Строительные материалы, изготовленные на основе природно-сырьевых ресурсов

Панели и блоки стеновые из кирпича и керамических камней изготовляются трех-, двух- и однослойные длиной на один или два планировочных шага и высотой на 1 и 2 этажа. Толщина панелей для внутренних стен и перегородок от 80 до 280 мм. Однослойные панели изготавливают из керамических камней, двухслойные - из слоя в Ѕ кирпича и слоя утеплителя, трехслойные - из двух кирпичных наружных слоев толщиной по 65 мм и слоя утеплителя между ними.

Отделочные (облицовочные) керамические материалы применяются для наружной и внутренней облицовки конструкций зданий и сооружений не только с целью декоративно-художественной отделки, но повышения их долговечности.

Материалы для наружной облицовки. Кирпич и камни лицевые укладываются вместе с кладкой стены и одновременно служат конструктивным несущим элементом. Регулируя состав сырья и режимы обжига получают изделия различных цветов: белого, кремового, светло-красного, коричневого. Также изготавливаются изделия с лицевой поверхностью, офактуренной различными способами: ангобированием, глазурованием, двухслойным формованием и проч.

Крупноразмерные облицовочные керамические плиты квадратной или прямоугольной формы длиной от 490 до 1190 мм. Поверхность плит матовая или полированная различных цветов, часто со структурой, напоминающей гранит. По этой причине, а также за высокие физико-механические свойства такие плиты называют керамогранит.

Плитки керамические фасадные и ковры из них применяются для облицовки наружных стен кирпичных зданий, наружных поверхностей железобетонных стеновых панелей, цоколей, подземных переходов и проч. Фасадные плитки выпускают различных цветов и фактуры поверхности размерами от 21х21х4мм до 292х192х9 мм. Плитки могут поставляться с заводов в коврах с наклейкой плиток их лицевой стороной на крафт-бумагу. При отделке поверхностей плиточный ковер втапливается в раствор, а после его затвердевания бумага с лицевой поверхности плиток смывается.

Материалы для внутренней облицовки. Плитки для облицовки стен (кафельная плитка) выпускают различных типоразмеров; чаще других используются плитки размером 150х150 и 200х300 мм. Кроме плиток выпускаются фасонные элементы: уголки, фризы и др. для отделки внешних и внутренних углов. По характеру поверхности плитки бывают плоские рельефно-орнаментированные и фактурные; по виду глазурного покрытия - прозрачные и глухие, блестящие и матовые одноцветные и декорированные многоцветными рисунками.

Плитки для полов (метлахские) благодаря их высокой износостойкости и минимальному водопоглощению применяют для настилки полов в зданиях, к чистоте которых предъявляются высокие требования, где возможно воздействие жиров, химических реагентов, интенсивное движение, а также в случаях, когда материал пола служит декоративным элементом в архитектурном оформлении помещения.

Облицовка керамикой - один из самых экономически эффективных видов отделки фасадов и интерьеров зданий. Первоначальная стоимость такой облицовки выше многих других видов отделки, но с учетом очень высокой долговечности керамики, керамическая облицовка оказывается выгоднее большинства других видов отделки.

Кровельные керамические материалы. Черепица - старейший искусственный кровельный материал, имеет долговечность до 300 лет и является одним из самых эффективных кровельных материалов. Недостатки ее - большой вес и трудоемкость устройства. Черепица требует мощной стропильной системы и обеспечение большого уклона кровли (не менее 30⁰).

Новый вид керамического кровельного материала, имитирующего кровельные плитки из природного сланца, - ардогрес. Размер плиток 40х40 и 20х40 мм, цвет - темно-серый и коричневый. Материал имеет чрезвычайно низкое водопоглощение (до 0,5%), высокую прочность, морозостойкость и долговечность.

Специальные керамические изделия. Санитарно-техническая керамика - раковины сливные бачки, унитазы и другие аналогичные изделия производятся из фарфора, полуфарфора, фаянса. Поверхность изделий покрывается блестящей глазурью.

Трубы керамические канализационные применяются для устройства безнапорных сетей канализации, транспортирующих промышленные, бытовые, дождевые, агрессивные и неагрессивные воды. Длина труб - 1000-1500 мм, внутренний диаметр - 150-600 мм. Трубы керамические дренажные применяются в мелиоративном строительстве для устройства закрытого дренажа с защитой стыков фильтрующими материалами. Внешняя поверхность покрывается глазурью. Вода в трубы поступает через круглые или щелевидные отверстия в стыках, а также через сами стыки труб.

Кирпич для дымовых труб применяется для кладки дымовых труб и обмуровки промышленных труб при температуре эксплуатации не выше 700⁰С. Клинкерный (дорожный) кирпич отличается высокой прочностью и морозостойкостью и применяется для покрытия дорог и мостовых, обмуровки канализационных коллекторов и облицовки набережных. Марки по прочности на сжатие такого кирпича - 1000, 700 и 400, морозостойкость соответственно - 100-50 циклов, водопоглощение не более 2-6%. Кислотоупорный кирпич и плитки применяются для защиты аппаратов и строительных конструкций, работающих в условиях кислых агрессивных сред.

Огнеупорные материалы получают по керамической технологии из различных сырьевых компонентов. Они делятся на огнеупорные (температура размягчения 1580-1770⁰С), высокоогнеупорные (1770-2000⁰С) и высшей огнеупорности (более 2000⁰С). В зависимости от химико-минерального состава огнеупоры могут быть кремнеземистые (основной компонент SiO₂), корундовые (на основе Al₂O₃), алюмосиликатные (состоят из SiO₂ и Al₂O₃ в разных соотношениях), магнезиальные на основе MgO (периклазовые), хромитовые, графитовые (углеродистые). Наибольшее применение в строительстве имеют кремнеземистые и алюмосиликатные огнеупоры. Для обеспечения высокотемпературной тепловой изоляции выпускают легковесные огнеупоры со средней плотностью от 400 до 1300 кг/м³ и пористостью соответственно 85-45%.

2.2 Неорганические вяжущие вещества

2.2.1 Общие сведения и классификация

Вяжущие вещества обладают ценным свойством - соединяют широко распространенные песок, гравий, щебень в единое целое, в искусственный камень. Вяжущие вещества по составу делят на две большие группы:

- неорганические, которые затворяют водой, реже водными растворами солей. К ним относятся известь, цементы, гипсовые вяжущие, жидкое стекло и др.;

- органические, переводимые в рабочее состояние нагреванием, расплавлением или растворением в органических жидкостях (битумы, дегти, животный клей, полимеры).

Неорганические вяжущие вещества - порошкообразные материалы, которые при смешивании с водой образуют пластично-вязкое тесто, способное в результате физико-химических процессов с течением времени затвердевать, т.е. переходить в камневидное состояние. Это свойство широко используют для изготовления необожженных искусственных материалов: бетонов, силикатного кирпича, асбестоцементных изделий, строительных растворов и др.

Неорганические вяжущие вещества в смеси с водой (в виде теста) применяют крайне редко, как правило - в виде строительных растворов (с мелкими заполнителями) и в виде бетонов (с мелким и крупным заполнителем). Введение заполнителя приводит к экономии вяжущего и к улучшению свойств искусственного камня.

Неорганические вяжущие вещества делятся на следующие группы:

· Воздушные вяжущие вещества способны схватываться, твердеть и длительно сохранять прочность только в воздушной среде. Такие материалы применяют лишь в надземных сооружениях, не подвергающихся действию воды. К ним относятся известковые вяжущие, состоящие главным образом из СаО; гипсовые, основой которых является сернокислый кальций; магнезиальные, содержащие каустический магнезит MgO; жидкое стекло - силикат натрия или калия в виде водного раствора.

· Гидравлические вяжущие способны твердеть и длительное время сохранять прочность (или даже повышать ее) не только на воздухе, но и в воде. По химическому составу они в основном состоят из четырех оксидов: СаО-SiO₂-Al₂O₃-Fe₂O₃. К ним относятся портландцемент и его разновидности, глиноземистый цемент и его разновидности, гидравлическая известь, романцемент.

· Вяжущие вещества автоклавного твердения эффективно твердеют только в среде нагретого насыщенного пара в автоклавах (t = 175-200 ⁰С, давление пара 0,9-1,3 МПа), например, известково-кремнеземистые, известково-зольные, известково-шлаковые, нефелиновый цемент и др.

Самостоятельную группу составляют кислотоупорные вяжущие вещества: кислотоупорный цемент, кварцевый кремнефтористый цемент и др. Они после затвердевания на воздухе могут длительное время сохранять прочность при действии на них кислот.

2.2.2 Воздушная известь

Воздушная известь - вяжущее вещество, получаемое в результате обжига ниже температуры спекания кальциево-магниевых карбонатных горных пород (известняка, мела, доломитизированного известняка и др.), состоящее преимущественно из оксида кальция. Известь, как и гипс, - очень древнее вяжущее вещество, которое было известно за несколько тысяч лет да нашей эры.

Сырьем для воздушной извести являются указанные выше горные породы при содержании примеси глины в них не более 6%.

Производство известковых вяжущих включает следующие основные технологические операции:

- добыча сырья;

- подготовка сырья и топлива к обжигу (дробление, сортировка по крупности и проч.);

- обжиг при температуре 900-1200 ⁰С;

- превращение продукта обжига в порошок путем гашения или помола;

- упаковка готового продукта.

Обжиг известняка производят в шахтных или вращающихся печах. Применяют также установки для обжига известняка “в кипящем слое”. Обжигают известняк до возможно более полного удаления СО₂ по реакциям:

СаСО₃ = СаО + СО₂ -Q

MgCO₃ = MgO + СО₂ -Q

Процесс декарбонизации эндотермический, то есть сопровождается поглощением тепла. Выделяющийся при данной реакции углекислый газ СО₂ , составляет 44% от массы СаСО₃, поэтому образующаяся комовая негашеная известь получается в виде пористых кусков, активно взаимодействующих с водой.

Гашение воздушной извести протекает с выделением такого большого количества тепла, что смесь закипает, поэтому комовую негашеную известь называют известью-кипелкой:

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂ + Q

Продукт гашения - гашеная известь из-за испарения воды самопроизвольно рассыпается в тонкодисперсный порошок, который называют известью-пушонкой (от слова «пух»).. Воздушная известь - единственное вяжущее, которое можно перевести в тонкодисперсное состояние не только помолом, но и гашением.

Таким образом, из комовой негашеной извести можно получить:

- при измельчении механическим путем (размолом в мельницах) - молотую негашеную известь;

- при измельчении химическим путем (гашении водой) - гашеную известь. В зависимости от количества воды затворения можно получить: гидратную известь-пушонку (60-80% Н₂О; = 400-450 кг/м³; частицы размером 5-20 мкм и менее); известковое тесто (2-3 части Н₂О на 1 часть извести-кипелки; 1400 кг/м³); известковое молоко (Н₂О более 3 частей; < 1300 кг/м³).

Твердение гашеной извести происходит медленно, на воздухе, ускоряется сушкой и обусловлено несколькими одновременно протекающими процессами:

- высыханием раствора, сближением кристаллов Са(ОН)₂ и их срастанием;

- карбонизацией за счет поглощения углекислоты из воздуха:

Са(ОН)₂ + СО₂ + nН₂О = СаСО₃ + (n+1) Н₂О;

- ростом кристаллов, увеличением площади контактов их срастания и повышением прочности камня.

Основные свойства воздушной извести:

- высокая пластичность известкового теста в т.ч. в смеси с песком, причем чем выше содержание основных оксидов (СаО + MgО) в извести, тем пластичнее известковое тесто и тем выше ее сорт;

- активность - процентное содержание активных, т.е. способных к гашению СаО и MgO;

- количество непогасившихся зерен: недожога - неразложившегося при обжиге СаСО₃, пережога - остеклованного трудногасящегося СаО.

- время гашения; различают: быстрогасящуюся известь - до 8 мин, среднегасящуюся - до 25 мин, медленногасящуюся - более 25 мин.

- прочность известковых растворов невелика: предел прочности при сжатии составляет 0.4 - 1,0 МПа - на гашеной извести, до 5,0 МПа - на молотой негашеной извести. Поэтому известь не делится на марки по прочности, а делится на сорта по показателям химического состава.

Воздушную известь применяют в растворах для каменной кладки без добавок и с добавками цемента, для штукатурных работ, как составную часть смешанных вяжущих (известково-шлаковые, известково-пуццолановые и проч.), для бетонов низких марок при работе конструкций в воздушно-сухих условиях, для изготовления силикатного кирпича и силикатных бетонов.

2.2.3 Гидравлические вяжущие вещества

Гидравлические свойства вяжущих обусловлены наличием в их составе силикатов, алюминатов, ферритов кальция и зависят от гидравлического модуля m и температуры обжига сырья:

m = ,

m более 9 для воздушной извести,

m = 1,7-9 для гидравлической извести,

m = 1,1-1,7 - для романцемента,

m = 1,9-2,4 - для портландцемента.

Усиление гидравлических свойств в ряду «воздушная известь гидравлическая известьроманцемент» связано с уменьшением гидравлического модуля с 9 до 2 при одинаковой температуре обжига 1000⁰С. Увеличение температуры обжига сырья с 1000 ⁰С до 1450 ⁰С, при которой наблюдается частичное плавление, приводит к получению качественно нового вяжущего - портландцемента.

2.2.4 Портландцемент

Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, в составе которого преобладают высокоосновные силикаты Са (70-80%). Его получают совместным помолом клинкера с добавкой природного гипса (3-5%).

Клинкер представляет собой зернистый камнеподобный материал, получаемый обжигом до спекания (при 1450 ⁰С) тщательно подобранной сырьевой смеси. Добавка гипса вводится для регулирования сроков схватывания портландцемента.

Открытие портландцемента (1824-1825 гг.) связывают с именами Е.Г. Челиева и Д. Аспдина (Великобритания).

Сырьем для производства портландцемента служат:

- известняки с высоким содержанием СаСО₃ (мел, плотный известняк и др.);

- глинистые породы состава Al₂O₃.nSiO₂.mH₂O (глины, глинистые сланцы);

- корректирующие добавки (пиритные огарки, трепел, опока, бокситы и др.).

Соотношение между карбонатными и глинистыми составляющими сырьевой смеси 3:1 (75% известняка и 25% глины).

Возможна замена глинистого и частично карбонатного компонента побочными продуктами промышленности - доменными или электротермофосфорными гранулированными шлаками, а также нефелиновым шламом, получающимся при производстве глинозема.

Производство портландцемента - сложный технологический и энергоемкий процесс, состоящий из ряда операций, которые можно разделить на две основные стадии. Первая - производство клинкера, вторая - измельчение клинкера совместно с гипсом, а в ряде случаев и с активными минеральными добавками.

Производство клинкера складывается из следующих технологических операций:

- добыча и доставка сырьевых материалов, их подготовка;

- приготовление сырьевой смеси заданного состава путем помола и смешивания сырьевых компонентов в определенном количественном соотношении;

- обжиг сырьевой смеси до спекания;

- интенсивное охлаждение клинкера;

- складирование клинкера.

Производство портландцемента включает:

- подготовку минеральных добавок (дробление, сушку);

- дробление гипсового камня;

- помол клинкера с активными минеральными добавками и гипсом;

- складирование, упаковку и отправку цемента потребителю.

Производство клинкера может осуществляться сухим, мокрым и комбинированным способом.

Сухой способ заключается в приготовлении сырьевой муки в виде тонкоизмельченного сухого порошка (из сухих или предварительно высушенных материалов) с остаточной влажностью 1-2%.

При мокром способе сырьевые материалы измельчаются и смешиваются в присутствии воды, поэтому смесь получается в виде водной суспензии - шлама с влажностью 35-45%. Это наиболее энергоемкий способ.

Комбинированный способ заключается в том, что приготовленный шлам до поступления в печь обезвоживается на фильтрах до влажности 16-18%. Однако энергоемкость производства в целом остается высокой.

Обжиг сырьевой смеси осуществляется в основном во вращающихся печах, работающих по принципу противотока. Печь имеет небольшой наклон и вращается со скоростью 1-2 об/мин. При мокром способе производства длина печи достигает 185 м. Сырье подается в печь со стороны ее верхнего (холодного) конца и при вращении печи медленно двигается к нижнему (горячему) концу, со стороны которого вдувается топливо (природный газ, мазут, воздушно-угольная смесь), сгорающее в виде 20-30-метрового факела. Двигаясь навстречу горячим газам, образующимся при сгорании топлива, сырье проходит различные температурные зоны. В каждой зоне проходят различные физико-химические превращения, в результате которых и получается цементный клинкер. Полученный в печи раскаленный клинкер поступает в холодильник, где резко охлаждается холодным воздухом. Клинкер выдерживают на складе 1-2 недели.

Химический состав клинкера выражают содержанием оксидов (% по массе):

СаО - 63-66 %, SiO₂ - 21-24 %, Al₂O₃ - 4-8 %, Fe₂O₃ - 2-4 %.

В процессе обжига, доводимого до спекания смеси, главные оксиды образуют силикаты, алюминаты и алюмоферрит кальция в виде минералов кристаллической структуры, а некоторая их часть входит в стекловидную фазу.

Минеральный состав клинкера:

- алит 3СаО. SiO₂ (С₃S) - 45-60% - самый важный минерал, определяет быстроту твердения, прочность и другие свойства;

- белит 2СаО. SiO₂ (С₂S) - 20-30% - медленно твердеет, но достигает высокой прочности при длительных сроках твердения;

- трехкальциевый алюминат 3СаО. Al₂O₃ (С₃А) - 4-12% - быстро гидратируется и твердеет, но конечная прочность его небольшая; является причиной сульфатной коррозии цементного камня;

- четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО. Al₂O₃ .Fe₂O₃ (С₄АF) - 10-20% по скорости твердения занимает промежуточное положение между С₃S и С₂S.

- клинкерное стекло 5-15% - затвердевшая в виде стекла часть расплава, содержит СаО, Al₂O₃ , Fe₂O₃ , MgO, К₂О, Na₂O.

- свободные оксиды кальция и магния могут присутствовать в виде зерен (СаО _своб) и в виде минерала периклаза (MgО _своб); их содержание не должно превосходить 1% и 5% соответственно; в случае их повышенного содержания может проявляться неравномерное изменение объема цемента при твердении и появление трещин;

- щелочные оксиды Na₂O и К₂О - их содержание не должно превышать 0,6%, так как при большем содержании они могут явиться причиной коррозии цементного бетона.

Твердение портландцемента происходит благодаря сложным физико-химическим процессам взаимодействия клинкерных минералов и гипса с водой.

2(3СаО. SiO₂) + 6H₂O = 3СаО. 2SiO₂. 3H₂O + 3Са(ОН)₂

гидросиликат Са гидроксид Са

2(2СаО. SiO₂) + 4H₂O = 3СаО. 2SiO₂. 3H₂O + Са(ОН)₂

3СаО. Al₂O₃+ 6H₂O = 3СаО. Al₂O₃. 6H₂O

гидроалюминат Са

В присутствии 3-5% гипса образуется практически нерастворимое соединение - гидросульфоалюминат кальция (эттрингит), который предотвращает быструю гидратацию С₃А за счет образования защитного слоя на его поверхности и замедляет схватывание.

Кроме того, роль добавки гипса состоит в улучшение свойств цементного камня (прочности, морозостойкости) за счет уплотнения структуры, связанного с увеличением объема эттрингита в еще не затвердевшей системе.

3СаО. Al₂O₃ + 3(СаSO₄.2H₂O) + 26 H₂O = 3СаО. Al₂O₃ . 3СаSO₄.32H₂O

гидросульфоалюминат кальция (эттрингит)

4СаО. Al₂O₃ . Fe₂O₃ + mH₂O = 3СаО. Al₂O₃ . 6H₂O + СаО. Fe₂O₃ . nH₂O

гидроалюминат Са гидроферрит Са

Структура цементного камня может быть представлена как микроскопическая неоднородная дисперсная система - “микробетон” (по В.Н. Юнгу).

Цементный камень включает:

- продукты гидратации цемента

· гель гидросиликатов (до 75% объема) и другие новообразования;

· кристаллы Са(ОН)₂ и эттрингита;

- непрореагировавшие зерна клинкера - клинкерный фонд;

- поры:

· поры геля (менее 0,1 мкм),

· капиллярные поры (от 0,1 до 10 мкм) между агрегатами частиц геля,

· воздушные поры (от 50 мкм до 2 мм).

Свойства портландцемента

Тонкость помола цемента определяет быстроту твердения и прочность цементного камня. Она должна быть такой, чтобы через сито № 008 проходило не менее 85% массы пробы (S_уд = 2500-3000 см²/г.).

Истинная плотность = 3,05-3,15 г/см³.

Насыпная плотность в среднем составляет 1300 кг/м³.

Водопотребность портландцемента характеризуется количеством воды (% от массы цемента), необходимым для получения цементного теста нормальной густоты и составляет 22-28%.

Табл. 2.3 Сроки схватывания цементов

Цемент	Сроки схватывания
	начало, мин., не ранее	конец, ч., не позднее
Портландцемент	45	10
Глиноземистый цемент	30	12

Равномерность изменения объема. К неравномерному изменению объема приводят местные деформации, вызываемые расширением СаО _своб и MgО _своб при их гидратации.

Марка портландцемента определяется испытанием стандартных образцов размером 4х4х16 см, изготовленных из цементно-песчаного раствора 1:3 (по массе) через 28 суток твердения (первые сутки - в формах во влажном воздухе, затем без форм в воде).

Тепловыделение зависит от минерального состава клинкера и тонкости помола.

Табл. 2.4 Требования к прочности образцов

Марка портландцемента	Предел прочности, МПа (кгс/см2), не менее
	при сжатии	при изгибе
400	39,2 (400)	5,4 (55)
500	49,0(500)	5,9(60)
550	53,9 (550)	6,1(62)
600	58,8(600)	6,4(65)

Табл. 2.5 Тепловыделение клинкерных минералов

Минерал	Выделение теплоты, Дж/г, минералами при сроке твердения
	3 сут	28 сут	3 мес
С3S	406	486	519
С2S	63	168	197
С3А.	591	876	930
С4АF	176	377	415

В целях гармонизации российских стандартов с европейскими нормами ГОСТ 31108-2003 и ГОСТ 30515-97 предусматривают разделение цементов по классам прочности. Эти стандарты действуют параллельно со старыми стандартами ГОСТ 10178 и ГОСТ 310, ориентированными на деление цементов на марки по прочности. Цементы всех классов делятся по скорости твердения на подклассы: нормально твердеющие (индекс Н) и быстротвердеющие (индекс Б).

Табл. 2.6 Соотношение марок и классов портландцемента

Марка портландцемента (ГОСТ 10178-85, ГОСТ22236-85)	Класс прочности (ГОСТ 31108- 2003)
300	22,5Н
400	32,5Н
400Б	32,5Б
500	42,5Н
500Б	42,5Б
550	52,5Н
600	52,5Б

Класс и марка выражаются в разных единицах измерения - в МПа и кгс/см² соответственно. Различия в численных значениях класса и марки при выражении их в одинаковых единицах измерения обусловлены только разными условиями испытания цемента.

Применение. Портландцемент - основной материал современной строительной индустрии, применяется для строительных растворов, бетонных и железобетонных изделий и конструкций, для специальных видов цемента, а также при изготовлении ряда других строительных материалов.

Глава 3. Строительные материалы на основе неорганических вяжущих веществ

Помимо описанных в данной главе цементных бетонов, на основе неорганических вяжущих веществ изготавливают строительные растворы различного состава и назначения, сухие строительные смеси, железобетон и изделия из него, искусственные каменные материалы (силикатные, гипсовые, асбестоцементные и др.).

3.1 Общие сведения и классификация

Бетоны - это искусственные каменные материалы, получаемые в результате твердения рационально подобранной смеси вяжущего вещества, заполнителей, воды и специальных добавок. До затвердевания этот состав называется бетонной смесью.

Преимуществами бетона, обусловившими его повсеместное применение, являются достаточная сырьевая база, простота изготовления, широкий диапазон свойств, декоративно-отделочные свойства и др. Сравнительно низкая прочность при растягивающих напряжениях, являющаяся недостатком, устраняется армированием его стальной арматурой. Бетон в соединении с металлом - железобетон, обладает высокой прочностью при сжатии, растяжении и изгибе.

Бетоны классифицируют по ряду признаков:

- По назначению: конструкционные и специального назначения (жаростойкие, химически стойкие, декоративные, теплоизоляционные и др.).

-. По виду вяжущего: цементные (наиболее распространенные), силикатные (известково-кремнеземистые), гипсовые, шлакощелочные, полимербетоны, полимерцементные, асфальтовые бетоны и др.

- По виду заполнителя: на плотных, пористых, специальных заполнителях.

- По структуре: плотной структуры (пористость растворной части менее 6%); поризованной (пористость более 6%); ячеистой; крупнопористой (беспесчаный бетон).

- По средней плотности:

- особо тяжелые (> 2500 кг/м³);

- тяжелые (= 2200-2500 кг/м³);

- облегченные (= 1800-2200 кг/м³);

- легкие (= 500-1800 кг/м³);

- особо легкие (менее 500 кг/м³).

- По условиям твердения: естественного твердения, с тепловой обработкой при атмосферном давлении (ТВО), автоклавного твердения.

3.2 Материалы для бетона

Цемент - главный исходный материал для изготовления бетона. Наиболее широко применяют портландцемент и его разновидности. Выбор цемента должен производиться исходя из комплекса требований, предъявляемых к бетону по прочности, химической стойкости, тепловыделению, морозостойкости, водонепроницаемости и др., а также с учетом технологии изготовления и особенностей конструкции.

Табл. 3.1

Марки бетона	М150	М200	М250	М300	М350	М400	М450	М500	М600 и выше
Марка цемента	М300	М300 М400	М400	М400 М500	М400 М500	М500 М600	М550 М600	М600	М600

Заполнители занимают до 85-90% объема, сокращают расход цемента, образуют жесткий скелет бетона, уменьшая его усадку; несколько увеличивают прочность и уменьшают деформации конструкций под нагрузкой.

Различают мелкий заполнитель (песок), имеющий частицы размером 0,16-5 мм, и крупный заполнитель (гравий или щебень), размер частиц которого 5-70 мм. При бетонировании массивных конструкций применяют щебень или гравий с крупностью до 150 мм. Крупность зерен определяют просеиванием заполнителей через набор стандартных сит.

Пески главным образом состоят из кварца SiO₂; возможны примеси полевых шпатов, слюды, известняка. Реже встречаются пески другого состава: полевошпатовые, известняковые. По происхождению пески бывают горные (овражные), речные, морские. Они различаются формой зерен и характером поверхности. Песок, используемый для приготовления бетона, должен отвечать стандартным требованиям по зерновому (гранулометрическому) составу, наличию примесей и загрязнений.

Зерновой состав песка определяют на стандартном наборе контрольных сит с размерами ячеек: 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 и 0,16 мм. Зерна менее 0,16 мм (пылеватые и глинистые примеси) попадают в поддон - их содержание не должно превышать 10%. Чем больше в песке мелких и мельчайших фракций, тем больше цементного теста требуется на обмазку зерен песка при приготовлении бетонной смеси, то есть расход цемента возрастет.

При определении зернового состава навеску сухого песка просеивают через набор сит и на каждом сите получают определенную фракцию песка по крупности (частные остатки), а затем вычисляют полные остатки. Полный остаток на любом сите равен сумме частных остатков на данном сите и всех частных остатков на ситах большего размера. Например, полный остаток на сите 0,63 равен А_0,63 = а_0,63 + а_1,25+а_2,5.

Суммируя полные остатки на ситах, вычисляют модуль крупности песка М_к (сумма полных остатков, деленная на 100).

Гравий имеет округлые зерна и гладкую поверхность. Щебень получают дроблением горных пород, в том числе и крупного гравия. Он имеет угловатые зерна и шероховатую поверхность. Форма зерен и гладкость поверхности влияют на сцепление цементного камня с заполнителем, на удобоукладываемость бетонной смеси, а также на расход цемента.

Табл. 3.2 Классификация песков по крупности

Группа песков	Полный остаток на сите с сеткой 0,63 мм, %	Модуль крупности	Водопотребность песка, %
Повышенной крупности	65-75	3,0-3,5	5-4
Крупный	45-65	2,5-3,0	6-5
Средний	30-45	2,0-2,5	8-6
Мелкий	10-30	1,5-2,0	10-8
Очень мелкий	Менее 10	Менее 1,5	Более 10

Зерновой состав крупного заполнителя определяется на контрольном наборе сит с размерами ячеек: 70, 40, 20, 10 и 5 мм и должен находиться в пределах. Наибольшая крупность крупного заполнителя D соответствует размеру отверстия сита, полный остаток на котором не превышает 10%; наименьшая крупность - размер отверстия сита, полный остаток на котором больше или равен 95%.

Табл. 3.3 Требования к зерновому составу крупного заполнителя

Размер контрольных сит	Наименьшая крупность d	0,5 (d+D)	Наибольшая крупность D	1,25D
	5(3) мм	10 мм и более	для одной фракции	для смеси фракций
Полный остаток на ситах, % по массе	95-100	90-100	40-80	50-70	0-10	0

По происхождению крупный заполнитель может быть природный, искусственный, из отходов промышленности (щебень из шлака, кирпичного боя, старого и бракованного бетона и проч.).

Важнейшими свойствами заполнителей являются плотность, зерновой и минеральный составы, форма и характер поверхности зерен, содержание вредных примесей, прочность, морозостойкость. Прочность крупного заполнителя для тяжелых бетонов должна быть в 1,5-2 раза больше прочности бетона.

Вода. В технологии бетонных работ воду используют для затворения бетонных и растворных смесей, для поливки бетона в процессе твердения, для промывки заполнителей. Применяют водопроводную питьевую воду, а также природную (вода рек, естественных водоемов) с рН не менее 4, содержащую не более 5000 мг/л минеральных солей. Вредными считаются органические вещества, растворимые соли, в особенности содержащие ионы (их содержание не должно превышать 2700 мг/л в пересчете на SO₃) и Сl^-, а также взвешенные частицы глины, песка, пыли, почвы.

Специальные добавки применяют для регулирования свойств бетона, бетонной смеси и экономии цемента. Различают добавки, регулирующие свойства бетонной смеси (пластифицирующие, стабилизирующие, водоудерживающие); регулирующие схватывание цемента и твердение бетона (ускоряющие твердение, замедляющие схватывание, противоморозные); добавки, регулирующие плотность и пористость бетона (воздухововлекающие, газообразующие и др.); добавки, придающие бетону специальные свойства (гидрофобизирующие, антикоррозийные и др.).

3.3 Свойства бетонной смеси

Бетонная смесь представляет собой сложную многокомпонентную систему, состоящую из тонкодисперсных частиц цемента, новообразований, возникающих при взаимодействии цемента с водой, частиц песка, крупного заполнителя, воды, вводимых в ряде случаев специальных добавок, вовлеченного воздуха.

По своему строению бетонная смесь представляет единое физическое тело, в котором частицы вяжущего, вода и зерна заполнителя связаны внутренними силами взаимодействия. Основной структурообразующей составляющей бетонной смеси является цементное тесто. Свойства бетонной смеси зависят от количества и качества цементного теста.

Основные свойства бетонной смеси

Тиксотропия - способность разжижаться при механических воздействиях (приобретать свойства тяжелой жидкости) и вновь загустевать после прекращения воздействий. Это свойство используется при виброуплотнении бетонных смесей.

Удобоукладываемость - способность бетонной смеси заполнять форму при данном способе уплотнения без расслоения, образуя в результате плотную, однородную массу. Удобоукладываемость оценивается:

· подвижностью, то есть способностью расплываться под действием собственного веса. Определяется осадкой стандартного конуса в см (чем больше осадка бетонного конуса, тем подвижнее, пластичнее смесь);

· жесткостью, оцениваемой временем вибрирования в секундах (с), необходимым для выравнивания и уплотнения бетонной смеси в стандартном приборе для определения жесткости. Жесткие смеси не дают осадки конуса (ОК=0).

Связность - способность бетонной смеси сохранять однородную структуру, т.е. не расслаиваться в процессе транспортирования, укладки и уплотнения.

Табл. 3.4 Классификация бетонных смесей по удобоукладываемости

Марка по удобоукладываемости	Норма удобоукладываемости по показателю
	жесткости (Ж), с	подвижности (ОК), см
Сверхжесткие смеси
СЖ 3	более 100	-
СЖ 2	51-100	-
СЖ 1	50 и менее	-
Жесткие смеси
Ж 4	31-60	-
Ж 3	21-30	-
Ж 2	11-20	-
Ж 1	5-10	-
Подвижные смеси
П 1	4 и менее	1-4
П 2	-	5-9
П 3	-	10-15
П 4	-	16-20
П 5	-	21 более

3.4 Основы технологии бетона

Процесс производства бетона состоит из ряда последовательных операций.

Подбор состава бетона осуществляется таким образом, чтобы бетонная смесь и затвердевший бетон имели заданные значения свойств (по удобоукладываемости, прочности, морозостойкости и проч.), и стоимость бетона при этом была бы как можно более низкой. Рассчитывают состав бетона для данных сырьевых материалов, используя зависимости, связывающие свойства бетона с его составом в виде формул, таблиц, номограмм.

Полученный состав бетона может быть выражен двумя способами:

- количеством составляющих в кг на 1 м³ бетона, например, цемент - 300, вода - 200, песок - 650, щебень - 1250;

- соотношением компонентов в частях по массе или по объему; при этом количество цемента принимают за единицу (например, Ц:В:П:К = 1:0,7:2:4 - на 1 часть цемента берется 0,7 частей воды, 2 части песка и 4 части крупного заполнителя).

Подготовка исходных материалов может включать дополнительный помол цемента (активизация), подготовка добавок, оттаивание и подогрев заполнителей в зимнее время и т.п.

Дозирование компонентов осуществляется в основном по массе, обычно с помощью автоматических дозаторов с точностью до ±1% для цемента, воды и водных растворов добавок и2 % для заполнителей.

Приготовление бетонной смеси осуществляют в бетоносмесителях периодического или непрерывного действия различной вместимости (от 75 до 4500 дм³). По принципу действия аппараты бывают гравитационные (со свободным падением материалов) и с принудительным перемешиванием. Последние применяют для перемешивания жестких смесей. Оптимальная продолжительность перемешивания зависит от состава, удобоукладываемости бетонной смеси и типа применяемого смесителя.

Транспортирование приготовленной бетонной смеси осуществляется автосамосвалами, автобетоновозами, автобетоносмесителями, на короткие расстояния - ленточными конвейерами, контейнерами, а также по трубам с помощью бетононасосов и пневмонагнетателей. Предельное время транспортирования устанавливается в зависимости от сроков схватывания цемента, температуры воздуха, вида транспорта и типа покрытия дорог.

Уплотнение производится с целью плотной укладки бетонной смеси в форму (опалубку). Недоуплотнение приводит к резкому уменьшению прочности и долговечности бетона, ухудшает прочие свойства. Для уплотнения применяют:

· вибрирование (виброплощадки, глубинные, поверхностные, навесные вибраторы),

· вибрирование с пригрузом, вибропрессование, виброштампование (для сверхжестких бетонных смесей),

· центрифугирование (для формования труб),

· безвибрационные методы (для литых бетонных смесей, уплотняющихся под действием собственного веса или путем штыкования) и другие методы.

Твердение бетона оптимально происходит летом во влажной среде, зимой - во влажной и теплой. В нормальных условиях, т.е. во влажном воздухе с температурой 202⁰С, предел прочности бетона при сжатии нарастает пропорционально логарифму времени твердения:

,

где n - срок твердения в сутках (n>3); R₂₈ - предел прочности бетона в возрасте 28 сут.

Чтобы защитить свежеуложенный бетон от испарения влаги, а поверхность бетона - от высыхания, его покрывают песком, опилками, периодически увлажняя их. Используется также защита полимерными пленками, битумными и полимерными эмульсиями.

На заводах сборного железобетона для ускорения твердения используют тепловлажностную обработку: пропаривание при 85-90⁰С, автоклавную обработку, электропрогрев, воздействие инфракрасного излучения и проч.).

Для ускорения набора прочности бетоном используют быстротвердеющие и особобыстротвердеющие цементы, а также добавки - ускорители твердения. В зимнее время твердеющий бетон предохраняют от замерзания различными методами.

3.5 Свойства бетона

Прочность - главное свойство бетона как конструкционного материала, зависящее от его состава, структуры, характеристик компонентов, условий приготовления, твердения, эксплуатации и прочих факторов. Действие этих факторов можно свести к двум основным: прочности затвердевшего цементного камня и прочности его сцепления с заполнителем. Прочность цементного камня в свою очередь определяется активностью (маркой) цемента (R_ц) и соотношением количеств цемента и воды - цементно-водным отношением Ц/В.

Основной закон прочности бетона

Цемент при твердении химически связывает не более 20-25% воды от своей массы. Фактически же для обеспечения необходимой подвижности бетонной смеси берут 40-80% воды. Вода необходима также для смачивания поверхности песка и крупного заполнителя. Свободная, химически не связанная вода образует в бетоне поры. Чем больше пор, тем ниже будет прочность бетона.

Исследованиями была установлена следующая зависимость:

R_б = R_ц / (к(В/Ц)ⁿ) (формула Н.М.Беляева),

где: R_б - прочность бетона, R_{ц -} марка (активность) цемента, В/Ц - водоцементное отношение, к и n - коэффициенты, зависящие от вида бетона и качества заполнителей (к=3,5 для щебня и 4 для гравия, n=1,5 для тяжелого бетона).

На практике при подборе состава бетона пользуются линейной зависимостью:

R_б = А R_ц (Ц/В b),

где А - коэффициент, учитывающий качество заполнителей (0,65; 0,6 и 0,55), b - постоянный коэффициент (для Ц/В =1,4-2,5 b=-0,5, а для Ц/В=2,5-3,3 b=+0,5). Бетоны с высоким цементно-водным отношением относятся к высокопрочным бетонам.

При расчете состава бетона используют также:

- уравнение абсолютных объемов:

Ц/_ц+В/_в+П/_п+К /_к = 1000 дм³,

где Ц, В, П, К - расходы на 1м³ бетона соответственно цемента, воды, песка и крупного заполнителя, кг; _ц, _в, _п, _к - истинная плотность зерен этих материалов, кг/дм³ и

- уравнение, показывающее, что в плотно уложенном бетоне пустоты между зернами крупного заполнителя должны быть заполнены цементно-песчаным раствором с учетом некоторой раздвижки зерен:

Ц/_ц+В/_в+П/_п= К /_нк. _к .к_{разд ,}

где с_нк - насыпная плотность крупного заполнителя, кг/дм³; _к - пустотность крупного заполнителя; к_разд - коэффициент раздвижки зерен заполнителя.

Марка бетона по прочности - числовая характеристика, определяемая испытанием на одноосное сжатие стандартных образцов-кубов с ребром 150 мм, изготовленных из бетонной смеси рабочего состава и испытанных в возрасте 28 сут. после твердения в нормальных условиях. (М100, М150 .... М800, кгс/см² - для тяжелых бетонов).

Класс бетона (В) - числовая характеристика, определяемая величиной гарантированной прочности с обеспеченностью 0,95. Это значит, что заданная прочность достигается в 95 случаях из 100.

Стандарт устанавливает следующие классы тяжелого бетона по прочности на сжатие (МПа): В3,5; В5; В7,5; ... В60. Для перехода от класса бетона В к средней прочности бетона - марке (при нормативном коэффициенте вариации 13,5%) следует применять формулу:

= В/0,778.

Деформативные свойства. Под нагрузкой бетон ведет себя как упруго-вязко-пластичное тело. При небольших напряжениях бетон деформируется как упругий материал, а при больших напряжениях начинает проявляться пластическая (остаточная) деформация. Ползучесть - способность бетона к увеличению деформаций под действием постоянной нагрузки какого-либо вида сжатия, растяжения, изгиба. Деформации ползучести затухают через несколько лет эксплуатации конструкции.

Усадка и набухание связаны с физико-химическими процессами, происходящими в бетоне при твердении, и изменением его влажности. Усадка у бетонов колеблется в основном от 0,2 до 0,4 мм/м в годичном возрастн; величина набухания значительно меньше.

Сцепление с арматурой для тяжелого бетона на портландцементе составляет примерно 15-20% предела прочности бетона при сжатии в возрасте 28 сут.

Водонепроницаемость бетона зависит от проницаемости цементного камня, заполнителя и контактной зоны. Характеризуется маркой по водонепроницаемости (МПа): W0,2; W0,4; W0,6; W0,8; W1,2.

Морозостойкость определяет долговечность бетона и зависит от качества использованных материалов и капиллярно-пористой структуры бетона. Марки по морозостойкости: F50, F75... F500.

Теплопроводность изменяется от 1,3-1,7 Вт/(м.⁰С) для тяжелых бетонов до 0,2-0,7 Вт/(м.⁰С) для легких бетонов.

Коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР) тяжелого бетона (10-12)^.10^{-6 0}С^-1 близок к КЛТР стали, что обеспечивает совместимость термических деформаций бетона и арматуры.

Глава 4. Строительные материалы на основе органических вяжущих веществ

4.1 Общие сведения и классификация

Первыми органическими вяжущими, которые начали применять в строительстве, были битумы и дегти. На основе битума и дегтя получают разнообразные материалы: эмульсии, пасты, мастики, растворы, бетоны, рулонные и штучные изделия. Битумные и дегтевые вяжущие имеют темно-коричневый или черный цвет, поэтому их часто называют “черными вяжущими”.

Общий признак этих вяжущих - способность размягчаться, т.е. уменьшать свою вязкость при нагревании и затвердевать при охлаждении. Характерными особенностями материалов на основе битума или дегтя являются высокая водостойкость, водонепроницаемость, гидрофобность, химическая стойкость, высокая адгезионная способность по отношению к каменным материалам, растворимость в органических растворителях.

Классифицируют битумные и дегтевые материалы по следующим признакам:

- по виду вяжущего: битумные, дегтевые, гудрокамовые (смешанного вида), дегтебитумные, битумно-полимерные, дегтеполимерные;

- по технологическим особенностям: штучные (листовые), рулонные, эмульсии, мастики, растворы, бетоны;

- по структурным признакам для каждой группы материалов: например, рулонные материалы делят на основные и безосновные, покровные и беспокровные;

- по назначению: дорожные, кровельные, гидроизоляционные, теплоизоляционные, полифункциональные.

Битумы бывают природные и искусственные. Природные (твердые или вязкие) образовались в результате естественного процесса окислительной полимеризации нефти; встречаются в местах нефтяных месторождений, образуя линзы, а иногда и асфальтовые озера. Однако чаще они содержатся в пористых горных породах (известняках, доломитах, песчаниках, глинах, песках), называемых асфальтовыми породами. Нефтяные (искусственные) битумы получают переработкой нефтяного сырья. В зависимости от технологии производства их делят на остаточные, получаемые из гудрона путем глубокого отбора масел; окисленные, получаемые окислением гудрона в специальных аппаратах (продувка воздухом); крекинговые, получаемые переработкой остатков, образующихся при крекинге нефти.

4.2 Битумы

Состав и строение

Битумы состоят из смеси высокомолекулярных углеводородов, главным образом метанового (С_nН_2n+2) и нафтенового (С_nН_2n) рядов и их неметаллических производных (кислородных, сернистых и азотистых).

Элементарный состав битумов: 70-80% - углерод (С), 10-15% - водород (Н), 2-9% - сера (S), 1-5% - кислород (О), 0-2% -азот (N). Эти элементы находятся в битуме в виде углеводородов от С₉Н₂₀ до С₃₀Н_{62 .}

Углеводороды битума образуют группы веществ с более или менее сходными свойствами:

Табл. 4.1

	консистенция	плотность	молекулярная масса	влияние на свойства битума
масла	жидкая фракция	с< 1	100-500	придают подвижность, текучесть, термопластичность
смолы	твердая или полутвердая	с~1	500-1000	придают вяжущие свойства, пластичность, адгезионные свойства
асфальтены	твердые	с > 1	1000-5000	придают твердость и тугоплавкость
асфальтогеновые кислоты (до 3%)	твердые или высоковязкие	поверхностно-активная часть битума, способствует повышению прочности сцепления битума с другими материалами (повышают адгезионные свойства
парафины (должно быть.? 5%)	ухудшают свойства, повышают хрупкость при пониженных температурах

Групповые углеводороды образуют сложную дисперсную коллоидную систему, состоящую из дисперсионной среды - раствора смол или их части в маслах и дисперсной фазы - асфальтенов с адсорбированной на них частью смол (комплексные частицы этой системы называются мицеллы).

Такой состав определяет практические способы перевода твердых битумов в рабочее состояние:

- нагревание до 140-170⁰С, размягчающее смолы и увеличивающее их растворимость в маслах;

- растворение битума в органическом растворителе (для придания рабочей консистенции без нагрева (холодные мастики и т.п.);

- эмульгирование и получение битумных эмульсий и паст.

Свойства битумов

Помимо перечисленных выше общих свойств, характерных для «черных вяжущих», можно отметить специфические свойства битумов. Плотность с= 0,8 -1,3 г/см³ (зависит от группового состава); теплопроводность л= 0,5-0,6 Вт/(м ⁰С). Устойчивость при нагревании характеризуется потерей массы пробы при 160⁰С в течение 5 ч (не более 1%) и температурой вспышки (230-240⁰С в зависимости от марки битума)

Поверхностное натяжение при 20-25⁰С составляет 25-35 эрг/см². Старение битума - изменение свойств, повышение хрупкости, снижение гидрофобности под действием солнечного света и кислорода воздуха. Реологические свойства (вязкость, предельное напряжение сдвига) битума зависят от группового состава.

Химическая стойкость - битумы стойки к действию агрессивных веществ (например, кислот), вызывающих коррозию цементных бетонов, металлов и др. строительных материалов.

Твердость (вязкость) битума находят по глубине проникания в битум иглы в битум (в десятых долях миллиметра) при температуре 25⁰С на приборе - пенетрометре;

Температура размягчения определяется на стандартном приборе “Кольцо и шар”, помещаемом в сосуд с водой. Температурой размягчения считается температура, при которой стальной шарик проваливается сквозь битум, заплавленный в кольцо.

Растяжимость битума характеризуется абсолютным удлинением (в см) стандартного образца битума (в виде «восьмерки») при температуре 25⁰С, определяемым на приборе - дуктилометре.

Табл. 4.2 Физико-механические свойства нефтяных битумов

Марка битума	Температура размягчения, 0С, не ниже	Растяжимость при 25 0С, см, не менее	Глубина проникания иглы при 25 0С, 0,1 мм
Строительные битумы
БН-50/50	50	40	41-60
БН-70/30	70	3	21-40
БН-90/10	90	1	5-20
Кровельные битумы
БНК-45/180	40-50	не нормируется	140-220
БНК-90/40	85-95	не нормируется	35-45
БНК-90/30	85-95	не нормируется	25-35

Строительные битумы применяют для изготовления асфальтовых бетонов и растворов, приклеивающих и изоляционных мастик, для покрытия и восстановления рулонных кровель.

Кровельные битумы используют для изготовления рулонных и штучных кровельных и гидроизоляционных материалов: рубероид, пергамин (их современные модификации), мягкая битумная черепица, наплавляемый рубероид, стеклорубероид, стекловойлок, гидростеклоизол, фольгоизол, гидроизол, изол, бризол и др. Герметизирующие материалы (герметики) на основе битумов: мастики (в т.ч. нетвердеющие), эластичные прокладки (пороизол, гернит) и др.

Битум применяется и в кровельных и гидроизоляционных материалах нового поколения.

Для улучшения свойств битумных материалов используют:

- модификацию битумного вяжущего полимерами;

- новые прочные, долговечные негниющие основы (стеклоткань, полиэстер и проч.);

- новые виды бронирующих посыпок и др.

4.3 Дегти

Дегтевые вяжущие вещества включают различные виды дегтя и пеки. Дегти получают в процессе сухой перегонки, то есть нагревания без доступа воздуха, твердых видов топлива - каменного или бурого угля, сланца, древесины, торфа и др. с целью получения кокса, полукокса, газа и т.п. Получающиеся при этом летучие вещества после конденсации (сгущения) образуют вязкие, черно-коричневого цвета жидкости, называемые дегтями. В строительстве применяют, главным образом, каменноугольные дегти, получаемые в коксохимическом производстве и обладающие более высокими строительными свойствами, чем другие дегти.

Виды дегтевых вяжущих веществ:

- сырые дегти - низко- и высокотемпературные, получаемые при полукоксовании и коксовании каменных углей соответственно при 500-700 и 900-1100⁰С; содержат много летучих веществ, характеризующихся низкой атмосферостойкостью и непосредственно для производства строительных материалов не применяются;

- отогнанный деготь (каменноугольная смола) получают из сырого путем отгонки воды, легких и частично средних масел; используют в производстве строительных материалов;

- пек - твердый остаток перегонки сырой каменноугольной смолы; аморфная хрупкая масса черного цвета с = 1,25-1,28 г/см³, состоящая из высокомолекулярных углеводородов и их производных, а также свободного углерода (8-30%);

- составленные дегти получают сплавлением пеков с дегтевыми маслами (антраценовыми и др.) или обезвоженными сырыми дегтями; широко применяются в строительстве;

...