностью
зерен от 0,14 до 5 мм.
2) Крупные заполнители — это рыхлозернистый материал окатанной (гравий) или остроугольной (щебень) формы с размером от 5 до 70 мм, а в массивных конструкциях и до 150 мм.
По плотности (в зерне):
1) плотные со средней плотностью более 2 г/см3, применяются для обычных бетонов;
2) пористые (легкие) со средней плотностью менее 2 г/см3 (обычно 0,4…1,6 г/см3), используемые для легких бетонов.
Кварцевый песок – неорганический природный зернистый, как правило, окатанный, мелкий плотный заполнитель. Образуется естественным путем в результате выветривания горных
пород, по месту залегания бывает речной, горный, овражный, морской, барханный. Соответственно, добывается он гидромеханическим способом со дна водоемов либо экскаваторами в
карьерах. При необходимости песок может подвергаться обогащению (удалению вредных примесей, корректировке зернового состава). Помимо кварцевого, в зависимости от породообразующих минералов используются также полевошпатовые и карбонатные пески, но наиболее
ценится именно кварцевый песок, поскольку он обладает высокой плотностью (плотность в
зерне 2,65 г/см3), прочностью (прочность кварца достигает 2000 МПа), морозостойкостью, долговечностью, а главное – широко распространен. Важнейшие характеристики песков: зерновой
состав (модуль крупности, кривая рассева), пустотность, содержание вредных примесей, влажность.
В качестве мелкого заполнителя применяются также пески дробленый и из отсевов
дробления, изготавливаемые искусственно дроблением скальных горных пород и гравия. Есть
еще песок из отходов обогащения рудных и нерудных ископаемых и других отраслей промышленности.
Щебень гранитный – неорганический природный угловатый крупный плотный заполнитель, получаемый механическим дроблением гранитных пород с последующим рассевом на
фракции, как правило, 5…10, 10…20, 20…40, 40…70, (70…150) мм. Это наиболее распространенный заполнитель для изготовления тяжелого бетона, поскольку обладает высокой плотностью (2,6…2,7 г/см3), прочностью (100…300 МПа), морозостойкостью, химической стойкостью, долговечностью.
При производстве бетона на заводах часто используют не одну фракцию, а смесь нескольких несмежных фракций для уменьшения пустотности заполнителя и сокращения расхода
цементно-песчаного раствора и цемента.
Марка заполнителя по прочности должна быть выше проектируемой марки бетона, а по
морозостойкости – не ниже. Максимальная крупность заполнителя должна быть, во-первых, в
3…4 раза меньше наименьшей толщины изделия, а во-вторых, меньше минимального расстояния между арматурой. При подборе состава бетона учитывают также пустотность, водопоглощение, содержание пылевидных и глинистых частиц, вредных примесей и радиационногигиенические характеристики заполнителя.
Важнейшие технические характеристики: крупность, зерновой состав, пустотность, содержание игловидных и пластинчатых зерен, содержание пылевидных и глинистых частиц,
марка по дробимости, износ.
Керамзитовый гравий – неорганический искусственный зернистый округлый пористый
крупный заполнитель в виде пористых гранул темно-бурого цвета снаружи и черных в изломе.
Для получения керамзита использовано явление вспучивания некоторых глин при обжиге, связанное с двумя процессами: газовыделением и переходом глины в пиропластическое состояние.
Источниками газовыделения являются реакции восстановления оксидов железа Fе2O3 + СО =
СO2 +2FeO, выгорания органических примесей, дегидратации гидрослюд и других водосодержащих глинистых минералов, диссоциации карбонатов и т.д. В пиропластическое состояние
глины переходят, когда при высокой температуре (до 1200°С) в них образуется жидкая фаза
(расплав), в результате чего глина размягчается, приобретает способность к пластической деформации, в то же время становится газонепроницаемой и вспучивается выделяющимися газами.
Главной характеристикой керамзита является марка по насыпной плотности, которая
должна быть не более 1200 кг/м3 (чем меньше, тем лучше), прочность при сжатии в цилиндре.
Это легкий и прочный заполнитель, использующийся (примерно 3/4 общего выпуска пористых
заполнителей) для изготовления легких бетонов и устройства насыпной теплоизоляции.
Аглопоритовый щебень, гравий и песок – неорганический искусственный зернистый пористый заполнитель округлой (гравий) или угловатой (щебень) формы, получаемый обжигом
глин, непригодных для производства керамзита, в смеси с топливными шлаками, золами, отходами добычи сланцев и угля (8-10 %). Рыхлую шихту увлажняют связующей добавкой, в качестве которой берут глиняный шликер или раствор технического лигносульфоната. Полученную
шихту подают в гранулятор, где она доводится до влажности 20…35 % и окомковывается. Укладывают гранулы на колосниковую решетку ленточной агломерационной машины, представляющей собой непрерывно движущийся конвейер из тележек-палет, имеющих в основании колосниковую решетку. Под решеткой в вакуум-камере отсосом воздуха вентилятором (дымососом) создают разрежение, благодаря которому происходит просос воздуха через шихту. Сверху
шихту поджигают. При горении угля температура смеси поднимается до 1400...1500 °С, каменный уголь выгорает, а частицы сырья спекаются в пористую остеклованную массу (корж).
Процесс спекания осуществляется сравнительно быстро. Горячие газы, отсасываемые вниз, подогревают нижележащие слои шихты, и зона горения постепенно передвигается к колосниковой решетке. Верхние спекшиеся слои в это время несколько охлаждаются просасываемым воздухом. Когда зона горения топлива доходит до колосниковой решетки и процесс агломерации
завершается, получают спекшийся аглопоритовый корж, который подвергают двухступенчатому дроблению и фракционируют на щебень и песок.
Шлаковая пемза - неорганический пористый крупный заполнитель из промышленных
отходов в виде щебня, получаемый путем быстрого охлаждения расплава металлургических
(обычно доменных) шлаков водой, приводящего к вспучиванию. При контакте шлакового расплава (температура около 1300 ºС) с водой происходит бурное вскипание с интенсивным образованием пара. Пузырьки пара, внедряясь в расплав, не могут выделиться свободно, поскольку
при охлаждении вязкость расплава увеличивается. В результате он вздувается, вспучивается и
застывает в виде поризованной массы ячеистой структуры. Основное значение при этом имеют
химический состав шлаков и наличие в них растворенных газов, определяющие газотворную
способность, вязкость и поверхностное натяжение шлаковых расплавов. Куски шлаковой пемзы
дробят и рассеивают, получая щебень и песок ячеистой структуры с диаметром пор 1...2 мм
(иногда получают шлаковую пемзу с диаметром пор 5...6 мм, похожую на затвердевшую пену).
Стандарт предусматривает испытание шлакопемзового щебня на стойкость против силикатного
распада. По себестоимости шлаковая пемза – самый дешевый искусственный пористый заполнитель. Производится и применяется в районах металлургической промышленности.
Вспученный перлит изготовляют путем обжига водосодержащих вулканических стеклообразных пород (перлитов, обсидианов, витрофира и др.). При температуре 950…1200 °С вода
выделяется и перлит увеличивается в объеме в 10…20 раз. Вспученный перлит применяют для
производства легких бетонов и теплоизоляционных изделий.
Вспученный вермикулит - пористый сыпучий материал, полученный путем обжига вермикулита (разновидности слюды, магниево-железистый гидроалюмосиликат с содержанием
связанной воды 8...18 %). Этот заполнитель используют для изготовления теплоизоляционных
легких бетонов.
Асбест – минеральный природный тонковолокнистый мелкий плотный заполнитель, получаемый распушкой природного асбестового камня (в России - минерала хризотил-асбеста, состоящего из силикатов магния) на волокна диаметром 0,02…1 мм и длиной 0,3…10 мм. Хризотил-асбест устойчив к действию щелочей и интенсивно разлагается кислотами, негорюч и обладает значительной теплостойкостью (плавится при температуре около 1550 °С). Природный
асбест имеет очень высокую прочность при растяжении вдоль волокнистости 3200…5400 МПа
в зависимости от диаметра и длины образцов (выше прочности стали), а модуль упругости –
175…185 ГПа. При распушке асбеста часть волокон разрушается и прочность при растяжении распушенного волокна составляет 700…750 МПа, а модуль упругости снижается до
70…80 ГПа. Волокна асбеста армируют цементный камень. При работе асбестоцементных изделий на изгиб волокна асбеста воспринимают растягивающие напряжения, а цементный камень - сжимающие. Введение гибких волокон в количестве 10…20 % от массы цемента позволяет в 3…5 раз увеличить прочность цементного камня при растяжении и изгибе, а также стойкость к ударным воздействиям. Применяется в производстве асбестоцементных изделий.
Для теплоизоляционных и некоторых видов конструкционно-теплоизоляционных легких
бетонов используют и органические заполнители, приготовленные из древесины, стеблей хлопчатника, костры, гранул пенополистирола (стиропорбетон), стекловолокна, пенопропиленовых
фибр и др.
Добавки для вяжущих, бетонов и растворов
Добавки – природные или искусственные продукты, вводимые в составы вяжущих, растворов и бетонов при их изготовлении с целью улучшения физико-химических и технологических свойств получаемого продукта, а также снижения его стоимости. Разделяют на химические, тонкодисперсные минеральные и комплексные добавки.
Химические добавки вводятся в небольших количествах (0,1…2 % от массы цемента). В
зависимости от основного эффекта действия делятся на несколько видов.
1. Регулирующие свойства бетонных смесей:
- пластифицирующие (повышают подвижность бетонной смеси при том же расходе воды
затворения);
- водоредуцирующие (позволяют получать бетонную смесь требуемой удобоукладываемости с пониженным расходом воды, что приводит к увеличению прочности при том же расходе
вяжущего, и позволяют снизить расход вяжущего при том же уровне прочности);
- стабилизирующие (снижают расслаиваемость и водоотделение бетонной смеси, что приводит к повышению однородности структуры бетона и его качества);
- регулирующие сохраняемость подвижности (замедляющие и ускоряющие схватывание)
- увеличивающие воздухо-(газо)содержание (поризующие) (вещества, способствующие
целенаправленному образованию в теле бетона пор):
- воздухововлекающие (поверхностно-активные органические вещества, способствующие вовлечению в бетонную смесь при ее перемешивании мелкодисперсного воздуха,
равномерно распределенного в бетоне);
- газообразующие (вещества, способные выделять газ за счет химического взаимодействия с компонентами вяжущего);
- пенообразующие (поверхностно-активные органические вещества, обеспечивающие
возможность получения технической пены требуемой кратности и стойкости).
2. Регулирующие свойства бетона
- регулирующие кинетику твердения (ускорители и замедлители позволяют управлять
процессами затвердевания бетона за счет влияния на процессы гидратации);
- повышающие прочность;
- снижающие проницаемость (кольматирующие) (вещества, способствующие заполнению пор в бетоне водонерастворимыми продуктами и повышению его водо-, газо- и паронепроницаемости);
- повышающие защитные свойства по отношению к арматуре (ингибиторы) коррозии;
- повышающие морозостойкость
- повышающие коррозионную стойкость
- расширяющие (для получения безусадочных и расширяющихся бетонов).
3. Придающие бетону специальные свойства:
- противоморозные (вещества, понижающие температуру замерзания воды и обеспечивающие твердение при отрицательных температурах);
- гидрофобизирующие (вещества, придающие стенкам пор и капилляров в бетоне гидрофобные (водоотталкивающие) свойства).
Одни и те же вещества могут быть отнесены к добавкам различного назначения. Помимо
основного, все добавки могут оказывать и побочные эффекты.
Минеральные добавки представляют собой тонкодисперсные порошки, вводимые в состав бетонов в количестве 2…20 %. По механизму взаимодействия с продуктами гидратации
цемента делятся на активные минеральные добавки и инертные минеральные добавки (наполнители).
Инертные минеральные добавки (наполнители) не вступают в химическое взаимодействие с продуктами гидратации цемента, играют роль микрозаполнителя в цементном камне.
Улучшают структуру цементного камня, позволяют сэкономить цемент. Введение их в количестве до 60 % от массы цемента обычно не снижает прочности бетона. Кроме того, введение таких добавок может обеспечить кислотостойкость, щелочестойкость и жаростойкость бетонов и
растворов. К ним относятся тонкомолотые кварцевые пески и известняки, различные низкоактивные шлаки и золы, диатомовая земля, бентонит, каолин, и каменная мука и т.п.
Активные минеральные добавки делятся три типа:
- обладающие вяжущими свойствами (гидравлические добавки);
- обладающие пуццолановой активностью;
- обладающие одновременно вяжущими свойствами и пуццолановой активностью.
Гидравлические добавки – это вещества, способные самопроизвольно затвердевать после
затворения водой. К ним относятся минеральные вяжущие, горелая земля, кислые шлаки, золы.
Пуццолановые добавки не способны самопроизвольно затвердевать, но содержащийся в
их составе активный кремнезем (аморфного типа), а иногда и глинозем способен взаимодействовать с продуктами гидратации цемента с образованием прочных соединений, повышающих
прочность цементного камня и бетонов в целом, а за счет этого – сокращение расхода цемента.
К их числу относятся природные пуццолановые породы (трепел, опока, вулканический пепел,
туфы, трассы и т.д.) в тонкомолотом виде; техногенные продукты (золы, шлаки); специально
изготовленные (микрокремнезем, наносиликаты); молотый керамический кирпич.
Следует отметить также, что некоторые инертные кремнеземистые минеральные добавки в условиях повышенных температур могут активно взаимодействовать с гидроксидом кальция, способствуя значительному росту прочности затвердевших вяжущих. На этом, собственно,
и основано получение вяжущих синтезного твердения.
Хотя минеральные, а тем более химические добавки вводятся в состав растворов и бетонов в очень малом количестве, эффект получается очень высокий. Поэтому сегодня бездобавочные бетоны не выпускаются: в отечественные бетоны вводят одновременно 1…3 разновидности добавок, в зарубежные 5…7.
8.3. ВИДЫ БЕТОНОВ
Тяжелый бетон
Это бетон, то есть искусственный композиционный камень, в котором в качестве крупного заполнителя используется щебень или гравий из плотных прочных горных пород. Выпуск
этого бетона составляет порядка 70 % от общего объема бетонов, поэтому его иногда называют
обычным.
Зерна крупного заполнителя занимают 40…60 % тела бетона и образуют несущий остов,
кладку камня и омоноличены в единое целое цементно-песчаным камнем (аналог строительного раствора). Цементно-песчаный камень характеризуется такой же структурой – зерна мелкого
заполнителя (20…30 % от всего объема бетона) омоноличены затвердевшим цементным кам-
нем. Цементный камень можно рассматривать как микробетон, в котором цементирующее вещество омоноличивает негидратированные частицы клинкерных минералов или наполнителя.
Цементный камень и цементирующее вещество в значительной степени насыщены порами разного размера и происхождения – макропорами, капиллярными, гелевыми. Средняя плотность
тяжелого бетона 1800…2500 кг/м3, истинная – 2,6…2,8 г/см3. То есть пористость тяжелого бетона в целом невысока, а вот пористость его основного структурного компонента, цементного
камня (4…6 % от всего объема бетона) – очень высокая. И это предопределяет все свойства тяжелого бетона - основного конструкционного материала в современном строительстве. Характеризуется классом по прочности от В3,5 до В100. Марки бетона по морозостойкости: F50;
F75; F100; F150; F200; F300; F400; F500; F600; F800; F1000. Высокая теплопроводность. Основные требования к качеству конструкционного бетона в зависимости от условий его эксплуатации: марка по водонепроницаемости, ударная стойкость, модуль упругости, трещиностойкость,
вязкость разрушения.
Эти характеристики зависят от структуры бетона: на макро- и мезомасштабных уровнях
– от прочности матрицы (цементно-песчаного раствора и цементного камня) и включений (частиц крупного и мелкого заполнителя) и их объемной доли, оцениваемой коэффициентом раздвижки – отношением объема матрицы к объему межзерновых пустот включений. На микроуровне – от пористости цементного камня.
В свою очередь, эти характеристики будут зависеть от рецептурных факторов – состава
бетона и технологических – условий перемешивания, формования, твердения.
Легкие бетоны на пористых заполнителях
Это бетоны со средней плотностью не выше 2000 кг/м3. Имеют такую же структуру, что
и тяжелый бетон, но в качестве крупного (а иногда и мелкого) заполнителя используются легкие пористые заполнители, как правило, искусственные – керамзит, аглопорит, шлаковая пемза
и т.д. По виду пористого заполнителя именуются и бетоны: керамзитобетон, аглопоритобетон и
т.д. Именно пористость заполнителя и его объемное содержание в бетоне обеспечивает пониженную плотность и теплопроводность материала, низкий вес конструкций, соответственно,
снижение транспортных затрат и нагрузки на фундаменты.
Наряду с классом по прочности (В0,35…В40), важнейшим показателями качества легкого бетона является марка по средней плотности D200...D2000 (через 100), где цифра означает
плотность в сухом состоянии (кг/м3). В зависимости от назначения лёгкие бетоны делят на следующие группы: функциональные с плотностью до 500 кг/м 3; конструкционнофункциональные (для ограждающих конструкций - наружных стен, покрытий зданий) с плотностью 500-1400 кг/м3; конструкционные с плотностью 1400-1800 кг/м3. Отметим, что наиболее
ценятся легкие бетоны с плотностью не выше 1200 кг/м3 – они сочетают в себе пониженную теплопроводность с достаточной несущей способностью. Истинная плотность такая же, как и у
тяжелого бетона.
Наивыгоднейшее сочетание показателей плотности, теплопроводности, прочности и
расхода цемента для легких бетонов достигается при наибольшем насыщении бетона пористым
заполнителем, что требует слитного (сближенного) размещения зерен заполнителя в объеме бетона и формирование около заполнителя плотной контактной зоны. В этом случае в бетоне будет содержаться меньше цементного камня, заполнитель как бы помещен в «обойму», а стальная арматура будет защищена от коррозии. Наибольшее насыщение бетона пористым заполнителем возможно только при правильном подборе зернового состава смеси мелкого и крупного
пористых заполнителей, а также при использовании технологических факторов (интенсивного
уплотнения, пластификаторов и др.).
Грамотный подбор состава, использование пластификаторов позволяют получать бетоны
на пористых заполнителях, которые уже успешно используют в мостостроении и гидротехническом строительстве.
Ячеистые бетоны
Это бетоны, структура которых представляет каменный скелет с равномерно распреде-
ленными в нем макропорами в виде ячеек диаметром до 3 мм, без крупного и мелкого заполнителя. Твердая фаза находится в виде межпоровых перегородок, материал представляет собой
цементный камень (микрозернистый бетон) как у тяжелого бетона с такой же средней и истинной плотностью. Пористость ячеистого бетона составляет 90…60 %, благодаря этому ячеистый
бетон имеет небольшую плотность и малую теплопроводность. По плотности ячеистые бетоны
делят на три группы: теплоизоляционные D300…D400; конструкционно-теплоизоляционные
(для ограждающих конструкций) D500…D900; конструкционные (для железобетона)
D1000…D1200
Водопоглощение и морозостойкость зависят от величины и характера пористости ячеистого бетона и плотности перегородок между макропорами. Для снижения водопоглощения и
повышения морозостойкости стремятся к созданию ячеистой структуры с замкнутыми порами.
Коэффициенты теплопроводности теплоизоляционных бетонов не должны превышать
более чем на 20 % 0,08…0,12 Вт/(м·°С); конструкционно-теплоизоляционных – 0,12…0,24
Вт/(м·°С); конструкционных – 0,29…0,38 Вт/(м·°С). Теплопроводность ячеистого бетона зависит от плотности и влажности, например при плотности 600 кг/м3 теплопроводность в сухом
состоянии 0,09 Вт/(м·°С), при влажности 8 % - 0,18 Вт/(м·°С).
В зависимости от способа изготовления ячеистые бетоны делят на два типа:
1) формирование ячеистой структуры путем вспучивания теста вяжущего при помощи газообразующей добавки. В смеси происходят химические реакции, сопровождающиеся выделением газа, поэтому этот способ называют химическим.
Чаще всего газообразователем служит алюминиевая пудра, которая, реагируя с гидроксидом кальция, выделяет водород по реакции
3Са(ОН)2 + 2А1 + 6Н2О = 3СаО·Аl2О3·6Н2О +3Н2.
Расход алюминиевой пудры для изготовления 1 м3 газобетона при плотности 600-700
кг/м3 составляет 0,4-0,5 кг.
Ячеистый бетон, получаемый этим способом, называют газобетоном.
Процесс изготовления газобетона состоит из следующих операций: приготовление композиционного вяжущего путем смешивания извести, портландцемента, гипса с кремнеземистым компонентом (молотым песком, золой или тонкодисперсным отходом какого-либо производства); перемешивание вяжущего с водой и алюминиевой суспензией, заливка смеси в формы, вспучивание массива, выдержка для набора пластической прочности, срезка горбушки, резка массива струнами (если изготовление идет не в индивидуальных формах), автоклавная обработка (для газосиликата – обязательная, для газобетона – желательная).
2) формирование ячеистой структуры путем смешивания теста вяжущего с отдельно
приготовленной устойчивой пеной. Это механический способ, по которому получают пенобетон и пеносиликат. Растворную смесь получают как и в технологии газобетона. Пену приготовляют в лопастных пеновзбивателях или центробежных насосах из водного раствора пенообразователей, содержащих поверхностно-активные вещества (клееканифольный, смолосапониновый, алюмосульфонафтеновый и синтетические пенообразователи).
Существуют еще и газопенобетоны.
По условиям твердения ячеистые бетоны подразделяют на: автоклавные (синтезного
твердения) - твердеющие в среде насыщенного пара при давлении выше атмосферного; неавтоклавные (гидратационного твердения) - твердеющие в естественных условиях, при электропрогреве или в среде насыщенного пара при атмосферном давлении.
У нас и за рубежом развивается производство преимущественно газобетона. Его технология более проста и позволяет получить материал пониженной плотности со стабильными
свойствами. Пена же не отличается стабильностью, что вызывает колебания плотности и прочности пенобетона.
Применяют ячеистые бетоны для изготовления конструкционно-теплоизоляционных
железобетонных конструкций (панели наружных стен и покрытий зданий), но наибольшее распространение сегодня получили мелкие стеновые блоки, особенно газосиликатные. Сегодня это
один из самых перспективных стеновых материалов для малоэтажного жилищного строительства, сочетающий в себе высокие теплозащитные и конструкционные свойства при довольно
низкой стоимости (1200…1700 руб. за 1 м3 блоков). Этот материал легко пилится, сверлится,
забивается гвоздями. Конструкции из ячеистых бетонов долговечны в зданиях с сухим и нормальным режимами помещений при относительной влажности воздуха 60…75 %.
Поризованные бетоны
Это бетон поризованной структуры со степенью поризации свыше 6 %, D800…D1400
(D1600) (B2,5…В7,5). Отличие поризованных бетонов от ячеистых - меньший размер пор и наличие мелкого заполнителя. В настоящее время наиболее распространена технология получения поризованных бетонов, аналогичная пенобетонам. Поризованный бетон сегодня - весьма
эффективный материал для монолитного строительства, изготавливается на цементных вяжущих.
К категории легких относят также еще гипсобетон и крупнопористый бетон.
Силикатные (автоклавные) бетоны
Силикатным бетоном называется искусственный материал на основе известковокремнеземистых вяжущих, приобретающий камневидное состояние в результате гидротермального синтеза в условиях автоклавной обработки.
Силикатные бетоны могут быть тяжелыми, легкими на пористых заполнителях и ячеистыми. Ячеистый силикатный газобетон или пенобетон называют соответственно газосиликат
или пеносиликат (это силикатный микробетон с распределенными в нем ячеистыми порами) –
свойства и технология изготовления та же, что и у ячеистого бетона, но автоклавная обработка
является обязательным, ключевым переделом. Структура плотного силикатного бетона представляет собой каркас из зерен заполнителя, омоноличенных силикатным микробетоном в единое целое. В отличие от цементного бетона, в силикатном редко используют крупный заполнитель, а только песок, поскольку в условиях автоклавной обработки даже немолотый кварцевый
песок может вступать в реакцию гидротермального синтеза с образованием прочных гидросиликатов кальция.
Средняя плотность плотного силикатного бетона от 1000 до 2400 кг/м 3. Классы по прочности на сжатие от В5 до В60. Морозостойкость F35…F600. По свойствам не уступает бетону
на клинкерных вяжущих, из него изготавливается та же номенклатура продукции. В отличие от
цементных бетонов, для которых вяжущее (цемент) доставляется с других предприятий, известково-кремнеземистое вяжущее изготавливается непосредственно на предприятии по выпуску бетона.
Представителем плотных мелкозернистых силикатных бетонов является силикатный
кирпич – один из наиболее востребованных сегодня стеновых материалов для многоэтажного
жилищного строительства. Это обусловлено его низкой стоимостью и возможностью исполнения зданий выразительной формы с высокой пластикой внешних фасадов и вариативностью
внутренних интерьеров. К недостаткам его можно отнести неудовлетворительные показатели
по теплопроводности (коэффициент теплопроводности  = 0,81 Вт/(мК)). Чтобы наружная стена из силикатного кирпича соответствовала современным требованиям по теплозащите, ее
толщина должна составить порядка 1,5 м.
Кроме того, его не рекомендуют для кладки цокольных этажей (из-за низкой водостойкости) и для кладки труб и печей.
Асбоцементные изделия
Асбоцемент - искусственный композиционный каменный строительный материал, получаемый в результате затвердевания смеси, состоящей из цемента, асбеста (10…20 % от массы
цемента) и воды. Иногда вводят молотый песок (при автоклавном твердении). Особенности
структуры: микродисперсное армирование цементного камня волокнами асбеста. При работе
асбестоцементных изделий на изгиб волокна асбеста, обладающие высокой прочностью на растяжение вдоль волокнистости 700…750 МПа (сравнимо со сталью), воспринимают растягивающие напряжения, а цементный камень - сжимающие. Это позволяет в 3…5 раз увеличить
прочность камня при растяжении и изгибе, а также стойкость к ударным воздействиям. Анизо-
тропность асбоцемента обусловлена ориентировкой волокон асбеста.
Плотность асбоцемента в высушенном состоянии 1,5…2,2 г/см3. Пористость 26…45 %.
Морозостойкость 25…50 циклов. Теплопроводность асбестоцемента в воздушно-сухом состоянии составляет 0,35 Вт/(м·ºС). Асбестоцемент выдерживает нагревание до 150 °С без снижения
прочности. Материал обладает высокой прочностью, огнестойкостью, долговечностью.
При намокании или высушивании из-за перепада влажности по толщине асбестоцемента
возникает его коробление. У крупноразмерных деталей стрела коробления может достигать нескольких сантиметров. При жестком закреплении асбестоцемента напряжения, вызванные перепадом влажности, могут достигнуть предела прочности материала и привести к трещинам в
конструкции. Поэтому асбестоцементные изделия в конструкции закрепляют с помощью податливых связей, обеспечивающих свободу деформирования материала.
Способы производства асбестоцементных изделий в зависимости от количества воды,
которое используется при их изготовлении, подразделяются на: мокрый (при содержании в асбестоцементной суспензии 92…84 % воды), полусухой (20…40 % воды в сметанообразной массе) и сухой (12…16 % воды в увлажненной асбестоцементной смеси). В технологии производства асбестоцементных изделий имеются технологические операции, которые производятся при
всех способах: приготовление шихты асбеста, распушка асбеста (первичная – обминание в бегунах, вторичная (гидравлическая) – в голлендерах, цилиндрических и прямоточных гидропушителях), смешение его с цементом и водой, формование изделий (при мокром способе – получение цилиндрических пластичных асбестоцементных полуфабрикатов (сукна) с использованием круглосетчатых машин, а затем прессование или волнирование на прессах и беспрокладочных волнировщиках), их твердение (предварительное – выдержка при нормальных условиях в
течение 6…8 часов, пропарка в пропарочных камерах при температуре 50…60 °С в течение
12…16 часов; окончательное – в закрытых помещениях (теплых складах) при нормальных условиях не менее 7 суток, а на песчанистом цементе – в автоклавах при давлении пара 0,8 МПа и
температуре 172…174 °С в течение 12…16 часов), механическая обработка (обрезка кромок
листов, обрезка труб по торцам и обтачивание концов напорных труб со снятием фаски).
Из асбестоцемента изготавливают:
- кровельные изделия;
- стеновые;
- декоративные;
- погонажные;
- трубы;
- специальные.
High Performance Concrete
Дословного перевода на русский язык этого термина нет. Некоторые специалисты предлагают термин «бетоны высокой функциональности», отличающиеся не только высокими эксплуатационными характеристиками, но главным образом тем, что в большей степени соответствует требованиям данного конкретного этапа жизни материала. Так, при укладке НРС проявляет свойства удобоукладываемости (подвижность смеси 8…16 см ОК), при выдерживании набирает высокую (55…80 МПа) и сверхвысокую (80…120 МПа) прочность при сжатии, а в эксплуатации обладает низкой проницаемостью (W16…W20), высокой коррозионной стойкостью,
морозостойкостью, долговечностью. Получают такие бетоны с помощью комплексной добавки
суперпластификаторов (1,5…2,0 % от массы цемента) и микрокремнезема (от 15 до 20 %) при
расходах портландцемента в пределах 500…550 кг/м3, водоцементном отношении 0,24…0,28 и
использовании гранитного щебня. С дополнительным введением газообразующего компонента
- полигидросилоксана марки «136-41» одновременно с высокой прочностью R = 90…100 МПа
обеспечивается высокая морозостойкость F1000.
Появление таких бетонов открыло новую эру в строительстве. Их уникальные свойства
позволили реализовать такие строительные проекты, о которых еще сравнительно недавно
трудно было даже мечтать: мост через пролив Акаси в Японии с центральным пролетом в 1990
м, туннель под Ла-Маншем, 125-этажный небоскреб высотой 610 м в Чикаго и т.п.
И это еще не предел. Экспериментально получен бетон с очень высокими характеристиками, названный порошковым бетоном - Reactive Powder Concrete (RPC). Основной принцип
получения RPC - обеспечение однородности структуры путем исключения крупного заполнителя, уплотнение смеси за счет оптимизации гранулометрического состава, использование давления и повышенной температуры в процессе твердения. Различают RPC200 и RPC800. Это новое поколение бетонов с прочностью при сжатии от 200 до 800 МПа и прочностью при растяжении 25…150 МПа, энергией разрушения 3000 Дж/м3 и средней плотностью 2500…3000 кг/м3.
Компонентами такого бетона являются портландцемент, микрокремнезем (25…30 % массы цемента), мелкозернистый песок с максимальной крупностью зерен 0,3-0,4 мм (40…50 % массы
цемента), стальная микрофибра и суперпластификатор (2,0…3,0 % массы цемента) при водотвердом отношении в диапазоне 0,12…0,15. Бетон назван реакционным порошковым вследствие высокой дисперсности компонентов и повышенного количества гидравлически активных
материалов. Концепция RPC заключается в получении материла, с минимумом дефектов структуры - микротрещин и пор. Прочность таких бетонов зависит от условий твердения.
Армированием фибровой арматурой порошковых бетонов была достигнута прочность в
800 МПа на сжатие и 150 МПа на растяжение. Для изготовления фибры недавно стала применяться высокоуглеродистая проволока прочностью до 2000 МПа.
Этот материал имеет минимальную пористость, практически непроницаем для жидкостей и газов, обладает высокой морозостойкостью и поэтому по функциональным свойствам в
ряде случаев превосходит сталь, но существенно дешевле стали. Конечно, он в 5…10 раз дороже НРС, поэтому использовать его надо там, где важную роль играет снижение веса, или полная непроницаемость (хранилища ядерных отходов). Недостатки – повышенная деформативность, неизученность поведения в долгие сроки эксплуатации.
Особые виды бетона
Гидротехнический бетон предназначается для конструкций, находящихся в воде или
периодически соприкасающихся с водой. Бетон наружной зоны многократно замерзает и оттаивает, находясь все время во влажном состоянии, поэтому главным требованием к нему является морозостойкость. Бетон внутренней зоны массивных конструкций защищен наружным
бетоном от непосредственного воздействия среды. Главное требование к этому бетону - минимальная величина тепловыделения при твердении, так как неравномерный разогрев массива
может вызвать образование температурных трещин. Поэтому для таких бетонов применяют
шлако- и пуццолановый портландцементы, обладающие малым тепловыделением и стойкостью
к выщелачиванию.
Дорожный бетон предназначен для оснований и покрытий автомобильных дорог и аэродромов. Покрытие работает на изгиб как плита на упругом основании, поэтому основной
прочностной характеристикой бетона является проектная марка на растяжение при изгибе.
Крупный заполнитель (щебень, гравий, щебень из шлака) обязательно проверяют на износостойкость в полочном барабане: она нормируется в соответствии с назначением бетона. Бетон
дорожных покрытий подвергается совместному действию воды и мороза при одновременном
влиянии солей, использующихся для предотвращения обледенения и облегчения очистки дорог
от льда. Поэтому бетон должен иметь морозостойкость не ниже F100…F200 (в зависимости от
климата). Для этого применяют портландцемент М500 с содержанием трехкальциевого алюмината не более 10 %, гидрофобный и пластифицированный портландцементы, а В/Ц бетона
ограничивают 0,5…0,55.
Для декоративных целей при устройстве пешеходных переходов, разделительных полос
на дорожных покрытиях, парковых дорожек, а также изготовлении элементов городского благоустройства используют цветные бетоны, получаемые при введении в бетонную смесь щелоче- и светостойких пигментов в количестве 8...10 % от массы цемента (охра, мумия, сурик и др.)
или применении цветных цементов. В отдельных случаях используют заполнители, обладающие необходимым цветом, например туфы, красные кварциты, мрамор и другие окрашенные
горные породы.
Жаростойкий бетон предназначается для промышленных агрегатов (облицовки котлов,
футеровки печей и т.п.) и строительных конструкций, подверженных нагреванию (например,
для дымовых труб). При действии высокой температуры на цементный камень происходит
обезвоживание кристаллогидратов и разложение гидроксида кальция с образованием СаО. Оксид кальция при воздействии влаги гидратируется с увеличением объема и вызывает растрескивание бетона. Поэтому в жаростойкий бетон на портландцементе вводят тонко измельченные
материалы (пемзу, золу, доменный гранулированный шлак, шамот), содержащие активный
кремнезем SiO2, который реагирует с СаО при температуре 700…900 °С и связывает оксид
кальция. Жаростойкий бетон изготовляют на портландцементе, шлакопортландцементе, жидком стекле (в условиях кислотной коррозии), глиноземистом и высокоглиноземистом цементе
(с содержанием глинозема 65…80 %), фосфатных и алюмофосфатных связующих. Заполнитель
для жаростойкого бетона должен быть не только стойким при высоких температурах, но и обладать равномерным температурным расширением. Сборные элементы и монолитные конструкции из жаростойкого бетона широко применяют в различных отраслях промышленности:
энергетической, черной и цветной металлургии, в химической и нефтеперерабатывающей, в
производстве строительных материалов; используют взамен полукислых и шамотных изделий,
предназначенных для температур 800…1400 °С, а также вместо высокоогнеупорных изделий
при температуре выше 1400°С.
Вяжущим для кислотоупорного бетона является жидкое стекло с полимерной добавкой.
Для повышения плотности бетона вводят наполнители: кислотостойкие минеральные порошки,
получаемые измельчением чистого кварцевого песка, андезита, базальта, диабаза и т.п. В качестве отвердителя используют кремнефтористый натрий (Na2SiF6), в качестве заполнителя кварцевый песок, щебень из гранита, кварцита, андезита и других стойких пород. Кислотоупорный бетон хорошо выдерживает действие концентрированных кислот; вода разрушает его
за 5…10 лет, щелочные растворы разрушают быстрее. Кислотоупорный бетон применяют в качестве защитных слоев (футеровок) по железобетону и металлу.
Материалы, применяемые для бетона радиоактивной защиты, должны обеспечить
возможно большую плотность бетона и определенное содержание водорода - обычно в виде воды, связанной с вяжущим - портландцементом или шлакопортландцементом. В качестве заполнителей используют тяжелые заполнители: железные руды (магнетит, гематит, бурый железняк), баритовые руды, металлический крупный заполнитель, чугунная и свинцовая дробь.
Плотность бетона на металлическом заполнителе достигает 6000 кг/м3. Механические свойства
особо тяжелых магнетитового, гематитового, лимонитового и баритового бетонов близки. Особо тяжелый бетон имеет марки по прочности M100, М200 и М300, при этом марки на осевое
растяжение составляют 10, 20.
Мелкозернистый бетон не содержит крупного заполнителя, применяют его при изготовлении тонкостенных, в том числе армоцементных конструкций. Свойства мелкозернистого
бетона характеризуются теми же факторами, что и обычный бетон. Однако из-за отсутствия
крупного заполнителя увеличивается водопотребность бетонной смеси и чтобы получить равнопрочный бетон и равноподвижную бетонную смесь возрастает расход цемента на 20…40 %
по сравнению с обычным бетоном. Снижение расхода цемента возможно за счет применения
высокопрочного песка, суперпластификатора, усиленного уплотнения. Мелкозернистый бетон
имеет повышенную прочность на изгиб, хорошую водонепроницаемость и морозостойкость.
Повышение эффективности мелкозернистого бетона возможно за счет использования отходов
зол ТЭС и основных шлаков литейного производства. Мелкозернистый бетон широко применяется при изготовлении силикатных изделий автоклавного твердения.
Серный бетон представляет собой смесь сухих заполнителей - щебень, песок, минеральная мука, нагретых до 140…150 °С, и расплавленного серного вяжущего при температуре
перемешивания 145…155 °С. Процесс получения серного бетона основан на свойстве серы изменять свою вязкость при различной температуре - при 119…122 °С сера полностью переходит
из кристаллического состояния в расплав. В качестве заполнителей используют кислотоупорный цемент, андезитовую или кварцевую муку, кварцевый песок и другие кислотостойкие минеральные наполнители. Во многих странах серный бетон применяют для изготовления свай,
фундаментов, емкостей, покрытий дорог и химстойких полов. Одним из факторов, сдерживаю-
щим широкое внедрение серного бетона в нашей стране, является его стоимость, которая примерно в 2 раза выше бетона на портландцементе. Однако имеется много химических предприятий, располагающих серосодержащими отходами, которые содержат от 25 до 80 % технической серы. Также большое количество серосодержащих отходов образуется при добыче серы.
Дисперсно-армированный бетон (фибробетон) представляет собой композиционный
материал, упрочненный волокнами. В нем невысокая прочность на растяжение и пластичность
матрицы (бетона) сочетается с высокомодульным волокном, обладающим высокой прочностью
на разрыв. Эффективность армирования короткими волокнами зависит от ориентации волокон
к действию растягивающих усилий и при перпендикулярной ориентации составляет 40…50 %,
а при объемно-произвольной лишь около 20 % по отношению к параллельной ориентации. Волокна препятствуют развитию усадочных трещин, их наличие повышает прочность сцепления
стержневой арматуры с бетоном примерно на 40 %.
Волокна должны быть стойкими в щелочной среде цементного раствора или бетона. В
зависимости от конструкций применяют волокна: минеральные (стеклянные - из бесщелочного
стекла, базальтовые, кварцевые и др.), металлические (преимущественно из обычной или нержавеющей стали), синтетические (пропиленовые, капроновые и др.).
Тема № 9. ЖЕЛЕЗОБЕТОН
9.1. Общие понятия о железобетоне
Бетон, как и любой другой каменный материал, обладает высокой прочностью на сжатие
и в то же время в 10…15 раз меньшей – на растяжение. Это существенно ограничивало применение бетонных изделий в строительстве. Сталь же, обладая очень высоким пределом прочности при растяжении, способна воспринимать растягивающие напряжения (прочность стали
380…1800 МПа), поэтому конструкции из бетона, работающие на изгиб или на растяжение, армируют ("вооружают"). При работе таких элементов возникают два противоположных напряжения - растягивающие и сжимающие. При этом сталь воспринимает первые, а бетон - вторые,
и железобетонный элемент в целом успешно противостоит изгибающим нагрузкам, т. е. сочетается работа бетона и стали в одном материале. Конструкции, работающие на сжатие, для увеличения их несущей способности часто также армируют.
Возможность совместной работы в железобетоне двух резко различных по своим свойствам материалов определяется следующими важнейшими факторами:
бетон прочно сцепляется со стальной арматурой, вследствие чего при возникновении
напряжений в железобетонной конструкции оба материала работают совместно;
сталь и бетон обладают почти одинаковым температурным коэффициентом расширения
(стали - 1210-6 ºС-1 и бетона 1010-6 ºС-1), что обеспечивает полную монолитность железобетона
(колебания температуры не нарушают его целостность);
бетон не только не оказывает разрушающего влияний на заключенную в нем сталь, но
предохраняет ее от коррозии.
Таким образом, железобетон – это композиционный материал, в котором соединены в
единое целое бетон и сталь. В зависимости от способа армирования и состояния арматуры
различают железобетонные изделия с обычным армированием и с предварительнонапряженной арматурой.
К обычным армированным железобетонным изделиям относят такие, усиление прочности которых достигается путем укладки стальных стержней, сеток или каркасов при изготовлении изделий. Однако такой способ армирования не предохраняет полностью изделия, работающие на изгиб, от образования трещин в бетоне в растянутой зоне, так как бетон обладает незначительной растяжимостью (1…2 мм на 1 м длины), тогда как сталь при таких же нагрузках растягивается в 5…6 раз больше бетона. Появление трещин отрицательно влияет на работу железобетонного элемента: увеличиваются прогибы, в трещины проникают влага и газы, что создает
опасность коррозии стальной арматуры.
Избежать образования трещин в железобетонной конструкции можно предварительным
сжатием бетона в местах, подверженных растяжению. В таком бетоне трещины появляются
только в том случае, если растягивающие напряжения превзойдут напряжения предварительного сжатия. Сжатие бетона достигается предварительным напряжением (растяжением) арматуры.
Предварительное напряжение арматуры не только предупреждает появление трещин в
растянутом бетоне, но и позволяет снизить массу железобетонных конструкций, увеличить их
жесткость, повысить долговечность и сократить расход арматуры.
В зависимости от исполнения железобетонные конструкции делятся на сборные, монолитные и сборно-монолитные.
9.2. Технология сборного железобетона
Сущность сборного домостроения заключается в том, что изделия изготавливаются на
заводе, а затем доставляются на стройку, где из них собираются, монтируются здания и сооружения.
Существует несколько основных способов организации заводского производства железобетонных изделий:
стендовый метод – когда все основные операции изготовления изделий выполняются на
одном рабочем месте в неперемещаемых формах, а специализированные рабочие звенья и механизмы перемещаются от одного рабочего места к другому в принятом ритме потока. Этим
методом производятся крупноразмерные балки, фермы, арки, шахты лифтов, сантехкабины, лестничные марши, трубы. Разновидность стендового метода – кассетный, при котором одновременно несколько изделий (стеновые панели) изготавливаются в сгруппированных вертикальных формах (кассетах);
агрегатно-поточный метод – изготовление изделий в перемещаемых с помощью специальных или обычных подъемно-транспортных средств (кранов) от одного рабочего места (поста, оборудованного специальными установками-агрегатами) к другому рабочему месту формах. При этом на одном посту может выполняться несколько операций, после завершения которых изделие передается на следующий пост без соблюдения принудительного ритма. Разновидность агрегатно-поточного метода – конвейерный, при котором изделия перемещаются от поста к посту в принудительном пульсирующем ритме, а на каждом посту выполняется только
одна операция. Наиболее производительный метод. Агрегатно-поточным и конвейерным способом изготавливают фундаментные плиты, фундаментные блоки, стеновые панели и блоки,
плиты перекрытий и покрытий, лестничные площадки, шпалы, архитектурные детали и ограды
и многое другое. К конвейерному способу относится также непрерывное формование – вибропрокатный стан. Выбор метода изготовления зависит от номенклатуры изделий, технологических особенностей и объема производства.
Изготовление сборных железобетонных конструкций включает следующие операции:
1. Приготовление бетонной смеси
По своему строению бетонная смесь представляет единое физическое тело, в котором
частицы вяжущего, вода и зерна заполнителя связаны внутренними силами взаимодействия.
Качество бетонной смеси тяжелого бетона характеризуется удобоукладываемостью, средней
плотностью, объемом вовлеченного воздуха, расслаиваемостью (при необходимости), однородностью.
Удобоукладываемость – это способность бетонной смеси принимать заданную форму,
оценивается показателями жесткости или подвижности, подразделяется на марки. Подвижные
смеси представляют собой сплошную пластичную массу и легко распределяются в форме под
действием собственного веса без приложения существенных внешних усилий. Жесткие смеси
– это рыхлая, а иногда и сыпучая масса. Для придания ей требуемой формы и уплотнения необходимо длительное механическое воздействие. Отсюда следует значение удобоукладываемости: чем легче бетонная смесь перемешивается и принимает заданную форму (это процессы
формования), тем меньше надо тратить на это усилий, энергии. Возникает вопрос, а зачем тогда
вообще нужны жесткие смеси? Дело в том, что подвижность обеспечивается, как правило, высоким значением водозатворения, а это отрицательно сказывается на прочности получаемого
бетона, его усадке и, главным образом, на морозостойкости. Для разрешения данного противоречия в смесь и вводят пластифицирующие добавки. ГОСТами установлено обязательное при-
менение пластифицирующих добавок при приготовлении бетонных смесей марок по удобоукладываемости П3…П5.
От однородности бетонной смеси, определяемой качеством ее перемешивания, напрямую
зависит однородность и качество бетона. Смесь признается однородной, если любая проба из ее
замеса имеет один и тот же постоянный состав. Объем пробы должен не менее чем в 5 раз превосходить максимальный размер крупного заполнителя.
Изготовление бетонной смеси тяжелого бетона состоит из следующих операций: приемка сырьевых компонентов; дозирование (сыпучие исходные материалы для бетонной смеси дозируют по массе, кроме пористых заполнителей, которые дозируют по объему с коррекцией по
массе, жидкие составляющие дозируют по массе или объему); перемешивание (бетонные смеси
всех марок по удобоукладываемости приготавливают в смесителях принудительного действия,
подвижные бетонные смеси допускается приготавливать в гравитационных смесителях); рабочий раствор химической добавки вводят вместе с водой затворения.
Из бетоно-смесительного цеха готовая бетонная смесь направляется либо внутризаводским транспортом в формовочный цех предприятия для последующего изготовления сборных
бетонных и железобетонных конструкций, либо автотранспортом (товарные бетоны и растворы) на стройплощадку для возведения монолитных бетонных и железобетонных конструкций,
зданий и сооружений (дорог, гидротехнических сооружений и т.д.).
2. Производство арматурных элементов
Для армирования бетона применяют главным образом стальную арматуру из углеродистых и низколегированных сталей.
Стальную арматуру (арматурную сталь) классифицируют:
по основной технологии ее изготовления – на горячекатаную стержневую диаметром
6...80 мм и холоднотянутую проволочную диаметром от 3 до 5,5 мм и, в ограниченном количестве, 6…8 мм.
по условию применения в конструкциях – на ненапрягаемую и напрягаемую арматуру;
по профилю - на гладкую (стержни арматурной стали класса А-1) и периодического
профиля (для улучшения сцепления арматуры с бетоном). Гладкую арматуру ввиду ее недостаточного сцепления с бетоном заанкеривают путем устройства крюков на концах стержней;
по назначению – на рабочую (воспринимает усилия, возникающие в железобетонных
элементах от внешних нагрузок и собственного веса); распределительную (равномерно распределяет усилия между стержнями рабочей арматуры, обеспечивает их совместную работу, препятствует смещению стержней при бетонировании); монтажная арматура (для сборки арматурного каркаса).
В производстве железобетонных изделий применяют следующие арматурные элементы:
отдельный элемент (стержень - арматура любого диаметра и профиля);
набор линейных элементов (пучок проволок, пакет проволок или прядей);
сварная сетка - сварные арматурные сетки изготовляют из стержней, расположенных в
двух взаимно перпендикулярных направлениях и соединенных в местах пересечения контактной точечной сваркой;
плоский каркас - состоит из двух и более продольных стержней в одной плоскости, являющихся рабочей и монтажной арматурой, и приваренных к ним контактной сваркой поперечных стержней. Плоские каркасы предназначены для армирования линейных изгибаемых
или растянутых железобетонных элементов и конструкций с малой шириной поперечного сечения;
пространственный каркас - изготовляют с поперечными стержнями, расположенными
в разных плоскостях, из плоских сеток и каркасов путем их сварки и гнутья;
монтажные петли предназначаются для подъема сборных железобетонных элементов.
Их готовят из гладкой арматурной стали класса A-I. Для лучшей анкеровки петли в бетоне на ее
концах устраивают крюки;
закладные детали предназначаются для соединения между собой сборных конструкций. Их готовят из отрезков круглой, полосовой, листовой, угловой или швеллерной стали, от-
вечающей условиям свариваемости. Надежность соединения закладной детали с бетоном конструкции обеспечивается приваренными к ней и заделываемыми в бетон анкерными стержнями.
Арматурные изделия изготовляют на поточных механизированных и автоматизированных технологических линиях. Их располагают, в зависимости от объема производства и номенклатуры изделий, в отдельных унифицированных пролетах или впереди формовочных агрегатов в тех же пролетах.
Здесь выполняются следующие основные операции: правка, резка, гибка и стыковая
сварка стержней; сварка плоских сеток и каркасов; гибка сеток и каркасов; укрупнительная
сборка объемных каркасов; изготовление и металлизация закладных деталей; изготовление
монтажных петель и др.
3. Подготовка форм
Включает в себя чистку, смазку и сборку форм, установку и натяжение арматуры.
Формы подразделяют на неподвижные и передвижные, индивидуальные (на одно изделие) и групповые, горизонтальные и вертикальные, силовые (для напрягаемой арматуры) и несиловые, разъемные и неразъемные с откидывающимися бортами, металлические, деревянные,
железобетонные, пластиковые и комбинированные. В производстве сборного железобетона
наибольшее применение получили металлические формы. Пластмассовые формы обрабатываются специальным раствором с антистатиком для снятия статического электричества, приводящего к ухудшению качества поверхности. Смазка необходима для уменьшения прилипания
бетона к формам. Правильно подобранная и хорошо нанесенная смазка облегчает расформовывание изделия и способствует получению ровной гладкой поверхности бетона.
4. Формование изделий
Бетонную смесь заданного качества по удобоукладываемости и составу поставляют в
формовочный цех из БСУ при помощи бетоновозных тележек, бетонораздатчиков, ленточных
конвейеров. Здесь смесь поступает в бетоноукладчики и укладывается в металлические формы.
Задачами формования являются придание изделию заданных размеров и формы, а также
получение бетона бездефектной однородной по сечению структуры.
Способы формования железобетонных изделий можно разделить на три основных вида –
вибрационные (наиболее распространен), безвибрационные и комбинированные.
Сущность виброформования (виброуплотнение) состоит в том, что путем сообщения
механических колебаний (под действием вибрации) отдельным частицам бетонной смеси разрушаются силы связи между ними (силы трения и сцепления). Вследствие этого бетонная смесь
разжижается (становится более подвижной) и уплотняется за счет того, что частицы заполнителя образуют более компактную систему сложения, а вовлеченный в процессе перемешивания
воздух из смеси удаляется. Виброформование осуществляется на виброплощадках, где вибрируется форма со смесью; при помощи внутренних (глубинных) и поверхностных вибраторов;
при помощи наружных вибраторов, прикрепляемых к днищу или стенкам форм.
К безвибрационным относят: прессование; центрифугирование; торкретирование (пневмонабрызг); трамбование; литье.
Комбинации этих способов: виброгидропрессование, виброштампование, вибропрокат,
вибровакуумирование и т.д.
5. Твердение бетона
В заводской технологии сборного железобетона его твердение, как правило, ускоряют
для интенсификации производства, сокращения производственных площадей, увеличения оборачиваемости форм, снижения металлоемкости производства. Основным способом ускорения
процессов твердения служит тепловая обработка, при которой ускоряется протекание реакций
между цементом и водой. Однако вследствие температурно-влажностного градиента в структуре затвердевшего бетона возникают внутренние напряжения, приводящие к микротрещинообразованию и снижению прочности бетона по сравнению с твердеющим в естественных (спо-
койных) условиях. Исключение – бетоны на основе шлакопортланцемента.
К тепловой обработке относятся:
- пропаривание при атмосферном давлении водяным паром (тепловлажностная обработка). При повышенной (до 60…90 С) температуре в условиях 100 %-ной относительной
влажности (присутствии влаги) бетон набирает проектную (28-суточную прочность) за 6…12
часов. Осуществляется в специальных аппаратах периодического (ямные камеры) и непрерывного (туннельные – щелевые и многоярусные, башенные камеры) действия.
- пропаривание при избыточном давлении водяным паром (автоклавирование). При
температуре выше 175…200 С и давлении 8…12 ат, обеспечивающим равновесие между паровой и жидкой фазами, влага в бетоне остается в жидком виде, что значительно ускоряет его
твердение и способствует образованию дополнительного количества новых высокопрочных соединений в результате взаимодействия гидроксида кальция (продукт гидратации цемента) с
кремнеземом. Для цементных бетонов автоклавная обработка желательна, для силикатных –
необходима.
- контактный обогрев, когда теплоноситель (пар, вода, масло, дымовые газы и т.д.) нагревает изделие через разделяющую их перегородку (паровые кожухи, тепловые рубашки);
- электропрогрев, когда через бетон пропускается электрический ток и бетон разогревается из-за своего электрического сопротивления;
- индукционный прогрев, когда в арматуре изделия наводятся вторичные токи, разогревающие арматуру и все изделие;
- прогрев токами высокой частоты (микроволновка);
- облучение тепловыми или инфракрасными лучами;
- гелиообработка (за счет солнечной энергии);
- горячее формование (когда бетонную смесь предварительно подогревают до 85…95
ºС).
После тепловой обработки изделие распалубливают (раскрывают форму и вынимают
из него изделие), а форму чистят, смазывают, собирают, укладывают арматуру и весь цикл повторяется вновь.
6. Отделка изделия
Изделие можно направлять на строительство по достижению бетоном нормируемой
ГОСТом отпускной прочности, которая для тяжелого бетона в теплый период года составляет
70 % от проектной и 90 % - в холодный период.
9.3. Технология монолитного железобетона
Монолитный железобетон находит все более широкое применение в строительстве, так
как эффективнее сборного. Монолитное строительство включает в себя следующие операции:
монтаж опалубки; установка арматуры; укладка, распределение и уплотнение бетонной смеси;
уход за твердеющим бетоном. Все эти операции осуществляются на месте строительства.
Опалубка может быть съемной и несъемной. Изготавливают опалубку из металлических
листов, досок, фанеры с полимерным покрытием, пластиковую, из ДСП. По конструкции съемная бывает сборно-переставная, горизонтально перемещаемая, скользящая и т.д.
Бетонную смесь изготавливают как в полевых (непосредственно на стройплощадке), так
и в заводских условиях. На стройплощадке для этого используются стационарные или передвижные бетоносмесительные установки. Бетонная смесь доставляется к строящемуся объекту
автосамосвалами, автобеносмесителями, автобетоновозами. Арматуру изготавливают на заводах и доставляют на площадку, как правило, в виде готовых элементов. Соединение арматуры
осуществляется электродуговой сваркой либо вязанием.
Укладка бетонной смеси производится при помощи кранов (в бадьях – галошах), бетононасосов, специализированных бетоноукладчиков, путем непосредственной выгрузки из автотранспорта по наклонным лоткам. При необходимости смесь уплотняют (массивные конструкции – глубинными вибраторами, плоские конструкции толщиной до 20…25 см – поверхностными вибраторами). После этого бетон твердеет до достижения им распалубочной прочности,
тогда опалубка демонтируется. Во время твердения до того момента, когда прочность бетона
достигнет 70 % от проектной прочности, за ним необходим уход. Свежеуложенный бетон следует поддерживать во влажном состоянии и оберегать от сотрясений, повреждений, ударов,
резких изменений температуры и быстрого высыхания.
Главная проблема монолитного строительства – сезонность. При отрицательных температурах вода затворения замерзает и твердение прекращается. При бетонировании в зимних условиях свежеуплотненную бетонную смесь подогревают снаружи паром или электрическим током. Пар обычно подают между двойными стенками опалубки; иногда пар пропускают по трубам, уложенным внутри бетона. Это позволяет достигнуть 60…70 % проектной прочности через 1…2 суток. Электропрогрев бетона производят переменным током с применением поверхностных и внутренних электродов (иногда это арматура). При прохождении тока в бетоне выделяется тепло, в результате чего он разогревается (требования – не выше 60 С для предотвращения местного пересыхания). Другими способами бетонирования без внешнего обогрева
являются: применение цементов с высокой экзотермией; добавок-ускорителей твердения; разогретых смесей; теплоизоляция твердеющего бетона (метод «термоса»).
При бетонировании конструкций с большой поверхностью охлаждения (покрытие дорог,
облицовка каналов и др.) в бетонную смесь вводят противоморозные добавки. Такой бетон называется «холодным бетоном».
Тема № 10 МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ
К материалам на основе органических вяжущих относятся полимербетоны, полимерцементные бетоны, изделия на основе древесины, бетоны на основе дегтевых и битумных вяжущих.
10.1 Асфальтовые бетоны и растворы
Асфальтобетон - искусственный строительный материал, получаемый в результате отвердевания уплотненной асфальтобетонной массы, состоящей из тщательно перемешанных асфальтового вяжущего, щебня (гравия) и песка. Асфальтобетон без крупного заполнителя называют асфальтовым раствором.
Асфальтовое вяжущее представляет собой смесь нефтяного дорожного битума с тонкомолотыми минеральными порошками (известняка, доломита, мела, асбеста, шлака).
Битумы - это органические вяжущие материалы аморфной структуры, в состав которых
входят высокомолекулярные углеводороды и их производные. Битумы бывают природные и
искусственные. Искусственные битумы получают переработкой нефтяного сырья. В зависимости от технологии производства могут быть: остаточные, получаемые из гудрона (остатка после
отгонки из мазута масляных фракций) путем дальнейшего отбора из него масел; окисленные,
получаемые окислением гудрона в специальных аппаратах (продувка воздухом); крекинговые,
получаемые переработкой остатков, образующихся при крекинге нефти.
Химический состав битумов весьма сложен: углерода 70…80 %, водорода 10…15 %,
серы 2…9 %, кислорода 1…5 %, азота менее 2 %. Эти элементы находятся в битуме в виде углеводородов и их соединений с серой, кислородом и азотом. Все многообразие соединений, образующих битум, можно свести в три группы: твердая часть (асфальтены) с молекулярной массой 1000…5000, плотностью более 1, смолы с молекулярной массой 500…1000 плотностью
около 1 и масла с молекулярной массой 100…500, плотностью менее 1.
Группы углеводородов, входя в состав битумов в различных соотношениях и образуя
сложную дисперсную систему, предопределяют их структуру и свойства. Если в дисперсной
системе имеется избыток дисперсной среды, то комплексные частицы - мицеллы не контактируют между собой, свободно перемещаясь. Эта структура характерна для жидких битумов
при нормальной температуре и для вязких битумов при повышенных температурах. При большом количестве мицелл они контактируют между собой, образуя мицеллярную пространственную сетку. Такая структура характеризуется высокой вязкостью и твердостью при высокой
температуре. Обладая аморфным строением, битумы в отличие от кристаллических материалов
не имеют определенной температуры плавления. Постепенный переход из твердого состояния в
вязкотекучее обратим и происходит без изменения основных свойств, следовательно, битумы
относятся к термопластичным органическим материалам. На этом свойстве и основана технология получения материалов и изделий с их использованием (затвердевание по термопластическому механизму).
Химический состав определяет свойства битумов. Битумы гидрофобны (не смачиваются
водой), водостойки, пористость их практически равна нулю, поэтому они водонепроницаемы и
морозостойки. Эти свойства позволяют широко использовать битумы при получении гидроизоляционных и кровельных материалов. Так как битумы - абсолютно плотные материалы, то их
средняя и истинная плотности численно равны и колеблются в зависимости от группового
состава от 800 до 1300 кг/м3. Теплопроводность характерна для аморфных веществ и составляет 0,5…0,6 Вт/(м·°С); теплоемкость - 1,8…1,97 кДж/кг·°С.
Технологические свойства битума, как дисперсной системы, определяются соотношением входящих в него составных частей: масел, смол и асфальтенов. Существуют три основных
показателя: глубина проникания иглы (вязкость, пенетрация), температура размягчения и растяжимости (дуктильность), которые находятся во взаимосвязи. Повышение содержания асфальтенов и смол влечет за собой возрастание твёрдости, температуры размягчения и хрупкости
(малой растяжимости) битума.
С течением времени при хранении и в эксплуатационных условиях под действием солнечного света и кислорода воздуха состав и свойства битумов изменяются: в них увеличивается
относительное содержание твердых и хрупких составляющих и соответственно уменьшается
количество маслянистых и смолистых фракций, в связи с чем повышается хрупкость и твердость (процесс старения). Материалы на основе битума нельзя применять в условиях воздействия горячей воды и жидких органических сред (масла, растворителей, нефтепродуктов). К недостаткам битумов относятся также их низкая тепло-, морозо- и радиационная стойкость. Однако доступность и относительно низкая стоимость битумов обеспечили им широкое применение в строительстве.
С целью повышения эластичности, теплостойкости, механической прочности, прочности
сцепления в битумы вводят полимерные добавки, ПАВ.
Минеральный наполнитель играет в асфальтовом вяжущем активную роль. Его поверхность является подложкой, на которой адсорбируется мономолекулярный слой битума.
Этот слой оказывается очень плотным и прочным из-за своей структурированности. Сам по себе битум твердеет по механизму термопластичности, однако, как мы уже отметили, этот механизм не обеспечивает теплостойкости получаемого твердого тела. Введение же наполнителя
включает адсорбционный механизм формирования твердофазового состояния. Именно он и
обусловливает твердость и прочность асфальтобетонов и высокую температуру его размягчения. Без наполнителя бетон обладал бы пластичностью, особенно в жару, и не справлялся бы с
силовыми нагрузками.
В качестве минерального порошка (наполнителя) используются тонкомолотые природные горные породы (известняк, доломит, мел, асбест), а также техногенные продукты (шлаки,
золы).
Наибольшую прочность асфальтовому вяжущему обеспечивает оптимальное соотношение компонентов, при котором весь битум адсорбируется в виде тонких непрерывных пленок
на поверхности частиц наполнителя.
Мелким заполнителем в растворе и бетоне служат чистые природные и искусственные
пески с содержанием пылевато-глинистых частиц не более 3 % по массе. Щебень или гравий
применяют из прочных и морозостойких горных пород, а также из металлургических шлаков.
Из осадочных предпочитают карбонатные породы (известняки, доломиты), хорошо сцепляющиеся с битумом (асфальтовым вяжущим). По виду крупного заполнителя асфальтобетоны разделяют на щебеночные и гравийные.
Основные свойства асфальтового бетона зависят от примененного асфальтового вяжущего, состава и пористости. Благодаря битуму, расход которого составляет 4,5…10 % по массе,
асфальтобетоны обладают гидрофобностью и химической стойкостью к агрессивным веществам, вызывающих коррозию цементных бетонов, металлов и других строительных материалов.
Благодаря этому асфальтовые бетоны и растворы лучше, чем цементные, противостоят коррозии.
Вместе с тем, они характеризуются растворимостью в органических растворителях, повышенной деформативностью, способностью размягчаться при нагревании вплоть до полного
расплавления, подверженностью старению под действием солнечного света и кислорода воздуха вследствие возрастания количества твердых хрупких составляющих за счет уменьшения содержания смолистых веществ и масел - медленному изменению состава и свойств, сопровождающемуся повышением хрупкости и снижением гидрофобности.
Состав асфальтового бетона подбирают исходя из условия оптимальной структуры: асфальтовый раствор должен заполнять пустоты в щебне с небольшим (10…15 %) избытком, и
пустоты в песке были полностью заполнены асфальтовым вяжущим с избытком (10…15 %) для
обволакивания песчинок.
Качество асфальтобетонного покрытия оценивают по прочности, износостойкости и водостойкости. Технические свойства асфальтобетона значительно изменяются в зависимости от
температуры. При обычной температуре (20...25 °С) он имеет упруго-пластичные свойства, при
повышенных - вязкопластичные, а при пониженных температурах становится хрупким. В связи
с этим испытания механической прочности проводят при температурах 0, 20, 50 °С при постоянной скорости подачи нагрузки. В зависимости от температуры и марки используемого битума
прочность асфальтобетонов на изгиб соответственно равна 1,0...1,2; 2,5...3 и 10...15 МПа.
Отличительной особенностью асфальтобетона является его способность к вязкому сопротивлению ударным воздействиям и износу. Установлено, что в условиях движения городского транспорта износ составляет 0,2...1,5 мм в год. Так как асфальтобетон чувствителен к колебаниям температуры внешней среды, то в нем постоянно происходят структурные изменения,
приводящие к разрушению покрытия. Особенно интенсивно деструктивные процессы происходят при резкой смене температур. Процесс этот ускоряется действием воды и старением самого
органического вяжущего.
В зависимости от марки применяемого битума и температуры укладки бетоны разделяются на:
- горячие (80…110 °С) на вязких нефтяных битумах марок БНД-90/130, БНД-60/90 и
БНД-40/60;
- теплые (50…100 °С) на битумах пониженной вязкости БНД-200/300 и БНД-130/200 или
жидких битумах БГ-70/130;
- холодные (не ниже 5 °С) на жидких битумах марок СГ-70/130.
Твердение холодного асфальтобетона основано на загустевании жидкого битума за счет
испарения летучих фракций, окисления и других процессов, которые длятся 20…30 сут. Холодные бетоны проще и дешевле в изготовлении и удобнее в укладке, особенно в сырую и холодную погоду. Могут храниться на складе 6…8 мес. Поэтому их изготавливают зимой, а укладывают летом. Холодные бетоны бывают только мелкозернистыми или песчаными.
Технология приготовления асфальтобетонной смеси для горячего асфальтобетона предусматривает предварительный подогрев битума до 150…170 °С (для перевода в жидкое состояние), заполнителей и минерального порошка до 180…200 °С (во-первых, для удаления влаги,
которая ухудшает сцепление битума с минеральной частью, а во-вторых, компоненты должны
быть горячими, что бы битум быстро не остыл при перемешивании) и тщательное перемешивание их в смесителе. Для холодного бетона все компоненты нагревают до 110…120 °С. Иногда
его готовят на битумной эмульсии, смешивая вяжущие и заполнители без подогрева.
Приготовленную асфальтобетонную смесь транспортируют автосамосвалами и у места
укладки загружают в асфальтоукладчик, который ровным слоем толщиной на 15…20 % больше
проектной распределяет ее по подготовленному основанию. После укладки смесь уплотняют
катками массой 5…14 т или вибрационными моторными катками массой 0,5…4,5 т. В помещениях смесь уплотняют площадочными вибраторами. Горячие и теплые бетоны отвердевают,
приобретая плотность и прочность, через 1…2 ч, после остывания. Холодную асфальтобетонную смесь охлаждают до 60 °С, развозят на места и укладывают. отвердевает смесь под действием транспортных средств.
В строительной практике применяют также литой асфальтобетон (в стесненных условиях или при малых объемах работ). Его уплотняют в горячем состоянии утюгами, специальными
валиками, легкими катками (0,5…1,5 т) или вовсе не уплотняют.
Асфальтобетоны и растворы являются важнейшими материалами для устройства дорожных и аэродромных покрытий, полов на промышленных предприятиях и складских помещениях, ирригационных каналов, плоских кровель, стяжек.
10.2 Полимербетоны
Полимербетон - это бесцементный и безводный бетон, в котором вместо минерального
вяжущего используется связующее из жидкого олигомера (полимера с невысокой молекулярной массой), отвердителя и тонкомолотого минерального наполнителя.
Полимеры – это высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из нескольких тысяч или даже сотен тысяч атомов. Искусственные полимеры получают реакциями
синтеза из сравнительно простых по химическому составу веществ - мономеров. Чаще всего
макромолекулы таких соединений построены путем многократного повторения определенных
структурных единиц. Степенью полимеризации называют число структурных единиц, содержащихся в одной макромолекуле.
Исходными материалами для получения полимеров являются природный газ и так называемый "попутный" газ, сопровождающий выходы нефти. В газообразных продуктах переработки нефти содержится этилен, пропилен и другие газы, перерабатываемые на предприятиях в
полимеры. Сырьем для полимеров служит также каменноугольный деготь, получаемый при
коксовании угля и содержащий фенол и другие компоненты. В производстве синтетических материалов применяют также азот и кислород, получаемые из воздуха, воду и ряд других широко
распространенных веществ.
По внутреннему строению различают линейные, которые состоят из длинных нитевидных макромолекул, связанных между собой слабыми межмолекулярными (Ван-дерваальсовыми) и водородными связями (синтетический каучук), и пространственные, в которых
прочные ковалентные связи между цепями имеют прочность того же порядка, что и прочность
связей внутри цепи и приводят к образованию единого пространственного каркаса. Пространственные структуры гораздо хуже деформируются, чем структуры из линейных молекул. При
образовании сплошной пространственной структуры полимер приобретает свойства твердого
упругого тела.
По поведению при нагревании полимеры делятся на термопластичные и термореактивные. Термопластичными (термопластами) называют полимеры, способные обратимо размягчаться при нагреве и отверждаться при охлаждении, сохраняя основные свойства. Это линейные полимеры, поскольку межмолекулярные силы и водородные связи между их цепями преодолеваются при сравнительно умеренном повышении температуры. Термореактивными (или
реактопластами) называют полимеры, которые, будучи отверждены, не переходят при нагреве в
пластичное состояние. Это пространственные полимеры, для которых разрыв связей тепловым
движением требует высокой температуры, которая может вызвать разрыв связей не только между цепями, но и внутри цепей, что приводит к деструкции (химическому разложению) полимера. Продукты разложения загораются. Такой процесс необратим. Термореактивные полимеры при повышении температуры ведут себя подобно древесине: при высокотемпературном нагреве они претерпевают деструкцию и загораются.
Вяжущими для полимербетонов служат преимущественно термореактивные пространственные полимеры (фенольно-формальдегидные, полиэфирные, фурановые, эпоксидные смолы).
Выбор синтетического связующего зависит от условий эксплуатации полимербетона и видов
агрессивной среды.
Отвердителем (инициатором реакции полимеризации) для фенольных и фурановых
смол могут служить паратолуолсульфохлорид и бензолсульфокислота, для эпоксидных смол амины и полиамиды, для полиэфиров - гидроперекиси и нафтенат кобальта. Оптимальное количество отвердителя выбирают в зависимости от температуры среды, вида и количества смолы в
смеси и др.
Кроме этого, качество связующего повышают введением пластификаторов (для эпоксидных смол - низкомолекулярные тиоколы и полиамиды, которые химически связываются со
смолой, а также дивинилнитрильный каучук СКН-26).
В качестве наполнителей используют кислотостойкие материалы: кварцевый песок, андезит, диабаз, базальт, гранит и другие силикатные и алюмосиликатные породы, вводимые в
виде молотого порошка крупностью 0,01…0,1 мм. Для уменьшения хрупкости полимербетона
применяют волокнистые наполнители - асбест, стекловолокна и др. Минеральный наполнитель
уменьшает расход полимера и улучшает свойства полимербетона (как и для битума).
Заполнители выбираются в зависимости от вида агрессивной среды. Заполнителем
служит песок, щебень или гравий из тех же пород, что и наполнитель. Можно использовать
также дробленый бой кислотоупорного кирпича, кварцит, гранит, кокс, керамику, керамзит, антрацит, графит. Карбонатные заполнители (известняки, доломит и портландцемент) допустимы
только для эпоксидных смол в стабильных средах. При кислых отвердителях последние нейтрализуются, и смесь не твердеет.
Введение в состав арматуры позволяет получать высокопрочные армополимербетоны.
В зависимости от материала арматуры различают сталеполимербетон (стальная арматура) и
стеклополимербетон (стеклопластиковая арматура). Арматура может быть в виде стержней,
проволоки или отдельных волокон, равномерно распределенных по всему объему (дисперсная
арматура). Если в полимербетоне использовано дисперсное армирование, то бетон называют
фиброполимербетоном. В качестве дисперсной арматуры применяют короткие тонкие нити и
волокна (фибры) из асбеста, металла, стекла, горных пород и полимеров (синтетическое волокно).
Полимербетоны обладают высокой механической прочностью (Rсж = 60...120 МПа, Rр =
7...20 МПа, Rизг = 16…40 МПа). Прочностные характеристики определяются свойствами составляющих и адгезионными силами сцепления смол и наполнителей. Морозостойкость полимербетонов F200…F300; теплостойкость – 100…200 °С. Главное свойство полимербетона - высокая химическая стойкость как в кислых, так и в щелочных средах. Кроме того, полимербетоны
обладают высокой плотностью, износостойкостью, водостойкостью, беспыльностью, гигиеничностью и отличной адгезией к другим материалам.
Наряду с этим полимербетоны характеризуются повышенной деформативностью (ползучестью) и невысокой термостойкостью. Отрицательным свойством полимербетонов является
их старение, усиливающееся при действии попеременного нагревания и охлаждения. Кроме того, необходимо соблюдение специальных правил охраны труда при работе с полимерами и кислыми отвердителями, могущими вызвать ожоги. В частности, необходима хорошая вентиляция,
обеспечение рабочих защитными очками, резиновыми рукавицами, спецодеждой.
Полимербетоны получают путем интенсивного перемешивания в бетоносмесителе подогретых заполнителей, которые должны быть чистыми и сухими, полимерной смолы и добавок. Расход связующего составляет 100…200 кг на 1 м3 полимербетона при соотношении к наполнителю 1:5-1:12 по массе. Недопустимо попадание воды в смесь и на свежеуложенный бетон.
Полученную массу помещают в форму и уплотняют штыкованием, вибрированием или
прессованием. Твердеют полимербетоны при нормальной температуре не менее 3…7 суток, а
при температуре 40-80 °С - 6…12 ч.
Стоимость полимербетонов в несколько раз выше цементных бетонов, поэтому их применяют там, где высокая стоимость полимербетонов будет оправдана: при строительстве цехов
химической, пищевой, целлюлозно-бумажной промышленности, где требуется обеспечить коррозионной стойкость несущих и самонесущих конструкций, подвергающихся интенсивному
износу и химическому воздействию (трубы для жидкостей с абразивными частицами, сборные
емкости под высокоагрессивные жидкости, плиты для химически стойких полов, тюбинги, колонны, плиты перекрытий и т.п.). Срок службы таких конструкций из обычного бетона весьма
невелик, а при использовании полимербетона может быть значительно увеличен.
Полимербетоны (полимеррастворы) хорошо склеиваются с цементным бетоном, поэтому
его применяют для ремонта железобетонных конструкций. Полимербетоны применяют для за-
щиты от радиации в ядерной технике и атомной промышленности. Защитные свойства полимерных соединений с повышенным содержанием водорода особенно эффективны против нейтронного потока. В этом отношении представляют значительный интерес баритобетон, обладающий высокими защитными свойствами против нейтронного и гамма-излучения.
10.3. Полимерцементные бетоны
Полимерцементные бетоны получают, добавляя полимер непосредственно в бетонную
или растворную смесь. Полимерные добавки вступают в активное взаимодействие с цементом
или продуктами реакции его с водой и участвуют в образовании структуры цементного камня и
бетона, заметно улучшая его свойства - прочность на изгиб повышается в 1,5…3 раза, прочность при сжатии на 20…50 %. Полимер по мере удаления свободной воды из системы образует тонкую пленку, равномерно распределенную по поверхности зерен цемента и заполнителя.
Последняя, обладая хорошими адгезионными свойствами, улучшает сцепление цементного
камня с заполнителем и цементных зерен между собой; она повышает монолитность бетона и
придает ему специфические свойства по сравнению с обычным бетоном.
Основными составляющими для полимерцементных бетонов служат поливинилацетатная и акриловая эмульсия, латексы синтетических каучуков, а также кремнийорганические полимеры, фуриловый спирт с солянокислым анилином и др. Эти полимеры, вводимые в
бетонную смесь или растворы, действуют как поверхностно-активные вещества. Некоторые из
них увеличивают пластичность, уменьшают водосодержание бетонной и растворной смеси и
снижают ее водопотребность.
Количество полимерной добавки от 1 до 30 % от массы цемента в зависимости от вида
полимера и целей модификации бетона или раствора.
Бетоны с добавками водорастворимых смол обладают многими положительными свойствами, наиболее ценным из которых является увеличение растяжимости без понижения прочности и значительного повышения деформативности при сжатии. Однако они обладают повышенной чувствительностью к колебаниям температуры в конструкциях.
Полимерцементные бетоны рекомендуется применять для бетонных и железобетонных
конструкций, к которым предъявляют требования пониженной проницаемости и повышенной
сопротивляемости удару, динамическим воздействиям, прочности на осевое растяжение, морозостойкости и коррозионной стойкости. Это покрытия полов промышленных зданий, взлетных
полос аэродромов, наружной отделка кирпичных и бетонных поверхностей, устройства резервуаров для воды и нефтепродуктов.
10.4. Бетонополимер
Бетонополимер представляет собой бетон, пропитанный после затвердения мономерами или жидкими олигомерами, которые после соответствующей обработки переходят в твердые
полимеры, заполняющие поры бетона. В результате этого более чем в 2 раза повышается прочность бетона (Rсж = 80…120 МПа), его морозостойкость и коррозионная стойкость. Бетонополимеры практически водонепроницаемы. Для получения бетонополимера используют главным
образом стирол и метилметакрилат, полимеризующиеся в бетоне соответственно в полистирол
и полиметилметакрилат.
Пропитка на глубину до 3 см проводится в специальных герметичных камерах под давлением.
Существенный недостаток бетонополимера - значительное усложнение технологии бетона: затвердевшее бетонное изделие перед пропиткой необходимо высушить, пропитывают
его под вакуумом. Кроме того, работа с мономерами требует тщательного соблюдения техники
безопасности.
10.5. Изделия на основе древесины
Фанера представляет собой листовой материал, склеенный из трех и более слоев лущенного шпона, расположенных так, чтобы волокна смежных листов шпона были взаимно перпендикулярны. Выпускают также фанеру с направлением волокон шпона в соседних слоях под уг-
лом 30°, 45° или 60°. По числу слоев шпона различают трехслойную, пятислойную и многослойную фанеру толщиной от 1,5 до 18 мм и размером листа до 24001525 мм.
Клеевую фанеру изготовляют из березы, бука, ольхи, клена, ясеня, дуба, сосны, ели, кедра, лиственницы. Пакеты шпона, набранные по заданной схеме из определенным образом промазанных клеем листов, поступают в гидравлический пресс, плиты которого обогреваются паром. Отверждение полимерного клея происходит при температуре 120…160 °С и удельном
давлении прессования 1,4…2 МПа в течение 20…30 мин.
Фанера, облицованная строганым шпоном. Фанера, используемая для внутренней отделки помещений, производства мебели и др., в отличие от фанеры общего назначения облицовывается по наружному слою или обоим слоям строганым шпоном из древесины ценных
пород с декоративной текстурой (дуба, ясеня, бука, красного дерева, ореха, ильма, карагача, лиственницы, тиса).
Древесно-слоистые пластики - это листы или плиты, изготовленные из лущенного березового шпона, пропитанного и склеенного в процессе термической обработки под большим
давлением резольным фенолоформальдегидным полимером. Отличаются от фанеры большей
плотностью (1,25-1,33 г/см3) и обладают высокими механическими свойствами: предел прочности при растяжении вдоль волокон "рубашки" 140-260 МПа, при изгибе 150-280 МПа, удельная
ударная вязкость 3-8 МПа. Эти пластики стойки к действию масел, растворителей, моющих
средств.
Древесные слоистые пластики изготавливаются в виде листов толщиной от 1 до 12 мм и
размером до 15001500 мм, или плит толщиной от 15 до 60 мм и размером до 15001500 мм.
Применяют в строительных конструкциях, от которых требуется химическая стойкость,
немагнитность, высокое сопротивление истиранию.
Древесностружечные плиты (ДСтП) получают, смешивая станочную стружку, дробленые древесные отходы (дробленку), опилки, а иногда специально изготовленную тонкую
стружку (все из мягких лиственных пород), с мочевиноформальдегидной или фенолоформальдегидной смолой. Расход полимера составляет 8…12 % от общей массы. Для придания древесностружечным плитам био- и огнестойкости, гидрофобности в связующее или в стружку вводятся антисептики, антипирены или гидрофобные вещества.
По способу изготовления различают плиты плоского прессования, у которых древесные
частицы расположены параллельно лицевым поверхностям плиты, и экструзионного (путем
выдавливания из мундштука пресса) формования - с древесными частицами, расположенными
преимущественно перпендикулярно этим поверхностям. Формование происходит при повышенной температуре.
В качестве декоративной отделки, защищающей плиты от увлажнения и истирания,
применяют полимерные пленочные материалы, бумагу, пропитанную смолами. Нередко поверхность плит (предварительно отшлифованную) покрывают водостойкими фенольными или
эпоксидными лаками.
Плотность древесностружечных плит плоского прессования в зависимости от их структуры, способов формования может колебаться в пределах от 550 до 820 кг/м3, а их водостойкость непосредственно связана с видом используемого связующего и породой древесины частиц стружки.
Плиты плоского прессования средней и высокой плотностью применяются в мебельном
производстве, для изготовления строительных панелей и конструкций, временных сооружений,
кровли, подоконников и других несущих элементов конструкций, а также в качестве отделочного и облицовочного материала. Плиты малой плотностью служат тепло- и звукоизоляционным материалом.
Экструзионные древесностружечные плиты облицованы декоративной бумагой, лущеным или строганым шпоном, что повышает их прочность в 15…29 раз. Плотность экструзионных плит колеблется в пределах от 350 до 650 кг/м3 при пределе прочности при статическом
изгибе от 5 до 10 МПа. Плиты этого вида используются для изготовления неответственных
строительных деталей и в качестве материала для изготовления щитовых дверей, перегородок.
Древесноволокнистые плиты изготовляют путем горячего прессования при температу-
ре 150…165 °С под давлением 1..5 МПа волокнистой массы, состоящей из специально подготовленных древесных волокон, воды, наполнителей, полимера и специальных добавок (антисептиков, антипиренов, гидрофобизующих веществ).
Древесные волокна получают из отходов деревообрабатывающих производств и неделовой древесины. Древесину на рубильных машинах перерабатывают в щепу, которую проваривают в 1-2%-ном растворе едкого натра для нейтрализации смолистых и сахаристых веществ.
Затем щепу размельчают в дефибраторах и других машинах до состояния тонких волокон. После дополнительной обработки паром (при температуре 150°С и давлении 0,6-1 МПа) волокна
смешивают с водой и указанными добавками. При изготовлении сверхтвердых плит в смесь
вводят фенолоформальдегидный полимер. Приготовленная масса передается на отливочную
машину, имеющую бесконечную металлическую сетку и вакуумную установку. Здесь масса
обезвоживается, уплотняется, разрезается на плиты, которые и направляются в роликовую сушилку, если формуются высокопористые изоляционные плиты. Для получения твердых плит
необходимо прессование массы, которое осуществляется на гидравлических многоэтажных
прессах при температуре 150-165 °С под давлением 1-5 МПа.
Твердые плиты применяют для устройства перегородок, подшивки потолков, настилки
полов, для изготовления дверных полотен и встроенной мебели. Отделочные плиты облицовывают синтетической пленкой с прокладкой текстурной бумаги под цвет и текстуру древесины
ценных пород. Их также выпускают с матовой поверхностью, окрашенными водоэмульсионными поливинилацетатными красками. Такие плиты служат облицовкой стен и потолков. Плиты, окрашенные эмалями, имеют глянцевую поверхность и они более водостойки. Эти плиты
применяют для облицовки стен в медицинских учреждениях, продуктовых магазинах и т.п.
Изоляционные древесноволокнистые плиты находят широкое применение в виде тепло- и звукоизоляционного материала. В строительной практике наибольшее распространение получили
отделочные (декоративные) и теплозвукоизоляционные древесноволокнистые плиты.
Деревянные клееные конструкции представляют собой крупноразмерные строительные элементы, изготавливаемые склеиванием друг с другом водостойкими высокопрочными полимерными клеями (резорциновые клеи при склеивании древесины и эпоксидные клеи
при склеивании древесины с металлами) отдельных некондиционных обрезков из качественной
еловой или сосновой древесины с последующей температурной обработкой для отверждения.
Производство клееных деревянных конструкций началось в 50-е годы. Сочетая дерево с
другими материалами, изготавливают как несущие, так и ограждающие клееные конструкции
зданий и сооружений, различные по форме и назначению. К несущим относятся балки, колонны, арки, стойки, фермы крупных сечений, больших длин, измеряемых десятками метров (до 60
и более), цилиндрические своды, оболочки и сферические купола. Из таких элементов изготовляются конструкции больших пролетов. К клееным относятся и трехслойные панели, обшитые
фанерой, древесностружечными или древесноволокнистыми плитами, со средним слоем из пенопласта, вспениваемого непосредственно в полости изделия. Широкое распространение в
практике строительства получили также стеновые панели, состоящие из клееного каркаса, к которому крепятся с одной или с обеих сторон плоские асбестоцементные листы.
Использование клееных конструкций, успешно конкурирующих с железобетоном и сталью, является одним из наиболее экономически эффективных способов применения древесины
в современном строительстве.
Тема № 11 МАТЕРИАЛЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
11.1. Теплоизоляционные строительные материалы и изделия
Общие сведения
Теплоизоляционными называют материалы, имеющие теплопроводность не более 0,175
Вт/(м°С) при 20 °С и предназначенные для тепловой изоляции зданий, технологического оборудования, трубопроводов, тепловых и холодильных промышленных установок. Применение
таких материалов в конструкциях позволяет весьма существенно экономить тепловую энергию,
дефицитность и стоимость которой растет. Считается, что 1 м3 эффективных теплоизоляционных материалов экономит 1,45 т условного топлива.
Классификация
Материалы и изделия подразделяют по следующим основным признакам:
по виду основного исходного сырья (неорганические и органические);
по структуре (волокнистые, ячеистые, зернистые (сыпучие));
по содержанию связующего вещества (содержащие и не содержащие связующее вещество);
по форме (рыхлые (вата, перлит и др.); плоские (плиты, маты, войлок и др.); фасонные
(цилиндры, полуцилиндры, сегменты и др.); шнурованные;
по возгораемости (горючести) (несгораемые, трудносгораемые, сгораемые).
Общие принципы технологии теплоизоляционных материалов
Теплопроводность материала является функцией теплопроводности скелета материала,
теплопроводности воздушной среды и влаги, находящейся в поровом пространстве. Сухой воздух, заключенный в мелких замкнутых порах, имеет теплопроводность λ = 0,023 Вт/(м·°С).
Следовательно, структура теплоизоляционного материала и изделия должна иметь скелет
аморфного строения, предельно насыщенный мелкими замкнутыми порами или тонкими воздушными слоями. Отсюда следует, что теплопроводность напрямую зависит от плотности материала - λ = f(ρт). Поэтому теплоизоляционные материалы и изделия имеют ограничение по
средней плотности (не более 500 кг/м3) и по ней же маркируются. Марки теплоизоляционных
материалов (кг/м3): D15, D25, D35, D50, D100, D125, D150, D175, D200, D250, D300, D350,
D400, D500. Материал, имеющей промежуточную среднюю плотность, относят к ближайшей
большей марке.
В практике используют следующие основные способы создания высокопористого строения материала. Для получения материалов ячеистого строения (ячеистые бетоны, пеностекло,
пористые пластмассы (пенопласты)) используют способы газовыделения и пенообразования.
Материалы с закрытыми порами, например, пеностекло, отличаются небольшим водопоглощением. Для снижения водопоглощения при изготовлении материалов вводятся гидрофобизующие добавки.
Способ высокого водозатворения состоит в применении большого количества воды при
получении формовочных масс (например, из трепела, диатомита); последующее испарение воды при сушке и обжиге формовочных изделий способствует образованию воздушных пор. Этот
способ часто сочетается с введением выгорающих добавок (углесодержащих техногенных отходов, древесных опилок и др.).
Создание волокнистого каркаса - основной способ образования пористости у волокнистых материалов (минеральная вата, древесно-волокнистые плиты и т.п.). Высокопористое
строение закрепляется главным образом путем тепловой обработки изделий.
Номенклатура и применение ТИМ
В России выпуск теплоизоляционных материалов распределяется следующим образом:
минераловатные - 65 %, стекловатные - 9,3 %, пенопласты - 6,6 %, ячеистые бетоны - 6,6 %, базальтовые, перлитовые и вермикулитовые изделия - 12,5 %. За рубежом преобладают материалы на основе базальтового и стеклянного волокон, трудногорючие пенопласты, влагостойкие
пеностирольные плиты, ячеистый бетон плотностью до 400 кг/м3.
Минеральная вата - волокнистый бесформенный материал, состоит из тонких стекловидных волокон диаметром 5-15 мкм, получаемых из расплава легкоплавких горных пород
(мергелей, доломитов и др.), металлургических и топливных шлаков и их смеси.
Минераловатные твердые плиты, имеющие повышенную жесткость, изготовляют на
синтетическом связующем. Плиты из массы жидкотекучей консистенции формуют в вакуумпрессах и подвергают тепловой обработке при 150…180 °С. Получают плиты плотностью
180…200 кг/м3, толщиной 30…70 мм.
Минераловатные полужесткие и мягкие плиты изготовляют с синтетическим, битум-
ным и крахмальным связующим. Изделия (плиты, цилиндры, сегменты, маты) с синтетическим
связующим имеют меньшую плотность, более прочны и привлекательны на вид по сравнению с
изделиями на битумном связующем. Плотность плит – 35…250 кг/м3, теплопроводность 0,041…0,07 Вт/(м'°С).
Стеклопор получают путем грануляции и вспучивания жидкого стекла с минеральными
добавками (мелом, молотым песком, золой ТЭС и др.). Технологический процесс включает
производство гранулята - "стеклобисера" и его низкотемпературное (при 320…360 °С) вспучивание. Стеклопор выпускают плотностью ρm = 15…120 кг/м3, λ = 0,028…0,05 Вт/(м·°С). В сочетании с различными связующими стеклопор используют для изготовления штучной, мастичной
и заливочной теплоизоляции.
Монтажные асбестовые материалы выпускают в виде листов и рулонов из асбестового
волокна; иногда вводят наполнитель и небольшое количество склеивающих веществ (крахмала,
казеина и др.), получая асбестовую бумагу, картон, шнур. Алюминиевую фольгу применяют в
качестве отражателей изоляции в воздушных прослойках слоистых ограждающих конструкций
зданий и для теплоизоляции промышленного оборудования и трубопроводов при температурах
до 300°С.
Зернистые материалы применяют для теплоизоляционных засыпок. При температурах
до 900 °С применяют: вспученный перлит в виде пористого песка с плотностью 50…100 кг/м3
и теплопроводностью 0,04…0,05 Вт/(м·°С); вспученный вермикулит в виде смеси пластинчатых зерен крупностью не более 15 мм, плотностью 100…120 кг/м3 и теплопроводностью около
0,075 Вт/(м·°С): измельченные диатомиты и трепелы с крупностью до 5 мм, плотностью 400700 кг/м3 и теплопроводностью 0,11-0,18 Вт/(м·°С).
При температурах до 450…600 °С применяют гранулированную и стеклянную вату,
дробленую пемзу и вулканический туф, топливные шлаки, получаемые при сжигании кускового топлива, топливные золы от сжигания пылевидного топлива, доменные гранулированные
шлаки.
Фибролит - плитный материал из древесной шерсти и неорганического вяжущего вещества. Древесную шерсть (стружку длиной 200…500, шириной 2…5 и толщиной 0,3…0,5 мм)
получают на специальных станках, используя короткие бревна ели, липы, осины или сосны.
Вяжущим чаще всего служит портландцемент и раствор минерализатора - хлористого кальция.
Формы с массой последовательно проходят камеру начеса, прессовочный вал, пост разделки на
плиты, камеру твердения и сушки. Влажность цементно-фибролитовых плит ограничивается.
Плиты выпускают плотностью 300…500 кг/м3, теплопроводностью 0,1…0,15 Вт/(м·°С), с пределом прочности при изгибе 0,4-1,2 МПа. Толщина плит - 25, 50,75,100 мм. Фибролит хорошо
обрабатывается - его можно пилить, сверлить, в него можно вбивать гвозди.
Арболитовые изделия изготовляют из портландцемента и органического коротковолокнистого сырья (древесных опилок, дробленой станочной стружки или щепы, сечки соломы или
камыша, костры и др.), обработанного раствором минерализатора. Химическими добавками
служат: хлористый кальций, растворимое стекло, сернокислый глинозем. Применяют теплоизоляционный арболит плотностью до 500 кг/м3 и конструкционно-теплоизоляционный плотностью до 700 кг/м3. Прочность арболита при сжатии - 0,5…3,5 МПа, растяжение при изгибе 0,4…1,0 МПа; теплопроводность - 0,08…0,12 Вт/(м·°С).
Одним из перспективнейших современных теплоизоляционных материалов является использование вторичного сырья из бытовых отходов (бумаги и картона). Полученная эковата
является идеальным заменителем традиционных утеплителей. Среднее значение теплопроводности составляет 0,041 Вт/(м·°С). Эковата трудно сгораема, что обусловлено добавками антипиренов, биостойка, обладает звукопоглощающими свойствами.
Сотопласты изготовляют путем склейки гофрированных листов бумаги, стеклянной или
хлопчатобумажной ткани, пропитанных полимером. Они служат эффективным утеплителем в
трехслойных панелях. Теплоизоляционные свойства сотопласта повышаются при заполнении
ячеек крошкой из мипоры.
Ячеистые пластмассы подразделяются в зависимости от характера пор на пенопласты и
поропласты. Пенопласты имеют преимущественно закрытые поры в виде ячеек, разделенных
тонкими перегородками. К поропластам относятся ячеистые пластмассы с сообщающимися
порами. Имеются материалы со смешанной структурой.
В ячеистых пластмассах поры занимают 90-98 % объема материала, а на стенки приходятся всего лишь 2-10 %, поэтому ячеистые пластмассы очень легки и малотеплопроводны (теплопроводность 0,026…0,058 Вт/(м·°С)). В то же время они водостойки, не загнивают; жесткие
пено- и поропласты достаточно прочны, гибки и эластичны. Особенностью теплоизоляционных
пластмасс является ограниченная температуростойкость. Большинство из них горючи, поэтому
необходимо предусматривать конструктивные меры защиты пористых пластмасс от непосредственного действия огня.
Пористые пластмассы можно пилить, резать обычными способами, а также проволокой,
нагреваемой электрическим током. Они хорошо склеиваются с бетоном, асбоцементом, металлом, древесиной. Это значительно упрощает изготовление крупных панелей ограждающих конструкций.
Пенополиуретан получают в результате химических реакций, протекающих при смешении исходных компонентов (полиэфира, диизоцианита, воды, катализаторов и эмульгаторов).
Изготовляют жесткий и эластичный полиуретан. Плотность 25…45 кг/м3, прочность при 10 %
сжатии - 0,3…0,7 МПа.
Жесткий полиуретан используется в широком интервале температур, отличается легкостью и экономичностью обработки, высокой механической прочностью, устойчивостью к износу и химической и биологической стойкостью. Характеризуется самой низкой теплопроводностью по сравнению с другими изоляционными материалами, теплопроводность при температуре 10 °С ниже 0,019 Вт/(м·°С). Может быть использован при температуре от -50 °С до +110 °С.
Нулевая капиллярность. Объемное водопоглощение 0,2 %. Стойкость к действию грибков и
микроорганизмов делает его не гниющим и не разлагающимся. Жесткий пенополиуретан применяют в виде плит и скорлуп. Эластичный пенополиуретан служит для герметизации стыков
панелей. Разработаны рецептуры заливочных композиций, которые могут вспениваться даже на
холоде. Материал «самозатухающий» по огнестойкости. При использовании пенополиуретановых материалов необходимо учитывать их недостаточную светостойкость, которую можно повысить за счет защиты (каширования) поверхности металлической фольгой, рулонными материалами и стеклопластиками.
В течение последних лет на рынке России появился более дешевый заменитель пенополиуретановых плит, требующих использования импортных компонентов, - карбамидный пенопласт, получивший торговое название пеноизол. Этот материал характеризуют следующие
свойства: шумонепроницаемость, коэффициент теплопроводности 0,02 Вт/(м·К), плотность 15
кг/м3, не токсичен, марка по горючести — Г2, воспламеняемости — В2. Плиты толщиной 50 мм
могут по теплопроводности заменить кирпичную стену толщиной 1000 мм. Пеноизол представляет собой материал, изготовленный беспрессовым способом и без термической обработки из
пенообразующего состава, включающего полимерную смолу, пенообразователь, воду и специальные модификаторы.
Пенополистирол - легкий пластик, изготовляемый из полистирола с порообразователем.
Пенополистирол - легкий, имеет плотность до 25 кг/м3, стоек к истиранию, водопоглощение доли %, трудно воспламеняется. Недостатком материала является усадка, которую можно
уменьшить путем выдерживания материала до применения и использования гибких и эластичных материалов типа битумно-эластомерного наплавляемого полотна в качестве гидроизоляционного слоя. Применяется в трехслойных стеновых панелях на гибких связях совместно с жесткими минераловатными плитами, при теплоизоляции стен и кровель.
Основные показатели полистиролбетона и, следовательно, его назначение в качестве
блочного теплоизоляционного материала можно в значительной степени варьировать за счет
регулирования структуры межзернового пространства: плотной, по-ризованной или крупнопористой. Поставленную цель решают путем подбора расхода цемента (120...500 кг/м 3), размера
гранул и насыпной плотности пенополистирола (8...15 кг/м3), вводом эффективных пено- и газообразующих добавок. К этому материалу предъявляют жесткие требования по содержанию
свободного мономера (стирола), которое не должно превышать 0,002 % по массе. Достигается
это специальной обработкой (детоксикацией) полистирольного заполнителя, бетонной смеси
или изделий и конструкций.
Пенополиуретан и пенополистирол выпускают как высокоэффективные теплоизоляционные материалы, а в сочетании с упаковкой в усадочную пленку под давлением или другими
приемами как новые гидротеплоизоляционные материалы.
Пенополивинилхлорид выпускают жесткий и эластичный. Жесткий пенополивинилхлорид - теплоизоляционный материал, незначительно изменяющий свои свойства при изменении температуры от +60 °С до -60 °С. Он менее горюч по сравнению с пенополистиролом.
Мипору изготовляют путем вспенивания мочевино-формальдегидной смолы, отвердения
отлитых из пеномассы блоков и их последующей сушки. Мипора наиболее легкий (10…20
кг/м3) и наименее теплопроводный из всех теплоизоляционных материалов - λ = 0,026…0,03
Вт/(м-°С).
Наряду со штучными, рулонными, рыхлыми сыпучими материалами применяют монолитную теплоизоляцию, используя специальные напыляемые пенополиуретановые и полистиролбетонные смеси и гипсовые штукатурки, в которые в качестве мелкого заполнителя (наполнителя) входят неорганические или органические волокнистые материалы (асбест, отходы растительного сырья, обработанные жидким стеклом, синтетические волокна).
12.2. АКУСТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Акустическими называются материалы, способные уменьшать энергию звуковой волны,
снижать уровень громкости внутреннего или внешнего звука. Для большинства зданий задача
акустики, акустического благоустройства заключается в снижении уровней внешних шумов до
допустимого при относительном режиме тишины в помещениях производственных, учебных,
жилых, культурно-бытовых зданий. Для зданий общественного назначения важно также обеспечить в основных помещениях хорошую слышимость и разборчивость, а в музыкальных помещениях — еще и естественность звучания инструментов и голоса. Эти задачи решаются комплексом конструктивных, планировочных и предупредительных мероприятий. Главным из них
служит правильное назначение строительных материалов в конструкциях, особенно в ограждающих (стены, перегородки), междуэтажных перекрытиях и кровельных покрытиях. Выбор
материалов основан на их различной способности к задержанию (поглощению) звуковой волны, которая может распространяться как в воздухе, так и в твердых телах и жидкостях.
Для борьбы с шумом и переносом звука используют звукопоглощающие (активно поглощающие звук) и звукоизоляционные (снижающие уровень шума) материалы. Они могут
быть отделочными и прокладочными.
Отделочные материалы частично поглощают звук внутри помещений, например промышленных цехов, машинописного бюро и пр., или технических устройств, например вентиляционных воздуховодов и др. Отделочные звукопоглощающие материалы также оптимизируют
условия слышимости в помещениях, например, в зрительных залах, лекционных аудиториях,
радиовещательных студиях и т. п. Большая или меньшая часть звуковых волн обычно отражается от конструкций, выполненных из отделочных звукопоглощающих материалов. В результате
в помещении сохраняется звучание даже после прекращения действия источника звука. Такое
явление называется реверберацией.
Прокладочные материалы используют под упругими полами междуэтажных перекрытий, предохраняя тем самым помещения от распространения материального (ударного) переноса звука. Нередко эти материалы комбинируют с отделочными.
Числовую величину поглощения звука оценивают коэффициентом, который показывает
долю энергии звуковой волны, поглощаемой 1 м2 поверхности материала в открытом проеме.
Чем больше величина коэффициента звукопоглощения, тем выше соответствующая эффективность строительного материала в конструкции, этом учитывают также частотность звучания, от
которой су венно зависит величина коэффициента звукопоглощения.
Звукопоглощающие материалы разделяют по разным признакам: характеру поглощения
звука, виду и технологии изготовления, характеру поверхности изделий. Все эти материалы
обычно являются также отделочными, поскольку способствуют созданию внешней архитектур-
ной выразительности помещений.
По характеру поглощения звука материалы разделяют на пористые, мембранные и перфорированные. Наиболее распространеными являются пористые. Звуковая энергия поглощается в этих материалах в основном за счет трения частиц воздуха в порах и капиллярах, весьма
развитых и различных по диаметру. С повышением пористости увеличивается звукопоглощение, хотя имеется некоторый предел пористости (около 80 %), выше которого звукопоглощение
не возрастает и даже имеется тенденция к его снижению. Важен также размер диаметра пор.
При малых размерах пор проникновение звуковой энергии в толщу материала затруднено, а
звукопоглощение оказывается незначительным. Оптимальным может быть принят диаметр пор
до 1 мм. При мембранном типе материала сила звука снижается вследствие затраты энергии на
вынужденные колебание достаточно массивных и жестких мембран (плиты, фанерные листы,
плотный картон, некоторые ткани и др.). Перфорированные панели и другие материалы имеют
отверстия, в которых задерживается воздух, создающий тормоз на пути воздушного переноса
звука, что создает лучший эффект звукопоглощения.
К звукопоглощающим материалам, отличающимся внешним видом и технологией изготовления, относятся плитные, рулонные и комбинированные. По характеру поверхности изделии эти материалы разделяются на плиты с естественной фактурой, с порами и раковинами, с
рифленой поверхностью, с перфорированной поверхностью, т. е. с отверстиями одного или
разного диаметров, расположенными симметрично или бессистемно.
К сравнительно эффективным относятся акустические плиты на основе стеклянной и
минеральной ваты, плиты из легких бетонов на основе неорганических вяжущих и с применением пемзы, керамзита, вспученного перлита или вермикулита и др.; плиты из фибролита; древесноволокнистые плиты; гипсовые плиты (перфорированные и сплошные); древесностружечные плиты и некоторые другие. Практическую пользу приносят акустические звукопоглощающие штукатурки. Эффективно выполняют функции звукопоглощения конструкции из
пористых волокнистых материалов, покрытых различными тонкими перфорированными листами и сетками. Перфорация в плитах и листах может быть сквозной и несквозной в зависимости
от типа и назначения конструкций.
Звукоизоляционные материалы применяют для изоляции помещений от распространения материального (ударного) переноса звука. В отличие от звукопоглощающих эти материалы
остаются практически в скрытом от взора состоянии в виде прокладочных слоев в конструкциях внутренних стен (перегородок) и междуэтажных перекрытий зданий. Они располагаются
между наружными оболочками (панелей, щитов и др.), находясь в свободном (не сжатом) или
даже подвешенном состоянии (например, подвешенные маты). Возможно и некоторое обжатие
звукоизолирующей прослойки, например, между несущими панелями потолка и конструкцией
пола на упругом основании.
Звукоизоляция всегда связана с характером конструкции, а не только со структурой и
свойством материала, как при звукопоглощении.
Звукоизоляционными акустическими материалами служат полужесткие минераловатные
и стекловатные маты и плиты на синтетической связке, древесноволокнистые изоляционные и
асбестоцементные изоляционные плиты (последние используют в местах опирания конструктивных элементов перекрытий на стены зданий). Для звукоизоляции используют также плиты
из полистирольного пенопласта, а из засыпных материалов - кварцевый песок, керамзит, шлак.
12.3. ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Общая задача гидроизоляции - не допускать проникновения агрессивных грунтовых вод,
содержащих кислоты, сульфаты, сероводород, хлор, которые вызывают разрушение бетона и
металла, к изолируемому материалу (антикоррозионная гидроизоляция) или миграцию воды
через ограждающую конструкцию (антифильтрационная гидроизоляция). Для этого нужно или
создать водонепроницаемый слой между водой и поверхностью материала, или придать самому
материалу свойство водонепроницаемости. Гидроизоляцию выполняют прежде всего для подземных конструкций и сооружений, испытывающих в процессе эксплуатации действие прямого
гидравлического напора или фильтрующих грунтовых вод. Это фундаменты, стены подвалов,
полы. Иногда гидроизоляцию используют для предотвращения утечки воды или другой жидкости из резервуаров.
Гидроизоляционные материалы должны обладать высокой степенью водонепроницаемости, химической стойкости, биостойкости, быть достаточно гибкими, иметь высокую деформативность (не давать трещин и разрывов при температуроусадочных деформациях изолируемой
конструкции) и др.
В настоящее время применяют следующие способы гидроизоляции: окрасочная, оклеечная, штукатурно-монолитная, облицовочная, мембранная, инъекционная. Для каждой используются свои материалы.
Окрасочная гидроизоляция, рекомендуемая для защиты от капиллярной, фильтрующей
воды (безнапорной), представляет собой монолитное водонепроницаемое покрытие толщиной
3...6 мм, получаемое путем нанесения на защищаемую поверхность битумные, битумнополимерные, полимерные и полимер-цементные композиции (мастики). Гидроизоляционные
покрытая должны иметь высокую адгезию к бетону не менее 100 кПа и прочность при разрыве
от 3 до 12 МПа.
Оклеечные, штукатурные и облицовочные покрытия применяют при прямом действии
на поверхность воды под напором до 10 м. Для выполнения оклеенной гидроизоляции используют как специальные рулонные водостойкие и водонепроницаемые материалы, так и покрытия
широкого спектра, которые могут применяться как кровельные. Рулонные материалы выпускаются в виде рулонов размером 10…20 м2 и делятся на основные и безосновные.
К основным материалам, которые используются преимущественно как кровельные, но
могут использоваться и для гидроизоляции, относятся пергамин, рубероид, гидроизол, стеклорубероид, толь. При изготовлении перечисленных изделий основу, в качестве которой выступает кровельный или асбестовый картон, стекловолокнистый холст, пропитывают легкоплавкими
нефтяными кровельными битумами или дегтем. Затем в ряде случаев наносят накрывочные
слои из твердого дорожного битума. Чтобы повысить погодоустойчивость рубероида, в состав
покровных масс вводят до 35 % тонкомолотого наполнителя, полученного в процессе размола
сланцевых, доломитовых, слюдяных и тальковых пород. Помимо этого, все изделия (за исключением пергамина) с одной или двух сторон покрываются посыпочными массами (тальком,
эфелью - отходом переработки слюдяных сланцев, песком). Посыпка защищает поверхность от
преждевременного разрушения атмосферными факторами. После этого изделие сушат и рулонируют.
Штукатурно-монолитное покрытие выполняется из асфальтовых (холодных или горячих), полимерных, полимерцементных и цементных растворов толщиной в зависимости от величины гидростатического напора (до 10 м) 6...50 мм. Это покрытие относительно хрупко, поэтому такую гидроизоляцию во избежание трещинообразования применяют только для жестких
недеформируемых поверхностей строительных конструкций. Условия, ограничивающие применение асфальтовых растворов, — воздействие нефтепродуктов и горячей воды (температурой
выше 50 °С). Усилить монолитную гидроизоляцию можно или за счет дополнительного армирования стеклосеткой (стеклохолстом).
В последние годы расширяется применение гидроизоляционных сухих строительных
смесей на основе портландцемента. В зависимости от состава сухих смесей путем затворения
их водой на строительной площадке можно получить водонепроницаемый бетон (W12) или обмазочные композиции. Высокая плотность покрытия достигается за счет тщательного подбора
гранулометрического состава мытых заполнителей и введения уплотняющих добавок.
Штукатурные композиции наносят на поверхность послойно (не более трех слоев) ручным или пневмомеханическим способом. Минеральные составы (на основе цемента) содержат
песок определенной фракции (цементно-песчаные растворы) или тонкомолотые наполнители
(коллоидно-цементные растворы). Для обеспечения заданной пластичности смеси и непроницаемости покрытия вводят пластифицирующие и уплотняющие добавки.
Облицовочные покрытия используют, как правило, для защиты монолитных конструкций. Металлические листовые материалы толщиной до 4 мм используют в качестве несъемной
опалубки при бетонировании монолитных конструкций. В случае расположения гидроизоляции
со стороны действия грунтовых вод металлические листы защищают красочными составами от
коррозии. Полимерные листовые материалы, плоские и профилированные (полиэтиленовые,
полипропиленовые, винипластовые), толщиной 2 мм устанавливают в опалубку при получении
монолитных конструкций или приклеивают к поверхности полимерсиликатным составом для
защиты сборных конструкций.
Все большее признание среди строителей при наружной гидроизоляции фундаментов
приобретает мембранная гидроизоляция, представляющая собой многослойный материал, состоящий из толстой полиэтиленовой пленки с приклеенной к ней объемной сеткой, которая заполнена гранулами бентонитовой глины или водонабухающего полимера. При увлажнении эти
материалы, увеличиваясь в несколько раз в объеме, создают водонепроницаемый слой.
В случае необходимости гидроизоляции фундамента эксплуатируемого здания с внутренней стороны пробуривают сквозные отверстия в стенах и полу подвального помещения, через которые нагнетают под давлением специальные гидроизоляционные растворы, состоящие
из портландцемента, глины, жидкого стекла и уплотняющих добавок - инъекционная гидроизоляция. Для гидроизоляции стен от капиллярного поднятия влаги используют бурение в стене сети наклонных скважин малого диаметра с последующим нагнетанием через них пропитывающих растворов: кремнийорганических, гидрофобизирующих жидкостей или мономеров со
специальными добавками, которые, полимеризуясь в порах материала, повышают водонепроницаемость и несущую способность конструкции.
Пропиточную гидроизоляцию эффективно выполнять с использованием такого материала проникающего действия, как «Кольматрон», разработанного в России. С его помощью
конструкция не только приобретает гидроизоляционные свойства, но и восстанавливает свою
прочность и морозостойкость до марки F150.
Для бетонных пористых поверхностей эффективно также использовать композиции,
включающие легкопроникающие химические вещества, которые взаимодействуют с гидроксидом кальция цементного камня, образуя соединения, кольматирующие поры и повышающие
плотность поверхностного слоя.
12.4. КРОВЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Кровельные материалы предназначаются для устройства кровель зданий. В зависимости
от вида исходного сырья кровельные материалы могут быть металлическими, керамическими,
цементосодержащими, полимерными, битумно-полимерными и битумными. При выборе кровельных материалов используют критерии, основанные на соответствии материала следующим
характеристикам кровли: конфигурации, планируемой долговечности с учетом эстетического
восприятия и экономических возможностей застройщика.
Кровельное покрытие в течение всего срока эксплуатации подвергается воздействию
многочисленных неблагоприятных факторов внешней среды: влажностным и температурным
изменениям, действию ультрафиолетовых лучей. Под влиянием нагрузки, температуры деформируется как сам кровельный материал, так и жесткое основание крыши. Качество кровельных
материалов проверяют по основным общим показателям (водостойкости, водонепроницаемости, морозостойкости, устойчивости к действию ультрафиолетовых лучей) и свойствам, зависящим от состава материала (горючести, токсичности и т.д.).
К силикатным кровельным материалам относятся: асбестоцементные кровельные материалы, глиняная, цементно-песчаная и стеклянная черепица (имеющая пока ограниченное применение), природный шифер
К битумным относятся: рубероид, пергамин, битумные мастики, гидроизол; к дегтевым
- толь кровельный, толь беспокровый, толь с крупной минеральной посыпкои и дегтевые мастики
К материалам на основе пластмасс относятся плоские и волнистые плиты из стеклопластиков, бризол - рулонный материал, вырабатываемый из дробленых отходов резины, битума,
асбеста и пластификаторов, и органическое стекло (плексиглас) толщиной от 0,5 мм до 24 мм.
К металлическим кровельным материалам относится кровельная сталь (оцинкованная и
неоцинкованная). Металлочерепица, алюминиевая или из оцинкованной стали, представляет
собой штампованный гофрированный лист в виде участка черепичной кровли. Повышение долговечности (до 50 лет), а также имитация керамического материала достигается за счет защиты
поверхности прозрачным акриловым составом с цветным минеральным наполнителем. Для выполнения крыши используют также плоские листы из алюминия и оцинкованной стали с цветными полимерными покрытиями.
К кровельным листовым материалам относится и наиболее популярный в индивидуальном строительстве шифер, представляющий собой профилированные асбестоцементные листы.
Для повышения долговечности (до 50 лет) и придания декоративности их защищают окрасочными составами, снижающими водопоглощение и увеличивающими морозостойкость. По сравнению с металлическими этот «дышащий» материал обладает пониженной теплопроводностью
и звукоизолирующей способностью.
К новым материалам, завоевывающим свой рынок, относится «ондулит» - гибкие волнистые листы, отформованные из целлюлозных волокон, пропитанных битумом. С лицевой стороны листы покрыты защитно-декоративным красочным слоем на основе термореактивного
(винил-акрилового) полимера и светостойких пигментов.
Цементно-песчаную черепицу (ЦПЧ), которая может быть пазогребневой и коньковой,
получают из жестких цементно-песчаных смесей с пигментами методом штамповки под высоким давлением с целью придания заданных гидрофизических свойств.
Керамическая рядовая и коньковая черепица может быть глазурованной и неглазурованной.