Lektsia 4


Лекция 4
Тема: Стекло и изделия из него. Неорганические вяжущие вещества.
4.1. Стекло, ситаллы и каменное литье
Стеклами называют переохлажденные жидкости, не успевшие при остывании перейти в кристаллическое состояние. Иными словами стекла — это жидкости, имеющие бесконечно большую вязкость. Последнее и придает им многие свойства твердого тела. В отличие от истинно твердых тел стекла при нагревании не плавятся, а размягчаются, постепенно переходя в пластичное, а затем и в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратной последовательности. Еще одна отличительная черта стекол — изотропность — одинаковость свойств во всех направлениях.
Способность к образованию стекол характерна для многих минеральных и органических веществ. Наиболее ярко эта способность выражена у диоксида кремния (SiO2) и соединений на его основе — силикатов, к которым относится большинство природных минералов. В стеклообразном состоянии могут находиться и многие другие материалы, например, полимеры (всем известен термин «плексиглас» — органическое стекло). В последние годы даже металлы удалось получить в стеклообразном состоянии.
Стекла по сравнению с кристаллическими веществами обладают повышенной внутренней энергией (скрытой энергией кристаллизации), поэтому вещество в стеклообразном состоянии метастабилъно (термодинамически не устойчиво). Из-за этого обычное стекло при некоторых условиях, а иногда и самопроизвольно начинает кристаллизоваться (этот процесс в стеклоделии называют «зарухание» или расстекловывание). Расстекловывание является браком стеклоизделий.
Этот же процесс, но проводимый направленно с целью частичной или полной кристаллизации расплава, используется для получения стеклокристаллических материалов — ситаллов и каменного литья.
В строительстве, за малым исключением, применяют силикатное стекло, получаемое в промышленных масштабах из простейшего минерального сырья: кварцевого песка, мела, соды и других компонентов (далее вместо термина «силикатное стекло» будет использоваться термин «стекло»).
Прозрачность и возможность окраски стекла в любые цвета, высокая химическая стойкость, достаточно высокая прочность и твердость, электроизоляционные и многие другие ценные свойства делают стекло незаменимым строительным материалом. Его используют не только для сооружения светопрозрачных конструкций (окон, витражей, фонарей), но и как конструкционный и отделочный материал. В современном строительстве высотные здания часто имеют фасады, полностью выполненные из стекла с улучшенными декоративными, светоотражающими и теплозащитными свойствами. Кроме того, из стекла получают различные стехлоизделия (блоки, трубы, стеклопрофилит), эффективные теплоизоляционные материалы (пеностекло и стеклянную вату), а также стекловолокно и стеклоткани.
Стекла встречаются в природе в виде бесформенных непрозрачных кусков — например, вулканическое стекло обсидиан. Первые сведения о получении стекла человеком относятся к третьему-четвертому тысячелетию до н. э. Те стекла были непрозрачными (глухими) наподобие керамической глазури. Они варились в небольших тиглях и использовались как украшения.
Коренное изменение в производстве стекла произошло на рубеже нашей эры, когда были решены две важнейшие проблемы стеклоделия — варка прозрачного бесцветного стекла и формование изделий с помощью стеклодувной трубки. Первые листовые стекла получали, разрезая и распрямляя стеклянные цилиндры, формуемые выдуванием (их называли «халявы»). В XVII в. началось производство листового зеркального стекла отливкой на медные плиты. Массовое производство листового стекла большого размера стало возможным в конце XIX — начале XX в., когда появились большие ванные печи и новые методы выработки стекла.
Необходимо отметить, что на процесс стекловарения расходуется очень много энергии, и при этом в атмосферу поступает много вредных выбросов. Поэтому и экологически, и экономически целесообразно вырабатывать стеклоизделия из вторичного сырья (стеклобоя, стеклянной посуды и т. п.). Это оценили в большинстве стран Западной Европы, где до 80 % стекла получают именно таким образом.
4.1.1 Получение стекла
Современное стекольное производство включает в себя три этапа: подготовка сырья, стекловарение и формование стеклоизделий.
Подготовка сырья. Химический состав обыкновенного оконного стекла по основным оксидам следующий:
- SiO2 —71...72 %;
- Na2O — 15...16%; СаО - 5...7%;
- MgO - 3...4%;
- A12O3 - 2...3 %;
- содержание Fe2O3 не более 0,1 %, так как оксиды железа придают стеклу зеленовато-коричневый («бутылочный») цвет и снижают светопропускание.
Основные оксиды вводятся в сырьевую шихту в виде следующих веществ.
Кремнезем (SiO2) вводят в виде кварцевого песка, молотых кварцитов или песчаников. Основное требование к кремнеземистому сырью — минимальное количество примесей, особенно оксидов железа. Это основной стеклообразующий оксид, повышающий тугоплавкость и химическую стойкость стекла.
Глинозем (А12О3) поступает в сырьевую шихту в виде полевых шпатов и каолина. Его влияние на свойства стекла аналогично действию SiO2.
Оксид натрия (Na2O) вводят в стекло в виде соды и сульфата натрия. Na2O понижает температуру плавления стекла, повышает коэффициент термического расширения и уменьшает химическую стойкость.
Оксиды кальция (СаО) и магния (MgO) вводят в стекольную шихту в виде мела, мрамора, известняка, доломита и магнезита. Эти оксиды повышают химическую стойкость стекла.
В специальные стекла вводят оксиды бора, свинца, бария и др.
Вспомогательные сырьевые материалы делят по своему назначении: на следующие группы: осветлители — вещества, способствующие удалению из стекломассы газовых пузырей; обесцвечиватели — вещества, обецвечивающие стекольную массу; глушители — вещества, делающие стекло непрозрачным.Красители для стекла могут быть молекулярными, полностью растворяющимися в стекломассе, и коллоидными, равномерно распределяющимися в стекломассе в виде мельчайших (коллоидных) частиц. К первым относятся соединения кобальта (синий цвет), хрома (зеленый), марганца (фиолетовый), железа (коричневый и сине-зеленые тона), а ко вторым — металлическое золото (рубиновый), серебро (желтый), селен (розовый).Перед варкой стекла сырьевые материалы измельчают, тщательно смешивают в требуемых соотношениях, брикетируют и подают в стекловаренную печь.
Обычное стекло получают в непрерывно действующих ванных печах с полезным объемом до 600 м3 и суточной производительностью более 300т. Для варки специальных (оптических, цветных и др.) стекол применяют периодически действующие ванные, а также горшковые печи.
Стекловарение — главнейшая операция стекольного производства. На первой стадии этого процесса — силикатообразовании — щелочные компоненты образуют с частью кремнезема силикаты, плавящиеся уже при 1000... 1200° С. В этом расплаве при дальнейшем нагревании растворяются наиболее тугоплавкие компоненты SiO2 и А12О3. Образующаяся при этом масса неоднородная по составу и насыщена газовыми пузырьками.
Удаление пузырьков и полная гомогенизация расплава осуществляется на второй наиболее длительной стадии стекловарения — стеклообразовании — при температуре 1400... 1600°С. Третья заключительная стадия — студка — охлаждение стекломассы до температуры, при которой она приобретает оптимальную для данного метода формования стеклоизделий вязкость.
Метод выработки (формования) зависит от вида изделия. Для получения строительного стекла используют вытяжку, прокат, прессование.
При охлаждении стекла вследствие низкой его теплопроводности в нем возникают большие градиенты температур, вызывающие внутренние напряжения. Наиболее опасным моментом с этой точки зрения является переход стекла от вязкопластического состояния к хрупкому, поэтому для снятия внутренних напряжений после формования производят отжиг — охлаждение по специальному режиму: быстрое до начала затвердевания стекломассы, очень медленное в опасном интервале температур (600..300° С) и вновь быстрое до нормальной температуры.
Основной вид строительного стекла — листовое. С начала XX в. большая часть листового стекла стала производиться (а в России производится и до сих пор) методом вертикального вытягивания на машинах ВВС. Так получают стекла толщиной до 6 мм.
В 1959 г. появился новый способ получения высококачественного стекла — флоат-метод (от англ. float — плавать), при котором горячая стекломасса выливается на поверхность расплавленного металла (обычно олова) и формуется на нем. Производительность таких установок до 3...4 тыс. м2/ч. Размер листов: ширина до 3 м; толщина от 2 до 25 мм. Преимущества флоат-метода — стабильная толщина листа и высокое качество поверхности, не требующее дальнейшей полировки. В Европе большая часть стекла вырабатывается именно этим методом.
4.1.2 Свойства стекла
Силикатные стекла отличаются необычным сочетанием свойств, высокой прочностью и ярко выраженной хрупкостью, свето- к радио прозрачностью, абсолютной водонепроницаемостью и универсальной химической стойкостью. Все это объясняется спецификой состава и строения стекла.
Плотность стекла зависит от химического состава и для обычных строительных стекол составляет 2400...2600 кг/м3. Плотность оконного стекла — 2550 кг/м'. Высокой плотностью отличаются стекла, содержащие оксид свинца («богемский хрусталь») — более 3000 кг/м3. Пористость и водопоглощение стекла практически равны 0 %.
Механические свойства. Стекло в строительных конструкциях чаще подвергается изгибу, растяжению и удару и реже сжатию, поэтому главными показателями, определяющими его механические свойства, следует считать прочность при растяжении и хрупкость.
Теоретическая прочность стекла при растяжении — (10...12)•103 МПа. Практически же эта величина ниже в 200...300 раз и составляет от 30 до 60 МПа. Это объясняется тем, что в стекле имеются ослабленные участки (микронеоднородности, дефекты поверхности, внутренние напряжения). Чем больше размер стеклоизделий, тем вероятнее наличие таких участков. Примером зависимости прочности стекла от размера испытуемого изделия служит стеклянное волокно. У стекловолокна диаметром 1...10 мкм прочность при растяжении 300...500 МПа, т. е. почти в 10 раз выше, чем у листового стекла. Сильно снижают прочность стекла на растяжение царапины; на этом основана резка стекла алмазом.
Прочность стекла при сжатии высока — 900... 1000 МПа, т. е. почти как у стали и чугуна. В диапазоне температур от — 50 до + 70° С прочность стекла практически не изменяется.
Стекло при нормальных температурах отличается тем, что у него отсутствуют пластические деформации. При нагружении оно подчиняется закону Гука вплоть до хрупкого разрушения. Модуль упругости стекла Е= (7...7,5) • 104 МПа.
Хрупкость — главный недостаток стекла. Основной показатель хрупкости — отношение модуля упругости к прочности при растяжении E/Rp. У стекла оно составляет 1300...1500 (у стали 400...460, каучука 0,4...0,6). Кроме того, однородность строения (гомогенность) стекла способствует беспрепятственному развитию трещин, что является необходимым условием для проявления хрупкости.
Твердость стекла, представляющего собой по химическому составу вещество, близкое к полевым шпатам, такая же, как у этих минералов, и в зависимости от химического состава находится в пределах 5...7 по шкале Мооса.
Оптические свойства стекла характеризуются светопропусканием прозрачностью), светопреломлением, отражением, рассеиванием и др. Обычные силикатные стекла, кроме специальных (см. ниже), пропускают всю видимую часть спектра (до 88...92 %) и практически не пропускает ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Показатель преломления строительного стекла (п = 1,50...1,52) определяет силу отраженного света и светопропускание стекла при разных углах падения света. При изменении угла падения света с 0 до 75° светопропускание стекла уменьшается с 90 до 50 %.
Теплопроводность различных видов стекла мало зависит от их состава и составляет 0,6...0,8 Вт/(м•К), что почти в 10 раз ниже, чем у аналогичных кристаллических минералов. Например, теплопроводность кристалла кварца — 7,2 Вт/(м•К).
Коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР) стекла относительно невелик (для обычного стекла 9•10-6 К-1). Но из-за низкой теплопроводности и высокого модуля упругости напряжения, развивающиеся в стекле при резком одностороннем нагреве (или охлаждении), могут достигать значений, приводящих к разрушению стекла. Это объясняет относительно малую термостойкость (способность выдерживать резкие перепады температур) обычного стекла. Она составляет 70...90° С.
Звукоизолирующая способность стекла довольно высока. Стекло толщиной 1 см по звукоизоляции приблизительно соответствует кирпичной стене в полкирпича — 12 см.
Химическая стойкость силикатного стекла — одно из самых уникальных его свойств. Стекло хорошо противостоит действию воды, щелочей и кислот (за исключением плавиковой и фосфорной). Объясняется это тем, что при действии воды и водных растворов из наружного слоя стекла вымываются ионы Na+ и Са++ и образуется химически стойкая пленка, обогащенная SiO2. Эта пленка защищает стекло от дальнейшего разрушения.
Основной вид стекла, применяемый в строительстве, — листовое стекло, используемое для остекления оконных и дверных проемов, витрин и т. п. Наряду с этим все шире развивается выпуск листового стекла со специальными свойствами, например, теплопоглощающего, светоотражающего, увиолевого, защитного, декоративного и др.
Листовое оконное стекло вырабатывается шести марок толщиной 2,5; 3; 4; 5 и 6 мм. Ширина листов — 250... 1600 мм, длина — до 2200 мм. Масса 1 м2 — 2...5 кг. Светопропускание — не менее 87%. К дефектам оконного стекла относятся газовые включения (пузырьки), свиль и «полосность» (неровность поверхности).
Витринное стекло — листовое стекло толщиной 6... 10 мм и размером до 3500 х 6000 мм. Витринное стекло, как правило, делают полированным.
Светорассеивающее стекло пропускает свет, но не дает сквозной видимости. Оно может быть матовое или узорчатое. Матовое получают пескоструйной обработкой или обработкой в парах плавиковой кислоты (HF). Узорчатое получают методом горизонтального проката на фигурных вальцах. Оригинальный метод используется для получения стекла под названием «мороз»: узор получается при помощи столярного клея, наносимого на поверхность стекла.
Специальное листовое стекло или функциональное стекло не только пропускает свет, но и выполняет другие важные функции:
• теплоизоляция зимой и теплозащита летом;
• звукоизоляция и защита от утечки информации;
• защита от механического разрушения;
• создание декоративного эффекта.
Теплоизоляционные стекла отличаются от обычных тем, что благодаря специальному тонкому покрытию на внутренней стороне стекла они снижают долю теряемого через стекло тепла путем отражения инфракрасной части спектра («тепловых лучей») обратно вовнутрь помещения. Светопропускание таких стекол немного ниже, чем у обычных,— 72...79 %.
Теплозащитные (солнцезащитные) стекла выполняют обратную функцию: они отражают часть, падающей на них лучистой энергии, не пропуская ее в помещение. Это достигается двумя методами:
• на поверхность стекла наносится тончайший металлический слой, работающий, как зеркало;
• на поверхности стекла создается слой из оксидов металла, задерживающий часть солнечных лучей и придающий стеклу серый, зеленоватый или бронзовый оттенок.
Защитные стекла — стекла с повышенными прочностными свойствами, не раскалывающиеся на опасные остроугольные осколки. Для получения стекол, более прочных и безопасных по сравнению с обычным листовым стеклом, существует несколько способов.
Закаленное стекло получают специальной термической обработкой стекла. При этом в нем создаются сжимающие напряжения, за счет чего повышается прочность на изгиб в 5...8 раз и прочность на удар в 4...6 раз. При разрушении такое стекло распадается на мелкие (5... 10 мм) кусочки кубической формы, безопасные для человека. В строительстве такие стекла применяют для устройства прозрачных дверей, перегородок и т. п.
Армированное стекло получают путем запрессовки в расплавленную стекломассу во время ее проката чистой сетки из хромированной стальной проволоки. Эта сетка удерживает осколки стекла при его повреждении.
Ламинированное стекло (от лат. lamina — слой) реализует парадоксальную идею упрочнения стекла с помощью эластичной полимерной пленки, запрессованной между слоями стекла. При ударе по стеклу в нем возникает трещина, идущая в глубь стекла. Когда трещина встречает на своем пути полимерную пленку, последняя, деформируясь, поглощает энергию развития трещины и останавливает ее. При этом внутренняя часть стекла остается целой. Такие стекла получили название «триплекс».
Подобный композиционный листовой материал из трех слоев стекла и двух слоев полимерной пленки делает стекло пуленепробиваемым.
Самые современные варианты специальных стекол изготовляют таким образом, что функциональные слои (светоотражающие, теплозащитные и т. п.) наносятся на полимерную пленку, и они оказываются внутри слоистой конструкции, защищающей их от повреждения. Такой метод и более технологичен, так как напыление слоев металла или оксидов проще производить на полимерную пленку, чем на лист стекла.
Стекло обладает исключительно высокой стойкостью к действию химически агрессивных сред, высокой твердостью, нулевым водопоглощением (т. е. абсолютной морозостойкостью) и при этом способно окрашиваться в различные цвета красками, не теряющими яркости от атмосферных воздействий. Благодаря гладкости поверхности загрязнения практически не задерживаются на стекле и легко смываются водой. Такая совокупность свойств позволяет получать из стекла высококачественные отделочные материалы.
Листовое декоративное стекло в последние годы широко применяйся при возведении общественных зданий. Особенной популярностью пользуются металлизированные зеркальные стекла различных оттенков (золотистые, голубые, серые и т. п.). Они позволяют решить одновременно и архитектурно-декоративную задачу и обеспечить освещение помещений здания (светопропускание таких стекол 0,15...0,2). Здания, облицованные такими стеклами, благодаря их высокой отражающей способности, зрительно становятся «легче»; при этом пространство как бы расширяется. Этот прием многократно использован при постройке небоскребов в США, Канаде и других странах. В Москве комплекс подобных зданий построен у станции метро «Юго-Западная».

4.1.3 Изделия из стекла
Из стекла изготовляют широкую номенклатуру изделий: стеклопакеты, стеклоблоки, стеклопрофилит, кровельные волнистые листы, дверные полотна и др.
Стеклопакеты — наиболее распространенный вид изделий из стекла. Получают стеклопакеты из двух (одинарный стеклопакет) или трех (двойной стеклопакет) листов стекла, герметично соединенных между собой по контуру. Между листами стекла находится прослойка из сухого воздуха или инертного газа. Соединение листов в стеклопакет может осуществляться склейкой, пайкой или сваркой.
Стеклопакеты применяют для остекления окон и других световых проемов. Использование стеклопакетов имеет существенные преимущества перед обычным остеклением листовым стеклом, так как они не запотевают, не замерзают и не нуждаются в протирке внутренних поверхностей. Стеклопакеты имеют низкую теплопроводность, а звукопроницаемость окон со стекопакетом в 2...3 раза ниже обычных.
Стеклянные блоки целесообразно использовать в тех случаях, когда необходимо получить светопрозрачную ограждающую конструкцию с хорошими тепло- и звукоизоляционными харакгеристиками.
Стеклоблоки вырабатываются из горячей стекломассы на пресс-автоматах, формующих половинки блоков, а затем сваривающие их. При остывании в блоках образуется разряжение, обеспечивающее хорошие изоляционные свойства. Внутренняя поверхность блоков имеет рифление, сообщающее блоку светорассеивающие свойства.
Размеры стеклоблоков от 200 х 200 до 400 х 400 мм при толщине до 100 мм. Блоки могут быть бесцветными и цветными. Светопропускание блоков -- 50...60 %. Коэффициент теплопроводности — 0,4...0,45 Вт/(м • К), т.е. почти в 2 раза ниже, чем у кирпича. Кроме обычных блоков изготовляют двухкамерные (с перегородкой, уменьшающей теплопроводность блока почти в 1,5 раза) и светонаправленные (со специальным рифлением, дающим направленный поток света).
Стеклопрофилит — длинноразмерные (до 5 м) профилированные элементы из стекла, изготовляемые методом горизонтального проката. Стеклопрофилит может быть коробчатого и таврового (П-образного) профиля. Его применяют так же, как и стеклянные блоки для устройства светопрозрачных ограждений (наружных стен и перегородок) в промышленных зданиях, выставочных и спортивных залах и т. п. Устанавливают стеклопрофилит в металлических обоймах с пластиковыми или резиновыми уплотнителями.
Стеклянные трубы благодаря высокой химической стойкости, гладкости поверхности и прозрачности с успехом соперничают с металлическими. В ряде областей (например, химическая и пищевая промышленность) их применение предпочтительнее. Пропускная способность стеклянных труб на 5... 10 % выше, чем стальных при одинаковом диаметре. Основной недостаток стеклянных труб — хрупкость и низкая термостойкость (допустимый перепад температур 50° С). Стеклянные трубы используют как в вакуумных, так и в напорных (до 0,7 МПа) сетях.
Стекловолокно получают путем продавливания стекольного расплава через тончайшие фильеры (отверстия в твердых материалах) с последующей вытяжкой и намоткой на бобины. Диаметр волокна — 3...100 мкм, длина — до 20 км (для непрерывного волокна). Более короткие (1...50 см) штапельные волокна получают раздувом расплава паром. Из стекловолокна получают стеклянные ткани и стекловойлок, которые используют как армирующий компонент при производстве стеклопластиков или в качестве основы в рулонных кровельных и гидроизоляционных материалах (например, стеклоизол, стеклорубероид).
Пеностекло — блоки из вспученного в момент нахождения в расплавленном состоянии стекла. По структуре и свойствам пеностекло напоминает вулканическую пемзу и используется как теплоизоляционный материал.
4.1.4 Ситаллы и шлакоситаллыСиталлы — стеклокристаллические материалы, получаемые путем направленной частичной кристаллизации стекол. Структура ситаллов напоминает микробетон, где наполнителем являются кристаллы, а вяжущим — прослойки стекла. Доля стеклофазы в ситаллах обычно 20...40 %. Кристаллическая фаза состоит из микрокристаллов размером около 1 мкм. Благодаря такому строению ситаллы сохраняют в себе многие положительные свойства стекла, в том числе и его технологичность, но лишены его недостатков: хрупкости, низкой термостойкости. Сырье для производства ситаллов такое же, как и для стекла, но в расплав вводятся вещества-модификаторы, обеспечивающие направленную кристаллизацию.
Для строительных целей весьма перспективны шлакоситалаы, получаемые на основе металлургических шлаков и модификаторов — CaF2, TiO2 и др. У шлакоситаллов очень высокая прочность (Rсж = 300...600 МПа; Rиж = 90...120 МПа), износостойкость и химическая стойкость. По долговечности шлакоситалл может конкурировать с природными каменными материалами (гранит, габбро и т. п.).
Применение шлакоситаллов перспективно для химической промышленно-сти (трубы, плитки, детали насосов), в гидротехнике (для облицовки турбинных камер, водосливов), в дорожном строительстве и т. п.
4.2 Неорганические вяжущие вещества
Вяжущими веществами называют материалы, способные в определенных условиях (при смешивании с водой, нагревании и др.) образовывать пластично-вязкое тесто, которое самопроизвольно или под действием определенных факторов со временем затвердевает.
Переходя из пластично-вязкого состояния в камневидное, вяжущие вещества могут скреплять между собой камни (например, кирпич) или зерна песка, гравия и щебня. Это свойство вяжущих используется для получения бетонов, строительных растворов различного назначения, силикатного кирпича, асбестоцемента и других безобжиговых искусственных каменных материалов.
Начало использования человеком вяжущих открыло новую эпоху в строительстве: вместо обтесывания камней строители с помощью вяжущих и камней произвольной формы могли делать любые конструкции, не беспокоясь о плотном прилегании одного камня к другому.
Современные вяжущие вещества в зависимости от состава делят на:
• неорганические (известь, цемент, гипсовые вяжущие и др.), которые для перевода в рабочее состояние затворяют водой (реже водными растворами солей);
• органические (битумы, дегти, синтетические полимеры и олигомеры), которые переводят в рабочее состояние нагревом либо с помощью органических растворителей, либо сами они представляют собой вязкопластичные жидкости.
В строительстве в основном используют неорганические (минеральные) вяжущие вещества.
Далее для краткости неорганические вяжущие вещества будут называться просто вяжущим.
Подавляющее число неорганических вяжущих способно твердеть самопроизвольно, без создания каких-либо условий. Однако находят применение и вяжущие, которые твердеют при определенных условия и при введении специальных добавок, например вяжущие автоклавного твердения, способные твердеть только в среде насыщенного водяного пара при температуре 150...200°С и при повышенном давлении (в автоклаве). К последним относятся известково-кремнеземистые, известково-зольные, известково-шлаковые и другие вяжущие.
Главным качественным показателем вяжущих является отношение к воздействию воды. По этому признаку их делят на воздушные и гидравлические.
Воздушные вяжущие способны затвердевать и длительно сохранять прочность только на воздухе. По химическому составу можно выделить четыре группы воздушных вяжущих:
1 — известковые, состоящие, в основном, из гидрооксида кальция Са(ОН)2;
2 — гипсовые, состоящие из сульфата кальция (CaSO4 • 0,5Н2О или CaSO4);
3 — магнезиальные, главным компонентом которых служит MgO;
4 — жидкое стекло — раствор силиката натрия или калия. Последнее из-за способности сохранять прочность в кислых средах называют кислотоупорным вяжущим.
Гидравлические вяжущие способны твердеть и длительное время сохранять прочность не только на воздухе, но и в воде. Причем, находясь в воде, они могут повышать свою прочность. По химическому составу гидравлические вяжущие представляют собой сложные системы, состоящие в основном из соединений четырех оксидов: СаО - SiO2 - А12О3 - Fe2O3. Эти соединения образуют основные типы гидравлических вяжущих (приводятся в исторической последовательности):
1) гидравлическая известь и романцемент;
2) силикатные цементы, состоящие преимущественно из силикатов кальция (портландцемент и его разновидности);
3) алюминатные цементы, состоящие в основном из алюминатов кальция (глиноземистый цемент и его разновидности);
4) вяжущие эттрингитового типа, основными компонентами которых являются алюминаты кальция и сульфат кальция (расширяющиеся и безусадочные цементы).
Главнейшие показатели качества вяжущих как воздушных, так и гидравлических,— прочность и скорость твердения.
Прочность вяжущих изменяется во времени, поэтому ее оценивают по прочности (обычно на сжатие и изгиб) стандартных образцов, твердевших определенное время в условиях, установленных стандартом. По этим показателям устанавливают марку вяжущего. Например, марка гипсовых вяжущих определяется по прочности образцов из гипсового теста спустя 2 ч после их изготовления, а портландцемента - по прочности образцов из цементно-песчаного раствора — через 28 суток твердения во влажных условиях при температуре (20 ± 2)° С.
Скорость твердения — другая не менее важная характеристика вяжущих. Очень высокой скоростью твердения обладают гипсовые вяжущие: они полностью затвердевают за несколько часов; очень медленно твердеет воздушная известь: процесс ее твердения длится сотни лет.
В процессе твердения строители различают две стадии: схватывание и набор прочности (собственно твердение). Такое членение процесса имеет весьма условный характер, но оно удобно для практических целей.
Схватывание — потеря тестом вяжущего пластично-вязких свойств и формирование структуры с молекулярными, ван-дер-ваальсовыми связями. Момент, когда появляются признаки загустевания теста, т. е. оно начинает терять пластичность, говорит о начале схватывания. Момент, когда тесто превращается в твердое тело, окончательно теряя пластичность, но не приобретая еще практически значимой прочности, называют концом схватывания. Сроки схватывания гипса 4...30 мин, портландцемента — несколько часов. Схватывание — явление, характерное для вяжущих, твердеющих по физико-химическому механизму (гипс, цементы). У простейших вяжущих (глина, известь), твердеющих в результате испарения воды, этап схватывания растягивается на очень длительный период времени, поэтому принято считать, что он просто отсутствует.
Сроки схватывания необходимо знать, так как все работы со смесями на основе вяжущих должны заканчиваться до начала их схватывания, пока они не потеряли пластичности. Повторное перемешивание после схватывания, особенно с добавлением воды, может привести к существенному снижению прочности материала на этом вяжущем.
4.2.1 Глина
Глина — осадочная горная порода, основные свойства которой определяются свойствами мельчайших частиц размером менее 5 мкм, которые принято называть глинами. В минералогической энциклопедии глинами называют частицы размером менее 2мкм. Глинистые частицы обычно имеют пластинчатое строение и хорошо смачиваются водой (гидрофильны). Благодаря большой общей поверхности частиц глина способна поглощать и удерживать большое количество воды (до 20...30 % по массе). При этом она разбухает и переходит в вязкопластичное состояние.
При высыхании глиняное тесто уменьшается в объеме (10...20 %): частицы глины, сближаясь, начинают прочно удерживаться друг около друга силами поверхностного натяжения тончайших пленок воды, остающейся между ними. Происходит затвердевание глины. Прочность высохшей глины достаточно велика (до 10 МПа).
Глиняное тесто при высыхании из-за сближения частиц дает значительную усадку. Чтобы уменьшить усадку и предотвратить растрескивание, в глиняное тесто добавляют более крупнозернистые материалы (песок, опилки).
При повторном увлажнении глина вновь размягчается, поэтому затвердевший глиняный материал необходимо предохранять от воздействия воды.
Глину в качестве вяжущего применяют как местный материал в сельском строительстве для штукатурных и кладочных растворов. Особенно широко применяют глины для кладки печей. Из глины с добавлением соломы получают также материал для кладки стен — саман.
Благодаря высокой пластичности и способности удерживать воду на поверхности своих тонкодисперсных частиц глину используют в качестве пластифицирующей добавки к цементу в строительных растворах.
4.2.2 Гипсовые вяжущие вещества
Гипсовые вяжущие — группа воздушных вяжущих веществ, в затвердевшем состоянии состоящих из двуводного сульфата кальция (CaSO4 • 2Н2О), включает в себя собственно гипсовые вяжущие (далее для краткости — гипс) и ангидритовые вяжущие (ангидритовый цемент и эстрихгипс).Гипс (в строительной практике иногда используют устаревший термин алебастр от гр. alebastros — белый) — быстротвердеющее воздушное вяжущее, состоящее из полуводного сульфата кальция CaSO4 • 0,5Н2О, получаемого низкотемпературной (< 200° С) обработкой гипсового сырья.
Сырьем для гипса служит в основном природный гипсовый камень, состоящий из двуводного сульфата кальция (CaSO4•2Н2О) и различных механических примесей (глины и др.). В качестве сырья могут использоваться также гипсосодержащие промышленные отходы, например, фосфогипс, а также сульфат кальция, образующийся при химической очистке дымовых газов от оксидов серы с помощью известняка. Все это указывает на то, что проблем с сырьем для гипсовых вяжущих нет.
Получение гипса включает две операции:
- термообработку гипсового камня на воздухе при 150... 160°С; при этом он теряет часть химически связанной воды, превращаясь в полуводный сульфат кальция:
CaSO4 • 2Н2О ↔ CaSO4 • 0,5Н2О + 1,5Н2О;
- тонкий размол продукта, который можно производить как до, так и после термообработки; гипс - мягкий минерал (твердость по шкале Мооса - 2), поэтому размалывается он очень легко.
Таким способом производится основное количество гипса; обычно для этого используют гипсоварочные котлы.
Доступность сырья, простота технологии и низкая энергоемкость производства (в 4...5 раз меньше, чем для получения портландцемента) делают гипс дешевым и привлекательным вяжущим.
Химизм твердения гипса заключается в переходе полуводного сульфата кальция при затворении его водой в двуводный:
CaSO4 • 0,5Н2О + l,5H2O ↔ CaSO4 • 2Н2О
Внешне это выражается в превращении пластичного теста в твердую камнеподобную массу.
Причина такого поведения гипса заключается в том, что полуводный гипс растворяется в воде почти в 4 раза лучше, чем двуводный (растворимость соответственно 8 и 2 г/л в пересчете на CaSO4). При смешивании с водой полуводный гипс растворяется до образования насыщенного раствора и тут же гидратируется, образуя двугидрат, по отношению к которому раствор оказывается пересыщенным. Кристаллы двуводного гипса выпадают в осадок, а полуводный вновь начинает растворяться и т. д. В дальнейшем процесс может идти по пути непосредственной гидратации гипса в твердой фазе.
Конечной стадией твердения, заканчивающегося через 1...2 ч, является образование кристаллического сростка из достаточно крупных кристаллов двуводного гипса. Часть объема этого сростка занимает вода (точнее, насыщенный раствор CaSO4 • 2Н2О в воде), не вступившая во взаимодействие с гипсом. Если высушить затвердевший гипс, то прочность его заметно (в 1,5...2 раза) повысится за счет дополнительной кристаллизации гипса из указанного выше раствора по местам контактов уже сформированных кристаллов. При повторном увлажнении процесс протекает в обратном порядке, и гипс теряет часть прочности.
Причина наличия свободной воды в затвердевшем гипсе объясняется тем, что для гидратации гипса нужно около 20% воды от его массы, а для образования пластичного гипсового теста — 50...60% воды. После затвердевания такого теста в нем останется 30...40 % свободной воды, что составляет около половины объема материала. Этот объем воды образует поры, временно занятые водой, а пористость материала, как известно, определяет многие его свойства (плотность, прочность, теплопроводность и др.).
Разница между количеством воды, необходимым для твердения вяжущего и для получения из него удобоформуемого теста,— основная проблема технологии материалов на основе минеральных вяжущих.
Для гипса проблема снижения водопотребности и, соответственно, снижения пористости и повышения прочности была решена путем получения гипса термообработкой не на воздухе, а в среде насыщенного пара (в автоклаве при давлении 0,3...0,4 МПа) или в растворах солей (СаС12 • MgCl2 и др.). В этих условиях образуется другая кристаллическая модификация полуводного гипса, имеющая водопотребность 35...40 %.
Технические свойства гипса. Истинная плотность полуводного гипса — 2,65...2,75 г/см3 (двуводного — 2,32 г/см5); насыпная плотность полуводного гипса — 800... 1100 кг/м3.
По срокам схватывания, определяемым на приборе Вика гипс делят на три группы (А, Б, В):
Вид гипса Начало схватывания Конец схватывания Быстротвердеющий (А) Не ранее 2 мин Не позднее 15 мин Нормальнотвердеющий (Б) Не ранее 6 мин Не позднее 30 мин Медленнотвердеющий (В) Не ранее 20 мин Не нормируется
Замедляют схватывание гипса добавкой столярного клея, сульфит-носпиртовой барды (ССБ), технических лигносульфонатов (ЛСТ), кератинового замедлителя, а также борной кислоты, буры и полимерных дисперсий (например, ПВА).
Марку гипса определяют испытанием на сжатие и изгиб стандартных образцов-балочек 4 х 4 х 16 см спустя 2 ч после их формования. За это время гидратация и кристаллизация гипса заканчивается.
Установлено 12 марок гипса по прочности от Г-2 до Г-25 (цифра показывает нижний предел прочности при сжатии данной марки гипса в МПа):
В строительстве используется в основном гипс марок от Г-4 до Г-7.
По тонкости помола, определяемой максимальным остатком пробы гипса при просеивании на сите с отверстиями 0,2 мм, гипсовые вяжущие делят на три группы: грубый, средний, тонкий.
Плотность затвердевшего гипсового камня низкая (1200... 1500 кг/м3) из-за значительной пористости (60...30 % соответственно).
Гипсовое вяжущее — одно из немногих вяжущих, расширяющихся при твердении: увеличение в объеме достигает 0,2 %. Эта особенность гипсовых вяжущих позволяет применять их без заполнителей, не боясь растрескивания от усадки.
При увлажнении затвердевший гипс не только существенно (в 2...3 раза) снижает прочность, но и проявляет нежелательное свойство — ползучесть — медленное необратимое изменение размеров и формы под нагрузкой. Увлажнению гипса способствует его гигроскопичность — способность поглощать влагу из воздуха.
Гипс хорошо сцепляется с древесиной и поэтому его целесообразно армировать деревянными рейками, картоном или целлюлозными волокнами и наполнять древесными стружками и опилками.
Гипсовые материалы не только являются негорючими материалами, но в силу своей пористости замедляют передачу теплоты, а при действии высоких температур в результате термической диссоциации выделяют воду, тем самым тормозя распространение огня.
В сухих условиях эксплуатации или при предохранении от действия воды (гидрофобизирующие покрытия, пропитки и т. п.) гипс очень перспективное с технической и экологической точек зрения вяжущее.
Области применения. Главнейшая область применения гипса — устройство перегородок. Они могут быть заводского изготовления в виде панелей «на комнату», из гипсовых камней или из гипсокартонных листов. Последние также широко применяют для отделки стен и потолков. Гипсоволокнистые материалы используют как выравнивающий слой под чистые полы. Из гипса делают акустические плиты. В различных вариантах его применяют для огнезащитных покрытий металлических конструкций. Небольшое по объему, но важное направление использования гипса: декоративные архитектурные детали (лепнина) и скульптура.
Гипс используют для изготовления форм (например, для керамики)
- формовочный гипс и в медицине для фиксации при переломах-медицинский гипс. Два последних вида гипса отличаются от строительного несколько повышенными требованиями к тонкости помола и химическому составу.
Ангидритовое вяжущее и высокообжиговый гипс — медленносхва-тывающиеся и медленнотвердеющие вяжущие, состоящие из безводного сульфата кальция CaSO4 и активизаторов твердения.
Безводный сульфат кальция существует в природе в виде минерала - ангидрита, однако даже в тонкоразмолотом состоянии он не обнаруживает вяжущих свойств.
Высокообжиговый гипс (эстрих-гипс) получают обжигом природного гипсового камня CaSO4 • 2Н2О до высоких температур (800...950° С). При этом происходит его частичная диссоциация с образованием СаО. Последний служит активизатором твердения ангидрита. Окончательным продуктом твердения такого вяжущего является двуводный гипс, определяющий эксплуатационные свойства материала.
Технологические свойства эстрих-гипса существенно отличаются от свойств обычного гипса. Сроки схватывания эстрих-гипса: начало не ранее 2 ч, конец - не нормируется. Благодаря пониженной водопотребности (у эстрих-гипса она составляет 30...35 % против 50...60 % у обычного гипса) эстрих-гипс после затвердевания образует более плотный и прочный материал. Прочность образцов-кубов из раствора жесткой консистенции состава вяжущее: песок =1:3 через 28 суток твердения во влажных условиях — 10...20 МПа. По этому показателю устанавливают марку эстрих-гипса: 100; 150 или 200 (кгс/см2).
Эстрих-гипс применяли в конце XIX — начале XX вв. для кладочных и штукатурных растворов (в том числе и для получения искусственного мрамора), устройства бесшовных полов, оснований под чистые полы и т. п. В настоящее время это вяжущее применяют ограниченно. Весьма вероятно появление интереса к этому вяжущему в недалеком будущем.
4.2.3 Магнезиальные вяжущие
Магнезиальные вяжущие вещества (каустический магнезит MgO и каустический доломит MgO + СаСО3) — тонкодисперсные порошки, активной частью которых является оксид магния.
Получают магнезиальные вяжущие умеренным (до 700...800° С) обжигом магнезита (реже доломита). При этом карбонат магния диссоциирует с образованием оксида магния MgCO3 → MgO + СО2, а карбонат кальция СаСО3 (в доломите) остается без изменения и является балластной частью вяжущего. Обожженный продукт размалывают.
При затворении водой оксид магния гидратируется очень медленно, проявляя слабые вяжущие свойства. Магнезиальные вяжущие принято затворять раствором хлорида или сульфата магния. В этом случае гидратация протекает значительно быстрее с образованием гидрата оксихлорида магния (3MgO • MgCl2 • 6Н2О), уплотняющего образующийся материал.
Сроки схватывания каустического магнезита зависят от температуры обжига и тонкости помола и обычно находятся в пределах: начало - не ранее 20 мин; конец - не позднее 6 ч.
Твердение начинается интенсивно, и через сутки вяжущее достигает прочности 10... 15 МПа; через 28 суток воздушного твердения прочность составляет 30...50 МПа. В жестких смесях прочность может достигать 100 МПа.
Магнезиальные вяжущие в XIX — начале XX в. применялись для устройства бесшовных монолитных, так называемых ксилолитовых полов. Ксилолит (от гр. xelon — древесина) — бетон на магнезиальном вяжущем с наполнителем из древесных опилок. Серьезных перспектив у магнезиальных вяжущих из-за дефицитности сырья (магнезиты необходимы для получения огнеупоров) нет, но в последнее время они вновь начали применяться в отечественном строительстве.
4.2.4 Растворимое стекло и кислотоупорный цемент
Растворимое стекло — силикаты натрия (Na2O•mSiO2) или калия (К2О•mSiO2), где m — модуль стекла, находящийся в пределах для натриевого стекла 2,0...3,5, а для калиевого 3,5...4,5. Растворимое стекло получают сплавлением смеси кварцевого песка соответственно с содой Na2CO3 (или сульфатом натрия Na2SO4) и поташем К2СО3 в стекловаренных печах при 1300...1400°С. Образовавшийся расплав быстро охлаждают. При этом он распадается на полупрозрачные желто-зеленые куски, называемые силикат-глыбой.
В строительстве обычно используют раствор силикат-глыбы в воде - жидкое стекло (в быту такой раствор называют силикатный клей).
Растворение производится в автоклаве насыщенным паром. Плотность раствора 1,5...1,3 г/см3, что соответствует концентрации раствора 70...50 %.
При растворении в воде силикаты натрия и калия гидролизуются с образованием коллоидного раствора кремневой кислоты Si(OH)4 и соответствующих щелочных гидроксидов. В этих условиях (рН = 12...13) раствор кремневой кислоты относительно стабилен. Жидкое стекло имеет повышенную вязкость из-за того, что кремнекислота в нем находится в полимеризованном виде. При обезвоживании (испарении или отсасывании воды) или при нейтрализации щелочей (например, углекислым газом воздуха) раствор теряет стабильность и переходит в гель, уплотняющийся со временем и приобретающий значительную прочность. Так, растворимое стекло проявляет вяжущие свойства. В обычных условиях этот процесс может идти очень долго, поэтому используют добавки — ускорители твердения.
Жидкое стекло применяют для изготовления кислотоупорных и жаростойких замазок и бетонов, а также как связующее в силикатных красках (только калиевое стекло).
Кислотоупорный цемент изготовляют из тонко измельченной смеси кислотоупорного наполнителя (кварца, диабаза, андезита и т. п.) и ускорителя твердения — кремнефтористого натрия Na2SiF6. Название «цемент» для такого порошка имеет условный характер, так как сам он вяжущими свойствами не обладает и при смешивании с водой не твердеет. Вяжущим веществом в таких цементах является жидкое стекло, которым этот «цемент» и затворяют.
Ориентировочное количество Na2SiF6 от массы растворимого стекла (т. е. сухого вещества в составе жидкого стекла) в кислотоупорных растворах и бетонах составляет 10...15 %.
Сроки схватывания кислотоупорного цемента: начало — не ранее 20 мин., конец — не позднее 8 ч. У этого цемента нормируется предел прочности при растяжении после 28 суток твердения — не менее 2,0 МПа. Прочность при сжатии бетонов на кислотоупорном цементе составляет 20...60 МПа.
Основным достоинством и отличием кислотоупорного цемента от других неорганических вяжущих является способность работать в условиях действия большинства кислот (за исключением плавиковой и фосфорной).
Кислотостойкость — сохранение массы при испытании в кислоте — не менее 93 %.
Однако при длительном воздействии воды, пара и растворов щелочей бетоны и растворы на жидком стекле теряют прочность.
4.2.5 Воздушная известь
Известь известна человечеству не одно тысячелетие и все это время активно используется им в строительстве и многих других отраслях. Это объясняется доступностью сырья, простотой технологии и достаточно хорошими свойствами извести.
Сырьем для получения извести служат широко распространенные осадочные горные породы: известняки, мел, доломиты, состоящие преимущественно из карбоната кальция (СаСО3). Если куски таких пород прокалить на огне, то карбонат кальция перейдет в оксид кальция:
СаСО3 ↔ СаО + СО2После прокаливания куски, теряя с углекислым газом 44 % своей массы, становятся легкими и пористыми. При смачивании водой они бурно реагируют с ней, превращаясь в тонкий порошок, а при избытке воды в пластичное тесто. Этот процесс, сопровождающийся сильным выделением теплоты и разогревом воды вплоть до кипения, называют гашением извести. Образующееся при избытке взятой воды пластичное тесто используют в качестве вяжущего. При испарении воды тесто загустевает и переходит в камневидное состояние. Недостаток извести — медленное твердение: процесс набора прочности твердеющей известью растягивается на годы и десятилетия. В реальные сроки строительства прочность затвердевшей извести, как правило, не превышает 0,5...2 МПа.
Производство. Сырье — карбонатные породы (известняки, мел, доломиты), содержащие не более 6...8 % глинистых примесей, обжигают в шахтных или вращающихся печах при температуре 1000... 1200° С. В процессе обжига СаСО3 и MgCO3, содержащиеся в исходной породе, разлагаются на оксиды кальция СаО и магния MgO и углекислый газ. Неравномерность обжига может привести к образованию в извести недожога и пережога.
Недожог (неразложившийся СаСО3), получающийся при слишком низкой температуре обжига, снижает качество извести, так как не гасится и не обладает вяжущими свойствами.
Пережог образуется при слишком высокой температуре обжига в результате сплавления СаО с примесями кремнезема и глинозема. Зерна пережога медленно гасятся и могут вызвать растрескивание и разрушение уже затвердевшего материала.
Куски обожженной извести — комовая известь — обычно подвергают гашению водой:
СаО + Н2О → Са(ОН)2 + 1160 кДж/кг
Выделяющаяся при гашении теплота резко повышает температуру извести и воды, которая может даже закипеть (поэтому негашеную известь называют кипелкой).
При гашении куски комовой извести увеличиваются в объеме и распадаются на мельчайшие (до 1 мкм) частицы.
В зависимости от количества взятой для гашения воды получают: гидратную известь - пушонку (35…40 % воды от массы извести, т. е. в количестве, необходимом для протекания реакции гидратации — процесса гашения); известковое тесто (воды в 3...4 раза больше, чем извести), известковое молоко (количество воды превышает теоретически необходимое в 8... 10 раз).
Виды воздушной извести. По содержанию оксидов кальция и магния воздушная известь бывает:
• кальциевая — MgO не более 5 %;
• магнезиальная — MgO > 5...20 %;
• доломитовая — MgO > 20...40 %.
По виду поставляемого на строительство продукта воздушную известь подразделяют на негашеную комовую (кипелку), негашеную порошкообразную (молотую кипелку) и гидратную (гашеную, или пушонку).
Негашеная комовая известь предстаатяет собой мелкопористые куски размером 5...10см, получаемые обжигом известняка. В зависимости от содержания, активных СаО + MgO и количества негасящихся зерен комовую известь разделяют на три сорта.
По скорости гашения комовая известь бывает:
Вид извести Время достижения максимальной температуры, мин Быстрогасящаяся <8
Среднегасящаяся 8...25
Медленногасящаяся >25
Негашеную порошкообразную известь получают помолом комовой в шаровых мельницах в тонкий порошок. Часто в известь во время помола вводят активные добавки (гранулированные доменные шлаки, золы ТЭС и т. п.) в количестве 10...20 % от массы извести. Порошкообразная известь, как и комовая, делится на три сорта.
Преимущество порошкообразной извести перед комовой состоит в том, что при затворении водой она ведет себя подобно гипсовым вяжущим: сначала образует пластичное тесто, а через 20...40 мин схватывается. Это объясняется тем, что вода затворения, образующая тесто, частично расходуется на гашение извести.
При использовании порошкообразной извести воды берут 100...150 % от массы извести в зависимости от качества извести и количества активных добавок в ней. Определяют количество воды опытным путем.
Гидратная известь (пушонка) — тончайший белый порошок, получаемый гашением извести, обычно в заводских условиях, небольшим количеством воды (несколько выше теоретически необходимого). При гашении в пушонку известь увеличивается в объеме в 2...2,5 раза. Насыпная плотность пушонки — 400...450 кг/м3; влажность — не более 5 %.
Гашение извести можно производить как на строительстве объекта, так и централизованно. В последнем случае гашение совмещается с мокрым помолом непогасившихся частиц, что увеличивает выход извести и улучшает ее качество.
На строительстве известь гасят в гасильных ящиках (творилах). В ящик загружают комовую известь не более чем на 1/3 его высоты (толщина слоя обычно около 100 мм), поскольку при гашении известь увеличивается в объеме в 2,5...3,5 раза. Быстрогасящуюся известь заливают сразу большим количеством воды, чтобы не допустить перегрева и кипения воды, медленногасящуюся — небольшими порциями, следя за тем, чтобы известь не охладилась. Из 1 кг извести в зависимости ох ее качества получается 2...2,5 л известкового теста. Этот показатель называют «выход теста».
Воздушная известь — единственное вяжущее, которое превращается в тонкий порошок не только размолом, но и путем гашения водой.
Колоссальная удельная поверхность частиц Са(ОН)2 и их гидрофильность обусловливает большую водоудерживающую способность и пластичность известкового теста. После отстаивания известковое тесто содержит около 50% твердых частиц и 50% воды. Каждая частица окружена тонким слоем адсорбированной воды, играющей роль своеобразной смазки, что обеспечивает высокую пластичность известкового теста и смесей с использованием извести.
По окончании гашения жидкое известковое тесто через сетку сливают в известехранилище, где его выдерживают до тех пор, пока полностью не завершится процесс гашения (обычно не менее двух недель). Известковое тесто с размером непогасившихся зерен менее 0,6 мм можно применять сразу. Крупные непогасившиеся зерна опасны тем, что среди них могут быть пережженные зерна (пережог).
Содержание воды в известковом тесте не нормируется. Обычно в хорошо выдержанном тесте соотношение воды и извести около 1:1.
Твердение. Известковое тесто состоит из насыщенного водного раствора Са(ОН)2 и мельчайших нерастворившихся частиц извести; По мере испарения из него воды образуется пересыщенный раствор Са(ОН)2, из которого выпадают кристаллы, увеличивающие содержание твердой фазы. При этом происходит усадка твердеющей системы, которая в определенных условиях (например, при твердении известковой смеси на жестком основании — штукатурный слой) может вызвать растрескивание материала. Поэтому известь всегда применяют с заполнителями (например, известково-песчаные растворы) или в смеси с другими вяжущими для придания материалу пластичности.
Известковое тесто, защищенное от высыхания, неограниченно долго сохраняет пластичность, т. е. у такой извести «отсутствует» процесс схватывания. Затвердевшее известковое тесто при увлажнении вновь переходит в пластичное состояние (известь — неводостойкий материал).
Однако при длительном твердении (десятилетия) известь приобретает довольно высокую прочность и относительную водостойкость (например, в кладке старых зданий). Это объясняется тем, что на воздухе известь реагирует с углекислым газом, образуя нерастворимый в воде и довольно прочный карбонат кальция, т. е. как бы обратно переходит в известняк.
Процесс этот очень длительный, и полной карбонизации извести практически не происходит.
Существует мнение, что при длительном контакте извести с кварцевым песком в присутствии влаги между этими компонентами происходит взаимодействие с образованием контактного слоя из гидросиликатов. Это так же повышает прочность и водостойкость бетонов и кирпичной кладки на извести, имеющих возраст более 200...300 лет.
Применение, транспортирование, хранение. Воздушную известь применяют для приготовления кладочных и штукатурных растворов как самостоятельное вяжущее, так и в смеси с цементом; при производстве силикатного кирпича и силикатобетонных изделий; для получения смешанных вяжущих (известково-шлаковых, известково-зольных и др.) и для красок.
Негашеную известь, особенно порошкообразную, при транспортировании и хранении предохраняют от увлажнения. Порошкообразная известь - кипелка гасится даже влагой, содержащейся в воздухе. Максимальный срок хранения молотой извести в бумажных мешках 25 сут, в герметичной таре (металлические барабаны) — не ограничен.
Комовую известь транспортируют навалом в закрытых вагонах и автомашинах, порошкообразную — в бумажных мешках, а также в специальных автоцистернах. В таких же цистернах перевозят пушонку и известковое тесто.
Хранят комовую известь в сараях с деревянным полом, поднятым над землей на 30 см. Недопустимо попадание на известь воды, так как это может вызвать ее разогрев и пожар. На складах извести тушение пожара водой запрещается.
4.2.6 Гидравлические известьсодержащие вяжущие
Низкая водостойкость извести всегда побуждала людей искать пути ликвидации этого недостатка. Еще в Древнем Риме был найден способ получения водостойкого вяжущего на основе извести. Помогло римлянам в этом наличие вулкана Везувия. Они обнаружили, что при добавлении вулканического пепла к извести образующаяся смесь после твердения на воздухе в течение 7...14 дн. далее могла твердеть в воде (более того, именно влажные условия были обязательны для набора прочности!). Это было первое гидравлическое вяжущее. Добавки из вулканических пород (пепла, туфа и т. п.) впоследствии получили название гидравлические или пуццолановые (по названию местечка у подножия Везувия, где они добывались). Римские постройки (мосты, акведуки, бани-термы и т. п.) на таких смешанных вяжущих сохранились до сих пор.
В Древней Руси проблема придания извести водостойкости была решена несколько иным путем. Там в роли гидравлической добавки использовали молотый бой кирпича; такую смесь на Руси называли цемянкой.
Механизм твердения этих вяжущих заключается в образовании из смеси извести, активных кремнезема и глинозема (пепла, молотого кирпича и т. п.) и воды водонерастворимых гидросиликатов и гидроалюминатов:
nСа(ОН)2 + SiO2 + mH2O → nСаО • SiO2 • mH2O
Другой путь получения водостойких вяжущих на основе извести также был найден очень давно. Он базировался на обжиге известняков, имеющих примесь глины от 6 до 20%. В этом случае в обожженном продукте помимо СаО появлялись низкоосновные силикаты и алюминаты (например, 2СаО • SiO2), способные к твердению в воде. Естественно, механизм твердения этих вяжущих был расшифрован только в XX в. Все эти вяжущие в несколько измененном виде применяют до сих пор.
Современные известьсодержащие вяжущие гидравлического твердения — группа низкомарочных (малопрочных) так называемых местных вяжущих. В эту группу входят смешанные вяжущие (известково-пуццолановые и известково-шлаковые), а также гидравлическая известь.
Смешанные вяжущие получают совместным измельчением негашеной извести (10...30%), гидравлической добавки (85...70%) и гипса (до 5%). В качестве добавки используют горные породы, содержащие активный кремнезем: вулканический пепел, пемзу, туф, диатомит, трепел и др. Такие вяжущие называют известково-пуццолановыми. Если в качестве добавки взят доменный гранулированный шлак, такие вяжущие называют известково-шлаковыми.
Известьсодержащие гидравлические вяжущие на начальной стадии (около 7 суток) должны твердеть в сухих условиях, а затем во влажных. По пределу прочности при сжатии стандартных образцов через 28 суток твердения известьсодержащие вяжущие делятся на марки 50; 100; 150 и 200 (кг/см2).
Известьсодержащие гидравлические вяжущие применяют для приготовления растворов для кладки подземных частей зданий и бетонов. Срок хранения таких вяжущих из-за наличия в них негашеной извести не должен превышать 30 суток, причем во время хранения их тщательно предохраняют от увлажнения.
Строительная гидравлическая известь — продукт умеренного обжига при температуре 900... 1100° С мергелистых известняков (содержание глины 8..20 %). В состав гидравлической извести входят свободные оксиды кальция и магния (50...65 %) и низкоосновные силикаты и алюминаты кальция, которые и придают извести гидравлические свойства.
Гидравлическая известь, смоченная водой, полностью гасится, образуя пластичное тесто. В отличие от воздушной она быстрее твердеет, приобретая со временем водостойкость. Однако первые 1...2 недели гидравлическая известь должна твердеть в воздушно-влажных условиях, и только после этого ее можно помещать в воду.
Предел прочности при сжатии затвердевшей гидравлической извести 2...5 МПа. Применяют ее для низкомарочных растворов и бетонов, используемых в том числе и во влажных условиях.
4.2.7 Портландцемент
Гидравлическая известь обладает рядом недостатков. Главные из них: необходимость твердения на воздухе первые 7... 14 сут, низкие прочность, морозо- и воздухостойкость. Поэтому велись поиски более совершенного вяжущего вещества. Практически одновременно (1824— 1825) независимо друг от друга Егор Челиев в России и Джозеф Аспдин в Англии путем высокотемпературного обжига до спекания смеси известняков и глины получили вяжущее, обладающее большей водостойкостью и прочностью. Производство нового вяжущего, названного впоследствии портландцементом, совершенствовалось и быстро расширялось. Уже в начале XX в. портландцемент стал одним из основных строительных материалов.
Портландцемент — гидравлическое вяжущее, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера и небольшого количества гипса (1,5...3 %). Клинкер получают обжигом до спекания сырьевой смеси, обеспечивающей в портландцементе преобладание силикатов кальция. К клинкеру для замедления схватывания цемента добавляют гипс. Для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости портландцемента допускается введение минеральных добавок.
Кроме портландцемента на основе портландцементного клинкера выпускают много других видов цементов.
Производство. Основные операции при получении портландцемента: приготовление сырьевой смеси, обжиг ее до получения цементного клинкера и помол клинкера совместно с добавками.
Соотношение компонентов сырьевой смеси выбирают с таким расчетом, чтобы полученный при обжиге клинкер имел следующий химический состав (%): СаО — 62...68, SiO2 — 18..26, А12О3 — 4...9, Fe2O3 — 2...6. В природе есть горная порода, обеспечивающая получение клинкера такого состава,— мергель, который представляет собой тесную смесь известняка с глиной. Но чаще используют известняк и глину (добываемые отдельно) в соотношении 3 : 1 (по массе). Кроме основных компонентов в сырьевую смесь вводят корректирующие добавки и промышленные отходы, обеспечивающие требуемый состав клинкера.
Тщательно подготовленную сырьевую смесь подают на обжиг во вращающуюся печь, которая представляет собой стальную трубу диаметром до 7 м и длиной до 185 м. Изнутри труба выложена огнеупорным кирпичом. Печь установлена под небольшим (3...4о) углом к горизонту и вращается (0,8... 1,3 мин-1), благодаря чему сырьевая смесь перемещается в ней от верхнего конца к нижнему, куда подается топливо. Максимальная температура обжига 1450°С. При таких высоких температурах оксид кальция СаО, образовавшийся в результате разложения известняка, взаимодействует с кислотными оксидами SiO2, А12О3 и Fe2O3, образующимися при разложении глины.
Минерал Формула Количество, %.
Продукты взаимодействия, частично плавясь и спекаясь друг с другом, образуют так называемый портландцементный клинкер — плотные твердые куски серого цвета. В состав портландцементного клинкера входят четыре основных минерала:
- Трехкальциевый силикат (алит) (ЗСаО• SiO2) 42...65% ;- Двухкальциевый силикат (белит) (2СаО• SiO2) 12... 35 %;
-Трехкальциевый алюминат ЗСаО• А12О3 4...14 %;
-Четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО•А12О3•Fe2O3 10...18%;
-небольшое количество стеклообразного вещества.
Как видно из таблицы, портландцементный клинкер в основном (на 60...80%) состоит из силикатов кальция, из-за чего портландцемент также называют силикатным цементом.
Для получения портландцемента клинкер размалывают в трубных или шаровых мельницах с гипсом и другими добавками. Свойства портландцемента зависят от его минерального состава и тонкости помола клинкера.
При взаимодействии с влагой воздуха активность портландцемента падает, поэтому его предохраняют от действия влаги. Портландцемент хранят в силосах (высоких цилиндрических емкостях из бетона или металла). На строительство его доставляют в специальных вагонах, автомобилях-цементовозах или упакованным в многослойные бумажные или полиэтиленовые мешки.
Твердение. При смешивании с водой частицы портландцемента
начинают растворяться, причем одновременно может происходить гидролиз (разложение водой) и гидратация (присоединение воды) продуктов растворения с образованием гидратных соединений.
По этой схеме (гидролиз и гидратация) взаимодействуют с водой главные компоненты клинкера алит C3S и белит C2S:
2(ЗСаО • SiO2) + 6Н2О → ЗСаО • SiO2 • ЗН2О + ЗСа(ОН)2
2(2СаО• SiO2) + 4Н2О → ЗСаО • SiO2 • ЗН2О + Са(ОН)2
Необходимо подчеркнуть особенности этих реакций:
•C3S взаимодействует с водой намного активнее, чем C2S;
•при взаимодействии силикатов кальция с водой выделяется
растворимый в воде компонент Са(ОН)2 — воздушная известь, создающая щелочную реакцию в твердеющем цементе;
•C3S выделяет Са(ОН)2 в 3 раза больше, чем C2S; общее количество Са(ОН)2 достигает 15 % от массы цементного камня.
Алюминат кальция С3А подвергается только гидратации, причем этот процесс идет очень быстро с образованием крупных кристаллов
ЗСаО • А12О3 + 6Н2О ? ЗСаО • А12О3 • 6Н2О
Добавка гипса, вводимая при помоле клинкера, изменяет характер начального периода твердения С3А и замедляет схватывание цемента на несколько часов из-за образования эттрингита ЗСаО • А12О3 • 3CaSO4 • (31 - 33)Н2О.
Четырехкальциевый алюмоферрит C4AF взаимодействует с водой медленнее, чем С3А, образуя гидроалюминат и гидроферрит кальция.
Основной продукт твердения портландцемента — гидросиликаты кальция — практически нерастворимы в воде. Они выпадают из раствора сначала в виде геля (жесткого студня). Этот гель пронизывают, укрепляя его, кристаллы Са(ОН)2. Гель гидросиликатов кальция со временем кристаллизуется. Остальные продукты взаимодействия клинкера с водой также участвуют в формировании структуры цементного камня и, естественно, влияют на его свойства.
Процесс гидратации зерен портландцемента из-за малой их растворимости растягивается на длительное время (месяцы и годы). Чтобы этот процесс мог протекать, необходимо постоянное присутствие воды в твердеющем материале. Однако нарастание прочности со временем замедляется. Поэтому качество цемента принято оценивать по прочности, набираемой им в первые 28 суток твердения.
Технические характеристики портландцемента. К основным характеристикам портландцемента относятся истинная и насыпная плотность, тонкость помола, сроки схватывания, равномерность изменения объема при твердении и прочность затвердевшего цементного камня.
Плотность портландцемента в зависимости от вида и количества добавок составляет 2900...3200 кг/м3, насыпная плотность в рыхлом состоянии 1000... 1100 кг/м3, в уплотненном — до 1700 кг/м3.
Тонкость помола характеризуется количеством цемента, проходящим через сито с сеткой № 008 (размер отверстий 0,08 мм) и его удельной поверхностью. Согласно ГОСТу через сито с сеткой № 008 должно проходить не менее 95 % цемента, при этом удельная поверхность у обычного портландцемента должна быть в пределах 2900...3000 см2/г и у быстротвердеющего портландцемента 3500...5000 см2/г.
Сроки схватывания портландцемента, рассчитываемые от момента затворения, должны быть: начало — не ранее 45 мин; конец — не позднее 10 ч. Эти показатели определяют при температуре 20°С. Если цемент затворяют горячей водой (более 40°С), может произойти очень быстрое схватывание.
Прочность портландцемента характеризуется его маркой. Марку портландцемента определяют по пределу прочности при сжатии и изгибе образцов-балочек 40х40х160 мм, изготовленных из цементно-песчаного раствора (состава 1 : 3) стандартной консистенции и твердевших 28 суток (первые сутки в формах на влажном воздухе и 27 сут. в воде при 20°С).
Промышленность выпускает портландцемент четырех марок: 400; 500; 550 и 600 (цифра соответствует округленной в сторону уменьшения средней прочности образцов при сжатии выраженной в кгс/см2).
Тепловыделение при твердении. Твердение портландцемента сопровождается выделением большого количества теплоты. Так как эта теплота выделяется в течение длительного времени (дни, недели), заметного разогрева цементного бетона или раствора не происходит. Однако если объем бетона велик (например, при бетонировании плотин, массивных фундаментов), то потери теплоты в окружающее пространство будут незначительны по сравнению с общим количеством выделяющейся теплоты и возможен разогрев бетона до температуры 70...80° С, что приведет к его растрескиванию.
Равномерность изменения объема. При твердении цементное тесто уменьшается в объеме. Усадка на воздухе составляет около 0,5... 1 мм/м. При твердении в воде цемент немного набухает (до 0,5 мм/м). Однако изменение объема при твердении должно быть равномерным. Это свойство проверяют на лепешках из цементного теста, которые не должны растрескиваться после пропаривания в течение 3 ч (до пропаривания лепешки 24 ч твердеют на воздухе). Неравномерность изменения объема возникает из-за присутствия в цементе свободных СаО и MgO, находящихся в виде пережога.
4.2.8 Разновидности портландцемента
Для удовлетворения требований современного строительства к цементам промышленность на основе портландцементного клинкера выпускает различные виды портландцемента.
Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) отличается быстрым ростом прочности в первые дни твердения. Выпускают БТЦ двух марок: 400 и 500, которые в трехсуточном возрасте должны иметь предел прочности при сжатии соответственно не ниже 25 и 28 МПа.
В составе БТЦ преобладают активные минералы: трехкальциевый силикат C3S — 50...55 % и трехкальциевый алюминат С3А— 5... 10 %. Тонкость помола у БТЦ выше, чем у обычного портландцемента (удельная поверхность до 5000 см2/г), поэтому при хранении он, впитывая пары воды из воздуха, комкуется и быстро теряет активность. БТЦ применяют для бетонов сборных конструкций с повышенной отпускной прочностью и монолитных конструкций. Коррозионная стойкость у БТЦ пониженная.
Пластифицированный портландцемент получают, добавляя к клинкеру при помоле гидрофильные поверхностно-активные вещества (например, сульфитно-спиртовую барду ССБ) в количестве 0,15...0,25 %. Такой цемент повышает пластичность бетонных и растворных смесей по сравнению с обычным портландцементом при одинаковом расходе воды. Это позволяет уменьшить расход портландцемента, повысить прочность и морозостойкость бетонов и растворов.
Гидрофобный портландцемент получают, добавляя к клинкеру при помоле гидрофобные поверхностно-активные вещества ПАВ (0,05...0,5 % от массы цемента), образующие на зернах цемента водоотталкивающие пленки. В качестве таких добавок используют главным образом отходы переработки нефти (мылонафт, асидол).
Гидрофобный портландцемент благодаря наличию защитных пленок при хранении и транспортировании даже во влажных условиях не намокает, не комкуется и почти не теряет своей активности.
При перемешивании гидрофобного цемента с водой и заполнителями ПАВ сдирается с цементных зерен и переходит в состав бетона или раствора. Поэтому бетонные и растворные смеси на гидрофобном цементе отличаются повышенной пластичностью, а после затвердевания — повышенной морозостойкостью и водонепроницаемостью.
Применяется гидрофобный цемент в тех случаях, когда трудно обеспечить необходимые условия хранения обычного цемента.
Сульфатостойкий портландцемент изготовляют из клинкера с пониженным содержанием трехкальциевого силиката C3S (не более 50 %) и трехкальциевого алюмината С3А (не более 5%). При таком составе цемента уменьшается возможность образования в цементном камне гидросульфоалюмината кальция («цементной бациллы») и тем самым повышается стойкость бетона к сульфатной коррозии. Кроме того, сульфатостойкий цемент характеризуется пониженным тепловыделением при твердении. Сульфатостойкий цемент выпускают марок 300, 400, 500.
Белый портландцемент получают из белых каолиновых глин и чистых известняков или мела с минимальным содержанием окислов железа, марганца и хрома. В таком цементе практически нет алюмоферрита кальция С4АF, имеющего серо-зеленый цвет. На основе белого цемента и щелочестойких пигментов (сурика, ультрамарина и др.) получают цветные цементы. Марки таких цементов 300, 400 и 500. Применяют белый и цветные цементы для отделочных работ.
4.2.9 Портландцементы с минеральными добавками
Цементный клинкер — энергоемкий в производстве и дорогостоящий продукт. Поэтому во всех случаях, когда это допустимо, его заменяют более дешевыми природными продуктами или промышленными отходами. К таким смешанным цементам относятся шлакопортландцемент, пуццолоновый цемент и кладочные цементы.
Шлакопортландцемент получают путем совместного помола доменного гранулированного шлака (21...80 %), портландцементного клинкера (79...20 %) и гипса (не более 5 %).
Доменный шлак — отход производства чугуна (на 1 т чугуна приходится около 0,6 т шлака), поэтому шлакопортландцемент экономически выгоднее, чем портландцемент. Выпуск шлакопортландцемента в России составляет около 1/3 от общего выпуска цемента. Химический состав доменного гранулированного шлака близок к составу клинкера. К самостоятельному твердению шлак не способен, но в присутствии портландцемента и гипса он проявляет вяжущие свойства.
Шлакопортландцемент выпускают трех марок: 300, 400 и 500. По коррозионной стойкости и водостойкости он превосходит обычный портландцемент, но твердеет несколько медленнее и при этом выделяет меньше теплоты. Недостаток шлакопортландцемента — пониженная по сравнению с обычным портландцементом морозостойкость.
Пуццолановый портландцемент получают либо путем совместного помола портландцементного клинкера (79...60 %), активной минеральной добавки (21...40 %) и небольшого количества гипса, либо тщательным смешиванием этих же компонентов, но предварительно каждый из них измельчают. К активным минеральным добавкам относятся: вулканические туфы, пеплы и пемзы, диатомит, трепел, опока, золы ТЭС и другие вещества. Активные добавки связывают выделяющийся при твердении цемента Са(ОН)2 в нерастворимые гидросиликаты, благодаря чему повышаются водостойкость и коррозионная стойкость цементного камня. Пуццолановые цементы отличаются низким тепловыделением при твердении и пониженной скоростью твердения. Морозо- и воздухостойкость пуццолановых цементов ниже, чем портландцемента. Пуццолановый портландцемент выпускают марок: 300 и 400. Пуццолановый портландцемент применяют для гидротехнического строительства, а также для подземных и подводных сооружений.
Пуццолановый портландцемент и шлакопортландцемент, требуют увлажнения во время твердения.
Цементы для строительных, растворов (кладочные цементы) – это как бы разбавленный портландцемент. Содержание клинкера в таких цементах 20...30 %, а остальная часть цемента состоит из молотых активных и инертных (известняк, песок) добавок. Марка кладочных цементов 200. Такие цементы применяют для кладочных и штукатурных растворов и неармированных бетонов классов В12,5 и ниже. Использование кладочных цементов дает экономию цементного клинкера — наиболее дорогой части цементов.
4.2.10 Глиноземистый цемент
Глиноземистый цемент — быстротвердеющее гидравлическое вяжущее, состоящее преимущественно из моноалюмината кальция (СаО•А12О3). Свое название этот цемент получил от технического названия оксида алюминия А12О3 — «глинозем».
Промышленное производство глиноземистого цемента началось во Франции в 1912 г. под названием «цемент Фондю» (в Европе этот цемент до сих пор носит это название).
Сырьем для глиноземистого цемента служат бокситы и чистые известняки. Бокситы — горная порода, состоящая из гидратов глинозема (А12О3 • nН2О) и примесей (в основном Fe2O3, SiO2, СаО и др.). Бокситы широко используются в различных отраслях промышленности: для получения алюминия, абразивов, огнеупоров, адсорбентов и т.п., а месторождений с высоким содержанием А12О3 очень немного.
Производство глиноземистого цемента более энергоемко, чем производство портландцемента. Клинкер глиноземистого цемента получают либо плавлением в электрических или доменных печах (при 1500...1600° С), либо спеканием (при 1200...1300° С). Размол клинкера затруднен из-за его высокой твердости. В целом из-за того, что производство глиноземистого цемента очень энергоемко, а сырье (бокситы) — дефицитно, его стоимость в несколько раз выше, чем стоимость портландцемента.
Химический состав глиноземистого цемента, получаемого разными методами, находится в следующих пределах: СаО - 35...45 %; А12О3 - 30...50 %; Fe2O3 - 0...15 %; SiO2 - 5...15 %. В минеральном составе клинкера глиноземистых цементов преобладает однокальциевый алюминат СаО • А12О3 (СА), определяющий основные свойства этого вяжущего. Кроме того, в нем присутствуют алюминаты — СА2, С12А7; двухкальциевый силикат C2S, отличающийся, как известно, медленным твердением, и в качестве неизбежной балластной примеси — геленит - 2СаО • А12О3 • 2SiO2.
Процесс твердения глиноземистого цемента и прочность образующегося цементного камня существенно зависят от температуры твердения. При нормальной температуре (до + 25° С) основной минерал цемента — СА взаимодействует с водой с образованием кристаллического гидроалюмината кальция и гидроксида алюминия в виде гелевидной массы:
2(СаО • А12О3) + 11Н2О → 2СаО • А12О3 • 8Н2О + 2А1(ОН)3 + Q
Суммарное тепловыделение (Q) у глиноземистого цемента немного ниже, чем у портландцемента (около 300...400 кДж/кг), но протекает оно в очень короткие сроки (в первые сутки выделяется 70...80 % от общего количества теплоты). Поэтому возможен перегрев бетонов на глиноземистом цементе в случае больших объемов бетонирования.
У глиноземистого цемента удивительное сочетание свойств.
Сроки схватывания почти такие же, как у портландцемента: начало — не ранее 30 мин, конец — не позднее 12 ч (реально 4...5 ч).
После окончания схватывания прочность нарастает очень быстро (лавинообразно). Уже через сутки глиноземистый цемент набирает до 90 % от марочной прочности, которая у него определяется в 3-суточном возрасте. Марки у глиноземистого цемента такие же, как у портландцемента: 400; 500 и 600
Усадка глиноземистого цемента при твердении на воздухе ниже, чем у портландцемента, в 3...5 раз. Пористость цементного камня также ниже (приблизительно в 1,5 раза). Это связано с тем, что при одинаковой с портландцементом водопотребности глиноземистый цемент при твердении химически связывает 30...45 % воды от массы цемента (портландцемент — около 20 %).Области применения. Глиноземистый цемент целесообразно использовать при аварийных и срочных работах, при зимних работах и в тех случаях, когда от бетона требуется высокая водостойкость и водонепроницаемость. Кроме того, глиноземистый цемент является компонентом многих расширяющихся цементов.
Специальная область использования глиноземистых цементов — жаростойкие бетоны. Объясняется это тем, что, во-первых, в продуктах твердения этого цемента нет Са(ОН)2, и, во-вторых, при температуре 700...800°С между продуктами твердения цемента и заполнителями бетона начинаются реакции в твердой фазе, по мере протекания которых прочность бетона не падает, а повышается, так как бетон превращается в керамический материал (опасность присутствия Са(ОН)2 заключается в том, что при нагреве он переходит в СаО, который при любом контакте с водой гасится, разрушая при этом бетон).
4.2.11 Расширяющиеся цементы
Портландцемент и материалы на его основе при твердении на воздухе обнаруживают усадку. Так, тесто на портландцементе при В/Ц = 0,45 имеет усадку на воздухе около 2,5 мм/м, а раствор на том же цементе ~1 мм/м. Из-за этого при бетонировании протяженных конструкций, например, покрытий полов, на них появляются трещины. В то же время растрескивание бетона абсолютно недопустимо, например, для конструкций, работающих под давлением воды, таких, как трубы, резервуары и т. п. Для этих целей применяют специальные расширяющиеся и безусадочные цементы.
Расширяющиеся цементы даже при твердении на воздухе имеют небольшое увеличение в объеме при твердении. Безусадочные цементы это расширяющиеся цементы, у которых расширение только компенсирует усадку. Поэтому такие цементы как бы сами уплотняют себя, делая бетон водонепроницаемым. В случае, если расширяющиеся цементы используются в железобетонных конструкциях, эффект расширения вяжущего может вызывать натяжение арматуры и сжатие самого бетона, что дополнительно защитит бетон от образования трещин. Такие цементы называют напрягающими.
Для строительных целей в основном используют цементы, в которых расширение достигается с помощью образования эттрингита — гидросульфоалюмината кальция ЗСаО • А12О3 • 3CaSO4 • (31 - 32) Н2О. Образование эттрингита возможно при взаимодействии алюминатов и сульфатов кальция в водной среде. Как видно из формулы, в состав эттрингита входит большое количество воды. Именно это обстоятельство обеспечивает эффект расширения: исходные твердые продукты, взаимодействуя друг с другом и гидратируясь (т. е. присоединяя воду), увеличиваются в объеме в 2...2,5раза.
В твердеющем материале на расширяющемся цементе протекают два процесса — расширение, обусловленное процессом кристаллизации эттрингита с увеличением объема новообразований и ростом внутренних растягивающих напряжений, и препятствующий расширению процесс — рост прочности самого цементного камня.
Если образование эттрингита будет протекать раньше, чем у цементного камня появится хотя бы небольшая прочность, то эттрингит будет сжимать податливую гелеобразную массу и заметного расширения не произойдет.
Если эттрингит будет образовываться в то время, когда цементный камень набрал достаточно высокую прочность, то напряжения, обусдовленные ростом кристаллов эттрингита в ограниченном объеме, могут вызвать падение прочности и даже разрушение цементного камня, как это имеет место при сульфатной коррозии.
Таким образом, главная задача при разработке составов расширяющихся и безусадочных вяжущих - правильный выбор не только количества образующегося эттрингита, но и момента его образования относительно процесса формирования структуры цементного камня. Для различных видов расширяющихся цементов период наиболее интенсивного и безопасного расширения цементного камня составляет от 12 ч до 3…7 суток в зависимости от свойств основного структурообразующего вяжущего.
При изготовлении железобетонной конструкции на напрягающем цементе энергия расширения вяжущего частично идет на создание растягивающих напряжений в арматуре. Реакция арматуры вызывает в бетоне сжимающие напряжения. Таким образом, получаются самонапряженные железобетонные конструкции высокой плотности и трещиностойкости. Такой метод самонапряжения используется при бетонировании емкостей для хранения газов и жидкостей, устройстве гидроизоляционных слоев. Например, при бетонировании чаши стадиона в Лужниках, которая одновременно является и крышей для помещений внизу, и полом, на котором находятся скамьи для зрителей, для обеспечения водонепроницаемости использовалась смесь на основе напрягающего цемента.
Перспективная область применения бетонов и растворов на расширяю-щихся и безусадочных вяжущих — бесшовные тонкослойные стяжки или лицевые покрытия полов большой площади. С помощью полимерных модификаторов таким смесям придают свойство самовыравнивания, а эффект безусадочности гарантирует трещиностойкость. Быстрое твердение и защитные полимерные добавки обеспечивают необходимое количество воды для протекания полной гидратации без какого-либо специального ухода.

Приложенные файлы

  • docx 18814142
    Размер файла: 81 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий