/
Автор: Горчаков Г.И.
Теги: строительные материалы и изделия строительство строительные материалы
Год: 1986
Текст
Г. И. ГОРЧАКОВ, Ю. М. БАЖЕНОВ
СТРОИТЕЛЬНЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
Допущено
Министерством высшего и среднего
специального образования СССР
в качестве учебника для студентов
строительных специальностей
высших учебных заведений
УДК 601<07КЯ>
Рецензенты: кафедра дорожно-строительных материалов
Харьковского автомобильно-дорожного института (д-р. техн,
наук проф. И. М. Грушко); д-р техн, наук, проф. Б. В. Гу-
сев (НИИЖБ)
Горчаков Г. И., Баженов Ю. М.
Г 70 Строительные материалы: Учеб, для вузов.—
М.: Стройиздат, 1986. —688 с., ил.
применение наиболее распространенных строительных' материалов?
эоб£И>на. теплоизоляционных и акустических, металлов, стекла, поли-
CKHt^p^yptoB. снижении материальных и трудовых затрат, использо-
^вани^|^мь^ленных отходов в связи страной окружающей среды.
’ у 3208000000—541
047(01)—86
ББК 3S3
вез
© Стройиздат, 1986
Курс «Строительные материалы» в учебном плане
подготовки инженеров-строителей является базисным
для дисциплин: архитектуры, технологии строительного
производства, железобетонных и металлических конст-
рукции, конструкций из дерева и пластмасс, экономики
и организации строительства. Учебник написан примени-
тельно к программе дисциплины «Строительные мате-
риалы» для строительных специальностей вузов.
Текст изложен с учетом основных направлений науч-
но-технического прогресса в области строительных мате-
риалов, определенных на двенадцатую пятилетку и на
период до 2000 года. В соответствии с поставленными
задачами использования вторичных продуктов, охраны
окружающей среды и экономии топливно-энергетических
ресурсов впервые освещены безотходное производство
строительных материалов на базе комплексной перера-
ботки побочных промышленных продуктов (металлурги-
ческих шлаков, зол ТЭС и шламов химических произ-
водств), а также мероприятия по экономии материаль-
ных и трудовых ресурсов, снижению расхода топлива и
энергии в производстве строительных материалов.
В методическом отношении учебник построен так,
чтобы будущий специалист мог самостоятельно решать
сложные задачи в области применения весьма широкой
номенклатуры традиционных и новых строительных ма-
териалов, поэтому изложение ведется на основе общих
связей внутреннего строения материала и его свойств.
Качество строительного материала всегда определяется
его структурой, поэтому при необходимости получить ма-
териал с заданными свойствами нужно создать структу-
ру, которая бы отвечала его заданным техническим ха-
рактеристикам. Этой методической основой объединено
изучение многообразных неорганических и органических
строительных материалов.
Большое внимание уделено общим закономерностям
строительного материаловедения, основанным на зако-
нах химии, физики, физической химии. В отличие от
учебной литературы по строительным материалам с
явно выраженным описательным «рецептурным» укло-
ном, в настоящем учебнике акцент сделан на изучении
общих теоретических основ материаловедения, позволя-
ющих проектировать и применять строительные матери-
алы с заданными свойствами. С позиций указанных наук
пяссмотоены процессы твердения вяжущих веществ. Ис-
польХшы новейшие данные, содержащиеся в трудах
"^Московского и VII Парижского международных кон-
ГРесОце^юХуМсп“шногТоасуществления Продовольствен-
ной программы СССР в учебнике представлены местные
строительные материалы, которые могут быть эффектив-
но применены при возведении сельскохозяйственных
комплексов, животноводческих помещений, элеваторов и'
других зданий и сооружений.
В учебник введена глава, посвященная металличес-
ким материалам и изделиям из них, поскольку програм-
мой предусмотрено ее изучение в дисциплине «Строи-
тельные материалы».
Впервые кратко даны элементы теории композицион-
ных материалов, так как многие строительные материа-
лы (асбестоцемент, стеклопластики, бетонополимер и
др.) по своей структуре относятся к композитам. Их изу-
чение на основе этой теории необходимо для усвоения
принципов создания новых материалов с улучшенными
физико-механическими свойствами. Представлены новые
виды теплоизоляции, необходимые для снижения расхо-
да топлива и уменьшения потерь энергии при эксплуата-
ции зданий, промышленного оборудования и трубопрово-
дов, а также новые эффективные теплоизоляционные ма-
териалы: минераловатные твердые плиты на синтетичес-
ком связующем, стеклопор, пенопласты, наполненные
стеклопором, и др. В соответствии с новыми норматив-
ными документами подробно изложены акустические
материалы и изделия.
Из лакокрасочных материалов более подробно рас-
смотрены полимерные, эмульсионные красочные составы
как не требующие затрат природного пищевого сырья.
Предисловие, введение, гл. 1—5, 10, 12—15, 18 § 7
гл. 6. § 1 и 2 гл. 17, § 3 гл. 19 написаны Г. И. Горчако-
^МмГ1с7~9' 1 ’• 16’ § 1-6 гл- 6,§ 3 гл. 17, § 1. 2 гл. 19—
Kj. М Ьаженовым. Общее редактирование осуществле-
но I И. Горчаковым.
Авторы выражают глубокую признательность коллек-
тиву кафедры дорожно-строительных материалов Харь-
^Л0%аВТОМОбильно'дорожного института имени Ком-
п л^иУм₽аг'НЫ <заведУюШнй кафедрой д-р техн, наук,
rv <я гРУшко) и д-ру техн, наук, проф. Б. В. Гусе-
ву за замечания, улучшающие содержание книги. ’
ВВЕДЕНИЕ
Промышленность строительных материалов являете. «...
народное хозяйства, от которой завис,.? экономней п’оТиХл
кру0®^’м™оГнвя^.‘О?НИМ 1,3 условий роста
i=SF:=S=F
=£=S=^=1=
трудоемкости строительства, уменьшение веса зданий я сооружений
и повышение их тепловой защиты. В связи с этим разрабатывают-
ся технологии производства строительных материалов с ис’Х
зонзнпем золы и шлаков ТЭС, металлургических и фосфорных
го£™-№в“»=«>Щей промышленности и углеобога-
тительных фабрик. Для экономии топливно-энергетических ресурсов
переводятся на энергосберегающие технологии предприятия по произ-
водству цемента, извести, стекла, железобетонных и керамических
изделии. Например, развивается сухой способ производства порт-
ландцемента, сокращающий затраты энергии в 1,5—2 раза по срав-
нению с мокрым способом.
Основной задачей в капитальном строительстве является повы-
шение эффективности капитальных вложений на базе индустриали-
зации, означающей перевод строительства на непрерывный процесс
комплексной механизированной сборки зданий и сооружений из
укрупненных готовых конструкций заводского изготовления.
Затраты на материалы составляют более половины общей стои-
мости строительно-монтажных работ и около одной трети капиталь-
ных вложений в народное хозяйство СССР. Производство строитель-
ных материалов связано с добычен и переработкой огромного коли-
более 57 % речным транспортом СССР. Снижение массы материа-
лов позволяет сократить транспортные затраты, укрупнить конструк-
ции, уменьшить трудоемкость и стоимость строительства. Каждый
процент снижения затрат на строительные материалы ежегодно эко-
номит около 400 млн. руб.
Советскую технологию производства цемента, бетонов, керами-
ки, теплоизоляционных и других материалов используют многие
страны. Советскими учеными сделано открытие в области химии
и технологии цемента, позволяющее снизить температуру обжига
сырья и существенно сократить энергетические затраты. .
В настоящее время осуществляется внедрение гибкой технологии,
позволяющей быстро перестраивать производство на изготовление
новой продукции, а также получать материалы с заданными свойст-
вами по энергосберегающей и безотходной технологии.
Советский Союз опередил развитые капиталистические страны
по производству ряда важнейших строительных материалов: цемента,
1 В. И. Ленин. Поли. собр. соч., т. 3, с. 525.
сборного железобетона, асбестоцементных листовых материалов и
труб, оконного стекла монолитного бетона и сборного
Большие объем“"3™т““и,ге1|ИЯ выпуска и улучшения качест-
железобетона потребовал и J _ „дство нерудных материалов в
ва щебня, гРав,|Я “ ка„ м? Возникла новая отрасль промыш-
1980 г. достигло 970.6 млн. пористых заполнителе.! для
ленностн-нронзводсюо Созданы крупные
преллрня™яН°по язго^говле'нию ^плотных и ячеистых силикатных «а-
териалов автоклаь154 млн. т стали, выпуск проката
черных металловгосХл 107 млн. т. Расширена номенклатура про-
“"ре^оТовшииГгоиень^ртнзводства керамических изделий.
Освоев^ выпуск разных ₽вндов зфРф=ктквного кирпича. «Раш-есхих
лппкпи Ляс'алных облицовочных керамических плит и плиток.
ных "'“г^опзаХТш’ых м™РКГв'1мМ^
1723в',большнхЯГобъемах производятся теплоизоляционные материи-
лы- минеральная вата и изделия из нее, газосиликат и газобетон,
материалы для высокотемпературной изоляции с применением вспу-
ченных вермикулита и перлита. Выпуск минераловатных изделий в
1980 г. составил 21,5 млн. м’. £ ___
Освоено производство крупноразмерных асоестоцементных лис-
тов для стен и кровель, высоконапорных асбестоцементных труб.
В нашей стране больше, чем в какой-либо другой, производится
листового стекла. В 1980 г. его было выпушено 245 млн м2. Полу-
чило развитие производство витринного, армированного и теплопо-
глошаюшего стекла, стеклянных труб, блоков, пеностекла, стеклянной
Созданы крупные предприятия, выпускающие строительные изде-
лия из пластмасс. На основе полимеров изготовляют санитарно-тех-
ническое оборудование, различные материалы для теплоизоляции,
гидроизоляции,' устройства чистых полов и других целей. Синтетиче-
ские смолы широко используют также в производстве клеев и лако-
красочных материалов взамен природных смол и растительных масел. *
Успехи промышленности строительных материалов объясняются
не только созданием крупной сети предприятий, но и осуществлени-
ем комплексной механизации произвдетва, внедрением автоматиче-
Труды русских и советских ученых по химии силикатов, техно-
логии цемента, силикатного бетона, сборного железобетона, керами-
ки, стеклоделие ризнание Еще в XIX и
начале XX в. работы русских ученых Н. А. Белелюбского, Н. Н. Ля-
мина. II. Г. Малюги, V Р. Шуляченко оказали большое влияние на
развитие отечественной науки о строительных материалах
Благодаря трудам академиков Д. С. Белянкина, Ф. 10. Левин-
тон Лессинга, В. А Обручева, А. Ф. Ферсмана н других ученых, ра-
ботам Академии наук СССР, а также ряда отраслевых институтов
были исследованы богатейшие месторождения гранитов, мраморов,
известняков н других природных каменных материалов
.. би3е ^киюполагающих работ А. А. Байкова, П. А. Ребин-
SKLuJ - ЮНГа “ дРугих выдающихся ученых развивается теория
вердения вяжущих веществ. Дальнейшее развитие науки о вяжущих
жж”»:,ss-„"c"«
iSXxiys.'sS.-Ejre
страненне получили работы по механизации Л Большое распро-
^°™^®pнCoro^,,жapocтoйюгo?втeopнияЛ™pот^orrlи^нlC^вftчw^^^^,'
₽₽0&1нрЪ^
иевТа" С В"iftl*0"' Ф М’ И„Ванова' В Б О в"^
жад“обетонн^еконструкцпн для^маассеовоСгНоОстроОнтад1^тваЛГОВеЧНЫе
лние^а^ГГ^Г.^
™аи ДРУГИХ уЧеНЫХ- Они РазРаб°тали TeopeLXe основы глн-
новеде.чия, раскрыли процессы, происходящие при тепловой обработ-
ке глин, подробно изучили глины нашей страны. Р
nU,n?o ™ДЫ Со?етской власти промышленность строительных мате-
лагающую А превРатнлась в кРУ"ную отрасль индустрии, распо-
тиями. квалифицированными кадрами и крупной научной базой/
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Стооительная конструкция воспринимает те или иные I
нагрузки и подвергается действию окружающей среды. 1
Поэтомустроительные материалы должны обладать оп- I
ределеннон прочностью, а также способностью сопротив- 1
литься физическим и химическим воздействиям среды:
воздуха и содержащихся в нем паров и газов, воды и ]
растворенных в ней веществ, колебаниям температуры и 1
влажности, совместно воды и мороза при многократном I
замораживании и оттаивании.
Исходя из условий работы материалов в сооружении |
их можно разделить по назначению на две группы.
Первую группу составляют конструкционные матери- I
алы, применяемые для несущих конструкций: 1) природ-' I
ные каменные материалы; 2) неорганические и органиче- I
скпе вяжущие вещества; 3) искусственные каменные ма- ]
териалы: а) получаемые на основе вяжущих веществ I
(бетоны, железобетон, строительные растворы); б) полу-
чаемые термической обработкой минерального сырья I
(керамические материалы и изделия, стекло, ситаллы);
3) металлы (сталь, чугун, алюминий, сплавы); 4) поли-
меры; 5) древесные материалы; 6) композиционные ма- >
териалы (асбестоцемент, бетонополимер, фибробетон, j
стеклопластики и др.).
Вторая группа объединяет строительные материалы |
специального назначения, необходимые для защиты кон- а
струкций от вредных воздействий среды, а также для I
повышения эксплуатационных свойств и создания ком-
форта: I) теплоизоляционные; 2) акустические; 3) гидро-
изоляционные, кровельные и герметизирующие; 4) отде- 1
лочные; 5) антикоррозионные; 6) огнеупорные; 7) мате- 1
риалы для защиты от радиационных воздействий.
1. Стандартизация свойств
и п^Т±. "₽аВ"-1Ь"° выбрать материал, спроектировать
поим₽няемЬ сооружеН|,е- над° хорошо знать свойства
применяемых материалов.
личными^воТтп’ам Пр"МеНЯЮТ много материалов с раз- 1
ств важны. 0Л"аК0 сУществУют основные свой-
ства, важные для всех строительных материалов. К та-
КИМ свойствам можно отнести: плотность, пористость,
прочность, деформируемость и стойкость в эксплуатаци-
онных условиях. Указанные свойства определяют каче-
ство материала и возможность его применения в той или
другой конструкции.
Свойства материала всегда оценивают числовыми по-
казателями, которые устанавливают путем испытаний.
Для получения сопоставимых данных, которыми можно
воспользоваться при расчете конструкций, испытания
обязательно проводят единообразно, как установлено го-
сударственными общесоюзными стандартами (ГОСТа-
13 СССР создана единая государственная система
стандартизации, которая применяется во всех отраслях
народного хозяйства. Этим самым создается эффектив-
ность действия стандартов как одного из средств ускоре-
ния научно-технического прогресса и повышения качест-
ва продукции.
Система органов и служб стандартизации представ-
лена общесоюзным органом по стандартизации (Госу-
дарственным комитетом стандартов Совета Министров
СССР) и его службами — службой стандартизации в от-
раслях народного хозяйства, службой стандартизации в
союзных республиках. В зависимости от сферы действия
стандарты могут быть государственными (ГОСТ), отрас-
левыми (ОСТ), республиканскими (РСТ) и стандартами
предприятий (СТП).
Государственные стандарты — это обязательный до-
кумент для всех предприятий, организаций и учрежде-
ний, независимо от их ведомственной подчиненности, во
всех отраслях народного хозяйства СССР и союзных рес-
публик. Такне стандарты утверждает Госстандарт, а
стандарты в области строительства и строительных ма-
териалов — Государственный комитет СССР по делам
строительства (Госстрой СССР). Особо важные государ-
ственные стандарты (по специальному перечню) утверж-
дает Совет Министров СССР.
В области строительных материалов и изделий наи-
более распространены стандарты: технических условий;
технических требований; типов изделий и их основных
параметров, методов испытаний; правил приемки, мар--
кировки, упаковки, транспортирования и хранения.
Стандарты технических требований нормируют пока-
затели качества, надежности и долговечности продукции,
„ внешний вид. Вместе с тем такие стандарты устанав-
ливают гарантийный срок службы и комплектность по-
ставки изделии Большинство стандартов на строптель-
ставки издели . эт0 стандарты технических
требований Значительная часть требований стандартов
связана с физико-механическими характеристиками ма-
териалов (плотностью, водопоглощением, влажностью,
прочностью, морозостойкостью И др ).
Одна из особенностей государственной системы стан-
дартизации в строительстве и технологии строительных
изделий состоит в том, что кроме стандартов здесь дейст-
вует система нормативных документов, объединенная в
Строительные нормы и правила (СНиП). СНиП это
свод общесоюзных нормативных документов по проекти-
рованию, строительству и строительным материалам,
обязательный для всех организаций и предприятий.
Методическую основу стандартизации размеров в
проектировании, изготовлении строительных изделий и
при возведении сооружений составляет Модульная коор-
динация размеров в строительстве (МКРС), представля-
ющая собой совокупность правил координации размеров
элементов зданий и сооружений, строительных изделий
и оборудования на базе основного модуля, равного 100 мм
(обозначается 1М). Применение МКРС позволяет уни-
фицировать и сократить число типоразмеров строитель-
ных изделий из разных материалов или отличающихся
по конструкции. Изделия и детали одинаковых типораз-
меров, изготовленные в соответствии с требованиями
МКРС могут быть использованы в зданиях разнообраз-
ного назначения.
В МКРС входят и произвольные модули, которые по-
лучают путем умножения основного модуля на целые или
дробные коэффициенты. При умножении на целые коэф-
фициенты образуются укрупненные модули, а при умно-
жении на коэффициенты менее единицы — дробные мо-
дули (табл. 1.1). к
Производные укрупненные модули (60М, ЗОМ, 12М)
и кратные им размеры рекомендуются для назначения
?м0Д?мЬНЬ1Х " попе₽е-нь.х шагов зданий. Модули 6М,
предназначены для членения конструктивных
поормп!00 л ПЛа"% зданий " для назначения ширины
.юлмВН0Й М0Яуль 1М и Дробные модули от
i™l/20M Прнменют для назначения размеров се-
чения относительно малых элементов (колонн, балок и
Обозначение | Размер, мм | Обозначение | Размер, мм
Укрупненные Дробные
1М юо | !М 100
2М 200 1/2М 50
ЗМ 300 1/5М 20
6М 600 1/10М 10
12М 1200 I/20M 5
15М 1500 1/50М 2
ЗОМ 3000 1/100М 1
60М 6000
т. д ). Наиболее мелкие дробные модули (от 1/10М до
1/100М) используют для назначения различной толщины
плитных и листовых материалов, ширины зазоров, допус-
Созданные в СССР Строительные нормы и правила
имеют большое международное значение. Решением по-
стоянной комиссии СЭВ по строительству СНиП взят за
основу унифицированных норм и правил в области стро-
ительства для всех стран — членов СЭВ.
Работы по стандартизации в интернациональном
масштабе проводятся специально созданной в 1947 г.
Международной организацией по стандартизации (ИСО).
Деятельность ИСО, как указано в ее уставе, имеет
целью содействовать благоприятному развитию стандар-
тизации во всем мире, чтобы облегчить международный
обмен товарами и развивать взаимное сотрудничество в
области науки, техники и экономики. Кроме ИСО, актив-
ную работу в области стандартизации и социалистичес-
кой экономической интеграции проводят Совет Экономи-
ческой Взаимопомощи и его Международный институт
по стандартизации.
2. Связь состава, структуры и свойств Строительный материал характеризуется химическим. 1 ыидепяльным и фазовым составом. Х^ический состав строительных материалов позво- ляет стдить о некоторых их свойствах: огнестойкости, биостойкости, механических и других технических харак- 1 теоистиках. Химический состав неорганических вяжущих веществ (цемента, извести и др.) и каменных матерна- лов удобно выражать количеством содержащихся в них 1 оксидов Основные и кислотные оксиды химически связа- 1 ны между собой и образуют минералы, которые и опре- | деляют многие свойства материала. Минеральный состав показывает, какие минералы и в | каком количестве они содержатся в вяжущем веществе 1 или в каменном материале. Например, в портландцемен- 1 те содержание трехкальциевого силиката (3CAO-SiO2) I составляет 45—60 %, причем при большем его количест- 1 ве ускоряется его твердение, повышается прочность це- 1 ментного камня. Фазовый состав материала и фазовые переходы поды, 1 находящейся в его порах, оказывают влияние на все 1 свойства и поведение материала при эксплуатации. В ма- | териале выделяют твердые вещества, образующие стенки 1 пор, т. е. «каркас» материала, и поры, заполненные воз- ] духом и водой. Если вода, являющаяся компонентом 1 этой системы, замерзает, то образовавшийся в порах лед 1 изменяет механические и теплотехнические свойства ма- 1 териала. Увеличение же объема замерзающей в порах 1 воды вызывает в материале внутренние напряжения, спо- 1 собные его разрушить при повторных циклах заморажи- 1 вания и оттаивания. Структуру материала изучают на трех уровнях: пер- 1 вый — макроструктура материала — строение, видимое 1 невооруженным глазом; второй — микроструктура ма- 1 Искусственные конгломераты — это обширная группа, объединяющая различные виды бетона, некоторые кера- мические и другие материалы. Ячеистая структура характеризуется наличием макро- пор, свойственных газо- и пенобетонам, ячеистым пласт- массам. Мелкопористая структура свойственна, например, ке- рамнческим материалам, порпзованным способами высо- кого затворения водой и введением выгорающих добавок. Волокнистая структура присуща древесине, стекло- пластикам, изделиям из минеральной ваты и др. Особен- ность этой структуры — резкое различие прочности, теп- лопроводности и других свойств вдоль и поперек воло- Слоистая структура отчетливо выражена у рулонных, листовых, плитных материалов, в частности^ полимер- ных материалов со слоистым наполнителем (Сумопласта, текстолита и др.). Рыхлозернистая структура свойственна заполнителям для бетона, зернистым и порошкообразным материалам для мастичной теплоизоляции, засыпок и др. Структура веществ, составляющих материал, может быть кристаллическая и аморфная. Кристаллические и аморфные формы нередко являются лишь различными состояниями одного и того же вещества (например, кри- сталлический кварц и различные аморфные формы крем- незема). Кристаллическая форма всегда более устойчи- ва. Чтобы вызвать химическое взаимодействие между кварцевым песком и известью, в технологии силикатного кирпича применяют автоклавную обработку отформован- ного сырца насыщенным водяным паром с температурой 175 °C и давлением 0,8 МПа. Между тем, трепел (аморф- ная форма SiO2) вместе с известью после затворения во- дой обоазует гидросиликат кальция при температуре
териала — строение, видимое в оптический микроскоп; 1 третий внутреннее строение веществ, составляющих 1 материал, на молекулярно-ионном уровне, изучаемом 1 методами рентгено-структурного анализа, электронной 1 микроскопии и т. д. i 15—25°С. Аморфная форма вещества может перейти в более устойчивую кристаллическую форму. Практическое значение для природных и искусствен- ных каменных материалов имеет явление полиморфиз- ма, когда одно И то же вещество способно существовать
Макроструктура твердых строительных материалов 1 может быть конгломератная, ячеистая, мелкопористая, ] волокнистая, слоистая, рыхлозернистая (порошкообраз- ] в различных кристаллических формах, называемых лю- дификациями. Наблюдаются, например, полиморфные превращения кварца, сопровождающиеся изменением объема.
Особенностью кристаллического вещества являютсЛй
Пленная температура плавления (при постоянной'!
давлении” и определенная геометрическая форма.кри-1
сталлов каждой его модификации.
Свойства монокристаллов неодинаковы в разных на- I
поавлениях Это механическая прочность, теплопровод,
нить скорость растворения, электропроводность п др.1 1
Явление анизотропии является следствием особенностей»
внутреннего строения кристаллов.
В строительстве применяют поликристаллпческие ка-
менные материалы, в которых разные кристаллы орпен- 1
тированы беспорядочно. Подобные материалы рассмат- I
рпваются как изотропные по своим строительно-тсхниче-И
ским свойствам. Исключение составляют слоистые I
каменные материалы (гнейсы, сланцы и др.).
Внутреннее строение веществ, составляющих матери- I
ал, определяет его механическую прочность, твердость, I
тугоплавкость и другие важные свойства.
Кристаллические вещества, входящие в состав строи- I
тельного материала, различают по характеру связи ме- 1
жду частицами, образующими пространственную крис- I
таллическую решетку. Она может быть образована: нейт- 1
ральнымп атомами (одного и того же элемента, как в
алмазе С пли разных элементов, как в кварце SiO2); I
ионами (разноименно заряженными, как в кальците I
СаСОз, или одноименными, как в металлах); целыми мо- I
лекулами (кристаллы льда).
Ковалентная связь, осуществляемая обычно элект- |
ронной парой, образуется в кристаллах простых веществ ]
(алмаз, графит) и в кристаллах некоторых соединений
из двух элементов (кварц, карборунд, другие карбиды, I
нитриды). Такие материалы отличаются очень высокой
механической прочностью и твердостью, кроме того, они I
весьма тугоплавки.
Ионная связь образуется в кристаллах тех материа- I
лов. в которых она носит преобладающе ионный харак-
тер. Распространенные строительные материалы этого 1
типа — гипс и ангидрит — имеют невысокую прочность и I
твердость; они неводостойки. 1
слож||ь||( кристаллах, часто встречающихся в стро- 1
пест» матеР"алах (кальцит, полевые шпаты), су- ]
ХГсп2-е0ВаЛеНТНаЯ " "онная связи- Внутри сложного
з связь ковалентная, но сам он имеет с ионами ]
Са ионную связь. Свойства подобных материалов весь-
ма разнообразны. Кальцит СаСО3 при достаточно высо-
кой прочности обладает малой твердостью. Показатели
прочности и твердости полевых шпатов довольно высо-
кие, хотя и уступают кристаллам алмаза с чисто кова-
лентной связью.
Молекулярные кристаллические решетки и соответст-
вующие им молекулярные связи образуются преимуще-
ственно в кристаллах тех веществ, в молекулах которых
связи ковалентные. Кристалл этих веществ построен из
целых молекул, которые удерживаются друг около дру-
га сравнительно слабыми ван-дер-ваальсовыми силами
межмолекулярного притяжения (как в кристаллах
льда). При нагревании связи между молекулами легко
разрушаются, поэтому вещества с молекулярными ре-
шетками обладают низкими температурами плавления.
Силикаты, занимающие особое место в строительных
материалах, имеют сложную структуру, обусловившую
их особенности. Так, волокнистые минералы (асбест)
между собой положительными ионами, расположенными
между цепями. Ионные силы слабее ковалентных связей
внутри каждой цепи, поэтому механические воздействия,
недостаточные для разрыва цепей, разделяют такой ма-
териал на волокна. Пластинчатые минералы (слюда, као-
линит) состоят из силикатных групп, связанных в плос-
ки^ сетки.
Сложные силикатные структуры построены из тетра-
эдров, связанных между собой общими вершинами (об-
щими атомами кислорода), и образуют объемную решет-
ку. Это дало основание рассматривать их как неоргани-
ческие полимеры.
§ 2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
I. Параметры состояния
Истинная плотность р (г/см3, кг/м3) — масса едини-
цы объема абсолютно плотного материала. Если масса
материала т, а его объем в плотном состоянии Иа, то
p = m/Va. О-О
Относительная плотность d выражает отношение
плотности материала к плотности стандартного вещест-
15
вычисляют плотность по
В качестве стандартного вещества удобно принять!
воду при 4 °C (точнее при 3,98°С), имеющую при этой)
температуре плотность 1000 кг/м3, или! г/см3. Тогда,
например, легкий бетон плотностью 1400 кг/м имеет
относительную IMWIwud и— 1,-r.
ность материалов входит в ряд формул (формула В. П.
Некрасова для расчета теплопроводности, выражение
для вычисления коэффициента конструктивного каче4
Удельный вес у, Н/м3 — отношение веса тела G к|
объему V
t = GIV. (1.3И
Масса является скалярной величиной и не зависит от
ускорения свободного падения, а вес пропорционален
этому ускорению [равен mg и, как всякая сила, являет-
ся вектором и измеряется в ньютонах (Н) ]. Удельный
вес и плотность связаны соотношением y=pg.
Объем пористого материала в естественном состоянии
из объема твердого вещества Va и объема пор V„ (рис.
1.1) , которые могут заполняться воздухом и водой:
Перед определением объема пор пробу материала вы- ]
сушивают в сушильном шкафу при температуре 105 °C 1
до постоянной массы, т. е. до полного удаления гигроско- I
лической влаги. Подготовленную пробу помещают в rep- I
метически закрытый сосуд, из которого откачивают воз- I
дух, и в вакууме насыщают материал жидкостью.
Объем жидкости, полностью заполнившей поровое |
пространство материала, равен объему пор в пробе ма- I
териала V,,. В качестве замещающей жидкости примени- I
ют воду и керосин (для цементных материалов). Для I
точных измерений объема пор используют сжиженный I
гелий, при этом учитывают его сверхтекучесть и способ- 1
" "Ь "ро"икать в тонкве поры. Зная объем материала ]
чаюп.в,7!Н»0М состоянпи и определив объем заклю- I
ющихся в нем пор, находят объем, занимаемый веще- ]
Стандартный метод опре-
деления плотности и порис-
тости материалов (бетона,
кирпича и др.) предусматри-
вает измельчение предвари-
тельно высушенной пробы в
порошок, проходящий через
сетку с отверстиями 0,125 мм.
Абсолютный объем Иа навес-
помощью ' пикнометра: его
принимают равным объему
вытесненной порошком жид-
кости. Истинную плотность
вычисляют также по форму-
следующем изложении — плотность) рт, г/см3—масса
единицы объема материала в естественном состоянии
(объем Ve определяется вместе с порами):
Значения плотности данного материала в сухом рт и
ажном ршв состояниях связаны соотношением
Рт = Ршв/(1 + ^м).
Плотность пористых материалов всегда меньше их
истинной плотности. Например, плотность легкого бето-
на 500—1800 кг/м3, а его истинная плотность 2600 кг/м3.
Плотность строительных материалов колеблется в очень
ра) до 7850 кг/м3 (сталь). Основные физические свойст-
ва распространенных строительных материалов даны в
ло насыпанных зернистых или вол
(цемента, песка, гравия, щебня, rj
ральной ваты и т. п.). Например,
известняка 2700кг/м3, его плотность 2500 кг/м3, а насып-
ная плотность известнякового щебня 1300 кг/м3. По
ВЛ СТРОИ ТЕЛЬНЫХ W
МАТЕРИАЛОВ (В ВОЗДУШНО СУХОМ СОС ТОЯНИИ)
Теплопро» 1
Наименование материала ПЛОТНОСТЬ. стостъ, % В™“с) I
Бртпн:
2 6 61,5 0*35 I
ячелсТый 2,6 0,5 81
К обыкновенный пустотелый 2,65 2,65 1.8 1,3 32 51 0,8 1 0,55 Я
Природный камень: 2,7 2,67 1.4 52 2,8 1 0,5 1
оконное 2 65 2,65 0
2,65 0,3 88 0,11
стеклопластик 2 2 0 1
(вспененный полимер) 1,2 0,015 98
1,53 0,5 67 о;об 1
древесно-волокнистая пли- 1,5 0,2 86
этим данным можно вычислить пористость известняка и
пустотность щебня, пользуясь приведенными ниже фор-
мулами.
Строение пористого материала характеризуется об-
щей, открытой и закрытой пористостью, распределением
пор по их радиусам, средним радиусом пор и удельной
внутренней поверхностью пор.
Пористость П есть степень заполнения объема мате-
риала порами:
Пористость выражают в долях объема материала,
принимаемого за 1, или в % от объема.
Экспериментальный (прямой) метод определения по-
ристости основан на замещении порового пространства в
материале сжиженным гелием и описан ранее.
па^1ПерНМентально‘расчетный метод определения по-
ИСП°ЛЬЗует найде,,ные опытным путем значения
плотности высушенного материала, входящие в формулу
~ -----иирпигости, 70
преобразования формулы (1.6):
^).00.
Пористость строительных материалов
фоких пределах: от П ™ оя о/ /Д.
заполнения
каХТ ВМ01КН° Представ"т" состоящим ' „Гордого
РОт^;, 6еСПеЧИВаЮЩего "Роч“°сть. и воздушных пор.
Открытая пористость /7О равна отношению суммар-
матер ®аЪлаМуВСеХ- П°₽’ нась”цаюЩ|“ся водой, к объему
Открытые поры материала сообщаются с окружаю-
щей средой и могут сообщаться между собой, поэтому
они заполняются водой при обычных условиях насыще-
ния, например при погружении образцов материала в
ванну с водой. Открытые поры увеличивают проницае-
мость и водопоглощение материала и ухудшают его мо-
розостойкость.
Закрытая пористость П3 равна:
П9 = П — по. (1.10)
Пористый материал обычно содержит открытые и за-
крытые поры; увеличение закрытой пористости за счет
открытой повышает его долговечность. Однако в звуко-
поглощающих материалах и изделиях умышленно созда-
ется открытая пористость и перфорация, необходимые
для поглощения звуковой энергии.
Распределение пор по размерам характеризуется: ин-
тегральной кривой распределения объема пор по их ра-
диусам в единице объема материала (рис. 1.2) и диф-
ференциальной кривой распределения объема пор по их
радиусам (рис. 1.3).
Ртутная порометрия позволяет определить размер
(радиус) пор и объем пор каждого размера, а также
дарение ртути. И па оценить форму пор. Ртуть нё|Д
смачивает большпство неор*ЗИ
ганических строительных ма- ' В
териалов и проникает в поры <|
/ лишь под действием прило- и
I женного давления; при повы-
/_ шении давления ртуть про- Я
Z/L никает в более мелкие поры,
"ТУ что видно из следующего Я
’ уравнения:
Уравнение показывает, ,I
что при нулевом избыточном I
(размером более 10 мкм).
давлении несмачивающая;
жидкость не будет проникать
в поры. Диаметр пор для on- j
ределенного давления полу-,
чают из приведенного урав- j
нения, правая часть которого 1
для данного материала —
величина постоянная. На
рис. 1.4 дано соотношение
между давлением ртути и
диаметром пор.
ральные кривые распределе- 1
ния пор по их размерам при-
ведены на рис. 1.2 для четы- ft
рех различных материалов: I
по оси х отложены радиусы R
пор, по оси у — объем пор -
данного размера (он равен
объему заполняющей их рту- и
ти). Кривая 1 характерна 1
для материалов с большим
объемом крупных пустот Я
пг-. -------Гистерезис (на кривой 1) по- И
азывает, что поры имеют «бутылочную» форму и неко- 1I
1 1 ...В НИХ остается ппг™
ния Криаая 2 для порошка с большим oi
(4—6 мкм) между зернами. Кривая 3 дл
мелкой пористостью, кривая 4 для матем
нои структурой пор 0,02-0,04 мкм ₽
В современных поромерах измерен,
автоматизировано и результат выдается
в цифровой и графической формах.
дифференциальная кривая распределек
V„ по их размерам (см. рис. 1.3) соответствует равенс'т''-
пористости
Площадь под дифференциальной кривой (на рис 1 3
заштрихована) равна суммарному объему пор в единице
объема материала.
Удельную поверхность порового пространства вычис-
ляют, используя средний условный радиус пор, или опре-
деляют прямыми адсорбционными методами (по адсорб-
ции водяного пара, азота и другого инертного газа).
Удельная поверхность S, см2/г, пропорциональна мас-
се т адсорбированного водяного пара (или газа), необ-
ходимой для полного покрытия мономолекулярным сло-
ем всей внутренней поверхности пор (в г на 1 г сухого
материала):
для молекулы воды а{= 10.6-10-,в см2; W=6.06-1023 — число
Все свойства материала определяются его составом и
строением и прежде всего величиной и характером по-
ристости. Это видно из данных табл. 1.2, в которой
попарно сопоставлены плотные и пористые материалы,
имеющие в основном общий химический состав.
2. Гидрофизические свойства
Гигроскопичностью называют свойство капиллярно-
пористого материала поглощать водяной пар из воздуха.
Поглощение влаги из воздуха обусловлено полимолеку-
ляоной адсорбцией водяного пара на внутренней поверх-
ности пор и капиллярной конденсацией. Этот физико-хи-
мический процесс называется сорбцией, причем он обра-
тим Древесина. теплоизоляционные, стеновые и другие
пористые материалы обладают развитой внутренней по-
верхностью пор и поэтому высокой сорбционной способ^
Сорбционная влажность характеризует способность,
материала поглощать пары воды из окружающего возду-
ха. Численно она равна влажности материала (по массе
или объему) после окончания поглощения им водяного
пара. С повышением давления водяного пара (т. е. с уве-
личением относительной влажности воздуха при посто-
янной температуре) возрастает сорбционная влажность
материала (рис. 1.5).
Согласно уравнению Фрейндлиха, количество адсор-
бированного газа
где р — давление газа при достижении равновесия; k и п — эмпирий
ческие параметры, постоянные для данных адсорбента и газа при
В логарифмических координатах это уравнение выра-
жается отрезком прямой:
Кривая, выражающая зависимость количества адсор-
бируемого газа от давления, после насыщения внутрен-
ней поверхности пор стремится к прямой, параллельной
оси абсцисс (см. точку А на рис. 1.5).
Дальнейшее увеличение гигроскопической влажности
материала происходит вследствие капиллярной конден-
сации. В узких капиллярах материала, который хорошо
смачивается водой (древесина, кирпич, бетон и т. п.),
мениск всегда будет вогнутым и давление насыщенного
пара под ним будет ниже, чем над плоской поверхно-
стью. В результате пар, не достигший давления насыще-
ния по отношению к плоской поверхности, может быть i
пересыщенным по отношению к жидкой фазе в тонких
капиллярах и будет конденсироваться в них. Вследствие
процессов адсорбции и капиллярной конденсации водя-
ного пара из атмосферы влажность пористых материалов
22
Давление пара(газа)Л Р
даже после их длительной
выдержки на воздухе доста-
точно велика. Так, равновес-
ная влажность воздушно-су-
хой древесины составляет
12—18% по массе, стеновых
материалов — 5—7 % по
массе. Увлажнение сильно
увеличивает теплопровод-
ность ограждающих конст-
рукций и теплоизоляции, по-
этому стремится предотвра-
тить увлажнение, например,
покрывая утеплитель гидро-
изоляционной пленкой.
Капиллярное всасывание
воды пористым материалом
происходит, когда часть конструкции находится в воде
1ак, грунтовые воды могут подниматься по капиллярам
и увлажнять нижнюю часть стены здания. Чтобы не бы-
ло сырости в помещении, устраивают гидроизоляционный
слои, отделяющий фундаментную часть конструкции сте-
ны от ее надземной части. ‘ I
Капиллярное всасывание характеризуется высотой
поднятия уровня, воды в капилярах материала, количест-
вом поглощенной воды и интенсивностью всасывания.
Высоту h поднятия жидкости в капилляре определя-
ют по формуле Жюрена:
/i = 2ocose/(rpg), (1-14)
где а — поверхностное натяжение; 0 —краевой угол смачивания;
бодпоагоИпадеаПИЛЛЯ₽а’ р —плотность Ж1,ДК0СТИ: £ —ускорение соо-
Поры в бетоне и других материалах имеют непра-
вильную форму и изменяющееся поперечное сечение, по-
этому приведенная формула годна лишь для качествен-
ного рассмотрения явления; высоту всасывания воды
определяют по методу «меченых атомов» либо по изме-
нению электропроводности материала.
Объем воды, поглощенный материалом путем капил-
лярного всасывания за время /, в начальной стадии под-
чиняется параболическому закону:
(115)
где К. — константа всасывания.
УГ^ж1етИ;\"ие структуры материала („а-
мощение определяемое погружением образцов матери-
ала в воду характеризует в основном открытую порис-
гость Например, пористость легкого бетона может быть
50—бЬ % объема, а его водопоглощение составляет 20—
30% объема. Водопоглощение определяют по объему и
“’водопоглощение по объему U7„. %-степень заполД
иения объема материала водой:
= — (116)
где т, — масса образна материала, насыщенного водой, г. т( — мае-
са образца в сухом состоянии, г.
Водопоглощение по массе W„, %, определяют по ога
Ум=. юс.
Разделив Wo на W„, получим
W0 = WKd.
Относительную плотность сухого материала d выра-
жают по его отношению к плотности воды (безразмер,
ная величина).
Диэлькометрический и нейтронный методы измерения
влажности применяют преимущественно для сыпучих ма-
териалов, в особенности для оперативного контроля
влажности заполнителей для бетона (песка, гравия, щеб-
ня). Измерение влажности материала этими методами
производят при помощи влагомеров, состоящих из изме-
рительного преобразователя и электронного измеритель-
ного блока (пульта) с отсчетным устройством. Диэль-
кометрический метод измерения основан на зависимости
между влажностью и диэлектрической проницаемостью,
материала. Нейтронный метод использует связь влажно-
сти и степени замедления быстрых нейтронов, проходя-
щих через материал.
Водопоглощение различных материалов колеблется в
широких пределах (% по массе): гранита 0,02—0,7; тя-'
оценки структуры материала, используя для этой цГли
коэффициент насыщения пор водой К„, равный отноше-
(1.19)
Коэффициент насыщения может изменяться от 0 (все
поры в материале замкнуты) до 1 (все поры открыты),
тогда It/о — П. Уменьшение К,, (при той же пористости)
свидетельствует о сокращении открытой пористости, что
обычно проявляется в повышении морозостойкости.’ '
Водопоглощение отрицательно влияет на основные
свойства материала: увеличивается плотность, материал
набухает, его теплопроводность возрастает, а прочность
и морозостойкость понижаются. __________
Коэффициент размягчения йр —отношение прочно-
сти материала, насыщенного водой /?., к прочности сухо-
го материала R,:
X Ар = ₽в//?с- (1.20)
Коэффициент размягчения характеризует водостой-
кость материала, он изменяется от 0 (размокающие гли-
ны и др.) до 1 (металлы и др.). Природные и искусствен-
ные каменные материалы не применяют в строительных
конструкциях, находящихся в воде, если их коэффициент
пускать воду под давлением, характеризуемое коэффици-
Водонепроницаемость материала (бетона) характери-
зуется маркой, обозначающей одностороннее гидростати-
ческое давление, при котором образец-цилиндр не про-
пускает воду в условиях стандартного испытания. Между ,
коэффициентом фильтрации и маркой по водонепрони-
цаемости имеется определенное соотношение: чем ниже
k$, тем выше марка по водонепроницаемости.
С водопроницаемостью борются при возведении гид-j
ротехнических сооружений, резервуаров, коллекторов
стен подвалов и т. п. Стремятся применять достаточно
плотные материалы с замкнутыми порами, устраиваю!
гидроизоляционные слои, экраны и др.
Газа- и паропроницаемость. При возникновении у по-,
верхностей ограждения разности давления газа происхо-
дит его перемещение через поры и трещины материалу
Поскольку материал имеет макро- и микропоры, перенос
газа может происходить одновременно вязкостным и мо-
лекулярным потоками, которые подчиняются соответсЯ
венно законам Дарси-Пуазейля и Кнудсена.
Использование закона Дарси-Пуазейля при небольЛ
ших перепадах давлений (когда можно пренебречь из-
менением плотности газа) позволяет определять массу
газа Vp (плотностью р), прошедшего через стенку пло-"
щадью поверхности S и толщиной а за время t при раз-
ности давлений газа на гранях стенки Др по упрощенной!
формуле:
Vp = krSt&p/a. (122)1
Отсюда можно определить коэффициент газопроницае-1
мости, г/(м-ч-Па)
*r = “W(SMp). (1.23g
При определении коэффициента газопроницаемости)
объем проходящего газа приводят к нормальным усло-
Стеновой материал должен обладать определенной
проницаемостью (стена должна «дышать»), т. е. через
наружные стены происходит естественная вентиляция,
что особенно важно для жилых зданий, в которых отсут- 3
ствует кондиционирование воздуха. Поэтому стены жи-
лых зданий, больниц и т. п. не отделывают материалами, Л
задерживающими водяной пар. Наоборот, стены и по- 1
крытия влажных производственных помещений необхо- I
д"“° 3!®“щать с внУтРенней стороны от проникновения
меп.еиивдяного паРа- В зимнее время внутри теплых по- j
(текстильных фабрик, коммунальных предприя-
мпжитс 0В’ СВ||наРн»ков и т. п.) в 1 м3 воздуха со-
жи поэтом°ДЯНОГО "ара апачительно больше, чем снару-1
поквииГ По Пар С1ремится пройти через стену или 1
конденсиоуется” ХОЛОДНУЮ часть ограждения, пар
конденсируется, резко повышая влажность в этих местах.
В А
Кирпич глиняный 1800
Легкий бетон 1800 31
Кирпич трепельный 1100 58
1 1.3В1Ч 111ЯК 2000 23
Бетон на гравии 2200 16
Создаются условия, способствующие быстрому разруше-
нию материала (легкого бетона, кирпича) наружной ог-
раждающей конструкции при действии мороза.
Паронепроницаемые материалы должны распола-
гаться с той стороны ограждения, с которой содержание
водяного пара в воздухе больше.
В ряде случаев необходима практически полная га-
зонепроницаемость; это относится к емкостям для хра-
нения газов, а также к специальным сооружениям, внут-
проникновения зараженного воздуха. Паро- и газопрони-
цаемость в большей степени зависят от структуры мате-
риала (плотности и пористости) (табл. 1.3).
Влажностные деформации. Пористые неорганические
и органические материалы (бетоны, древесина и др.)
при изменении влажности изменяют свой объем и раз-
Усадкой (усушкой) называют уменьшение объема и
размеров материала при его высыхании. Она вызывает-
ся уменьшением толщины слоев воды, окружающих ча-
стицы материала, и действием внутренних капиллярных
сил, стремящихся сблизить частицы материала.
Набухание (разбухание) происходит при насыщении
материала водой. Полярные молекулы воды, проникая в
промежутки между частицами или волокнами, слагаю-
щими материал, как бы расклинивают их, при этом утол-
щаются гидратные оболочки вокруг частиц, исчезают
внутренние мениски, а с ними и капиллярные силы. Че-
редование высыхания и увлажнения пористого материа-
ит часто встречающееся на практике, сопровождаема
пппепеменными деформациями усадки и набухания. Taa I
кие многократные циклические воздействия нередко вы-
зывают появление трещин, ускоряющих разрушение. Л
подобных условиях находится бетон в дорожных покры-1
тлях в наружных частях гидротехнических сооружений
Высокопористые материалы (древесина, ячеистые бе-
тоны), способные поглощать много воды, характеризую^
ся большой усадкой, мм/м:
Древесина (поперек волокон)
Тяжелый бетон . .
Усадка возникает и увеличивается, когда из материа-'
ла удаляется вода, находящаяся в гидратных оболочках
частиц и в мелких порах. Испарение воды из крупных
пор не ведет к сближению частиц материала и практи-
чески не вызывает объемных изменений.
Морозостойкость — свойство насыщенного водой ма-
териала выдерживать попеременное замораживание 1
оттаивание. Морозостойкость материала количественна
оценивается маркой по морозостойкости. За марку мате-
риала по морозостойкости принимают наибольшее число
циклов попеременного замораживания и оттаивания, коз
торое выдерживают образцы материала без снижения
прочности на сжатие более 15 %; после испытания образ-
цы не должны иметь видимых повреждений — трещин
выкрашивания (потеря массы не более 5 %). От морозо;
стойкости зависит долговечность строительных матери-
алов в конструкциях, подвергающихся действию атмо-
сферных факторов и воды.
Марка по морозостойкости устанавливается проектом
с учетом вида конструкции, условий ее эксплуатации и
климата. Климатические условия характеризуются сред-
немесячной температурой наиболее холодного месяца и
числом циклов попеременного замораживания и оттаива-
ния по данным многолетних метеорологических наблю-
дений.
Легкие бетоны, кирпич, керамические камни для на-
ружных стен обычно имеют морозостойкость 15, 25, 35. ,.
однако бетон, применяемый в строительстве мостов и I
дорог, должен иметь марку
50, 100 и 200, а гидротехни-
ческий бетон —до 500.
Рассмотрим причины раз-
рушения пористого материа-
ла под влиянием совместного
действия на него воды и мо-
роза. Для примера возьмем
материал, находящийся в ог-
раждающей конструкции
(рис. 1.6). Зимой наружная
часть стены промерзает. В
это время происходит мигра-
ция (перемещение) пара от
«тепла к холоду», т. е. пар
стремится наружу, поскольку
его давление при отрицатель-
ной температуре ниже, чем
при положительной. Напри-
мер, давление пара п
+20 °C 2,33 кПа, а п
—10 °C только 0,27 кПа.
водяной пар попадает в зону
низких температур и конден-
сируется в порах возле наружной грани стены. Таким об-
разом, поры наружной промерзающей части стены обво-
дняются, причем вода прибывает сюда как снаружи
(дождь с ветром), так и изнутри (миграция водяного па-
ра). При наступлении даже небольших морозов (от —5
до —8 °C) вода в крупных порах замерзает и при пере-
ходе в лед увеличивается в объеме на 9 % (плотность
льда 0,918). Если коэффициент насыщения водой хотя бы
части пор приблизится к 1, то в стенках пор возникнут
большие растягивающие напряжения. Разрушение начи-
нается обычно в виде «шелушения» поверхности бетона,
затем оно распространяется вглубь.
Воздействие на бетон попеременного замораживания
и оттаивания подобно многократному воздействию пов-
торной растягивающей нагрузки, вызывающей усталость
материала.
Испытание морозостойкости материала в лаборатории
проводят на образцах установленной формы и размеров
(бетонные кубы, кирпич и т. п.). Перед испытанием об-
пазцы насыщают водой. После этого их замораживаю^
холодильной камере при температуре от — 15 до —20 cJ
чтобы вода замерзла в тонких порах. Извлеченные из
холодильной камеры образцы оттаивают в воде с темпе»
ратурой 15—20°C. которая обеспечивает водонасыщеЛ
ное состояние образцов.
Для оценки морозостойкости материала применяют!
физические методы контроля л прежде всего импульс-J
ный ультразвуковой метод. С его помощью можно про,.1
следить изменение прочности или модуля упругости бе-
тона в процессе циклического замораживания (рис. 1.7)
и определить марку бетона по морозостойкости в циклах
замораживания и оттаивания, число которых соответей
вует допустимому снижению прочности (ДЯ) или моду?
ля упругости (Д£).
s. Теплофизические свойства
/Теплопроводностью называют свойство * материала '
передавать теплоту одной поверхности другой. Это свой-
ство является главным как для большой группы тепло-
изоляционных материалов, так и для материалов, приме
няемых для устройства наружных стен и покрытий зда
Тепловой поток проходит через твердый «каркас» i
воздушные ячейки пористого материала. Теплопровод
ность воздуха [1=0,023 Вт/(м-°С)] меньше, чем твер-
дого вещества, из которого состоит «каркас» материала, j
Поэтому увеличение пористости материала является ос»
новным способом уменьшения теплопроводности. В мате-,
риале стремятся создавать мелкие закрытые поры, чтобы
снизить количество теплоты, передаваемой конвекцией
и излучением. На практике удобно судить о теплопровод-
ности материала по его плотности (рис. 1.8). Известна
формула В. П. Некрасова, связывающая теплопровод
ность Л [Вт/(м-°С)Ус относительной плотностью камен- I
ного материала d:
1=1,1б/Ь.0196 4-0,22Л —0,16. (1.24)
Точное значение 1 материала определяют экспери-Д
ментально.
Влага, попадающая в поры материала, увеличивает j
его теплопроводность, так как теплопроводность воды л
[0,58 Вт/(м-°С] в 25 раз
больше теплопроводности
воздуха. Замерзание воды в
порах с образованием льда
еще более увеличивает X, по-
лому ч^о теплопроводность
инея сотавляет 0,1 Вт/(мХ
Х°С), а льда — 2,3 Вт/(мХ
Х°С), т. е. в 4 раза больше,
чем воды. При повышении
температуры теплопровод- '
ность большинства материа-
лов возрастает и лишь у
немногих (металлов, магне-
зитовых огнеупоров) она
уменьшается.
Термическое сопротивление R, м2-°С/Вт слоя много-
слойной ограждающей конструкции, а также однослой-
ной (ОДНОРОДНОЙ) лппопппп.
ют по формуле:
ii
:S/X, (t.25)
Вт/(м-°С)?ЛЩИНа СЛ°Я’ Х тепл0пр090АН0СТЬ слоя матеР”ала-
Термическое сопротивление —важнейшая характери-
стика качества наружных ограждающих конструкций,
связанная с теплопроводностью материалов конструк-
ции; от нее зависят толщина наружных стен и расход
топлива на отопление зданий.
Теплоемкость определяется количеством теплоты, ко-
торое необходимо сообщить 1 кг данного материала, что-
бы повысить его температуру на 1 °C. Теплоемкость не-
органических строительных материалов (бетонов, кир-
пича, природных каменных материалов) изменяется от
0,75 до 0,92 кДж/(кг-°С). Теплоемкость сухих органиче-
ских материалов (например, древесины) около 0,7 кДж/
/(кг-°C). Вода имеет наибольшую теплоемкость —
4,19 кДж/(кг-°C), поэтому с повышением влажности
материалов их теплоемкость возрастает. Показатели теп-
лоемкости разных материалов нужны для теплотехниче-
ских расчетов.
Огнеупорность — свойство материала выдерживать
длительное воздействие высокой температуры (от
1580°C и выше), не размягчаясь и не деформируясь, ог-
неупорные материалы применяют для внутренней футе-
ровкн промышленных печей. Тугоплавкие материалы раз.
мягчаются при температуре выше 1350 С.
Огнестойкость — свойство материала сопротивляМИ
действию огня при пожаре в течение определенного вре.
мени. Она зависит от сгораемости материала, т. е. от его
способности воспламеняться и гореть.
Несгораемые материалы — это бетон, кирпич, сталь
и др. Однако необходимо учитывать, что некоторые ма-
териалы при пожаре растрескиваются (гранит) Ж
сильно деформируются (металлы) при температуре, на.
явная с 600 °C, поэтому конструкции из подобных маА
риалов приходится защищать более огнестойкими мате. '
риалами.
Трудносгораемые материалы (асфальтобетон, пропи.
тайная антипиренами древесина, фибролит, пекоторьцЗ'
пенопласты) под воздействием огня или высокой темпе,
ратуры тлеют, но после прекращения действия огня их
горение и тление прекращаются.
Сгораемые органические материалы (они горят <п-
крытым пламенем) необходимо защищать от возгорания.
Широко используют конструктивные меры, исключаю- j
щие непосредственное воздействие огня на материал .яд !
условиях пожара. Применяют защитные вещества — ан-
типирены.
Температурный коэффициент линейного расширения»
бетона и стали 10-КМ, гранита (8—10) 1Q-", дерева — ♦
20-10 •°C *. При сезонном изменении температуры оюд
ружающей среды и материала на 50°С относительная
температурная деформация достигает 0.5-10-3 или
1-10 , т. е. 0,5—1 мм/м. Во избежание растрескивания
сооружений большой протяженности их разрезают де-
формационными швами.
4. Радиационная стойкость и защитные свойства
Радиационная стойкость - свойство материала cb- •
мств,Т,Ь СВ0Ю структУРУ и физико-механические характе-
₽ Би“п в°здействия ионизирующих излучений.
тооов н?ЯыгРтаЛВ"ТИе- атомной энергетики, освоение peas-
ZhLx исто ₽ Иейтронах' широкое использование рЖ]
свойств мате;„ХРаДБХ^НГи^СлХС:ия\3^ГоЫф?
ласти выполнили А. Н. Комаровский и В. Б. Дубров-
Уровни радиации вокруг современных источников
ионизирующих излучений настолько велики, что может
произойти глубокое изменение структуры материала (на-'
пример, происходит аморфизация структуры кристалли-
ческих минералов, которая сопровождается объемными
изменениями и возникновением внутренних напряжений)
Для сравнительной оценки защитных свойств различ-
ных бетонов можно использовать «толщину слоя поло-
винного ослабления» Tir>, равную толщине слоя защит-
ного материала, необходимой для ослабления интенсив-
ности излучения в два раза. Толщина Слоя половинного’
ослабления 7’1/2=0,693 X, <
где X — длина релаксации, см, численно равная толщине слоя даино-
2°718аТеРИ)^а’ 0слаблЯ10Щег° поток излучения в е раз (т. е. в/
§ 3. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
1. Деформативные свойства
Основными деформативными свойствами строитель-
ного материала являются: упругость, пластичность, хруп-
кость, модуль упругости (модуль Юнга), коэффициент
Пуассона, модуль сдвига, объемный модуль упругости
(модуль всестороннего сжатия), предельные деформации
(растяжения, сжатия), ползучесть. Другие характеристи-
ки могут определяться для специальных условий нагру-
жения.
Упругостью твердого тела называют его свойство де-
формироваться под влиянием нагрузки и самопроизволь-
но восстанавливать первоначальную форму и размеры
после прекращения действия внешней силы. Упругая де-
формация полностью исчезает после прекращения дейст-
вия внешней силы, поэтому ее принято называть обра-
тимой.
Пластичностью твердого тела, называют его свойство
изменять форму и размеры под действием внешних сил,
не разрушаясь, причем после прекращения действия си-
лы тело не может самопроизвольно восстановить свои
размеры и форму, и в теле остается некоторая остаточная
Деформация, называемая пластической деформацией.
Пластическую, или остаточную деформацию, не исчезаю- Я
щую после снятия нагрузки, называют необрагимой. Д
’ Хрупкость — свойство твердых тел разрушаться при ]
механических воздействиях без значительной пластиче-
ской деформации (свойство, противоположное пластич-'l
"^Рассмотрим связь строения и деформативных свойств!
материала. Внешние силы, приложенные к телу, вызыва-
ют изменения межатомных расстояний, отчего происходит
изменение размеров деформируемого тела на величину
М в направлении действия силы (при сжатии укороче]
ние, при растяжении удлинение). Относительная дефор|
мация е равна отношению абсолютной деформации Да
к первоначальному линейному размеру I тела:
а=ДГ/г. (1-26)
Деформация происходит вследствие удаления ил1
сближения атомов, причем смещения атомов пропорций
временно действуют силы притяжения и силы отталкива-
ния: кулоновская сила притяжения разноименных ионов
и сила отталкивания электронных оболочек (рис. 1.9, а)з
Результирующая сила F, равная сумме сил притяжений
и отталкивания, изменяется в зависимости от межатом-;
ного расстояния. Ее изменение можно наглядно пред-
ставить, используя пружинную модель межатомных сил
(рис. 1.9, б). Когда твердое тело не нагружено, межатом-
ное расстояние остается постоянным (хотя атомы совер- ;т
шают непрерывные колебания) и результирующая сила
равна нулю. При превышении равновесного межатомного
расстояния (при растяжении пружины) атомы находят-j
ся под действием сближающей силы. Наоборот, если
расстояние между атомами уменьшается (при сжатии
стержня), то возникает отталкивающая сила сжатой пру-
жины (см. рис. 1.9, б). Наклон производной— в точке !
О связан с величиной модуля упругости и по существу (
закон Гука является приближенным соотношением, отра-
жающим характер межатомных взаимодействий в диапа- .
зоне упругих деформаций.
Модуль упругости Е (модуль Юнга) связывает упру- I
гую деформацию е и одноосное напряжение о соотно- J
шением, выражающим закон Гука:
(1.27)
При одноосном растяжении (сжатии) напряжение оп-
поперечвого сечения
Модуль упругости представляет собой меру жестко-
сти материала .Материалы с высокой энергией межатом.'
вых связей (они плавятся при высокой температуре)
рактеризуются и большим модулем упругости (табл. 1.4),
Механические свойства материала характеризуются
диаграммой деформации, построенной на основании ре-
зультатов испытаний в координатах «напряжение-от-
носительная деформация» (о-в). Модуль упругости
определяется тангенсом угла наклона производной 1
к оси деформаций. На рис. 1.10 представлены кривые о —
с для строительных материалов: упругих, пластичных^
хрупких и эластомеров. Стекло деформируется как упру-
гий хрупкий материал (рис. 1.10, а).
Поликристаллические изотропные материалы (метал.!
лы, кристаллические полимеры и др.) сохраняют упру|
гость при значительных напряжениях; для многих из них 4
характерно пластическое разрушение, отмеченное пло-.
щадкой текучести А —В на диаграмме а — е (рис,
1.10,6). При хрупком же разрушении пластические
формации невелики (рис. 1.10, в).
Нелинейное соотношение между напряжением и де- (
формацией у некоторых материалов проявляется при от-
носительно невысоких напряжениях. Так, у материал^»
с конгломератным строением (различного вида 6zzz::zz,a
оно отчетливо наблюдается уже при напряжениях, пре-
вышающих 0,2 предела прочности.
Упругая деформация эластомеров (каучуков) может ' <
превышать 100%. Первоначально для распрямления це-
гтериалсй
бетонов}
гиях, пре-
лей молекул эластомера требуется низкое напряжений
По мере распрямления цепей молекул сопротивленца
дальнейшему деформированию возрастает, так как уве- J
личенне деформаций вызывает разрыв связей уже вы-
прямленных молекул (рис. 1.10, г). Таким образом, ди--'
аграммы деформаций позволяют определить модуль уп«\
ругости и установить его изменение в зависимости от
уровня напряженного состояния.
Модуль упругости материала Е связан с другими уп-
ругими его характеристиками посредством коэффициент»
Пуассона. Одноосное растяжение ог вызовет удлиннение
ио этой оси + е2 и сжатие по боковым осям —ev и —«Я
которые у изотропных материалов равны между собой.
Коэффициент Пуассона, или коэффициент поперечно-
го сжатия, ц равен отношению
Если бы объем материала при одноосном упругом
нагружении оставался постоянным, то наибольшее теоре-
тическое значение ц=0,5. Силы притяжения и отталки-
вания в материале различным образом зависят от изме-
нения межатомного расстояния, поэтому значения коэф-
фициента Пуассона реальных материалов сильно отли-
чаются от теоретических значений этого коэффициента,
например бетона 0,17—0,2; полиэтилена 0,4.
Объемный модуль упругости, или модуль всесторон-
него сжатия (растяжения), К связан с модулем Юнга
следующим соотношением:
Модуль -сдвига связан с модулем Юнга посредством
коэффициента Пуассона
G=£/[2(14-p)J. (1.30)
Поскольку р.=0,2—0,3, G составляет 35—42 % Е. Ис-
пользуя приведенную выше формулу для К, получим
G = ЗД (1 — 2р.)/[2 (1ц)]. (1.31)
Экспериментально определив модуль Юнга и коэффи-
циент Пуассона, можно вычислить модуль сдвига и объ-
емный модуль упругости, пользуясь приведенными фор-
мулами (вывод этих формул дается в курсе сопротивле-
ния материалов).
2. Прочность
Прочность — свойство материала сопротивляться раз-
рушению под действием внутренних напряжений, вызван-
ных внешними силами или другими факторами (стеснен-
ной усадкой, неравномерным нагреванием и т. д.).
Прочность материала оценивают пределом прочности
(временным сопротивлением) R, определенным при дан-
ном виде деформации. Для хрупких материалов (при-
родных каменных материалов, бетонов, строительных
растворов, кирпича и др.) основной прочностной харак-
теристикой является предел прочности при сжатии. По-
скольку строительные материалы неоднородны, то пре-
дел прочности определяют как средний результат испы-
тання серии образцов (обычно не менее J
трех). Форма и размеры образцов, сояИ
стояние' их опорных поверхностей суЯЯ
щественно влияют на результаты испы-.у I
таний.
Например, у кубиков малых разме-
ров предел прочности при сжатии ока- К
зывается выше, чем у кубиков больших^
размеров из того же материала. ПрЛ
змы показывают меньшее сопротивди
ние сжатию, чем кубы одинакового пега
перечного сечения. Это объясняет®
тем, что при сжатии образца возника
ет его поперечное расширение. Сила
трения, возникающие между опорным]
гранями образца и плитами пресса
удерживают частицы образца, приле-
гающие к плитам, от поперечного рас
ширения и, следовательно, от разрушу
ния. Средние же части образ®
испытывая поперечное расширение
расширяются в первую очередь. Поэтс(
му при испытании кубов из хрупки
материалов (бетона, раствора, камня
др.) получается форма разрушен^
в виде двух усеченных пирамидок, сложенных вершй-
иамн (рис. 1.11). Если же хорошо смазать опорные грани
куба (например, парафином) и тем самым уменьшить
силы трения, то под нагрузкой куб вследствие свободного ..
поперечного расширения паспаляетгя ия пял гппрп пяя-
поперечного расширения распадается на ряд слоев, раз-
деленных вертикальными трещинами. Прочность куба со
смазанными опорными поверхностями при сжатии состав- 1
ляет около 50 % прочности того же образца с несмазан-
ными опорными поверхностями.
На результаты испытания влияет скорость нагруже-
ния образца. Если нагрузка возрастает быстрее, чем ус-
тановлено стандартом, то результат испытания нолуча-1
™ —""ь-. так как нс Успевают развиваться пла-
стические деформации. .
Пр примеры говорят о том, что показатели J
хап»^иЛТ₽°"Те'"ЬНОГО матеРнала, используемые как j
лвчнваи!. ТНК" еГ0 качества' являются условными ве-
еди ьм Укаемим" по стандартным методикам, j
для всей страны. Я
8 зависимости от прочности строительные материалы
разделяются на марки. Марка материала по прочности
является важнейшим показателем его качества. В нор-
мативных документах марка указывается в кгс/см2- на-
пример, марка портландцемента может быть: 400,’ 500
550 и 600. Чем выше марка, тем выше качество конструк-
ционного строительного материала. Единая шкала ма-
рок охватывает все строительные материалы.
Предел прочности при осевом сжатии Rcw, МПа, ра-
вен частному от деления разрушающей силы Рраэр на
первоначальную площадь поперечного сечения образца
(куба, цилиндра, призмы):
^сж — Р разр/F. (1.32)
В табл. 1.5 систематизированы характерные образцы,
применяемые для определения предела прочности стро-
ительных материалов при-сжатии.
Предел прочности при осевом растяжении /?р (МПа)
используется в качестве прочностной характеристики
стали, бетона, волокнистых и других материалов (табл.
1.6). В зависимости от соотношения7?Р и /?с>к материалы
можно условно разделить на три группы: к первой отно-
сятся материалы, у которых RP>RCw (волокнистые —
древесина и др.); ко второй—с RV^RC>K (сталь); к треть-
ей— с Rp<RCiK (хрупкие — природные камни, бетон,
кирпич).
Предел прочности при изгибе 7?р.и (МПа) определяют
путем испытания образца материала в виде призм (ба-
лочек) на двух опорах. Их нагружают одной или двумя
сосредоточенными силами до разрушения. Предел проч-
ности условно вычисляют по той же формуле сопротив-
ления материалов, что И напряжение при изгибе:
Яр.„ = M/W, (1.33)
В табл. 1.6 приведены схемы испытания и соответст-
вующие им расчетные формулы. Эти формулы, строго
говоря, справедливы в пределах упругой работы мате-
риала и при одинаковом его сопротивлении сжатию и
растяжению. Поэтому по формулам вычисляют условное
значение предела прочности при изгибе, являющееся стан-
дартной прочностной характеристикой кирпича, строи-
тельного гипса, цемента, дорожного бетона.
Динамической (или ударной) прочностью называют
свойство материала сопротивляться разрушению при
ТАБЛИЦА 16. СХЕМА СТАНДАРТНЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ПРЕДЕЛА ПРОЧНОСТИ ПРИ ИЗГИБЕ И РАСТЯЖЕНИИ
- Обр““ испытанна рЯе„,уТ Мнтарн» 'S-
Призма, кирпич (в натуре) 1 J чг .£ г X При изгибе '"ж Цемент 4X4X16
Призма R ДР=ве- 15XJ5X 2X2X30
Х="4£ Бетон 5X5X50; lOX^lOX
Цилиндр фз - ndl Бетон d=15
ударных нагрузках. Она характеризуется количеством
работы, затраченной на разрушение стандартного образ-
ца, отнесенной к единице объема (Дж/см3) или площади
поперечного сечения образца (Дж/м2). Сопротивление
удару важно для материалов, используемых при устрой-
стве фундаментов машин, полов промышленных зданий,
дорожных покрытий и т. п.
Коэффициент конструктивного качества (к. к. к.) ма-
териала равен отношению показателя прочности /?
(МПа) к относительной плотности d (безразмерная
Личина): к К. ».=«/</, НМД
эта прочность отнесена к единице плотно»
следовательно, эта про материалы имеют высо-Я
сти. Лучшие ““ стенной плотности. ПовМ
К'еш"яТкТможио добиться снижением плотности ма-
ТеооеХХго прочность Отеор получают из условия, что.,
Гмомейт разрушения вся энергия упругой деформации,
накопдавийя в объеме между двумя слоями атомов пе»
пиит- в"поверхностную энергию двух вновь образовав
шихся при разрушении поверхностей. Согласно уравне-Л
нию Орована—Келли,
вм>р=/вэ/«. (135)^
„е £—модуль упругост»: 3-поверхностная энергия твердого те-Ж
I В—межатомное расстояние (в среднем 2-1'1 „ см).
Следовательно, теоретическая прочность материал»
тем выше, чем больше его модуль упругости и поверхно»
стная энергия и чем меньше межатомное расстояние. »
Согласно приведенному выражению, прочность твер- •
лого тела должна находиться между значенями Е/5 и
£/10 Теоретическая прочность стекла при комнатной
температуре 14 000 МПа, прочность на растяжение тон-
ких стеклянных волокон толщиной 3—5 мкм — 3500-je
5000 МПа, а обыкновенного стекла только 70—150 МПа.
Следовательно, используется сравнительно небольшая®
доля потенциальной прочности материала: прочность по-
нижается благодаря наличию пор, трещин и дефектов
структуры материала.
Широко используют методы, которые позволяют ис-
пытывать без разрушения образцы или отдельные изде-
лия, определяя вместе с тем степень их однородности.
Этими методами можно также испытывать изделия при
их изготовлении на заводах, и материалы, находящиеся»
в конструкциях здания и сооружения.
К физическим методам испытания относят: импульс-
ный ультразвуковой, резонансный и радиометрическщ|3
При импульсном ультразвуковом методе оценка свойств
производится по замеренной скорости прохождения .про-
дольных ультразвуковых волн с использованием корре-
ляционной связи между скоростью распространения уп-
ругих волн в материале и его механическими свойствами.
Скорость распространения продольных упругих волн о
связана с модулем упругости Е и плотностью р прибли-
женной зависимостью:
i> = kKe/p”; (1.36)
при коэффициенте Пуассона ц = 0,16—0,25 К=1,05.
Для определения прочности материала необходимо
построить тарировочный график. По полученным экспе-
риментальным данным строят график зависимости от
v, которым можно пользоваться при испытании конст-
рукции из данного материала (рис. 1.12). Без определения
прочности можно также- установить степень однородно-
сти материала в конструкции по скорости распростране-
ния ультразвука в различных ее частях.
Однородность прочности материала—это важнейшее
техническое и экономическое требование. Для оценки
однородности материала используют результаты конт-
рольных испытаний образцов за определенный период
времени. Прочность образцов будет колебаться, отклоня-
ясь от среднего значения в большую и меньшую сторо-
ны. На прочности материала сказываются колебания в
качестве сырья, точность дозирования составляющих и
другие технологические факторы. Чем ближе частные
результаты испытания образцов к среднему значению,
тем выше однородность материала.
Коэффициент вариации прочности V, %, вычисляют
по формуле:
V=*//?• 100, (1.37)
Средняя же прочность равна:
них образцов. Р ₽ Ц ’
В идеальном случае «для абсолютно однородного»
материала s=0 и У=0. Неудовлетворительная однород-
приятиях с хорошо налаженной технологией значение И
не превышает 3—7 % • От коэффициента вариации зави-
сит надежность материала в конструкции, расхода це- J
мента в бетоне и экономические показатели. Поэтому ко- .Я
эффициеит вариации является важнейшим показателем
качества материала. Например, высокопрочные цементы, Л
поставляемые со Знаком качества, характеризуются»
VC3 %. I
При статистическом методе контроля требования к
прочности материала назначают с учетом фактической I
однородности прочности, характеризуемой коэффициен- 1
том вариации прочности бетона.
При вероятностно-статистическом методе контроля ка-
чества материалы1подразделяют по прочности на клас-
сы. Класс прочности характеризует показатель прочности 1
материала с определенной статистической обеспечен-
ностью, принятой при проектировании (см. гл. 6).
3. Влияние строения материала
на его прочность
„ ^Рочность материала одного и того же состава зави-
1
чение пористости с 12,4 до
15,2% снизило прочность при
сжатии с 37,5 до 26 МПа.
Подобная зависимость ха-
рактерна и для других мате-
риалов (известняка, керами-
ческих материалов и пр.).
Кристаллические матери-
алы имеют большее или
меньшее количество точеч-
ных дефектов. Одни из них
заключаются в том, что не-
которые атомы или иолы
смещены в другие положе-
ния и могут располагаться
даже между узлами кристал-
лической решетки (дефекты
s=sO:s=~
(примеси замещения) или м» Основное вещество
древня). ’’ 1ли между ними (примеси вне-
ДислокациГкрКисталаловИЧЛи^о матеРиалов зависят от
мерный (линейныйГл^ Ч“л-Это всегда одно-
-зникающий в процессе o6pS'™X лРа™
результате последующих механических, тепловых и дРу. |
гих воздействии. Дислокации бывают краевые, винтовые |
и смешанные —криволинейные.
На рис. 1.14, а схематически изображена краевая дир- !
локация. Отклонение от идеального строения кристалла
вызвано тем, что один слой атомов (он расположен на i
рис. 1.14 в экстраплоскости) по каким-то причинам ока- '
зался незавершенным. Кромка 1—1 «лишнего» слоя ато-
мов образует линейный дефект, называемый краевой I
дислокацией (обозначена на рис. 1.14,а знаком _L). По
обе стороны от кромки экстраплоскости атомы сдвинуты
на угол, соответствующий теоретической прочности кри-
сталла на сдвиг. Стоит приложить внешнее усилие, зна-
чительно меньшее теоретической прочности данного кри-,. •
сталла, и в плоскости А—А, нормальной к экстраплоско- '
сти, произойдет сдвиг на одно межатомное расстояние^!
Продолжая нагружать кристалл, перемещаем дисло-
кацию из одного ряда атомов в другой, пока не вытолк-''
нем дислокацию на грань кристалла. Механизм скольже-Я
ння, основанный на движении дислокаций, может быть т
сопоставлен с перемещением на полу ковра с предвари-
тельно созданной складкой (рис. 1.15). При таком спо-
собе требуется значительно меньшее усилие, чем в слу-
чае перемещения ковра как единого целого.
Дислокационная теория рассматривает пластический
сдвиг в кристаллических материалах как скольжение-пу-
тем движения дислокаций. Подвижность дислокаций за-
висит от того, насколько легко межатомная связь может
быть разрушена и вновь восстановлена; ведь каждый
раз, когда дислокация перемещается на один шаг (меж-
атомное расстояние), должны рваться старые связи и
устанавливаться новые. В этом отношении предпочти-
тельнее связи, обеспечивающие одинаковое притяжение Л-;
во всех направлениях: металлическая и ионная. Дислока-
ции в ковалентных кристаллах при нормальной темпера- •
туре малоподвижны, так как ковалентная связь являет-
ся направленной, наиболее прочной и жесткой.
„ " 1ТЛацИИ ирисуговуют почти во всех кристалличе? JI
атериалах. Они значительно понижают прочность
монокристаллов, но зато придают пластичность поликри-
сгаллическим телам с металлической связью, делают ме-
талл ковким, затрудняют распространение трещин.
Доказательством, подтверждающим объяснение низ-
кой прочности кристаллов движением дислокаций, явля-
ются результаты изучения механических свойств нитевид-
ных кристаллов различных материалов, .выращенных без
краевых дислокаций, способных претерпевать упругую
деформацию до 5—6 % без признаков пластического те-
чения. Бездислокационные кристаллы способны выдер-
жать напряжения сдвига, достигающие 5 % модуля сдви-
га; это на несколько порядков больше, чем у обычных
кристаллов. В реальности дислокаций убеждают и непо-
средственные наблюдения.
Плотность дислокаций (т. е. число дислокаций, пере-
секающих площадь 1 см2) может быть весьма велика —
до 107— 10я (в отожженных металлах). При механичес-
ких воздействиях дислокации перемещаются, взаимодей-
ствуют между собой и порождают новые дислокаций, в
особенности в местах концентрации напряжений. В ре-
зультате их плотность возрастает до 10’°—Ю13 (в сильно
наклепанных металлах). Когда дислокаций много (боль-
ше некоторой критической плотности), они переплета-
ются (словно спутанные нитки), тормозят перемещение
одни другим, в результате материал упрочняется. Однако
при дальнейшем деформировании материал может сде-
латься хрупким.
Вакансии в кристаллической решетке, межузельные
(внедренные) атомы, дислокации играют важную роль в
процессах диффузии, повышают химическую активность,
что используется, в частности, в технологии быстротверде-
ющих цементов. Однако наличие дислокаций и дефектов
I структуры в готовом материале снижает его стойкость,
так как деформированные межатомные связи (как и
места концентрации напряжений) более уязвимы для
химических и физических воздействий среды. Следова-
тельно, дислокации следует рассматривать как структур-
ный фактор, регулирующий комплекс наиболее важных
свойств кристаллических материалов.
4. Механическое разрушение
Различают хрупкое и пластическое разрушение твер-
дых тел. Хрупкое разрушение сопровождается очень
хрупкими: у них происходит переход от пластического
разрушения к хрупкому. Так ведут себя битумные мате- I
риалы, некоторые полимеры, металлы и др.
Хрупкое разрушение происходит в результате образо-
вания и быстрого роста одной или нескольких трещин при 4
возрастающей нагрузке. Трещина (как и надрез) вызы-
вает концентрацию напряжений около ее вершины (рйр. I
1.16). В этом месте напряжение оказывается значительно ЭД
большим, чем можно ожидать при простом уменьшении .
площади поперечного сечения. Напряжение сгк на конце
трещины зависит от номинального напряжения аи, длины
(глубины) трещины / и радиуса кривизны в вершине тре-
щины г.
ак = ан(1+2К//г). (1.38)
Коэффициент концентрации напряжений ак/стн=^=
==1-}-2 1/г может быть равен 100 и даже 1000, если ра-
диус вершины трещины соизмерим с радиусом атома, хо- ।
тя глубина трещины лишь 0,1—10 мкм. Следовательно,
местное напряжение может превысить 7000 МПа при но- |
минальном (т. е. среднем по сечению) напряжении 35—
100 МПа. Трещина как бы разрезает атомные цепочки, и. ,»]
значительная часть нагрузки, которую несли разрезанные
атомные цепочки, приходится теперь на атомную связь у
конца трещины. Перегруженная часть лопнет раньше
других, и положение ухудшится, так как следующее зве-
но будет еще больше перегружено. Таким образом, тре-
щина становится (по словам Гордона) тем инструмен-
том, с помощью которого приложенная извне слабая си-
ла рвет прочные межатомные связи.
При распространении трещины материал вблизи нее
разгружается, и вследствие этого выделяется энергия уп-
ругой деформации.
Объем, в котором выделяется энергия, изображается ;
на рис. 1.16 как половина объема цилиндра единичной
высоты, численно равного л/2/2. Выделенная энергия
зависит от приложенного напряжения о, модуля упруго- '
сти Е и глубины трещины / (половины длины внутрен-
ней трещины):
Образование двух новых поверхностей трещины требует
затрат энергии: ^=23^, где Э{— поверхностная энер-
Трещина будет самопроизвольно расти, если длина
трещины превышает некоторую «критическую длину
Гриффитса», при которой освобождающаяся энергия уп-
ругой деформации равна энергии образующихся новых
поверхностей. Тогда
я/а’/Е = 2Э1г
(1.39) 1”
Напряжение, необходимое для разрушения растяну. Я
той пластины, возрастает у материалов с высоким моду. Я
лем упругости и большей поверхностной энергией, оно Ж
уменьшается при наличии более глубоких поверхностны» «
трещин.
В данном материале для каждого напряжения суще-
ствует своя критическая длина трещин. Трещины, глубц-^ДД
на которых превышает /кр, способны при данном о само-
произвольно расти со скоростью, приближающейся к.-Д
скорости распространения упругой волны (1,5—2 км/с). I
Сжимающие усилия в отличие от растягивающих мо- I
гут передаваться через трещины, не вызывая концентра- 1
ции напряжений. Поэтому хрупкие материалы всегда 1
оказываются значительно прочнее при сжатии, чем при i
растяжении.
Принцип торможения трещин при помощи создавае-
мых в материале внутренних поверхностей раздела ис- 1 . I
пользуется в современных композиционных материалах.ДИ
Механизм торможения трещины по Гордону основан 1
на том, что при распространении трещины, кроме пер- 1
пендикулярных трещине напряжений, достигающих мак- 1
симума в ее вершине, возникает растяжение в направле- J
нии, параллельном трещине. Растягивающее напряже- J
вне, параллельное трещине, равно нулю в вершине тре- 1
щины и достигает максимума впереди трещины на рас-
стоянии одно-двухатомных размеров от ее вершины. В
растянутом материале отношение максимального напря- j
жеиия параллельного трещине, к максимальному иапря- J
жению, перпендикулярному ее поверхности, составляет ]
приблизительно 1 :5. Если прочность сцепления на по- I 1
верхности раздела больше */5 прочности материала на 1
растяжение, то поверхность не разрушится, трещина ее !
только пересечет и поведение материала не изменится,
т. е. он останется хрупким. Если же прочность сцепле- \
ния материала меньше */s его прочности на растяжение, (
то прежде, чем трещина достигнет поверхности раздела,,
эта поверхность будет разрушена на небольшом участке; I
таким образом образуется ловушка, способная остано-
вить трещину (рис. 1.17).
Кончик трещины, который был очень малым, при 1
встрече с поверхностью раздела становится очень боль-
60
щим, устраняется концентрация напряжений в вершине
трещины и тенденция ее распространения (рис. 1.18).
б. Твердость, истираемость и износ
Твердость — свойство материала сопротивляться мест-
ной пластической деформации, возникающей при внедре-
нии в него более твердого тела. Твердость минералов
оценивают шкалой Мооса, представленной десятью ми-
нералами, из которых каждый последующий своим ост-
рым концом царапает все предыдущие. Эта шкала вклю-
чает минералы в порядке возрастающей твердости от 1
до 10:
1. Тальк 3Mg0.4Si02‘H20 — легко царапается ногтем.
2. Гипс CaSO<-2Н2О — царапается ногтем.
3. Кальцит СаСО3 —легко царапается стальным ножом.
4. Флюорит (плавиковый шпат) CaF2 — царапается стальным но-
жом под небольшим нажимом.
5. Апатит Ca5fPO4]3F — царапается ножом под сильным нажимом.
6. Ортоклаз K2O-AI2O3-6SiO2 —царапает стекло.
7 Кварц SiO3 1. легко царапают стекло; применяются
8 Топаз AhfSiOiKF.OHJa I качестве абразивных (истираю-
1?: А°Р„Уа'зДС 1 1 щвх>
Твердость древесины, металлов, бетона и некоторых
других строительных материалов определяют, вдавливая
в них стальной шарик или твердый наконечник (в виде
конуса или пирамиды). В результате испытания вычис-
ляют число твердости HB=PIF, где F— площадь по-
верхности отпечатка.
От твердости материалов зависит их истираемость:
чем выше твердость, тем меньше истираемость.
Истираемость оценивают потерей первоначальной
массы образца материала, отнесенной к площади поверх-
ности истирания F, и вычисляют по формуле, г/см2:
H = (1.40)
где mi и mt — масса образца до истирания и после него. -
Сопротивление материала истиранию определяют,
пользуясь стандартными методами: кругом истирания и
абразивами (кварцевым песком или наждаком). Это
свойство важно для эксплуатации дорог, полов, ступеней
лестниц и т. п.
Износом называют свойство материала сопротивлять-
ся одновременному воздействию истирания и ударов. Из-
нос определяют на образцах материалов, которые испы-
тывают во вращающемся барабане со стальными шара-
ми или без них. Показателем износа является потеря
массы пробы материала в результате проведенного -ис-
пытания (% к первоначальной массе).
6. Реологические модели
Реология — наука о деформациях и текучести ве-
щества, исследующая различные деформации материа- Ч
лов в зависимости от напряжений. Механические свойст-
ва материалов моделируют, используя три простых рео- |
логических тела, определяющих три фундаментальных Я
свойства: упругость, пластичность и вязкость.
Моделью упругого материала, подчиняющегося зако-
ну Гука, служит спиральная пружина (рис. 1.19,а), де-
формация которой прямо пропорциональна напряжению 1
и не зависит от времени. После снятия нагрузки дефор- 3
мация становится равной нулю, следовательно, деформа
ция этого упругого твердого тела обратима. Поведение
(деформации) упругого тела под нагрузкой определяется I
(модулем Юнга), Па:
зки дефор- I
о, деформа- Я
. ... Поведение Я к
рмации) упругого тела под нагрузкой определяется
лемЮнга),Па:
и изображается на диаграмме о—8 тангенсом угла на-
клона прямой (рис. 1.19,в).
Модель пластичного тела Сен-Венана представляет]
собой груз, покоящийся на столе (элемент сухого трения;J
рис. 1.20). Груз начнет перемещаться, когда напряжений
достигнет предела текучести стт, являющегося основной
механической характеристикой пластичных тел.
Идеальная (ньютоновская) жидкость подчиняется!
уравнению вязкого течения:
где т — напряжение сдвига, Па; / — время, с; 1] — вязкость Па-с. -
Деформация вязкого течения еВЯзк при постоянном на-
пряжении сдвига возрастает пропорционально времени
(рис. 1.21,6). Поведение жидкости моделируют жидкост- Ч
ным элементом (рис. 1.21,а), в котором поршень пере-
мещается под действием приложенной силы, при этом !
жидкость протекает через кольцевой зазор между стен- .
ками цилиндра и поршнем.
Реальные материалы обладают комплексом механиче-
ских свойств, для моделирования которых прибегают к
сочетанию простых моделей, получая сложные реологи-
ческие модели.
Модель Шведова — Бингама состоит из всех трех
простых тел: пру
гую деформацию пружины, затем при достижении пре-
дела текучести смешается элемент сухого трения, и в ра-
боту включается жидкостный элемент, а к упругой де-
формации добавляется деформация вязкого течения. Сле-
довательно, общая деформация
(1-43)
Таким образом, модель Шведова —Бингама характери-
зуется тремя реологическими параметрами: Е, о, и т).
Эта модель достаточно универсальна и часто использует- 1
ся для описания деформативных свойств жидкообраэных I
материалов и паст (красок, глиняного теста, бетонной Я
смеси и др.), а также твердых материалов (бетона, ме- Я
при возрастающем растягивающем напряжении сначала ] I
деформируется упруго (см. участок ОА на рис. 1.10), a j - |
при достижении предела текучести удлиняется при по-
стоянном напряжении, как бы «течет» (см. площадку те- J
кучести АВ на рис. 1.10,6). Другой пример: чтобы крас- I
ка не стекала с поверхности стены, нужно придать кра-
сочному составу достаточный предел текучести; однако
при окраске кистью вязкость краски следует по возмож- I
ности снизить, чтобы рука не утомлялась.
Модель Шведова — Бингама используется также при
расчете трубного транспорта бетонных смесей (перекач- ; ijj
ке бетононасосами) и гидромасс (при намыве земляных |
плотин).
Поведение материалов, сочетающих упругие и вязкие 1
свойства, можно описать с помощью модели Максвелла,
состоящей из последовательно соединенных пружины и
элемента (рис. 1.23,а). В первый момент времени t0 со-.^
противление создается упругим элементом и возникает ;
упругая деформация еупр, неизменяющаяся при постоян-
ном напряжении. В период времени от /0 до 6 деформа-
ция возрастает вследствие вязкого течения (оно модели-
руется жидкостным элементом, присоединенным к
пружине). В момент времени/) при снятии нагрузки упру-
гая составляющая деформации равна нулю, но вязкое
смешение е,™ сохраняется, так как оно необратимо.
Следовательно, полная деформация е асфальтобетона,
пластика и т. п. содержит упругую и вязкую составляю-
В соответствии с законом Гука и приведенной выше
формулой для евязк получаем следующее уравнение уп-
руго-вязкой деформации:
е = о/£ + о//Ч;' в = а(1/£ + //П). (1.44Э
Соответствующий график приведен на рис. 1.23,5.
Примером вязкого течения материала асфальтового по-
крытия дороги является след шин, вдавившихся в него
в жаркую погоду. При высо-
кой температуре вязкое тече-
ние проявляется даже у стек-
ла, металла и других твер-
дых материалов.
возможность получить коли-
скорости релаксационных яв-
лений, протекающих в поли-
мерных и других строитель-
ных материалах. Релаксация
напряжений — постепенное
уменьшение напряжений в
материале при постоянной
деформации. Для модели
Поскольку
= —О//П,
-(£/П)Л.
Введем постоянную времени релаксации
Л = ч/£,
Из формулы (1.45) видно, что релаксация напряже- Д
я следует экспоненциальному закону (рис. 1.23, в). j
дят в пиропластическое (глина, стекло и др.) или кау-
чукоподобное (линейные полимеры) состояние, затем
плавятся и становятся жидкотекучими. Следовательно, в
зависимости от температуры материал может проявлять
упругие, вязкоупругие и вязкие свойства. Для анализа
деформаций материалов в температурном интервале, ох-
ватывающем эти три состояния, может быть использова-
на модель, включающая три элемента: /—упругий; 2—
рифмов).
ция этой модели равна сумме деформации каждого по-
следовательно расположенного элемента:
ты с 10 до 140 мм
8.44 МПа.
90 су
2. 1.92 МПа.'
Деформативпые свойства материалов зависят от тем-
пературы. При нагревании они размягчаются и перехо-
Поскольку каждый элемент модели функционирует раз-
дельно, он характеризуется своими значениями Е и п,
поэтому
а = о/£1+а/£г(| —е-'£-^-) + сГ/1)3. (1.46)
На рис. 1.24,6 представлено развитие деформации во
времени. После прекращения действия напряжения, на-
чиная с момента времени упругая в. и вязкоупругая
Bi составляющие деформации становятся равными нулю,
а вязкая деформация е3 необратима.
§ 4. ДОЛГОВЕЧНОСТЬ И НАДЕЖНОСТЬ
Долговечность — свойство изделия сохранять работо-
способность до предельного состояния с необходимый^ I
перерывами на ремонт. Предельное состояние определи^ I
ется степенью разрушения изделия, требованиями безо-
пасностн или экономическими соображениями. Долговечна
ность строительных изделий измеряют обычно сроком '
службы без потерн эксплуатационных качеств в конкрет-
ных климатических условиях и в режиме эксплуатации.
Например, для железобетонных конструкций нормами
предусмотрены три степени долговечности, причем пер-
вая соответствует сроку службы не менее 100 лет. вто- 1
рая — не менее 50 лет, третья —не менее 20 лет. Долго-
вечность определяется совокупностью физических, меха- I
нических и химических свойств материала. Ее нужно оце- '
ннвать применительно к конкретным условиям эксплуа-
О долговечности судят, подвергая материал испыта-
ниям, которые по возможности воспроизводят воздейст<< |
виях лабораторных испытаний представляет достаточно |
сложную задачу. Например, долговечность лакокрасок
ных покрытий устанавливают, применяя специальную уёЯ
лучения ультрафиолетовыми лучами, действию различ-
ных температур. Лабораторные испытания сочетают с
натурными испытаниями материалов в виде образцов или
непосредственно в сооружениях. Стенды с образцами
располагают на крыше здания («крышные» испытания^
кровельных и отделочных материалов) либо в зоне при-
лива и отлива морской воды (бетоны для морских соору-
жении) и т. п.
Надежность представляет собой общее свойство, ха-
рактеризующее проявление всех остальных свойств изде-
лия в процессе эксплуатации. Надежность складывается
из долговечности, безотказности, ремонтопригодности и
сохраняемости. Эти свойства связаны между собой.
Безотказностью называют свойство изделия сохранять
работоспособность в определенных режимах и условиях
эксплуатации в течение некоторого времени без вынуж-
денных перерывов на ремонт. К показателям безотказно-
сти относят вероятность безотказной работы. Отказом
взывают событие при
делие полностью иливыэыРается такой непсправ-
Потеря Ра6о™““й X бы один из основных парамет-
ностыо, при кото₽°ДеЛы установленных допусков.
ров выходит за пределы^ст о ]13дач„я. характери-
Рыонтопригодность, с восстановлению исправ-
зуюшее его прнспособленн к кой характерце-
S==S===
№ оценивают временем хранения и транспортирования
до возникновения неисправности.
ГЛАВА 2. ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Горные породы —главный источник получения строи-
тельных материалов. Горные породы используют в про-
мышленности строительных материалов как сырье для
изготовления керамики, стекла, теплоизоляционных и
других изделий, а также для производства неорганиче-
ских вяжущих веществ — цементов, извести и гипсовых.
Сотни миллионов кубометров песка, гравия и щебня
применяют ежегодно в качестве заполнителей бетонов и
растворов. Широко используют природные каменные ма-
териалы для облицовки зданий и сооружений, устройства
полов, лестниц, мощения дорог. СССР по запасам и раз-
нообразию горных пород не имеет себе равных. Изыска-
ния, проведенные в больших масштабах за. годы Совет-
ской власти, дают полное представление о запасах и ге-
ографическом размещении минерального сырья.
Горные породы — это природные образования более
или менее определенного состава и строения, образую-
щие в земной коре самостоятельные геологические тела.
Минералами называют однородные по химическому
составу и физическим свойствам составные части горной
породы. Большинство минералов— твердые тела, иногда
встречаются жидкие (самородная ртуть).
В зависимости от условий формирования горные по-
роды делят на три генетические группы: 1) магматиче-
ские породы, образовавшиеся в результате охлаждения ц?
затвердевания магмы; 2) осадочные породы, возникшие
г. поверхностных слоях земной коры из продуктов вывет-
ривания и разрушения различных горных пород; 3) мета-
морфические породы, являющиеся продуктом перекри-
сталлизации и приспособления горных пород к изменив-
шимся в земной коре физико-химическим условиям. В
§ 2. МАГМАТИЧЕСКИЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
Магматические горные породы слагают большую .1
часть земной коры. Земная кора является наиболее неод-
нородной геосферой, она имеет три слоя: нижний — ба-
зальтовый; выше его —гранитный, и верхний сравни-
тельно тонкий чехол осадочных пород (рис. 2.1). Базаль-
товый слой коры состоит из пород основного состава, в j
пределах океанов его верхняя часть доступна непосредст-
венному изучению. Гранитный слой сложен преимущест-
венно породами кислого состава и различными метамор- ’.
фическими породами.
В зависимости от условий образования выделяют две
главные группы магматических пород — глубинные (ин- 3
трузнвные) и излившиеся (эффузивные). Глубинные по-
роды обРаз°ваойИкореР избившиеся - прб вулканической
глубине в магмы из глубин и застывании
*Гп»ер°"ОСТИ или В приповерхностных слоях земной
ующие минералы
1. Главные породос
Основные породообразующие минералы магматичес-
к„х пород: кварц и его разновидности; полевые шпаты;
железисто-магнезиальные силикаты, слюды. Все эти ми-
нералы различаются по своим свойствам, поэтому преоб-
ладание в породе тех или иных минералов меняет ее
Строительные свойства- прочность, стойкость, вязкость и
способность к обработке (полированию, шлифованию
" Т'к"варц, состоящий из диоксида кремния (SiO2) в кри-
сталлической форме —один из самых распространенных,
прочных я стойких минералов. Он обладает исключитель-
но высокой прочностью при сжатии (до 2000 МПа) и вы-
сокой для хрупких материалов прочностью при растяже-
нии (около 100 МПа), а также высокой твердостью, ус-
тупающей только твердости топаза, корунда и алмаза.
Кварц отличается высокой кислотостойкостыо и вообще
химической стойкостью при обычной температуре: из кис-
лот на него действует фтористоводородная кислота и го-
рячая фосфорная;, едкие щелочи вступают в химическое
взаимодействие с кварцем при повышенной температуре.
Кварц плавится при температуре около 1700 °C, поэтому
широко используется в огнеупорных материалах.
Благодаря высокой прочности и химической стойкос-
ти кварц остается почти неизменным при выветривании
магматических пород, в состав которых он входит (на-
пример, при выветривании гранитов). Поэтому он явля-
ется также одним из самых распространенных минералов
и в осадочных породах (в песчаниках и кварцевых пес-
Цвет кварца может быть различным, но чаще всего
встречаются бесцветный, молочно-белый и серый. Про-
зрачные, полупрозрачные и красиво окрашенные разно-
видности носят названия: горный хрусталь (водяно-про-
зрачный кристалл), аметист (фиолетовый), раухтопаз
(дымчатый топаз), морион (черный).
В СССР впервые синтезирован новый класс исКу«<1 ственных монокристаллов — фианиты на основе твердых i растворов тугоплавких оксидов циркония и гафния. Фпа- ветривается легче, чем муско . ,,,иость в одном на- srs пластинки. Слюды встречаются и в песках, где также считаются вредной примесью: бетоны и строительные 1 растворы на песке с значительным содержанием слюды 1 обладают пониженной морозостойкостью. Для специальных отделочных штукатурок в растворы иногда намеренно вводят слюду в целях достижения оп- ределенного художественного эффекта.
ниты по качеству превосходят многие природные минера- лы: они отличаются высокой твердостью (8,5), устойчи- вы к окислению на воздухе, имеют хорошие оптические Полевые шпаты —самые распространенные минера- лы магматических пород (до 2/3 общей массы породы). Как и кварц, они представляют собой светлые составные части пород (белые, розоватые, красные и т. п.). Глав-
клаз и плагиоклазы. Ортоклаз K2O-Al2O3-6SiO2 или K[AlSi3Oe] «прямо* 1 раскалывающийся» характеризуется следующими свой- ствами: угол между спайностями 90°, твердость 6—6,5,7| 1 плотность 2,57 г/см3, плавится при 1170°C, полное рас- 1 плавление при 1450”С. Встречается в кислых (гранитах) и средних (сиенитах) по кислотности магматических по- родах. Плагиоклазы «косораскалывающиеся» образуют изо- ъд морфный ряд от альбита Na2O-Al2O3-6SiO2 или Д Na[AlSi3O8], входящего в состав кислых пород, до ано- "В рита CaO-Al2O3-2SiO2 или Са [Al2Si2O8], характерного Я для основных пород (габбро, базальта и др.). По сравнению с кварцем полевые шпаты обладают
2. Глубинные (интрузивные) горные породы
значительно меньшей прочностью (120—170 МПа на
сжатие) и стойкостью, поэтому они реже встречаются в '
осадочных породах (главным образом, в виде полево-
шпатовых песков). Выветривание полевых шпатов проис-
ходит под влиянием воды, содержащей углекислоту. Ре-
зультатом выветривания является новый минерал —као-
линит (важнейшая часть самой распространенной оса-
дочной породы — глины).
К цветным (темноокрашенным) минералам, встреча-
ющимся в магматических породах, относятся железомаг-
незнальные и магнезиальные силикаты.
».А»™₽уППе желез0"агнгзиальных силикатов наиболее
Ра/е"Ы олив"»- пироксены (например, авгит),
а“ф"®ол“ (Р°Г0ВаЯ обманка)- Среди магнезиальных си-
аИмК ’ СТреЧаюТСЯ вт0₽п™ые минералы, чаще всего
оливин - серпентин, хризотил-асбест.
пвета Го ’пмагиезиальпые силикаты - минералы темного
ц та (от темно-зеленого до черного); для них характер-
Магматические горные породы, образующиеся в раз-
личных геологических условиях, различаются по своим
ности строения горных пород, зависящие от условий об-
разования, выражаются в структурных и текстурных
признаках.
Структура определяется степенью кристаллизации и
размерами зерен, а также формой и взаимными отноше-
ниями составных частей горной породы. При медленном
остывании магмы в глубинных условиях (рис. 2.2) воз-
никают полнокристаллические структуры. По размерам
зерен среди кристаллических пород выделяют: крупно-
зернистые (средний размер зерен более 5 мм), средне-
зернистые (1—5 мм) и мелкозернистые (0,5—1 мм), а
роды относительно друг друга в занимаемом ими прост-
И”“Г
К'““е Граниты 2,7-2,6 250-120 Кварцевые пор-
Средине Сиениты 2.8-2,6 250-120 Бескварцевые порфиры, тра-
Диориты 3-2,8 300-150 Порфириты,
Основные броиды’ 3,3-2,9 500-250 Диабаз, базальт
шпатов (35—40%) и плагиоклаза (20—25 %), обычно
небольшим количеством слюды (5—10%) и отсутствием
сульфидов. Граниты имеют высокую механическую проч-
ность на сжатие—120—250 МПа (иногда до 300 МПа).
Сопротивление растяжению, как у всех каменных мате-
риалов, относительно невысокое и составляет около
род характеризуется массивной текстурой.
Наиболее общие свойства глубинных горных пород:
весьма малая пористость и, следовательно, большая
плотность и высокая прочность. Кроме того, в связи с
очень малой пористостью эти породы обычно обладают
низким водопоглощением, морозостойки и сравнительно
высокотеплопроводны. Обработка таких пород из-за их
высокой прочности затруднительна. Однако благодаря
высокой плотности они хорошо полируются и шлифуются.
Средние показатели важнейших строительных свойств
таких пород: прочность на сжатие 100—300 МПа; плот-
ность 2600—3000 кг/м3; водопоглощение меньше 1 % по
объему; теплопроводность около 3 Вт/(м-°С).
Граниты обладают благоприятным для строительного
камня минеральным составом, отличающимся высоким
содержанием кварца (25-30%), натриево-калиевых
Необходимо отметить, что в каменных материалах
вследствие их хрупкости сравнительно легко могут поя-
виться тонкие (волосные) местные трещинки (от взрывов
при добыче, от ударов, резких колебаний температуры
шое влияние на предел прочности при сжатии, но могут
значительно понизить прочность на растяжение.
Важнейшее свойство гранитов — их малая пористость
(непревышающая 1,5%), что обусловливает водопогло-
щение около 0,5 % (по объему). Поэтому морозостой-
кость их высокая. Огнестойкость гранитов недостаточна,
так как они растрескиваются при температуре выше
600 °C вследствие полиморфных превращений кварца.
Граниты, как и большинство других плотных магматиче-
ских пород, обладают высоким сопротивлением истира-
Граниты весьма разнбдбразны по цвету, зависящему 1
в основном от окраски полевых шпатов: они могут быть Я
белыми, серыми, желтыми, розовыми, красными. Различ- -
ные сочетания отдельных компонентов и изменение струк. 3
туры обусловливают разнообразие цветов, оттенков и Я
рисунка гранитов, поэтому они являются прекрасным об- Д
лицовочным материалом. Высокая прочность на сжатие Я
и морозостойкость гранитов позволяют применять их для : J
защитной облицовки набережных, устоев мостов, цоко- Д
лей зданий, а также в качестве щебня для высокопроч^ |
ных и морозостойких бетонов. Кроме этого, благодаря '
значительной кислотостойкости гранитов их используют | Я
в качестве кислотоупорной облицовки.
Граниты как наиболее распространенные из глубин-
ных магматических пород широко используют в строи- -’-Л
тельстве. Остальные глубинные породы (сиениты, дио- Я
риты, габбро и т. п.) как менее распространенные в при- 9
роде применяются в строительстве значительно реже. I
Сиениты. Горные породы группы сиенитов составля- Д
ют около 2,6 % магматических пород. Цвет этих пород Я
зависит от цвета полевых шпатов и поэтому они окраше-
ны в розовые, серые и зеленоватые тона. Сиениты состо- Я
ят из калиевых (50—70 %) и натриевых полевых шпатов Я
(10—30%), цветных минералов (10—20%). Если при- Я
сутствует кварц (10—15%), то породу называют квар-
цевым сиенитом. По физико-механическим свойствам Я
сиениты близки к гранитам, несколько уступая им по :
прочности из-за отсутствия кварца.
Гранодиориты менее распространены, чем граниты, и
отличаются от них меньшим содержанием кварца (20— В
25 %), повышенным количеством цветных минералов а
(15-20%), в составе которых преобладает роговая об’- Я
манка, поэтому эти породы темнее гранитов. В гранодио- В
ритах всегда присутствует полевой шпат (45—50 %). В
Гранодиориты по механической прочности уступают гра- 1
нитам, что связано с меньшим содержанием кварца. По- Я
добно гранитам, они находят в строительстве самое раз- J
нообразное применение —от бута и щебня до облицовоч- Я
ного и скульптурного камня.
Диориты и кварцевые диориты — породы серого цве- д
та; состоят они из плагиоклаза (65—70 %) и роговой об-7 J
манки, иногда с пироксенами или биотитом, составляю- .1
щи ми около 25—30 %. Структура породы равномерно- В
зернистая, средне- или мелкозернистая. Текстура массив- я
ная или пятнистая, что обусловлено наличцем обособле
нии (шлиров), обогащенных темноцветными минералам
Кварцевые диориты характеризуются присутствием
20 % кварца и меньшим содержанием роговой обма!
Структура и текстура аналогичны диоритам.
Плотность диоритов 2,9 г/см3, предел прочности
сжатии 150 300 МПа. Наиболее прочны диориты с n
ко- и среднезернистой структурой, массивной текстурой
с повышенным содержанием роговой обманки. Разновид
ноет и, включающие биотит, имеют пониженную проч
ность. Диориты и особенно кварцевые диориты превос
ходят по прочности граниты и сиениты.
габброиды. Среди габброидов важнейшими являются
габбро и анартозиты.
Габбро — порода темно-серого или почти черного цве-
та, что объясняется темной окраской плагиоклазов и вы-
соким содержанием цветных минералов. В результате
вторичных изменений плагиоклазы приобретают светло-
серый и зеленовато-серый цвет. Типичное габбро состоит
примерно из равного количества натриево-кальциевого
полевого шпата и моноклинного пироксена. В габбро в
очень малых количествах могут присутствовать оливин,
янными компонентами габброидов являются магнетит и
титаномагнетит.
Анортозиты представляют собой темноокрашенные
породы, состоящие почти из одного натриево-кальциево-
го полевого шпата — лабрадора. Благодаря иризиру-
ющему свойству з>тих пород (иризация — яркий цвет-
ной блеск на гранях или плоскостях спайности лабрадо-
ра) их применяют в строительстве в качестве облицовоч-
ного камня.
Для пород группы габбро характерна плотность
2,9—3,3 г/см3, большая прочность (на сжатие 250—500
МПа) и достаточно высокая стойкость против выветри-
вания. Красивый вид и хорошая полируемость габбро-
вых пород и лабрадоритов позволяют применять их в ка-
честве ценной облицовки. Так, темные и светлые лабра-
дориты с синим оттенком использованы для облицовки
Мавзолея В. И. Ленина, памятника Неизвестному сол-
дату в Москве и других уникальных сооружений.
Перидотиты — черные породы, иногда с зеленоватым
оттенком, обычно среднезернистой структуры. Текстура
массивная, нередко пятнистая или полосатая. В составе
перидотитов присутствует олчвии (30-70%) и пироксе- Я
hbi (70—30%) Используются для получения щебня. д|
Свойственная перидотитам текстура не позволяет исполь-в
зевать их в качестве штучного камня, кроме того, разра- Я
ботка месторождений перидотитов связана с большими Я
расходами.
3. Излившиеся (эффузивные) горные породы
Такие породы образовались в результате излияния Я
магмы, ее охлаждения и застывания на поверхности зем- '
ли, поэтому они имеют стекловатую, скрытокристалличе-
скую или порфировую структуру.
Порфиры образуются при остывании магмы на не- Ч
больших глубинах (см рис 2.3, а) П| и i
магмы в приповерхностных слоях образуются полнокри-Я
сталлические неравномернозернистые и неполнокрнстал- ‘.ь
лические структуры. В связи с тем, что скорость выделе- 1
ния минералов из магматического расплава при его 'fl
кристаллизации различна, не все минералы успевают в
одинаковой степени выкристаллизоваться и принять Д
свойственную им форму. Порфировые структуры харак-
теризуются наличием хорошо образованных кристал-
лов — порфировых «вкрапленников», погруженных
стекловидную основную массу породы.
Структура породы определяет ее физико-механичеса^М
кие свойства. Наиболее прочными являются равномерно-
среднезернистые породы, тогда как породы такого же ми- I
нерального состава, но крупнозернистой порфировидной Л
структуры быстрее разрушаются как при механическом,Я
воздействии, так и при резких колебаниях температур. Я
В строительстве применяют кварцевые и бескварце-
вые (полевошпатовые) порфиры. Кварцевые порфиры по 4
своему минеральному составу близки к гранитам. Проч- J
ность. пористость, водопоглощение порфиров в общем Л
сходны с показателями этих свойств, присущими грани- Л
там. Но порфиры более хрупки и менее стойки при коле- j
баниях температуры вследствие крупных вкраплений. .Д
Различают эффузивы: излившиеся плотные и излив- 1
шиеся пористые. К плотным, кроме порфиров, относят
липарит, трахит, андезит, базальт, диабаз. Излившиеся {
аналоги гранитов представлены липаритами, в стеклова- Л
той основной массе которых имеются вкрапленники Л
кварца и полевого шпата.
Трахит по своему минеральному и химическому сос-
таву схож с сиенитом, но более порист. Трахит легко об-
рабатывается, но не полируется. Трахит используют как
кислотоупорный материал и в качестве строительного
камня.
Андезит— излившийся аналог диорита, порода серого
или желтовато-серого Цвета порфировой структуры с
плотной основной массой. Андезит содержит плагиоклаз,
роговую обманку, некоторые пироксены и биотит. Структу-
ра может быть неполнокристаллическая или стекловатая,
текстура массивная или пористая. Плотность анде-
зитов 2,7—3,1 г/см3, предел прочности при сжатии 140—
250 МПа. Андезиты, содержащие в своем составе боль-
шое количество роговой обманки или пироксенов, отли-
чаются более высокими техническими качествами, чем
биотитсодержащие разновидности. Андезиты применяют
в качестве кислотостойкого материала— облицовочных
изделий и в виде щебня для кислотоупорного бетона.
Базальт — излившийся аналог габбро, порода темно-
го цвета, очень плотная, скрытокристаллическая или тон-
козернистая, иногда порфировая. Базальт состоит из
плагиоклаза, авгита (нередко оливина). Плотность ба-
зальта 2,9—3,3 г/см3, предел прочности при сжатии
ПО-500 МПа. Базальт ввиду большой твердости и
хрупкости трудно обрабатывается, но хорошо полирует-
ся. Применяют в качестве бутового камня и щебня для
бетонов. При наличии благоприятной отдельности (пла-
стовой, призматической; рис. 2.4) применяют в дорож-
ном строительстве в виде брусчатки и шашки (для моще-
ния дорог); равномерно-зернистые разновидности исполь-
зуют для облицовок. Базальт является сырьевым
материалом для литых каменных изделий и базальтового
волокна.
Диабаз — порода мелкозернистая, по составу анало-
гичная габбро, но с типичной диабазовой микрострукту-
рой (структура полнокристаллическая, представлена
кристаллами плагиоклаза, между которыми располага-
ются зерна цветных минералов). Диабаз имеет темный
цвет, выветренный — зеленовато-серый. Диабаз отлича-
ется высокой твердостью, прочностью (300—400 МПа на
сжатие) и ударной вязкостью, что связано с большим со-
держанием в его составе железомагнезиальных силика-
тов II свойственной этим породам структурой. Поэтому
диабаз издавна применяют в виде брусчатки для моще-
ння дорог; щебень из него используют для изготовлени
морозостойких высокопрочных бетонов.
каническне пеплы и туфы, туфолавы.
Пемза представляет собой пористое вулканическое .
стекло, образовавшееся в результате выделения газов
при быстром застывании кислых и средних лав. Цвет -9
пемзы белый или серый. Пористость ее достигает 80 %;
стенки между порами сложены вулканическим стеклом.
Твердость 6, истинная плотность — 2—2,5 г/см3, плотность J
0,3—0,9 г/см3 (пемза плавает в воде). Большая порис- 1'
тость пемзы обусловливает хорошие теплоизоляционные |
свойства, а замкнутость большинства пор — достаточную
морозостойкость. Пемза служит заполнителем в легких
бетонах (пемзобетоне). Наличие в пемзе активного крем- *]
незема позволяет использовать ее в виде гидравлической 1
добавки к цементам и извести. В качестве абразивного 1
материала пемзу применяют для шлифования металлов .Я
и дерева, полирования каменных изделий. Месторожде- .jig
ння пемзы встречаются в областях местонахождения I
действующих и потухших вулканов. jM'
Вулканический пепел — наиболее мелкие частицы
лавы, обломки отдельных минералов, выброшенные при
извержении вулкана. Размеры частичек пепла колеблют-
ся от 0,1 до 2 мм. Вулканический пепел является актив-
ной минеральной добавкой для воздушной извести и
портландцемента.
Вулканические туфы — горные породы, образовавшие-
ся из твердых продуктов вулканических извержений:
Г1епла, пемзы и других, впоследствии уплотненных и
сцементированных. Цементом туфов является вулканиче-
ский пепел, глинистое или кремнистое вещество, иногда
с примесью продуктов разложения пепла.
Туфолавы—горная порода, занимающая промежу-
точное положение между лавой и туфом. Образование
туфолав связывают с быстрым вспениванием лав при па-
дении давления и связанным с этим дроблением вкрап-
ленников и стекла без разрыва сплошности лавового по-
тока. В состав вулканических туфов и туфолав входят
SiO2, А120з, Fe2O3. Вулканические туфы и туфолавы хо-
рошо сопротивляются выветриванию, мало теплопровод-
ны и, несмотря на большую пористость, морозостойки.
Они легко обрабатываются, распиливаются, пробивают-
ся гвоздями, шлифуются, но не полируются.
Типичный представитель туфолав — артикский туф,
добываемый в Армении (вблизи г. Ленинакана). При
истинной плотности около 2,6 г/см3 плотность породы ко-
леблется от 750 до 1400 кг/м3. Соответственно порис-
тость ее составляет 70—46%. Теплопроводность артикс-
кого туфа меньше, чем обыкновенного кирпича, что поз-
воляет уменьшать толщину наружных стен зданий.
Прочность туфов находится в тех же примерно пре-
делах, что и прочность обыкновенного кирпича, т. е. 5—
15 (иногда до 30) МПа.
Туф и туфолавы используют в виде пиленого камня
для кладки стен жилых зданий, устройства перегородок
и огнестойких перекрытий. Используются они также в
качестве декоративного камня, чему благоприятствует
наличие туфов разных цветов —лиловых, желтых, крас-
ных, черных. Применяются туфы и в виде щебня для лег-
ких бетонов. *
Среди эффузивных пород кислого состава широко
распространены вулканические стекла: обсидиан — тем-
ная, нередко черная порода со стеклянным блеском и ха-
рактерным раковистым изломом, почти не содержащая
воды; перлит-вулканическое стекло с 3-4 % воды^
пехштейн — черная порода со смоляным блеском, содер.
жащая до 10% воды. Их используют в строительстве4
после термической обработки в виде «вспученного перли*!
та» обладающего малой плотностью, большой порис-]
гостью, малыми звуке- и теплопроводностью.
$ 3. ОСАДОЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
1. Общая характеристика
Осадочная порода образуется в результате переотло-
жения продуктов выветривания и разрушения различных
горных пород, химического и механического выпадения
осадка из воды, жизнедеятельности растений.
В результате воздействия агентов химического вывет-
ривания происходит окисление минералов с образован®
ем новых минеральных видов и выносом в растворенном
состоянии различного рода соединений. В качестве при- .1
мера подобного процесса рассмотрим схему разложения
полевых шпатов под воздействием воды и растворенной Я
в ней углекислоты.
На первом этапе химического выветривания полевые И
ды. При более глубоком разложении образуется другой
глинистый минерал — каолинит:
K2O-AlzO3-6SiOj + nH2O + СО2 = Al2O2-2SiO2-2H2O +
+ K2CO3 + 4SiO2.mH2O.
Преобладающая часть продуктов выветривания вы- л
носится из зоны выветривания и отлагается вдали от мес- I
та разрушения материнских пород. Основными агентами J
переноса являются текучие воды, движущийся лед и ве-
В зависимости от условий образования осадочные not 1
роды (рис. 2.5) делят на следующие три основные труп- Я
иы: 1) обломочные породы, или механические осадки:
а) рыхлые (например, гравий, глины, пески), оставшиеся,; Я
на месте разрушения пород или перенесенные водой,
льдом (ледниковые отложения) или ветром (эоловые от-
ложения); б) сцементированные (песчаники, конгломе- I
раты, брекчии); 2) химические осадки (например, гипс -Я
и известняковые туфы), образовавшиеся из продуктов Я
разрушения пород, перенесенных водой в растворенном
виде; 3) органогенные породы, образовавшиеся из остат-
ков некоторых водорослей и животных (скелеты губок,
кораллов, раковины и панцири ракообразных и др.).
Большинство осадочных пород имеет более пористое
строение, чем плотные магматические породы, а следова-
тельно, и меньшую прочность. Некоторые из них сравни-
тельно легко растворяются (например, гипс) или распа-
даются в воде на мельчайшие нерастворимые частицы
(например, глины). ' I
В составе осадочных пород можно выделить две раз-
личные по происхождению группы минералов: реликто-
вые и минералы осадочного происхождения. К первой
группе относятся минералы магматические и метаморфи-
ческие — обычно зерна этих минералов окатаны; ко вто-
рой — минералы, образовавшиеся на месте в осадке или
в породе.
2. Главные породообразующие минералы
Кремнеземистые минералы. Наиболее распространен-
ные минералы этой группы — опал, халцедон и осадоч-
0noPI(Si02-mH20)-аморфный минерал; содержа-
ние воды в нем колеблется от 2 до 14 % и достигает
иногда 34 %. При нагревании часть воды теряется. Опал * чаще всего бесцветный или молочао-белыи. но в зависим] г мости от примесей может быть желтым, голубым пли чер. ным Плотность 1,9—2,5 г/см3, максимальная твердость 5—6; хрупок. Халцедон 51Ог—волокнистая или скрытокристалличе; ская разновидность кварца. Цвет белый, серый, светло- Ж желтый, бурый, зеленый. Плотность 2,6 г/см ; твердость 6. Халцедон является продуктом кристаллизации опалС,т.;. а также выпадает непосредственно из растворов, отлага- ясь совместно с опалом и кварцем. Кварц SiO2. В осадочных породах присутствует кварц . магматического происхождения и кварц осадочный. Оса- дочный кварц отлагается непосредственно из растворов, а также образуется в результате перекристаллизаций! опала и халцедона. Он широко распространен в кремнис- тых породах, заполняет трещины, поровые пространства и другие полости в песчаниках и известняках. Карбонаты. Минералы группы карбонатов имеют ши- рокое распространение в осадочных породах. Наиболее] * важную роль в них играют кальцит, доломит и магнезит?| Кальцит (СаСОз) — бесцветный или белый, при нали^ чии механических примесей серый, желтый, розовый илЯ ' голубоватый минерал. Блеск стеклянный. ПлотностДД 2,7 г/см3, твердость 3. Характерным диагностическим при¥Г ! знаком является растворимость с бурным вскипанием в i 10 %-ной соляной кислоте. Имеется разновидность кар- .fl боната кальция, называемая арагонитом. В условиях зем- Т, ной поверхности арагонит неустойчив и переходит в-. Доломит CaMg(CO3)2—бесцветный или белый, часто 1 с желтоватым или буроватым оттенком минерал. Блеск стеклянный. Плотность 2,8 г/см3, твердость 3—4. В 10 %- ной соляной кислоте вскипает только в порошке и при 1 нагревании. Доломит обычно мелкозернист, крупные кри- . 1 сталлы встречаются редко. Образуется он либо как пер- вичныи химический осадок, либо в результате доломитИ’j 1 зации известняков. Минерал доломит слагает породу того •) же названия. Применяется в качестве сырья для про- • изаодства магнезиальных и доломитовых вяжущих ве- ществ. доломитовых огнеупорных матгриалов, а также в качестве строительного камня, щебня для бетона. Магнезит МЯСО3— бесцветный, белый, серый, жел- тый, коричневый минерал. Плотность 3 г/см3, твердость 3,5—4,5. Растворяется в соляной кислоте при нагревании. Применение магнезита основано на высокой огнеупорно- сти и вяжущих свойствах оксида магния. Магнезит обожженный при 1500—1650°С, представляет собой вы- сокоогнеупорный материал, применяющийся для изго- товления магнезитового кирпича, а обожженный при 750—800 С дает каустический магнезит и образует с раствором хлорида или сульфата магния магнезиальное вяж\щсе. Глинистые минералы слагают глины, а также могут находиться в качестве примеси в песчаниках, алевроли- тах, известняках и многих других породах, существенно изменяя их физико-химические свойства. Минералы этой группы относятся к водным алюмосиликатам. Наиболее нит и гидрослюды. Каолинит Al2O3-2SiO2-2H2O или Al4[Si4O10] (ОН)8— белый, иногда с буроватым или зеленоватым оттенком минерал. Плотность его 2,6 г/см3, твердость 1, на ощупь жирный. Встречается в виде мелоподобных плотных аг- регатов. Каолинит образуется в результате разложения полевых шпатов, слюд и некоторых других силикатов в процессе их выветривания и переноса продуктов разру- шения. На земной поверхности устойчив в условиях кис- лой среды. Каолинит слагает каолиновые глины, входит в состав полиминеральных глин, иногда присутствует в цементе обломочных пород. Гидрослюды образуются при разложении слюд и не- которых других силикатов (например, полевых шпатов). Гидрослюды используют в строительстве; например, вер- микулит, обладающий свойством увеличиваться при на- гревании в 20 и более раз, применяется как пористый за- полнитель легкого бетона. Монтмориллонит образует бентонитовые глины. Для него характерно слоистое расположение анионов и катио- нов в кристаллической решетке, обусловливающее пла- стичность глиняного теста. Отличается высокой поглоти- тельной способностью, набухает в воде, сильно увеличи- ваясь в объеме, а при нагревании постепенно отдает адсорбционную воду. Его примесь в известняках и песча- никах нежелательна, так как содержание только 3—4 % глины резко понижает их водостойкость и морозостой- кость.
Сульфаты. Наиболее распространенными минера л аЯ
этой группы являются гипс и ангидрит.
Гипс CaSO4-2H2O представляет собой скопленйе ЗДД
лых и бесцветных кристаллов, иногда окрашенных меха- I
ническими примесями в голубые, желтые или красный Тр'
тона. Блеск стеклянный. Плотно'сть 2,3 г/см ', твердость^*
2. Для гипса, развивающегося в пустотах и трещинах,
характерно волокнистое строение и шелковистый блеск.
Иногда гипс встречается в виде тонкозернистых и зем-
листых агрегатов, а также слагает цемент песчайика.
Гипс применяется в производстве гипсовых вяжущий ве-
ществ, портландцемента и др.
Ангидрит CaSO4— белый, серый, светло-розовый, свет-
ло-голубой минерал. Блеск стеклянный. Плотность
3 г/см3, твердость 3—3,5. Как правило, встречается Б ви-
де сплошных мелкозернистых агрегатов; крупные крис-
таллы образуются редко, они обычно имеют таблитчат
тую, игольчатую или призматическую формы.
Красиво окрашенные ангидрит и гипс иногда приме-
няют как облицовочный материал для внутренних отде-
лок зданий, а после пропитки водостойкими эмульсиями I
и для наружных отделок. Ангидрит используют для прсД .
изводства вяжущих веществ. Гипс и ангидрит слагаюЯ |
породы того же названия.
Наиболее характерной особенностью строения ;оса-; J
дочных пород является их слоистость. В том случае,?
когда слоистость отсутствует, текстуру называют беешь
рядочной, так как частицы располагаются в ней без вся-
кой ориентировки.
3. Обломочные породы
Породы рассматриваемой группы сложены преиму^
щественно зернами устойчивых при выветривании мине-
ралов и горных пород.
Рыхлые обломочные горные породы. Песок представ-;
ляет собой образовавшуюся в результате выветривания?.*
горных пород рыхлую смесь зерен (до 5 мм) различных
минералов, входивших в состав магматических (иногда,
осадочных) горных пород.
Гравий — крупнообломочная рыхлая порода, состоя-
щая из окатанных зерен (от 5 до 150 мм). Песок и гра-
вий применяют в качестве заполнителей для бетона в
дорожном строительстве. Пески служат компонентом
сырьевой смеси в производстве стекла, керамических из-
Глинистые породы слагаются более чем из 50 % час-
тиц мельче 0,01 мм, причем многие из них имеют разме-
ры меньше 0,001 мм. За основу классификации глини-
стых пород принимается состав глинистых минералов.
Каолиновые глины слагаются в основном каолином.
Обычно, эти глины окрашены в светлые Тона, жирные на
ощупь, малопластичны, огнеупорны.
Полимиктовые глины характерны наличием двух или
нескольких минералов, причем ни один из них не явля-
ется преобладающим. Они окрашены в бурые, серые, ко-
ричневые или зеленоватые тона. Обычно содержат значи-
тельное количество песчаной примеси, карбонаты, суль-
фаты, сульфиды, гидроксиды железа. Глины находят
широкое применение в керамической промышленности.
Каолиновые глины являются сырьем для огнеупоров. По-
лимиктовые используют для изготовления кирпича, грубой
керамики и других изделий. Глины являются также ком-
понентом сырьевой смеси в производстве цемента. Их ис-
пользуют как строительный материал при возведении
Сцементированные обломочные горные породы.
Песчаник состоит из зерен песка (в большинстве слу-
чаев кварцевого), скрепленных цементирующим вещест-
вом. Если в состав цементированных обломочных пород
входят крупные куски (гравий или щебень), то таким по-
родам даются названия конгломерата (при округлых
кусках) и брекчии (при остроугольных кусках).
Природные цементы весьма разнообразны, поэтому
различают известковые песчаники, сцементированные
карбонатом кальция СаСО3; кремнистые, сцементирован-
ные безводным или водным кремнеземом S1O2 или
SiO2-mH2O; железистые, сцементированные оксидами
железа; глинистые, скрепленные глинистыми вещества-
ми. Эти породы легко разрушаются при насыщении во-
дой, при замерзании и оттаивании.
Из перечисленных сцементированных пород чаще все-
го применяются в строительстве песчаники.
Известковые песчаники сходны по строительным
свойствам с обыкновенными известняками, поэтому их и
применяют так же, как и плотные известняки. Однако
наличие кварцевых зерен делает песчаники труднообра-
батываемыми. Как и в известняках, вредными примеся-.!
ми в песчаниках являются глина и серный колчедан.
Кремнистые песчаники большей частью весьма прочный
стойки.
4. Хемогенные породы
Среди пород химического происхождения наиболее
важные в строительном деле — карбонатные, сульфатные ]
и аллитовые породы.
Карбонатные породы. Наиболее распространенными '1
карбонатными породами являются известняки и доломи-. 1
ты. В зависимости от количественного соотношения в по- J
роде кальцита и доломита наблюдаются постепенные пе- '
реходы от чистых известняков к чистым доломитам .
(табл. 2.2).
Количество глинистой примеси в карбонатных поро-
дах может колебаться в широких пределах. Порода, в]И
которой приблизительно поровну содержится карбонат-]
ного и глинистого материала, называется мергелем. Раз- J
новидности карбонатно-глннистых пород показаны в
табл. 2.3.
Наличие примесей оказывает большое влияние на фи-^^В
зико-механические свойства карбонатных пород. Глинис-
тое вещество при увлажнении понижает прочность извест- Я
няков. Кремнезем уменьшает растворимость известняков
и повышает их поочность. Лплпмитичиплиямимр п^пт. В
и повышает их прочность. Доломитизированные извест-
няки характеризуются большей прочностью по сравне-
нию с известняками. Нежелательны примеси гипса, анги-
дрита и других легкорастворимых солей.
ПОРОДИЦА 2’2’ КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗВЕСТКОВО-ДОЛОМИТОВЫХ
Известняк
Известняк доломнтистый
» доломитовый
Доломит известковый
» известковистый
ЧИСТЫЙ ДОЛОМИ-
Пористость плотных известняков не превышает деся-
тых долей процента, а рыхлых 15—20 %. Окраска изве-
стняков зависит от примесей и может быть белой, жел-
товатой, бурой, серой, темно-серой. Среди известняков,
образовавшихся химическим путем, выделяют известко-
вые туфы и микрозернистые известняки.
Доломиты по внешнему виду похожи на известняки.
Цвет доломитов белый, желтовато-белый, светло-бурый.
Для них характерны микрозернистые и кристаллически-
зернистые структуры.
Благодаря широкому распространению, легкой добы-
че и обработке обыкновенные известняки, доломитизнро-
ванные известняки и доломиты применяют в строитель-
стве чаще, чем другие породы. Их используют в виде
бутового камня для фундаментов, стен неотапливаемых
зданий или жилых домов в районах с теплым климатом,
а наиболее плотные породы применяют в виде плит и
фасонных деталей для наружной облицовки зданий.
Известняковый щебень часто используют в качестве за-
полнителя для бетона. Наконец, известняки широко при-
меняют как сырье для получения вяжущих веществ —
извести и цемента. Доломиты используют для получения
вяжущих и огнеупорных материалов в цементной, сте-
кольной, керамической и металлургической промышлен-
Сульфатные породы. Сульфатные породы состоят из
сучьфатных соединений, выпадающих в осадок в случае
увеличения их концентрации в природных водах. Гипсо^Ш
вне и ангидритовые породы, как раньше упоминалось;^^
слагаются одноименными минералами — гипсом и анги-
дритом. которые в природных условиях в результате гид-
ратации и дегидратации переходят друг в друга. Ангид-
рит отличается от гипса большей твердостью. Ооычно он
имеет светлые цвета —белый, зеленоватый, светло-се-
рый. серовато-голубоватый. Гипс и ангидрит служат
сырьем для получения вяжущих веществ, иногда их при-
меняют в виде облицовочных изделий.
Аллитовые породы характеризуются высоким содер-
жанием глинозема. В этой группе выделяют две главные
породы: бокситы и латериты.
Породообразующими минералами бокситов являются . ;
гидроксиды алюминия (гиббсит и диаспор). По внешне-
му виду бокситы разнообразны. Они могут быть мягки-
ми. рыхлыми, похожими на глину и плотными с раковис-
тым изломом. Пластичностью бокситы не обладают.- ’Я
Окраска обусловлена наличием гидроксида железа. Чаще
она бывает красная, бурая, коричневая, зеленовато-се-
рая. Бокситы используют для производства алюминия,
искусственных абразивов, огнеупоров, в качестве адсор-^И
бента при очистке нефтепродуктов.
Латериты состоят в основном из каолинита и гидро- Я
ксидов железа, в меньшем количестве в них входят гидй^И
роксиды алюминия. Цвет их красный, бурый или желтый. В
Высокая стойкость против выветривания позволяет ис-
пользовать их в качестве строительного камня.
ют пластовые и
5. Органогенные породы
К осадочным органогенным породам относятся бдй-
генные кремнистые породы и органогенные известняки,?
Биогенные кремнистые породы (силициты) сложены
осадочным кремнеземом (опалом ха""-"-'"-'- -----
По морфологическому признаку ’ вы’
конкреционные кремнистые породы.
Главными разновидностями пластовых кремнистых
пород являются диатомиты, радиоляриты, спонголиты^
трепелы, опоки. Диатомиты — легкие светлые тонкопори-
стые породы, состоящие из опаловых скелетов диатомо-
вых водорослей. Радиоляриты сложены опаловыми ске-
летами радиолярий, по внешнему виду они не отличают-
ся от диатомитов. Спонголиты состоят преимущественно
из опаловых спикул губок. Трепелы и опоки (белые или
серые) очень легкие, похожие на каолиновую глину или
мел. породы, состоящие из опала, реже халцедона
Конкреционные кремнистые породы встречаются зна-
чительно реже. Желваки, или конкреции, сложенные оса-
дочным кремнеземом, называются кремнями. Кремни
могут быть рассеяны в различных породах — известня-
ках, песчаниках, глинах. Кремнистые породы находят
разнообразное применение. Диатомиты, опоки применя-
ют для производства теплоизоляционных материалов, в
виде минеральных добавок к вяжущим веществам (воз-
душной извести, портландцементу).
Органогенные известняки могут быть сложены целы-
ми раковинами или обломками раковин различных мор-
ских безпозвоночных, а также остатками известковых во-
дорослей. Органогенные известняки иногда слагают ри-
фы. Рифостроящими организмами являются преимущест-
венно известковые водоросли и кораллы.
Разновидность органогенных известняков — мел. Это
микрозернистая слабосцементированная порода белого
Органогенные известняки применяют в строительстве
в виде стенового камня. Способность легко распиливать-
ся, небольшая плотность (800—1800 кг/м3), малая теп-
лопроводность — все это позволяет уменьшать толщину
наружных стен зданий по сравнению с кирпичными, что
снижает стоимость строительства.
В Молдавии, Одесской обл., ряде районов Крыма,
Азербайджана органогенные известняки — распростра-
ненный материал для кладки стен; наиболее же плотные
разновидности известняков используют для кладки фун-
даментов, наружной (отчасти и внутренней) облицовки ।
стен, а щебень применяют как заполнитель бетона.
§ 4. МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
1. Общая характеристика
Метаморфизмом называют преобразование горных по-
род, происходящее в недрах земной коры под влиянием
высоких температур и давлений. В этих условиях может
происходить перекристаллизация минералов оез их плав- < ленпя. Главными факторами метаморфизма являются в температура, давление и химически активные вещества— „□створы и газы под действием которых породы любого состава и генезиса (магматические, осадочные или уже ранее метаморфизованные) подвергаются изменениям. Ш При формировании структурно-текстурных особенно-- Ш стей метаморфических пород велика роль направленного ; давления. При одностороннем давлении кристаллы де- формируются в направлении, перпендикулярном направ- лению наибольшего давления, и видоизмененные породы J- , приобретают сланцевое строение (гнейс, глинистые слан-fl цы и т п.). Образуются специфические текстуры с харак- словливает анизотропию физико-механических свойств) (. породы. сланцеватости на тонкие (2—8 мм) плоские плитки Плотность кровельных сланцев около 2,7—2,8; порис- тость 0,3—3 %; предел прочности при сжатии 50— 240 МПа. Большое значение имеет также прочность на излом перпендикулярно сланцеватости. Гнейсы образовались в результате метаморфизма кварцево-полевошпатовых пород. В состав гнейсов вхо- дят кварц, биотит, роговая обманка, полевые шпаты. Гнейсы по механическим и физическим свойствам не ус- тупают гранитам, однако сопротивление на излом парал- лельно сланцеватости у них в 1,5—2 раза меньше, чем в перпендикулярном направлении. По плоскостям сланце- ватости они раскалываются на плиты, легко расслаива- ются при замерзании и оттаивании. Применяют гнейсы при бутовой кладке, для кладки фундаментов, в качестве материала для щебня и отчасти в виде плит для мощения дорог. Щебень из сильно слан- цеватого гнейса не используют для бетона и дорожного
2. Главные породообразующие минералы строительства из-за непригодности формы зерен. Кварциты. Их образование связано с перекристалли-
Минералы, слагающие метаморфические породы, можно разделить на следующие группы: 1) минералы, . широко распространенные как в метаморфических, так Я ‘ и в магматических породах (полевые шпаты, кварц, слю- д. да, роговая обманка, большинство пироксенов, оливин и" др.); 2) типичные для осадочных пород минералы (каль- нит. доломит); 3) минералы, которые могут находиться^ | в магматических породах в качестве вторичных, а также;5 слагать типичные метаморфические породы (серпентин» J | и др.); 4) специфические метаморфические минералы,, присутствие которых возможно только в глубоко преоб- разованных метаморфических породах. зацией песчаников. Кварциты содержат 9^—99 % SiO2, их важными свойствами являются высокая огнеупорность (до 1710—1770 °C) и высокая прочность на сжатие (100—455 МПа). В строительстве кварциты используют в качестве подферменных камней в мостах, в виде бута, щебня и брусчатки для мощения дорог, а кварциты с красивой и неизменяющейся окраской идут на облицовку зданий. Кварциты, применяемые в качестве кислотоупор- ного материала, должны обладать высокой кислотостой- костью. Кварциты используют в производстве динаса — кислого огнеупора, выдерживающего под нагрузкой тем- пературу До 1500—1650 °C. Мрамор — мелко-, и средне- и крупнозернистая плот- ная карбонатная порода, состоящая, главным образом,
3. Основные разновидности метаморфических горных пород из кальцита и представляющая собой перекристаллизо- ванный известняк. Хотя прочность при сжатии составля- ет 100—300 МПа, мрамор легко поддается обработке,
Кристаллические сланцы имеют мелкозернистое ело- 1 истое строение, цвет их от темно- до светло-серого. Основ- 1 ная часть породы состоит из зерен кварца, биотита и мус- | Некоторые разновидности глинистых, кремнистых, | слюдистых и иных сланцев являются кровельными слан- цами. Эти сланцы легко раскалываются по плоскостям | 82 вследствие малой пористости хорошо полируется. Мра- мор широко применяют для внутренней отделки стен зданий, ступеней и лестниц. В виде песка и мелкого щеб- ня (крошки) его используют для цветных штукатурок, при изготовлении облицовочного декоративного бетона. В условиях сульфатной коррозии для наружных облицо- вок мрамор не применяют.
§ 5. ПОЛУЧЕНИЕ И ОБРАБОТКА
ПРИРОДНЫХ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Природные каменные материалы и изделия получают-; Ж
из горных пород путем механической обработки (дроб-
ления, распиливания, раскалывания и т. п.), после котрЖ
рой почти полностью сохраняются структура и свойство
исходной породы. _
Средние и мягкие породы (твердость 5—3) добывают М
с помощью камнерезных машин, снабженных твердо^ —
сплавными дисковыми или цепными пилами. Вырезка! ,
блоков из таких пород производится поточным методом-!
(рис. 2.6).
Длй вырезки блоков из пород средней твердости при- |
меняют также дисковые и цепные пилы, снабженные ал-1
мазнымп режущими насадками. Производительность та-- \
кнх машин на породах средней твердости в 4—5 раз выше,
чем производительность твердосплавного инструмента/ у
Добытые в карьере блоки перевозят на камнеобраба- !
тывающий завод, где их распиливают на плиты или из-
готовляют из них фасонные детали.
По способу изготовления природные каменные мате-
риалы и изделия можно разделить на пиленые (стеновые* . I
камни и блоки, облицовочные плиты и плиты для пола)' '
шашка для мощения и др.).
можно разделить на следующие основные виды: 1) гру- И
бообработанные каменные материалы (бутовый и валун- jM
ный камни, щебень, гравий и песок); 2) штучный камень-И
и блоки правильной формы (для кладки стен и др.); 1
3) плиты с различно обработанной поверхностью (обли-
цовочные для стен, чистого пола и др.); 4) профилируетИ
ванные детали (ступени, подоконники, пояски, наличии-
ки, капители колонн и т. п.); 5) изделия для дорожногб-Я
строительства (бортовой камень, брусчатка и шашка для
мощения).
Используя ударную и абразивную обработку, природ- 9
ному камню придают ту или иную фактуру — различный ; j
характер поверхности.
Ударная обработка заключается в окалывании по- J
верхности камня с помощью камнетесного инструмента J
со сменными наконечниками: для тески пользуются ши-
роким долотом — скарпелью, скалывание неровностей Д
производят спицей — остроконечным долотом, для чистой V
обработки лицевой поверхности применяют бучарду со -1
средней или мелкой насечкой.
Ударная обработка дает возможность получить еле- я
дующие фактуры (рис. 2.7); скальную с буграми и впа- И
динами, как при естественном расколе породы; рифленую «
с правильным чередованием гребней и впадин глу-
биной до 2 мм; бороздчатую с параллельными прерывис- 1
тыми бороздками глубиной 0,5—1 мм; точечно-шерохова- fl
тую с точечными углублениями 0,5—2 мм.
Абразивная обработка включает распиливание, фре- _
зерование, шлифование и полирование.
' Блоки из мрамора, известняка и других пород распи- fl
ливают при помощи рамных пил, армированных твердо- |
сплавными вставками или снабженных алмазными рез- fl
цамн. Алмазные резцы увеличивают скорость резания в fl
5—10 раз и снижают расход электроэнергии в 2—2,5ра- fl
за по сравнению с резцами карборундовыми или из твер- fl
дых сплавов. Кроме того, алмазные резцы позволяют fl
значительно увеличивать выход готовой продукции. Ши- я
рина пропила сокращается примерно в 3 раза, а расход Л
сырья на 12—18 %. Алмазными резцами можно изготов- 'Л
лять тонкие плиты толщиной 5—10 мм, поэтому из 1 м3 .fl
низкую себестоимость; к тому же обеспечивается чистота j
Для получения профилированных изделий (ступеней,
поясков, карнизов и т. п.) на камнеобрабатывающих за- Л
водах применяют камнефрезерные и универсальные про- fl
филирующие машины.
Шлифуют и полируют на шлифовально-полировальф V
ных станках с вращающимися дисками, которые пере-
мещают по поверхности изделия (рис. 2.8). Шлифуют 'Ж
с применением зернового абразива: корунда, карборунда
или мелких пылевидных алмазов, которые увеличивают
производительность оборудования. После шлифования J
камень имеет гладкую матовую поверхность. Для прида- fl
ния камню блестящей гладкой поверхности его полиру-
ют войлочными полировальными дисками с использова-
пнем мастик и тонких полирующих порошков из окси- *
дов металлов (хрома, олова, железа и др.) или нитрата <
олова.
Абразивная обработка создает фактуры: пиленую— 1
с тонкими штрихами и бороздками глубиной до 2 мм;
86
шлифованную — равномерно-шероховатую с глубиной
рельефа до 0,5 мм; лощеную — гладкую бархатисто-ма-
товую с выявленным рисунком камня; зеркальную —
Термическая обработка каменной породы основана
на воздействии струи газа с высокой температурой (в ре-
зультате сжигания бензина в воздушной струе) на по-
верхность этой породы. При обработке камня бензовоз-
душным термоотбойником он нагревается неравномерно
и возникающие термические напряжения вызывают ска-
лывание верхнего слоя. С помощью термической обра-
ботки можно оплавить поверхностный слой камня, при
этом получают своеобразную «глазурованную» фактуру,
кроме того, изменяют естественный цвет горной породы.
6. ХАРАКТЕРИСТИКИ КАЧЕСТВА
СТРОИТЕЛЬНОГО КАМНЯ
на легкие и тяжелые. Легкие камни плотностью не более
1800 кг/м3 имеют пористое строение (вулканический туф,
пемза, известняк-ракушечник) и поэтому применяются
преимущественно в виде штучного камня и блоков для
гт₽н зданий н щебня для легких бетонов. Тяжелые кам- Ч
«"плотностью более 1800 кг/м’ (из гранита, сиенита,W
“ опита и т. и.) служат облицовкой и используются в в„- Я
де Shot пола,'материалов и изделий для гидротехник -Я
^‘протност^вГОа^ис^мос^отпредела прочности при Я
сжатии образцов в воздушно-сухом состоянии каменные J
КТ& 1^5; 'STI
8О;16о' Марки от 0,4 до 20 свойственны легким камня^^
различной пористости. __ J
Истираемость и износ зависят от твердости камня. Я
Эти свойства имеют важное значение для дорожных по- Я
крытой, полов, ступеней лестниц и т. п. Поэтому для до- |
ложных покрытий и полов следует применять твердые
мелко- и среднезернистые породы, которые хорошо сй|. М
противляются истиранию й износу. -Я
Морозостойкость. По числу циклов попеременного за-
мораживания и оттаивания образцов, в условиях стан-
дартного испытания природные каменные материалы 1
разделяют на марки по морозостойкости: Мрз 10, Мрз 15,
Мрз 35, Мрз 100, Мрз 150, Мрз 200, Мрз 300, Мрз 400, Я
Мрз 500.
Высокую морозостойкость имеют плотные камни с Я
равномерно-зернистой структурой. Камни с неравномер- Я
ной порфировой структурой быстрее растрескиваются Я
при резких изменениях температуры из-за разных тем-
пературных коэффициентов линейного расширения мел- -Я
кокристаллической массы и крупных вкрапленников. Я
Слоистая текстура также снижает морозостойкость кам-W
ня. Свежедобытые известняки, доломиты, песчаники, ту- -
фы легко разрушаются от мороза вследствие того, что |
их поры заполнены «горной влагой» и коэффициент на- Л
сыщения пор водой близок к 1. После естественной про-
сушки они становятся достаточно морозостойкими и бо-
лее прочными.
Водостойкость. Коэффициент размягчения камня,
применяемого для гидротехнических сооружений и фун- I
даментов, должен быть не менее 0,8; для наружых стен
зданий не менее 0,6.
Теплопроводность — необходимая характеристика Я
легкой горной породы, применяемой в виде крупных бло-
ков и камней для наружных стен зданий. Этот показа- i
тель зависит от плотности породы, являющейся косвен- Я
ной характеристикой пористости (см. § 2, гл. 1). Тепло-
проводность известняка-ракушечника и вулканического
туфа^воздушно-сухом состоянии составляет 0,5—0,8 Вт/
Огнестойкость зависит от минерального состава и
-структуры камня. Одни породы при повышенной темпе-
ратуре разлагаются (гипс при 100 °C, известняк при
900 СС), другие (гранит, кварцевые порфиры) растрески-
ваются уже при температуре 600 °C вследствие различ-
ного теплового расширения составляющих их минералов
и полиморфного превращения кварца.
§ 7. ВИДЫ ПРИРОДНЫХ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
1. Грубообработанные каменные материалы
Бутовый камень (бут) — куски камня неправильной
формы размером не более 50 см по наибольшему изме-
рению. Бутовый камень может быть рваный (неправиль-
ной формы) и постелистый. Разработку рваного бута и
щебня осуществляют преимущественно взрывным спосо-
бом. Плитняковый бут получают из пород пластового за-
легания. Крупные отдельности такой породы, ограничен-
ные трещинами, отделяют экскаватором с последующей
развалкой кусков до требуемых размеров камнекольным
инструментом. Разрабатывают местные осадочные и из- .
верженные породы, отвечающие проектным требованиям
в отношении прочности, морозостойкости и водостойко-
сти. Бут из осадочных пород (известняков, доломитов,
песчаников) не должен содержать примесей глины, рых-
лых пород и включений пирита.
Из бута возводят плотины и другие гидротехнические
сооружения, его применяют для подпорных стенок, клад-
ки фундаментов и перерабатывают в щебень.
Щебень — куски камня размером 5—70 мм (для гид- (
ротехнического строительства до 150 мм). Получают его
дроблением камня из прочных и морозостойких горных
пород. Чтобы довести щебень до необходимого зернового
состава, его дробление осуществляют в несколько ста-
дий. Встречается и природный щебень, называемый дрес-
Гравий состоит из окатанных зерен тех же размеров,
что и у зерна щебня. Его получают просеиванием рых-
лых осадочных пород, в необходимых случаях применя-тИ
ют промывку для удаления вредных примесей (глины, И
ПЫЛПгсок состоит из зерен различных минералов (квар- f
ца полевого шпата, слюды и др.) размерами 0,14— ’I
5 мм. Применяют природные и искусственные (дробле- |
ные) пески.
Как указывалось, щебень, гравии, песок использц
в качестве заполнителей для бетонов.
2. Блоки и камни
Блоки из природного камня объемом более 0,1 м3 вы-
пиливают механизированным способом из массива гор-
ных пород (туфа, известняка, доломита, песчаника и 1
др.) или получают путем распиливания блоков-заготовок. (
Блоки применяются для наружных и внутренних стен, a. J
также для фундаментов и стен подвалов. По назначению ЗГ
блоки подразделяют на типы Д, Б, П: Д — крупные сте-
новые блоки для кладки при двурядной разрезке стен j
жилых домов и общественных зданий; Б — блоки для
многорядной кладки стен жилых, общественных и про-Я,
изводственных зданий; П — подоконные блоки (рис. 2.9). |
Стеновые блоки имеют форму прямоугольного паралле-1В
лепипеда, их размеры должны соответствовать размерам,
указанным в табл. 2.4.
Стеновые камни, получаемые из туфов и известняков,
применяют для кладки наружных и внутренних стен и
перегородок. Основные размеры стеновых камней: ।
390X190X188, 490X240X188, 390Х190X288 мм. Каж- ;|
ТАБЛИЦА 2.4. РАЗМЕРЫ БЛОКОВ
Типы блоков Высота А. см Ш»Р™. 1. Толщина Ь. |
д 236, 252, 286, 302 82, 100 40, S0 -Л
Б 38. 48, 98, 118, 128, 148, 158, 178, 198 82. 100 30, 40, 50
П 82. 118, 129. 140. 200 91 30, 40 Я
дый такой камень заменяет в кладке 8—12 кирпичей
(рис. 2.10). Укрупнение камней уменьшает затраты тру-
да, позволяет перейти к индустриальным методам стро-
ительства. Стены из мелкопористого природного камня
не требуют наружной штукатурки или облицовки.
Для наружных стен применяют камни плотностью не
более 2300 кг/м3; водопоглощение камня должно быть
не более 30%; морозостойкость—не менее Мрз 15.
3. Камни и плиты для облицовки
Для облицовки гидротехнических сооружений, набе-
режных, устоев мостов, цокольной части монументаль-
ных зданий применяют камни и плиты из гранита и дру-
гих изверженных пород, которым свойственна высокая
морозостойкость, прочность и твердость. Камни для об-
лицовки могут быть плнтообразные (толщиной 15—
25 см) и утолщенные пирамидального вида (толщиной
30 см и более).
Наружная облицовка зданий может выполняться из
атмосферостойких осадочных пород (известняков, доло-
митов, песчаников, туфов), которые легче поддаются об-
работке и экономнее гранитных пород. Для внутренней
облицовки общественных
зданий и сооружений (напри-
мер, станций метрополитена)
широко используют плиты,
получаемые из хорошо рас-
пиливающихся пород: мра-
мора, ангидрита, гипса.
Плиты для наружной об-
лицовки имеют толщину 4—
10 см. Техника резки камня
с помощью искусственных
алмазов дает возможность
получать для облицовки зданий декоративные пластины I
из мрамора, гранита, оникса и др.
Специальные облицовки применяют для защиты от
коррозии.
Цокольные плиты, а также детали карнизов, поясков
и других выступающих частей зданий изготовляют из
стойких пород. Эти изделия не должны иметь волосных 1
трещин, нм придается такая форма, чтобы на них не за-
держивалась вода от дождя и тающего снега.
Плиты для полов и ступеней внутренних лестниц дол-
жны иметь высокие износостойкость и декоративными
4. Камни для гидротехнических сооружений
Природные каменные материалы применяют в боль-
ших количествах для сооружения плотин, причалов, мо-
лов. пирсов, шлюзов. В зоне переменного уровня воды J
условия службы материала особенно неблагоприятны: Л
камень испытывает многократное замораживание и от- J
таивание в насыщенном водой состоянии. Защитную об-
лицовку в этой зоне устраивают из плотных извержее^И
ных пород, имеющих водопоглощение не более 1 %, I
марки по прочности не ниже 80—100 МПа и по морозо-
стойкости Мрз 150—Мрз 500 в зависимости от класса. 3
сооружения, климатических и других условий эксплуатфЯ
ции. Соответствующим требованиям должны удовлетво- Я
рять и материалы для каменных набросных плотин. Вну- fl
тренние части набросок можно делать из камня, I
полученного из осадочных пород марок 60—80 МПа с J
коэффициентом размягчения не менее 0,7—0,8. Каменные 3
материалы проверяют на влияние веществ, растворенных “3
в воде (морской, грунтовой, речной, болотной).
5. Дорожные каменные материалы
Бортовые камни, отделяющие проезжую часть дороЛ
ги от тротуара, изготовляют из плотных изверженных Я
пород (гранита, диабаза и т. п.), отличающихся высокой^
морозо- и износостойкостью и прочностью. Бортовые кам- I
ни бывают прямые и лекальные, высокие (до 40 см) и
низкие (до 30 см). Эти камни применяют вместо бетон-
снюванииС°°ТВеТСТВУЮ1ЦеМ тех,,нко'экономическом обо- 1
Брусчатка для мощения дорог имеет форму бруска
слегка суживающегося книзу. Брусчатку' изготовляют
механизированным способом из однородных мелко- и
среднезернистых пород (диабаза и др.). Из таких же
пород изготовляют шашку для мозаиковой мостовой
(приближающуюся по форме к кубу) и шашку дня мо-
щения (в виде усеченной пирамиды). I
Тротуарные плиты изготовляют из гнейсов и подоб-
ных ему слоистых горных пород. Они имеют форму пря-
моугольной пли квадратной плиты со стороной от 20 до
80 см с ровной лицевой поверхностью и толщиной не ме-
нее 4 см и не более 15 см.
6. Каменные кислотоупорные изделия
Некоторые магматические и метаморфические горные
породы используют для футеровки разнообразных уста-
новок и аппаратов, подвергающихся действию кислот,
щелочей, солей и агрессивных газов, а также испытыва-
ющих влияние высоких и резко меняющихся температур
и давлений. Кислотоупорные породы идут на изготовле-
ние тесаных плит, кирпичей, брусков и фасонных изде-
лий, а в дробленом и размолотом виде служат в качест-
ве заполнителей в кислотоупорном бетоне и наполните-
лей в кислотоупорных цементах.
В соответствии с назначением применяемые породы
должны удовлетворять определенным требованиям, а
именно: быть кислотоупорными, т. е. хорошо сопротив-
ляться воздействию различных кислот и других реаген-
тов — это свойство оценивается по растворимости порош-
ка породы в растворах кислот (соляной, серной) при на-
гревании; иметь высокую огнеупорность; обладать
достаточным сопротивлением сжатию и изгибу; выдер-
живать резкие колебания температур.
Из изверженных горных пород кислотоупорными яв-
ляются, главным образом, кислые мелкокристаллические,
к которым относятся бештаунит, андезит, гранит и неко-
торые туфы, а из метаморфических — кварцит.
Применение кислотоупорного штучного камня ограни-
чено его высокой стоимостью, обусловленной трудностью
добычи и обработки, а также малым выходом готовой
продукции из горной массы. Полноценным заменителем
камня служит значительно более дешевый кислотоупор-
ный бетон. Со штучным тесаным камнем соперничает
также искусственный литой камень (базальтовый, диаба-
зовый).
7. Предохранение каменных материалов от разрушения 1
Основные причины разрушения природных каменных:
материалов в сооружениях: замерзание воды в порахи ' -J
трещинах, вызывающее внутренние напряжения; частое J
изменение температуры и влажности, вызывающее появ-
ление микротрещин; растворяющее действие воды и по-
нижение прочности при водонасыщен и и ; химическая кор| .
розия, происходящая под действием газов (ЬО2, СО2 и •
др.), содержащихся в атмосфере, и веществ, растворе^
ных в грунтовой или морской воде.
Конструктивную защиту открытых частей сооружу та
ний (цоколей, карнизов, поясков, столбов, парапетов)
сводят к приданию им такой формы, которая облегчает I
отвод воды. Этому же способствует гладкая полирован-
ная поверхность облицовки и профилированных деталей.
Стойкость пористых каменных материалов, которые не
полируются, повышают путем пропитки поверхностного |
слоя уплотняющими составами и нанесения на лицевую I
поверхность гидрофобизующих (водоотталкивающих) со-
ставов. Кремнефторизацию (или флюатирование) приме-
няют для повышения стойкости наружной облицовки из I -j
карбонатных пород. При пропитывании известняка рас- Л
твором флюата (соль кремнефтористо-водородной кис-^И
лоты) происходит химическая реакция
2СаСО3 + MgSiFe = 2CaF2 + MgF2 + SiO2 + 2CO2 f . 3
Полученные нерастворимые в воде вещества CaF2, Я
MgF2, SiO2 отлагаются в порах и уплотняют лицевой в
слой камня. В результате уменьшается его водопоглоще- j
ние и возрастает морозостойкость, облицовка из камня
меньше загрязняется пылью.
Некарбонатные пористые каменные материалы пред-
варительно обрабатывают водными растворами кальцие- j
вых солей (например, СаС12), а после этого пропитыва-
ют флюатами.
Долговечность пористого камня значительно увеличи- 1
вается, если пропитать его поверхностный слой раство- j
ром мономера с последующей полимеризацией мономе-
ра в порах бетона при термокаталитической или радиа-
ционной обработке.
Гидрофобйзация, т ,е. покрытие и пропитка гидро-
фобными составами (например, кремнийоргаиическими
жидкостями), предотвращает проникновение влаги в по-
ристый камень и повышает его морозостойкость. Начи-
нают применять для защиты камня от коррозии пленко-
образующие полимерные материалы — прозрачные и ок-
рашенные.
ГЛАВА 3. СТРОИТЕЛЬНАЯ КЕРАМИКА
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Керамическими называют каменные изделия, получа-
емые из минерального сырья путем его формования и
обжига при высоких температурах.
Термин «керамика» происходит (по П. П. Будникову)
от слова «керамейя», которым в Древней Греции называ-
ли искусство изготовления изделий из глины. И теперь
в керамической технологии используют главным образом
глины, но наряду с ними применяют и другие виды ми-
нерального сырья, например чистые оксиды (оксидная
техническая керамика). Керамические материалы — са-
мые древние из всех искусственных каменных материа-
лов. Черепки грубых горшечных изделий находят на ме-
сте поселений, относящихся к каменному веку. Возраст
керамического кирпича как строительного материала
более 5000 лет.
В современном строительстве керамические изделия
применяют почти во всех конструктивных элементах зда-
ний, облицовочные и другие материалы используют в
сборном домостроении. Богатство эстетических возмож-
ностей керамики обеспечили ей видное место в отделке
фасадов зданий и внутренних помещений. Керамические
пористые заполнители — это основа легких бетонов. Са-
нитарно-технические изделия, а также посуду из фарфо-
ра и фаянса широко используют в быту. Специальная ке-
рамика необходима для химической и металлургической
промышленности (кислотоупорные и огнеупорные изде-
лия), электротехники и радиоэлектроники (электроизо-
ляторы, полупроводники и др.), ее применяют в косми-
ческой технике.
Советская наука в
витке в работах А. И. Августиника, Д. С. Белянкина,-и
П. П Будникова, П. А. Земятченского и др.
Керамические строительные материалы в зависимос-
ти от их структуры разделяют на две основные группы: |
пористые и плотные. Пористые поглощают более 5 % во-
ды (по массе), в среднем их водопоглощен не составля- I
ет 8—20 % по массе или 14—36 % по объему. ПористЯ^И
структуру имеют стеновые, кровельные и облицовочные
материалы, а также стенки дренажных труб и др. Плот- В .
ные поглощают менее 5 % воды, чаще всего 1—4 % по \ I
массе или 2—8 % по объему. Плотную структуру имеют
плитки для пола, дорожный кирпич, стенки канализацяН
онных труб п др.
По назначению керамические материалы и изделщЯ i
делят на следующие виды: стеновые изделия (кирпич,
пустотелые камни и панели из них); кровельные изделийЯ|
(черепица); элементы перекрытий; изделия для облицов- ,|
кн фасадов (лицевой кирпич, малогабаритные и другибздД
плитки, наборные панно, архитектурно-художественным , |
детали); изделия для внутренней облицовки стен (глаЯ ,
зурованные плитки и фасонные детали к ним — карнй^И
зы, уголки, пояски); заполнители для легких бетонов I
(керамзит, аглопорит); теплоизоляционные изделия
(перлитокерамика, ячеистая керамика, диатомитовые ид|
др.); санитарно-технические изделия (умывальные сто- |
лы, ванны, унитазы); плитка для пола; дорожный кйр-fc
пич; кислотоупорные изделия (кирпич, плитки, трубы м
фасонные части к ним); огнеупоры; изделия для подзем
ных коммуникаций (канализационные и дренажные тру-
бы).
Приведенная классификация показывает широкое
распространение керамических материалов и изделий
в строительстве. Но не все они имеют одинаковое значе-
ние для индустриального строительства. Быстро разви-J .
вается производство материалов и изделий индустриаль--,
ного применения (пористые заполнители для бетона,
фасадная керамика, теплоизоляционные изделия). Сте- г
новые керамические изделия сохраняют видное место * I
в строительстве. Не развивается и даже сокращается^
производство некоторых керамических изделий (дорож- 1
ный кирпич, черепица), успешно заменяемых более эф-
фективными материалами.
§ 2. СЫРЬЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
1. Глинистые материалы
Сырьевыми материалами для производства кера-
мических изделий являются каолины и глины, применя-
емые в чистом виде, а чаще — в смеси с добавками (отс-
тающими, порообразующими, плавнями, пластифика-
торами и др.). Под каолинами и глинами понимают при-
родные водные алюмосиликаты с различными примеся-
ми, способные при замешивании с водой образовывать
пластичное тесто, которое после обжига необратимо пе-
реходит в камнеподобное состояние.
/(долины. Каолины состоят почти исключительно из
минерала Al2O3-2SiO2-2H2O и содержат значительное
количество частиц меньше 0,01 мм; после обжига сохра-
няют белый цвет.
Глины более разнообразны по минеральному составу,
они больше загрязнены минеральными и органическими
примесями. Глинистое вещество (с частицами меньше
0,005 мм) состоит преимущественно из каолинита и род-
ственных ему минералов — монтмориллонита А!2О3-
• 4SiO2-nH2O, галлуазита AI2O3-2SiO2-4H2O.
Содержание тонких частиц определяет пластичность
и другие свойства глин. Высокопластичные глины со-
держат частицы размером менее 0,005 мм 80—90%.
В глинах могут быть примеси, снижающие темпера-
туру плавления: карбонат кальция, полевой шпат,
Fe(OH)3, ГегО3. Камневидные включения СаСО3 явля-
ются причиной появления «дутиков» и трещин в керами-
ческих изделиях, так как гидратация СаО. получивше-
гося при обжиге керамических изделий, сопровождается
увеличением его объема. Часто встречающаяся примесь
оксида железа придает глине привычную красную окрас-
ку. Вообще же окраски глин весьма разнообразны: от
белой, коричневой, зеленой, серой до черной. Окраска
глин зависит от примесей как минерального, так и орга-
нического происхождения, богатых углеродом.
Бентонитами называют высокодисперсные глинистые
породы с преобладающим содержанием монтмориллони-
та. Содержание в них частиц размером меньше 0,001 мм
достигает 85—90 %.
Трепелы и диатомиты, состоящие в основном из
аморфного кремнезема, используют для изготовления
4-265 97
теплоизоляционных изделий, строительного кирпича и
(СДБ) и др.
2. Отошающие материалы
Отстающие добавки вводятся в состав керамической я
массы для понижения пластичности и уменьшения воз- I
душной и огневой усадки глин. В качестве отощающижН
добавок используют шамот, дегидратированную глину,
песок, золу ТЭС, гранулированный шлак.
нами 0,14—2 мм), получаемый измельчением глины/,
предварительно обожженной при той же температуре, при
которой обжигаются изделия. Его можно получить, иМ
мельчая отходы обожженного кирпича. Шамот улучшает ;
сушильные и обжиговые свойства глин, поэтому его при-
меняют для получения высококачественных изделий —I
лицевого кирпича, огнеупоров и т. д.
Дегидратированная глина при температуре 700—
750°C, добавляемая в количестве 30—50 %, улучшает су,-1
шильные свойства сырца и внешний вид кирпича. I
Песок (с зернами 0,5—2 мм) добавляют в количестве
10-25%.
Гранулированный доменный шлак (с зернами до
2 мм)—эффективный отощитель глин при производст-1
ве кирпича. Роль отощителей выполняют также золы]
ТЭС и выгорающие добавки.
3. Порообразующие и пластифицирующие добавки j
Порообразующие материалы вводят в сырьевую мае- J
су для получения легких керамических изделий с новы- I
шейной пористостью и пониженной теплопроводностью^
Для этого используют вещества, которые при обжиге з
диссоциируют с выделением газа, например СОг (моло- J
тые мел, доломит), или выгорают.
Выгорающие добавки: древесные опилки, измельчен^
ный бурый уголь, отходы углеобогатительных фабрик)
золы ТЭС и лигнин не только повышают пористость сте-
новых керамических изделий, но также способствуют
равномерному спеканию керамического черепка.
Пластифицирующими добавками являются высоко- щ
пластичные глины, бентониты, а также поверхностно-
Для придания декоративного вида и стойкости к
внешним воздействиям поверхность некоторых керами-
ческих изделий покрывают глазурью или ангобом. Слой
глазури, нанесенный на поверхность керамического ма-
териала, закрепляют на ней обжигом при высокой тем-
пературе. Глазури — это стекла, которые могут быть
прозрачными и непрозрачными (глухими), различного
цвета. Главными сырьевыми компонентами глазури яв-
ляются: кварцевый песок, каолин, полевой шпат, соли
щелочных и щелочно-земельных металлов, оксиды свин-
ца, борная кислота, бура и др. Их применяют в сыром
Ангоб приготовляют из белой или цветной глины и
наносят тонким слоем на поверхность еще не обоженно-
го изделия. При обжиге ангоб не плавится, поэтому цвет-
ная поверхность получается матовой. Ангоб по своим
свойствам должен быть близок к основному черепку.
§ 3. СВОЙСТВА ГЛИН КАК СЫРЬЯ
ДЛЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
Глина замешанная с определенным количеством
воды образует глиняное тесто, обладающее связностью
и пластичностью. При смачивании сухой глины ощуща-
ется характерный запах увлажняемой земли и выделе-
ние теплоты. Молекулы воды (диполи) втягиваются
между чешуйчатыми частицами каолинита и расклини-
вают их (пис. 3.1). вызывая набухание глины. Тонкие
в оОусловливаю1 -------
а. Так, например, если расплющить между дву-
ми стеклянными пластинками каплю воды, то
конмх"Цаг-ЬДипМолы1аяР молекула
пластинки нелегко оторвать 1
одну от другой (рис. 3.2), Л
Однако сопротивляясь отрц- ’
ву, пластинки легко скользят I
при сдвиге, причем слой во.
ды играет роль смазки, об-
легчающей скольжение, по-
этому глина, смешанная с
водой, дает легко формую-
щуюся пластичную массу.
Пластичностью глины на- I
зывают ее свойство во влаж-
ном состоянии принимав 1
под влиянием внешнего воз- I
действия желаемую форму -W
без образования разрывов и
трещин и сохранять получен- ,
ную форму при последующей •]
сушке и обжиге.
Поскольку глиняное тесто 1
представляет собой пластич- Я
но-вязкую систему, к нему
применимо уравнение Шве- 1
дова — Бингама. Исходя из Д
этого уравнения, предложе-
но пластичность характерна
зовать физическим показате-
лем пластичности Ф, с-1, ко- j
торый представляет отноше* Я
ние предельного напряжения
сдвига то к пластической -
ВЯЗКОСТИ 1].
Тело не будет пластич-
ным, если Ф=0. Это возмож-
но в двух случаях: первый —- j
когда ситема текучая и то=Ш
=0; второй — когда тело
хрупкое и т]—>оо. Кривые
зависимости показателя Ф ,
от влажности глины позволяют установить оптимальнук?
влажность, при которой проявляется наибольшая пла-
стичность.
(3.2)
Техническим показателем п/
ло пластичности
чести и пределу раскатывания глиняного жгута,7%Щ(рис?зЗ)?У jP*
Для производства строительных керамических изде-
лий обычно применяют умеренно пластичные глины с
числом пластичности Пл = 7—15. Малопластичные гли-
ны с Пл<7 плохо формуются, а высокопластичные гли-
ны с Пл> 15 растрескиваются при сушке и требуют
отощения.
Связующая способность глины проявляется в связы-
вании зерен непластичных материалов (песка, шамота,
и др.), а также в образовании при высыхании достаточ-
но прочного изделия — сырца. Связующую способность
глиняных строительных растворов используют при клад-
ке печей, труб.
2. Отвердевание глины при высыхании и усадка
Особенность глийяного теста — в способности отвер-
девать при высыхании на воздухе. Прочность высушен-
ной глины обусловлена действием ван-дер-ваальсовых
сил и цементацией зерен минералов ионами примесей.
Силы капиллярного давления стягивают частицы глины,
препятствуют их разъединению, вследствие этого проис-
ходит воздушная усадка. При насыщении водой мениски
исчезают, прекращается действие капиллярных сил, час-
тицы свободно перемещаются в избытке воды, и глина
размокает. 1 •
Усадка — это уменьшение линейных размеров и объе-
ма глиняного сырца при его сушке (воздушная усадка)
и обжиге (огневая усадка) глин. Усадку выражают в
процентах от первоначального размера изделия.
Для различных глин линейная воздушная усадка ко-
леблется от 2—3 до 10—12% в зависимости от содер-
жания тонких фракций. Для уменьшения усадочных на-
пряжений к жирным глинам добавляют отощители, По-
верхностно-активные вещества (СДБ и др ), введенные
в глиняную масу в количестве 0,05—0,2 /о, улучшают
смачивание частиц глины водой, позволяя сократить
формовочную влажность и. снизить воздушную усадку.
Огневая усадка получается из-за того, что в процессе
обжига легкоплавкие составляющие глины расплавля-
101
ются, и частицы глины в местах их контакта сближают-
ся. Огневая усадка может составлять 2—8 % в зависи-
мости от вида глины.
Полная усадка, равная алгебраической сумме воз-
душной и огневой усадок, колеблется от 5 до 18%. Со-
ответственно увеличивают размеры форм, чтобы полу./}
чать готовое изделие необходимых размеров. J . V
а-кварц переходит в а-кристобалит, который, в свою
очередь, в интервале температур 1400—1450°С перехо-
дит в а-тридимит с объемным изменением 0,6%. Кварц
плавится при 1723°С. Изменения объема зерен кварца.
в камневидное состояние
В процессе высокотемпературного обжига глина.пре-1
териевает физико-химические изменения. Сначала вс- Ж
паряется свободная вода, затем выгорают органичес- I
кие вещества. При температуре 700—800 °C происходит а
разложение безводного метакаолинита Al2O3-2SiO2, ко- I
торый образовался ранее (при 450—600°C) вследствие,
дегидратации каолинита; затем АЮ3 и SiOs при повыше^М
ним температуры (go 900 °C и выше) вновь соединяются, J
образуя искусственный минерал — муллит 3AI2O3-2SiO2.
Муллит придает обожженному керамическому изделию j
водостойкость, прочность, термическую стойкость. С его'
образованием глина необратимо переходит в камневиди
ное состояние. Вместе с образованием муллита расплав-]
ляются легкоплавкие составляющие глины, цементируяД
и упрочняя материал.
Обжиг кирпича и других пористых изделий обычнЯЖ
заканчивается при 950—1000 °C. Дальнейшее повышение I
температуры резко интенсифицирует образование и на- В
копление жидкой фазы — силикатного расплава, кото-М
рый не только цементирует частицы глины, но и уплот-в Ш
няет керамический материал. В результате получают '
изделия с плотным керамическим черепком, отличаю- w
щимся малым водопоглощением (менее 5 %).
Кварц присутствует в глине в виде кварцевого песка, J
его добавляют для отощения высокопластичных глин. 1
Кварц претерпевает полиморфные превращения, сопро-
вождающиеся объемными изменениями. Наиболее часто
встречающийся в природе 0-кварц при 573 °C обратимо Я
переходит в а-кварц с увеличением объема на 0,82 %; Я
эта форма устойчива до 1050°С. Поэтому при охлажде- j
нии керамических изделий, обожженных до 1050°С,.
а-кварц снова переходит в 0-кварц с соответствующим
уменьшением в объеме. При температуре выше 1050°С '
02
ся при обжиге и образовывать камнеподобный черепок.
га возрастает степень спекания и уменьшается водопо-
коплавких глин (для производства кирпича, керамзита)
однако различные примеси (Fe>O3, CaCOj и др.) пони-
жают эту температуру. Представляя собой сложные при-
родные смеси, глины не имеют определенной температу-
га имеет существенное зна-
чение для облицовочных ке-
крупные зерна пирита FeS2 и оксидов железа, образую-
щие на черепке после обжига черные точки. ВыделениД
свободного оксида железа при нагревании между 450 и
800 °C придает изделию красноватое и желтоватое окра- ]
шивание. Оксиды титана вызывают глубокую снневатуюЛ
окраску черепка.
Для получения некоторых видов цветной керамики в 1
сырьевую массу добавляют оксиды металлов (железа,Ж
кобальта, хрома и др.).
§ 4. ОБЩАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА
КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИИ
1. Обработка глиняной массы
Производство керамических изделий включает следу-
ющие этапы: карьерные работы, механическую обра- 1
ботку глиняной массы, формование изделий, их сушку ж
и обжиг.
Карьерные работы включают добычу, транспортире- Д
вание и хранение промежуточного запаса глины. Выле- i
живание замоченной глины и ее вымораживание в тече-
ние годичного срока на открытом воздухе разрушает
природную структуру глины, она диспергируется на Я
элементарные частицы, что повышает пластичность и
формовочные свойства керамической массы.
Механическая обработка глины осуществляется с по- |
мощью глинообрабатывающих машин и имеет цель: вы- I
делить либо измельчить каменистые включения, гомоге- я
низировать керамическую массу и получить необходимые ж
формовочные свойства. Каменистые включения выделя- j
ют из глины, пропуская ее через винтовые камневыдели- -
тельные вальцы или применяя другие специализирован-
ные машины. Можно добиться полного выделения кам- 1
ней из глины гидравлическим обогащением: глину,
распускают в глиноболтушках, а затем шликер пропус- Д
кают через сито, на котором отделяются камни размером .J
более 0,5 мм; шликер обезвоживают в мощных распыли-' Д
тельных сушилках.
Глину измельчают после выделения каменистых’ J
включений. Если их нет в глине, то после доставки на J
завод ее сразу подвергают грубому дроблению, потом j
тонкому измельчению. После тонкого измельчения гли- j
ну надо промять, чтобы получить глиняную массу с необ- л
ходимой формовочной влажностью. На кирпичных заво-
дах глину проминают в открытых лопастных глиномял-
ках с водяным орошением и паровым увлажнением гли-
няной массы. Паровое увлажнение увеличивает произ-
водительность ленточных прессов и снижает потребляе-
мую ИМИ мощность на 15—20% по сравнению с водя-
ным орошением глины.
2. Формование
бами пластического формования и полусухого прессова-
ния. Из жидких глиняных масс (шликеров) изготовляют
некоторые виды облицовочной плитки, санитарно-техни-
ческие и другие фаянсовые и фарфоровые изделия.
Способ пластического формования. Изделия стеновой
керамики формуют из пластичных глиняных масс на
ленточных шнековых прессах, которые могут быть ваку-
умными и безвакуумными (рис. 3.5). В корпусе этого
пресса вращается шнек — вал с винтовыми лопастями.
Глиняная масса, поступающая через воронку и питаю-
щий валик, перемещается с помощью шнека к сужаю-
щейся переходной головке и мундштуку. В этом месте
глиняная масса уплотняется, выравниваются давления и
скорости по сечению глиняного бруса. Мундштук лен-
точного пресса для производства обыкновенного кирпи-
ча имеет прямоугольное сечение. Для формования пус-
тотелых кирпича и керамических камней в мундштуке
пресса устанавливают пустотообразующий сердечник,
состоящий-из скобы с прикрепленными к ней стержня-
ми — пустообразователями. Применяются также фасон-
ные вставки с узкими щелями — для формования чере-
пицы, кольцевые — для керамических труб. *
Из мундштука пресса выходит глиняный брус, кото-
рый разрезают автоматически резательным аппаратом,
получая изделия заданного размера. Отбор сырца от
пресса и укладку его на транспортные средства выпол-
няют автоматы. Плотный вакуумированный сырец уста-
навливают рядами на печную вагонетку и он поступает
в туннельную сушилку в штабеле (без полок). Вакууми-
рование глины позволяет извлечь из нее воздух, снизить
формовочную влажность на 3—4 % и вследствие этого
улучшает ее формовочные и прочностные свойства. Проч-
ность сырца возрастает в 2—3 раза, т.е. примерно в 1,5
раза упрочняется высушенное изделие, прочность обож-
женного изделия увеличивается до 2 раз, его водопогло^ ,
щение снижается на 10—15%.
Способ полусухого прессования. Керамические изде-
лия формуют способом полусухого прессования из шнх- J
ты с влажностью 8—10%, уплотняемой прессованием Я
под значительным давлением (15—40 МПа). Керамичес-
кие пресс-порошки должны иметь определенный зерно- J
вой состав и влажность. Их готовят шликерным и су-
шильно-помольным способами.
При сушильно-помольной подготовке глины предус-И
матрпвают следующие операции: дробление глины наЯ
дезинтеграторных вальцах; сушку глины в сушильных-в
барабанах; помол высушенной глины в корзинчатых дез-; 1
интеграторах; отсеивание крупных зерен на ситах; ув-
лажненпе порошка, прошедшего через сито, паром до •]
равномерной влажности 8—10 %, необходимой для прес-^
сования.
Для полусухого способа производства целесообразно
применять глины с небольшой естественной влажностью, J
не требующие сушки перед помолом. Способ полусухого i
прессования применяют в производстве обыкновенного а И!
пустотелого глиняного кирпича, фасадных плиток. Глав-
ное преимущество полусухого прессования перед пласти- j
ческим формованием — сокращение затрат энергии. На
искусственную сушку 1000 шт. сырца пластического фор- J
мования влажностью 18—22 % расходуется до 100 кг i
условного топлива. |
Способ литья. Рассмотрим особенности способа 1
литья применительно к производству тонких (толщиной
которые слу-
рованных конвейерных линиях. По конвейеру движутся
пористые керамические поддоны, на которые наливные
аппараты последовательно наносят шликеры раздели-
тельного, плиточного и глазурованного слоев. Раздели-
поддоном в сыром состоянии и легкое отделение от него
состоящее из вращающихся дисков и разрезающее под-
сохшую трехслойную массу на плитки заданного разме-
ра. Поддон с отлитой массой проходит конвейер за 22—
вые установки. Полный цикл производственного процес-
са (вместе с обжигом) занимает около 2 ч.
3. Сушка сырца
усадки и растрескивания при обжиге. Сушку сырца про-
агонетках движется
го воздуха или ды-
тельных сушилках 16—36 ч при начальной температурД
теплоносителя 120—-150°С. „
Камерные сушилки представляют собой систему-ка-
мер каждая камера обогревается горячим воздухом „ли
горячими газами, отходящими из печей. В стены камер
встроены лопастные реверсивные вентиляторы, создаю- 1
Ш„е интенсивную циркуляцию теплоносителя внутри ка- I
меры После сушки керамические изделия, пмеющие'Я
влажность не более 5 %, поступают в печь.
4. Обжиг изделий
Обжиг завершает изготовление керамических изде- 1
лпй. В процессе обжига формируется их структура, опре-
деляющая технические свойства изделия. Суммарные! 1
затраты на обжиг достигают 35—40 %, а потери от бра- ’
ка достигают 10 % себестоимости товарной продукции. _
Обжиг керамических изделий осуществляется в тун-
нельных печах с автоматическим управлением (хотя на :
действующих кирпичных заводах работает значительное I
количество кольцевых печей). Туннельная печь пред- I
ставляет собой длинный канал, выложенный внутри ог- .
неупорной футеровкой (рис. 3.7). Вагонетки с изделия- j
ми. составляющие сплошной поезд, перемещаются в пе- 1
чи и постепенно проходят зоны подогрева, обжига и
охлаждения: при подаче новой вагонетки с сырцом в зо- .
ну подогрева из зоны охлаждения выходит вагонетка eW
обожженными изделиями.
Максимальная температура обжига кирпича^ и дру-
гнх стеновых керамических изделий (950—1000 °C) не- I
обходима для спекания керамической массы. СпеканиеД
происходит вследствие цементирующего действия расп-
лава эвтектик (жидкостное спекание), реакций в твер-
дой фазе и кристаллизации новообразований.
При избыточном количестве расплава, что характер-
но для пережога, изделия теряют форму, оплавляются
с поверхности. Недожог обусловлен незавершенностью
процесса спекания. Он проявляется в характерных приз-
наках: «алый» цвет кирпича, снижение прочности, силь-
ное уменьшение водостойкости и морозостойкости. В тун-
нельных печах щелевого типа достигается равномер-
ность обжига, а следовательно, высокое качество и
однородность продукции. После выгрузки из печи их
сортируют с учетом технических условий, приводимых
н ГОСТах.
§ 5. СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
Пористость керамического черепка (пористых изде-
лий) обычно составляет 10—40%, она возрастает при
введении в керамическую массу порообразующих доба-
вок. Стремясь снизить плотность и теплопроводность,
прибегают к созданию пустот в кирпиче и керамических
камнях.
Водопоглощение характеризует пористость керами-
ческого черепка. Пористые керамические изделия имеют
водопоглощение 6—20 % по массе, т.е. 12—40% по объе-
му. Водопоглощение плотных изделий гораздо меньше:
1—5 % по массе (2—10 % по объему).
Теплопроводность абсолютно плотного керамического
черепка большая — 1,16 Вт/(м-°С). Воздушные поры и
пустоты, создаваемые в керамических изделиях, снижа-
ют плотность и значительно уменьшают теплопровод-
ность, так, например, снижение плотности стеновых кера-
мических изделий с 1800 до 700 кг/м3 понижает их теп-
лопроводность с 0,8 до 0,21 Вт/(м-°С). Соответственно
уменьшается толщина наружной стевы и материалоем-
кость ограждающих конструкций. *
Прочность зависит от фазового состава керамическо-
го черепка, пористости и наличия трещин. Марка стено-
вого керамического изделия (кирпича и др.) по прочнос-
ти обозначает предел прочности при сжатии, однако при
установлении марки кирпича наряду с прочностью при
сжатии учитывают показатель прочности при изгибе, п
109
скольку кирпич в кладке подвергается изгибу. Изделия
с пористым черепком выпускаются марок 75—300-. а '
плотные изделия (дорожный кирпич и др.) — более вы-
соких марок (400—1000). п
Между прочностью керамического черепка /?сж и его -
коэффициентом плотности Кпл прослеживается завися- 1
мость в виде кубической параболы
(3.3)
где Ro — предел прочности при сжатии абсолютно плотного черепка; I
Лпл — коэффициент плотности; /Спл=рт/р? Рт и р — соответственная'• 1
средняя плотность и истинная плотность керамического черепка. J
Морозостойкость. Марка по морозостойкости обозна- 4
чает число циклов попеременного замораживания и от-
таивания, которое выдерживает керамическое изделие
насыщенном водой состоянии без признаков видимых ’1 .
повреждений (расслоение, шелушение, растрескивание, Л
выкрашивание). Керамические изделия имеют марки по
морозостойкости: 15, 25, 35, 50, 75, 100 в зависимости от
своей структуры.
Керамический материал морозостоек, если в нем объем i В
резервных пор достаточен для компенсации прироста объ- ।
ема замерзающей воды в «опасных» порах. К резерв-
ным относят открытые поры (диаметром больше |И
200 мкм), в которых капиллярное давление недостаточней
но для удержания воды, а также закрытые поры. «Опас- Жв
ные» поры удерживают воду, замерзающую при слабых V
морозах (—10°C).
Паропроницаемость стеновых керамических изде-^Дм
лий способствует вентиляции помещений. Малая паро-
проницаемость нередко служит причиной отпотевания
внутренней поверхности стен помещений с повышенной ] !
влажностью воздуха. Паропроницаемость зависит от . \
пористости и характера пор. Например, коэффициент па-
ропроннцаемости фасадных плиток полусухого прес- ,
сования с водопоглошением 8,5; 6,5 и 0,25 % соответст-
венно равен 0,155; 0,0525 и 0,029 г/(м ч-Па). Неодина-<Я
ковая паропроницаемость слоев, из которых состоит-Ч
наружная стена, вызывает накопление влаги. Так, фа- |
садная облицовка стен глазурованными плитками может Я f
привести к накоплению влаги в контактном слое стена-
плитка; последующее замерзание влаги вызывает отсло- >. 1
ение облицовки.
§ 6. СТЕНОВЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ
Доля стеновых керамических изделий в общем ба-
лансе стеновых материалов достигает 50 %.
По плотности и теплотехническим свойствам керами-
ческие кирпичи и камни для стен делят на три группы-
первая— эффективные плотностью не более 1400—
1450 кг/м3 с высокими теплозащитными свойствами; вто-
рая — условно-эффективные плотностью 1450—1600 кг/м3-
третья — обыкновенный кирпич плотностью свыше
1600 кг/м3.
1. Керамический кирпич
Сплошной керамический кирпич имеет форму прямо-
угольного параллелепипеда размером 250Х120X65 мм с
прямыми ребрами, четкими гранями и ровными лицевы-
ми поверхностями; искривление ребер и граней кирпича
не должно превышать 3 мм. Модульный кирпич имеет
размер 250X120X88 мм и выпускается с круглыми или
щелевыми пустотами, чтобы масса одного кирпича была
не более 4 кг. Отклонения от размеров не должны пре-
вышать установленных величин.
, Кирпич не должен иметь механических повреждений
и сковозных трещин. На одном кирпиче допускается не
свыше двух отбитостей ребер и углов размером по длине
ребра не более 15 мм. На отдельных карпичах может
быть допущена одна сквозная трещина протяженностью
не более 30 мм по ширине кирпича. Кирпич должен быть
нормально обожжен; кирпич недожженный и пережжен-
ный—брак. После обжига кирпич должен соответство-
вать цвету эталона нормально обожженного кирпича.
Не допускаются известковые включения (дутики), вызы-
вающие разрушение кирпича.
В зависимости от предела прочности при сжатии кир-
пич делят на марки: 75, 100, 125, 150, 200, 250,300. Плот-
ность сплошного кирпича 1600—1900 кг/м3, его тепло-
проводность 0,7—0,82 Вт/(м-°С). Водопоглощение кир-
пича выше марки 150 должно быть не менее 6 %,
кирпича других марок не менее 8%. Это требование
обеспечивает определенную пористость кирпича, иначе
он станет слишком теплопроводен и будет плохо сцеп-
ливаться со строительным раствором. Морозостоищорь
кирпича не менее 15 циклов попеременного замораЖЙВа-
ния и оттаивания; предусмотрены и более высокие марки
по морозостойкости: Мрз 25, Мрз 35, Мрз 50. "
Кирпич применяют преимущественно для кладки
стен зданий, изготовления сборных стеновых панелей,
кладки печей и дымовых труб.
2. Эффективные стеновые керамические изделия
Наружные стены из сплошного кирпича имеют'над^
лежащие термические сопротивления при сравнительно д'
большой толщине: 2—2,5 кирпича или 52—64 см. Сте-
пы получаются тяжелыми — масса 1 м2 стены составля- М
ет 800—1100 кг. Такие стены нередко обладают излиш- Ж
ней прочностью.
Производство пустотелых стеновых изделий требует; Я
меньше затрат на сырье и топливо, а поскольку ускоря-
ются сушка и обжиг тонкостенных изделий, то соответ^ -в
ственно повышается производительность сушилок и пе-
чей. Применение пустотелых керамических изделий поз-
воляет уменьшить толщину наружных стен и снизить Ж
материалоемкость ограждающих конструкций на 20— Я
30%, сократить транспортные расходы и нагрузки на .В
основание.
Пустотелый кирпич и керамические камни изготовля- Ж
ют из легкоплавких глин или глино-трепельных смесей S
с выгорающими добавками и без них. Пустоты в кирпи-, Ж
че и камнях располагают перпендикулярно или парал- |И
лельно постели, они могут быть круглыми и прямоуголь- ‘ Я
ными (рис. 3.8).
Кирпич и камни из диатомитов и трепелов выпуска-
ют сплошными и пустотелыми. В зависимости от плот- Ж
пости их подразделяют на три класса: класс А—700—•! Ж
1000 кг/м3, класс Б—1001—1300 кг/м3, класс В—свыше ‘ Ж
1300 кг/м3. Кирпич и камни из трепелов и диатомитов 1 В
применяют для кладки наружных и внутренних стен зда-
Размеры камней больше, чем кирпича, поэтому их. I
применение повышает производительность труда при <
кладке стен, а также приводит к уменьшению количест-
ва швов. Несмотря на большую пустотность керамичес- #
ких камней их марки такие же, как и марки сплошного
кирпича, поэтому керамические камни применяют как
для каркасных, так и для несущих стен.
9каднчестмм пусгот'д-7(25(%>%е
3. Сборные изделия из кирпича
и керамических камней
Крупные стеновые панели, изготовленные на заводе
нз кирпича или керамических камней, применяются в
сборном домостроении (рис. 3.9). Кирпичные панели на-
ружных стен выпускают трех-, двух- и однослойные.
Трехслойная панель состоит из двух кирпичных наруж-
ных слоев каждый толщиной 65 мм; в середине уклады-
вают слой утеплителя толщиной 100 мм (минераловат-
ные плиты и т. п.). Общая толщина трехслойной панели
вместе с внутренней и наружной облицовкой 280 мм.
Двухслойная панель состоит из одного слоя в '/г кирпи-
ча (его толщина 120 мм) и
слоя утеплителя (толщиной У
120 мм). Однослойные пане-
ЛИ ИЗГОТОВЛЯЮТ ИЗ крупных ®
многопустотных или мелких *
щелевых камней.
Керамические панели ар.
миру ют сварными каркасами
по периметру панели й окон- I
ных проемов. Применяют це-
ментный раствор не ниже
марки 75 с консистенцйей-м^И
погружению стандартного
конуса 9—11 см. ПанёлйМ
формуют в горизонтальном
или вертикальном пол ожени- 7
ях. Тепловая обработка по-
зволяет получить готовые
панели .через 10—14 ч. J
Монтаж стен из керами- •
ческих панелей занимает на
40 % меньше времени, чем
кирпичная кладка, а суммар-
ные трудовые затраты сокр®I
щаются против кладки из £
кирпича примерно в 2 раза. Применение слоистых кир- '
личных панелей с утеплителем сокращает расход кир=
пича на 1 м2 жилой площади с 270—300 шт. (при стенах
обычной кладки) до 90—110 шт. В результате подземнай
часть здания получается легче в 1,5—2 раза, а стоимость^
строительства снижается на 10—1'5%. Для. облицовки
керамических панелей обычно используют коврово-моза| -®
ичные и другие плитки.
§ 7. КЕРАМИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ ДЛЯ НАРУЖНОЙ
И ВНУТРЕННЕЙ ОБЛИЦОВКИ ЗДАНИЙ
1. Керамические изделия для облицовки фасадов ! 1.
Фасадные керамические изделия применяют для об- I
лицовки фасадных поверхностей стеновых панелей, бло- |
ков, цоколей зданий, лоджий, для отделки архитектур* J
ных элементов фасада зданий - поясов, карнизов и со-
здания декоративных панно. р и со
Для отделки сборных конструкций на заводах ис-
ПОооЗ^Т ковР°во’м°заичные плитки размерами 48x48
и 22X22 мм толщиной 2—4 мм, плитки типа «кабанчик»
размером 120X65X7, типа брекчия — ковры, набранные
из плиточного боя. г и
Коврово-мозаичные плитки выпускают с естественно
окрашенным черепком (такие изделия называют тер-
ракотовыми) и глазурованные. Глазури могут быть глу-
хими и прозрачными, белыми и окрашенными, блестящи-
ми и матовыми. Наши заводы выпускают глазурованные
плитки, покрытые глухими блестящими глазурями
Плитки типа «кабанчик» изготовляют неглазурован-
ными и глазурованными. Их используют для отделки па-
нелей (наклеенными на бумажные ковры), а также для
облицовки кирпичных стен.
Ковры типа «брекчия» применяют для облицовки фа-
садов и в виде акцентных вставок. Бой плиток в таком
ковре должен составлять не более 60 % общей его пло-
Для облицовки готовых кирпичных и бетонных стен
применяют крупноразмерные и цокольные плитки.
Крупноразмерные плитки размером 250X140X10 мм
изготовляют неглазурованными и глазурованными. В на-
стоящее время действует полностью автоматизирован-
ная поточная линия для прессования, сушки, глазурова-
ния и обжига таких плиток.
Цокольные глазурованные плитки размером 150Х
Х7бх7 мм являются изделиями штучного применения;
их используют дляс облицовки здании и подземных пе-
реходов. Эти плитки имеют спекшийся черепок, их водо-
поглощение не более 5 %.
Лицевые кирпич и керамические камни применяют
для кладки и одновременной облицовки наружных и
внутренних стен зданий, возводимых из штучных изде-
лий (кирпича, камня). Выпускают кирпич и камни с
гладкой, а также с рельефной или офактуренной лице-
вой поверхностью. Не допускаются трещины и отколы на
лицевой грани. Для изготовления используют не только
глины, но также трепелы и диатомиты.
Лицовой кирпич и камни из красножгущихся глин
изготовляют по той же технологии, что и обычные сте-
новые кирпичи и камни, соблюдая строгие требования к
однородности сырья, ровности цвета обожженного изде.
тня и правильности его формы. Лицевой кирпич и кам- •
ни светлых тонов изготовляют из светложгущихся 1уго. .•
плавких глин с добавкой около 45 % шамота тех же I
глин Подбирая состав керамической массы и регулируя
режим обжига, можно получить кирпич белого, кремово-
го, коричневело цвета.
Двухслойный кирпич формуют из местных красных
глин и лишь лицевой состав (3—5 мм), из белых неок-
рашенных или окрашенных глин. Малый расход привоз-
ных светложгущихся глин (6—7 % объема кирпича^’! f
обусловливает экономичное производство лицевог<з|кир- •
пнча из местного сырья.
Ангобированный кирпич имеет лицевую поверхность,.,
покрытую ангобом. Ангоб изготовляют из белой глины
(около 80%), стеклянного боя (15—20%) с добавкой
минеральных красителей (5—7 %). Ангоб наносят на от-; j
формованные изделия в виде суспензии — шликера.
Глазурованный кирпич применяют для акцентных
вставок, придающих фасаду здания большую архитек-
турную выразительность. Разработан способ производ-
ства этого кирпича с однократным обжигом. По этому!
способу сырец после сушки поступает на глазуровочныЙДИ
конвейер; на нем осуществляется очистка лицевой поЯ ’
верхности от загрязнений, глазурование пульверизациаИв
под давлением и подсушка глазурованного слоя. Затем -
кирпич направляют в туннельную печь для обжига.
ТАБЛИЦА 3.1. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ДАННЫЕ ПРИВЕДЕННОЙ
оп/П» ГОД
Керамические облицовк
экономичных, о чем свиде.^.^.^* ^пии,
эффициентов приведения Кпр, руб/(м2-год):
к числу наиболее
(3.4)
Сравнительные даИные для наиболее применяемых
2. Плитки для внутренней облицовки стен
образные по форме плитки; квадратные (150Х 150)Р пря-
моугольные с прямыми кромками (150X100 и 150Х
Плитки, изготовленные методом литья, выпускают
квадратными 50x50 мм, прямоугольными 25X100 мми
других размеров толщиной 2—3 мм. Для производства
плиток используют легкоплавкие или огнеупорные гли-
ны с добавкой кварцевого песка и плавней (фаянсовые
плитки). При обжиге плитки получаются пористыми, ли-
цевая поверхность их покрывается глазурью. Слой гла-
зури придает керамическим плиткам водонепроницае-
мость и стойкость против воздействия слабых растворов
кислот и щелочей .
Выпускают плитки плоские, рельефные, орнаменти-
рованные, покрытые глазурями. Плитки могут иметь
цветной рисунок, наносимый методом сериографическо-
го покрытия. Этот метод заключается в снятии копии
рисунка тушью, изготовлении с нее негатива, а затем
диапозитива, в светокопировании диапозитива на сетки-
трафареты и перенесении рисунка, на обожженные гла-
зурованные плитки. Плитки с рисунком подсушивают и
для закрепления красок обжигают в электрической печи
при 700—780 °C (рис. 3.10).
Глазурованные плитки применяют для облицовки
стен кухонь и санитарных узлов жилых здании, школ,
детских садов, больниц и поликлиник, торговых пред-
приятий, помещений с повышенной влажностью (бань,
прачечных), а также для облицовки внутренних стендам
3. Плитки для полов
Керамические плитки для полов изготовляют из ту-
гоплавких и огнеупорных каолиновых глин с добавкой
отощающих веществ, плавней и, если требуется, окраши- а
вающих примесей. Отощителем служат тонкомолотый J
шамот и кварцевый песок. Производство плиток осуще- Я
ствляется из массы, подготовленной полусухим, пласти- W
ческим или шликерным способами. Обжигают плитки до J
спекания. Полы из керамических плиток практически во-
донепроницаемы; они характеризуются малой истирав- J
мостью. не дают пыли, легко моются, стойки к действию j
кислот и щелочей. Плитки изготовляют квадратные, пря-
моугольные, шестигранные, восьмигранные, треуголь-
ные: длиной граней 50—150 мм и толщиной 10—13 мм
(рис. 3.11). Недостатком плиток является большая теп-
лопроводность (полы холодные), не позволяющая при-
менять их в жилых помещениях. Кроме того, устройст-
во пола из плиток трудоемко. Трудоемкость устройства
чистого пола уменьшается при применении мозаичной
плитки.
Мозаичные плитки выпускают квадратной или пря-
моугольной формы размером 23 и 48 мм при толщине
6—8 мм. Плитки на заводе наклеивают лицевой сторо-
ной на крафт-бумагу с раскладкой по определенному ри-
сунку получая «ковры» размером 398X598 мм. Толщина
шва между плитками 2 мм. На уложенную по основанию
пола пластичную растворную смесь укладывают (плит-
ками вниз) набранный «ковер». После затвердевания .4
раствора бумага размачивается водой и клен смывается. 1
Плитки применяют для полов в помещениях с влаж- 1
ным режимом и повышенной интенсивностью движения
(банях ванных комнатах, кухнях, вестибюлях, коридо. Л
рах станциях метрополитена, промышленных зданиях и
< S. КЕРАМИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ
СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
I. Кровельные керамические изделия
Керамическая черепица — один из старейших долго-ч
вечных и огнестойких кровельных материалов. Выпуска»
ют черепицу пазовую ленточную, пазовую штампован^
ную, плоскую ленточную, волнистую ленточную, s-образ-
ную ленточную и коньковую желобчатую. Обжигаю»
черепицу при 950—1000°С. Она должна выдерживать НЯ
менее 25 циклов попеременного замораживания и от-
таивания в насыщенном водой состоянии.
Пустотелые элементы перекрытий включают: камни
для армокерамических балок плотностью не более 1300
кг/м3; камни для часторебристых перекрытий плотностьия
не более 1000 кг/м3; камни для накатов плотностью до
1000 кг/м3.
2. Дренажные и канализационные трубы
Дренажные трубы изготовляют из кирпичных высо- |
копластичных глин. Трубы малого диаметра формуют в |
горизонтальном ленточном прессе, а большого—в вер- j
тикальных прессах. После сушки трубы обжигают при
950—1000°С. Промышленность выпускает гладкие не- 4
глазурованные трубы без раструбов или глазурованные
с раструбом и перфорацией на стенках. Водопоглощение л
черепка не более 15 %, морозостойкость не ниже 15 цик-
лов. Применяют трубы при мелиоративных работах, а
также при осушении грунтового основания под здания- j
ми и сооружениями.
Канализационные трубы изготовляют из пластичных J
огнеупорных или тугоплавких глин. Формуют их в вер-
тикальных трубных прессах, обжигают при 1250—1300°С
120
до спекания. Поверхность труб снаружи и внутри покры-
вают кислотостойкой глазурью. Канализационные трубы
должны выдерживать гидростатическое давление не ме-
нее 0,2 МПа. Водопоглощение черепка труб: не более
9% для 1 сорта и 11 % для II сорта. Длина канализа-
ционных труб 800—1200 мм, внутренний диаметр 150—
600 мм. Эти трубы на одном конце имеют раструб. Ка-
нализационные трубы применяют для отвода сточных и
щелочных вил.
3. Санитарно-технические изделия
Ванны, раковины и другое оборудование санитарно-
технических узлов жилых и производственных помеще-
ний изготовляют из фаянса, полуфарфора и фарфора.
Сырьем для производства этих трех разновидностей ке-
рамических материалов, обладающих различной порис-
тостью являются беложгущиеся глины, каолины, кварц
и полевой шпат, взятые в различных соотношениях
(табл. 3.2).
Из фаянса преимущественно методом литья изготов-
ляют унитазы, умывальники, смывные бачки и др. Для
производства крупных изделий (ванн, моек и пр.) ис-
пользуют шамотный фаянс, в который вместо кварца
вводят шамот (10—15%). Водопоглощение фаянса 10—
12. %, предел прочности при сжатии обычно до 100 МПа.
Поверхность фаянсовых изделий покрывают глазурью,
что придает им водонепроницаемость.
По сравнению с фаянсом полуфарфор имеет более
спекшийся черепок (водопоглощение 3—5%) и его проч-
ность выше (Ясж = 150—200 МПа). Фарфор отличается
еще большей плотностью (водопоглощение 0,2—0,5%)
и Прочностью (до 500 МПа), что позволяет изготовлять
из него тонкостенные изделия.
ТА ВЛ И ЦА 3.2. ПРИМЕГНЫЯ СОСТАВ ИСХОДНО!! МАССЫ
для изделия сАннтлрно-техническоя керамики (%)
Сырьевые материалы Полуфарфор
Глинистые материалы ?0-15 20—30
4. Кислотоупорные керамические изделия
К кислотоупорным керамическим изделиям относят- I) кислотоупорный кирпич марок 150—250 кислотостой- костыо не менее 92—96 %, водопоглощением не более 8—12%, термостойкостью не менее двух теплосмен;Л| 2) плитки кислотоупорные и термокислотоупорные марки 1 300 кислотостойкостью 96—98%, водопоглощение^ не 1 более 6—9%, теплостойкостью не менее двух—восьми J теплосмен; 3) трубы и фасонные части к ним марок 1 300—400 кислотостойкостью не ниже 97—98 %, водо- 1 поглощением не более 3—5 %. Кислотоупорные изделия изготовляют из глин, не со- j| держащих примесей, понижающих химическую стой- 1 кость (карбонаты, гипс, серый колчедан и т. п.) и спе- J кающихся при температуре около 1200 °C. Кислотостойкость изделий характеризует их нерае^И воримость в кислотах (за исключении HF) и щелоча^Д Кислотоупорные кирпич и плитки служат для футеровки Л башен и резервуаров на химических заводах, а такжеД печей для обжига серного колчедана, для устройства по- 1 лов и в цехах с агрессивными средами и т. п. Керамичес- кие кислотоупорные трубы применяют для перекачки,^ неорганических и органических кислот и газов при раз-М режении или давлении до 0,3 МПа. F ИЗДелия могут быть огхекчорныяи (1S8O—1//О С), высокоогнеупорными (1700—2000X1 высшей огнеупорности (более 2000 °C). ' В зависимости от пористости (%) огнеупорные изде- лия подразделяются на: особо плотные — пористость ме- нее 3, высокоплотные —пористость 3—10, плотные —по- ристость 0—20, обычные — пористость 20—30, легковес- ные и теплоизоляционные —пористость 45—85. Наиболь- шее распространение в строительстве и промышлен- hk ности строительных материалов получили кремнеземис- Кремнеземистые огнеупоры применяют двух типов- ll кварцевое стекло и динасовые. Кварцевое стекло изготовляют отливкой из расплав- ленного кварца, оно содержит SiO2 не менее 99 % • Об- ладает хорошей термостойкостью и кислотостойкостью; при 1100 °C расстекловывается и крошится. Кварцевая керамика используется для футеровки котлов большой мощности, при изготовлении штампов горячего прессо- вания, труб для подачи расплавленного алюминия и дру- гих целей. Кварцевое стекло идет на производство хи- мической аппаратуры. Динасовые (тридимито-кристобалитовые) огнеупоры изготовляют обжигом при температуре выше 870 °C кварцевого сырья (измельченных кварцитов песка, мар-
5. Дорожный кирпич шалита) на известковой или другой связке; содержит SiO2 не менее 93%. Огнеупорность 1600—1770 °C. Из
Дорожный (клинкерный) кирпич вырабатывают из кирпич имеет размер 220ХН0Х65 или 220ХП0Х7о мм, d марки 400, 600 и 1000, водопоглощение 2—6 %, морозо- стойкость 50—100 циклов попеременного замораживания | и оттаивания. Этот кирпич можно применять для моще- Д ния дорог и тротуаров, устройства полов промышленных J зданий, кладки канализационных коллекторов. динаса выполняют кладку сводов сталеплавильных, стекловаренных и коксовых печей. Алюмосиликатные огнеупоры подразделяют на три группы: полукислые, шамотные и высокоглиноземистые, держанием кремнезема — болеее 65%; глинозема со- держат менее 28 %. Изготовляют их обжигом кварцевых пород на глинистой или каолиновой связке или глин и каолинов с большим содержанием кварцевого песка. Их
6. Огнеупорные изделия огнеупорность 1380—МОО’С Применяют для футеровки шахтных и туннельных печей, вагранок и т. д.
Огнеупорными называют изделия, применяемые для | строительства промышленных печей, топок и аппаратов, 1 работающих при высокой температуре. Огнеупорные из- 1 делия классифицируют по огнеупорности, пористости, 1 Химико-минеральному составу и способу изготовления. 1 Шамотные огнеупоры изготовляют обжигом смеси шамота (порошка обожженной и размолотой огнеупор- ной глины) и огнеупорной глины или каолинов. Они со- держат 30-45 % А12О3 и отличаются термической стой- костью, шлакоустойчивостью, прочностью (марки 1UU 125). Огнеупорность шамотных материалов 1ЛЮ 123
1400°С. Применяют их для кладки и футеровки печей а
местах, где они непосредственно соприкасаются с рас-
плавленным металлом, шлаком, стеклом, а также для
футеровки вращающихся печей для обжига цементного
клинкера, облицовки топок паровых котлов, дымоходов
" "^Высокоглиноземистые огнеупоры получают из мате-
риалов (боксита, корунда), содержащих более 45 % гли-
нозема. Огнеупорность их зависит от содержания глино-
зема и технологии и составляет 1450—1725 °C. Изделия,
изготовленные из высокоглиноземистого сырья на гли-
няной или иной связке, обладают высокой термостой- '
костью при содержании А|2О3 60 %. Применяют ихвсте-
зволяют успешно применять их для футеровки промыш-
но (в 2—4 раза) сокращается продолжительность разо-
грева или холостого хода печей, в 2—3 раза уменьшает- e
ся толщина ограждающих стен и на 20—70 % снижают-
ся удельные расходы топлива на тепловые процессы. Я
В связи с этим производство легковесных огнеупоров не- Я
прерывно расширяется.
Для высокотемпературной теплоизоляции различных
промышленных печей и тепловых агрегатов используют
алюмосиликатные и другие волокна, обладающие высо- Л
кой прочностью, термической стойкостью и малой тепло!И
ГЛАВА 4. СТЕКЛО, СИТАЛЛЫ
И ПЛАВЛЕНЫЕ КАМЕННЫЕ ИЗДЕЛИЯ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Стеклоделие возникло очень давно. В Египте, Ме-
сопотамии умели изготовлять стекло за 3000—4000 лет!
до н. э. В 1 в. до н. э. стеклоделие проникло из Египта.'
в Италию, откуда распространилось по всей Римской
184
основоположником научного стеклоделия в России
является М. В. Ломоносов, построивший фабрику для
изготовления цветных стекол (в 70 км от Петербурга)
опытРнаымбзГваодомНОВРеМеНН° Нау™0Й -бораторией’в
,О1Ч Г 974п уже бЫЛ0 156 «екольных заводов,
в laid г, —д/о. Однако уровень производства был низ-
кий большинство предприятий были кустарными.
За годы Советской власти стекольная промышлен-
ность превратилась в крупную технически оснащенную
отрасль промышленности. В 1918 г. был создан Научно-
исследовательский институт силикатов, в котором наука
о стекле занимала видное место.
В период с 1926 по 1941 гг. в СССР вступили в строй
крупные заводы стекольной индустрии. Начиная с 1950 г.
стекольная промышленность быстро развивается и в на-
стоящее время СССР занимает первое место в мире по
выпуску оконного стекла. Растет производство новых ма-
териалов и изделий: профильного стекла, стеклопакетов,
стеклопанелей, стеклянных труб, стекловолокна, стекло-
пластиков, стекол с селективным пропусканием, безопас-
ных и др.
За последние 15—20 лет выделился новый тип стро-
ительных конструкций — конструкции светопрозрачных
ограждений гражданских и промышленных зданий. Стек-
ло стало конструкционным строительным материалом
наравне с металлом и железобетоном. Проектирование и
применение конструкций светопрозрачных ограждений,
изготовляемых с использованием стекла и.стеклоизделий,
требуют дальнейшего изучения механических и физичес-
ких свойств стекла.
Классифицируют стекла и стеклоизделия по следую-
щим признакам: по химическому составу: оксидные (си-
кислородные (галогенидные, нитратные и др.); по на-
значению: строительные и архитектурно-строительные;
технические (кварцевые, стекла в атомной технике, опти-
ческие, закаленные, многослойные, светотехнические
и др.); стекловолокно; тарное стекло.
5 2. ПОНЯТИЕ О ПОЛУЧЕНИИ СТЕКЛА
Основным сырьем для изготовления стекла являются I
кварцевый песок, известняк, сода и сульфат натрия. Вы- I
-сококачественвые стекольные белые пески содержат '
немного примесей, в частности оксида железа, придаю,
щего стеклу зеленоватую окраску. В стекольную шихту 1
вводят соду, сульфат натрия, поташ, которые понижают ж]
температуру варки стекла и ускоряют процесс стекло- Я
образования. При варке смеси чистого песка SiO2 и соды J
Na2COs образуется полупрозрачная стеклообразная мае- "4
са Na2SiO3, растворяющаяся в воде(«растворимое стек- к
до»), Благодаря введению в шихту СаО в виде известия- Я
ка СаСО5 или доломита стекло становится нераствори- Я
мым в воде.
Варка строительного силикатного стекла производит-
ся в стекловаренных печах при температуре до 1500 °C.
В процессе стекловарения," начиная с температур 800—
900°С протекает стадия силикатообразования. К концу
следующей стадии стеклообразования (1150—1200 °C).
масса становится прозрачной, но в ней еще содержится
много газовых пузырей. Дегазация заканчивается при I
1400—1500 °C; к ее концу стекломасса освобождается от •
газовых включений, свилей и становится однородной.
Для достижения необходимой для формования рабочей Я
вязкости температуру массы снижают на 200—300 °C.
Вязкость стекломассы зависит от химического состава:-Я
оксиды SiO2, А1гО3, ZrO2 повышают вязкость, Na2O, СаО,
Li2O, наоборот, понижают ее.
Переход от жидкого состояния в стеклообразное ян- Я
ляется обратимым. При длительном нахождении на воз- Я
духе и нагревании некоторых стекол обычная для них Я
аморфная структура может переходить в кристалличес-
нием»)Т° ЯВЛение называют расстекловыванием («заруха- -Ч
Строительное силикатное стекло имеет следующий 3
примерный химический состав, %, по массе: Я
510,-71—73; 1Ча20—13 —15; СаО-8-10.5: МяО-1 -AllW
„ ® пРоцессе изготовления в стекло вводят соединения,
придающие ему специальные свойства. Глинозем AUOj,
виадимыи в шихту в виде каолина и полевого шпата, по-
вышает механическую прочность, а также термическую <
126
и химическую стойкость стекла. При замене части диок-
сида кремния борным ангидридом В2О3 повышается ско-
рость стекловарения, улучшается осветление и уменьша-
ется склонность к кристаллизации. Оксид свинца РЬО,
вводимый, главным образом, при изготовлении оптичес-
Кого стекла и хрусталя, повышает показатель светопре-
ломления. Оксид цинка ZnO понижает температурный
коэффициент линейного расширения стекла, благодаря
чему повышается его термическая стойкость.
Вспомогательные сырьевые материалы делят по сво-
ему назначению на следующие группы: осветлители —
вещества, способствующие удалению из стекломассы га-
зовых пузырей (сульфат натрия, плавиковый шпат); обес-
цвечиватели — вещества, обесцвечивающие стекольную
массу; глушители— вещества, делающие стекло непро-
зрачным.
В 20 в. были разработаны различные способы вытяги-
вания бесконечной ленты стекла. Толщина стекла регу-
лировалась путем изменения скорости вытягивания. При
изготовлении витринных и зеркальных стекол тянутое и
прокатное стекло подвергали шлифованию и полирова-
нию. Только в 1960 г. удалось изготовить стекло, которое
полируется в процессе формования ленты стекла на плос-
кой поверхности расплавленного олова. Качество поверх-
ности такого стекла не уступает полированному.
§ 3. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СТЕКЛА
Стеклом называют все аморфные тела, получаемые
путем переохлаждения расплава, независимо от их хими-
ческого состава и температурной области затвердевания,
обладающие в результате постепенного увеличения вяз-
кости механическими свойствами твердых тел, причем
процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное
должен быть обратимым. Это общее определение стекла,
данное комиссией по терминологии при Академии наук
СССР, охватывает наиболее характерные свойства, при-
сущие любой стекловидной системе.
Для стекловидного состояния характерно наличие не-
больших участков правильной упорядоченной структуры,
тропность свойств, отсутствие определенной температуры
плавления.
А. А. Лебедев, изучая процессы отжига и закалкй§
стекла, впервые пришел к выводу о наличии в структуре
стекла микрокристаллических образований — кристаллит
тов (рис. 4.1). Кристаллиты обладают во внутренней ча-
сти сравнительно нормальной кристаллической решеткой;
состоящей из групп тетраэдров SiO<, но по мере прибли|
жения к периферии их структура становится все менееЖ
упорядоченной, и прослойки между кристаллитами об--
ладают уже аморфным строением. Кристаллитная теорияИ
структуры стекла развита в работах советских ученьи^И
показавших «микрогетерогенность» строения стекла. На
ее основе создан новый класс стеклокристаллических
материалов — ситаллов, обладающих лучшими свойства- 4
ми стекла и нехрупких материалов.
В силикатных стеклах катионы металла помещаются 5
между отрицательно заряженными тетраэдрами SiO4, ,
не нарушая структуры силикатного каркаса (см. рис.
Стеклообразное состояние является менее устойчи-^
вым по сравнению с кристаллическим и обладает избы- -
точным запасом внутренней энергии, поэтому возможен
самопроизвольный переход лишь из стеклообразного сО- Я
стояния в кристаллическое, сопровождающийся выделе-
нием небольшого количества теплоты. Благодаря своей
структуре стекло обладает рядом специфических свойств, В
к которым относятся прозрачность, хрупкость, высокая
стойкость к атмосферным воздействиям, чувствитель-
ность к резким изменениям температуры. Этот материал
непроницаем для воды и воздуха, обладает низкой элек-
Светопропускание измеряют коэффициентом пропус-
кания — где / — световая энергия, прошедшая
через данный материал; /0 —световая энергия, вошед-
шаппВ ТоТ£рИЭЛ’ ‘С’ СветопР°пускание оконного стек-
ла 90—Э2 %, профильного 84—86 %, стеклоблоков 82—
Свстопропускание зависит не только от вида стекла
по и от угла падения световых лучей. Поскольку стекло
поглощает всего лишь около 2 % световых лучей, то ос-
новной причиной снижения светопропускания является
отражение лучей.
Оконное стекло обладает хорошим пропусканием в
инфракрасной области спектра и плохо пропускает ульт-
рафиолетовые лучи; органическое стекло имеет в этом
отношении преимущество (рис. 4.2).
Плотность листового стекла составляет 2,5 г/см3 ар-
мированного до 2,6 г/см3.
Обладая значительной плотностью, стекло хорошо
проводит звук. Окно считается самым слабым конструк-
тивным элементом стены здания в отношении воздейст-
вия внешней шумовой нагрузки. Усредненный коэффици-
ент звукоизоляции стеклопакетов зависит как от рассто-
яния между стеклами, так и от толщины стекла.
Стремясь улучшить звукоизоляцию, используют стекла
разной толщины, уделяя особое внимание качеству вы-
полнения швов.
Теплопроводность обычного стекла при температуре
до 100°C составляет 0,4—0,82 Вт/(м-°С). Малой тепло-
проводностью обладают стекла, содержащие большое
количество щелочных оксидов. Пеностекло, являющееся
теплоизоляционным материалом, имеет теплопровод-
ность 0,045—0,058 Вт/(м-°С).
Теплоемкость стекол определяется их химическим со-
ставом. При комнатной температуре их теплоемкость
составляет 0,63—1,05 кДж/(кг-°C).
На термическое расширение стекол также влияет хи-
мический состав. Наиболее низкий температурный коэф-
фициент линейного расширения кварцевого стекла
5,8-Ю-^С-1, обычных строительных стекол (9-10-в —
1Я1
МИИ
15-10-®)°C-1. Термостойкость стекла зависит от темпе-
ратурного коэффициента линейного расширения.
Вследствие малой теплопроводности при нагреваниЙЯ
или охлаждении стекла может возникнуть большой тем'^Я
пературный градиент А/, обусловливающий большие jpac- <
тягивающие напряжения, которые приводят к растрески-3
ванию стекла. Максимальное значение градиента, при
котором возникающие напряжения еще не превышаютД
предела прочности при статическом изгибе, характерна
зует термостойкость материала и в первом приближении
выражается формулой
где <тн — напряжение изгиба на .поверхности пластинки, обусловлен-
ное постоянным перепадом температур; а — температурный коэффн- -I
цненг линейного расширения, °C*1; Е— модуль упругости; ц-ко-
эффициент Пуассона. и I
Если для обычного стекла принять о„=50 МПа, Е= Л
=70000 МПа, а=9.10-“°С-' и (1=0,22, то рассчитан--!
~Я120°С*°РЫУЛе те₽мическая стойкость составит А/® Х|
Приведенная формула предполагает равиомепность
температурного, градиента по всей толщине материала
На самом деле температурный градиент изменяется в за
висимостн от толщины материала и его теплопроводно’-
ста. Поэтому термостойкость стекла зависит и oi толщи-
ны изделии. Например, листовое стекло толщиной 2 мм
выдерживает перепад температур в 100 °C, а с увеличе-
нием толщины до 5 мм термостойкость понижается
ставляет всего 80 °C. Для повышения термостойкости
прибегают к корректированию состава стекла (например
путем введения бора); при этом температурный коэф-
фициент линейного расширения резко уменьшается. Наи-
более термостойко Кварцевое стекло.
Силикатное стекло обладает удельным электрическим
сопротивлением (при нормальной температуре) от 1010
до 1011 Ом-см, пробивная напряженность 450 кВ/см.
Наибольшее влияние на электропроводность оказы-
вает содержание в них оксида лития: чем больше его в со-
ставе стекла, тем выше электропроводность. Понижают
электропроводность оксиды двухвалентных металлов
(больше всего ВаО), а также SiO2 и В2О3. Следует учи-
тывать поверхностную проводимость стекла, которую
обусловливает пленка, образующаяся на поверхности
стекла в результате гидролиза силикатов. Эта пленка
поглощает значительное количество влаги и вызывает
повышенную активность стекла.
Стекло поддается механической обработке: его мож-
но пилить циркулярными пилами с алмазной набивкой,
обтачивать победитовыми резцами, резать алмазом,
шлифовать, полировать. В пластичном состоянии при
800—1000 °C стекло поддается формованию. Его можно
выдувать, вытягивать в листы, трубки, волокна, можно
сваривать.
Такие разнообразные механические свойства стекла
позволяют выделить его среди других конструкционных
материалов и использовать эти свойства при конструи-
ровании изделий из стекла.
Теоретическая прочность при растяжении, рассчитан-
ная по структурной сетке (см. рис. 4.1), весьма велика и
составляет для обычного оконного стекла 6500—
8000 МПа. Однако фактическая прочность оконного стек-
ла при растяжении и изгибе значительно меньше теоре-
тической вследствие мнкродефектов в структуре и на по-
верхности стекла и составляет всего 30—90 МПа.
. Стекло обладает высокой прочностью на сжатие
(700—1000 МПа), иногда до 1250 МПа. Стекло плохо 1
сопротивляется удару, т. е. оно хрупко; прочность при
ударном изгибе составляет всего около 0,2 МПа. Твер.
дость его равна 5—7 по шкале твердости.
Отличительны деформативные свойства стекла. У стек- 1
ла отсутствуют пластические деформации, стекло подчи- 1
няется закону Гука вплоть до момента хрупкого разру-Я
шения. Модуль упругости 70 000—75 000 МПа, модуль -I
сдвига 20 000—30 000 МПа, коэффициент Пуассона 0,25. I
ВИДЫ СТЕКЛА
1. Листовое стекло
Листовое стекло —основной вид стекла, используе-Л
мый для остекленения оконных и дверных проемов, вит*И
рин, наружной и внутренней отделки зданий. Наряду
обычными видами промышленностью вырабатываются
специальные виды листового стекла: теплопоглощающее, Я
увнолевое, армированное, закаленное, архитектурно-Я
строительное и др. Листовое оконное стекло вырабаты-
вают трех сортов и в зависимости от толщины — шести Я
размеров (марок): 2; 2,5; 3; 4; 5 и 6 мм. Ширина листов в
стекла 250—1600 мм, длина 250— 2200 мм. Масса 1 м2
стекла 2—5 кг. Листы стекла должны быть бесцветными^И
допускается лишь слабый голубоватый или зеленовагыйЯ
оттенки. Светопропускание стекла должно быть не ме-И
нее 87 %. С увеличением толщины стекла несколько сш^И
жается светопропускание. Сорт листового стекла опреде~<И
ляется наличием дефектов, к которым относятся: полос-
ность — неровности на поверхности; свиль — узкие ните-
видные полоски; пузыри — газовые включения и др. Я
Витринное стекло — широко применяют для остекле-Я
ния больших поверхностей фасадов торговых помеще- .£
ний, административных зданий и т. п. Витринное стекло, J
как правило, выпускают полированным (во избежание
оптических искажений), его толщина 6—10 мм, наиболь-Я
шин размер 3500X6000 мм.
Увеличение площадей светопроемов в современных^
административных, общественных и промышленных зда- т|
ниях вызывает необходимость осуществления солнцеза-
щитных мероприятий, чтобы предотвратить перегрев воз- .
духа в помещениях без уменьшения освещенности. Эта I
132
задача эфективно решается использованием пластинча-
тых жалюзи в комбинации с солнцезащитным остеклени-
ем из теплоотражающего или теплопоглощающего
Стекла, отражающие тепловые лучи, покрыты тончай-
шими (0,3—1 мкм) пленками металлов или оксидов. Та-
кие стекла обладают повышенной отражающей способ-
ностью поверхности, обращенной на улицу, и имеют с
этой стороны самую различную окраску: золотистую, го-
лубую, оранжевую и др. При этом свет, проникающий в
помещение, остается естественным. В настоящее время
широко применяются методы металлизации стекла в ва-
кууме. Методом ионного распыления наносят слой рав-
ной толщины, обеспечивающий однородное окрашивание.
В качестве материала покрытия используют очень тонкие
пленки золота и меди, никель-хромовые покрытия (под
серебро), металлы группы железа и платины и др. Све-
топропускание стекла с такими пленками можно изме-
нять в широких пределах (от 30 до 70 %). Благодаря то-
му, что в таких стеклах большая часть инфракрасных лу-
чей не поглощается, а отражается, само стекло почти не
нагревается. Металлическое покрытие стекла вместе с
тем повышает теплозащиту зимой вследствие уменьшения
излучения из помещения.
Отражающее стекло предназначено для уменьшения
нагрева солнечными лучами, регулирования освещеннос-
ти и одновременно используется в общественных совре-
кол, например, при архитектурном решении Дворца
съездов в Московском Кремле, Дворца Республики в
Берлине раскрыло Их богатейшие возможности.
Стекла, поглощающие тепловые лучи, также умень-
шают нагрев помещений. Теплопоглощающее стекло по •
своему составу отличается от обычных стекол содержа-
нием оксидов железа, кобальта и никеля, благодаря че-
му приобретает слабый сине-зеленый оттенок. Теплопог-
лощающее стекло задерживает 70—75 % инфракрасных
лучей, т. е. в 2—3 раза больше, чем обычное оконное
стекло (см. рис. 4.2). Интенсивное поглощение лучистой
энергии приводит к сильному нагреванию и значитель-
ным температурным деформациям стекла. Поэтому при
остеклении следует предусматривать достаточный зазор
между рамой и стеклом (рис. 4.3). При двойном остек-
Ленин теплозащитное стекло помещают с внешней сторо- ;
ны, чтобы оно охлаждалось наружным воздухом, а
обычно стекло — изнутри.
Увиолевое стекло получают из шихты с минимально
ми примесями оксидов железа, титана, хрома. УвиолевО^
стекло пропускает 25т-75 % ультрафиолетовых лучей,;
т. е. гораздо больше, чем обычное оконное стекло, .поэтов
му его используют для остекления оранжерей, а также
оконных проемов в детских учреждениях и лечебных
зданиях.
Светорассеивающие стекла. Для остекления оконных
проемов, перегородок и дверей, когда требуется освещу
ние без сквозной видимости пли рассеянный свет, приме- .
няют матовые или узорчатые стекла. Узорчатые стекла
получают методом горизонтального проката на гравиро- I
вальных вальцах. Матовое стекло получают из обычного
листового стекла с помощью пескоструйной обработки. .1
Армированное стекло. Стекло армируют металличес-
кой сеткой из отожженной, хромированной или никелиро-
ванной стальной проволоки. Будучи запрессованной в
стекло, металлическая сетка служит каркасом, удержи-
вающим мелкие осколки стекла при его повреждении.
Армированное стекло выпускают плоским и волнистым
(рис. 4.4,а). Волнистое армированное стекло использу-
ют, например, в кровельных конструкциях, когда не тре-
буется сквозной видимости, но необходимо освещение, и
кроме того к остеклению предъявляются повышенные
требования в отношении механической прочности и ог-
нестойкости. Армированное стекло выпускают плоским
и волнистым; его размеры по длине 1200—2000 мм, По
ширине 400—1500 мм.
К «безопасным стек
гослойное стекло.
Закаленное стекло получают путем нагрева стекла д0
температуры закалки (540—650 °C) и последующего бы-
строго равномерного охлаждения. Этим добиваются од-
неродного распределения внутренних напряжений в стек-
ле. Прочность при ударе и предел прочности при изгибе I
закаленного стекла в несколько раз выше, чем обычно-
го. В строительстве закаленное стекло применяют для
остекления витрин, изготовления стеклянных дверей,
балконных и лестничных ограждений, перегородок. Ос-
новным же потребителем закаленного стекла является ,
транспорт.
Многослойные стекла (триплекс), армированные или
неармированные, состоят из основных и промежуточных '
(амортизирующих) слоев. Благодаря этому они являютейМ
безосколочными, т. е. при ударе стекла оно хотя и раз-
рушается, но осколки остаются прочно сцепленными
промежуточным слоем.
Стекло, устойчивое к радиоактивным излучениям, '
получают из шихты специального состава. Для погло- л
шения рентгеновских и у-лучей используют оптические
стекла с высоким содержанием свинца и бора. Чтобы
улучшить устойчивость стекла к излучению, в шихту до-еИ
бавляют 0,25—1,5 % оксида церия.
Защитные свойства стекла можно приближенно оце-
нивать по их плотности. Например, тяжелое свинцовое Ж
стекло плотностью 6200 кг/м3, содержащее 80 % оксида Ж
свинца, по своей защитной способности в отношении I
у-лучей эквивалентно стали. Стекла, поглощающие мед- I
ленные нейтроны, должны содержать один из оксидов:
бора, лития или кадмия. Стекло, устойчивое к действию
радиоактивных излучений, применяют при сооружении J
атомных электростанций (например, для устройства з&
щнтных смотровых окон) и предприятий по изготовлению 4
изотопов.
Термостойкое стекло (боросиликатное) содержит ок-
сиды бора, рубидия, лития. Термостойкие стекла имеют
температурный^коэффициент линейного расширения око- •,
ло 2—4-10~flOC «, т.е. в 2—3 раза меньше, чем обычное
стекло. Изделия из таких стекол выдерживают перепадй
температур до 200 °C. Их используют для изготовления J
136
термостойких деталей аппаратуры (например, водомер-
ных трубок).
Электропроводящие прозрачные покрытия наносят на
стекло в основном с целью обогрева стекла и предотвра-
П1РННЯ запотевания. Электпппппнп^ашаа пленка (толщи-
НОЙ 0,5 мкм) может быть ПОЛ,-„.«в паио.«сппсм имея
металлического серебра и нагревом стекла до 500—
700 °C. После покрытия пленки-гонким слоем люмино-
фора стекло можно использовать в качестве светящего-
ся элемента (с голубым, желтым, зеленым свечением).
Кроме того, в качестве источника тепла используют стек-
лопакеты с внутренним слоем из электропроводящего
стекла.
2. Облицовочное стекло
Такое стекло широко применяют для отделки фасадов
и внутренних помещений здания. Для стеклянных отде-
лочных материалов характерны высокая декоративность
(яркие цвета, блестящая поверхность), большая атмо-
сферостойкость и долговечность. Кроме специальных от-
делочных стекол, описанных ниже, функции отделочного
материала в совреме"—-° ~- ——
вое стекло с пленочн:
витринное стекло
Стекло для облицовочных панелей (стемалит) в виде
горизонтальных конструктивных элементов располагают
между рядами окон многоэтажного здания. На внутрен-
нюю поверхность толстого полированного стекла наносят
при нагревании непрозрачное покрытие из керамической
эмали различного цвета, составляющей единое целое со
стеклом. Покрытие защищается со стороны помещения
тонким слоем алюминия, наносимым в вакууме. Стема-
лит широко применяется для облицовки стен обществен-
ных зданий (например, стемалитом облицованы здания
СЭВ и гостиницы Аэрофлота в Москве).
Марблит представляет собой листы толщиной 12 мм
из цветного глушеного стекла с полированной лицевой
поверхностью и рифленой тыльной. Стекло может быть
однотонным, но может также имитировать мрамор; его
применяют для облицовки фасадов и внутренней отделки
общественных зданий, а также для устройства подокон-
ников, крышек столов, прилавков.
Стеклянную эмалированную плитку толщиной 3-Л
5 мм изготовляют из отходов листового оконного'стекла.. J
Нарезанное на требуемые размеры (150X150, 150Х 1
У75 мм) стекло покрывают стеклянной эмалью. После
сушки плитки направляют в печь, где эмаль оплавляется.!
и’ спекается с поверхностью стекла. Тыльная сторона ]
плиток может покрываться песком, спекающимся с ней
при оплавлении эмали. Применяют эмалированную плит-
ку для отделки стен.
Стеклянная мозаика: ковровая мозаика — в виде мел-
ких квадратных плиток (20X20 или 25X25 мм) из глу- ;
шеного цветного стекла, набираемых в однотонные или
мозаичные ковры; смальта — кусочки цветного стекла
различной формы, используемые для художественных
мозаичных работ. Ковровую мозаику получают прокатом
стекломассы в ленту, имеющую рифления, соответствуй -
ющие размерам плитки. После ленту разламывают на
плитки, которые наклеивают лицевой стороной на крафт.-^Л
бумагу.
Смальту изготовляют из цветной глушеной стекломас-
сы отливкой или прессованием крупных плиток толщиной
около 10 мм. Из смальты набирают мозаичные картины
и орнаментальные панно.
Зеркала изготовляют из полированного стекла тол-
щиной 4—10 мм. На стекло наносят тонкий слой алюмй-Я
ння или серебра, защищенный слоем стеклянной эмали 1
или лака. Применяют зеркала для внутренней отделки, Я
3. Изделия и конструкции из стекла
Пустотелые стеклянные блоки обладают хорошей
светорассеивающей способностью, а выполненные из них Я
световые проемы и перегородки имеют хорошие тепло- Я
изоляционные и звукоизоляционные свойства. Блоки со-
стоят из двухотпресованных половинок, которые сварива-.^J
юте я между собой. Наиболее распространенные виды
стеклянных блоков имеют на внутренней стороне рифле- 11
ння, придающие блокам светорассеивающую способ- J1
ность (рис. 4.4,б). Светопропускание не менее 65%,
светорассеивание около 25 %, теплопроводность 0,4 Вт/ j
Помимо обычных блоков изготавливают цветные, Л
блркиаМеРНЫе (теплозащитные) и светонаправленныеД
Стеклобетонные конструкции представляют собой бе.
тонную обойму, внутри которой на растворе уложены
стеклянные блоки. Эти конструкции несгораемы и пре-
пятствуют распространению огня. В промышленном стро-
ительстве стеклянные блоки применяют для устройства
окон. В жилых и общественных зданиях пустотелые сте-
клянные блоки используют для заполнения наружных
световых проемов, остекления лестничных клеток, а так-
же для устройства светопрозрачных перекрытий и пере-
городок.
Стеклопакеты, в индустриальном строительстве нахо-
дят все большее применение. Они состоят из двух или
трех листов стекла, между которыми образуется герме-
тически замкнутая воздушная полость. Стеклопакетное
остекление обладает хорошей тепло- и звукозащитной
способностью, оно не запотевает и не нуждается в про-
тирке внутренних поверхностей. В зависимости от назна-
чения стеклопакеты могут быть выполнены с примене-
нием оконного, закаленного, отражающего или других
видов стекла.
Стеклянные трубы в ряде случаев (например, в усло-
виях химической агрессии) могут оказаться эффективнее :
металлических. Они обладают высокой химической стой-
костью, гладкой поверхностью, прозрачны и гигиеничны.
Благодаря этим высоким качествам их широко исполь-
зуют в пищевой и химической промышленности. Основ-
ными недостатками стеклянных труб следует считать их
хрупкость, т. е. слабое сопротивление изгибу и ударам,
а также невысокую термостойкость (около-40-°C). В по-
следнее время на основе боросиликатных стекол получе-
ны термостойкие трубы с малым тепловым расширением.
Панели из профильного стекла (стеклопрофилит).
Отечественной промышленностью освоен выпуск профи-
лированных стеклянных панелей больших размеров (рис.
4.4, в). Эти изделия имеют каробчатый, тавровый, реб-
ристый, швеллерный, полукруглый профили и использу-
ются для монтажа светопропускающих стен, перегородок,
покрытий, а также для остекления фонарей промышлен-
ных зданий. Элементами коробчатого профиля можно
заполнять световые проемы высотой до 4,8 м. Ширина
швеллерного стеклопрофилита 250—500 мм, коробчатого
250—300 мм.
Стеклопрофилит изготовляют армированным и неар-
мированным, бесцветным и цветным. Соединения профи-
вергается плавлению, при этом катализатор кристалли-
теми же методами, что и при произ-
ного завершения кристаллизации. Наконец, ситалловое
изделие охлаждают до комнатной температуры. Регули-
кристаллизации, размеры кристаллов, что отражается на
свойствах изделия.
лированных стеклянных изделии герметизируют эластит?
нымн морозостойкими и влагостойкими прокладками.
деннйРвыстЯЮТ 4ЛЯ устройства светопрозрачных ограж-.
$ 5. ПОНЯТИЕ О ПОЛУЧЕНИИ СИТАЛЛОВ
Ситаллы, или стеклокристаллические материалы, пй-
ного^йД7еМ контРолнРУем°н кристаллизации силикат*- J
Л ’ заканч»вающейся образованием микро-
J₽Se П^-ЧаСТИЩ равномеРно Распределенных!
робХои» в кстото структуре ситаллы напоминают «мик- 1
. Р нап°лннтелем являются мелкие кри-
в Йльш:Я’^‘и,'’'-прослойка ст<™ между нимГк
дится то™ ,0 котоГ" Процесс “РИ^^изацип дово-
превышает иескоТ ' 410 км“-‘ество стеклофазы не
снталлак !-2 Х”"™’’ Срвдввй раэмеР КР“<=-
слойки „з тек’. „ в 10 ВР£МЯ как толщина про-
Отлмьные тототя^м РЛ ЫШает д-есятых долей микрона,
вымн свойствами в оаши!! "° “6е облада,°т иеодинако-
оаствами в разных кристаллографических
правлениях, однако благодаря их беспорядочной ориен-
тации анизотропия в ситаллах отсутствует.
Таким образом, ситаллы отличаются от керамики зна-
чительно меньшими размерами кристаллов, ’а от стекол
тем, что имеют поликристаллическое строение. Благода-
ря этому ситаллы, сохраняя положительные свойства
стекла, лишены его недостатков: хрупкости, малой проч-
ности при изгибе, низкой термостойкости.
Для изготовления ситаллов используют те же исход-
ные компоненты, что и для стекла, а также специальные
добавки-катализаторы кристаллизации (соединения ти-
тана, лития, циркония и др.). Однако при производстве
ситаллов предъявляются повышенные требования в от-
ношении чистоты сырья и соблюдения установленного
технологического режима.
Получение ситаллов включает следующие технологи-
туры выделения микроскопических частиц катализатора,
§ 6. СВОЙСТВА СИТАЛЛОВ И ИЗДЕЛИЙ ИЗ НИХ
Ситаллы обладают благоприятным сочетанием многих
важных свойств: высокой механической прочностью,
влаго- и газонепроницаемостью, термостойкостью, высо-
кой температурой размягчения, хорошими диэлектричес-
кими свойствами, химической стойкостью.
Ситаллы выдерживают сравнение с рядом конструк-
ционных материалов (легированными сталями, черными
металлами, алюминием) и превосходят по своим свойст- 1
нам стекло. Твердость некоторых ситаллов приближается 1
к твердости закаленной стали и почти в 25 раз больше 1
твердости шлифованного оконного стекла. Ситаллы об-
ладают высокой стойкостью к действию сильных кислот <
. ,.!!! II 1НГ имей Й1.Г1И И. ..шиче-
ская прочность, а также химическая стойкость способст-
вуют применению ситалловых изделий в химической «1В
нефтехимической промышленности. Термостойкость из- Н
делнй из ситалла составляет 200—700 °C, а иногда и
1100 °C.
Высокие термомеханические свойства предопределяют
использование ситалловых изделий в специальных об-
ластях строительства. Они находят применение для нз- I
готовления деталей, сохраняющих стабильные размеры |
при изменениях температуры (например, фундаменты 1
особо точных станков). Трубы из ситаллов применяют я
для изготовления теплообменников.
Получены ситаллы, поглощающие медленные нейтро-
ны, а также отличающиеся жаростойкостью и способно- Я
стью герметически паяться со сталью. Эти ситаллы ис- Я
пользуют при изготовлении стержней в атомных реакто- J
рах и для устройства биологической защиты.
В СССР разработан эффективный и экономически j
выгодный способ получения ситаллов из огненно-жидких Д
металлургических шлаков. Для получения шлакоситал- 3
лов в расплавленный шлак вводят корректирующие
добавки и добавки-катализаторы, ускоряющие кристалли- 3
зацию шлаков. В качестве кристаллизаторов использу-
Все м Т'°2, P2°s' Сар2‘ сУльфаты тяжелых ме-
Хкио жидког” “ К0ЛИ,естве 4~5 ПР" охлаждении I
продышав ^стичск'каталнзатор" который "тляюгся !
«Рхоталлизацпи расплава Отформованное
редеХо8,у';еж“еу."ОДверГа,от теРм°°бРаб°™<= по on- 1
Платность шлакоситаллов 2500-2650 кг/м? предел I
по м°пт" П|>и сжатнн 50()-650 МПа. при изгибе 90- |
иг,™ Па' УпРУгости 11-10' МПа, рабочая темпе-
ратура до 750 С, температура размягчения около 950 °C, 1
воропоглощение практически равно нулю. 1
плотней ?"?МУ В"ДУ представляют собой I
“ „ Т0НК03еР"истый. непрозрачный материал. Прак-
тнчески можно получить шлакоситалл любого цвета пу-
тем использования в процессе изготовления и&елйй
различных керамических красок. Из шлакоситаллов изго-
товляют дешевые и высококачественные изделия, отлича-
ющиеся высокой долговечностью и используемые в жи-
лищном и промышленном строительстве для устройства
лестничных ступеней, плиток для полов, подоконников,
внутренних перегородок и др. Волнистые и плоский лис-
товой шлакоситаллы можно применять как кровельный и
стеновой материалы.
Шлакоситаллы применяют в гидротехническом строи-
тельствс для облицовки ответственных частей гидросо-
оружений. а также в дорожном строительстве в качестве
плит для тротуаров, дорожных покрытий, бортовых кам-
ней. Листовой шлакоситалл можно использовать и как
декоративно-отделочный материал для наружной и вну-
тренней облицовки различных сооружений.
Вспененный шлакоситалл (пеношлакоситалл) имеет
ячеистую структуру, как и пеностекло, но отличается от
него своим строением. Пеношлакоситалл является эффек-
тивным теплоизоляционным материалом, поскольку Он
обладает незначительным водопоглощением и малой
гигроскопичностью. Его используют Для утепления стен
и перекрытий, а также для звукоизоляции помещений.
Изделия из пеношлакоситалла могут работать при тем-
пературе до 750 °C, поэтому их применяют также для
изоляции трубопроводов теплотрассы и промышленных
§ 7. ПОНЯТИЕ О ПОЛУЧЕНИИ ПЛАВЛЕНЫХ
КАМЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ
Плавленые каменные изделия (каменное литье) —
искусственные силикатные материалы, получаемые рас-
плавлением горных пород, шихты нз них, а также вто-
ричного сырья (доменных и мартеновских шлаков и шла-
ков цветной металлургии) разливкой расплава в формы
с последующей термической обработкой, включающей
прцоессы кристаллизации и отжига. Это производство
дает возможность быстро и экономично изготовить изде-
лия требуемой формы.
Из основных пород (базальта) и шлаков получают
изделия темного цвета. Для светлого каменного литья
используют карбонатные горные породы и пески.
Для понижения температуры плавления и уменьш&И^
ния вязкости расплава применяют добавки — плавни, на-
пример, плавиковый шпат CaF2. С целью получения мел-
козернистой однородной структуры и ускорения процес- I I
са кристаллизации в расплав добавляют так называемые
минерализаторы (хромит, магнезит и др.). Изменяя хи- Я ;
мический состав сырьевой смеси, можно регулировать '
термостойкость, температурный коэффициент линейно^^И-:
расширения и другие свойства изделий.
Шлаки экономически выгодно использовать для нзго- j
товления литых изделий разнообразных видов. Произ- ' - !
водство при этом упрощается: расплавленный шлак по- I
ступает непосредственно из металлургических печей в Я |
обогреваемый миксер, куда могут вводиться специальные jp 1
добавки для улучшения свойств шлакового лтья. При »
температуре плавления массы 1350—1450 °C происходит
химическое взаимодействие компонентов шихты: образу-J
ются силикаты и алюмосиликаты кальция, магния и же- J ;
леза. Изделия изготовляют из расплава' центрифугирова- ’1л
нием, отливкой в кассетных формах, а также прокатом на -Я
специальных станах или штампованием. Затем изделия j|
проходят стадии кристаллизации и отжига. Их помещают Я]
в печь для отжига, где выдерживают при температуре < .
900—1000 °C в течение определенного времени, чтобы
получить кристаллическую структуру и снять внутрен- Ав 1
ние напряжения, возникшие при остывании отливки. 1
§ 8. СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАВЛЕНЫХ
КАМЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ
По своим техническим свойствам изделия из плавле- ~Г1
ных горных пород и шлаков не уступают природным ка- S
менным материалам.
Плавленые изделия отличаются большой плотностью *
(2900—3000 кг/м3). Вследствие малой пористости (не 3
более 1—2 /0) и ее замкнутого характера плавленые из-
делия почти не поглощают воду, поэтому они морозостой-.
ки, хорошо сопротивляются коррозии, в том числе дей- d'
ствию концентрированных серной и соляной кислот. Вы- 1
сомя долговечность сочетается с большой прочностью. J .
Предел прочности при сжатии составляет 200—240МПа, I
ИРсткпаИбе 40~50 МПа’ Прн Растяж*нии 20—30 МПа. J i
Истираемость каменного литья составляет 0,7 г/см2, т. е. Н
в 2-5 раз меньше, чем гранита, базальта, диабаза. 11
f Плавленые каменные изделия обладают хорошими
диэлектрическими свойствами и отличаются высокой
термостойкостью, их можно армировать и сваривать.
Плавленые каменные изделия применяют для конст-
рукций, испытывающих многократное замораживание и
оттаивание, интенсивное истирание, воздействие агрес-
сивных химических веществ. Поэтому основными вида-
ми изделий, выпускаемых камнелитейными заводами,
являются брусчатка для мощения дорог, облицовочные
плитки для предприятий химической промышленности,
мелющие тела для мельниц, трубы. Трубы из каменного
литья диаметром 200—1200 мм, длиной до 2 м, отли-
ваемые в формах или получаемые центробежным спосо-
бом, заменяют металлические трубы. Диэлектричес-
кие свойства каменного литья нужны в электроизоля-
торах.
Плавленые каменные изделия светлых тонов исполь-
зуют как облицовки фасадов зданий и сооружений (плит-
ки, пояски, цоколи), в виде архитектурных и других де-
ГЛАВА 5. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ
ВЕЩЕСТВА
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Неорганическими вяжущими веществами называют
порошкообразные материалы, которые при смешивании
с водой образуют пластично-вязкое тесто, способное со
.временем самопроизвольно затвердевать в результате
физико-химических процессов. Переходя из тестообраз-
ного в камневидное состояние, вяжущее вещество скреп-
ляет между собой камни либо зерна песка, гравия, щеб-
ня. Это свойство вяжущих используют для изготовления
бетонов, силикатного кирпича, асбестоцементных и дру-
гих необожженных искусственных материалов, строите
ных растворов (кладочных, штукатурных и специаль-
НЫ Вяжущие вещества по составу делят на две большие
группы: 1) неорганические (известь, цемент, гипсовые вя-
жущие, жидкое стекло и др.), которые затворяют водой
(реже водными растворами солеи); 2) органические
(.битумы, дегти> животный клей, -полимеры), которые пе. ’
реводят в рабочее состояние нагреванием, расплавлением I
или растворением в органических жидкостях. .. . Я
Неорганические вяжущие вещества включают воздущ/
ные. гидравлические и вяжущие автоклавного твердения; 1
Воздушные вяжущие способны затвердевать и дли-
тельное время сохранять прочность только на воздухе.
По химическому составу они делятся на четыре группы: £
1) известковые вяжущие, состоящие, главным образом^
из оксида кальция СаО; 2) магнезиальные вяжущие, со*. .5
держащие каустический магнезит MgO; 3) гипсовые вя-
жущие, основой которых является сульфат кальция- I
4) жидкое стекло — силикат натрия или калия (в виде
водного раствора).
Гидравлические вяжущие твердеют и длительное вре-;
мя сохраняют прочность (или даже повышают ее) не
только на воздухе, но и в воде. По своему химическому -I
составу гидравлические вяжущие представляют собой I
сложную систему, состоящую в основном из соединений'-
четырех оксидов: СаО —SiO2 —А!2О3 —Fe2O3. Эти сое- j
динения образуют три основные группы гидравлических I
вяжущих: 1) силикатные цементы, состоящие преимуще- I
ственно (на 75 %) из силикатов кальция; к ним относят- I
ся портландцемент и его разновидности — главные вяжу- 1
щие современного строительства; 2) алюминатные це- Д
менты, вяжущей основой которых являются алюминатыЦ
кальция; главным из них является глиноземистый це-
мент и его разновидности; 3) гидравлическая известь и I
романцемент.
Вяжущие автоклавного твердения — это вещества,
способные при актоклавном синтезе, происходящем в I
среде насыщенного водяного пара, затвердевать с обра- I
зованием прочного цементного камня. В эту группу вхо- ’
дят: известково-кремнеземистые, известково-зольные, 1
известково-шлаковые вяжущие, нефелиновый цемент
§ 2. ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА СИСТЕМЫ
СаО-SiO2- AI2O3—Fe2O3
К вяжущим данной системы принадлежат воздушная
и гидравлическая известь, романцемент, портландцемент
и его разновидности. Химико-минеральный состав и свой-
ства указанных вяжущих зависят от гидравлического мо-
дуля и температуры обжига сырья. Гидравлический мо-
дуль m выражает содержание основного оксида СаО по
отношению к суммарному количеству кислотных окси-
8Ю2 + А12О3 + Fe2O3 ’
Для каждого вяжущего вещества характерен свой
гидравлический Модуль. Поскольку воздушная известь
изготовляется из известняков лишь с небольшой приме-
сью глинистого вещества, у нее самый большой гидрав-
лический модуль (более 9). Воздушная известь не обла-
дает гидравлическими свойствами, ее прочность на сжа-
тие после 28 сут твердения невелика — около 0,4 МПа;
tn. гидравлической извести составляет 1,7—9; романце-
мента m <1,7. Портландцемент, получаемый из тщатель-
но составленной искусственной смеси известнякового и
глинистого компонента, характеризуется гидравлическим
модулем (1,9—2,4) примерно таким же, как у романце-
мента. Однако показатели прочности портландцемента во
много раз превосходят прочность романцемента. Объяс-
няется это тем, что при получении романцемента (и гид-
равлической извести) сырье обжигают не до спекания
(при температуре около 1000°C), и в этих условиях об-
разуются низкоосновные силикаты и алюминаты кальция,
обладающие в гидратированном виде невысокой прочно-
стью. В технологии портландцемента обжиг сырьевой
смеси доводится до частичного плавления при темпера-
туре около 1450 °C и только при наличии жидкой фазы
(расплава) происходит синтез трехкальциевого силика-
та обусловливающего высокие показатели прочности и
гидравлические свойства. Усиление гидравлических
свойств при переходе от воздушной к гидравлической из-
вести и романцементу вследствие уменьшения гидравли-
ческого модуля с 9 до 2 при одинаковой температуре
обжига 1000°С видно из рис. 5.1. В точке.3 кривой Z-4
количественное изменение температуры обжига сырья (с
1000 до 1450 °C) привело к скачкообразному увеличению
прочности и появлению качественно нового вяжущего
портландцемента.
§ 3. ВОЗДУШНАЯ ИЗВЕСТЬ
1. Получение и гашение
Известь (как и гипс) —
древнейшее вяжущее вещество.
Ее применяли за несколько ты-
сяч лет до нашей эры. Воздуш-
ная известь — продукт умерен-
ного обжига кальцнево-магние-
вых карбонатных горных пород:
мела, известняка, доломитизи-
рованного известняка, доломи-
та с содержанием глины не
более 6 %. Известняк состоит в
^«овном из карбоната кальция
п<> более ХГиХИЗВеСТ"ЯК "Р“ 900-1200 °C до возмож-
=СаО+СО° Удале™» СО2 по реакции СаСОа= '
„а[’и₽„0|?у„кт °^Ж"Га содеРЖ||т. кР<>«е СаО (главной со/'
магния пбпГ'1' также " "еко1°рое количество оксида
ммЛ В РезУльтате Термической дис-
социаци» содержащегося в известняке MgC03=MgO+.
котапыГ?«« обжига1от чаще всего в шахтных печах, в
8-20 Д- пл поступает в виде кусков размером
0 см, обжиг мелких кусков известняка может произ-
водиться во вращающихся печах. Применяют тепловые
установки для обжига известняка «в кипящем слое» Тег.
мическая диссоциация СаСО3 начинается при 900’С »
^поДС,>‘?пп?£0ПЗВ0ДСТВе темПеРатУРа обжига составляет
1100—1200 С в зависимости от плотности известняка и
Наиболее распространенные шахтные печи (рис 5 21
состоят из шахты, загрузочного и выгрузочного устройст-
ва, воздухопроводящей и газоотводящей аппаратуры
Известняк в шахтную печь загружают сверху, материал
по мере выгрузки извести опускается вниз, а навстречу
обжигаемому материалу просачиваются горячие дымо-
вые газы.
В печи одновременно происходит подогрев, подсуши-
вание загружаемого сверху известняка, его обжиг (де-
карбонизация) и охлаждение (см. рис. 5.2). В пересып-
ных печах топливо (кокс, антрацит и т. п.) загружают
слоями вперемежку с кусками известняка, поэтому к по-
лучающейся Извести примешивается зола. В печах, ра-
ботающих на газовом топливе (газовые), получают
«чистую» известь, к тому же они экономят ценное топ-
ливо (кокс и др.).
Процесс декарбонизации эндотермический, т. е. со-
провождается поглощением теплоты: для разложения
1 г-моля CaGO3 требуется затратить примерно 190 кДйс.
Движение воздуха и газов в шахтных печах обеспечива-
ется вентиляторами, нагнетающими в печь воздух и от-
сасывающими из нее дымовые газы. Противоточное дви-
жение обжигаемого известняка и горячих газов дает воз-
можность хорошо использовать теплоту отходящих газов
для подогрева движущегося вниз сырья, а теплоту обож-
экейного материала — на подогрев воздуха, поступающе-
го в зону обжига. Поэтому расход топлива в шахтных
печах сравнительно невысок —13—16 % массы обожжен-
ной извести, или 3800—4700 кДж на 1 кг СаО.
При обжиге известняка удаляется углекислый газ,-
составляющий 44 % массы СаСО3, поэтому комовая не-
гашеная известь получается в виде пористых кусков, ак-
тивно взаимодействующих с водой.
Гашение воздушной извести заключается в гидрата-
ции оксида кальция при действии воды
СаО-hН2О = Са (ОН)2 + 65,5 кДж.
1 г-моль СаО выделяет 65,5 кДж теплоты, а 1 кг из-
вести-кипелки — 1160 кДж. Гашение сопровождается ра-
аогревом массы вследствие выделения значительного- ко- Л
личества теплоты.
Стехиометрически для полного гашения СаО требует^ 1
ся 32,1 % воды (по массе), практически в зависимости
от способа гашения берут воды в 2—3 раза больше, так
как часть воды теряется в виде пара.
Известь гасят на специализированных растворных за-
ное гашение ускоряет процесс, повышает качествоР изве- .1
сткового теста. На небольших стройках известь сначала
гасят в творилах и известковое тесто через сетку слива-
ют в известегасильную яму, в которой завершается га- |
шение. Известковое тесто выдерживают в известегасиль-
ной яме не менее двух недель. Нельзя применять Я
известковое тесто, в котором осталась непогасившаяся
известь, так как ее гашение в штукатурке и кладке вы-
зовет растрескивание затвердевшего известкового рас- я
твора.
В зависимости от количества воды, добавляемой к ч
комовой извести, можно получить известковое тесто или fl
гидратную известь (пушонку) в виде порошка.
Гашение извести в пушонку осуществляют в гидрате-
рах непрерывного действия, в которых выделяющаяся 1
теплота и водяные пары используются для превращения 1
комовой извести в тончайший рыхлый порошок насыпной fl
плотностью 400—450 кг/м3. При гашении в пушонку из- I
весть увеличивается в объеме в 2—3,5 раза; в большей j
степени «распушивается» высокоактивная известь с вы-
соким содержанием СаО.
В процессе гашения куски негашеной извести само- fl
произвольно диспергируются, распадаясь на тонкие час- я
типы Са(ОН)2 размером в несколько микронов (тоньше, I
чем у цемента). Воздушная известь'отличается от других я
вяжущих веществ тем, что превращается в тонкий поро-
шок при помоле, а также путем гашения водой. Громад- I
ная удельная поверхность частиц Са(ОН)2 обусловлива- я
ет большую водоудерживающую способность и пластич- я
ность известкового теста. После отстаивания известно- I
вое тесто содержит около 50 % твердых частиц Са (ОН)? 1
и 50 % воды. Каждая частица окружена тонким слоем
адсорбированной воды, играющей роль своеобразной гид- |
родинамической смазки. Высокая пластичность известно- Л
вого теста в смеси с песком — это свойство, которое так
ценится при изготовлении строительных растворов.
Чем выше содержание основных оксидов (CaO+MgO)
в извести, тем пластичнее известковое тесто и тем выше
ее сорт. Содержание непогасившихся частиц, к которым
относятся частицы недожога и пережога, снижает каче-
сырья-известняка, которые отощают известковое тесто,
ухудшают его пластичность и пескоемкость. Пережог
представляет собой остеклованный трудногасящийся ок-
сид кальция, уплотненный при высокой температуре. Ча-
стицы пережога гйдратируются очень медленно с увели-
чением своего объема, что может вызвать растрескива-
ние штукатурки или известковых изделий.
2. Твердение гашеной извести
Известь применяется в виде строительных растворов,
т. е. в смеси с песком и другими заполнителями. На воз-
духе известковый раствор постепенно отвердевает под
влиянием двух одновременно протекающих процессов:
а) высыхания раствора, сближения кристаллов Са(ОН)2
и их срастания; б) карбонизации извести под действием
держится в воздухе: Са(ОН)2+СО2=СаСО3-|-Н2О.
Образующийся карбонат кальция срастается с крис-
таллами Са(ОН)2 и упрочняет известковый раствор.
При карбонизации выделяется вода, поэтому штукатур-
ку и стены, в которых применены известковые растворы,
подвергают сушке. Известковые растворы твердеют мед-
ленно, сушка ускоряет процесс их твердения. Для ускоре-
ния твердения к извести добавляют цемент и гипс. Це-
водостойкость известковых растворов.
3. Молотая негашеная известь
Молотую негашеную известь получают путем тонкого
размола комовой извести без предварительного гашения.
Строительные растворы и бетоны, приготовленные на
отвердевают вследствие гидратационного твердения нега-
шеной извести. При правильно подобранном водоизвест-
ковом отношении (0,9—1,5) кристаллы гидроксида каль-
ция получившиеся при гидратации оксида кальция непо-
средственно в растворе СаО>Н2О, срастаются между
• собой и быстро образуют прочный кристаллический срос- I
ток. Саморазогреванне материалов (раствора или бето-
на), со своей стороны, способствует ускорению твердения'З
и росту прочности раствора, что особенно важно при зим- I
них работах (каменной кладке, штукатурке и др.). □
Во избежание чрезмерного разогрева нужно позабо- 1
титься об отводе излишней экзотермической теплоты, при
этом трещин от гашения извести не образуется, а воздуш-
ная известь ведет себя как быстросхватывающееся и бы-
стротвердеющее вяжущее вещество.
В молотую негашеную известь и гидратную известив
(пушонку) разрешается вводить тонкомолотые минераль-
ные добавки: доменные и топливные шлаки, золы, извест- 1
няк. Продукт совместного помола негашеной извести |
и карбонатной породы называют карбонатной известью.
Молотую негашеную известь обычно используют сразу ;
после помола, так как вследствие поглощения влаги из
воздуха она теряет свои вяжущие свойства.
4. Виды и применение воздушной извести
В зависимости от содержания оксида магния воздуш-
ная известь разделяется на кальциевую (MgO^5%),
магнезиальную (MgO=5—20%) и высокомагнезиаль-
ную, или доломитовую (MgO=20—40 %). Наиболее важ-
ные показатели качества извести: активность — процент-
ное содержание оксидов, способных гаситься; количествах
непогасившихся зерен (недожог и пережог); время га-
В зависимости от времени гашения извести всех сор-
тов различают: быстрогасящуюся известь с временем га-
шения до 8 мин, среднегасящуюся — время гашения не
превышает 25 мин и медленно гасящуюся . с временем
гашения более 25 мин.
Строительные растворы на воздушной извести имеют
невысокую прочность. Так, известковые растворы через
28 сут воздушного твердения имеют прочность прижа-
тии: на гашеной извести 0,4—1 МПа, на молотой нега-
шеной извести до 5 МПа. Поэтому сорт воздушной изве-
сти устанавливают не по прочности, а по характеристикам
ее состава (табл. 5.1). Чем меньше глинистых и дру-
гих примесей в исходном известняке, тем выше актив-
ность извести, быстрее происходит ее гашение и больше
выход известкового теста.
Показатели Сорт
первый второй трети. ।
лее, % 90 80 70
Большое количество извести идет на изготовление си-
ликатного кирпича и силикатных бетонов: ячеистых, лег-
ких, тяжелых, а также используется в смешанных вя-
жущих.
5. Известково-шлаковые
и известково-пуццолановые вяжущие
Получение известково-шлаковых вяжущих основано
на способности тонкоизмельченных гранулированных до-
менных шлаков твердеть при добавке извести. Обычно
шлак размалывают совместно с воздушной известью, со-
держание которой в вяжущем составляет 20—30 %. При
помоле добавляют до 3—5 % гипса для улучшения про-
цессов твердения. Известь, реагируя с алюминатами и
новных гидроалюминатов и гидросиликатов кальция.
Добавляемый гипс реагирует в водном растворе с алю-
минатами кальция, образуя гидросульфоалюминат каль-
ция. В результате этих процессов возрастает прочность
вяжущего.
Известково-шлаковые вяжущие схватываются и твер-
деют медленно, но при тепловлажностнои . обработке
твердение ускоряется. Они стойки в пресной воде, но
имеют невысокую морозостойкость. Известково-шлако-
вые вяжущие применяют в бетонах невысоких марок и в
строительных растворах. ’ Т/*
Известково-пуццолановые вяжущие изготовляют пу-
тем совместного помола трепела, диатомита и других
активных минеральных добавок с известью. При тверде
НИН смешанного вяжущего во влажных условиях образу
ются низкоосновные гидросилнкаты кальция. На воздухе I
в сухих условиях гидросилнкаты способны дегидратиро- 1
ваться, при этом прочность изделия может сильно сни- I
жаться. Прочность этих вяжущих невысока, и они при- ]
меняются там же, где и известково-шлаковые вяжущие. |
6. Безотходное производство
воздушной извести
В ЧССР освоено производство комовой и порошкооб- I
разной извести, обеспечивающее полное использование
карбонатного сырья (автор системы — НИИстроймате- j
риалов, г. Брно).
Производство порошкообразной негашеной извести " |
осуществляется в кооперации с обычным производством I
негашеной извести в шахтных печах (на данном пред- |
приятии две печи, работающие на коксе по пересыпному 1
способу). Шахтные печи используют дробленый извести
няк местного карьера с размером кусков 7—18 см. Бо- I
лее мелкие куски известняка (менее 7 см) подвергаются I
дальнейшему измельчению в молотковой дробилке, а за- • |
тем путем воздушной сепарации продукт разделяется на
две фракции: более грубая фракция (0,2—2,5 мм) пере- I
рабатывается на известь, а тонкая (менее 0,2 мм) ис- 'fl-
пользуется для известкования кислых почв. При воздуш-
ной сепарации из тонкой фракции удаляются глинисты^^И
-вещества и периклаз, т. е. происходит обогащение окси- > i
дом кальция известняка, идущего на обжиг. В результа- 1
те порошкообразная негашеная известь имеет высокую
активность.
Производство негашеной извести включает: предвари- |i
тельный прогрев порошка известняка до 700—800°C
газами, отходящими из вращающейся печи; обжиг подо- 5
гретого порошка в короткой вращающейся печи; охлаж- |
дение по выходе из печи в слоевом холодильнике. Не-
смотря на высокий расход теплоты, производство себя
оправдывает из-за комплексного полного использования Л
§ 4. ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ИЗВЕСТЬ И РОМАНЦЕМЕНТ
Гидравлическая известь. Такую известь получают об-
жигом в шахтных печах не до спекания (900—1100 °C)
мергелистых известняков с содержанием глины 6—20 %.
Полученную известь размалывают и применяют в виде
порошка либо гасят в пушонку. В процессе обжига мер-
гелистых известняков после разложения карбоната
кальция (900 °C) часть СаО остается в свободном состо-
янии, а часть соединяется с оксидами SiO2, А12О3 и
Бе20з, входящими в состав глинистых минералов. При
этом образуются низкоосновные силикаты 2CaO SiO2,
алюминаты СаОА12О3 и ферриты кальция CaO-Fe2O3,
которые и придают извести гидравлические свойства.
Гидравлическая известь начинает твердеть на возду-
хе (в первые 7 сут) и продолжает твердеть и увеличи-
вать свою прочность в воде. Предел прочности при сжа-
тии после 28 сут комбинированного хранения образцов
из раствора 1 : 3 по массе (7 сут во влажном воздухе и1
21 сут в воде): а) слабогидравлической извести не менее
1,7 МПа; б) сильногидравлической извести не ниже
5 МПа. Гидравлическая известь твердеет медленно: на-
чало схватывания 0,5—2 ч; конец 8—16 ч.
Растворы и бетоны на гидравлической извести обла-
дают удовлетворительной долговечностью в сухих и
влажных условиях, поэтому ее применяют для изготов-
ления кладочных и штукатурных растворов и бетонов
невысоких марок и бетонных камней. Ее хранят в закры-
тых помещениях, при перевозке предохраняют от увлаж-
нения.
Романцемент —гидравлическое вяжущее вещество,
получаемое тонким помолом обожженных не до спекания
(900 °C) известняковых и магнезиальных мергелей, со-
держащих 25 % и более глины. Образующиеся при об-
жиге низкоосновные силикаты и алюминаты кальция
придают романцементу гидравлические свойства.
В романцементе нормального обжига нет свободной
извести или она содержится в небольшом количестве
(2—3%). Романцемент измельчают (после обжига) в
шаровых мельницах, нередко совместно с гипсом (3—
5 %) и активными минеральными добавками (10—15 %).
Схватывание и твердение романцемента обусловлено
гидратацией силикатов и алюминатов, образовавшихся
при его обжиге. . о с. к „
Романцемент выпускают трех марок (МПа). 2,5, 5 и
10- он должен выдерживать испытание на равномерность
изменения объема. Применяется цля изготовления строи-
тельных растворов, бетонов, бетонных камней. Гидрав-
лическая известь и романцемент ранее широко применя-
ла
лись. Однако теперь эти материалы постепенно уступил»
свое место более совершенным гидравлическим вяжущим I
веществам и прежде всего портландцементу. Однако-
применяя эти вяжущие вещества для-изготовления стро-
ительных растворов, стеновых камней и бетонов невысо-
ких марок, можно сэкономить энергоемкий и дорогой
портландцемент.
§ 5. ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ
1. Общая характеристика портландцемента
Портландцементом называют гидравлическое вяжу- J
щее вещество, в составе которого преобладают силика-
ты кальция (70—80 %). Портландцемент — продукт тон-
кого измельчения клинкера с добавкой (3—5 %) гипса.
Клинкер представляет собой зернистый материал (в ви-
де горошка), полученный обжигом до спекания (при
1450 °C) сырьевой смеси, состоящей в основном из кар-
боната кальция (различных видов известняков) и алю- I
мосиликатов (глин, мергеля, доменного шлака и др.). I
Небольшая добавка гипса регулирует сроки схватыва- Л
ння портландцемента. Допускается применение фосфо-
гипса и борогипса.
Для производства портландцемента имеются неогра-
ничейные сырьевые ресурсы — побочные продукты про-, л!
мышленности (шлаки, золы, шламы) и распространенные
карбонатные и глинистые горные породы. Автомата-
зация производственных процессов и переход к произ- Д
водству цемента на заводах-автоматах значительно 1
снижают потребление энергии и трудоемкость, позволя- J
ют значительно увеличить выпуск цемента в соответствии
с широким масштабом строительства в нашей стране. •
Изобретение портландцемента (1824 г.) связано с Д
именами Егора Герасимовича Челиева — начальника1
мастерских военно-рабочей бригады в Москве и Джозе- I
фа Аспдина — каменщика из английского города Лидса. 2
2. Клинкер
Качество клинкера определяет все свойства портланд-
цемента; добавки же, вводимые в цемент, лишь регули-
рует его свойства. Качество клинкера зависит от его хи-
мического и минерального состава, тщательности подго-
товки сырьевой массы, условий проведения ее обжига й
режима охлаждения. Клинкер обычно получают в виде
спекшихся гранул размером 10—40 мм, имеющих слож-
ную микроструктуру, так как клинкер включает ряд кри-
сталлических фаз и некоторое количество стекловидной
Химический состав клинкера определяется содержа-
нием оксидов (% по массе), причем главных из них:
СаО 63-66, SiO2 21-24, А12О3 4-8, Fe2O3 2-4; их сум-
марное количество составляет 95—97 %. В небольших
количествах в виде различных соединений могут входить
MgO, SO3, Na2O и КгО, а также TiO2, Сг2О3, Р2О5. В про-
цессе обжига, доводимого до спекания, главные оксиды
образуют силикаты, алюминаты, алюмоферрит кальция
в виде минералов кристаллической структуры, а некото-
рые из них входят в стекловидную фазу.
Минеральный состав клинкера. Основные минераль
клинекера: алит, белит, трехкальциевый алюминат i
алюмоферрит кальция.
Алит 3CaO«SiO2 (или C3S*) — самый важный мине
рал клинкера, определяющий быстроту твердения, проч
ность и другие свойства портландцемента; содержится i
клинкере в количестве 45—60 %. Алит представляет со
бой твердый раствор трехкальциевого силиката и неболь
шого количества (2—4 %) MgO, А12О3, Р2О5, Cr2O3 i
других примесей, которые могут существенно влиять на
структуру и свойства. Согласно Регур и Гинье, в интер
вале между нормальной температурой и 1100 °C трех
кальциевый силикат кристаллизуется в шести поли
морфных формах. Алит в клинкере фиксируется в виде
тригональной модификации. На микрофотографии (рис
5.3) кристаллы алита имеют обычно шестиугольную или
прямоугольную форму. Предпочтительнее правильно
сформировавшиеся кристаллы вытянутой формы разме
ром 3—20 мкм, благоприятствующие повышению марки
ЦеМБелмт 2CaO-SiO2 (или C2S) — второй по важности я
содержанию (20—30 %) силикатный минерал клинкера
Он медленно твердеет, но достигает высокой прочности
; написания химических формул: СаО-С
ет пять кристаллических^
форм двухкальциевого сили-
ката. Белит в клинкере пр'йд» м|
ставляет собой твердый рас-
твор 0-двухкальциевого си-
ликата (0-C2S) и небольшого I
количества (1—3%) Д12О,
Fe2Os, MgO, Cr2O3. '
Горячий клинкер, вышед-
ший из печи, постепенно’ рх-
I лаждается; при температуре i
ниже 525 °C p-C2S может пе-
рейти в y-C2S и этот переход а
сопровождается увеличением I
базального расстояния, т. е. «разрыхлением» молекуляв- I
нои структуры белита. Действительно, плотность B-C2S |
равна 3,28 г/см3, а плотность Y-C2S — 2,97 г/см3, поэтому I
полиморфный переход вызывает приращение абсолютно- I
го объема белита примерно на 10 %, в результате грану-
лы клинкера рассыпаются в порошок.
Казалось бы, самопроизвольная днспергация облег- |
чает измельчение клинкера, однако порошок y-C2S при
температуре до 100”С практически не взаимодействует с I
водой, т. е. не обладает вяжущими свойствами. Следова- .1
тельно, необходимо воспрепятствовать переходу белита 1
® т рМу', ?|Тл"Л1?3^',И ="<>™бству,от некоторые й
"Р " ' (А1:Оз. Fe2O3. MgO, Сг2О3), внедряющиеся в Я
кристаллическую решетку в количестве 1—3 %, а также
быстрое охлаждение клинкера в холодильных устройст- 1
вах, располагаемых при выходе клинкера из печи. Регу- I
™Р>'Я.скорость охлаждения, получают клинкер, содер- '1
жащии белит в виде округлых плотных кристаллов (см '
рис. 5.3) размером 20—50 мкм. 1 1
. С°"р'кание м1,неРалов-снлякатов в клинкере порт- |
ландцемента в сумме составляет около 75 % поэтому
гидратация алита к белита в основном onpeje яе? технн
веские свойства портландцемента. Остальные 25 % со-
между кХОтМяеЖУТ°ЧНОе вещество' заполняющее объем ,
между кристаллами алита и белита (см оис 5 31
ХнХо Н°»л “ешест“° Л"0'" 113 кристаллов Tpei
САЕгтеьча люм,1ната СзА, алюмоферрпта кальция ,
н дрР’ “торостепенных минералов 12СаО 7А12Оз j
158 Т-еХКа41,Циее"““ алюми«" СзА содержится в клинке- 1
ре в количестве 4—12 % и при благоприятных условиях
обжига получается в виде кубических кристаллов разме-
ром до 10—15 мкм; образует твердые растворы сложно-
го состава. Плотность С3А 3,04 г/см3, он очень быстро
гидратируется и твердеет, но имеет небольшую проч-
ность. Является причиной сульфатной коррозии бетона
поэтому в сульфатостойком портландцементе содержание
С3А ограничено 5 %.
Четырехкальциевый алюмоферрит C.AF в клинкере
содержится в количестве 10—20 %. Алюмоферритная фа-
за промежуточного вещества клинкера представляет
собой твердый раствор алюмоферрнтов кальция разного
состава, в клинкерах обычных портландцементов ее со-
став близок к 4СаО-А|2Оз-Ее2Оз. Плотность C,AF
3,77 г/см3. По скорости гидратации минерал занимает
как бы промежуточное положение между алитом и бели-
том, поэтому он не оказывает определяющего влияния
на скорость твердения и тепловыделение при гидрата-
ции портландцемента.
Клинкерное стекло присутствует в промежуточном
веществе в количестве 5—15 %. Оно состоит в основном
из СаО, А12О3, Fe2O3, MgO, KaO, Na2O.
Оксид магния входит в состав алюмоферритной фа-
зы и клинкерного стекла, а также присутствует в сво-
бодном состоянии в виде кристаллов медленно гидрати-
рующего минерала периклаза. Гидратация MgO длится
долго, возможно, несколько лет, и переход в Mg(OH)2
сопровождается увеличением объема твердой фазы в
уже затвердевшем цементном камне. При содержании
MgO более 5 % это явление может явиться причиной не-
равномерного изменения объема цемента при твердении
и растрескивания бетона.
Свободный оксид кальция СаОСВоб находится в све-
жеобожженном клинкере в виде зерен; его содержание
в цементе не должно превосходить 1 %. При более вы-
соком содержании СаОСВоб может проявиться нерав-
номерное изменение объема цемента при твердении,
связанное с переходом СаО в Са(ОН)2 и увеличением
объема.
Щелочи (Na2O, К2О) входят в алюмоферритную фа-
зу клинкера, а также присутствуют в цементе в виде
сульфатов. Содержание щелочей в портландцементе
ограничивается в случае применения заполнителя (пес-
ка, гравия), содержащего реакционноспособные опало-
из-за опас„ости | (
3. Принципы получения клинкера
кальция (мела, плотного известняка^еТел ?арбоната
глинистые породы (глины гь„„, Ка' меРгелеи и др.) н
шие SiO2, А|2О3 и Ре2Оз В сг)еднеТм1е|1я',Г'иЫ)' содеРжа’
’"“д*г“=л=5
ma^₽ao/“^ ' I
“а ' добавляя ° сырьевую смесь трепел, опоку. Добав- j
Fe2O3 к0лчеданнь,х огарков увеличивает содержание.'^ |
Для производства портландцемента все шире исполь-1'1
зуют побочные продукты промышленности. АН
На Седьмом Международном конгрессе по химии це-
мента (Париж, 1980 г.) ученые многих стран отмечали I i
целесообразность широкого использования промышлен- hl
ных отходов (металлургических и топливных шлаков, |
зол ТЭС). Весьма ценным сырьем являются доменные ЬГ
шлдки, содержащие необходимые для получения клинке- В
ра составные части (СаО, SiO2, А12О3, Fe2O3). Нефели-
новый шлам, получающийся при производстве глинозё?
ма, содержит 25—30 % SiO2 и 50—55 % СаО; достаточ- А
но к нему добавить 15—20 P/о известняка, чтобы получить 1
сырьевую смесь. Использование нефелинового шлама
повышает производительность печей примерно дна 20 % 1
и снижает расход топлива на 20—25 %.
Основной и наиболее эффективный вид топлива— А
природный газ-, он отличается высокой удельной тепло- I
той сгорания. Сокращается применение мазута л твердо-
го топлива, приготовляемого в специальных установках й
для сушки и помола угля (антрацита, каменного угля).
Удельная теплота сгорания твердого топлива ниже газо-
образного; углевоздушные смеси подвержены взрывам; |
зольность углей 10—20 %; зола, попадая в обжигаемую |
сырьевую смесь, искажает расчетный минеральный со-
6-265 161
став клинкера. Стоимость топлива составляет до 26 %
себестоимости готового цемента, поэтому па цементных
заводах много внимания уделяется его экономии.
Подготовка сырья. Производство портландцемента— I
сложный технологический и энергоемкий процесс, вклю-
чающий: а) добычу в карьере и доставку на завод сырь-
евых материалов, известняка и глины; б) приготовление 3
сырьевой смеси; в) обжиг сырьевой смеси до спекания—-2
получение клинкера; г) помол клинкера с добавкой гип-
са—получение портландцемента; д) магазинирование.^з|
готового продукта. Обеспечению заданного состава и ка-
чества клинкера подчинены все технологические опера- J
Приготовление сырьевой смеси состоит в тонком из-
мельчении и смешении взятых в установленном соотно-.Л
шении компонентов, что обеспечивает полноту прохож-
дения химических реакций между ними и однородность
клинкера. Сырьевую смесь приготовляют сухим, мокрыМ‘>5
и комбинированным способами.
. Сухой способ заключается в измельчении и тесном
смешении сухих (или предварительно высушенных) -ч
сырьевых материалов, поэтому сырьевая смесь получа-
ется в виде минерального порошка, называемого сырье- I
вой мукой. Тонкое совместное измельчение известняка и J
глины осуществляют в мельницах, в которых совмеща-
ются помол и сушка сырьевых материалов до остаточ-
ной влажности 1—2 %. Совмещение сушки с дроблениеИ
ем и тонким измельчением осуществляют подсушиваниеIВ
ем сырья в дробилках и сушкой сырья в мельницах Я
тонкого измельчения. Сушку производят отходящими; д
газами печей, при этом в мельнице можно перерабаты-
вать сырье с влажностью до 5 %, а при использовании. 1
топки до 15 %. В последние годы в цементной промыш- I
ленности используют мощные валковые мельницы-су-.'J
шилки и мельницы самоизмельчения «Аэрофол».
На крупных предприятиях сырьевые мельницы рабо-
тают по замкнутому циклу (рис. 5.4): установка произ-
водительностью до 100 т/ч включает сепараторы, отделя-
ющие крупную фракцию сырьевой муки и возвращающую
ее в мельницу для помола. Таким образом повышается 1
тонкость помола сырьевой смеси и качества обжигаема- J
го из нее клинкера. Сырьевую муку направляют в сило- I
сы, в них корректируют состав сырья и создают запаб, I
необходимый для бесперебойной работы печей. При су-
дом. способе производства затраты теплоты на обжиг
клинкера в 1,5—2 раза меньше, чем при мокром. Ввиду
технико-экономических преимуществ сухой способ про-
изводства цемента быстро развивается. Сухой способ
наиболее выгоден при использовании известняка и гли-
ны с невысокой влажностью (10—15 %), однородного
состава и физической структуры, когда можно получить
гомогенную сырьевую муку при сухом помоле.
.... Мокрый способ приготовления сырьевой смеси при-
меняют, если мягкое сырье имеет значительную влаж-
ность (мел, глины). Тонкое измельчение и смешение ис-
ходных материалов осуществляют в водной среде, поэто-
му сырьевая смесь получается в виде жидкотекучей
массы — шлама с большим содержанием воды (35—
45 %) • Используется способность мягких горных пород
(глины и мела) легко распадаться в воде на мелкие час-
тицы. Глину перерабатывают в водную суспензию в
глиноболтушках. Иногда гли-
ну перерабатывают в шлам
непосредственно в карьере и
далее полученный шлам над-
лежащего состава, перекачи-
вают на завод.
Второй компонент сырье-
вой смеси — известняк —по-
сле дробления направляется
на совместный помол с гли-
няным шламом в’ шаровую
мельницу через весовые до-
заторы непрерывного дейст-
вия с автоматическим управ-
лением. что позволяет выдерживать точное соотношенйц -И
между компонентами сырьевой смеси (рис. 5.5). Совмест- В
ное измельчение известняка, глины и корректирующий
добавок (например, пиритных огарков, содержащих *В
Fe2O3) обеспечивает тщательное смешение исходных маг
териалов и получение однородной сырьевой смеси. Помол
сырья производят до остатка на сите № 008 не более 8— В
10 %, следовательно, более 90 % частиц смеси имеет раз-
мер менее 80 мкм.
После мельниц известково-глиняный шлам передачи-
вают насосами в вертикальные и горизонтальные резер- г}
вуары (шлам-бассейны); в них корректируют и усредни- М
ют химический состав шлама. Состав сырьевой смеси
контролируют теперь с помощью автоматического рент- В
геноспектрометра, обеспечивающего ежечасное опреде- \
ление содержания СаО, SiO2, Fe2O3 и А12О3. По данным I
анализа электронно-вычислительная машина рассчиты-
вает дозировку сырьевых компонентов, исходя из полу- В
чения сырьевой смеси заданного состава, а также соот- В
ветствующий режим работы автоматических дозирующих
устройств, что позволяет отказаться от корректирования
при достаточном постоянстве состава смеси. Применение
разжижителей шлама (добавок СДБ и др.) позволяет В
снизить влажность шлама, но не устраняет основной не- • j|
достаток мокрого способа производства цемента — высо- ]^В
кую энергоемкость процесса получения клинкера.
Комбинированный способ дает возможность на 20—
30 % снизить расход топлива по сравнению с мокрым 1
способом. Сущность этого способа заключается в том, В
что приготовленный шлам до поступления в печь обезво- 1
живается на специальных установках. Однако при этом 1
возрастает расход электроэнергии, т. е. энергоемкость ']
производства в целом остается высокой.
Обжиг сырьевой смеси как при сухом, так и при мок- ’Я
ром способе производства осуществляется в основном во I
вращающихся печах. Шахтные печи применяют иногда
только при сухом способе. Вращающаяся печь представ- ]
ляет собой длинный, расположенный слегка наклонно _
цилиндр (барабан), сваренный из листовой стали с огне- В
Уг2рн^Лфутеровкой внутРИ (рис. 5.6). Длина печей 95— В
185—230 м, диаметр 5—7 м. В СССР стали применять .1
вращающиеся печи, работающие по сухому способу, раз- |
мерой 7x95 м, производительностью 3000 t/cvt при рас- J
ходе теплоты на обжиг 3400 кДж/кг. На предприятиях, I
работающих по мокрому способу производства, применя-
ют печи 7X230 м, производительностью 3000 т/сут при
расходе теплоты 5600 кДж/кг. Для улучшения теплооб-
мена внутри печей ближе к верхнему (холодному) концу
устраивают цепные завесы, устанавливают теплообмен-
ники различной конструкции.
Вращающиеся печи работают по принципу противото-
ка. Сырье в виде порошка (сухой способ) или шлама
(мокрый способ) подается автоматическим питателем в
печь со стороны ее верхнего (холодного) конца, а со сто-
роны нижнего (горячего) конца вдувается топливо (при-
родный газ, мазут, воздушно-угольная смесь), сгорающее
в виде 20—30-метрового факела. Сырье занимает только
частьпоперечного сечения печи и при ее вращении со ско-
ростью 1—2 об/мин медленно движется к нижнему концу
навстречу горячим газам, проходя различные темпера-
турные зоны. Выдающийся советский ученый В. Н. Юнг,
разработавший основы теории обжига клинкера, услов-
но разделил вращающуюся печь на шесть температур-
ных зон в зависимости от характера протекающих в них
процессов. Рассмотрим эти процессы, начиная с поступ-
ления сырьевой смеси в печь, т. е. по направлению с
верхнего ее конца (холодного) к нижнему (горячему).
В зоне испарения происходит высушивание по-
ступившей сырьевой смеси при постепенном повышении
температуры с 70 до 200°C (а конце этой зоны), поэтому
первую зону называют еще зоной сушки. Подсушенный
материал комкуетси, при перекатывании комья распада-
ются на более мелкие гранулы.
В зоне подогрева, которая следует за зоной
сушки сырья, при постепенном нагревании сырья с 200 до
700 °C сгорают находящиеся в нем органические приме-
си из глиняных минералов удаляется кристаллохимиче-
ская вода (при 450-500°C) и образуется безводный као-
линит Al3O3.2SiO2. Подготовительные зоны (испарения
и подогрева) при мокром способе производства занима-
ют 50—60 % длины печи (считая от холодного конца);
при сухом же способе подготовка сырья сокращается за
счет зоны испарения.
В зоне декарбонизации (ее протяженность
20—23 % длины печи) температура обжигаемого мате
риала поднимается с 700 до 1100 С; здесь зав. р
процесс диссоциации карбонатных солей кальция и маг
«нем теплоты (1780 кДж на 1 кг СаСО > п погл°Ще-
требленпе теплоты в третьей зонеПОЭТОМУ по.
в этой же зоне происходит распад дегидмт "больи,ее.
глинистых минералов на оксиды 5Ю, А Г? Р пВан"Ых
рые вступают в химическое взХодейс™,?.: S0™'
Ьичи^^
печ^С^'17Ро7КЦ'‘" На ,сРавН||тельно коротком участке
боли., 5 7 ° ее длпны) сопровождаются выделением
большого количества теплоты (до 420 кДж на 1 кг клин
лаР(наИ150-200В“С)М П0ВЬ,шением температуры материа-
В зоне спекания (1300-1450-1300СС) темпера-
тура обжигаемого материала достигает наивысшего зна-
чения (1450 С), необходимого для частичного плавления
материала и образования главного минерала клинкера—
алита. В начале спекания, начиная с 1300°C, образуется
расплав в количестве 20—30 % объема обжигаемой мае- %
сы из относительно легкоплавких минералов ЗСаОА12О3,
4СаО-AI2O:,-Fe2O3, а также MgO и легкоплавких приме- ;,,
сей. При повышении температуры до 1450 °C в клинкер-
ной жидкости растворяются 2CaO-SiO2 и СаО и из них
в расплаве происходит образование алита 3CaO-SiO2,
проходящее почти до полного связывания оксида каль-
ция (в клинкере СаОсвое не более 0,5—1 %). В расплаве
сначала образуются тетраэдры SiO2~ , которые потом со-
единяются с ионами Са2+, образуя кристаллическую ре-
шетку трехкальциевого силиката. Алит плохо растворяет-
ся в расплаве и вследствие этого выделяется из него в ви-
де мелких кристаллов, что влечет дальнейшее растворе-
ние в расплаве 2CaO-SiO2 и СаО. Процесс образования
алита заканчивается за 15—20 мин пребывания матери-
ала в зоне спекания (ее протяженность 10—15% длины
лечи). Поскольку при вращении печи частично расплав-
ленный материал непрерывно перекатывается, мелкие
частички слипаются в гранулы. Понижение температуры
с 1450 до 1300°С вызывает кристаллизацию из расплава
166
J
ЗСаО-А12Оз, 4CaO-AI2O3-Fe2O3 и MgO (в виде пернкла-
за), которая заканчивается в зоне охлаждения, следую-
щей за спеканием.
В зоне охлаждения температура клинкера по-
нижается с 1300 до 1000°С; здесь полностью формиру-
ются его структура и состав, включающий алит C3S,
белит C2S, С3А, C4AF, MgO (периклаз), стекловидную
фазу и второстепенные составляющие.
Цементный клинкер выходит из вращающейся печи в
виде мелких камнеподобных зерен — гранул темно-серого
или зеленовато-серого цвета. По выходе из печи клинкер
интенсивно охлаждается с 1000 до 100—200 С в колосни-
ковых рекуператорных и других холодильниках возду-
хом, идущим навстречу клинкеру - или просасываемым
через слой горячего клинкера. После этого клинкер вы-
держивается на складе одну-две недели.
Сухой способ производства цемента в последние годы
значительно усовершенствован. Наиболее энергоем-
кий процесс —декарбонизация сырья — вынесен из вра-
167
щающейся печи в специальное устройство — .Л кпроонпс Ч
затор, в котором он протекает быстрее и с нспользованн- 1
ем теплоты отходящих газов (рис. 5.7).
Из расходных силосов сырьевая мука сначала посту; ,'П
пает в систему циклонных теплообменников, где, нахо-
дясь во взвешенном состоянии, нагревается движущими-
ся навстречу (снизу-вверх) отходящими газами и уже
горячей подается в декарбоннзатор. Непосредственно в
декарбонизаторе сжигают около 50 % топлива, что поз- - 1
воляет быстро и почти полностью (на 90%) завершить
разложение СаСО3. Остальная часть топлива сжигается,
как обычно, в горячем конце вращающейся печи, в кото-
рой получают клинкер из уже подготовленной к обжигу, j
т.е. декарбонизированной, сырьевой муки. Теплообмен-
ное устройство с декарбонизатором устанавливают около
Повсеместное распространение сухого способа произ- -i
водства с применением декарбонизатора обусловлено' Я
возможностью ускорить технологический процесс, повы-
сить суточную производительность технологических ли-
ний до 3000 т клинкера, использовать теплоту газов, от- si1
ходящих из печи и холодильника, и тем самым снизить
затраты топливно-энергетических ресурсов. При системе UB
декарбоннзатор — печь сокращается примерно вдвое
длина вращающейся печи, компоновка цементного заво- лМ
шается потребность в земельных площадях.
В СССР открыт новый способ производства портланд- ДВ
цемента — путем обжига клинкера в солевом растворе чИ
хлоридов. При этом способе основная реакционная среда
в печи (силикатный расплав) заменена солевым распла- "fl
вом на основе хлорида кальция. В солевом расплаве ус-- £
коряется растворение основных клинкерообразующих ок- X
сидов (СаО, SiOs, AI2O3, Fe2O3) и образование минера- "Ж
лов (алита, белита и др.) завершается при 1100—1150°С Л
вместо обычных 1400—1500°С, что существенно снижает
энергоемкость получения цементного клинкера. Получен-
ныи клинкер, наряду с алитом, содержит минерал, на- I
званный алинитом.
Ал и и ит — это высокооснбвный А|—С1— силикат каль- Я
ния, содержащий около 2,5 % хлорида. Клинкер, спите- I
зированный в солевом расплаве, размалывается в 3—4 Л
раза легче, чем обычный. Это позволяет снизить электро- Л
затраты на помол и увеличить производительность це- Л
ментных мельниц. При этом сокращается число помоль-
ных агрегатов. Алинитовый цемент быстрее гидратируется
в начальные сроки. Технология нового цемента осва-
ивается на цементных заводах. Сейчас глубоко изучают-
ся коррозионная стойкость бетона на этом цементе и по-
ведение стальной арматуры в бетоне с учетом наличия в
нем хлора. Все это позволит определить рациональные
области применения алинптового цемента.
Общий расход энергии на 1 т цемента 325—550 МДж,
причем минимальные энергетические затраты достигают-
ся при сухом способе с применением декарбонизатора:
на помол клинкера с добавками затрачивается 125—
180 МДж.
Помол клинкера в тонкий порошок производится
преимущественно в сепараторных установках, работаю-
щих по открытому или замкнутому циклу. Трубная мель-
ница представляет собой барабан, облицованный внутри
стальными броневыми плитами и разделенный дырчаты-
• ми перегородками на две — четыре камеры (рис, 5.8).
Крупнейшими помольными агрегатами являются мельни-
цы размером 3,95x11 м, производительностью 100 т/ч и
размером 4,6X16,4 м, производительностью 135 т/ч. Ма-
териал в трубных мельницах измельчается под действи-
ем загруженных в барабан мелющих тел — стальных ша-
ров (в камерах грубого помола) и цилиндров (в камерах
тонкого помола). При вращении мельницы мелющие тела
поднимаются на некоторую высоту и падают, дробя и ис-
тирая зерна материала.
При работе по открытому циклу мельница работает
«на проход», т. е. материал (клинкер и добавки) непре-
рывно поступает со стороны камер грубого помола че-
рез полую ось, а измельченный материал выходит из ка-
меры тонкого помола и далее транспортируется в сило-
сы. Замкнутый цикл помола включает помольный агре-
гат и центробежный сепаратор, отделяющий крупные
зерна, возвращаемые на домол (рис. 5.9), в результате
чего достигается высокая тонкость помола. Помольные
установки, работающие по замкнутому циклу, дают воз-
можность тонко измельчить клинкер (до удельной по-
верхности 4000-5000 смг/г) н регулировать в цементе
содержание частиц различного размера, что необходимо
для получения быстротвердеющего и других специальных
портландцементов. При помоле к клинкеру добавляют
гипс (так, чтобы общее содержание SO3 в цементе было
«9
иементо 3’5°/“) ДЛЯ замедлення схватывания портланд-
теМноТг°АвпЫпгпП„ОРТЛаНДЦеЫент--очень порошок
мельнивы пн ш» зеленовато-серого цвета; ио выходе Я
смеет высокую температуру (80- 120°С) и
направляется пневматическим транспортом для хранения
в силосы, которые обычно выполняют в виде железобе-
тонных банок диаметром 8-15 м и высото25-30 м.
Большие силосы вмещают 4000—10000 т немев
мент в силосах выдерживают до его охлаждения и га .
ни'я остатков свободного оксида кальция, которое проие-
холит под действием влаги воздуха. Из силосов цемент
погружают в автоцементовозы, в вагоны-цементовозы или
крытые железнодорожные вагоны. Часть цемента посту-
пает на отвешивающие и упаковывающие машины и по-
ставляется в мешках (по 50 кг цемента). Схемы произ-
водства портландцемента представлены на рис. 5.10 if,
5.11.
4. Теория твердения 1
Цементное тесто, приготовленное путем смешиванияЯ
цемента с водой, вначале (в течение 1—3 ч после затво-
рения) пластично и легко формуется. Потом_ наступает
схватывание, заканчивающееся обычно через 5—10 ч пос-
ле затворения; в период схватывания цементное тесто за-
густевает, утрачивая подвижность, но его механическая j
прочность еще невелика. Переход цементного теста в
твердое состояние означает конец схватывания и начало
твердения, которое характерно возрастанием прочности.
Твердение при благоприятных условиях длится годами —
вплоть до полной гидратации2 цемента.
Химические реакции. Сразу после затворения цемен-
та водой начинаются химические реакции. Уже в началь-.
ной стадии гидратации цемента происходит быстрое вза- I
имодействие алита с водой, сопровождающееся образо- I
ванием гидросиликата кальция и гидроксида:
2(3CaOSiO2) 4- 6Н2О = 3CaO-2SiO2-3H2O + ЗСа (ОН)2. J
После затворения гидроксид кальция образуется из J
алита, так как белит гидратируется медленнее алита и
при его взаимодействии с водой выделяется меньше 1
Са(ОН)2, что видно из уравнения реакции:
2 (2CaO-SiO2) 4- 4Н2О = 3CaO.2SiO2-3H2O 4- Са (ОН)2. . Я
Гидросиликат кальция 3CaO-2SiO2-3H2O образуется I
при полной гидратации чистого трехкальциевого силика-
та в равновесии с насыщенным раствором гидроксида
кальция. Молярное соотношение CaO/SiO2 в гидросйлй-
В целях развития теории твердения периодически проводятся
международные конгрессы по химии цемента. На Шестом Конгрессе,
проходившем в Москве в 1974 г., отмечался большой вклад совет-
ских ученых в науку о цементе.
* Термин «гидратация» объединяет процессы взаимодействия це-
мента с водой, происходящие при его схватывашш и твердеиии.
катах, образующихся в цементном тесте, может изме-
няться в зависимости от состава материала, условий
твердения и других обстоятельств. Поэтому применяется
термин С—S—Н для всех полукристаллических и аморф-
ных гидратов кальциевых силикатов, относимых к геле-
вой фазе.
Гидросиликаты кальция низкой основности, имеющие
состав (0,8—1,5) СаО-SiO2-(1—2,5) Н2О обозначаются
(поТейлору) формулой С—S—Н (I), гидросиликаты бо-
лее высокой основности (1,5—2) СаО SiO2-nH2O — фор-
мулой С—S—Н (II). Образование низкоосновных сили-
катов кальция повышает прочность цементного камня;
при возникновении высокоосновных гидросиликатов его
прочность меньше. При определенных условиях, напри-
мер при автоклавной обработке (в среде насыщенного
пара при давлении 0,8—1,3 МПа и температуре 175—
200°С), образуется тоберморит 5CaO-6SiO2 5H2O, ха-
рактеризующийся хорошо оформленными кристаллами,
которые упрочняют цементный камень.
Основной алюмосодержащей фазой в портландцемен-
те является трехкальциевый алюминат ЗСаО-А12О3. Он
представляет и самую активную фазу среди клинкерных
минералов. Немедленно после соприкосновения ЗСаО-
AI.Oj с водой на поверхности непрореагпровавших час-
тиц образуется рыхлый слой метастабильных (неустой-
чивых) гидратов 4СаОА12О3-19Н2О и 2СаО-А12О3-8Н2О
в виде тонких гексагональных пластинок, образующих по
терминологии Р. Кондо и М. Даймона «структуру кар-
точного домика». Рыхлая структура гидроалюминатов
ухудшает морозостойкость, а также стойкость против хи-
мической коррозии. Это одна из причин ограничения ко-
личества трехкальцневого алюмината в специальных
портландцементах, применяемых для морозостойких ое-
Т0НСтабильиая форма - шестиводный ^^“еской
чСаО. Al.Ch-бНгО кристаллизующийся в кубической
форме, образуй в результате быстро протекающей хи-
мической реакции:
ЗСаО-AlnOj + 6Н2О = ЗСпОА12О2-6Н2О.
доб^лЯя"о№шое^
5 % массы цемента). Сульфат кальция nrpaei в
чески активной составляющей цемента, реагирующей
трехкальциевым алюминатом при затворении цемента ’
водой и связывающей его в гидросульфоалюминат каЖ
ция (минерал эттрингит) в начале гидратации порт-
ландцемента.
3CaOAl2O34-3(CaSO4-2H2O) + 26Н2О = ЗСаО-А12О3-ЗСаОг 32Н2О. J
В насыщенном растворе Са(ОН)2 эттрингит сначалаПЯ
выделяется в коллоидном тонкодисперсном состоянии-,
осаждаясь на поверхности частиц ЗСаО АЬОз, замедля-
ет их гидратацию и продлевает схватывание цемента^
Кристаллизация Са(ОН)2 из пересыщенного раствора Л’
понижает концентрацию гидроксида кальция в растворе
и эттрингит уже образуется в виде длинных иглоподоб-
ных кристаллов. Кристаллы эттрингита и обусловливай^'
раннюю прочность затвердевшего цемента. Эттрингит,
содержащий 31—32 молекулы кристаллизационной воды,
занимает примерно вдвое больший объем по сравнению с -1
суммой объемов реагирующих веществ (С3А и сульфат Д
кальция). Заполняя поры цементного камня, эттрингит Я
при оптимальной дозировке гипса повышает его механи- 9
ческую прочность. Структура затвердевшего цемента J
улучшается еще и потому, что предотвращается образо- V
ванне в нем слабых мест в виде рыхлых гидроалюмина-
тов кальция. Эттрингит взаимодействует с ЗСаО-А12О3. 4
оставшимся после израсходования добавки гипса, с об- J
разованием моносульфата кальция
2 (ЗСаО-А!2О3) + ЗСаО-А12О3-3CaSO4-32Н2О 4-
4- 22Н2О = 3 (ЗСаО-AI2O3-CaSO4- 18Н2О).
В результате введения в портландцемент сульфата Я
кальция гидроалюминаты кальция заменяются гидро- 1
сульфоалюминатом.
Четырехкальциевый алюмоферрит при взаимодейст-
вии с водой расщепляется на гидроалюминат и гидро,-
феррит
4СаО- А12О3- Fe2O3 4- mH2O = ЗСаО- А12О3- 6Н2О 4- СаО- Fe2O3- лН2О.. 3
Гидроалюминат связывается добавкой гипса, как
гогел”0 ВЫШе’ а гидР°ФеРРит входит в состав цементно-
5 формирование структуры и свойств
цементного теста
Путем тщательного смешения цементного порошка с
водой получают цементное тесто\ оно представляет со-
бой концентрированную водную суспензию, обладающую ।
характерными свойствами структурированных дисперс-
ных систем: прочностью структуры, пластической вяз-
костью, тиксотропией. Цементное тесто до укладки бе-
тонной смеси и начала схватывания имеет в основном ко-
агуляционную структуру, в нем твердые частицы суспен-
зии связаны ван-дер-ваальсовыми силами и сцеплены
вследствие переплетения гидратных оболочек, покрыва-
ющих частицы. I_
Стриктура цементного теста разрушается при меха-
ническпх воздействиях (перемешивании, вибрировании
ит и ) вследствие этого резко падает предельное напря-
жение сдвига, и тесто с предельно разрушенной структу-
рой подобно вязкой жидкости, заполняет форму. Пере-
ход’ теста в текучее состояние носит тиксотропный
характер, т.е. после прекращения механических воздейст-
вий структурные связи в системе вновь восстанавлива-
ЮТСтруктурно-механические свойства цементного теста
возрастают по мере гидратации цемента. НагФи«еР’
собностью быстро наменять реологические свойства в те-
Фо'рмирование структуры йеменок, теста идочно-
=S^g=»
и иглы геля С—S—Н, растущ гексагональных
сутствие эттрингита в п*сле затворения ие-
призм обнаРУ*е"°/*ен^ОЛько часов появляются заро-
мента водой, а 'пустя нескцы геля гидросилика-
дыши кристаллов Са(ОН)э игольчагую форму, иродол-
ХеРаАТВДитн7хСфо"ма7л^
динення частиц геля гидросиликата в агрегаты, имеющие
характерную форму «снопов пшеницы» или в виде плот-
но агломерированных листков. Тонкие слои геля получа-
ются и между кристаллами Са(ОН)2, образуя с ними I
сросток, упрочняющий цементное тесто.
На рис. 5.12 схематично показано развитие структу-
ры цементного теста. Первичная структура представляет
собой малопрочный пространственный каркас из дисперс- |
ных частиц продуктов гидратации и не полностью гидра- I
тированных зерен цемента, связанных ван-дер-ваальсо-Я
выми силами и переплетенными гидратными оболочкамиД
адсорбированных на частицах воды. По мере увеличен I
нпя количества новообразований подвижность твердых j
частиц снижается и цементное тесто загустевает. К кон-
цу периода схватывания формируется основная структу- j
ра цементного теста, которое затем превращается в це-
ментный камень.
Структура цементного камня в значительной степени I
определяется механизмом его гидратации. В результате
взаимодействия цемента с водой образуются «внутрен- I
ние» продукты гидратации в пространстве, первоначаль- ч
но занятом цементными зернами, и «внешние» продукты
гидратации, заполняющие пространство, первоначально
занятое водой. 1
Количество внутреннего гидросиликата кальция на-
много оол'.ше, чем внешнего C-S-H. Внутренний гид-
росиликат получается в результате топохимической гид-
ратация алита и белита, т. е. путем непосредственного
присоединения воды к твердой фазе. Внутренний гидро-
силикат имеет тонкую и плотную структуру; отношение
CaO/SiO, может быть от 0,5 до больших величин по 1ей-
РВнешние продукты гидратации образуются через раст-
личества внешнего ™дрХииТкруп«ы» °кр“Хлов
Са<НаНртс" 5ЛЗ "можно видеть основные фазы
цементного камня. Частицы геля гидросиликата (ирн
:?v=.=:
в гидратированном цементе находится в тонколЛ* а
готовленного с водоцементным отношением 06 поем
512 сут твердения при 100 %-ной влажности была О
782 м-/г (при гидратации 91 % цемента). ₽
Клеящая способность цементного теста зависит
дисперсности твердой фазы: она повышается по мепе
гидратации цемента, т. е. при превращении все большего
количества цемента в гель. Однако удельная поверхность
геля гидросиликата значительно уменьшается при высу-
шивании. что видно из опытных данных. Цементный ка
пасте ^г4ОТОВЛ7ный "з раствора с В1Ц=0,4 имел в воз-
расте о14 сут (при гидратации 86 % цемента) удельную
нойе;7'189ТЬпп,:/1Л08-.ПРИ ’°0 %”Н0Й' 33°- "Р« “%
нои 189 при 12 %-нои относительной влажности Ук-
рупнение частиц новообразований при сильном высуши-
вании не только снижает клеящую способность гидрати-
рованного цемента, но и повышает его хрупкость. Все эти
исследования подтверждают необходимость ухода за бе- I
тоном, предотвращающего его раннее высушивание, а I
тепл3дЭ”Ие соответствУюЩйх влажностных условий J
§ 6. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА
ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ
1. Структура цементного камня
В. Н. Юнг ввел представление о цементном камне как
о микробетоне, состоящем из гелевых и кристаллических
продуктов гидратации цемента и многочисленных вклю-
чений в виде негидратированных зерен клинкера. Основ-
‘ Удельная поверхность приведена по Л. Э. Коупленду я Дж.
Вербеку; она измерена по способу рассеяния рентгеновских лучей
под малыми углами.
qap масса новообразований при взаимодействии цемента
с'водой получается в виде гелевидной массы, состоящей в
основном из субмикрокристаллических частичек гидоо-
силиката кальция. Гелеподобная масса пронизана отно-
сительно крупными кристаллами Са(ОН)о. Такое своеоб-
разное «комбинированное» строение предопределяет спе-
цифические свойства цементного камня резко
отличающиеся от свойств других материалов: металлов
стекла, гранита и т. п. Например, с наличием гелевой со-
ставляющей связана усадка цементного камня при твер-
дении на воздухе и набухание в воде, особенности рабо-
ты пол нагрузкой и другие свойства.
Цементный камень включает: 1) продукты гидрата-
ции цемента: а) гель гидросиликата кальция и другие
новообразования* 1, обладающие свойствами коллоидов;
б) относительно крупные кристаллы Са(ОН)2 и эттрин-
ние которых уменьшается по мере гидратации цемента;
3) поры: а) поры геля (менее 0,1 мкм); б) капиллярные
поры (от 0,1 до 10 мкм), расположенные между агрега-
тами частиц геля; в) воздушные поры (от 50 мкм до
2 мм), заполненные воздухом, засосанным вследствие
вакуума, вызванного контракцией, либо вовлеченным при
добавлении специальных воздухововлекающих веществ,
повышающих морозостойкость.
Классификация пор геля по размерам дана Р. Кондо
и М. Даймоном (размер пор в данной классификации ха-
рактеризуется половиной . гидравлического радиуса):
1) очень мелкие поры, пронизывающие частицы геля: меж-
кристаллитные размером менее 0,6 нм, а внутрикристал-
литные до 16 нм; 2) более крупные поры между частица-
ми геля — до 0,1 мкм. Все эти поры структурно присущи
цементному гелю, т. е. в геле всегда есть поры, посколь-
ку он является дисперсной системой, состоящей из частиц
коллоидного уровня и их агрегатов, разделенных поро-
вым пространством. В зависимости от состава цемента,
начального количества воды и технологии пористость ге-
ля может составлять 28—40 % объема геля, причем около
>/4—>/3 пористости (т. е. 7—12%) приходится на долю
контракционного объема.
1 Термин «новообразования» объединяет все продукты гидрата-
ции цемента.
Показатели ЗСаО. А1,О,4-6Н.О=ЗСаО. Л|,О,. 6НЛЦ
Молекулярная масса М, г 270,2 108,09 378,28 ;
Плотность р, г/см3 3,04 1 2,52
Объем М/р, см3 88,88 108,09 150,11- ’
88,884-108,09=196,97 150,11
Контракция (стяжение) —это явление уменьшения’ •
абсолютного объема системы (цемент + вода) в процессе
гидратации. Для примера рассмотрим систему:
ЗСаО-А12О3 + 6Н2О = ЗСаО-А12О3-6Н2О,
указанную в табл. 5.2.
Абсолютный объем реагирующих веществ—С3А и во-
ды— составит 196,97 см3, а объем гидроалюмината толь- J
ко 150,11 см3. Следовательно, контракция в данном при- 2
мере составила 46,86 см’. Поскольку контракция почти j
ляется образование в гидратированном цементе контрах-
ционного объема. В цементном камне и бетоне возникает
вакуум, под влиянием которого эти поры заполняются
водой или воздухом в зависимости от среды, в которой 'V
твердеет цементное тесто. Контракция для обычных
портландцементов, затворенных водой после 28 сут твер- i
дения составляет 6—8 л на 100 кг цемента, т. е. в 1 м3
бетона с расходом вяжущего 300 кг/м8 контракционный;
Каждому минералу цемента свойственна контракция;
она начинается после его смешения с водой и достигает
максимума при полной гидратации. На рис. 5.14 сопос-
тавлена контракция, происходящая при гидратации глав-
ных клинкерных минералов. Самая большая контракция
происходит при гидратации трехкальциевого алюмината
(более 15%); она может быть причиной внутренних на-
пряжений в цементном камне. Двуводный гипс, добавля-
ра, выравнивает контрак-
цию, так как в химической
реакции образования эт-
трингита из С3А, гипса и
воды контракция состав-
ляет лишь 6,14 %.
На рис. 5.15 изображе-
на упрощенная модель
геля С—S—Н. Пористая
структура геля как самого
влияние на механические
свойства, проницаемость и
ного камня; при этом сле-
дует учитывать особые
физические свойства пор
геля, обусловленные их
малыми размерами.
ют собой микропоры менее
0,1 мкм. Вода, заполняю-
щая поры геля (сокращен-
но «вода геля»), имеет с
твердой фазой физико-хи-
мическую связь, так как
адсорбционный полимоле-
кулярный слой воды имет толщину до 0 15 мкм. Вода
п.п.опопрт ппи низкой температуре (по некоторым
ных морозах. Следовательно, поры геля не сказываются
отрицательно на морозостойкости цементного камня и
бетона Вода, адсорбированная в порах, уменьшает жк-
оетона. пода, в „ПРпы, поп. поэтому водо-
затворения, не уместившейся в порах геля,
оиа геля П обоазует капиллярные поры.
прон"цае'
мость, плохо сопротивляется химической коррозии и 1не
защищает надежно стальную арматуру.
Вода является активным элементом структуры цемент- I '
ного камня, участвующим в образовании гидратных сое-
динений и в формировании пор. Пористость цементного
камня зависит не только от начального водоцементного
отношения, но и от форм связи воды с твердой фазой.
Согласно классификации П. А. Ребиндера, построен- К1
ной по принципу интенсивности энергии связи, выделяют
три формы связи воды в цементном камне: химическая
связь является наиболее сильной. Химически связанная <
вода удаляется при прокаливании. Количество химически,
связанной воды w обычно выражают в % или долях от
массы цемента; физико-химическая связь характерна для
адсорбционно связанной воды, находящейся в порах це-
ментного геля; связь эта нарушается при высушивании;
физико-механическая связь—в данном случае капилляр-
ное давление — обусловливает удержание воды в калил-
лярных порах цементного камня. Адсорбционно связан- Ж
ная и капиллярная вода, удаляемая при высушивании,,
называется еще испаряемой. Потери при прокаливании W
высушенной пробы цементного камня определяют хими-
чески связанную (неиспаряемую) воду.
Цементный камень, являющийся минеральным клеем,
скрепляющим зерна заполнителя, должен обладать до-
статочной собственной прочностью и адгезией, т. е. хо-
рошо сцепляться (срастаться) с зернами заполнителя.
Эти свойства цементного камня зависят от качества й 'Я'
количества новообразований, объема и характера пор.
Качество новообразований в цементном камне опре-
деляется их составом и дисперсностью. Количество ново- Я
образований прямо пропорционально степени гидратации *
цемента а, численно равной отношению прореагировав-
шей с водой части цемента к общей массе цемента. Сте- «
пень гидратации может определяться количественным >
рентгеновским методом или по содержанию связанной Ж
воды w, не испаряемой при высушивании: a=w/wuaU(i.
Количество связанной воды при полной гидратации
лартландцемента щМВкС может колебаться от 0,25 до 0,3
(массы цемента); при щм_к< =0,25 a = 4w или w=0,25a. I
Следовательно, если в 28-суточном возрасте цемент свя- Я
зал 15% воды (считая от массы цемента), то а=4Х W
Х0,15=0,6. Это означает, чтов бетоне с расходом немей- Д
та 300 кг/м3 180 кг вяжущего (60%) вступило во взаи- Я
182
модействие с водой, а 120 кг (40 %) еще сохранилось в
йИде- клинкерного фонда. Вообще же а может быть в
пределах от 0 до 1 (при полной гидратации цемента).
Степень гидратации имеет большое технико-экономи-
чеСКОе значение. При увеличении степени гидратации
цемента возрастает объем новообразований и уменьша-
ется пористость цементного камня, при этом повышается
прочность и долговечность бетона. Поэтому нужно co-
вер Чествовать технологию бетона, добиваясь наиболее
полного использования вяжущего, что эквивалентно его
экономии.
Пористость цементного камня ЛОбщ слагается из ге-
левой Пг, капиллярной Пка„ и воздушной ПВ03д пори-
стости:
Пористость вычисляют как отношение объема пор к
объему цементного камня Иц.к, равного сумме объемов
воды затворения и абсолютного объема зерен цемента,
(5.2)
где В и Ц — масса соответственна воды затворения и цемента, т;
рв и рц — плотность воды и цемента, т/м3; водоцементное отношение
В/Ц - безразмерная величина.
Цементный гель, получившийся при полной гидрата-
цйй 1 т цемента, заключает в себе 0,2 м3/т пор геля,
представляющих собой промежутки между частицами
гидросиликата кальция, и содержит контракционный
объем 0,09 м3/т, образовавшийся вследствие уменьше-
ния абсолютного объема системы «цемент —вода»; в
сумме объем пор геля составляет 0,29 м3/т.
Объем пор геля в твердеющем цементном камне Кп1ч
прямо пропорционален количеству гидратированного це-
мента, которое равно а-Ц, поэтому Vn.r—0,29а//м . где
а —степень гидратации цемента. Пористость геля Пг=
= V,, ,./ Иц к, следовательно
"г""= Р./Ри+В/й”
(5.3)
Вода, не уместившаяся в порах цементного геля,
располагается между агрегатами частиц геля и образу-
ет капиллярные поры. Объем капиллярных пор Укап
определяют с учетом того, что цементный гель связыва-
ет химически и адсорбционно примерно одинаковые ко-
личества воды (по 25 % от массы цемента), т. е. объем
«лишней» воды, образующей капиллярные поры, будет
Укап =
Капиллярную пористость определяют как УКап/Уц.к,
принимая Уц.к по формуле (5.2):
(В/Д — 0,5<х) рц
Лкап.ц.к- рв + рц(в/д)
Ц(В/Ц — 0,5а)
(5-4)
Можно принять рв=1 т/м3, пренебрегая изменением
плотности воды затворения от температуры, и среднее
значение рц=3,1 т/м3. Тогда частное значение
Прпм = 0,32 +В/Д '
Гелевая пористость достигает максимального значе-
ния, когда весь цемент прореагирует с водой, т. е. прев-
ратится в цементный гель (при этом а=1), и при мини-
мальном В/Д=0,25, необходимом для полной гидрата-1
ции цемента,
(/7Г.Ц.Н)Ш„ = 0 3г-+ 0 25 0,508 (~ 51 %).
Истинная плотность цементного геля рг=2,6 г/см3,
при указанной пористости его средняя плотность, опре-
деляемая из соотношения 0,5=1—рт/2,6, будет равна
ри=1,3 г/см3.
Следовательно, цементное зерно (его р=3,1 г/см3) ~
как бы «разбухает» и после полной гидратации займет
(в виде продуктов гидратации вместе с порами геля)
объем (3,1/1,3=2,4) в 2,4 раза больше, чем первона-
чальный. Это явление оказывает решающее влияние на
модификацию структуры цементного камня и бетона в
процессе твердения. Цементный гель заполняет капил-
лярные поры в цементном камне и уплотняет бетон, по-
этому объем капиллярных пор уменьшается с течением
гидратации цемента (рис. 5.16).
В/Д-0,5а
рв/ра+В1Ц
Частное значение Пкап при рв=1 т/м3, рц=3,1 т/м3
составит
_ Л/Ц-О.бо- 56)
"«ап.ц.к- 0 32 + В/Д
Максимальное значение капиллярной пористости в
начале затворения (приготовления бетонной смеси),
когда а»0 и
(Лкап.ц.к)тах = 0,32 + В/Д *
По мере гидратации цемента капиллярная пори-
стость уменьшается вследствие заполнения капиллярных
пор цементным гелем (см. рис. 5.16). Плотный цемент-
ный камень (., бетон) без капиллярных проинцаемых
поо можно получить, если В'Ц—0,5 а—0, т. е. а 2 d/ц.
Следовательно, даже при а=1 ВЩ должно быть, не бо-
лее 0,5; область плотных бетонов (без Пкап) ограни ie
на условием B/ZZ^0,5; а = 2 В/Ц. /е п.
Общая пористость цементного камня согласно (5. ).
= 0,29арв + (Д/Д-0.5а) (5,7)
пористости различны по происхождению, местоположе-
нию в цементном камне и влиянию на его структуру и
свойства. Пористость Лг, Пкап, П06щ получают в долях
от единицы объема цементного камня (или в %). Част-
ное значение при рв = 1 т/м3, рц = 3,1 т/м3, /7ВОЭД=0
0,29а +(В/Ц-0,5а)
П°бш~ 0,32 + В/Ц ’ (58>
. Когда в процессе твердения цемента исчезают капил-
лярные поры, гелевая пористость достигает максималь-
ного значения.
Объем пор бетона плотной структуры (и с плотным '
заполнителем) равен пористости цементного камня в .
нем, но уже отнесенной к объему бетона (обычно при-
нимают 1 м3):
(5-9)
(В/Ц-0,5а)Ц
Яобш.бет :
В формулу входят Пг=0,29 м3/т, рв=1 т/м3, масса I
Ц, т, объем бетона 1 м3, поэтому /70бщ, Лг и /7кап полу- Я
чаем в долях от единицы объема материала (можно вы- я
разить ив %).
С помощью формул можно определить общую пори-
стость цементного камня и бетона и расчленить ее на
группы. Для этого нужно экспериментально определить 3
степень гидратации цемента а (количественным рентге- J
новскнм анализом либо при помощи автоматического Я
прибора—дериватографа). Поэтому данный метод I
определения групповой пористости бетона называется 1
экспериментально расчетным.
Например, бетон, изготовленный на плотных заполнителях при
/' - • ' i
духовое л екающей добавкой /7,оад=2,5 % и твердевший 28 сут а 4
нормальных условиях (степень гидратации а=0,7), будет иметь еле- й
дующие характеристики пористости:
/70бш = 10,29-0,7+(0,6 - 0,5-0,7)) 0,3 + 0,025 = 0,161 (16.1%); I
Пк = (0,6 — 0,5-0,7) 0,3 = 0,075 (7,5%);
- пористость геля
Лг = 0,29-0,7 0,3= 0,061 (6,1%);
Ук= 0,09-0,7-0,3 = 0,019(1,9 %).
Характер пористости оказывает решающее влияние
на все свойства цементного камня и бетона: прочность
зависит от общей пористости, а морозостойкость, про-
ницаемость (для воды, газов), долговечность определя-
ются, главным образом, капиллярной пористостью.
Пористость цементного камня уменьшается, а его
плотность возрастает при снижении начального В/Ц и
увеличении степени гидратации цемента (см. рис. 5.16).
В первый момент после смешения цемента с водой в
цементном тесте будут только капиллярные поры, и их
объем равен объему воды затворения, поэтому соглас-
но (5.5)
г, п в,ц
/7о6щ-ЯКап- рв/рц + ад •
В процессе гидратации общая пористость цементно-
го камня уменьшается, однако капиллярная пористость
снижается быстрее, чем общая пористость. Это явление,
чрезвычайно важное для повышения прочности и долго-
вечности цементного камня и бетона, объясняется тем,
что капиллярные поры заполняются продуктами гидра-
тации цемента.
2. Свойства цементного камня
Прочность цементного камня определяется активно-
стью цемента и его пористостью, которая, в свою оче-
редь, зависит от В/Ц и степени гидратации цемента.
Следовательно, зависимость прочности цементного кам-
ня и бетона от В/Ц выражает в сущности связь прочно-
сти со структурой, характеризуемой пористостью. По
экспериментальным данным в полулогарифмических ко-
ординатах зависимость пористость—прочность изобра-
жается в виде отрезка прямой (рис. 5.17), отвечающего
формуле
Pa = Ri(\-klnn), (5.12)
где Яп —прочность при данной пористости П (2—55%); Я> — проч-
ность при пористости /7=1 %. Л=1/1п/70; /70 - пористость при нуле-
вой прочности (приблизительно составляющая в данных опытах
Время (to) твердения, curr
& JO О О iQOD JOO О 60007000
Из рис. 5.17 видно, что
потенциальная прочность
цементного камня весьма
велика. Цементный ка-
мень с В/Ц=0,093, под-
вергнутый горячему прес-
сованию (при температу-
ре 250 °C и давлении
350 МПа) был очень плот-
ным (пористость 2,13—
3,9%), его прочность на
сжатие через 1 сут соста-
вила 412 МПа, а к 3 мес
достигла 668 МПа, что в
мые высокие марки бетона
(60-80 МПа). Следова-
тельно, далеко не полно-
стью используются вяжущие свойства цемента. Применя-
ют в основном бетонные смеси с В/#=0,4—0,8, которые
поддаются уплотнению вибрированием, поэтому порис-
тость цементного камня в бетоне составляет 30—50 %,
а прочность 20—80 МПа.
I Скорость химического взаимодействия клинкерных
минералов с водой можно охарактеризовать увеличени-
ем степени их гидратации во времени (табл. 5.3). Наибо-
лее быстро гидратирующимися минералами цементно-
го клинкера являются трехкальциевый алюминат и трех-
кальциевый силикат; медленная гидратация в началь-
ный период — до 6 мес происходит у двухкальциевого
силиката.
На рис. 5.18 сопоставлены кривые нарастания проч-
ности клинкерных минералов, затворенных водой. Трех-
кальциевый силикат быстро твердеет и приобретает вы-
сокую прочность. Трехкальциевый алюминат отличается
очень быстрым нарастанием прочности, но в дальнейшем
она почти не изменяется. Таким образом, увеличение сум-
марного содержания трехкальциевого силиката и трех-
кальциевого алюмината в цементном клинкере необхо-
димо для получения быстротвердеющих портландцемен-
Влияние тонкости помола цемента на прочность мож-
но проследить по -рис. 5.19. Увеличение удельной поверх-
ности и прочности цемента в начальные сроки твердения
(до 3 сут) объясняется повышением содержания в це-
менте частиц размером меньше 5 мкм. Именно в мел-
кой фракции цемента скапливаются менее твердые ми-
нералы — алит C3S и С3А, быстро реагирующие с водей.
Полная гидратация мелких зерен этих минералов про-
исходит в течение первых 3 сут после затворен .-я цемен-
та водой и дает соответствующий выигрыш в начальной
прочности (табл. 5.4). Прочность в последующие сроки
твердения ( после 7 сут) обусловлена гидратацией внут-
ренней части зерен более крупных фракций цемента.
Химическими добавками — ускорителями твердения
цементного камня — являются: хлорид CaClj, нитрат
Ca(NO3)2 и нитрит кальция Ca(NO2)2, а также их сме-
си: нитрит-нитрат (ННК) и нитрит-нитрат-хлорид каль-
ция (ННХК). Нитрат-ионы и нитрит-ионы ускоряют гид-
ратацию силикатных минералов (алита и белита), а
следовательно, и твердение цементного камня, не ока-
зывая отрицательного влияния на сохранность армату-
ры. Наоборот, нитрит-ионы даже защищают сталь от
коррозии.
Основным методом ускорения твердения портланд-
ментного камня (и бетона) в заводском производстве :
сборных железобетонных конструкций является тепловая п|
сборных железобетонных конструкций является тепловая
обработка в виде пропаривания, электропрогрева и др,
Повышение температуры (при сохранении в нем влаги)
ускоряет процесс гидратации цемента в 7—10 и более
раз, что позволяет получить готовые изделия через 8— Ч
Проницаемость цементного камня определяется его J
пористостью и наличием трещин. Проницаемость зави-
сит от капиллярных пор, пронизывающих цементный ка-
мень (рис. 5.20). Коэффициент проницаемости геля очень Я
мал, он значительно меньше, чем гранита, мрамора и J
других плотных материалов. Коэффициент проницаемос-
ти цементного камня с объемом капиллярных пор не бо- 3
лее 15%. хотя и выше, чем цементного геля (полностью I
гидратированного цемента), ио все же весьма невелик Я
и примерно такой же, как коэффициент проницаемости 1
плотных каменных материалов. Однако усадочные тре-
щины, появляющиеся во время твердения бетона, а так-
же при действии нагрузки, атмосферных факторов (за-
мораживание и оттаивание, попеременное увлажнение и
высыхание), могут сильно увеличить проницаемость; j
Наличие «клинкерного фонда» в виде неполностью гид-
ратированных частиц цемента способствует зарастанию I
трещин и восстановлению монолитности.
На рис. 5.21 приведены результаты интересного опыта. Образ-
ные*сроки (через 1, 2,Р7, *28 сут), фиксировали прочность на растя-
жение, затем половинки образцов плотно соединяли и скрепляли,
после чего такой, составной образец помещали в ванну с водой.
Повторное испытание обнаружило, что половники образцов срос-
лись, место разрыва (трещина) затянулось за счет миграции к
трещине и отложения Са(ОН)2 и других продуктов продолжающейся
гидратации; в результате прочность частично восстановилась. Образ-
цы серии 2 после испытания в возрасте сначала 7 сут, повторно че-
рез 28 сут и к 90 сут снова приобрели прочность, хоть и меньшую,
чем прочность сплошных образцов (см. кривую / на рис. 5.21). Это
чинаясь от поверхности, в глуб
В цементном камне во время эксплуатации железо-
бетонной конструкции одновременно происходят струк-
турные процессы, обусловленные продолжающейся гид-
ратацией цемента, и деструктивные, вызванные нагруз-
кой, неблагоприятными физическими и химическими
воздействиями. Долговечность цементного камня будет
в конечном итоге определяться взаимодействием этих
процессов.
При строительстве зданий и сооружений необходимо
учитывать возможность коррозии цементного камня в
бетоне и предусматривать меры защиты: 1) выбор це-
мента, отвечающего условиям эксплуатации; 2) введе-
ние в бетонную смесь химических добавок; 3) примене-
ние особо плотного бетона; 4) специальную пропитку и
защитные покрытия. Меры, предотвращающие или йу.
ществепно ослабляющие коррозию бетона, увеличивают
долговечность бетонных я железобетоных конструкций.
3. Долговечность цементного камня
На рис. 5.22 можно видеть многообразие физичеекШ^В
и химических воздействий на материал строительных "W'
конструкций.
Разрушение бетона обычно начинается с разрушения
цементного камня, стойкость которого ниже стойкости
плотных каменных заполнителей. Оно может происходить м'
под влиянием физических явлений (насыщения водой, ж
попеременного замораживания и оттаивания, увлажне- Щ
ния и высыхания и т.п.), а также при химическом взаи- I
модействии цементного камня с агрессивными вещества- i
ми, содержащимися в воде или в воздухе, поэтому при ]
выборе цемента учитывают требуемую морозостойкость, ЛЖ|
воздухостойкость и химическую стойкость цементного .||
камня.
Многократное замораживание и оттаивание влажного S{
недостаточно морозостойкого бетона сначала вызывает Н
характерное «шелушение», затем разрушается защит-
ный слой бетона, вслед за этим начинается коррозия 4*1
стальной арматуры (рис. 5.23).
Морозостойкость цементного камня определяется не Я
общей, а капиллярной его пористостью, поскольку вода, |
содержащаяся в порах цементного геля, не переходит в II'
лед даже при сильных морозах. Кривая, изображающая I
зависимость показателя морозостойкости (М — циклы
замораживания и оттаивания) от капиллярной пористое- 1
ти (рис. 5.24), характеризует возможность значительного Д
повышения морозостойкости путем уменьшения объема I !
капиллярных пор.
Капиллярная пористость цементного камня опреде-
ляется водоцментным отношением и степенью гидрата- ®I
ции цемента^ [см. формулу (5.6)], поэтому значение В/Ц . |
в морозостойких бетонах принимают не более 0,4—0,55 *
(в зависимости от условий эксплуатации железобетон- I
ных конструкций), а наибольшей полноты гидратации Я
цемента добиваются созданием оптимальных условий ♦Ч
формирования структуры цементного камня.
При высоких требованиях к морозостойкости ограни- I
чнвают содержание трехкальциевого алюмината в клин- Г
кере (5—8%), поскольку гидроалюминат образует в це-
ментном камне «рыхлые» нестойкие структуры. Чтобы
не снизить морозостойкость, вводят в портландцемент не
более 8 % активной минеральной добавки (диатомита,
трепела и т. п.), иначе возрастает водопотребность це-
мента и соответственно капиллярная пористость цемент-
ного камня.
Применение гидрофобного или пластифицированного
портландцемента (см. §8, гл. 5) взамен обычного повы-
шает морозостойкость в несколько раз (2—4 раза и бо-
лее), так как эти цементы позволяют снизить количест-
во воды затворения и объем капиллярных пор. К тому
же гидрофобизация стенок пор снижает водопоглощение
морозостойкости. С этой ж
вовлекающие добавки и суперпластификаторы (подроб-
нее см. гл. 6).
Воздухостойкость — способность цементного камня '
сохранять прочность в сухих условиях, при сильном на.-.,
менного увлажнения и высыхания. Цементы,' содержа-,
щие активные минеральные добавки осадочного проис-J
хождения, не только менее морозостойки, но и менее
воздухостойки. Объясняется это большой усадкой и Де-j
гидратацией низкоосновных гидросиликатов кальция, ко-
торые образовались при взаимодействии аморфного
кремнезема с гидроксидом кальция. Поэтому, например,
пушюлановый портландцемент не рекомендуется приме-
..— — ---.. -----работающих в сухих
НЯТЬ ДЛЯ J
условиях.
Коррозия цементного камня и ее предотвращение.
Коррозия происходит под действием мягкой воды, рас-
творов кислот, некоторых солей и кислых газов на состав-
ные части цементного камня, главным обпачом ня
Са(ОН)2 и ЗСаО А12О,.6Н2О. ра30м на
Встречающиеся в практике коррозии можно разделить
на три вида: коррозия первого вида начинается обычно
с растворения свободного гидроксида кальция, выделяе-
мого цементом при гидратации; коррозия второго вида
вызвана образованием леткорастворнмых солей при дей-
ствии кислот, кислых газов и других агрессивных веществ
па гидроксид цементного камня (кислотная, маг-
незиальная коррозия); коррозия третьего вида обуслов-
лена образованием в порах цементного камня соедине-
нии, занимающих больший объем, чем исходные
продукты реакции; это вызывает появление внутренних
напряжений и растрескивание (сульфоалюминатная и
щелочная коррозия). В практике редко встречается кор-
розия одного вида. Кроме того, трудно разграничивать
коррозию, например, первого и второго вида. Однако
почти всегда можно выделить преобладающий вид кор-
зионных воздействий запроектировать мероприятия по
защите конструкций от коррозии.
Коррозия первого вида. Выщелачивание Са(ОН)2
происходит интенсивно при действии на цементный ка-
мень мягких вод, содержащих мало растворенных ве-
ществ. -К ним относятся вода оборотного водоснабжения,
равнинных рек в половодье, болотная водаР Содержание
гидроксида кальция в цементном камне через 3 мес твер-
дения составляет 10—15 % (в пересчете на СаО). После
его вымывания и в результате уменьшения концентрации
СаО (менее 1,1 г/л) начинается разложение гидросили-
катов и гидроалюминатов кальция. Выщелачивание
Са(ОН)2 в количестве 15—30% общего содержания в
цементном камне вызывает понижение его прочности на
40—50 % и более. Выщелачивание можно заметить по
появлению белых пятен (подтеков) на поверхности бе-
Для ослабления коррозии выщелачивания ограничи-
вают содержание трехкальциевого силиката в клинкере
Са (ОН)2 является введение в цемент активных минераль-
ных добавок и применение плотного бетона. Активные
минеральные добавки (диатомит, трепел и др.), содер-
жащие аморфный кремнезем, химически связывайся
Са(ОН)2 в нерастворимый гидросиликат кальция: ?
Са (ОН)2 4-gSjO2 + mH2° = CaOSiO2/iH2O.
. Процесс выщелачивания замедляется, когда в поверх-
ностном слое бетона образуется малорастворимый СаСО3
вследствие естественной карбонизации Са(ОН)2 при
взаимодействии с СО2 воздуха. Выдерживание на возду- j
хе бетонных блоков и свай, применяемых для, ёосфуже-1
ния оснований, а также портовых и других гидротехни-
ческих сооружений, повышает Их стойкость.
Коррозия второго вида может происходить в различу
ных формах.
Углекислотная корразия развивается при действии на
цементный камень воды, содержащей свободный диок<3
сид углерода, который разрушает СаСО3 на поверхности^
вследствие образования хорошо растворимого бикарбо- !
,-ната кальция по реакции:
СаСО3 + (С02)своб + Н2О = Са (НСО3)2.
Общекислотная коррозия происходит при действии
растворов любых кислот, имеющих значение водородно- 1
го показателя рН<7 (рис. 5.25), исключение составляют |
полнкремневая и кремнефтористоводородная кислоты, а
Свободные кислоты встречаются в сточных водах про- Я
;мйшленных предприятий; они могут проникать в почву и Я
разрушать бетонные фундаменты, коллекторы и другие 1
подземные сооружения. Кислота образуется также из ?
сернистого газа. В выбросах промышленных предприя- |
тий, кроме SO2, могут содержаться другие кислые газы, j
а также хлор и хлористый водород. Кислота вступает в Я
химическое взаимодействие с гидроксидом кальция, при
этом образуются растворимые соли (например, СаС12) и
соли, увеличивающиеся в объеме (CaSO4-2H2O):
Са (ОН)2Ч- 2HCI = СаС12 + 2Н2О;
Са (ОН )2 4- H2SO4 = CaSO4 • 2H2O.
Кроме того, кислоты могут разрушать и силикаты j
кальция. Бетон на портландцементе защищают от непо-
средственного действия кислот с помощью слоев из кис- я
лотоупорного цемента.
• Магнезиальная коррозия наступает при воздействии Я
на гидроксид кальция магнезиальных солей, которые |
встречаются в растворенном виде в грунтовых водах и Я
i
всегда содержатся в большом количестве в морской во-
де. Содержание солей в воде мирового океана составля-
ет, г/л: NaCl - 27,2; MgCla - 3,8; MgSO4 - 1,7; CaSO« -
1,2. Разрушение цементного камня вследствие реакции
обмена протекает по следующим формулам:
Са (ОН)2 + MgCI2 = СаС12 + Mg (ОН)2;
Са (ОН)2 + MgSO4 + 2Н2О = CaSO4- 2Н2О + Mg (ОН)2. <
В результате этих реакций образуется растворимая Я
соль (хлорид кальция или 1вуводный сульфат кальция),
вымываемая из бетона. Гидроксид магния представляет . 1
собой бессвязную, не растворимую в воде массу, поэтому Я
реакция идет до полного израсходования гидроксида Л
кальция.
Органические кислоты, как и неорганические, быстро
разрушают цементный камень. Большой агрессивностью 'Я
отличаются уксусная, молочная и винная кислоты. В по- Я
мещениях животноводческих комплексов (коровнйках)ЯИ
свинарниках и т.п.), как правило, бывает влажная ат- j
мосфера в специфические коррозионные воздействия' Я
(рис. 5.26). Жирные насыщенные и ненасыщенные кис- Я
лоты (олеиновая, стеариновая, пальмитиновая и др.) у
разрушают цементный камень, так как при взаимодей- .«
ствии с гидроксидом кальция они омыляются. Кроме то- Я
го, вредны и масла, содержащие кислоты жирного ряда: j
льняное, хлопковое, а также рыбий жир. Нефть, нефтя- Я
ные продукты (керосин, бензин, мазут, нефтяные масла) Я
не представляют опасности для бетона, если они не со-
держат нафтеновых кислот или соединений серы. Одна-
ко надо учитывать, что нефтепродукты легко проникая'
ют через бетон. Продукты разгонки каменноугольного Я
дегтя, содержащие фенол, могут агрессивно влиять на 1
Коррозия под действием минеральных удобрений, J
Особенно вредны для бетона аммиачные удобрения — Я
аммиачная селитра и сульфат аммония. Аммиачная се- |
литра, состоящая в основном из нитрата аммония Я
NH4NO3, подвергается гидролизу и поэтому в воде дает Я
кислую реакцию. Нитрат аммония действует на гидрок- Я
сид кальция
Са (ОН)2 4- 2NH4NO3 + 2Н2О = Са (NO3)2- 4Н2О + 2NO3.. . J
Образующийся нитрат кальция хорошо растворяется '
в воде и вымывается из бетона. Хлорид кальция KCI по- Я
вышает растворимость Са(ОН)2 и ускоряет коррозию. Я
Из фосфорных удобрений агрессивен суперфосфат, со-
стоящий в основном из монокальциевого фосфата J
Са(Н2РО4)2 и гипса, кроме того содержащий еще и не-
которое количество свободной фосфорной кислоты.
Коррозия третьего вида возникает при- действии на
бетон растворов сульфатов и едких щелочей. Сульфо-
алюминатная коррозия возникает при действии на гид-
роалюминат цементного камня морской воды, грунто-
вых и других минерализованных вод, содержащих суль-
фатные ионы:
ЗСаО-А12О3-6Н2О + 3CaSO4 + 25HZO = ЗСаО-A2O3-3CaSO4-31H2O.
Образование в порах цементного камня малораство-
римого трехсульфатного гидросульфоалюмината каль-
ция (эттрингита) сопровождается увеличением объема
этого камня примерно в 2 раза. Развивающееся в порах
нию защитного слоя бетона. Вслед за этимР происходят
коррозия стальной арматуры, усиление растрескивания
бетона и разрушение конструкции. Вместе с тем, могут
оказаться агрессивными сточные воды промышленных
предприятий, а также грунтовые воды.
Если в воде содержится сульфат натрия, то вначале
с ним реагирует гидроксид кальция:
Са (ОН)2 + NaSO4 £ CaSO4 + 2NaOH.
В последующем идет образование гидросульфоалю-
мината кальция вследствие взаимодействия получающе-
гося сульфата кальция и гидроалюмината.
Для борьбы с сульфоалюминатной коррозией ис-
пользуются специальные сульфатостойкие портландце-
Щ елочная коррозия может происходить в двух фор-
мах: под действием концентрированных растворов ще-
лочей на цементный камень и под влиянием щелочей,
имеющихся в клинкере цемента.
При действии растворов щелочей (NaOH, КОН) де-
структивные процессы происходят вследствие карбониза-
ции щелочи в порах цементного камня за счет СО2 воз-
духа. Вблизи испаряющейся поверхности (например,
поверхности бетонного пола) в порах накапливаются
кристаллы Na2CO3- ЮН2О и ^СОз- 1,5Н2О. Возникающее
ление структуры и понижение прочности цементного кам-
ня. Сильнее разрушается от действия щелочей цемент с
высоким содержанием алюминатов кальция вследствие
образования растворимых алюминатов натрия и калия.
Щелочная коррозия встречается на предприятиях основ- W
ной химии.
Коррозия, вызываемая щелочами цемента, происхо-
дит вследствие процессов, протекающих внутри бетона Ж
между его компонентами. В составе цементного клинке- Я
ра всегда содержится разное количество щелочных сое- Л
динений. В составе заполнителей для бетона, в особен-
ности в песке, встречаются реакционно способные моди-’ Ж
фикации кремнезема: опал, халцедон, вулканическое
стекло. Они вступают при обычной температуре в разру- J
шительные для бетона реакции со щелочами цемента.
В результате образуются набухающие студенистые от- -Л
ложения белого цвета на поверхности зерна реакционно»
способного заполнителя, появляется сеть трещин, по- ’-Я
верхность бетона местами вспучивается и шелушйт^И^Я
Разрушение бетона может происходит через 10—15 лет
после окончания строительства.
При наличии в заполнителе реакционноспособного -
кремнезема применяют портландцемент с содержанием |
щелочей не более 0,6 % (в пересчете на NagO+KsO) и I • Л
вводят в цемент активные минеральные добавки (дна- 1
§ 7. ХАРАКТЕРИСТИКИ СОСТАВА И СВОЙСТВ
ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА
Химический состав клинкера характеризуется содер-
жанием оксидов, %: СаО63—66; SiO2 21—24; А12О34—8;
TiO2+Cr2O3 0,2—0,5; Р2О5 0,1—0,3. Содержание оксида
магния MgO в клинкере не должно превышать 5%.
Используя данные химического.анализа, вычисляют по
формулам расчетный минеральный состав клинкера.
Минеральный состав клинкера выражает содержание
в клинкере (% по массе) главных минералов. Применя-
ют расчетный и прямые экспериментальные методы оп-
ределения минерального состава. Прямые эксперимен-
тальные методы определения минерального состава клин-
кера включают: оптическую и электрическую микроско-
пию, рентгеновский фазовый анализ, микрозондированце-^
(лазерный и ионный микрозонды) и др.
Вещественный состав цемента характеризует содер-
Г А Б Л И Ц А 5.5. ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ И ЕГО РАЗНОВИДНОСТИ
жание в цементе (% по массе) основных компонентов:
клинкера, гипса и активных минеральных добавок. Со-
держание минеральных добавок в цементе в зависимос-
ти от их вида соответствует величинам, указанным в
табл. 5.5.
Содержание SO3 в цементе (с учетом вводимой до-
бавки гипса) не должно быть менее 1,5 и не более 3,5 %
(в цементах марок 550 и 600 —до 4 %). Допускается
введение в цемент при его помоле пластифицирующих
в количестве не более 0,3 % массы цемента (по согласо-
2. Свойства портландцемента
Тонкость помола цемента оценивается по стандарту
путем просеивания предварительно высушенной пробы
цемента через сито с сеткой № 008 (размер ячейки в све-
ту 0,08 мм); тонкость помола должна быть такой, чтобы
через указанное сито проходило не менее 85 % массы
просеиваемой пробы.
Наряду с ситовым анализом для оценки дисперсности
цемента проводят определение удельной поверхности с
помощью специального прибора — поверхностемера. Да-
же обычный портландцемент марки 400 измельчается
довольно тонко: остаток на сите №008 не превышает
15%, т.е. -85% зерен цемента имеет размер менее I
80 мкм, при этом его удельная поверхность составляет!!
обычно 2500—3000 см2/г.
Истинная плотность портландцемента (без минераль- .
ных добавок) составляет 3,05—3,15. Его насыпная плот- Л
ность зависит от уплотнения и составляет: для рыхлогоМ
цемента 1100 кг/м3, сильно уплотненного до 1600 кг/м3, Л
в среднем 1300 кг/м3.
Водопотребность цемента определяется количеством 1
воды (% массы цемента), которое необходимо для полу- - j
чения цементного теста нормальной густоты. Нормаль- 1
ной густотой цементного теста считают такую его под-.Д
вижность, при которой цилиндр — пестик прибора Вика, Л
погруженный в кольцо, заполненное тестом, не доходит И
на 5—7 мм до пластинки, на которой установлено коль- <
цо. Водопотребность портландцемента 24—28 %, при
введении активных • минеральных добавок осадочного Д
происхождения (диатомита, трепела, опоки) водопотреб-
ность цемента повышается до 32—37 %.
Сроки схватывания и равномерность изменения объе~ I
ма цемента определяют в тесте нормальной густоты. I
Сроки схватывания определяют с помощью прибора ’]
Вика путем погружения иглы этого прибора в тесто нор- 1
мальной густоты. Началом схватывания считают время, JВ
прошедшее от начала затворения до того момента, ког- И
да игла не доходит до пластинки на 1—2 мм. Конец Л
схватывания — время от начала затворения до того мо- Я
мента, когда игла погружается в тесто не более чем на .1
1—2 мм. Начало схватывания цемента должно насту- И
пать не ранее чем через 45 мин, а конец схватывания — 1
не позднее чем через 10 ч от начала затворения. Для по- 1
лучения нормальных сроков схватывания при помоле I
клинкера вводят добавку двуводного гипса в количестве
до 3,5% ( в пересчете на SO3). Замедление схватывания Я
объясняется отложением на зернах цемента тонких пле-
нок гидросульфоалюмината кальция, образовавшегося. Я
при взаимодействии введенного сульфата кальция с .
трехкальциевым алюминатом. Эти пленки замедляют ‘ 1
диффузию воды к цементным зернам, и скорость их гид- I
ратации уменьшается.
Замедлителями схватывания портландцемента явля-
ются также бура или борная кислота, фосфаты и нитра-
ты калия, натрия и аммония. Нитраты образуют с Ч
Са(ОН)г соединения, хорошо растворимые в воде. Дис-
соцнаций этих соединений увеличивает
ионов кальция, поэтому процесс гидролиза трехЗлЗиГ
вого силиката подавляется, а схватывание SS
вещес?вае(н?по1шепТССПХв?ТЬ'ВаНИе М0Гут °Рга«>™ские
вещества (например, СДБ), адсорбирующиеся на части-
цах цемента и замедляющие их гидратацию
ся схва™вания портландцемента являют-
ся карбонаты и сульфаты металлов. Они образуют пои
взаимодействии с Са(ОН)2, выделяющимся при гидроли-
зная хктальцие?ого силиката, труднорастворимые соеди-
нения. Так действует, например, поташ:
Са (ОН)2 + К2СОз = СаСОз + 2КОН.
В результате химической реакции образуется мало-
растворимый карбонат кальция, гидроксид кальция вы-
водится из сферы реакции и процесс гидролиза трехкаль-
циевого силиката ускоряется. . ’
Влияние хлорида кальция на сроки схватывания
портландцемента зависит от дозировки. При введении в
бетонную смесь в обычной дозировке 1—2 % массы це-
мента хлорид кальция мало влияет на сроки схватыва-
ния, но существенно повышает начальную прочность
бетона, т.е. действует как ускоритель твердения. При
использовании хлорида кальция в качестве противомо-
розной добавки его можно вводить в больших количест-
вах, тогда он ускоряет схватывание, и бетонную смесь
рекомендуется затворять на холоде, чтобы избежать
преждевременного загустевания.
Один из методов ускорения процессов схватывания и
ся центрами кристаллизации, например, в виде заранее
приготовленного измельченного гидратированного цемен-
та. Ускорителями, помимо широко применяемых неорга-
нических солей, могут быть органические вещества, на-
пример триэтаноламин.
Равномерность изменения объема. Причиной нерав-
номерного изменения объема цементного камня являют-
ся местные деформации, вызываемые расширением сво-
бодного СаО и периклаза MgO вследствие их гидрата-
ции. По стандарту изготовленные из теста нормальной
густоты образцы-лепешки через 24 ч предварительного
Лепешки не должны деформироваться; на них не допуск
каются радиальные трещины.
Активность и марку портландцемента определятйт^Я
пытанием стандартных образцов-призм размером 4Х4Х |
X 16 см, изготовленных из цементно-песчаной раствор- М
ной смеси состава 1 : 3 (по массе) и B/ZZ=0,4, при коней- J
стенции раствора по расплыву конуса 106—115 мм. Че- Я
рез 28 сут твердения (первые сутки — в формах во Ж
влажном воздухе, затем после расформовки в течение 'Я
27 сут в ванне с питьевой водой, имеющей температуру' Я
20±2°С) образцы-призмы сначала испытывают на из- |
гиб, затем получившиеся половинки призм — на сжатие;
Все стандартные испытания цементов для определе-
ния их марки по прочности должны производиться толь-’
ко на песке, соответствующем стандарту. Песок нормаль- ‘ ®
ный для испытания цементов —это природный кварце- Ж
вый песок Привольского месторождения с зернами ок- Ж
руглой формы размером 0,5—0,9 мм, содержащий SiQ^‘ Ж
не менее 98 %, примесей глинистых, илистых и пылевид- Ж
Активностыо портландцемента называют его предел i
прочности при осевом сжатии половинок балочек, испы- 1
тайных в возрасте 28 сут. В зависимости от активности
портландцементов с учетом их предела прочности при
изгибе они подразделяются на марки: 400, 500, 550, 600.
Требования к отдельным маркам цементов по пределам
прочности при сжатии и изгибе приведены в табл. 5.6. <1
У быстротвердеющих портландцементов нормируется
не только 28-суточная прочность, но и начальная — 3-^
суточная. Цемент, которому присвоен государственный
Знак качества, должен обладать стабильными показате- |
лями прочности на сжатие: коэффициент вариации проч- J
пости для цемента марок 300 и 400 не более 5 %, марок
500, 550, 600 —не более 3 %.
Выделение теплоты при твердении. Гидратация це-
мента сопровождается выделением теплоты. В тонких ;
бетонных конструкциях теплота гидратации быстро pagM
свивается и не вызывает существенного разогрева бетона. J
Однако тепловыделение внутренней части массивной !
конструкции может повысить его температуру на 40°C 1
и более по отношению к температуре бетонной смеси при
укладке. Снаружи массив остывает быстрее, чем внутри; .
возникают температурные напряжения, которые нередко j
являются причиной появления трещин в бетоне. Чтобы
котермичные цементы, снижают расход цемента в бето-
д™"”" “ "Л'"<АМ "П"'14'‘ЛИЕ«Н1,Л
В„« пер, йх Предел прочности
:(Йпа)8^“воэр«те*
28 28 ’
Бездобавочный , 400, - 55(5,5) -
600 65(6,5) - 1 600 (60)
Вииротрдаю- 500 45(4,5) 55 (5,5) 60(6) I 400 500 (50)
Шлакопортлавд- 300 - 45 (4 ,5) 55(5,5) 60(6) - | SfiOs
i i IL III! 400 35(3,5) 55 (5,5) 200 (20) Ж
не, а, в случае необходимости применяют искусственное
охлаждение массива.
Не всегда тепловыделение играет отрицательную
роль. Например, при бетонировании конструкций в хо-
лодное время года по способу термоса выделяющаяся
теплота способствует поддержанию положительной тем-
пературы твердеющего бетона.
Термохимические свойства портландцемента зависят
от минерального состава клинкера и тонкости помола.
м1шералщшНпр™П^рОоке'твердения
3 сут 7 сут | 28 сут 6 мес
ЗСаО-SiOj 406 461 486 519 566
2СаО • S1O2 63 105 168 )117 !30
ЗСаОАЬО., ' 1! 11, 876 930 1026
4CaO-AI2O3-Fc2O3 176 252 377 415 ~ i
Данные тепловыделения клинкерных минералов приве-Я
дены в табл. 5.7. Трехкальциевый алюминат и алит отли-
чаются быстрым и высоким тепловыделением; наоборот^
белит выделяет теплоту очень медленно. Следовательно,
снизить экзометрию портландцемента можно, уменьшая
содержание С3А и C3S и соответственно повышая коли-
чество C2S и C4AF. Увеличение тонкости помола порт-
ландцемента усиливает тепловыделение в начале твер-
дения (в первые 1—7 сут). Поэтому для бетонирования •
массивных конструкций применяют портландцемент с \
ограниченным содержанием алита (40—50 %) и трех-
кальциевого алюмината (до 7 %) и с умеренной тонкое- I
тью помола (средняя удельная поверхность 2500— *
3000 см2/г). Интенсивность роста прочности и тепловы-
деления портландцемента зависит от одних и тех же
факторов — все мероприятия, ускоряющие гидратацию 3
цемента, вызывают увеличение тепловыделения и воз-
растание прочности. Это позволяет использовать для при-
ближенной оценки тепловыделения эмпирические фор-
мулы, связывающие тепловыделение и прочностную ха-
рактеристику цемента
Q7 = A₽|'3, • (5.13) I
Правила приемки и хранения цементов. Цемент от-
гружают и принимают партиями от 300 до 4000 т в зави-
симости от годовой мощности цементного завода. Завод
производит паспортизацию цемента и назначает его мар-
ку на основании данных текущего контроля производст-
ва. В паспорте указывается: полное название цемента,
его гарантированная марка, вид и количество добавки
нормальная густота цементного теста, средняя актив-
ность цемента при пропаривании. Для проверки качества
отгружаемой продукции поставщик производит физико-
механические испытания цемента, определяя его проч-
ность в возрасте 3 и 28 сут. По требованию потребителя
поставщик сообщает потребителю результаты физико-
механических и химических испытаний цемента в 10-днев-
ный срок после их окончания.
Цемент отгружают навалом или’ в бумажных пяти-
слойных или шестислойных мешках; массу мешка с це-
ментом указывают на упаковке. При транспортировании
и хранении цемент необходимо защищать от воздействия
влаги и загрязнения. Цементы хранят раздельно по ви-
дам и маркам; смешивание разных цементов не допуска?
§ 8 СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ ЦЕМЕНТА
Для получения портландцемента с заданными специ-
меры: 1) регулирование минерального состава и струк-
туры цементного клинкера, оказывающего решающее вли-
яние на все строительно-технические свойства цемента;
2) введение минеральных и органических добавок, поз-
воляющих направленно изменять свойства вяжущего,
3) оптимизацию тонкости помола и зернового состава
цемента, влияющих на скорость твердения, активность,
1. Быстротвердеющий и особобыстротвердеющий
высокопрочный портландцементы
Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) отлича-
ется от обычного более быстрым нарастанием прочности:
через 3 сут твердения его прочность на сжатие не менее
25—28 МПа, т. е. более половины его марочной 28-суточ-
ной прочности (40 и 50 МПа). Быстротвердеющий порт-
ландцемент получают путем тонкого измельчения (с до-
бавкой 3—5 % гипса) алито-алюминатного клинкера:
сумма C3S + C3A в клинкере обычно составляет 60—
65 %; тонкий помол увеличивает реакционную способ-
ность цемента. Обращают особое внимание на тщатель-
ность подготовки сырьевой смеси, обеспечивая опреде-• 1
ленный химический состав смеси и ее гомогенность^ I
Клинкер должен быть хорошо обожжен и быстро ох- . "1
лажден.
Производство быстротвердеющего портландцемента -1
началось в СССР с 1955 г. одновременно с бурным раз- '
стоящее время БТЦ —основной вид вяжущего для изго- I
товления-сборного железобетона. Применение БТЦ в Я
позволяет снизить расход цемента в бетоне на 10—15 %,
ускорить тепловую обработку при меньших энергозат- Я
ратах, увеличить оборот металлических форм и тем са- Я
мым сэкономить металл. Сокращение общей продолжи- J
тельности производственного цикла дает возможность I
получить больше продукции на том же оборудовании. J
Быстротвердеющий портландцемент используют так- I
же в монолитных немассивных железобетонных конст- 3
рукциях для ускорения набора прочности, в особенности
при зимнем бетонировании. Тонкомолотый БТЦ может
быстро портиться под влиянием влаги и СО2 воздуха, '
теряя свою активность. Поэтому его не следует долго
хранить.
Повышенное тепловыделение БТЦ исключает воз-
можность его применения для массивных конструкций, .
а БТЦ с повышенным содержанием трехкайьциевойМ j
алюмината непригоден для бетона, подвергающегося^
сульфоалюминатной коррозии.
Особобыстротвердекиций высокопрочный портланд-
цемент (ОБТЦ) марки 600 в возрасте 1 сут имеет пре-
дел прочности при сжатии 20—25 МПа, а в возрасте
3 сут — 40 МПа. Столь быстрый рост прочности обуслов-
лен высоким содержанием трехкальциевого силиката
(65—68 %) при умеренном количестве трхкальциево-
го алюмината (до 8%) и высокой тонкостью помола!
(удельная поверхность цемента около 4000 см2/г). При-
менение ОБТЦ в высокопрочных бетонах марок М500—
М 600 снижает на 15—20% расход цемента, сокращает Жц
время и энергетические затраты на тепловую обработку 1
железобетонных изделий. №
Сверхбь'стротвердеющий цемент (СБТЦ), разрабо- Н
тайный НИИЦемента, отличается от уже описанного
БТЦ значительно более высокой ранней прочностью, 1(
превышающей через 6 ч после затворения водой 10 МПа. 4.
Применение СБТЦ дает возможность через 1—4 ч полу-
чать без тепловой обработки прочность бетона, достаточ-
ную для распалубки изделий. Для изготовления СБТЦ
требуется вводить в сырьевую смесь галогеносодержа-
щие вещества (например, фторид или хлорид кальция)
и повышать содержание алюминатов. СБТЦ отличается
2. Сульфатостойкие портландцементы
Такие портландцементы изготовляют на основе клин-
кера нормированного минерального состава и применя-
ют для изготовления бетонных и железобетонных конст-
действии сред, агрессивных по содержанию Рв них
сульфатов. • л
По вещественному составу эти цементы подразделяют
на следующие виды: сульфатостойкий портландцемент
марки 400, сульфатостойкий портландцемент с мнне-
шлакопортландцемент марок 300 и 400, пуццолановый
портландцемент марок 300 и 400. Клинкер, применяемый
для получения цементов, по расчетному минеральному
составу должен соответствовать требованиям, указанным
в табл. 5.8.
ЗСаО SiO2. нс более
ЗСаО ЛЬОэ, не более
рита 4Cab>AlaOrFe3Oa, нс
Сульфатостойкий портландцемент предназначается ’Л
не только для изготовления бетонов, подвергающихся’.^
действию сульфатной коррозии, но и для бетонов повы-
шенной морозостойкости.
Сульфатостойкие шлакопортландцемент и пуццола- Ж
новый портландцемент применяют для подземных и Л
подводных частей сооружений, подвергающихся суль- Я
фатной коррозии.
3. Портландцементы с органическими добавками
Такне цементы изготовляют, вводя при помоле клин- J
кера на цементном заводе поверхностно-активные добав- 4
ки в оптимальной дозировке. Поверхностно-активные до- Ч
бавки можно разделить на гидрофилизующие и гид--
рбфобизующие.
К гидрофилизующим добавкам относится сульфитно- Ж
дрожжевая бражка (СДБ), получаемая из сульфитных J
щелоков, образующихся при сульфитной варке цел л юл©-: V
зы. СДБ представляет собой в основном кальциевую Я
соль лигносульфоновой кислоты — лигносульфонат каль- 3
ция, который гидрофилизнрует частицы цемента, т. е. Л
улучшает их смачивание водой, одновременно ослабляя I
силы взаимного сцепления между частицами вяжущего. I
В результате добавка СДБ повышает пластичность це-
ментного теста и подвижность бетонных смесей.
К гидрофобизукнцим добавкам относят мылонафт, Q
асидол, асидол-мылонафт, синтетические жирные кисло- Л
ты и их соли.
Мылонафт представляет собой натриевое мыло наф-
теновых кислот. Общая формула нафтеновых кислот
СпНгл-iCOOH, где л изменяется от 8 до 13. Источником
получения нафтеновых кислот являются щелочные отхо-
ды. образующиеся при очистке продуктов перегонки
нефти (бензина и др.) щелочью. Из них получают тех-j
ническне нафтеновые кислоты, известные под названием!
асидол и асидол-мылонафт. Синтетические жирные кис-
лоты изготовляют путем окисления парафина. Мож-
но применять в качестве добавки как синтетические жир-
ные кислоты, так и кубовые остатки, полученные при
производстве этих кислот.
Молекулы нафтеновых кислот и их солей состоят из
полярной группы (СООН или COONa) и углеводород-
ного радикала. Эти молекулы адсорбируются на части»
пах цемента так, что их углеводородные радикалы об-
ращены наружу; они не смачиваются водой и придают
цементу гидрофобные свойства. Своеобразным «смазоч-
ным» действием тонких ориентированных пленок на ча-
стицах цемента объясняется увеличение подвижности
бетонных смесей.
Пластифицированный портландцемент изготовляют
путем введения при помоле клинкера около 0,25 % СДБ
(в расчете на сухое вещество). Он отличается от обыч-
ного портландцемента способностью придавать раствор-
ным и бетонным смесям повышенную подвижность. Пла-
стифицирующий эффект используется для уменьшения
водоцементного отношения и повышения плотности, мо-
розостойкости и водонепроницаемости бетона. Если же
сохранить В/Ц,^ то можно снизить расход цемента
Гидрофобный портландцемент изготовляют, вводя в
мельницу при помоле клинкера 0,1—0,2% мылонафта,
асидола, синтетических жирных кислот, их кубовых ос-
татков и других гидрофобизующих добавок. Эти вещест-
ва, адсорбируясь на частицах цемента, понижают его
гигроскопичность, поэтому гидрофобный цемент, в от-
личие от обычного, при хранении даже в очень влаж-
ных условиях не портится, т.е. не комкуется и со-
храняет свою активность. В связи с этим гидрофоб-
ные портландцементы рекомендуется поставлять в
районы с высокой влажностью воздуха, а также в
тех случаях, когда неизбежно длительное хранение це-
При изготовлении бетонных смесей, когда происхо-
дит смешивание гидрофобного цемента с заполнителями
и водой, целостность адсорбционных пленок на частицах
цемента нарушается и он нормально реагирует с водой.
Гидрофобизующие вещества, введенные при помоле
клинкера, действуют и как пластификаторы, т. е. плас-
тифицируют бетонные смеси. Такие вещества сохраня-
ются в отвердевших материалах, существенно повы-
шая их водо- и морозостойкость и увеличивая сопро-
тивляемость агрессивным воздействиям среды. Гидро-
фобный цемент был разработан М. И. Хигерови-
чсм и Б. Г. Скрамтаевым; на основе советского опы-
та было начато изготовление этого цемента и за гра-
ницей.
4. Портландцемент с минеральными добавками
Активными минеральными добавками называют при-
родные или искусственные вещества, которые при сме- 1
пищании в тонкоизмельченном виде с воздушной из-
вестью и затворении водой образуют тесто, способнотаД
после твердения на воздухе продолжать твердеть й под
водой. Активные минеральные добавки (называемые I
иначе гидравлическими добавками) содержат диоксид, в
кремния в аморфном, а следовательно, в химически ак- '
вать с Са(ОН)2, образуя гидросиликаты кальция.
Активные минеральные добавки могут быть природ-
ными (естественными) и искусственными. В качестве
природных активных добавок широко используют оса- |
дочные горные породы (диатомит, трепел, опоку, горе-
лые глинистые породы — гл иежи), а также породы вул-
канического происхождения (вулканический пепел, туф,
пемзу, витрофир, трасс). Искусственные активные мине-
ральные-добавки представляют собой побочные продук-
ты и отходы промышленности; быстроохлажденные (гра-
нулированные) доменные шлаки; белитовыи (нефелино- I
вый) шлам —отход глиноземного производства,
содержащий в своем составе до 80 % минерала белита
(двукальциевого силиката); зола-унос — отход, получа- J
емын при сжигании твердого топлива в пылевидном со- 4
стоянии и улавливаемый электрофильтрами и другими
устройствами. Использование отходов промышленности j
для выпуска вяжущих веществ имеет большое народно- j
ет растворимый в воде гидроксид кальция, выделяющий-
ся при твердении портландцемента, при этом повыша-
ется плотность цементного камня, возрастает его сопро-
тивленне коррозии. Поэтому активные минеральные до- 1
бавки применяют для повышения плотности, водостой-
кости и солестойкости бетонов и растворов. Некоторые Я
из них используют для приготовления жароупорных бе- J
тонов и растворов на портландцементе. Портландцемент, .
содержащий активную минеральную добавку в количест-
ве до 5 % и 10—20 % (массы цемента), имеет те же мар-
ки, что и портландцемент (см. табл. 5.6), и близок к не-
му по другим свойствам.
Пуццолановый портландцемент изготовляют путем
добавки с необходимым количеством гипса. Добавокоса-
дочного происхождения (диатомита, трепела, опоки)
должно быть не менее 20 и не более 30 %, а вулканиче-
ских добавок (пемзы, туфа, гл нежа или топливной зо*
лы) не менее 25 и не более 40%. Активная минераль-
ная добавка вначале адсорбирует, а затем химически
связывает Са(ОН)2, образующийся при взаимодействии
алита с водой:
mCa (ОН)2 + SiO2(aKT> + лН2О -► (0,8 — 1,5) CaOSiO2pH2O.
В ходе этого цроцесса, происходящего во влажных
условиях и при положительной температуре, раствори-
мый гидроксид кальция связывается в практически не-
растворимый гидросиликат кальция. В результате значи-
тельно возрастает стойкость бетона к коррозии первого
вида — выщелачиванию Са(ОН)2. Пуццолановый порт-
ландцемент следует применять для бетонов, постоянно
находящихся во влажных условиях (подводных и под-
земных частей сооружений). На воздухе бетон на пуц-
цолановом портландцементе дает большую усадку и в
сухих условиях частично теряет прочность. Кроме того,
бетоны на этом цементе имеют низкую морозостойкость
и не годятся для сооружений, подвергающихся замора-
живанию и оттаиванию. Пуццолановый портландцемент
твердеет медленнее, чем портландцемент, в особенности
при низких температурах, поэтому его не следует приме-
нять при зимних бетонных работах. Он обладает срав-
нительно Небольшим тепловыделением, а поэтому его ча-
Шлакопортландцемент — гидравлическое вяжущее
вещество, твердеющее в воде и на воздухе. Он получает-
ся путем совместного тонкого помола клинкера и грану-
лированного доменного (или электротермофосфорного)
шлака с необходимым количеством гипса. Допускаются
раздельный помол компонентов и их последующее сме-
шение. Количество доменного шлака в шлакопортланд-
цементе должно быть не менее 21 и не более 80 % (мас-
сы цемента). Допускается замена до 10 % шлака трепе-
лом пли другой активной минеральной добавкой.
Доменные шлаки по своему химическому составу на-
поминают цементный клинкер. В них нР^ладают окси-
ды, %: СаО 30—50; SiO2 28—30; А12О3 8—24; МпО 1—3;
MgO 1 — 18; их общее содерн<ание составляет 90—95 %.
Гидравлическая активность шлаков характеризуется мо-
дулями основности (Мо) и активности (Ма).
Модуль основности — отношение содержащихся в
шлаке основных оксидов к сумме кислотных, %; |
М CaO+MgO g 1
"•= SIO.J-AI.O. (5 U?
нбвные шлаки; их Л/о>1, и кислые, имеющие Л40<1.
Более активные — основные шлаки.
Гидравлическая активность доменных шлаков воз-
мото по формуле, %
Ма = A12O3/S1O2. (5.15) Л
Шлак, применяемый в качестве добавки к цементу, Я
обязательно подвергается быстрому охлаждению водой JV
или паром. Эта операция называется грануляцией, так Л
как в процессе быстрого охлаждения шлаковый расплав -4|
распадается на отдельные зерна (гранулы)- Быстрое ох- ж
лаждение препятствует кристаллизации шлака и он пе- Я
реходит в стеклообразное и тонкозернистое химически Л
являющийся активным компонентом^ шлакопортландце-
мента, взаимодействует с гидроксидом кальция и обра-
зует низкоосновные гидросиликаты Cao-SiO2-2,5 Н2О и V
гидроалюминаты 2СаО-А12О3-8Н2О кальция. Процесс М
твердения шлакопортландцемента значительно ускоряет-
ся при тепловлажностной обработке, поэтому его эффек- ж
тивно применять в сборных Изделиях, изготовляемых с
Незначительное содержание в цементном камне Я
Са(ОН)2 повышает стойкость шлакопортландцемента в
мягких и сульфатных водах по сравнению с портландце- Ж
ментом. Тепловыделение при твердении шлакопортланд-
цемента в 2—2,5 меньше, чем портландцемента, поэтому I Л
он является самым подходящим цементом для бетона fl
массивных конструкций. Шлакопортландцемент выгод- "fl
но отличается от пуццоланового портландцемента уме- -ж
ренной водопотребностью, более высокой воздухостой-
костью и морозостойкостью. Он успешно применяется fl
для надземных, подземных и подводных частей соору-
жений. Стоимость его на J5—20 % ниже стоимости порт- ifl
ландцемента. Однако шлакопортландцементу присущ
тот же недостаток, что и пуццолановому портландцемен-
ту — он медленно набирает прочность в первое время
твердения, в особенности при пониженных температурах
Этот недостаток устраняется в быстротвердеющем шла-
копортландцементе, который обладает более интенсив-
ным нарастанием прочности, чем обычный шлакопорт-
ландцемент. Обычный шлакопортландцемент имеет мав-
ки 300, 400 и 500.
Быстротвердеющий шлакопортландцемент марки 400
за 3 сут твердения должен приобрести предел прочности
при сжатии не менее 20 МПа, при изгибе —не менее
3,5 МПа. Этот вид цемента эффективно применять в про-
изводстве бетонных и железобетонных изделий, изготов-
ляемых с применением тепловлажностной обработки.
5. Белый и цветные портландцементы
Основой декоративных цементов является белый
клинкер. Клинкер белого цемента изготовляют из чис-
сидов железа и марганца, которые придают обычному
портландцементу зеленовато-серый цвет. Обжигают
сырьевую смесь на беззольном (газовом) топливе. При
помоле клинкера предохраняют цемент от попадания в
него частиц железа.
Важный показатель качества белого цемента —сте-
степени белизны применяют молочное матовое стекло
МС-14 с коэффициентом отражения не менее 95%. Сте-
пень белизны, определяемая коэффициентом отражения
(в % абсолютной шкалы) должна быть для белого
портландцемента первого сорта не ниже 80, второго сор-
та 75, третьего сорта 68; такой цемент выпускают марок
400 и 500.
Цветные портландцементы (желтый, розовый, крас-
ный и др.) получают совместным помолом белого клинке-
ра с соответствующими минеральными пигментами (ох-
рой, железным суриком и др.).
Белые и цветные цементы применяют для индустри-
альной отделки стеновых панелей, при изготовлении ле-
стничных ступеней, подоконных плит, в дорожных рабо-
тах для цементно-бетонных покрытий площадей, разде-
лительных полос на авто-магистралях, а также для дру-
гих нужд архитектурно-художественного оформление Я
зданий и сооружений.
Цементы для строительных растворов (кладочные ЛЖ
цементы) изготовляют совместным помолом клинкера и - j
минеральных добавок (трепел, опока и известняка), взя- ЗЯ
тых примерно в равных количествах или при соотноше-
ннях до 30 % клинкера и 70 % минеральной добавкйДД
При помоле могут вводиться пластификаторы. Получа-1 \
ются низкомарочные цементы: их активность в среднем'Я Л
в 2—3 раза меньше активности портландцемента, но до- i
статочна для кладочных и штукатурных работ. РасходЯИ
наиболее дорогой и энергоемкой клинкерной части ’ шЯ
этих цементах сравнительно невелик.
6. Тампонажный портландцемент
Тампонажный портландцемент изготовляют измель-
чением клинкера, гипса и добавок. Он прёдназначен для I
цементирования нефтяных и газовых скважин. ЦеменяИ
для холодных скважин испытывают при температуре
22±2°С, для горячих скважин —при 75±3°С. Основная
прочностная характеристика цемента — предел прочнос-
ти при изгибе образцов-балочек размером 4X4X16 см,
изготовленных из цементного теста с В/Д=0,5. Преду-J
сматривается выпуск специальных разновидностей там-
понажного портландцемента: утяжеленного, песчанистой
го, солестойкого низкогигроскопичного.
7. Глиноземистый цемент
По минеральному составу и техническим свойствам 1
такой цемент сильно отличается от портландцемента. J
Глиноземистый цемент — быстротвердеющее и высоко-J
прочное гидравлическое вяжущее вещество, получаемое»
путем тонкого измельчения клинкера, содержащего пре- i
имущественно низкоосновные алюминаты кальция. Од-Л
иокальциевый алюминат СаО-А12Оз определяет быстроёд
твердение,и другие свойства глиноземистого цемента..
В небольших количествах в нем также содержатся дру-
гие алюминаты кальция (СаО-2А12О3) и алюмосили-
кат кальция— геленит 2СаО-Al2O3-SiO2. Силикаты
кальция представлены небольшим количеством белита.
сырьевую смесь, составленную из известняка СаСОз и J
боксита А12О3-пН2О, подвергают спеканию (при темпе-
ратуре около 1300°С) или плавлению (при 1400 °C)’.
Глиноземистый клинкер размалывается труднее, чем
клинкер портландцемента, поэтому на помол затрачива-
ется больше электроэнергии. Кроме того, бокситы пред-
ставляют собой ценное сырье, используемое для произ-
водства алюминия. Эти и другие обстоятельства повы-
шают стоимость глиноземистого цемента и ограничивают
его выпуск. Сырьевая база для выпуска глиноземис-
'того цемента может быть расширена путем использова-
ния некоторых отходов промышленности, содержащих в
своем составе глинозем. В СССР разработан способ про-
изводства глиноземистого цемента путем плавки в домен-
ной печи бокситовой железной руды с добавкой извест-
одновременно выдает- чугун и шлак, представляющий
собой клинкер глиноземистого цемента.
Глиноземистый цемент обладает высокой прочностью,
если он твердеет при умеренной температуре (не выше
25°C), поэтому глиноземистый цемент нельзя применять
для бетонирования массивных конструкций из-за разог-
работке. В процессе твердения глиноземистого цемента
образуется высокопрочное вещество — двухкальциевый
гидроалюминат:
2 (СаО-А12о3) + 11Н2О = 2СаО-А2О3- 8Н2О + 2А1 (ОН)3.
Двухкальциевый гидроалюминат выделяется в виде
пластинчатых гексагональных кристаллов, а гидроксид
алюминия представляет гелевидную массу. Если же тем-
пература бетона превысит 25-30 °C, то наблюдается пе-
реход двухкальциевого гидроалюмината в кубический
трехкальциевый гидроалюминат ЗСаО-А12О3-6Н2О, кото-
рый сопровождается возникновением внутренних напря-
жений в цементном камне и понижением прочности оето-
на в Z—о раза. оземистого цемента яв-
ляется его необычно быстрое твердение. Марки глинозе-
мистого цемента, определяемые по Результатам испыта-
ния образцов 3-суточного возраста: 400. 500 и 600. Как
известно, портландцемент набирает такую прочное
только через 28 сут нормального твердения. Из табл. 5.У
видно, что уже через 1 сут глиноземистый цемент наби-
рает высокую прочность.^
.Ж ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЧНОСТИ ГЛИНОЗЕМИСТОГО №»”"* — Предел IIJ..-4HA A п. ' Г" жж —j Г ряющиеся цементы обладают контролируемым расшире- | нием, которое, проявляясь в стесненных условиях, вызы- 1 вает самоуплотнение цементного камня (и бетона). ' Растворы и бетоны на расширяющихся цементах практи- | 1 чески непроницаемы для воды и нефтепродуктов (керо-
400 230(23) fnn£m Kg. JJJ 280(28) 50» И 6ТО 330(33) 600(60) я 1 сина, бензина и др.), которые вследствие малого поверх- 1 ностного натяжения легко просачиваются через капил- [ \ лярные поры портландцементного камня. Расширяющиеся цементы относятся к числу смешан-
При столь быстром твердении глиноземистый «ме«т Я обладает нормальными сроками схватывания, почти та- 1 кнми же как и портландцемент. Начало схватывания глиноземистого цемента должно наступать не ранее чем | через 30 мин (портландцемента не ранее чем через Я 45 мин), а конец —не позднее чем через 12 ч от начала | ^Т^ловыделение глиноземистого цемента при тверде- -Я НИИ примерно в 1,5 раза больше тепловыделения порт- . ландцемента (250—370 кДж/кг). В продуктах гидратации глиноземистого цемента не содержится Са(ОН)а и трехкальциевого шестиводного гидроалюмината (если температура твердения не превы- Я шает 25°C). Этим объясняется высокая коррозионная V стойкость бетона на глиноземистом цементе в сульфат- 4 ных, морской и углекислой водах. Сильные кислоты раз- Л рушают глиноземистый цемент так же, как и концентри- -я рованные растворы щелочей. Глиноземистый цемент применяют в специальных со- ' тах, для изготовления жаростойких бетонов и растворов. Л Кроме того, он входит в состав многих расширяющихся Я цементов. |И ных, иногда многокомпонентных вяжущих. Были изучены различные расширяющиеся компоненты цемента, однако 1 наиболее эффективными оказались модификации гидро- сульфоалюмийата кальция. Состав цемента, влажностные 1. условия твердения позволяют регулировать количество и скорость образования кристаллов гидросульфоалюмина- L- та кальция и избежать появления вредных напряжений,. 1 вызывающих растрескивание цементного камня. Совет- ► ские ученые разработали ряд вяжущих, получивших при- знание в СССР и за рубежом. Водонепроницаемый расширяющийся цемент (разра- ботан В. В. Михайловым) является быстрбсхватываю- щимся и быстротвердеющим гидравлическим вяжущим. - Его получают путем тщательного смешивания глинозе- мистого цемента (~70%), гипса (~2О°/о) и молотого специально изготовленного высокооснбвного гидроалю- мината кальция (~ 10 %). Водонепроницаемый расширя- ющийся цемент был впервые применен для зачеканкн швов тюбингов Московского метрополитена взамен ранее применявшегося свинца. Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент (разра- ботан И. В. Кравченко) — быстротвердеющее гидравли- ческое вяжущее, получаемое совместным тонким измель- чением высокоглиноземистых клинкера или шлака и при- родного двуводного гипса (до 30 %) или тщательным
8. Расширяющиеся и безусадочные цементы смешиванием тех же материалов, измельченных раздель- но. Гипсоглиноземистый цемент обладает свойством рас-
Портландцементный камень при твердении на возду- S хе высыхает и претерпевает усадку, которая нередко яв- Я ляется причиной усадочных трещин. Чтобы плотно заде- Я лать шов между сборными элементами конструкций и по- # лучить практически непроницаемый раствор, или бетон, необходимо использовать вяжущее вещество, способное j после затворения в начальный период твердения увели- Я чивать свой объем без структурных нарушений. Расши- ширения при твердении в воде; при твердении на возду- хе он проявляет безусадочные свойства. Применяется t | для омоноличивания стыков сборных конструкции, гид- роизоляционных штукатурок, плотных бетонов в железо- бетонном судостроении и при возведении емкостей для хранения нефтепродуктов. иппапПии₽гкпе Расширяющийся портландцемент —гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным тонким из- 219
мельчанием елелую= компонент %™ м--): порт- Я
ландцемеитного к^,н1‘ер 7_10. доменного граиулпро- •
===-;t;s^==^:; 1
нни в течение первых 3 сут. R м„хайло- I
Напрягают,....вменг (разработан В. В. ™'ха'а1°
вым) состоит из 65-75 % портландцемента, 13-20 /о 1
Хтоземистого цемента и 6-10 % гипса; его удельная
поверхность iне менее 3500 см’/г. В процессе расширения |
Гопрмеленных условиях твердения этот Цемент создает. 1
в арматуре, независимо от ее расположения в железобе
тонной конструкции, предварительное напряжение. Сле-
дователыю, химическая энергия вяжущего вещества ис- |
пользуется для получения предварительно напряженных
конструкций без применения механических или термине- И
ских способов, требующих специального оборудования. I
В зависимости от достигаемой энергии самонапряже- «
пня. определяемой по специальной методике и выражае- J
мой в МПа, выделяют: НЦ=2, НЦ=4 и НЦ=6. Нача-
лосхватыванияНЦдолжнонаступатьне ранее чем через
30 мив и конец—не позднее чем через 4 ч после за- 1
творения. Напрягающий цемент быстро твердеет, проч- I
ность НЦ при сжатии через 1 сут должна быть не менее
15 МПа. через 28 сут твердения—50 МПа.
Самонапряженные железобетонные конструкции на |
НЦ отличаются повышенной трещиностойкостью, поэто- j
му НЦ применяют для газонепроницаемых конструкций, ] I
хранилищ бензина, подводных и подземных напорных ]
сооружений, спортивных объектов (например, НЦ успеш-
но применен в основной конструкции искусственного кат-
ка Медео).
§ 9. ГИПСОВЫЕ И ДРУГИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА
1. Виды гипсовых вяжущих веществ
Гипсовые вяжущие вещества —это состоящие в ос-
новном из полуводного гипса или ангидрита воздушные
вяжущие, получаемые тепловой обработкой сырья и по-
молом. Сырьем для получения гипсовых вяжущих чаще
всего служит горная порода — гипс, который состоит пре-
имущественно из минерала гипса CaSO4-2H2O. Исполь-
зуют и ангидрит CaSO4, отходы промышленности (фос-
фогипс—от переработки природных фосфатов в су-
перфосфат, борогипс и др.).
В зависимости от температуры тепловой обработки
гипсовые вяжущие вещества подразделяют на две груп-
пы: низкообжиговые и высокообжиговые.
Н иакообжиговые гипсовые вяжущие получают тепло-
вой обработкой природного гипса при низких температу-
рах (ПО— 160°С). Они состоят в основном из полувод-
ного гипса, так как дегидратация сырья при указанных
температурах приводит к превращению двуводного гип-
са в полугидрит CaSO4-0,5H2O:
CaSO4-2H2O = CaSOr0,SH2O + 1,5Н2О.
Реакция дегидратации протекает с поглощением теп-
лоты, для получения 1 кг полуводного гипса из двугидра-
та теоретически надо затратить 580 кДж.
К низкообжиговым гипсовым вяжущим веществам от-
носятся: строительный, формовочный и высокопрочный
Строительный гипс изготовляют низкотемпературным
обжигом гипсовой породы (гипсового камня) в варочных
котлах или печах. В первом случае гипсовый камень
сначала размалывают, а потом в виде порошка нагрева-
ют в варочных котлах. Имеются промышленные установ-
ки, в которых совмещены помол и обжиг. При'обжиге в
открытых аппаратах, сообщающихся с атмосферой, вода
из сырья удаляется в виде пара, и гипсовое вяжущее
состоит в основном из мелких кристаллов р-модифика-
ции CaSO4-0,5H2O; содержит также некоторое количест-
во ангидрита CaSO4 и частицы неразложившегося сырья.
Формовочный гипс состоит также в основном из р-
модификации полугидрата CaSO4«0,5H2O. Он содержит
незначительное количество примесей и тонко размалыва-
ется. Применяют его в керамической и фарфоро-фаянсо-
вой промышленности для изготовления форм.
Высокопрочной гипс получают термической обработ-
кой высокосортного гипсового камня в герметичных ап-
паратах в среде насыщенного пара при давлении выше
атмосферного либо кипячением его в водных растворах
некоторых солей с последующей сушкой и размолом в
• лялю™ Он состоит в основном из а-модифика-
тонкии порошок, он с кальция в виде крупных и
ций полуводного су Ф еризу10щИХСЯ пониженной во-
обболее ₽плот„ую структуру отвердевшего
„ CaSO.-ftSHsO и прочность на сжатие 15—25 Mila, ко-
торая может достигать при специальной технологии 60- !
70 Высокообжоговые гипсовые вяжущие вещества изго-
товляют путем обжига'гнпсового камня при высокой тем-
пературе (600—900’С), поэтому они состоят преимущест-
венно’ из ангидрита CaSO,, который частично подверга-
ется термической диссоциации с образованием СаО. Не-
большое количество оксида кальция в составе вяжущего
играет роль активизатора процесса химического взаимо-
действия ангидритового вяжущего с водой. Можно полу-
чить ангидритовое вяжущее и без обжига (по способу
П. П. Будникова)—помолом природного ангидрита с ак-
тивизаторами твердения (известью, обожженным доло-
митом и т. п.).
Высокообжиговый гипс (в отличие от строительного
гипса) медленно схватывается и твердеет, но его водо-
стойкость и прочность на сжатие выше (10—20 МПа),
поэтому его применяют при устройстве бесшовных полов,
в растворах, для штукатурки и кладки, для изготовления
«искусственного мрамора».
2. Твердение, свойства и применение
1ипсовых вяжущих веществ
При твердении строительного гипса происходит хими-
ческая реакция присоединения воды и образования дву-
водного сульфата кальция
CaSO40,5H2O + 1,5Н2О = CaSO4-2H2O.
При гидратации 1 кг p-полугидрата выделяется теп-
лота, равная 133-кДж. Теоретически для гидратации по-
луводного гипса с образованием двуводного гипса требу-
ется 18,6 % воды от массы гипсового вяжущего вещества.
Практически для получения удобоформуемой пла-
стичной смеси строительный гипс требует 50—70 % воды,
а высокопрочный —30—40% воды. Вследствие значи-
тельного количества химически несвязанной воды за-
твердевший гипс имеет большую пористость — 40—60 %
н более. Пористость меньше при использовании высоко-
прочного гипса.
Поскольку растворимость полугидрата в воде 8 г/л
(в расчете на CaSO4), а двугидрата 2 г/л, то вскоре пос-
ле затворения строительного гипса водой создаются усло-
вия для образования в пересыщенном растворе зароды-
шей кристаллов двугидрата. Схватывание (загустевание)
гипсового теста начинается с образования рыхлой прост-
ранственнои коагуляционной структуры, в которой крис-
сталлики двугидрата связаны слабыми ван-дер-ваальсо-
выми силами молекулярного сцепления. После схватыва-
ния происходит твердение, обусловленное ростом кри-
сталлов новой фазы, их срастанием и образованием кри-
сталлизационной структуры. Свежеизготовленные гипсо-
вые изделия сушат (при 60—70°C), что повышает проч-
ность контактов срастания кристаллов и самих изделий
вследствие удаления пленочной воды. Можно обойтись
и без сушки, если уменьшить количество воды затворе-
ния за счет введения в гипсовые растворы и бетоны пла-
стифицирующих добавок и применения интенсивного yn*
лотнения.
Основные свойства гипсовых вяжущих: тонкость по-
мола, водопотребность, сроки схватывания, прочность на
растяжение при изгибе и при сжатии (марка).
Тонкость помола характеризуется массой гипсового
вяжущего (% пробы, взятой для просеивания, но не ме-
нее 50 г), оставшегося при просеивании на сите с ячей-
ками размером в свету 0,2 мм. Установлены три степени
помола, обозначаемые соответственно I, II, III: I (грубый
помол) —остаток на сите не более 30 %; II (средний по-
мол)— остаток на сите не более 15%; III (тонкий по-
мол)— остаток на сите не более 2 %.
Водопотребность гипсового вяжущего определяется
количеством воды, % массы вяжущего, необходимым для
получения гипсового теста стандартной консистенции
(диаметр расплыва 180±5 мм).
В зависимости от сроков схватывания гипсового тес-
та стандартной консистенции йыпускают следующие ви-
ды гипсовых вяжущих: быстротвердеющие (обозначают
А) с началом схватывания не ранее чем через 2 мин и
концом —не позднее чем через 15 мин; нормальнотвер-
деющие (обозначают Б) с началом схватывания не ранее
чем через 6 мин и концом —не позднее чем через 30 минj
медленнотвердеющие (обозначают В} с началом схваты-
валяя не ранее чем через 30 мин (конец схватывания не
нормируется).
Прочностные характеристики гипсового вяжущего оп-
ределяют, подвергая испытанию образцы-балочки разме-
ром 40X40X160 мм из гипсового теста стандартной кон-
систенции через 2 ч после изготовления. Для гипсовых,
вяжущих установлены следующие марки в зависимости
от предела прочности при сжатии (,/?Сж) с учетом прочно-'
Маркировка гипсового вяжущего дает информацию о
его основных свойствах^ Например, Г-5-А-П обозначает:
гипсовое вяжущее марки 5 быстротвердеющее, среднего I
помола.
Гипсовые вяжущие в воде снижают свою прочность- *
вследствие растворения CaSO4-2H2O и разрушения кри-
сталлического сростка. Для повышения водостойкости I
гипсовых изделий при изготовлении вводят гидрофобные
добавки, молотый, доменный гранулированный шлак, а
также пропитывают водоотталкивающими составами.
Гипсовые вяжущие марок от Г-2 до Г-7 применяют
для изготовления гипсовых деталей и гипсобетонных из-
делий—перегородочных панелей, сухой штукатурки я
и т. п., а также для приготовления штукатурных раство-
ров (внутренней штукатурки) и получения гппсоцемент-
но-пуццолановых вяжущих (ГЦПВ). Нередко при при-
менении быстросхватывающегося гипса требуется замед-
лить схватывание. С этой целью в воду затворения до-
бавляют животный клей или СДБ, которые адсорбируют-
ся на частицах гипса и образуют адсорбционную пленку,
затрудняющую растворение полугидрага и начало его
схватывания. В процессе твердения гипсовый раствор не-
много увеличивается в объеме, что благоприятствует из-
готовлению архитектурных деталей способом литья
Для тонкостенных изделий (вентиляционные короба и
др.), штукатурных работ, заделки швов применяют гип-
совые вяжущие марок Г-3—Г-25.
Кроме гипсовых вяжущих общестроительного назна-
чения, выпускают гипсовые вяжущие марок Г-5—Г-25
тонкого помола с нормальными сроками схватывания для
изготовления форм и моделей фарфорово-фаянсовых и
керамических изделий. К ним предъявляются дополни-
тельные требования: объемное расширение не более
0,15 %, содержание нерастворимых в НС1 примесей —не
более 1 %, водопоглощение затвердевшего вяжущего —
не менее 30 %.
3. Гилсоцементно-пуццолановые вяжущие
Такие вяжущие (предложены А. В. Волженским) по- -
лучают, смешивая (% по массе) полуводный^гипс (50—
75), портландцемент (15—25) и активную минеральную
добавку (1Q-—25) — трепел, диатомит и т. п. Эти вяжу-
щие относят к числу гидравлических и применяют в за-
водском производстве санитарно-технических кабин, стё-
новыхпанелей и других изделий.
печения стабильности затвердевшего вяжущего. Портг
ландцемент не рекомендуется смешивать с гипсом, так
как получается неустойчивый материал, деформирую-
щийся и разрушающийся вследствие образования высо-
косульфатной формы гидросульфоалюмината кальция,
кристаллизующегося с 31—32 молекулами воды и значи-
тельным увеличением объема. Когда же свободной извес- '
ти в жидкой фазе немного (СаО связывается добавкой в
гидросиликаяы кальция), то получается низкооснбвный
гидросульфоалюминат кальция без заметного увеличе-
ния объема. Добавка как бы ослабляет внутренние на-
пряжения в цементном камне ГЦПВ и обеспечивает ус-
тойчивость его во времени.
4. Магнезиальные вяжущие вещества
Магнезиальные вяжущие вещества (каустический
магнезит и каустический доломит) — тонкие порошки,
главной составной частью которых является оксид маг-
<шя Магнезиальное вяжущее получают умеренным об-
жигом (при 750-850"С) магнезита (реже доломита):
мвсо, = мго + сог.
Магнезиальное вяжущее чаще всего затворяют водным
раствором хлорида магния (или других магнезиальных
солей). Это ускоряет твердение и значительно повышает
прочность, так как наряду с гидратацией оксида магния
происходит образование гидрохлорида магния 3MgO-
MgCI2-6HaO. При затворении водой оксид магния гид-
ратируется очень медленно.
Магнезиальное вяжущее относят к воздушным вяжу-
щим веществам. Оно отличается высокой прочностью,
достигающей при сжатии 60—100 МПа, хорошо сцепля-
ется с деревом, поэтому его можно применять для из-
готовления фибролита и магнезиально-опилочных (кси-
лолитовых) полов — монолитных И ПЛИТОЧНЫХ.
5. Жидкое стекло и кислотоупорный
кварцевый цемент
Жидкое стекло представляет собой коллоидный вод-
ный раствор силиката натрия или силиката калия,-име-
ющий плотность 1,3—1,5 при содержании воды 50—
70%.
Состав щелочных rii iiii.jmi г.i j ра;i. icгея форм\ ioii
R2O-mSiO2, где R—Na или К; m — модуль жидкого стек-
ла; m натриевого стекла составляет 2,6—3,5; m калиево-
го стекла—3—4. Натриевое стекло варят из кварцевого
песка и соды в стеклоплавильных печах, как обычное
стекло, и когда расплав застывает, образуются твердые
прозрачные куски с желтоватым, голубоватым или слабо
зеленым оттенком, называемые силикат-глыбой. Жидкое
стекло получают, растворяя раздробленные куски сили-
кат-глыбы в воде при повышенной температуре и давле-
нии 0.6—0,7 МПа. Силикат натрия должен удовлетво-
рять требованиям, указанным в табл. 5.10.
Натриевое стекло применяют для изготовления кис-
лотоупорных я жароупорных бетонов, для уплотнения
грунтов. Калиевое стекло, более дорогое, применяют пре-
имущественно в силикатных красках. Н
шестая” етекл0 оти°сЯ’' к воздушным вяжущим ве-
ГАБЛИЦА 6.10. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К СИЛИКАТУ НАТРИЯ
FcjOj-l-AljOs, % не более
Силикаты натрия и калия в воде подвергаются гидро-
лизу с участием СО2 воздуха
NajjSiOa + 2НгО + СО2 = SiO2 - 2Н2О + Na2COs.
Выделяющийся гель кремневой кислоты SiO2*2H2O об-
ладает вяжущими свойствами, а водный раствор имеет
щелочную реакцию. Для ускорения твердения жидкого
стекла к нему добавляют кремнефторид натрия Na2SiFe,
ускоряющий выпадение геля кремневой кислоты и гид-
ролиз жидкого стекла.
Кислотоупорный кварцевый цемент —это порошкооб-
разный материал, получаемый путем совместного помола
чистого кварцевого песка и кремнефторида натрия
(возможно смешение раздельно измельченных компонен-
тов). Кварцевый песок можно заменить в кислотоупор-
ном цементе порошком бештаунита или андезита. Кисло-
тоупорный цемент затворяют водным раствором жидкого
стекла, которое и является вяжущим веществом; сам же
Кислотоупорный цемент применяют для изготовления
кислотостойких растворов и бетонов, замазок. При этом
берут кислотостойкие заполнители: кварцевый песок,
гранит, андезит. Прочность при сжатии кислотоупорного’
бетона достигает 50-60 МПа. Будучи стоиюш^ мело.
родной^^к^орнойГ^^лотоупоряый бетон теряет
прочность в воде, а в едких щелочах разрушается.
Из кислотоупорного бетона изготовляют резервуары,
башни и другие сооружения на химических заводах,
ванны в травильных цехах. Кислотоупорные растворы
применяют при футеровке кислотоупорными плитками
(керамическими, стеклянными, диабазовыми) железобе-
тонных, бетонных и кирпичных конструкций на пред-
приятиях химической промышленности.
6. Вяжущие вещества автоклавного
твердения
Пользуясь классификацией автоклавных материалов
по составу исходных материалов, предложенной П. И.
Боженовым, можно выделить следующие группы вяжу-
а) силикатные, приготовленные из сырьевой смеси,
содержащей известь (гашеную или молотую кипелку) и
кварцевый песок, образующие силикаты кальция в про-
цессе автоклавной обработки;
б) шлаковые, изготовляемые с использованием метал-
лургических или топливных шлаков в качестве кремне-
земистого компонента;
в) зольные, приготовляемые с применением золы от
сжигания угля, сланцев, торфа;
г) вяжущие, изготовляемые с использованием отхо-
дов химической (нефелиновый шлам и др.) и горно-добы-
вающей промышленности.
Каждое из указанных вяжущих содержит две глав-
ные части: кремнеземистый компонент (SiO2 в кристал-
лической или аморфной форме) и известь (СаО); вводи-
мые добавки могут регулировать процесс структурирова-
Тверденне этой группы вяжущих основано на техни-
ческом синтезе гидросиликатов кальция, происходящем в
среде насыщенного водяного пара при температуре (в
промышленных автоклавах) 174,5—200°C и соответству-
ющем давлении пара 0,9—1,3 МПа. В результате взаи-
модействпя оксидов SiO2 и СаО с участием воды обра-
зуется группа гидросиликатов — тоберлюритов состава-
228
5CaO-6SiO2-nH2O с различным количеством воды (л—
3—10,5). Тоберморитам, обусловливающим высокую
прочность автоклавных материалов, могут сопутствовать
плохо закристаллизованные гидросилнкаты.
Вяжущие автоклавного твердения применяют для
изготовления разнообразных материалов: пористые (га-
зосиликат, пеносиликат)—для теплоизоляции элементов
наружных стен и покрытий зданий; плотные — для кон-
струкционных элементов.
Использование промышленных отходов, не требую-
щих обжига, для бесцементных вяжущих материалов да-
ет возможность экономить топливо и энергию, получать
сравнительно низкую их себестоимость и одновременно
решать экологические проблемы защиты среды от за-
грязнения отходами производства.
§ 10. РАЗВИТИЕ ПРОИЗВОДСТВА
ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ
В двенадцатой пятилетке предусмотрен выпуск в
1990 году 140—142 млн. т цемента, улучшение его каче-
ства, а также расширение производства высокомароч-
ных, специальных и многокомпонентных цементов.
В годы первых пятилеток и особенно после Великой
Отечественной войны цементная промышленность быстро
развивается. Производство цемента в СССР за период
1950—1975 гг. возросло в 12 раз и достигло в 1984 г.
130 млн. т.
Среди современных вяжущих веществ основным яв-
ляется портландцемент, с которым связана эпоха желе-
зобетона в строительстве. Мировое производство цемен-
та в 1980 г. составило 888 млн. т, из них в СССР в 1982 г.
было выпущено 125 млн. т, а в США 76 млн. т цемента;
выпуск цемента на душу населения в 1981 г. составил в
СССР 475 кг, а в США—331 кг. С 1962 г. СССР зани-
мает первое место в мире по объему производства це-
мента. Неуклонно возрастает средняя марка цемента,
кг/см2: 1975 г. —359, в 1977 г. —405, в 1980 г. —410.
Существенно улучшается ассортимент цементов, уве-
личивается производство быстротвердеющих портландце-
мента и шлакопортландцемента. Экономия от примене-
ния 1 т БТЦ марки 600 по сравнению с маркой 400 со-
ставляет 2,5—3 руб. вследствие сокращения расхода
цемента и ускорения производственного цикла изготовле-
KI,я железобетонных изделий. При этом заводская се-
бестоимость железобетонных изделий прн применении
БТЦ снижается на 1,54—2,4 руб/м3.
Повышение марки на одну ступень (100) эквивалент-
но экономии 10-15 % цемента в бетоне.
Введение гндрофобно-пластифицирующих добавок
придает специальные свойства цементам и позволяет
снизить расход цемента на 1 м3 бетона на 10—15 %; эти
же добавки являются интенсификаторами процесса по-
мола клинкера и снижают расход электроэнергии на по-
М° Важнейшей задачей является коренная интенсифика-
ция технологии цемента с одновременной экономней топ-
лива и энергии. Эта задача решается путем перевода це-
ментных заводов с мокрого на сухой способ производст-
ва с использованием метода предварительной подготовки
(декарбонизации) сырья. Значительное снижение затрат
топливно-энергетических ресурсов и решение экологиче-
ских проблем вовлекают в сферу производства вяжущих
веществ промышленные отходы, не требующие обжига
(шлаков, зол, и т. п.).
Потребуется существенно увеличить производство
многокомпонентных местных бесклинкерных вяжущих
для сельскохозяйственного строительства: известково-
шлаковых, сульфатно-шлаковых, известково-зольных и
других для применения в бетонах марки М 150 и ниже,
в ячеистых бетонах и строительных растворах. Это дает
значительную экономию топлива, электроэнергии и рас-
хода цемента. Высокая экономическая эффективность ка-
питальных вложений в производство местных вяжущих
видна из данных табл. 5.1 Г.
Производство строительной извести увеличилось за
период с 1940 до 1975 г. и 3 раза. Потребность в извести
возрастет в связи с развитием производства силикатного
кирпича и силикатных бетонов автоклавносо твердения
иости. Экономически целесообразно" повышение сортно-
сти извести и увеличение выпуска молотой и гидратной
извести (пушонки), а также молотой извести с добавка-
Пронзводство гипсовых вяжущих в 1975 г. составило
4,9 млн т. причем 98 % падает на строительный гипс
Выпуск высокопрочного гипса (он составляет около 2 %)’
будет увеличен. На производство гипсовых вяжущих за-
ПРОИЗВОДСТВА ВЯЖУЩИХ ДЛЯ БЕТОНОВ МАРКИ М 200
Прочность на сжатие. МПа v5s:«" *
Вид вяжущего' ... 1 I * g Il-
й 1 н И ! ls
Портландце- - 40 40 42 8332 85 100 100
ландцемент 30 30 37,2 7602 77 82 79
Ю-20 15-25 30-40
трачивается в 3—3,8 раза меньше топлива, чем на из-
весть и цемент. Эффективность производства гипсовых
вяжущих по сравнению с известью и портландцементом
видна из данных табл. 5.12.
Положительные свойства гипсовых изделий — малая
энергоемкость технологии, небольшая средняя плотность,
огнестойкость, хорошая звукоизолирующая способность,
гигиеничность и декоративность — позволяют применять
их в различных строительных элементах: стеновых, от-
делочных, акустических, теплоизоляционных.
ВЯЖУЩИХ (ПО А. В. ВОЛЖЕНСКОМУ»
Пяжущне Расход на 1 т вяжущего Капиталов-
СЫРЬЯ. ,
Портландцемент 1 6 150 100 38—41
марки 400 |',25 140 15 30—25
Строительный гипс 40 23
ГЛАВА 6. БЕТОНЫ
§ 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ о БЕТОНАХ
1. Общие сведения
Бетоны — искусственные каменные материалы, полу-
чаемые в результате затвердевания тщательно переме-
шанной и уплотненной смеси из вяжущего вещества, в >
ды мелкого и крупного заполнителей, взятых в опреде-
ленных пропорциях. До затвердевания эта смесь назы-
вается бетонной смесью.
Вяжущее вещество и вода являются активными со-
ставляющими бетона; в результате реакции между ними
образуется цементный камень, скрепляющий зерна за-
полнителей.
Заполнители (песок, гравий, щебень) в большинстве
случаев не вступают в химическое соединение с цемен-
том и водой. Эти материалы образуют жесткий скелет
бетона и уменьшают его усадку, вызываемую усадкой це-
ментного камня при твердении. В легких бетонах порис-
тые заполнители уменьшают плотность и теплопровод-
ность бетона.
Для приготовления заполнителей используют преиму-
щественно местные горные породы и отходы производств
снижает стоимость бетона и делает его в основном мест-
90 %. В случае отсутствия местных доброкачественных
заполнителей для бетона их приходится привозить со
специальных карьеров или заводов.
В бетон могут вводиться специальные добавки, улуч-
шающие свойства бетонной смеси и бетона, повышающие
подвижность бетонной смеси, регулирующие сроки схва-
тывания, ускоряющие твердение бетона в раннем возрас-
те, повышающие его морозостойкость.
2. Классификация бетонов
Основную классификацию бетонов производят по
плотности, зависящей, главным образом, от плотности це-
ментного камня, вида заполнителей и структуры бетона.
С этим связаны основные свойства бетона — прочность,
морозостойкость, водонепроницаемость, теплопровод-
ность и др. Бетоны разделяются на пять видов:
1) особо тяжелый, содержащий такие тяжелые запол-
нители, как стальные опилки или зерна (стальбетон), же-
лезные руды или барит (баритовый бетон); плотность
этих бетонов выше 2600 кг/м3;
2) тяжелый (обычный), содержащий плотные запол-
нители (кварцевый песок, щебень или гравий нз плотных
каменных пород); 'плотность этого бетона 2100—
2600 кг/м3;
3) облегченный, например, с кирпичным щебнем или
крупнопористый (беспесчаный); плотность 1800—
2000 кг/м3;
4) легкий, содержащий пористые заполнители (шлак,
пемзу, туф и т. п.), обычной плотной структуры или круп-
нопористый; его плотность 1200—1800 кг/м3 (чаще
1300—1500 кг/м3);
5) особо легкий, очень пористый, ячеистый (пенобе-
тон, газобетон) или крупнопористый с легкими заполни-
телями; плотность меньше 1200 кг/м3 (чаще 500—
800 кг/м3).
разделяются на цементный, цементно-полимерный, сили-
катный (на извести), шлакощелочной и другие виды бе-
Бетон —один из основных строительных материалов.
Он ценен тем, что ему можно придавать самые разнооб-
разные свойства, изменяя в широких пределах проч-
ность, плотность, теплопроводность, и изготовлять из него
сборные конструкции, изделия и монолитные сооруже-
ния различной формы и назначения. Бетон широко ис-
пользуют в гражданском, промышленном, гидротехниче-
ском, теплоэнергетическом, дорожном и других видах
строительства.
В зависимости от применения различают бетоны:
обычный — для железобетонных конструкций (фундамен-
тов, колонн, балок, перекрытий, сводов, мостов и т. п.);
гидротехнический — для плотин, шлюзов, облицовки ка-
налов, водопроводно-канализационных сооружений
и т. п.; бетон для стен зданий (главным образом, легкий
бетон) и легких перекрытий; теплоизоляционный особо
легкий (пено- и газобетон); бетон для полов, тротуаров,
дорожных и аэродромных покрытий; специального на-
значения. например кислотоупорный, жароупорный, не-
”Р Нижеподровторассмагриваетсп тяжелый (обычный)
бетон, чаще всего применяемый в промышленном, гидро-
техническом и дорожном строительстве.
3. Основные требования к бетонам
В зависимости от назначения бетоны должны удов-
летворять следующим требованиям:
бетоны для обычных железобетонных конструкции
должны иметь заданную прочность (главным образом,
при сжатии), для сооружений, находящихся на открытом
воздухе кроме того, важна морозостойкость;
бетоны для гидротехнических сооружений должны
обладать высокой плотностью, водонепроницаемостью,
морозостойкостью, достаточной прочностью, малой усад-
кой, малым выделением теплоты при твердении, стойко-
стью против выщелачивающего действия фильтрующих
вод и в ряде случаев стойкостью по отношению к дейст-
вию минерализованных вод;
бетоны для стен отапливаемых зданий и легких пере-
крытий должны иметь небольшие плотность и теплопро-
водность; прочность в соответствии с расчетом;
бетоны для полов должны характеризоваться малой
изнашиваемостью и достаточной прочностью на изгиб, а
бетоны для дорожных и аэродромных покрытий — и мо-
Кроме того, ко всем бетонам и бетонным смесям
предъявляются следующие общие требования: до за-
твердения бетонные смеси должны легко перемешивать-
ся, транспортироваться и укладываться (обладать
подвижностью и удобоукладываемостью), не расслаивать-
ся; бетоны должны иметь определенную скорость твер-
дения в соответствии с заданными сроками распалубки
изделия или ко
минимальным.
Получить бетон, удовлетворяющий всем поставлен-
ным требованиям, можно при правильном подборе мате-
риалов, точном расчете состава, при механизированных
способах приготовления, укладки и уплотнения бетонной
смеси, а также при правильном уходе за уложенным бе-
тоном в начальный период его твердения. В этот период
для ускорения твердения бетона часто применяется ис-
кусственная тепловлажностная обработка.
§ 2 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ БЕТОНА
1. Выбор цемента для бетона
При выборе цемента для бетона учитывают требова-
ния, предъявляемые к бетону (прочность, морозостой-
кость, химическую стойкость и др.), а также технологию
изготовления изделий. Марку цемента рекомендуется вы-
бирать в зависимости от проектной марки бетона при
Ml 00 М200 М250 МЗОО
300 300-400 400 400-500.-
500-600.
На практике наиболее широко применяют портланд-
цемент марок 400—500. Приготовление бетона с исполь-
зованием более высокой марки цемента обеспечивает его
экономию в среднем на 10—15 % при повышении марки
цемента на 10 МПа.
Для изготовления морозостойких бетонов, а также
дуется применять сульфатостойкий портландцемент. Для
быстротвердеющего бетона .используют быстротвердею-
щий цемент. (БТЦ).
Для бетона сборных изделий и конструкций рекомен-
дуется применять цементы с повышенным содержанием
CaS и СзА, обеспечивающие быстрое твердение в услови-
дах сборного, железобетона для ускорения твердения
цемента.
2. Заполнители для бетона
Песок. Природный песок, применяемый для изготов.-.
ления обычного бетона, представляет собой образовав-
ц/уюся в результате выветривания горных пород рыхлую
смесь зерен (крупностью 0,14—5 мм) различных мате-
риалов, входящих в состав изверженных (реже осадоч-
ных) горных пород. При отсутствии пригодного природ-
ного песка изготовляют искусственный песок путем
дробления твердых горных пород, но этот песок стоит
гораздо дороже.
Чаше всего встречаются кварцевые пески с примесью
полевого шпата, листочков слюды и зерен других мине-
палов реже-полевошпатовые, известняковые и другие
пески Кварцевые пески пригодны для бетона любых
марок. Остальные пески, в особенности известняковые и
ракушечные, должны быть предварительно проверены
на прочность в растворе или бетоне требуемой марки.
По условиям залегания пески разделяют на речные,
морские и горные (овражные).
В большинстве случаев зерна речного и морского пес-
ка истираются при переносе водой и имеют поэтому
округлую форму. Наоборот, зерна горных (овражных)
песков —остроугольные. Речные и морские пески обыч-
но более чистые, т. е. содержат меньше глинистых и ор-
ганических примесей, чем овражные. В морском песке
часто имеются примеси известняковых зерен и обломков
раковин, которые легко разрушаются и могут понизить
прочность бетона.
Желательно применять песок с остроугольными зер-
нами. так как он лучше сцепляется с цементным камнем,
придавая бетону большую прочность. В то же время
этот песок должен быть как можно чище. Поскольку
пу чывка песка с.тмг.нз и дор<>м, обычно предпочитают
речной песок. Вообще же выбор песка для бетона про-
изводится всегда с учетом всех его свойств и стоимости.
Для обычного бетона требования к природному песку
следующие:
а) содержание в песке зерен, проходящих через сито
0,14 мм, не должно превышать 10 % > а содержание гли-
нистых. илистых и пылевидных примесей, определяемых
отмучиванием, не должно превышать 3 % по массе. Наи-
более вредна примесь глины, обволакивающей зерна
песка, так как она препятствует сцеплению с цементным
камнем. От этой глины песок можно освободить только
тщательной промывкой;
б) органические примеси (гумусовые и др.) допуска-
ют только в самом небольшом количестве, так как они,
в особенности органические кислоты, понижают проч-
ность и даже разрушают цемент. Для их определения
песок обрабатывают 3 %-ным водным раствором едкого
натра (при соотношении раствора к песку 1:1). Полу-
тша раствор с песком отстаивается в течение 1 сут.
ЧТ°6и после °бРаб0™и песка цвет его был не
мнее светло-желтого. Этот метод называется колори-
метрическим (определение по цвету); в лабораториях
изготовляют для сравнения цветной эталон.
Если песок содержит много органических примесей,
то они вступают в соединение с едким натром и образу-
ют соли, окрашивающие раствор в различные цвета —
от желтого до красного и коричневого в зависимости от
содержания органических веществ. Для бетона, приме-
няемого в наиболее ответственных сооружениях, следует
использовать пески, которые при обработке 3 %-ным
раствором NaOH не дают окрашивания. При светло-жел-
той окраске раствора песок пригоден только для неот-
ветственных конструкций, а при темной окраске (темно-
желтой, красной или коричневой) он без промывки не-
пригоден, так как прочность бетона, приготовленного на
таком песке, понижается более чем на 25 %.
Крупность зерен определяют просеиванием песка че-
рез стандартный набор сит. Сита имеют отверстия в
свету: 5; 2,5; 0,63; 0,3 и'0,14 мм, т. е. размер их уменьша-
ется примерно в геометрической прогрессии. Наличие в
песке зерен крупнее 10 мм не допускается; зерен разме-
ром 5—.10 мм должно быть не более 5 % (по массе).
.. Для просеивания берут среднюю пробу сухого песка
массой 1 кг. Просеивание песка начинают на самом
крупном сите. На каждом сите получается остаток, кото-
рый выражают в процентах; эти остатки называют част-
ными. Частные остатки на ситах характеризуют распре-
деление зерен песка по степени крупности — это так
называемый зерновой (гранулометрический) состав
песка. Кроме того, определяют полные остатки на ситах.
складывая частный остаток на каждом сите с суммой
остатков на предыдущих ситах. Пример определения
зернового состава песка приведен в табл. 6.1.
особый термин — модуль крупности, обозначающий сум-
му полных остатков (в процентах на ситах стандартного
набора), деленную на 100. Для приведенного в табл. 6.1
зернового состава песка модуль крупности Л4Кр=260:
: 100=2,6.
Результаты просеивания песка удобно представить
графически, если по горизонтали отложить размеры от-
верстии сит, а по вертикали — полные остатки на ситах
в процентах. На графике (рис. 6.1) в виде заштрихован-
ной полосы указаны допустимые пределы колебаний зер-
нового состава песка для бетона. При оценке зернового
состава песка учитывают только зерна, проходящие че-
рез сито 5 мм. Кривая просеивания песка, получаемая
по результатам ситового анализа, должна находиться
между верхней и нижней ломаными линиями. Сравнивая
данные табл. 6.1 и рис. 6.1, видим, что песок, взятый для
В зависимости от крупности пески, пригодные для бе-
тона, разделяются следующим образом (табл. 6.2).
Если песок крупный, то это еще не значит, что он
вполне пригоден для бетона. Крупный песок может
иметь большой объем пустот, который придется запол-
нять цементным тестом, что невыгодно. Поэтому полная
характеристика песка может быть дана только с учетом
его пустотности; .
Песок, отсеянный на ситах двух близких номеров,
т. е. состоящий из зерен почти одинаковой крупности,
имеет большую пустотность (40—42 %). При наилучшем
сочетании в песке крупных, средних и мелких зерен пус-
тотность может уменьшаться до 30 %. В хорошем песке
пустотность не. должна превышать 38 %.
Если в бетоне или растворе заполнить цементным тес-
том только пустоты между зернами песка, то получится
малоподвижная, трудная для укладки, очень жесткая
смесь. Необходимо раздвинуть зерна песка и окружить
их цементной оболочкой, которая создавала бы смазку,
обеспечивающую подвижность растворной или бетонной
смеси и скрепляла бы в дальнейшем зерна песка. Чем
крупнее песок, тем меньше общая поверхность зерен и
расход цемента для создания оболочек, так как суммар-
ная поверхность зерен, содержащихся в единице объема,
обратно пропорциональна их диаметру. Однако, как ука-
зывалось выше, песок, состоящий только из крупных зе-
рен, имеет слишком большой объем пустот, и его приме?
нять не следует.
Для бетона наиболее пригоден в основном крупный
песок, содержащий достаточное количество средних и
мелких зерен. При такой комбинации зерен объем пустот
будет малым и поверхность зерен небольшая. Этот оп-
тимальный состав песка соответствует заштрихованной
полосе на рис. 6.1.
Плотность песка зависит от его истинной плотности,
пустотности и влажности и определяется в сухом рых-
лом состоянии (называемом стандартным), для чего пе-
сок насыпают совком с высоты 5 см в пятилнтровый ци-
линдрический сосуд (без встряхивания).
Песок, предназначенный для бетона марок М 200 и
выше или для бетона в конструкциях, подвергающихся
замерзанию в насыщенном водой состоянии, должен
иметь плотность в рыхлом (стандартном) сухом состоя-
нии не ниже 1550 кг/м3; в остальных, более простых слу-
чаях — не ниже 1400 кг/м3.
При встряхивании песок
.уплотняется, и плотность
его может увеличиваться
до 1600—1700 кг/м3. Са-
мый большой объем песок
занимает при влажности
около 5—7%; с повыше-
нием или понижением
влажности объем песка
уменьшается (рис. 6.2).
Это свойство должноучи-
тываться при его приемке
и дозировке (по объему)
Гравий. Гравием назы-
вают рыхлый материал^
образовавшийся в резуль-
тате естественного разру-
шения (выветривания)гор-
ных пород. Гравий состоит
ид более или менее ока-
танных зерен размером
$—70 мм. В нем могут со-
держаться зерна высокой
прочности, например гра-
нитные, и слабые зерна по-
обычно содержит примеси
ристых известняков. Гравий ______
пыли, глины, иногда и органических веществ, а также
песка. При большом содержании песка такой материал
называют песчано-гравийной смесью, или гравилистым
В зависимости от происхождения различают гравий
овражный (горный), речной и морской. Овражный
(горный) гравий обычно загрязнен примесями, речной и
морской — более чистые. Зерна морского и речного гра-
вия вследствие истирания водой обычно имеют округлую
форму, иногда со слишком гладкой поверхностью, не да-
ющей прочного сцепления с цементным раствором, что
понижает прочность бетона. Зерна овражного (горного)
гравия более остроугольные.
Наиболее выгодна малоокатанная (щебневидная)
форма зерен, хуже — яйцевидная (окатанная), еще ху-
же—пластинчатая или лещадная с шириной, в три и
более раз превышающей толщину, и игловатая с дли-
ной, в три и более раз превышающей толщину и ши-
рину. Игловатых и пластинчатых зерен в составе гра-
вия для бетона должно быть не более 15% (по
В зависимости от величины зерен, мм, различают
Крупность гравия определяют, просеивая его через
стандартный набор сит с круглыми отверстиями разме-
ром 70, 40, 20, 10 и 5 (или 3) мм. Среднюю пробу высу-
шенного гравия (масса пробы 10 кг) для просеивания
берут из разных мест штабеля.
При изготовлении бетона большое значение имеет
максимально допускаемая крупность гравия, определяе-
мая размером отверстия сита, на котором полный оста-
ток.не превышает 5 % общей навески. Максимальная
крупность гравия зависит от размера бетонируемых кон-
применять гравий крупнее ‘/( части минимального раз-
мера сечения конструкции и больше минимального рас-
стояния между стержнями арматуры в железобетонной
конструкции. Например, для балки шириной 200 мм
можно использовать гравий с наибольшей величиной зе-
рен (200:4=50 мм). Только для бетонирования плит,
полов и покрытий, в которых бетонная смесь укладыва-
ется легче благодаря их большой площади, применяют
гравий с максимальной крупностью зерен, составляющей
до ’/2 толщины плиты. При изготовлении бетонной смеси
в крупных бетоносмесителях вместимостью больше
• 2000 л для бетонирования массивных сооружений с ред-
кой арматурой можно использовать гравий, наибольшая
крупность которого достигает 120-150 мм.
Желателен в основном крупный гравий, но с доста-
точным содержанием средних и мелких зерен. Подвиж-
ность бетонной смеси одинакового состава и с одинако-
вым количеством воды при крупном гравии больше, чем
при мелком, вследствие меньшей поверхности зерен.
Результаты просеивания гравия обычно наносят на
график, откладывая по горизонтали размеры отверстий
сит наибольший для данного гравия (Д,половин-
ный и наименьший (5 пли 3 мм); по вертикали отклады-
вают полные остатки на ситах в процентах. Данные зер-
нового состава гравия должны располагаться по возмож-
ности в пределах заштрихованной части (рис. 6,3). Пус-
тотность в гравии не должна превышать 45 %.
Влажность гравия (за вычетом воды, поглощенной
зернами) должна учитываться при определении количе-
ства воды, добавляемой в бетонную смесь. На изменение
объема гравия влажность в отличие от песка почти не
влияет.
Прочность зерен гравия должна обеспечивать полу-
чение прочности бетона выше заданной на 20—50 %.
Так как определять прочность зерен гравия трудно (ку-
бики из них выточить нелегко), то ее определяют косвен-
ным путем. Для этого приготовляют кубики из бетона с
испытываемым гравием на цементе известной активно-
сти при водоцементном отношении, рассчитанном для
бетона, прочность которого на 20—50 % превышает за-
данную. При испытании эти кубики должны показать
прочность не ниже вычисленной по расчетным формулам
для бетона с гравием.
Количество зерен слабых пород в гравии допускается
для бетона марки М 100 и выше не более 10%, зерен
пластинчатой (лещадной) и игловатой формы — не бо-
лее 15 % (по массе).
Гравий считается морозостойким, если в насыщенном
водой состоянии он выдерживает без разрушения много-
кратное попеременное замораживание при —15 °C и от-
таивание, причем суммарная потеря в массе зерен будет
не более 10 %, а при морозостойкости выше 50 циклов —
потеря в массе не более 5 %. Морозостойкость требуется
от гравия только в том случае, если он предназначается
для бетонных сооружений, подвергающихся заморажиг
ванию и оттаиванию. В суровых климатических условиях
требуется, чтобы гравий выдерживал не менее 100—200
циклов замораживания и оттаивания; в умеренных —50
циклов; в мягких— 15—25 циклов.
Допускается и ускоренное испытание гравия на моро-
зостойкость (Мрз) путем его переменного насыщения в
растворе сернокислого натрия и высушивания. Требуемое
число циклов в этом случае 5—10—15 соответствует Мрз
25—50—200 циклов обычного испытания замораживани-
ем и оттаиванием. Если потеря в массе зерен гравия со-
ставит при этом соответственно не более 10—5—3 %, то
материал признается пригодным. Если получены неудов-
летворительные результаты, необходимо испьв 1ть моро-
зостойкость гравия обычным способом.
В гравии допускается не более 1 % (по массе) гли-
нистых, илистых и пылевидных примесей, количество ко-
торых определяют отмучиванием. Содержание органиче-
ских примесей в гравии устанавливают, как и в песке,
организуя обычно промывку в карьере.Р Кроме того, на
карьере гравий сортируют, т. е. разделяют на фракции
по крупности путем просеивания через сита или хотя бы
отделяют песок и излишне крупные зерна, т. е. получа-
Для сортировки гравия на фракции иногда вместе с
грохоты с ситами, у которых отверстия увеличиваются
по пути движения материала. Более производительны
современные вибрационные грохоты, которые состоят из
плоских прямоугольных рам с натянутыми на них про-
волочными ситами. Рамы расположены параллельно
одна над другой. Сита приводятся в колебательное дви-
жение, вызываемое вращением неуравновешенного груза
на валу грохота.
том настиле или бетонной площадке, чтобы материал не
загрязнялся землей и чтобы его удобно было брать скре-
пером.
Приемку гравия, как и песка, производят по объему;
< кп ik\ на влажность нс делают. Иногда в природе встре-
чаются готовые смеси песка и гравия. В этих случаях
необходимо проверять постоянство состава и соответст-
вие песчаной и гравийной частей существующим стан-
дартам. Если состав смеси пригоден для бетона и сохра-
няется неизменным, то смесь можно не рассеивать, но
чаще всего смеси по составу непостоянны и их приходит-
ся разделять на песок и 2—3 фракции гравия.
Щебень из природного камня. Щебнем называется
материал, полученный в результате дробления камней
из горных пород, имеющих предел прочности при сжа-
тии от 20 до 120 МПа. Куски щебня имеют остроуголь-
243
»vra форму. Куски, близкие по форме к кубу или тетра-
эдру лучше всего для применения, куски плоской фор-
мы рачительно хуже, гак какони легко ломаются. Форма
щебня зависят от структуры каменной породы и от
типа камнедробильной машины (прн слоистых породах
н простых щековых дробилках получается пластинчатый
щебень) Щебень дробят из граната, диабаза и других
изверженных пород, а также из плотных осадочных по-
род — известняка, доломита и измененных пород—квар-
ЦИТК крупности, зерновому составу, прочности и морозо-
стойкости щебня предъявляют те же требования, что и
к гравию. Щебень чище гравия, обычно он не содержит
органических примесей. Предельное содержание глинис-
тых и пылевидных примесей допускается: для бетонов
марки М 300 и выше 1 % в щебне из изверженных пород
н 2 % в щебне из карбонатных пород; для бетонов
более низких марок соответственно 2 и 3 % (по
Для обычного бетона можно применять щебень толь-
ко из каменных пород, прочность которых выше задан-
ной марки бетона, а именно: необходимая прочность ис-
ходной каменной породы (в насыщенном водой состоя-
нии) /?щ>2Лб для бетона марки М 300 и выше и /?щ>
щением не более 3 % (по массе), а без замерзания — не
более 5 %.
пов: щековых, конусных и валковых. В щековых дробил-
ках камень попадает в пространство между двумя сталь-
ными плитами-щеками, из которых одна укреплена не-
подвижно. а другая качается и раздавливает камень.
Щеки изготовляются из твердой стали в виде рифленых
плит. Размер щебня, получаемого из дробилки, зависит
от ширины выпускного отверстия. Однако из крупной
дробилки нельзя сразу получить мелкий щебень. Поэтому
дробление крупного камня производится последователь-
но в двух-трех дробилках, позволяющих получить ще-
бень постепенно уменьшающихся размеров.
Гравий имеет перед щебнем то преимущество, что
встречается в природе в раздробленном состоянии и дро-
бить приходится только крупйые его куски. Другое пре-
имущество гравия —несколько большая подвижность бе-
между цементным раствором и гладкой поверхностью зе-
рен. Гравий обычно имеет меньший объем пустот из-за
окатанности зерен и меньшего трения при укладке, бла-
годаря чему получается больший выход бетона.
К недостаткам гравия относятся более слабое сцеп-
ление его с цементным раствором при затвердевании,
снижающее прочность бетона, а также загрязненность
глинистыми и другими примесями, вследствие чего час-
ПриУвыборе между гравием и щебнем исходят из их
стоимости и других экономических показателей. Для вы-
Щебень из искусственного камня. Для бетона невысо-
ких марок можно применять щебень из примышленных
В районах, расположенных близ металлургических заво-
дов, для изготовления, обычного бетона можно дробить
щебень из кускового тяжелого отвального или специаль-
но отлитого доменного шлака. Из старых отвалов дроб-
леный шлак можно брать только после того, как он про-
лежал не менее 3 мес на открытом воздухе и не обнару- '
жил признаков распада.
По структуре шлак должен быть кристаллическим, по
химическому составу — кислым1, так как именно в этом
случае он не распадается при медленном охлаждении.
Наоборот, основные шлаки при медленном охлаждении
могут распадаться вследствие перехода содержащегося
в них двухкальциевого силиката из одной формы в дру-
гую с увеличением объема. Кроме того, возможен еще
распад шлака от гашения свободного оксида кальция или
магния в шлаке, а также железистый или марганцевый
распад от перехода закисей этих металлов в оксиды с
увеличением объема. В шлаке допускается содержание
закиси марганца не более 5 %, свободных оксидов CaU
и MgO не должно быть.
Кроме выдерживания шлака в отвалах, должно быть
проведено ускоренное испытание стойкости шлака в ла-
боратории путем пропаривания образцов в автоклаве
под давлением 0,2 МПа в течение 2 ч или в парах кипя-
щей воды пять раз по 3 ч; стойкие по отношению к сила-
---------- СаО-!-MgO
‘ Модуль основности SiOrHil7T
катному распаду шлаки при этом испытании не юлжны
обнаруживать никаких дефектов. Шлаки, стойкие по
отношению к железистому распаду, должны выдержи-
вать без повреждений 30-дневное хранение в дистилли-
Р°ВДоменныеекусковые шлаки имеют плотность (в кус-
ке) не менее 2.1 кг/дм3, прочность на сжатие обычно не
менее 50 МПа. Шлаковый щебень применяют в граждан-
ских и промышленных бетонных и железобетонных со-
оружениях за исключением сооружений, эксплуатирую-
щихся в проточной воде.
Отходы, имеющиеся на кирпичных, черепичных, кера-
мических заводах, а также кирпичный лом, получаемый
от разборки старых и разрушенных зданий при реконст-
рукции городов, можно использовать в бетонах низких
марок (до М 150 включительно), так как в этом случае
бетон разрушается по наиболее слабому месту — цемент-
ному раствору, и применение кирпичного щебня техни-
чески допустимо и часто экономически выгодно. В этих
бетонах можно использовать и щебень, полученный дроб-
лением бракованных бетонных и железобетонных изде-
3. Добавки к бетонам
Для регулирования свойств бетона, бетонной смеси и
экономии цемента применяют различные добавки в бе-
тон. Их подразделяют на две группы. К первой относят-
ся химические вещества, добавляемые в бетон в не- *
большом количестве (0,1—2 % массы цемента) для
изменения в необходимом направлении свойств бетонной
смеси и бетона. Ко второй относят гонкожолотые жаге-
риалы, добавляемые в бетон в количестве 5—20 % и
более для экономии цемента или для получения плотно-
го бетона при малых расходах цемента. К тонкомолотым
добавкам относят золы, молотые шлаки, пески, отхода '
камнедробления и некоторые другие материалы, прида-
ющие бетону специальные свойства (повышающие его
плотность, жаростойкость, изменяющие электропроводи-
мость, окрашивающие и т. п.).
В последнее время наибольшее применение находят
химические добавки. Эти добавки классифицируют по
основному эффекту действия:
I. Добавкй, регулирующие свойства бетонных смесей-
пластифицирующие, т е. увеличивающие подвижность
бетонной смеси; стабилизирующие, т. е. предупреждаю-
щие расслоение бетонной смеси; водоудерживающие,
уменьшающие водоотделение.
2. Добавки, регулирующие схватывание бетонных
смесей и твердение бетона: ускоряющие схватывание, за-
медляющие схватывание, ускоряющие твердение, обеспе-
чивающие твердение при отрицательных температурах
(противоморозные).
3. Добавки, регулирующие плотность и пористость
бетонной смеси и бетона: воздухововлекающие, газообра-
зующие, пенообразующие, уплотняющие (воздухоудаля-
ющие и кольматирующие поры бетона), добавки — регу-
ляторы деформаций бетона, расширяющие добавки.
4. Добавки, придающие бетону специальные свойства:
гидрофобизирующие, т.е. уменьшающие смачивание бе-
агрессивным средам; ингибиторы коррозии стали, повы-
шающие защитные свойства бетона по отношению к ста-
ли; красящие; придающие бактерицидные и инсектицид-
Некоторые добавки обладают полифункциональным
действием, например пластифицирующие, воздухововлека-
ющие, газообразующие, пластифицирующие и др. Нередко
для получения необходимого эффекта полифункциональ-
ного действия применяют комплексные добавки, включа-
ющие несколько компонентов, например добавки одно-
временно пластифицирующие бетонную смесь н инги-
бирующие бетон и т. д. Большое разнообразие добавок и
возможностей их рационального комплексирования по-
зволяет технологу добиваться повышения технологичес-
ких свойств бетонной смеси и бетона, снижения расхода
ных и железобетонных конструкций.
В качестве пластифицирующих добавок широко при-
меняют поверхностно-активные вещества (ПАВ), неред-
ко получаемые из вторичных продуктов и -отходов хими-
ческой промышленности.
ПАВ делят на две группы: первая — пластифицирую-
щие добавки гидрофильного типа, способствующие дис-
пергированию коллоидной системы цементного теста и тем
самым улучшающие его текучесть; вторая - гидрофоби-
зирующне добавки, вовлекающие в бетонную смесь мель-
чайшне пузырьки воздуха, что также улучшает подвиж-
ность бетонной смеси. Молекулы поверхностно-активных
гидрофобных добавок, адсорбируясь на поверхности раз-
дела воздух —вода, понижают поверхностное натяжение
воды и стабилизируют мельчайшие пузырьки воздуха в
цементном тесте.
К добавкам первой группы относят сульфитно-дрож-
жевую бражку (СДБ). Эта добавка представляет собой
в основном кальциевые соли лнгносульфоновых кислот.
Получают ее в виде жидкости из сульфитных щелоков,
образующихся при переработке целлюлозы.
К добавкам второй группы относят: абиетат натрия—
натриевую соль абиетиновой кислоты, получаемую в ви-
де порошка или жидкости путем омыления канифоли
едким натром; омыленный древесный пек (препарат
ЦНИИПС-1) —паста, получаемая нейтрализацией ед-
ким натром жирных кислот древесного пека; мылонафт —
мазеобразное вещество желто-коричневого цвета, пред-
ставляющее собой натриевые соли нерастворимых в во-
де органических кислот, получаемых из отходов при пе-
реработке нефти: асидол — нефтяные кислоты, являющи-
еся отходами при переработке нефти, и др.
ПАВ повышают подвижность бетонной смеси, ее од-
нородность, нерассланваемость, текучесть при перекачи-
вании насосом, способствуют сохранению удобоуклады-
ваемости смеси во времени. Пластифицирующие добавки
позволяют за счет уменьшения расхода воды сократить
на 8—12 % расход цемента либо при неизменном расхо-
де цемента понизить водоцементное отношение и не-
сколько повысить прочность бетона, его водонепроницае-
мость н морозостойкость.
В обычных бетонах в качестве пластификатора широ-
ко используют СДБ. Эта добавка несколько замедляет
твердение бетона в раннем возрасте, поэтому при про-
изводстве железобетонных изделий на заводах ее приме-
няют в сочетании с добавками — ускорителями тверде-
цемента в первые дни твердения, что облегчает возведе-
ние массивных железобетонных сооружений. СДБ в ос-
новном воздействует на цементное тесто, поэтому наибо-
лее эффективно ее применение в бетонах с достаточно
высоким расходом цемента.
Воздухововлекающие добавки используют, главным
образом, в бетонах, от которых требуется повышенная
морозостойкоств,- й в строительных растворах Воздухо-
вовлечение в бетонную смесь несколько понижает проч-
ность бетона. Так, по опытным данным, 1 % вовлеченно-
го воздуха снижает прочность бетона на сжатие на 3 %
поэтому не следует в бетонную смесь с целью ее пласти-
фикации вводить большое количество воздухововлекаю-
щей добавки. Содержание вовлеченного воздуха состав-
ляет обычно 4—5%. В этом случае прочность бетона
практически не снижается, так как отрицательное влия-
ние на прочность бетона вовлеченного воздуха нейтрали-
зуется благодаря повышению прочности цементного кам-
ня вследствие уменьшения водоцементного отношения за
счет пластифицирующего эффекта добавки. Воздуховов-
лекающая добавка гидрофобнзирует поры и капилляры
бетона, а воздушные пузырьки служат резервным объ-
емом для замерзания воды без возникновения больших
внутренних напряжений в бетоне. В результате значи-
тельно повышаются водонепроницаемость и морозостой-
кость бетона. Воздухововлекающие добавки более эф-
фективны в бетонах с малыми расходами цемента.
К гидрофобно-пластифицирующим добавкам относят
также кремнийорганическне жидкости: метилсиликонат
натрия (ГКЖ-11), этилсиликонат натрия (ГЖК-10) и
этилгидросилоксановая жидкость (ГКЖ-94). Применя-
ют их для увеличения стойкости бетонов и растворов в
агрессивной среде, для повышения долговечности бетона,
а также в качестве гидрофобизаторов поверхности яче-
истых бетонов.
В последнее время разработаны и внедряются в стро-
ительство новые химические добавки — суперп л верифи-
каторы, резко увеличивающие подвижность и текучесть
бетонной смеси и существенно улучшающие строительно-
технологические свойства бетона. В большинстве супер-
которые вводят в бетонную смесь в количестве 0,1—
1,2 % массы цемента.
Действие суперпластификаторов, как правило, огра-
ничено 2—3 ч с момента введения их в бетонную смесь.
Под действием щелочной среды они подвергаются час-
тичной деструкции и переходят в другие вещества, без-
вредные для бетона и не тормозящие процессы его твер-
дения. Введение суперпластификаторов эффективно
для производства сборного железобетона, где увеличение
щих твердение, требует применения специальных мер: м
введения в бетонную смесь одновременно ускорителей
твердения, мягких режимов, тепловой обработки и др.
Кроме того, суперпластификаторы разжижают бетонную Я
смесь в большей степени, чем обычные пластификаторы, -
например, увеличивают подвижность смеси с 2 см до J
20 см по осадке конуса или на 20—25 % уменьшают 1 Я
водопотребность бетонной смеси.
Все это вместе взятое, позволяет эффективно приме- I
пять бетоны с низкими В/Ц и получать высокую проч- I
ность (60—80 МПа) более просто, чем при использова- ) Я
нии других технологических приемов, шире использовать Я
литьевой способ изготовления сборного железобетона J
или укладку бетонной смеси с пониженными В/Ц с по- I
мощью кратковременной вибрации, успешно бетониро- Я
вать конструкции сложного профиля, сокращать время I Д
верхностей, уменьшать расход цемента.
Среди суперпластификаторов-разжижителей широко J
распространена добавка С-3 на основе нафталинсульфо- I
кислоты, предложенная НИИЖБ. Внедряются в строи- Я
тельство также добавки 10-03 ВНИИжелезобетона и 2
КМ-30 ЦНИЭПжилища на основе меламиновой смолы. а
Сильными, разжижителями являются и другие поли-. -Я
мерные добавки, например СПД, ОП-7, 40-03 и т. п. Их Я
следует отнести к добавкам переходного типа так как J
они несколько замедляют твердение бетона. Это вынуж-- Я
дает ограничивать дозировку добавки и тем самым сни- S
жать ее пластифицирующий эффект.
В качестве ускорителей твердения применяют хлорид ш
кальция, сульфат натрия, нитрит-нитрат-хлорид кальция
и др. При этом необходимо учитывать побочное действие
этих добавок. Например, хлорид кальция способствует] Я
коррозии арматуры, поэтому нормы ограничивают его- Я
максимальную дозировку в железобетоне (менее 2 fl
не допускают его применения в конструкциях с тонкой, и •
предварительно напряженной арматурой, эксплуатируй Д
щихся в неблагоприятных условиях. Сульфат натрия мо- -3
жет вызвать появление высолов на поверхности конст-
рукций, что требует специальных предохранительны?^
мер. В нитрит-нитрат-хлориде кальция ускоряющие дей- |
ствия хлорида сочетаются с ингибирующим действием Ч
нитрата кальция.
В качестве противоморозных добавок применяют по-
таш, хлорид натрия, хлорид кальция и др. Эти добавки
понижают точку замерзания воды и способствуют твер-
дению бетона при отрицательных температурах: чем ни-
же температура твердения, тем выше обычно дозировка
добавки (до 10 % массы цемента и больше).
В качестве газообразующей добавки хорошо исполь-
зовать алюминиевую пудру (ПАК) и ГКЖ-94. Наоборот
для уплотнения структуры бетона добавляют нитрат
кальция, хлорид и сульфат железа, сульфат алюминия,
диэтиленгликолевую ДЭГ-1 или трлэтиленгликолиевую
ТЭГ-1 смолы. Для замедления схватывания применяют
сахарную патоку и добавки СДБ, ГКЖ-10 и ГКЖ-94 в
повышенных дозировках. Для придания бетону специ-
альных свойств используют особые виды добавок, часто
включающие несколько компонентов. Например, для по-
лучения расширяющихся бетонов применяют добавку,
включающую СДБ, алюминиевый порошок, сульфат алю-
миния и хлорид кальция.
Большинство добавок растворимы в воде и их вводят
в бетоносмеситель в виде предварительно приготовленно-
го раствора. Некоторые добавки вводят в виде эмульсии
(ГКЖ-94) или в виде взвесей в воде (ПАК). Оптималь-
ная дозировка добавки зависит от вида цемента, состава
бетонной смеси, технологии изготовления конструкции.
Обычно применяют от массы цемента: 0,1—0,3 % плас-
тифицирующих добавок; 0,5—1 % суперпластификаторов;
0,01—0,05 % воздухововлекающих добавок; 1—2 % уско-
рителей твердения. На практике оптимальную дозировку
добавки определяют опытным путем.
4. Вода для приготовления бетонной смеси
Для приготовления бетонной смеси используют водо-
проводную питьевую, а также любую воду, имеющую
водородный показатель (pH) не менее 4, т. е некислую,
не окрашивающую лакмусовую бумагу в красный цвет;
Вода не должна содержать сульфатов более 2700 мг/л
(в пересчете на SOJ и всех солей более 5000 мг/л.
Сточные воды, содержащие жиры, растительные мас-
ла, сахар, кислоты и т. п., нельзя использовать для за-
творения бетона. Природные воды для затворения бе-
тона должны браться из мест, достаточно удаленных от
места выпуска сточных вод.
В сомнительных случаях пригодность воды для при- 1
готовлення бетонной смеси необходимо проверять срав- J
пительными испытаниями образцов, изготовленных на !
данной воде и на обычной водопроводной.
Морская и другие соленые воды, удовлетворяющие 1
приведенным выше условиям, применяются для приго- J
топления бетонной смеси, за исключением случаев вето-
пирования внутренних конструкций жилых и обществен- S
ных зданий. Морскую воду нельзя применять для бето-
пирования надводных железобетонных сооружений в .1
жарких и сухих местах. Во всех указанных случаях мор- 1
ские соли могут выступить на поверхности бетона, а
также вызвать коррозию стальной арматуры.
§ 3. СВОЙСТВА БЕТОННОЙ СМЕСИ
И СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ БЕТОНА
1. Бетонная смесь
Бетонная смесь представляет собой сложную много-. I
компонентную систему, состоящую из частичек вяжуще-
го, новообразований, возникающих при взаимодействии J
вяжущего с водой, зерен заполнителя, воды, вводимых в 1
ряде случаев специальных добавок, вовлеченного возду- J
ха. Вследствие наличия сил взаимодействия между дис-
персными частицами твердой фазы и воды эта система .1
приобретает связанность и может рассматриваться как 1
единое физическое тело с определенными физическим^ . >1
й механическими свойствами.
Основное влияние на эти свойства будет оказывать я
количество и качество цементного теста, так как именно J
цементное тесто, являясь дисперсной системой, имеет 1
высокоразвитую поверхность раздела твердой и жидкой i
фаз, что способствует развитию сил молекулярного I
сцепления и повышению связанности системы. В процес- 1
се гидратации цемента (до момента затвердевания) по- -Я
является все большее количество гелеобразных гидрат- j
ных соединений новообразований, что способствует уве- I
личению дисперсности твердой фазы и соответственно Я
повышению клеящей способности цементного теста и его J
связующей роли в бетонной смеси.
Цементное тес го относят к так называемым структу- J
рированным системам, которые характеризуются некото- I
рой начальной прочностью структуры. В цементном тесте
создается определенная структура за счет действия сил
молекулярного сцепления между частицами, окаймлен-
ными тонкими пленками воды. Пленки жидкой фазы
создают непрерывную пространственную сетку в струк-
туре цементного теста, придавая ему свойство пластич-
ности. Прочность начальной структуры, или структурная
вязкость цементного теста, зависит от концентрации
твердой фазы в водной суспензии.
Поведение структурированных систем при приложе-
нии внешних сил существенно отличается от поведения
жидких тел. Если вязкость жидкости (истинная ньюто-
новская) постоянна и не зависит от величины приклады-
ваемого давления (вязкость жидкости меняется только
с изменением температуры), то вязкость структуриро-
ванных систем изменяется (часто на два-три порядка)
даже при постоянной температуре в зависимости от ве-
личины внешних сил, действующих на систему.
Способность структурированных систем изменять свои
реологические свойства под влиянием механических воз-
действия называется тиксотропией. В технологии бетона
это свойство широко используют для формования изде-
лий из малоподвижных и жестких смесей путем воздей-
ствия на них вибрацией, встряхиванием, толчками.
Для производства работ и обеспечения высокого ка-
чества бетона в конструкциях или изделиях необходимо,
чтобы бетонная смесь имела консистенцию, соответству-
ющую условиям ее укладки. Обычно консистенцию бе-
тонной смеси оценивают показателем подвижности или
жесткости бетонной смеси.
Для определения подвижности, т. е. способности сме-
си расплываться под действием собственной массы, и
связанности бетонной смеси служит стандартный конус
(ГОСТ 10181—81). Он представляет собой усеченный,
открытый с обеих сторон конус из листовой стали тол-
щиной 1 мм. Высота конуса 300 мм, диаметр нижнего ос-
нования 200 мм, верхнего 100 мм. Внутреннюю поверх-
ность формы-конуса и поддон перед испытанием смачи-
вают водой. Затем форму устанавливают на поддон и
заполняют бетонной смесью в три приема, уплотняя смесь
штыкованием. После заполнения формы и удаления из-
лишков смеси форму тотчас снимают, поднимая ее мед-
ленно и строго вертикально вверх за ручки. Подвижная
бетонная смесь, освобожденная от формы, дает осадку
свойствами в зависимости от
или даже растекается. I
Мерой подвижности сме- 4
си служит величина осад-
ки конуса, которую из-
меряют сразу же после ]
снятия формы (рис. 6.4). '
В зависимости от осад- 1
ки конуса различают по- |
цвижные (пластичные) бе- j
тонные смеси, величина
осадки конуса для кото-
рых составляет 1—12 см J
и более, и жесткие, кото-
рые практически не дают I
осадки конуса. Однако I
при воздействии вибрации
последние обладают раз-
личными формовочными
состава и использованных
материалов. Для оценки жесткости этих смесей исполь-
зуют свои методы.
Показатель жесткости бетонной смеси определяют на
специальном приборе, который состоит из цилиндричес-
кого сосуда высотой 200 мм с внутренним диаметром
240 мм с закрепленным на нем устройством для измере-
ния осадки бетонной смеси в виде направляющего шта-
тива, штанги и металлического диска толщиной 4 мм с
шестью отверстиями (рис. 6.5)‘.
Прибор устанавливают на виброплощадку и плотно
прикрепляют к ней. Затем в сосуд помещают металличе-
скую форму-конус с насадкой для заполнения бетонной
смесью. Размеры формы-конуса такие же, как при опре-
делении подвижности бетонной смеси, т. е. высота
300 мм, нижний диаметр 200 мм, верхний диаметр
100 мм. Форму-конус с. помощью специального кольца-
держателя закрепляют в приборе и заполняют тремя
слоями бетонной смеси, уплотняя ее штыкованием (2b
раз каждый слой). Затем удаляют форму-конус, пово-
рачивают штатив, устанавливают на поверхности оетон-
иой смеси диск и включают виброплощадку. Вибрирова-
ние при амплитуде 0,5 мм продолжают до тех пор, пока
не начнется выделение цементного теста из двух отвер-
стий диска. Полученное время вибрирования — показа-
тель жесткости бетонной смеси.
В лабораториях иногда используют упрощенный спо-
HbFtt°BPEec1S этому способу испытание
проводят следующим образом. В обычную металдичес-
о». | Смесь
Особо жесткая 0 Жесткая 0 Малоподвиж- 1—4 | более 30 Подвижная Более 15 -
кую форму для приготовления кубов размером 20X20 X *|
Х20 см вставляют стандартный конус. Предварительно с fl
него снимают упоры и немного уменьшают нижний диа- -1
метр, чтобы конус вошел внутрь куба (рис. 6.6). Напол- fl
няют конус также в три слоя. После снятия металличес- fl
кого конуса бетонную смесь подвергают вибрации на ла- fl
бораторной площадке. Вибрация длится до тех пор, пока fl
бетонная смесь не заполнит всех углов куба и ее по- fl
верхность не станет горизонтальной.
Продолжительность вибрирования (с) принимают за 1
меру жесткости (удобоукладываемости) бетонной смеси. J
Стандартная виброплощадка должна иметь следующие -fl
параметры: кинематический момент 0,1 Н-м; амплитуду fl
0.5 мм; частоту колебаний 3000 мин-1. Как показали опы- Я
ты, показатель жесткости, определенный на стандартном fl
приборе, приблизительно в 1,5—2 раза меньше показа- 'Я
теля, полученного по способу Б. Г. Скрамтаева. Класси- _fl
фикация бетонных смесей по степени их жесткости (удо- fl
боукладываемости) приведена в табл. 6.3.
Жесткая бетонная смесь по влажности напоминает fl
сырую землю, при укладке требует длительного вибри- 1
ровання (обычно в 5—10 раз более длительного, чем по- 1
казатель жесткости смеси), прокатки, прессования или J
трамбования. Подвижная смесь хорошо уплотняется Л
кратковременным вибрированием.
Удобоукладываемая бетонная смесь при перевозке не fl
расслаивается, при определении ее подвижности стан-
дартным конусом она садится целиком, не рассыпается, 1
от нее отделяется разжиженное цементное тесто.
Главным фактором, определяющим подвижность бе-
тонной смеси, является расход воды: с его увеличением I
подвижность смеси возрастает. При изменении расхода
цемента в бетоне от 200 до 400 кг/м3 с постоянным рас-
ходом воды изменения подвижности бетонной смеси не ’
ТАБЛИЦА 6.4. МИНИМАЛЬНЫЙ РАСХОД ЦЕМЕНТА
ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НЕРАССЛАИВАЮШЕПСЯ ПЛОТНОЙ
См«.
10 20 40
1 L hll hull 1 |§gS88 |
наблюдается. Подвижность смеси изменяется только с
изменением расхода воды. Эта закономерность, полу-
чившая название закона постоянства водопотребности,
позволяет в расчетах использовать упрощенную зависи-
мость подвижности бетонной смеси только от расхода
С увеличением содержания цементного теста при по-
стоянном В/Ц или с уменьшением количества заполните-
лей подвижность бетонной смеси возрастает. Если це-
ментное тесто взять только в количестве, необходимом
для заполнения пустот между заполнителями, то бетон-
ная смесь получается жесткой, неудобоукладываемой,
склонной к расслоению. Чтобы смесь стала подвижной,
следует не только заполнить пустоты, но и раздвинуть
зерна заполнителя прослойками из цементного теста.
Для получения плотной пластичной и нерасслаивающей-
ся бетонной смеси расход цемента не должен быть мень-
ше значений, приведенных в табл. 6.4.
Применение цемента с более высокой нормальной
густотой понижает подвижность бетонной смеси (при по-
стоянном расходе воды). Бетонные смеси, содержащие
пуццолановый портландцемент с активной кремнеземис-
той добавкой, особенно осадочного происхождения (тре-
пел, диатомит), при одном и том же расходе воды имеют
значительно меньшую осадку конуса, чем смеси с обыч-
ным портландцементом. - *
С повышением содержания воды подвижность бетон-
ной смеси увеличивается. Однако каждая бетонная смесь
обладает определенной водоудерживающей способно-
ТАБЛИЦА 6.5. СНИЖЕНИЕ ВОДОПОТРЕБНОСТИ БЕТОННОЙ СМЕСИ
ПРИ ВВЕДЕНИИ СДБ
Смияетне^отподабво™ %. „р„
500 400 300
1 •°
стью, устанавливаемой опытным путем: при большем со- 1
держании воды часть ее отделяется от бетонной смеси, 1
что недопустимо.
Подвижность бетонной смеси существенно зависит от V
крупности зерен заполнителя. С увеличением крупности Я
зерен суммарная площадь их поверхности уменьшается, Я
снижается их влияние на цементное тесто, в результате и
подвижность бетонной смеси возрастает. Пыль, глинис- 1
тые и другие загрязняющие примеси обычно снижают 1
подвижность бетонной смеси. Подвижность зависит так- J
же от соотношения между песком и щебнем. Наилучшая j
подвижность достигается при некотором оптимальном со- Л
отношении, при котором толщина прослойки цементного
теста между зернами заполнителя максимальна. При со- Л
держании песка в смеси заполнителей сверх этого значе- J
ния бетонная смесь делается менее подвижной, что объ- я
телеГСЯ увел,,чением сУммаРной поверхности заполни- I
Обобщенное представление о влиянии различных фак-
торов на подвижность и жесткость бетонной смеси дает
рис. 6.7, на котором представлена зависимость этих ха-
рактеристик от расхода воды и других факторов.
Введение в бетонную смесь поверхностно-активных
добавок, например СДБ, повышает подвижность бетон-
ной смеси и уменьшает ее водопотребность (табл. 6.5).
Пластифицирующие действия СДБ сильнее в жирных и
пластичных бетонных смесях. При малых расходах це-
мента хорошими пластификаторами являются воздухо-
вовлекающие поверхностно-активные добавки.
Аналогично СДБ влияют на подвижность бетонной
смеси суперпластификаторы (С-3, 10-03 и др.). Однако
их эффективность выше и в подвижных бетонных смесях
они позволяют снизить водопотребность смеси на 20—
25 % • Ввиду многообразия факторов, влияющих на под-
вижность бетонной смеси, трудно заранее определить ее
подвижность или водопотребность по какому-либо гра-
фику или таблице, лучше определять ее подвижность
опытным путем.
Степень подвижности и жесткости (удобоукладывае-
мости) бетонной смеси выбирают в зависимости от раз-
меров конструкции, густоты армирования, способа уклад-
ки и уплотнения. Приблизительно выбирать подвижность
и жесткость бетонной смеси для бетонирования различ-
ных конструкций можно по данным табл. 6.6. Чем слож-
нее конструкция и гуще армирование, тем более подвиж-
ную смесь следует использовать для ее бетонирования.
При перекачивании бетонной смеси насосом осадка конуса
должна быть 6—8 см. Следует учитывать, что подвиж-
ность бетонной смеси с течением времени постепенно
уменьшается вследствие физико-химического взаимодей-
ствия цемента с водой. Особенно сильно ухудшается
удобоукладываемость жесткой бетонной смеси, поэтому
такую смесь следует укладывать в формы как можно
быстрее.
ТАБЛИЦА 6.6. ТРЕБОВАНИЯ К ПОДВИЖНОСТИ И ЖЕСТКОСТИ
распалубкой, формуемые на виброплощад-
Монолитные густоармированные железобе-
тонные конструкции (бункера, силосы и др.)
2. Структурообразование и твердение бетона
Структура бетона образуется в результате затверде- 1
вания (схватывания) бетонной смеси и последующего j
твердения бетона, Структура бетона определяет его свой- *1
После приготовления и уплотнения бетонной смеси в
результате гидратации цемента происходит медленное J
упрочнение свежеуложенной смеси, однако какое-то вре- 1
мя она еше сохраняет способность к значительным пла- 1
стическим деформациям. После образования заметного
количества новообразований их частицы сближаются и ’I
начинается переход коагуляционной структуры в кри- |
сталлизационную с резким возрастанием прочности. Бе-
тонная смесь затвердевает, возникает твердая структура 4
бетона.
Продолжительность периода формирования структу- j
ры бетона и ее свойства зависят от состава бетона и 4
применяемых материалов. Определяющее значение име- Д
ют вид цемента и химические добавки. Применение быст-
ротвердеющих цементов, добавок-ускорителей твердения,
уменьшение водоцементного отношения и повышение
жесткости или температуры бетонной смеси ускоряют
формирование структуры бетона. Это имеет важное зна-
чение при заводском производстве железобетонных изде-
лий. Схватывание бетонной смеси ускоряется также при
увеличении содержания заполнителя и уменьшении его
крупности.
Введение в бетонную смесь некоторых пластифициру-
ющих добавок, например СДБ, или специальных доба-
вок-замедлителей схватывания замедляет формирование
структуры бетона. Этот прием используют при необходи-
мости перевозки бетонной смеси на дальние расстояния
или при бетонировании в жаркую погоду. Всякое воз-
действие на бетонную смесь с целью ее формоизменения
или уплотнения должно заканчиваться до начала схва-
тывания. Воздействие в более поздние сроки может при-
вести к необратимому нарушению еще слабой первона-
чальной структуры бетона.
Образовавшаяся после затвердевания бетонной смеси
структура тяжелого бетона представляет собой цемент-
ный камень с втопленными в него зернами заполнителя,
имеющий множество пор и пустот разных размеров и
происхождения. В бетоне различают макроструктуру,
представленную системой щебень — цементно-песчаный
раствор; мезоструктуру, показывающую строение систе-
мы песок —цементный камень, и микроструктуру —тон-
кое строение цементного камня и заполнителя.
Макро- и мезоструктуру бетона можно разделить на
три вида в зависимости от величины раздвижки зерен
заполнителя цементным камнем; первый — зерна запол-
нителя значительно раздвинуты цементным камнем и как
бы «плавают» в нем; второй — цементный камень запол-
няет поры между зернами заполнителя и лишь незначи-
тельно раздвигает их, покрывая тонким слоем; третий —
зерна заполнителя контактируют друг с другом через
тонкую прослойку цементного камня, который лишь час-
тично заполняет пустоты между его зернами. Наиболее
оптимальной является структура второго вида, которая
обеспечивает высокую плотность и заданную прочность
бетона при минимальном расходе цемента.
Микроструктура цементного камня в бетоне состоит
из новообразований и непрореагировавших зерен цемен-
та и микропор различных размеров. С увеличением воз-
раста бетона его микроструктура в результате продолжа-
ющейся гидратации цемента изменяется: возрастает коли-
чество новообразований цементного камня, уменьшается
его пористость, изменяется распределение пор по раз-
мерам. Изменение структуры бетона сопровождается из-
менением его свойств: бетон становится прочнее, он
твердеет. -гл»
Бетон твердеет постепенно, причем прочность его при
благоприятных температуре и влажности непрерывно по- 1
вышается. В первые 7 сут после изготовления прочность 1
бетона нарастает быстро, в дальнейшем же, особенно 1
после 28 сут, это нарастание, как показывают результа- I
ты опытов, замедляется.
Скорость нарастания прочности бетона зависит отви- 1
да цемента. В первые дни прочность быстрее нарастает -1
у бетонов на быстротвердеющих цементах. У бетонов на ]
белитовых цементах прочность нарастает -постепенно, но Я
в течение длительного времени. Для твердения бетона не-
обходима теплая и влажная среда. Она может быть соз- “Я
дана в специальных камерах, а также засыпкой бетона .1
песком или опилками, которые постоянно увлажняют;
Если бетон твердеет все время в воде, то он ста но- -д
внтся более прочным, чем при твердении на воздухе. В «
сухой среде через некоторое время после того, как сво- Я
бодная вода испарится, твердение бетона прекращается. Я
Твердение бетона при температуре ниже 15 °C замед-
ляется, а при температуре ниже О °C практически пре- лА
кращается; наоборот, при повышенной температуре и до- -Л
статочной влажности (в горячей воде при температуре до
80 °C, во влажном паре с температурой до 100 °C или в
автоклаве при действии насыщенного водяного пара вы- Я
сокого давления и температуре около 175 °C) твердение Я
бетона идет значительно быстрее, чем в нормальных ус- --Я
ловиях. Это имеет большое практическое значение при Л
изготовлении сборных бетонных и железобетонных дета- Я
лей, а также при бетонировании зимой. Прогревают бе- 1
тон паром или электрическим током. Для ускорения 1
твердения бетона, кроме прогрева, часто применяют хи- .Л
мическиеускорители (хлористый кальций и др.), которые |
вводят в бетонную смесь вместе с водой затворения. j
Прочность бетона при нормальных условиях твердения I
му времени п₽иблнзительпо пропорционально логариф-
Кп = К*~№' <61)-
Нй5=Г“ж»’"""-"™я
Действительная прочность бетона может быть опре-
делена только испытанием контрольных образцов, твер-
деющих в условиях, аналогичных имеющимся на произ-
водстве, или испытанием бетона, выбуренного непосред-
ственно из конструкции или изделия.
§ 4. СВОЙСТВА ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА
Тяжелый бетон получил наиболее широкое примене-
ние в строительстве. Для его приготовления используют
разные виды цемента и заполнители из плотных и прочих
горных пород. В зависимости от вида конструкции или
изделия и предъявляемым к ним требованиям бетон дол-
жен иметь определенную прочность и стойкость в задан-
ных условиях эксплуатации, а свойства бетонной смеси
должны соответствовать принятым способам ее укладки
и уплотнения и обеспечивать получение плотного бетона,
имеющего хорошее сцепление с арматурой в железобе-
тонных конструкциях и предохраняющего ее от корро-
1. Прочность бетона
Прочность бетона — одно из главных его строитель-
ных свойств. Она определяет способность бетона проти-
востоять внешним механическим усилиям. Разрушение
бетона под нагрузкой происходит в том случае, когда по
всему сечению преодолевается предел прочности мате-
риала, т. е. сопротивление отрыву одних частиц от дру-
гих. Разрушению предшествует появление микротрещин
в местах концентрации напряжений, что ведет к посте-
пенному ослаблению структуры бетона. При сжатии бе-
тон разрушается от разрыва в направлении, перпендику-
Прочность бетона Ra к определенному сроку при твер-
дении в нормальных условиях (температура 15—20 °C и
относительная влажность окружающего воздуха 90— i
100%) зависит, главным образом, от двух факторов:
прочности (активности) цемента и водоцементного
отношения В/Ц.
Водоцементным отношением называют отношение
массы воды к массе цемента в свежеизготовленной бе-
тонной смеси, причем учитывают только свободную, не
поглощенную заполнителями воду. Прочность бетона
2И
прямо пропорциональна Я
прочности цемента. Завися? Ж
мость прочности бетона от 1
водоцемёнтного отношения Д
более сложная (имеет вид
гиперболы — рис. 6.8). Эта
зависимость была установле- Ч
на опытами И. Г. Малюгя.^И
(1895 г.), Н. М. Беляева в
(1927 г) и других советских V
и зарубежных (Фере, Аб-
| рамс, Граф) исследователей.
I Зависимость прочности
бетона от водоцементного от-
ношения объясняется еле- Я
дующими причинами. Изве-
стно, что цемент при твер^лД
-----1 дении присоединяет всего ;
10—25 % воды от своей массы в зависимости от качества
цемента и срока твердения. В течение первого месяца Я
связывается не более 20 % воды от массы цемента. Вме-
сте с тем, для придания бетонной смеси подвижности в Я
нее добавляют воды значительно больше (40—70 % мае- • 1
сы цемента, В/Ц=0,4—0,7), так как при В/Ц^0,2 бе- :
тонная смесь была бы почти сухой и ее было бы невозвЯ
можно укладывать в изделие и конструкцию. Избыточ- Я
ная вода, не вступающая в химическую реакцию с ;
цементом, остается в бетоне в виде водяных воздушных 1
пор или испаряется, оставляя на своих местах воздушные 1
поры. В обоих случаях наличие пор ослабляет бетон: чем я
больше их будет, т. е. чем больше водоцементное отно- Я
шение, тем ниже прочность бетона. Таким образом, закон <
водоцементного отношения показывает большое влияние I
плотности бетона на его прочность.
Зависимость прочности бетона от водоцементного от-
ношения соблюдается лишь в определенных пределах 3
последнего. При очень низких водоцементных отношениях,
даже при повышенных расходах цемента и воды не уда-
ется получить достаточно удобообрабатываемых бетон- I
ных смесей и необходимой плотности бетона, поэтому за-
висимость Rr,=f (В/Ц) нарушается: с уменьшением
ВЩ прочность бетона не увеличивается, а даже начина- j
ет уменьшаться (см. рис. 6.8).
Определенную роль в снижении прочности бетона в 1
этом случае играет то, что
гидратация цемента про-
текает благоприятно и до-
статочно полно лишь при
некотором избытке воды
Ц5 Ц5 1 [5 2 25 3 ЩВ
2 I Ц5 Ц5 М H38 ВЩ
нию с тем количеством,
ко Iорое необходимо для
гидратации цемента.
Уменьшение этого избыт-
ка ниже определенных Рис. 6.9. Зависимость прочности бето-
пределов влечет за собой "а от цементно-водного °™°ше"ия
неполноту гидратации и,
следовательно, понижение прочности бетона-
Зависимость прочности от водоцементного отношения
соблюдается строго лишь при испытании бетона на оди-
наковых материалах с близкой подвижностью бетонной
смеси и при применении одинаковых приемов перемеши-
вания, приготовления и укладки бетона. На прочность
бетона, хотя и менее существенное, чем /?ц и ВЩ, за-
метное влияние оказывают также виды цемента, форма
заполнителей, характер их поверхности, способы приго-
товления образцов и другие факторы. При использовании
белитового портландцемента, шлакопортландцемента или
пуццоланового портландцемента прочность бетона в воз-
расте 28 сут при одинаковом водоцементном отношении
может быть на 15—20% ниже, чем бетона на обычном
портландцементе. „
Прочность бетона с гравием обычно на 10—20 % ни-
же прочности бетона со щебнем (при одинаковом ВЩ)
из-за менее прочного сцепления гравия с цементным
раствором. Несколько пониженной прочностью иногда об-
ладают бетоны на мелких песках. Заметное влияние на
прочность бетона оказывают химические добавки. Проч-
ность зерен заполнителей не имеет значения, если она
выше прочности цементного камня. В этом случае бетон
разрушается по наиболее слабому месту цементному
практике часто используют зависимость прочное-
ти не от водоцементного, а от цементно-водного отноше-
ния Ц/В. Эта зависимость показана на рнс. 6.9. при що
в пределах 1-3,3, которое наиболее часто встречается
при₽ приготовлении бетона, эту кривую можно
двумя прямыми. Тогда для расчетов можно использовать
следующие формулы: и5
а) для бетонов с Д/В^2,5 (В/Д^0,4)
^ = ЛИа(^—0.5);
б) для бетонов с Ц/В>2$ (В/Д<0,4)
R6 = AR,(-f + 0.5).
(6.2)
(6.3).
(образцы 15X15X15 см); /?ц — активность цемента; А и 4, — эмпи-
Значение коэффициентов А и Л принимают по та'^Я
Л
Высококачествен. 0,65 0,43
Пониженного ка- S.55 М7
Высококачественными материалами являются: ще- I
бень из плотных горных пород высокой прочности, песок
хорошего зернового состава, портландцемент высокой ак- I
тивности, без добавок или с минимальным количеством I
гидравлической добавки. Заполнители должны быть чис- .
тыми, промытыми, фракционированными с оптимальным 1
зерновым составом смеси фракций. Рядовые материалы:
заполнители среднего качества, отвечающие требованиям
ГОСТ, в том числе гравий, портландцемент средней ак-
тивности или высокопрочный шлакопортландцемент. Ma- I
териалы пониженного качества: крупные заполнители j
низкой прочности и мелкие пески, цементы низкой актив- I
При проектировании состава бетона наиболее часто
используют формулу (6.2). Формулу (6.3) применяют
"Р"^=°.65 и /?С>1,ЗЯ„; при 4=0,6 и R„>1,2 Яц; при
4—0,55 и Яб> Формулы зависимости прочности
бетона от цементно-водного отношения справедливы
только для бетона, уложенного совершенно плотно.
Закон прочности бетона и выражающие его формулы j
шать две практические за-
дачи: первая — при из-
вестных прочности цемен-
та и водоцементном
отношении можно заранее
определить прочность,
приобретаемую бетоном
через 28 сут, вторая — при
заданной прочности бето-
на /?б и известной прочности цемента рассчитать водо-
цементное отношение, необходимое для определения пра-
вильного состава бетона.
Однако приведенные формулы и графики являются
только ориентировочными. На каждой стройке или заво-
де, где ведутся большие бетонные работы, необходимо
проводить предварительные опыты по уточнению зависи-
мости прочности бетона от водоцементного отношения и
других факторов. Для этого готовят из бетона при трех-
четырех значениях водоцементного отношения, например
при 0,4; 0,5; 0,6 и 0,7, по три куба и испытывают их пос-
ле 28 сут нормального твердения. Результаты испытания
наносят на график или уточняют их с помощью формулы,
которые используют при расчете состава бетона из мест-
ных материалов.
Прочность бетона характеризуется его маркой, кото*
рая определяется пределом прочности при сжатии стан-
дартных бетонных кубов размером 150X150X150 мм, из-
готовленных из рабочей бетонной смеси в металлических
формах и испытанных в возрасте 28 сут после твердения
в нормальных условиях. Для тяжелых бетонов применя-
ют марки Ml00, Ml50, М200, М250, М300, М350, М400,
М450, М500, М600.
На производстве необходимо обеспечить заданную
марку бетонов. Превышение заданной марки свыше 15 %
не допускается, так как оно вызывает перерасход це-
Кубы размером 150X150X150 мм применяются в том
случае, когда наибольшая крупность зерен заполнителей
40 мм. При другой крупности заполнителей допускается
применение кубов других размеров с введением переход-
ных коэффициентов к прочности стандартного куба. Для
кубов с длиной ребра 70 мм переходный коэффициент
равен 0,85; соответственно 100 мм—0,95; 200 мм—1,05.
Размер ребра куба, должен быть приблизительно в три
раза больше наибольшей крупности зерен заполнителя.
Марки бетона могут быть определены также и по
прочности на растяжение при изгибе, например для тя-
желых бетонов, применяемых в дорожном и аэродром-
ном строительстве. Прочность бетона на растяжение при
изгибе определяется путем испытания образцов, имею-
щих форму балочек квадратного сечения с размерами,
указанными в табл. 6.8. Прочность бетона при изгибе в
несколько раз меньше прочности бетона при сжатии и его
ЯнКзг°11БвРАЗЦАМ и тело“иям
Размеры образцов, мм"
ЮОХЮО I 400
150X150 «Ж
| 200X200 | Ж
1U1W, mU, М50> M55 —,
s==as5™==i
бетона’ .
-4
ки твердения, превышающие 28 сут (60, 90, 180 сут) со--1
ответственно с графиком работ и сроками строительства
Увеличение расчетного срока твердения бетона сверх
28 сут обеспечивает экономию цемента.
Бетон марок Ml00—Ml50 применяют для оснований,
фундаментов и массивных сооружений с невысокими W
расчетными напряжениями. Для обычных монолитных и
сборных железобетонных конструкций в гражданском и
промышленном строительстве используют бетон марок
М200—М300. Для предварительно напряженных и специ- Д
альных железобетонных конструкций применяют бетон
марок М300—М600.
Качество бетона нельзя достаточно полно оценить по
его средней прочности или марке. На практике всегда
наблюдается отклонение от этой величины. Колебания 1
активности цемента, свойств заполнителей, дозировки /Д
материалов и других факторов приводят к определенной т
неоднородности структуры бетона и к колебанию его
свойств. Более полное суждение о качестве бетона можно
сделать при одновременном учете средней прочности бе- j
тона и его однородности, определяемой на основе стати- j
стического анализа коэффициентом вариации прочности 1
V. который равен отношению среднего квадРа”™™1 J
отклонения отдельных результатов испытаний прочности J
бетона к его средней прочности. Чем выше однородность
бетона, тем с большей надежностью получают задан-
ную прочность бетона.
Коэффициент вариации прочности бетона колеблется
от 0,05 до 0,2. На предприятиях с хорошо налаженной
технологией значение и не превышает 10%. Снижение
коэффициента вариации обеспечивает экономию цемента.
При проектировании железобетонных конструкций
учитывают однородность бетона. Нормативную кубико-
вую прочность бетона Ra, используемую в расчетах, при-
нимают равной:
/?Н = Л1(1 — 1,64о).
При заданной нормативной прочности проектная мар-
ка бетона М будет зависеть от коэффициента вариации.
При п=0,07 М=1,12/?в, при v=0,14 М=1,3/?н и соот-
ветственно на 15—20% возрастет расход цемента.
При проведении статистического контроля качества
бетона, когда суждение о прочности бетона выносится по
результатам большого количества испытаний, расчет
конструкции может производиться не по средней, а по
гарантированной прочности бетона.
Для конструкций, которые проектируют с учетом тре-
бований СТ СЭВ 1406—78 и СНиП 2.03.01—84 прочность
бетона характеризуется классами. Класс бетона опреде-
ляется величиной гарантированной прочности на сжатие
с обеспеченностью 0,95. Бетоны подразделяются на клас-
сы: Bl; В 1,5; В2; В2,5; В3,5; В5; В7,5; В10; В12.5; В15;
В20; В25; ВЗО; В40; В45; В50; В55; В60. Для перехода от
класса бетона В к средней прочности бетона (в МПа),
контролируемой на производстве для образцов 15Х15Х
XI5 см (при нормативном коэффициенте вариации
13,5%) следует применять формулу: =В/0,778. На-
пример, для класса В5 получим среднюю прочность
/?ср=6,43 МПа, для класса В40 /?£р=51,4 МПа.
2. Деформативные свойства бетона
Деформации бетона можно разделить на собственные
деформации — усадку и расширение, возникающие под
действием физико-химических процессов, протекающих в
бетоне; деформации от действия нагрузки, причем раз-
личают деформации от кратковременного действия на-
с?вУия"Н0пТоДЛИТеЛЬ,,0Г0 Дей-
ствия - ползучесть бетон» •
б“оПнТТУРНЫе «'Форма^
Усадка бетона, т ь
уменьшение его объема поп
является при твердении бе'
тона в атмосферных услови-
ях или при недостаточной
влажности среды, способст-
вующеи высыханию бетона
При твердении в воде или во
влажных условиях усадка
резко уменьшается, а в ряде
случаев происходит незначи
вла^Х:Г^адаФ°РМа™Й^
формации, пазванио^та^п^виду^пределяюихстс^фак-
®ЛаЖН0Стная усадка вызывается изменением распре-
деления, перемещением и испарением влаги в образо-
вавшемся скелете цементного камня. Эта составляющая
играет ведущую роль в суммарной усадке бетона. Конт-
ракционная усадка вызывается тем, что объем новообра-
зований цементного камня меньше объема, занимаемого
веществами, вступающими в реакцию. Эта усадка раз-
вивается в период интенсивного протекания химических
реакций между цементом и водой и не столько изменяет
внешние размеры образца, сколько способствует измене-
ниям в поровой структуре материала: уменьшается объ-
ем пор, занимаемых водой, возникают воздушные поры.
Обычно эта усадка развивается в период затвердевания
бетона, когда он еще достаточно пластичен, и поэтому
не сопровождается заметным растрескиванием материа-
ла. Карбонизационная усадка вызывается карбонизацией
гидрата окиси кальция и развивается постепенно с по-
верхности бетона в глубину.
Наибольшую усадку дает чистый цементный камень.
Введение заполнителя резко уменьшает усадку (рис.
6.10). В среднем годичная усадка тяжелого бетона сос-
тавляет 0,0002—0,0004 или 0,2—0,4 мм/м. Усадка бетона
уменьшается при сокращении расходов цемента и воды
и понижении водоцементного отношения. Усадка возра-
стает с возрастом бетона и при понижении влажности
окружающего воздуха. ложности
Быстрое высыхание бетона, особенно в раннем возоа-
сте, приводит к значительной и неравномерной усадке и
может вызвать появление на поверхности материала уса-
дочных трещин. Во избежание этого применяют правиль-
но подобранные составы бетона (с минимальным расхо-
дом цемента), обеспечивают надлежащие условия его
твердения, устраивают специальные швы, бетон в мас-
сивные сооружения укладывают отдельными блоками
применяют химические добавки, уменьшающие усадку
Деформации бетона при кратковременном нагружении
включают упругую еу, пластическую епл и псевдопласти-
ческую епл, связанную с появлением и развитием в бето-
не микротрещин, части:
Предельные суммарные относительные деформации,
при достижении которых наступает разрушение, для бе-
тона как для хрупкого материала невелики и составля-
ют при сжатии 0,0015—0,003, при растяжении 0,0001—
0,0015.
О деформативных свойствах бетона при приложении
нагрузки судят по его модулю деформации, т. е. по от-
ношению напряжения к относительной деформации, вы-
зываемой его действием. Чем выше модуль деформации,
тем менее деформативен бетон. Модуль деформации бе-
тона повышается с его прочностью и составляет: для бе-
тона марки Ml00 1900 МПа, для бетона марки М500
4100 МПа.
Ползучесть бетона проявляется в виде необратимых
деформаций, возникающих при длительном действии по-
стоянной нагрузки. Деформации ползучести наиболее за-
метно развиваются в первые сроки после приложения
нагрузки и постепенно затухают. Уменьшению ползучести
способствуют понижение расхода цемента и водоцемент-
ного отношения, повышение крупности заполнителей и
уменьшение их деформативных свойств, увеличение воз-
раста бетона и его прочности.
Температурные деформации бетона характеризуются
температурным коэффициентом линейного расширения,
который в среднем составляет 10-10"6. Этот коэффици-
ент близок к коэффициенту линейного расширения ста-
этих материалов®
антои™В°СТЬ»И "'проницаемость.
ант.,коррозийная стойкости, морозостойкость
£ еГ° Я
плотность незатвердевшей Vcrnmn- Следует Различать . .
затвердевшего бетона. Бетонная смесь м'ож "
ти совершенно плотной (имеется в вилт пТ 1ТЬ "оч-
том воды, содержащейся в смеси/если п °СТЬСуче-
рассчитана и плотно уложена Плотна правильно -I
где В и Ц- расход воды и цемента на 1 м’ бетона (1000 дм); <И
количество химически связанной воды в долях от массы цемента. Я
В возрасте 28 сут цемент связывает приблизительно Д
15 % воды от своей массы. Например, если в 1 м3 бетон- -Д
ной смесн содержится 320 кг цемента и 180 л воды, то Л
пористость бетона будет:
180 — 0,15-320
я‘=--------Пйю-----
Поры в тяжелом бетоне, образовашиеся на месте из-
быточной воды, располагаются в цементном камне и под-
разделяются на поры геля и капиллярные поры. Если в -
бетоне содержится вовлеченный воздух, то суммарная
пористость возрастает:
где П2 — объем вовлеченного воздуха, %.
Плотность бетона может быть повышена тщательным J
подбором зернового состава заполнителей, дающим
уменьшение объема пустот в смеси заполнителей, а еле- ' .
довательно, и содержания цементного камня в бетоне.
Кроме того, можно применять цементы, присоединяющие,
возможно больше воды (высокопрочный портландце-
мент, глиноземистый цемент, расширяющийся цемент),
или цементы, занимающие больший абсолютный объем
(пуццолановый портландцемент). Плотность бетона мо-
жет быть повышена путем уменьшения водоцементного
отношения, что достигается введением в бетонную смесь
специальных добавок — пластификаторов, уплотнением
бетонной смеси вибрацией, центробежным или другим
механизированным способом. Часть свободной воды из
бетонной смеси при укладке можно удалить вакуумиро-
ванием.
Водонепроницаемость бетона зависит от его плотно-
сти и структуры. Бетон мелкопористой структуры и одно-
родного состава, тщательно уплотненный и достаточно
затвердевший, практически водонепроницаем в слоях
значительной толщины. Водонепроницаемость бетона
раствором, в особенности наносимым пневматическим
способом (так называемым торкретированием).
Плотный бетон достаточно непроницаем не только для
воды, но и для мазута и тяжелой нефти. Жидкости, име-
ющие малую вязкость и плотность значительно меньше
единицы (керосин, бензин, смазочные масла и др.), прони-
кают через бетон значительно легче воды. В резервуарах,
предназначенных для хранения тяжелых нефтепродук-
тов, поверхность бетона дополнительно через сутки после
штукатурки и затирки три раза покрывают жидким стек-
лом, которое закрепляют раствором хлористого кальция.
Для защиты от проникания бензина и керосина поверх-
ность бетона покрывают пленками из пластмасс или из-
жидкостей, расширяющемся или безусадочном цементе.
Под влиянием физико-химического действия некото-
рых жидкостей и газов бетон может разрушаться. Корро-
нием цементного камня, заполнители же всегда можно
подобрать достаточно стойкие.
Защищают бетон от коррозии следующим образом:
придают бетону повышенную плотность; устраивают во-
донепроницаемую оболочку вокруг бетона; выбирают це-
мент с малым выделением свободного гидроксида каль-
ция и с низким содержанием трехкальциевого алюмината .
ьф^ " T“"°P Д
крывают кислотоупорными плитками или камнями ' П0'
ментного геля, имеющие размер менее 10-s см непоони
цаемы для воды. В них содержится, обычно связанная i
вода, которая не переходит в лед даже при очень низких
температурах (до -70"С). Условно можно считать что!
в бетоне такой воды содержится примерно столько же I
сколько химически связывается цементом. Микропоры не
оказывают заметного влияния на морозостойкость бе-
Водонепроницаемость н морозостойкость бетона очень I
зависят от количества крупных пор (макропор) в бетоне ",
которые образуются водой, не вступившей в химическое I
взаимодействие с цементом, и имеют размер более >
10 5 см. Относительный объем макропор можно вычис- та
лить по формуле, %:
л = ~'юоо 10°-
По данным Г. И. Горчакова, морозостойкость бетона,
цикл, составляет:
Макропористость бетона уменьшается, а его морозо- |
стойкость улучшается при понижении В/Ц и с увеличе- j
нием возраста бетона. Обычно для получения достаточно
морозостойкого бетона В/Ц применяют менее 0,5. •_ I
Морозостойкость бетона можно улучшить также пу- J
тем введения в его состав специальных гидрофобных воз- Я
духововлекающих добавок, уменьшающих проницаемость Ж
его пор и капилляров для воды и снижающих внутрен- j
ние напряжения в бетоне при ее замерзании (рис. 6.1 Ц* в
При проектировании бе-
тонных и .«елезобетоиншс
^Хляться особые трХ
ояния по водонепроницаемо-
0.35 0//5 Ц55 0,65 0,15 В/Ц
конструкций, от которых тре-
буется непроницаемость,
установлены марки по водо-
непроницаемости: W2, W4,
W6, W8, W10, W12. Для кон-
струкций подвергающихся в
увлажненном состоянии по-
переменному заморажива-
нию и оттаиванию, установлены марки по морозостойко-
сти: F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500.
§ 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА БЕТОНА
Состав бетонной смеси выражают двумя способами.
1 В виде соотношения по массе (реже объемного, ме-
нее точного) между количествами цемента, песка и гра-
вия (или щебня) с обязательным указанием водоцемент-
ного отношения и активности цемента. Массу цемента
принимают за единицу, поэтому соотношение между со-
ставными частями бетона имеет вид: 1 : х: у при опреде-
ленном В/Ц и Яц (например, 1: 2 :4 по массе при В/Ц =
=0,6 и Яц=40 МПа). Устанавливать составы бетона
по объему допустимо только на небольших стройках;
при этом цемент всегда должен дозироваться по массе.
2 . На крупных стройках и центральных бетонных за-
водах все материалы дозируются по массе, при этом со-
став бетона обозначают в виде расхода материала на
1 м3 уложенной и уплотненной бетонной смеси, например:
2400 кг/м3
Расход материала указывают с точностью, которую
может обеспечить принятый способ дозирования матери-
алов. Обычно расход цемента и воды указывают с точно-
стыо до 1 кг, песка и щебня до 5 кг. Правильный „
состава-одна из наиболе важных операций „ Je?»'"” Я
ГИИ бетона. Различают два состава S.™. тсхноло-
ный (лабораторный), устанавливаемый для сухих"»»’’! В
лоТ“^'тесХ™в;;а'к™"ЫЙ (полевой) f
Хкххг'х--/
создающие надлежащее уплотнение в изделии или кон?
струкцин; экономичность, заключающуюся в возможно
меньшем расходе цемента на единицу объема бетонаЛ
выше минимального расхода, обеспечивающего плот- "
бетона (см- табл- 6-4)- При определении состава! 2
бетона учитывается необходимость достижения полной'
или частичной прочности в сроки, соответствующие гоа- <
фику производства работ или изготовления конструкций ’
Прежде, чем рассчитывать состав бетона, необходимо’®
выбрать марку цемента и исследовать местные заполни-Л
тели (песок, гравий, щебень), а также воду. Для эконом- |
ного расходования цемента необходимо, чтобы его марка Я
превышала заданную марку бетона (см. п. 1, § 2). Д
При применении бо iee низких марок цемента для при-
готовления бетона требуется слишком большой расход .
цемента. Наоборот, когда марка цемента слишком высо-
ка, может случиться, что расход цемента будет меньше
требуемого для получения бетона необходимой плотности, fl
В этом случае к цементу надо добавить тонкомолотую .
добавку — активную кремнеземистую или инертную (мо-
лотый кварцевый песок, инертный при обычном тверде-
нии бетона без автоклавной обработки; каменную муку
из плотного известняка и т. п.). Добавка может быть раз- I
молота в сухом состоянии и заранее смешана с цементом И
или же в виде водной суспензии введена непосредствен- ,
но в бетоносмеситель.
Для расчета состава бетона необходимо вычислить *1
водоцементное или цементно-водное отношение; опреде- -н
лить расход воды на 1 м3 бетона; расход цемента на 1 м3 I
„едоетигнугы; определить окончательны*
Расход материалов на 1 м’ бетона; изготовить бетонные
Ез5ы И испытать прочность бетона. На производстве
„-обходимо кроме того, пересчитывать номинальный со-
став непроизводственный с учетом влажности заполни-
теЛВодоцементное отношение рассчитывают по заданным
марке и сроку твердения бетона, активности цемента и
виду заполнителей на основании ранее указанных фор-
мул (6.2) и (6.3) или по результатам предварительных
опытов. Если задан расчетный срок и, не равный 28 сут,
то сначала вычисляют Кц по формуле (6Л), затем по
Я28 определяют водоцементное отношение.
Расход воды В на 1 м3 бетона определяют по графи-
ку (см. рис. 6.7) в зависимости от требуемой подвижно-
сти или жесткости бетонной смеси, вида и крупности за-
полнителя. Зная В/Ц и В, определяют расход цемента на
1 м3 бетона . Зи
Ц = В(Ц1В).
Для определения расхода песка и щебня (гравия)
составляют два уравнения. Первое уравнение выражает,
что сумма абсолютных объемов всех составных частей
бетона (в литрах) равна 1 м3 (1000 л) готового уплот-
ненного бетона, если в бетоне нет вовлеченного воздуха
Рц Рп Рщ
истинная плотность материалов, кг/л; В — водопотребность бетонной
Второе уравнение выражает, что цементно-песчаный
раствор должен заполнить все пустоты между щебнем
(в рыхлом состоянии) с некоторой раздвижкой зерен
Ц д К _ Щ а
Ishh | }.«• o.s —
----------101)0
Коэффициент раздвижки зерен щебня а принимают
Для подвижной бетонной смеси но табл. 6.9 Р ЮТ
мается* пявимл°Й 6етонноЯ смеси коэффициент а прини-
мается равным в зависимости от расхода цемента, кг/м: j
до 400 ..................... . nr 1 1 ]
400-500 .... ............... 111'о 1
500-600...................::::::: 1,2-1:25 1
Коэффициент а определяет соотношение между пес-
ком и щебнем в бетоне. При излишне высоких коэффи-
циентах а бетонная смесь содержит избыточное количест- ,
во песка. Такая смесь обладает повышенной водопотреб- I
ностью и соответственно требует большего расхода
цемента. При слишком малых значениях а в бетонной
смеси будет недостаток песка, что приведет к ее расслое- |
нию, и, следовательно, к снижению прочности бетона, к |
ухудшению его морозостойкости и других свойств. Таким
образом, правильный выбор коэффициента а даст воз-
можность получить экономичный по расходу цемента
прочный и плотный бетон.
Физический смысл изменения коэффициента а заклю-
чается в следующем. В жесткой бетонной смеси при уме-
ренных расходах цемента содержится относительно не-
большое количество цементного теста высокой вязкости.
а смесь хорошо удерживает воду, и опасность водо-
этделения и расслоения здесь отсутствует. Требуемая
«рсткость бетонной смеси обеспечивается при минималь-
ной раздвижке зерен щебня раствором, при этом дости-
гают минимального расхода песка, а следовательно, во-
допотребности бетонной смеси и расхода цемента.
С увеличением количества воды для придания бетон-
ной смеси большей подвижности объем цементного теста
возрастает, а вязкость его понижается. Чтобы избежать
водоотделения и расслоения бетонной смеси и чтобы бы-
ла необходимая ее связанность, приходится увеличивать
коэффициент а, сохраняя и даже увеличивая (при высо-
ких значениях В/Ц) соотношение между песком и щеб-
нем, так как более высокая удельная поверхность песка,
мелкие поры и капилляры между его частицами способст-
вуют удержанию воды в жидком цементном тесте.
При применении для бетона щебня или гравия не-
соотношение между ними, подбирая смесь с минималь-
ным количеством пустот. Полученный расчетом состав
бетона проверяют в лаборатории и при необходимости
довательного приближения (см. пример 6.1).
3(Ю = 0,6.5Oo(-^--O,s); Ц/Я=1,0.
(По^рафику (см. рнс. 6.7) определяем расход воды: В=1704-
скаемого по нормам (см. табл. 6.4), в данном^учае'шо^0 Коэф-
1,35И(2=270 кг°°ВЩ=0,67)С Т8бЛ‘ "° интерполяци“ пРинимаем
Тогда расход щебня:
0.40^4
= 1210 кг;
расход песка:
Плотность бетонной смеси:
рб/с = 270 + 180 + 710 4- 1210 = 2370 кг/м3. 3
осадку конуса. Из-за особенностей используемого цемента и мест*,
ных заполнителей осадка конуса может отличаться от заданны^
Предположим, ОК=1 см. Это говорит о том, что смесь недостдА
точно подвижна. Для повышения подвижности и удобоудладываемо- I
ста увеличиваем в данном замесе расход цемента на 10 %, т. е. до
менять В/Ц-, снова перемешиваем бетонную смесь, измеряем осадкуД
стальную форму н определяем плотность бетонной₽°смесн.
смесь уложена плотно, ее плотность должна совпадать с расчетнс
(допускаемое отклонение ±2 %). Кроме того, из пробного замес
изготовляем образцы бетона для проверки прочности в заданные ср<
Полевой состав бетонной смеси определяют с учет«м
влажности заполнителей. При этом находят содержание
воды в заполнителе по формулам:
где в., - содержание воды в песке и щебне: W„, - влаж- в
"а н щеб'яя ‘ “’““'“тельных единицах; П,Щ- расход пес-
Для получения заданной прочности бетона и подвиж-
ности бетонной смеси необходимо сохранить определен-1
вые для номинального состава В/Ц расход воды и плот-
В „,™на' Соответственно уменьшают расход воды,
nari непосредственно в бетоносмеситель, так как
ход воды оп°„В0Д“ТСЯ “МеСТе с заполнителем. Новый рас-
ход воды определяют по формуле:
оя = о-нп_в|ц.
"е “зменяют- Для сохранения массы -
массой со™?''’",Ч“ВаЮ1 ег° ₽ac“A соответственно «Я
массой содержащейся в нем воды
по
При изготовлении бетонной смеси происходят как бы
уменьшение общего объема материалов, так как зевм
песка располагаются между зернами щебня частицы не
мента-между зернами песка. Поэтому, если насыпа™,
в определенную емкость цемент, песок, щебень а затем
начать их перемешивать, то будет получен объем бетон-
ной смеси меньше первоначального объема Степень
уменьшения объема характеризуют коэффициентом вы-
хода бетона, который определяют по формуле:
6 =___________1000________
Д/Рв.ч+Я7Ри.п+Я(/р1,,|Ц *
где рв.п, р,,п, рн.щ — насыпная плотность соответственно цемента,
г^Дсли при расчете материалов на один замес бетоно-
смесителя исходят из условия, что сумма объемов не-
ет объему барабана бетоносмесителя, то расход матери-
алов определяют, умножая расход материалов на 1 м3
на объем барабана и коэффициент выхода бетона.
КддГТЖГ-21—12=147 л, песка 710+2^=731’кг,
270 731 1222 °'66’
бетона. Расход материалов на замес: цемента: 270-0,33=89 кг, во-
ды 147-0,33=48 л, песка 731-0,33=241 кг, щебня 1222-0,33=403 кг.
При определении состава бетона с химическими до-
и бетонной смеси соответствующими коэффициентами.
Сведения о действии добавок получают по результатам
предварительных испытаний или из соответствующих ин-
струкций. Например, если в бетонную смесь вводят пла-
стифицирующую добавку или суперпластификатор, то
расход воды уменьшают в соответствии с ее эффективно-
стью. Ориентировочно можно принимать, что СДЬ сни-
жает водопотребность в среднем на 10 %, а суперпласти-
“I
• порядок определения
фикаторы на 20 %. В остальном же I
состава бетона не изменяется.
Пример 6.3. Определить состав^бетона^по данным примера 6.1,
бавки на прочность бетона в возрасте 28 сут незначительно™”6 i°'
Расход воды уменьшаем на 20 %: fi= 180-0,8= 144 л.
Расход цемента: Ц= 144-1,5=216 кг.
Расход песка:
л=[1мв_(211 + 144+^]2165 = такг .1
5Ж>ВД“Т0’а позволило сократить расход ценен-
„ При нсо6ходи“ос™ провести определение состава!
“"°'а „Л™1™ большег° числа факторов, например с
нов твеп?ешГ нескольк,,х лобавок и разных режи-
ровамя экспепи^„ЛЬЗУ10ТйСП«Ц1,аЛЬНЫе методы плаН1Ч
Р " °6Раб°™ его результатов, по]
заданных Ла™™СК"е модели' учитывающие влияний
бё?о“ой еФме™₽ п"а Прочность ба™“а « подвижностЯ
мек^но^^ "РименяЛ
§ 6. ОСОБЫЕ ВИДЫ БЕТОНА
! Высокопрочный бетон
ты ЬТдж*. применяя цемя'- I
заполнители. 1 Ше 4U0^ и 8ыс°кокачественные fl
но нрименятьИцементы ^пониже* с00ружений желатель-
особенно СаА, лучше веет н? М содеРжанием C3S. 1
твердеют постепенно, в «тештеми’^' Такие цементы
печивая высокую kohpuuvI6""6 дл,11едьного срока, обес- J
т-ердення^ХТЛ^.?..?™- В. первые
В результате объемные и\^ °ТЫ Н усадка небольшие.
2И ооъемные изменения бетона на таких це- .
ментах, особенно опасные в мас-
ЛЯб,МПа1т
.250 350 450 550 Ц,"»
При бетонировании сборных
железобетонных конструкций,
имеющих, как правило, малые
размеры, или когда необходимо
быстрое твердение бетона, наобо-
рот, предпочтительнее цементы,
содержащие повышенное коли-
чество C3S и С3А. В этом случае
лучше всего применять быстро-
твердеющие портландцементы
(БТЦ).
Выделение теплоты и усадка бетона, связанные с ,
твердением цемента и вызывающие вредные «собствен-
ные напряжения» в бетоне, возрастают с увеличением
расхода цемента. Чтобы эти явления не достигали опас-
ных пределов, необходимо ограничивать расход цемента,
особенно для массивных сооружений. Максимально до-
пустимый расход цемента в высокопрочном бетоне для
массивных сооружений не должен превышать при приме-
нении белитового портландцемента 430 кг/м3, а обычного
портландцемента — 375 кг/м3. Во всех остальных случа-
ях желательно, чтобы максимально допустимый расход
цемента в высокопрочном бетоне не превышал 500 кг/м3.
Следует отметить, что увеличение расхода цемента
выше указанных пределов неэффективно и для повыше-
ния прочности бетона, так как она возрастает незначи-
тельно. Это хорошо иллюстрирует рис. 6.12, на котором
показано увеличение предела прочности бетона при сжа-
тии 7? б в 28-суточном возрасте на 1 кг добавочного це-
мента в зависимости от общего расхода цемента (по опы-
там Й. П. Алексадрина).
Заполнители высокопрочного бетона должны быть чис-
тыми и обладать хорошим зерновым составом и малой
пустотностью. В качестве крупного заполнителя следует
применять фракционный щебень из плотных и прочных
горных пород. Предел прочности при сжатии исходных
каменных пород должен быть не менее: 100 МПа —из-
верженных и 80 МПа — осадочных. Песок для высоко-
прочного бетона должен иметь пустотность не свыше
способствуй
ia используют все средства,
его прочности: применяют
предельно низкое водоцементное отношение, суперплай
титЬикаторы высоки», иногда предельный, расход ценен
„особотщательное перемешивание и уплотнение бе-
тонной смеси и уход за бетоном, различные способы но-
вышення активности цемента и качества бетона (актива,
ция цемента, виброактивация бетонной смеси и др.).
2. Быстротвердеющий бетон
Получение быстротвердеющего бетона, обладающаД
относительно высокой прочностью в раннем возрасте (1JM
3 сут) при твердении в нормальных условиях, достигает- *
ся применением быстротвердеющего цемента, а также
различных способов ускорения твердения цемента. К
этим способам относятся: использование низких значений^
водоцементного отношения и жесткой бетонной смеси,
добавок —ускорителей твердения (СаС12, ННХК и дру-I
гие); сухое или мокрое домалывание цемента с добав-
кой гипса (2—5 % массы цемента) в вибромельницах,
шаровых мельницах, бегунах или других помольных ус-
тановках; виброперемешивание или виброактивация цеуД
ментного раствора.
Наилучшие результаты получают при проведении ..
комплекса мероприятий. Так, при применении цементаМ
марки 500, домолотого с 3% гипса, жесткой бетонной сме-Ж
си с В/Ц=0,35, добавки хлористого кальция в количест-
ве 2 % массы цемента и при виброперемешивании можно
получить бетон прочностью при сжатии в первые сутки
30—50 МПа.
При определении состава быстротвердеющего бето- <
на водоцементное отношение устанавливают по заданной
прочности бетона в раннем возрасте с учетом выбранного jj
способа ускорения твердения. Дальнейший расчет соста- Л
ва оетона производится по обычной методике. В табл. бЛО
показано возможное увеличение прочности бетона в ран-
нем возрасте при различных способах ускорения его
твердения. 1 г 3
Обязательны экспериментальная проверка и коррек-
А₽°ВКа П° ее РезУльтатам состава быстротвердеющего
в раннем возрасте0 ПеРВЫХ’ увеличение прочности бетона .,
цемента, состава бетона и других факторов, поэтому I
твердения НА прочность бетона в раннем возрастеЕНИЯ
“доти 5000-6000,Эсмг/гУД * °ВеР*
Добавка 2 % СаС12 от массы цемента
Совместное применение дополнительного
200-250
150-200
140~170
200-300.
приведенные в табл. 6.10 цифры только ориентировочные;
во-вторых, увеличение прочности бетона при применении
нескольких способов не является прямой суммой вели-
чин прироста прочности бетона, достигаемого каждым
способом в отдельности.
3. Бетон для дорожных и аэродромных покрытий
В бетонных покрытиях на дорогах и аэродромах ос-
новными расчетными напряжениями являются напряже-
ния от изгиба, так как покрытие работает, как плита на
упругом основании, поэтому дорожный бетон должен
иметь соответствующую прочность на изгиб и достаточ-
Применение чистого доброкачественного шебня круп-
ностью до 40 мм и чистого песка улучшает сцепление це-
ментного камня с заполнителем и обеспечивает необхо-
димую прочность бетона на изгиб. Долговечность
на достигается ограничением водоцементного отношения,
которое должно быть не более: для сурового климата
0,5; умеренного 0,53; мягкого климата О.&о. _
Суждение о климате делают по среднемесячной тем
пературе наиболее холодного месяца в году.
Для районов, где температура не 6ывяат 1 водоцементное отношение не должно превыш^0°с. условию предохранения поверхности бетона от ще’®у цементов и воздухововлекающих добавок. дроФобны< Качество песка оказывает заметное влияние на проч- ность мелкозернистого бетона. Если в обычном бетоне замена крупного песка мелким понижает прочность всего на 5—Ю %, то в мелкозернистом бетоне прочность может уменьшиться на 25—30%, а максимальная прочность песчаного бетона составов 1:2—1:3, которую можно до- стигнуть при определенной интенсивности уплотнения,
4. Мелкозернистый бетон 1 иногда снижается в 2—3 раза. Поэтому для мелкозернис- тых бетонов желательно использовать крупные чистые пески или обогащать мелкий песок более крупными вы-
======= тонкостенных конструкций В падевых ₽v=',"''" Материал зернистый бетон можно исполнив™ Уровнях мелко- железобетонных конструкций в районахДЛгпГГ°ТОВЛеНМ Щебень и гравийно-песчаная смесь “ 1 А отЧ™’'вуИ?Д .”= -1 смеси, способствуютвозД^ововАчению »HfiCTb бетонной при вибрирование ВодХтпебно^ бетонную смесь равноподвижной бетонной ’смеси ₽авноп₽очного бетона и не на 20-40 % возрастает оа™„ мелк°зернистом бето- 1 с обычным бетономР Для снижгаи “емента п0 сравнению 4 ДУет применять химичеДи» „ « Рас*°ла Цемента еле- i некие песчаных бетонных смесейТ’ эффективное Уплот- 1 новым составом. В цементнп 1 с х0Р°Ш“м зер- 1 расходом цемента полезно иеп/пв™* смесях с высоким | «торы, СДБ „ЛИ комплексную ^МТЬ с>™Р"ла™фи. СДБ и ускорителя твердения цемент!87’ СОСТОЯЩУЮ из иие Цементно-песчаной смеси Л™ х°Р°шее уплотне- трамбованием, вибрирование,/0 "гается прессованием, 1 нуумированнем. НОриРоваввем с пригрузом „ли виброва- ] севками от дробления камня, мелким гравием. Для изготовления тонкостенных железобетонных кон- струкций обычно применяют цементно-песчаную смесь 1 малоподвижной консистенции составов 1:3—1:4, а для изготовления армоцемента — более жирные составы 1:2. При формовании изделий в двухсторонней опалубке при- 1 меняют литые цементно-песчаные смеси. При прессова- нии или вибрировании с пригрузом используют жесткие бетонные смеси. Мелкозернистый бетон обладает повышенной прочно- стью на изгиб, хорошей водонепроницаемостью и моро- зостойкостью. Поэтому его можно использовать для до- ротных покрытий в районах, где нет хорошего щебня, - труб, гидротехнических конструкций. Мелкозернистые бетоны широко применяются при из- ' готовлении силикатных изделий. В этом случае высокая удельная поверхность заполнителя полезна, так как уве- 1 личивает количество новообразований при реакции изве- сти с кремнеземом в автоклаве и повышает прочность бетона. 5. Жаростойкие бетоны Жаростойкие бетоны применяют в тепловых агрега- тах. Они должны выдерживать длительное воздействие высоких температур. В качестве вяжущих для жаростой- ких бетонов применяют портландцемент, шлакопортланд- цемент, глиноземистый цемент и жидкое стекло. Для повышения стойкости бетона при нагреве и “лРаяея1,я прочности после нагрева в вяжущее вводят тонюмоло- тые добавки ,13 хромитовой руды, боя “a«°™°r0- “а£. незитового или обычного кирпича, ввДезита, грануляро ванного доменного шлака и др. Тонкость помола добавок
должна быть такой, чтобы через сито № 009 проходи^ П
не менее 70 % материала для бетона на портландцемент
те и не менее 50 % для бетона на жидком стекле.
В жаростойких бетонах на портландцементе тонко/"
молотая добавка связывает образующуюся при нагреве
за счет разложения СаСОз или Са (ОН)2 свободный СаО
и тем самым предохраняет бетон от разрушения после 1
теплового удара вследствие гашения СаО влагой воз-
духа. В качестве мелкого и крупного заполнителей в жа-
ростойких бетонах применяют огнеупорные материалы
или щебень и песок из горных пород, стойких к нагрева- '
нию. Максимальная крупность щебня для массивных
конструкций — 40 мм, для всех остальных — 20мм. Мел-
ких частиц размером менее 0,14 мм в заполнителях; не
должно быть более 15 % по массе.
Выбор материалов для жаростойкого бетона произ-
водят в зависимости от условий и температуры его служ-
бы. В табл. 6.11 приведены некоторые наиболее употре-
бительные составы жаростойких бетонов. Как видно из
таблицы, в жаростойких бетонах для улучшения одно-
родности и жаростойкости применяют повышенное соцепЯ
жание мелкого заполнителя. к
Минимально допустимая марка бетона на поотланд И
ХТем7ТпеМНСтаМ иементеМ25°. бетона нажидкоЖ
стекле Ml 50. При нагреве прочность бетона снижаетсйИ
(после длительного нагрева до предельной темпепатупмЖ
службы она составляет не более 3-4 МПа для бе юна
на портландцементе, 7—9 для бетона на жидком стек- -в
ле). Бетоны на жидком стекле не применяют в условиях
посто-жното воздействия воды, бетоны „а портландце :
менте —в условиях кислой агрессивной среды Для бе- -I
ВИСИТ ОТ ввда заполнГЖеННЫХ жаРосгайк™ бетонов за-
вида заполнителя и составляет, кг/м3:
на хромите ....
» магнезите ....................3000
: шХТ'пиа6ам' ::::::
► кирпичном щебне ; \ \ \.......... 2*»
I
Хромит, и маг-
Хромит
гранулирован- ”
кирпича, ^ба-
Базальт^ анде-
Фосфоритная
мука (30 кг/м3)
Бетон на жидком стекле
Бетон на глиноземистом цементе
| Хромит | — | 1:3:3
Плотность сухих бетонов по сравнению с плотностью
-свежеуложениых меньше примерно на 150—200 кг/м3.
При приготовлении жаростойких бетонов стремятся
ограничивать количество воды или жидкого стекла. Осад-
ка конуса для жаростойких бетонов принимается не бо-
лее 2 см, и для затворения обычно требуется 170—190 л
воды на 1 м3 бетона.
6. Особо тяжелые и гидратные бетоны
Особо тяжелые и гидратные бетоны применяют в
специальных сооружениях для защиты от радиоактивных
воздействий. В качестве заполнителей таких бетонов ис-
,0-265 ?89
пользуют материалы с высокой плотностью: магнетщЗ
лимонит, барит, металлический скрап и др. I
В зависимости от используемого заполнителя плот,
ность особо тяжелых бетонов может быть, т/м3: |
Иногда применяют комбинированные бетоны, на’
пример, на баритовом щебне и обычном песке (плотность
3—3,2 т/м3).
Гидратные бетоны имеют повышенное содержание хи;
мпчески связанной воды, создающей лучшую защиту от
нейтронного потока. Для их приготовления использует
глиноземистый цемент, а в качестве заполнителей лимо-
нит и серпентинит. Для улучшения защитных свойств
особо тяжелых и гидратных бетонов в их состав иногда
вводят добавки, содержащие легкие элементы — литий
кадмий, бор, например, карбид бора, хлористый литий’
сернокислый кадмий и др. Я
7. Цементно-полимерный бетон
Цементно-полимерный бетон относится к бетона^Н
свойства которых улучшаются за счет введения в их соЯИ
став полимеров. В последнее время все шире начинают ’.
применяться в строительстве бетоны с полимерами Ис- В
пользование в бетоне полимеров позволяет изменять Ж *
структуру и свойства в требуемом направлении, улуч-
шать технико-экономические показатели материала У У
ны ФК.„ИвС"°ЛЬ30ВаНИЯ полимеР°в в бетоне многообр^И
виде лобячоГ к Материалы на ВД основе применяют* fl
виде добавок в бетонную смесь, в качестве вяжущего
?м|ЩР°ПИТК1' готовых бетонных и железобетонный из; fl
локнами 1 л“с,,ерского армирования полимерными во- fl
свойств мвне^льных\Хя3аП0ЛН,'Т“еЙ ИЛИ модификации |
полните "я Каждый н елеи’ в качестве микрона- )
стн применения и -«SZ™'™””
c»3aZ»«7oLH₽4X°Z«6eroH“- 8 КОТ°Рые вводит- |
ре таких бетонов пшвдерную ₽Ля' С03да|01цих в структу-Л
иющих на вх строение и свойства В ^а-е"Н° В ™’ I
2М . свойства. В мировой практике fl
к таким бетонам стали применять термин «П-бетоны».
Подобные материалы можно подразделять на четыре
группы: цементно-полимерные бетоны, полимербетоны,
бетонополимеры (см. § 3 гл. 17) й бетоны, содержащие
полимерные материалы (заполнители, дисперсную арма-
туру или микронаполнители).
Цементно-полимерные бетоны — это цементные бето- /
вы с добавками различных высокомолекулярных орга-
нических соединений в виде водных дисперсий полиме-
ров — продуктов эмульсионной полимеризации различ-
ных полимеров: винилацетата, винилхлорида, стирола,
латексов и других или водорастворимых коллоидов: поли-
винилового и фурилового спиртов, эпоксидных водорас-
творимых смол, полиамидных и мочевиноформальдегид-
ных смол. Добавки вводят в бетонную смесь при ее при-
готовленпи.
Цементно-полимерные бетоны характеризуются нали-
чием двух активных составляющих — минерального вя-
жущего и органического вещества. Вяжущее вещество с
водой образует цементный камень, склеивающий частицы
заполнителя в монолит. Полимер по мере удаления воды
из бетона образует на поверхности пор, капилляров, зе-
рен цемента и заполнителя тонкую пленку, которая об-
ладает хорошей адгезией и способствует повышению сцеп-
ления между заполнителем и цементным камнем, улуч-
шает монолитность бетона и работу минерального
скелета под нагрузкой. В результате цементно-полимер-
ный бетон приобретает особые свойства: повышенную по
сравнению с обычным бетоном прочность на растяжение
и изгиб более высокую морозостойкость, хорошие адге-
зионные свойства, высокую износостойкость, непроницае-
мость В то же время особенности полимерной составля-
ющей определяют и другие особенности цементно-поли-
сногов рядГслучаев несколько повышенную
деформативность, снижение показателей прочности при
В°АНаиболаеНеераспространенные добавм полимеров в це-
ментные бетоны - поливинилацетат (ПВА) ла«““
водорастворимые смолы. Количество ВВ°Д««ОЙ д°6“ 8
полимерного материала устанавливают предваритель
==3==^=
пая добавка ПВА составляет 20 % массы цемента. i
291
„пимеиеннн латекса, чтобы не было коагуляции полиме-;
SaP Хя табХатор (казеинат ам>..........вя.... и др.).
Р Введение полимерных добавок увел!........ .частич-
ность растворных смесей по сравнению с чисто цементны-
ми Прочность увеличивается, если бетон выдерживаетсЛ
В воздушно-сухих условиях (влажность воздуха 40-
50%) при выдерживании во влажных условиях (влаж-^
ность 90—100 %) прочность снижается. 4
Цементно-полимерные бетоны приготовляют по той
же технологии, что и обычный цементный бетон. Наибо-
лее целесообразно применять эти бетоны для тех конст-1
рукций и изделий, где можно использовать особенности
их свойств, например для полов, дорог, отделочных со-1
ставов, коррозионно-стойких покрытий.
8. Декоративный бетон
Для повышения эстетической выразительности зданий• •
И сооружений в последние годы все шире используется Ж'
декоративный бетон. Бетон — материал, которому могут ч
быть приданы хорошие декоративные и пластические свой-
ства. Бетон можно готовить с применением белого и цвет-
ных цементов и специальных заполнителей, что позволяет?-®
получать не только цветные бетоны, но и придавать бе-
тону вид различных природных каменных материалов. Д
При необходимости поверхность бетона может подвер-
гаться специальной обработке, чтобы получить вырази- «
тельную декоративную фактуру. Пластичность бетонной Я
смеси позволяет придавать бетонным изделиям различ- i
ную конфигурацию, формовать изделия с рельефной по- I
верхностью, изготовлять различные декоративные эле- '.Я
менты зданий и сооружений.
В зависимости от состава и назначения декоративные ж
бетоны можно подразделить на цветные бетоны и бетоны,
имитирующие природные камни или обладающие особо -И
выразительной структурой.
Для получения цветных бетонов применяют белые, I
“е™“е иемен™ П разл,|чнь,е минеральные или органа- Л
»Ал^еи“ТЫнП""'еН1ы’ используемые в цветных бе- &
XoorroS обладать высокой светостойкостью, атмо- ,
U “ щелочес™йкостью. Наиболее часто Л
ло“"иералы|ые пигменты, которые, как прави- -Я
Эти пигментиоксидами или солями различных металлов. М
. пигменты вводят в количестве 1-5 % массы немей- £
та в зависимости от их укрывистости, плотности и дру-
гих свойств.
В цветных бетонах используют чистые кварцевые пе-
ски, желательно, светлых оттенков без примеси частиц из
'оксидов железа, которые окрашивают пески и бетоны в
серый цвет. В качестве крупных заполнителей могут при-
меняться светлый известняк и доломит. Широко исполь-
зуются в качестве заполнителей также отходы камнедроб-
ления, дробленые пески и щебень из мрамора, высевки
гранита, туфа и др. Чтобы уменьшить расслоение цвет-
ного бетона и добиться большей равномерности окраски,
используют воздухововлекающие добавки, а также вво-
дят в небольших количествах тонкие фракции некоторых
материалов (жирной извести, тонкомолотого известняка
И АДля повышения художественной выразительности де-
коративных бетонов применяют специальные приемы, по-
зволяющие обнажить заполнитель и выявить структуру
бетона. В этом случае декоративный бетон может имити-
ровать различные породы отделочных камней или можно
создать оригинальную декоративную фактуру самого бе-
тона. Для получения декоративного бетона помимо бело-
го цемента и соответствующих пигментов и добавок ис-
пользуют мелкий и крупный заполнители, которые поз-
воляют получить необходимую структуру материала. В
качестве заполнителя в этом случае может применяться
дробленый мрамор, гранит, базальт, слюда, дробленое
ЦВДля вьшвле кия структуры бетона его поверхность
подвергают шлифовке 11 полировке. Применяют также
обработку поверхности бучардой или пневматическим мо-
лотком, пескоструйную обработку, обнажениерза"“.
телей путем использования специальных замедлителей
твердения При шлифовке обычно используют легко по-
лирующиеся заполнители для бетона, например' мра“р'
При обработке бучардой
S₽5-TcM,CBncBH3H с чем необходимо соответственно уве-
личивать защитный слой бетона над »Р“«’И"“-
В строительстве широко применяют изделия iсс
той структурой заполнителя, например ° 6ето"а
НЯ кодовую получают нанесением на поверхность бетона
или“1 ’поверхность формы, в которой "РО~ющ»
нирование изделия, специальных составов, проникающих
ппярпхностные СЛОИ бетона и замедляющих тверда „Я
".°“СЛ™ „„«ня. В результате поверхностны,, слой 'Г
водяной°струеГ, высокого ™ *««Я
ШеЙХ™""««®Ра™’ного 6етона должны ®охРа,.ять '
СВОН свойства в течение длительного времени. Д.1я этого
могут применяться специальные способы консервации'
поверхности, например флюатированне,/нлрофобизацщЯ
пропитка полимером. Подобная обработка повышает
стойкость бетона и способствует сохранению хорошей)
внешнего вида его поверхности в течение длительного-'
времени без специального ухода.
Декоративные бетоны могут применяться для ограж-
даюшнх конструкций общественных и жилых зданий, де-
коративных плит наружных и внутренних стен зданий
лестничных маршей, элементов фасада, в деталях малых
архитектурных форм, для барельефов и скульптур, изде-
лий специального назначения. Иногда детали из декора-
тивного бетона сочетают с другими материалами: кам-
нем, эмалированной сталью, пластиком.
§ 7. ЛЕГКИЕ БЕТОНЫ
1. Бетон на пористых заполнителях
Общие сведения. Легкому бетону и железобетон»
принадлежит важная роль в решении технической зада-
чи по дальнейшему снижению массы возводимых зданий
и уменьшению материалоемкости строительства. Вместе
ymdB£*“ ’
некие кот констР>'киии и объемные элементы, приме-
монтажишРпД„ полиос6°Р«ом строительстве ускоряет $
руч^”реуд₽еаб0ТЫ ” Сводит к му потребность в
бет^нТае'именно' °,еНЬ важное достоинство у легкого
разнообразных ст во"можность его использования в 4
ет рассматривать aeSee* констРУки"ях, чт0 позволю _ в
риал. В этом Убеждает П 6 «как У""версальный мате-
применяемых в строителкие?"6 В"Л°В ЛеГК0Г0 бе№ I
» конструкционный плотностью 1401—1800 кг/м’ с проч-
ностыо па сжатие 15—50 МПа, чаще всего используемый
для легких несущих железобетонных конструкций (про-
летных строений мостов, ферм, гидротехнических соору-
жений, элементов перекрытий и покрытий зданий и др.);
конструкционно-теплоизоляционный плотностью 501—
1400 кг/м ! с прочностью 2,5—10 МПа, являющийся ос-
новным материалом ограждающих конструкций зданий;
теплоизоляционный и акустический плотностью до
500 кг/м3, широко применяемый в слоистых конструкции
Материалы для изготовления легкого бетона. Для лег-
кого бетона используют быстротвердеющий и обычный
портландцементы, а также шлакопортландцемент. При-
меняют в основном неорганические пористые заполнители.
Для теплоизоляционных и некоторых видов конструкци-
онно-теплоизоляционных легких бетонов используют и
органические заполнители из древесины, стеблей хлоп-
чатника, костры, гранулы пенополистирола (стиропор-
бетон) и др.
Неорганические пористые заполнители отличаются
и°исХсственные.РПр и родные пористые запол-
нители получают путем частичного дробления и рас-
сева или только рассева горных пород (пемзы, вулкани-
ческого туфа, известняка-ракушечника и др.). Искусст-
венные пористые заполнители являются про-
дуктами термической обработки минерального сырья
и разделяются на специально изготовленные и побоч-
ные продукты промышленности (топливные шлаки и
'^Керамзитовый гравий получают путем обжига гра-
нул, приготовленных из вспучивающихся глию Это. лег-
кий и прочный заполнитель насыпной плотаостью 250
800 кг/м1. В изломе гранула керамзита имеет “РУ^УРР
застывшей пены. Спекшаяся оболочка, "“P*’31®™"
гранулу придает ей высокую прочность. В процессе об
жига (до 1200’С) легкоплавкая глина переходит в пиро-
сим В£еза доЛХсн°пр^еТаХй при обжиге в вое-
становнтельной среде (содержащей СО): Ре20з4-С(эЛ
=СОг+2РеО.
Керамзит —основной вид пористого заполнителя, он
очень легок и имеет высокую прочность.
Керамзитовый песок (зерна до 5 мм) получают при
производстве керамзитового гравия (в небольших коли-
чествах), а также по методу кипящего слоя обжигом гли-
няных гранул во взвешенном состоянии. Кроме того, его
лее 50 мм и сваров.
Шлаковую пемзу изготовляют путем быстрого охлаж-
дения расплава металлургических (обычно доменных)?
шлаков, приводящего к вспучиванию. Куски шлаковой
пемзы дробят и рассеивают, получая пористый щебень
Производство шлаковой пемзы налажено в районах раз-
витой металлургии. Здесь себестоимость шлаковой пем-
зы ниже, чем керамзита.
Гранулированный металлургический шлак получают :
в виде крупного песка с пористыми зернами размером
5—7 мм, иногда до 10 мм.
Вспученный перлит изготовляют путем обжига водо-
содержащих вулканических стеклообразных пород (пеп
литов, обсидианов). При 950-1200°С вода выдезяетсяи
перлит увеличивается в объеме в 10—20 раз. Вспученный
перлит применяют для производства легких бетонов и
теплоизоляционных изделий.
Вспученный вермикулит — пористый сыпучий мате-
S Za7xyX“fi те₽‘"“ обработки водосо-
готовления теЮД" Этот зап0ЛН1|тель используют для из-
ются°в"каче“тве пХо°бЙ“ иТолы) образу-1
нита каменного чтл™!?™ продуК1а "Р" сжигании антра-
Х’топл.,™ ° УГЛЯ- бу₽0Г0 угля “ ДРУГИХ видов твер-
"олучХ”еЫсяЬХГвТНСТЫе кУсковые материалы,
вания неорганических (в 5!»” спекан,|я и вспучи-
содержащихся в у г те Шлаки по” Глиннсть,х> примесей,
вырья с добавкой 8-То 0?" обжиге глиносодержащего 8
нах агломерационных машинам0/0 топлива <на Решет‘
29в шин). Каменный уголь выгора-
ет, а частицы сырья спекаются.
’ Применяют местное сырье: легкоплавкие глинистые
^’лессовые породы, трепел, а также промышленные от-
ходы — золы, топливные шлаки, углесодержащие шахт-
ные породы. Аглопорит выпускают в виде пористого пес-
ка, щебня и гравия.
Шунгизит изготовляют обжигом шунгитовцх пород,
содержащих шунгит (месторождение: пос. Шуньга, Ка-
релия) . Это органическое вещество в виде аморфного уг-
лерода или тонкодисперсного графита. При обжиге шун-
гитовые породы вспучиваются, образуя пористый легкий
заполнитель в виде щебня, гравия и песка.
Азерит — новый вид пористого заполнителя, изготов-
ляемый путем предварительной высокотемпературной об-
работки сырья (при 1450мДООО°С) и быстрого охлажде-
ния расплава, переводящего его в-стеклообразное состоя-
ние. Полученный продукт измельчается, смешивается с
газовыделяющей добавкой, увлажняется, гранулируется
и вспучивается в обжиговых агрегатах. Азеритовый гра-
вий может быть получен практически из любого мине-
рального сырья.
Технические требования к пористым заполнителям.
Пористые заполнители, как и плотные, делят на крупные
(пористый гравий или щебень) с размером зерен 5—
40 мм и мелкие (пористый песок), состоящие из частиц
менее 5 мм. Пористый песок рассеивают на две фракции:
до 1,2 мм (мелкий песок) и 1,2—5 мм (крупный песок).
Пористый щебень (гравий) следует разделять на фрак-
ции: 5—10, 10—20, 20—40 мм.
По насыпной плотности в сухом состоянии (кг/м3) по-
ристые заполнители разделяют на марки: 100,150,200,250,
300, 350, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100 и 1200.
Наивыгоднейшее сочетание показателей плотности,
теплопроводности, прочности и расхода цемента для лег-
ких бетонов достигается при наибольшем насыщении бе-
тона пористым заполнителем, что требует слитного (сбли-
женного) размещения зерен заполнителя в объеме бе-
тона. В этом случае в бетоне будет содержаться меньше
цементного камня, являющегося самой тяжелой частью
легкого бетона. Наибольшее насыщение бетона пористым
заполнителем возможно только при правильном подборе
зернового состава смеси мелкого и крупного пористых за-
полнителей с одновременным использованием технологи-
веских факторов (интенсивного уплотнения, пластификат^
Объем межзерновых пустот в крупном заполнителя-^
зависит от содержания зерен разного размера. Оптималь- '
ныи зерновой состав соответствует минимальной пустот- В
mCIooCMec',' в данном примере фракций 5—10 и И
10—20мм (рис.6.13). Результаты опытов послужили ос-
кованием для рекомедаций по рациональному зерновому-
пооистаго°чТяОРпЫе СОДеРжатся 8 стандартах на каждый вад
пористого заполнителя. '
Требования к зерновому составу пористого песка ve Л
тановлены в зависимости от того, для какого видабетонJ
?.яз^ЯЯ888яя8с®> ^вкструкционно-тепло--в
Прочность пористого
щебня (гравия) определя-
ют по стандартной мето-
зерен в стальном ци-
линдре.
Зерна большинства пористых заполнителей имеют
шероховатую поверхность, поглощают некоторое коли-
чество воды затворения, поэтому легкобетонные смеси
нуждаются в принудительном ----
единицы (0,6—0,8).
общий
метод определения оптимального количества воды за-
творения для легкобетонной смеси, разработал
Н. А. Попов. Этот метод основан на зависимости проч-
применяемом для армиро-
ванных легких бетонов,
допускается не более 1 %
по массе.
Среднее значение ко-
эффициента формы зерен
гравия пли щебня (отно-
шение наибольшего раз-
мера зерна к наименьше-
му) для высококачествен-
ного заполнителя 1,5—2 и
нутой («лсщадной») фор-
статность заполнителя,
ухудшают удобоуклады-
жают прочность легкого
воды (рис. 6.14). Коэффициент выхода ₽ вычисляют по
формуле
Крнвая зависимости прочности от расхода воды име-
ет две ветви. Левая (восходящая) показывает, что проч-
ность бетона при повышении расхода воды постепенно
возрастает. Это объясняется увеличением удобоукла-
дываемости бетонной смеси и плотности бетона. Правая
(нисходящая) ветвь свидетельствует о том, что после
достижения наибольшего уплотнения смеси (т.е. мини-
мального коэффициента выхода) увеличение расхода
ема пор.
янне как недостатка, так и избытка воды затворения.
Прочность легкого бетона R, по Н. А. Попону, зави- I
сит от марки цемента, цементно-водного отношения^ ;
прочности пористого заполнителя и может быть прнбли-
женно определена по формуле, имеющей в определен- "
ных границах Ц/В такой же вид, как и для тяжелых бе-
Чем ниже прочность пористого заполнителя, тем
меньше значения Аг и Ь2.
оптимальном количестве воды затворения, подо- .'
бранном для применяемых цемента и заполните чей jt'
мавкн0ЛЬиЛпГК0Г0 беТ°На завис|,т' равным образом, отЦ
марки и расхода цемента Ц (формула Н. А. Попова): I
др. г “И, 11. а. Иванова, М.З. Симонова и
кого бетона₽формнрИ)"тся^dh’vu бетон* СтРУ«тура лег-
мнческих процессов про?екающихСвИме?"3""еСКИХ " ХИ‘ '
ристого зерна заполнит.» аюЩ| х 8 местах контакта по-
кем. Цеиеиное те™ „„„Я ° иемент,,ь,и те<=гом и кам- j
зерна, при этом зеоно “ повсРхностные поры J
Р отсасывает некоторое количество 9
пы из прилегающего к нему слоя цементного теста, по-
нижая В/U, поэтому в. бетоне плотной структуры каж-
Н е пористое зерно окружено контактным слоем. Сцеп-
ление вяжущего с пористым заполнителем, обусловлен-
ное механическим защемлением цементного камня в
порах зерна, возрастает вследствие химического взаимо-
действия контактирующих фаз.
Большинство пористых заполнителей (керамзит, аг-
лопорпт и др.) содержит аморфный SiO2, способный
химически реагировать с Са(ОН)2, образующимся при
гидратации цемента, что приводит к образованию на
поверхности контакта нерастворимого в воде гидроспли-
ката кальция CaO-SiO2-nH2O, упрочняющего контакт-
ный слой «пористое зерно —цементный камень». Вот
почему бетон на пористом заполнителе (в котором 75—
80 % объема заполнено пористыми зернами) не пропус-
кает воду и другие жидкости даже при большом одно-
стороннем давлении, этот же бетон оказывается доста-
точно морозостойким. Данный технический парадокс
имеет место, если обеспечена плотная структура бето-
на т. с. цементное тесто заполняет все пустоты между
зернами и межзерновая пористость бетона минимальна.
В плотном легком бетоне к тому же стальная арматура
достаточно хорошо защищена от коррозии и в обычных
условиях эксплуатации не требуется специальных за-
щитных мер по сохранению арматуры.
Легкие бетоны разделяют по структуре на плотные,
поризованные и крупнопористые. к„пи„
Основным показателем прочности легкого бетона яв-
ляется класс бетона по "ро-шости "Ри
лены следующие классы, МПа: В 2; В 2 5 В 3,5 Во,
R 7 5- В 10 В 12,5; В 15; В 17,5; В 20; В 22,5; В 25, В 30,
В 40;’ для ’ теплоизоляционных бетонов предусмотрены
кроме того классы: В 0,35; В 0,75; В '• .
учетаЛтрХ1ний\тХ7ртаиСЭВа1406-78, п°К“а«л»
каш^кг “/см^1*14 М°3^ТМа5О^МЖ75;ИМХ1§0,КМ₽15^;
М 2И; М 300; М 350; М 400; М «0;М 500. Для тепло-
изоляционных бетонов предусмотрены марки. М о,
"...............
301
кг/м3 а пористый песок ’
частично или полностью
заменяют плотным.
Наряду с прочностью 1
важной характеристикой
легкого бетона является
плотность. В зависимости |
от плотности в сухом со-
стоянии (кг/м3) легкие I
ш йрп JDDD /?оо поо /600 шо бетоны подразделяют* на
WI да /да >«№ ни т/т маркн. D 2Q0. D
D 400; D 500; D 600; D 700-' i
D 800; D 900; D 1000; D
1100; D 1200; D 1300; D
1400; D 1500; D 1600-
D 1700; D 1800; D.WOoS
D 2000. Уменьшить плот- j
ность легких бетонов можно путем образования в це-
ментном камне мелких замкнутых пор. Для поризации
цементного камня, являющегося самой тяжелой со- I
ставной частью легкого бетона, используют небольшие I
количества пенообразующих или газообразующих ве- К
шеста. Мелкие и равномерно распределенные поры в це- В
ментном камне незначительно понижают прочность, но В
существенно уменьшают плотность и теплопроводность -I
легкого бетона. F ' И
Теплопроводность легких бетонов зависит в основноИ^И
от платности и влажности (рис. 6.15). Увеличение объ-
емной влажности легкого бетона на 1 % повышает его fl
теплопроводность на 0,016-0,035 Вт/(м °C) В завис™
оежнойт ™лопроаоднос™ легкого бетона толщина на-
' ИЫ может изменяться от 20 до 40 см Наруж-
верегаю?сТво,ТйНе Констр^дни "а легких бетонов’под- 1
оХи^ани« v Ю попеР™енного замораживания и, V
бетоны прнменяемыеНлЯ " высыхания' поэтому легкие
,,„йI а также Z ДЛя наРУ«иых стен, покрытий зла- I
сооружен^ X “ ТЦИ,'‘ М0СТ0В' ™ДРО™хнически)? . I
стойкостью.’ обладать определенной морозо- I
F 25°ГМ35ОрО50ОИр7С5ирЛ^ппиг 1пп°Н£‘ Делят на марК1,: I
F son nt и’ ь F Io°; F 150; F 200: F 300- F 400- I
морозостойкос?^юТеЫмеХН25ОциклНо "рименя,от бетон“ |
«ораживання и оттаиХ^“^3^^^“—ни; j
гких бетонов ВЫСОКОЙ морозостойкостью и малой во-
мооницаемостью значительно расширяет области их
„вменения. Бетоны на пористых заполнителях уже
Успешно используют в мостостроении, гидротехническом
строительстве и даже в судостроении.
'водонепроницаемость плотных конструкционных лег-
ких бетонов может быть высокой. Керамзитобетон с рас-
ходом цемента 300—350 кг/ма не пропускает воду даже
пои давлении 2 МПа. Малая водопроницаемость плот-
пых легких бетонов подтверждается эксплуатацией воз-
веденных из них гидротехнических сооружений (напри-
мер, в Армении и Грузии), а также испытанием напор-
ных железобетонных труб. Характерно, что со временем
водонепроницаемость легких бетонов повышается.
Установлены следующие марки бетона на пористом
заполнителе по водонепроницаемости; W 0,2; W 0,4; W 0,6;
W 0 8; W 1; W 1,2 (в МПа гидростатического давления).
Легкий бетон — эффективный универсальный мате-
риал и его применение в двенадцатой пятилетке возра-
2. Крупнопористый бетон
В состав крупнопористого (беспесчаного) бетона вхо-
дят гравий или щебень крупностью 5-20 мм „порт-
ландцемент или шлакопортландцемент марок 300 40
и вода За счет исключения песка из состава крупно
пористого бетона его плотность У“ень“’"“/^Р',^РН’
на 600-700 кг/м3 и составляет 1700-1900 кг/м . итсут
стане песка и ограниченный расход цемента (70 150
к™3) позволяют Случить пористый бетонI теплопровод-
ностью О 55—0.8 Вт/(м- С) марок М 15—М 76. Крупно
пористый бетон целесообразно применять в Раионах'
гатых гпавпем Из крупнопористого бетона возводят мо
p(a5SS
ный материал.
3. Гипсобетон
Гипсобетон изготовляют ва основе строительного |-ипМ
са высокопрочного гипса или гипсопементно-пуццола-Ж
нового вяжущего, обеспечивающего получение водостой^
ких изделий. Для уменьшения плотности стремятся при-
менять пористые заполнители (топливные шлаки, керам-,
зитовын гравий, шлаковую пемзу и т. п.), а также ком-
бинированный заполнитель из кварцевого песка и дре-
весных опилок. С этой же целью вводят порообразующйе Н
добавки, позволяющие снизить плотность гипсобетона.
Для повышения прочности на изгиб и уменьшения хруп-
кости в состав гипсобетона вводят волокнистые напол-
нители (древесные волокна, измельченную бумажную
массу, синтетические волокна).
Крупноразмерные изделия изготовляют способом', не-
прерывного внбропроката на специальных станах. От-
формованные затвердевшие изделия высушивают в (су-
шильных камерах. Плотность гипсобетона в зависимости
от применяемого заполнителя и водогипсового отношения 'В
составляет 1000—1600 кг/м3 (марки М25, М50).
Гипсобетон широко применяют для изготовления^^
сплошных и пустотелых плит перегородок. Плиты можно
армировать штукатурной дранью, камышом и т. п.
Стальная арматура (проволока) должна быть защище- '
на от коррозии специальной обмазкой (цементно-казеи- 1
повой, битумной и полимерной). На водостойком гипсо- 1К
цемеятио-пуццолановом вяжущем изготовляют санитар-
но-технические кабины, мелкие камни и крупные блоки В
для внутренних и наружных стен жилых зданий, сель- К
скохозяйственных, производственных зданий с относи- -В
тельной влажностью помещений до 75 %.
4. Ячеистый бетон
Ячеистый бетон — разновидность легкого бетона; его
получают в результате затвердевания вспученной при
помощи порообразователя смеси вяжущего, кремнезе- ;
ГМРгого |'омпонента и воды. Прн вспучивании ИСХОДНОЙ I
смеси обрэзуется характерная «ячеистая» структура бе-
"' „ ЛапьНмЫеРк° РаСПРе“елеННЬ1МИ по объему воздуш-
Х.Т Б-1агодаРя этому ячеистый бетон имеет .
Х .».п, «,ЖТь И малую теплопроводность Порис-
тость ячеистого бетона сравнительно легко регулировать
„ „поцессе изготовления, в результате получают бетоны
„азной плотности и назначения. Ячеистые бетоны деля,
на три группы: теплоизоляционные плотностью в высу-
шейном состоянии не более 500 кг/м3; конструкционно-
теплоизоляционные (для ограждающих конструкций)
500—900 кг/м ; конструкционные (для железобетона)
900—1200 кг/м3. * И . -»
Материалы для ячеистого бетона. Вяжущим для це-
ментных ячеистых бетонов обычно служит портландце-
мент. Бесцементные ячеистые бетоны (газо- и пеносили-
кат) автоклавного твердения изготовляют, применяя мо-
лотую негашеную известь. Вяжущее применяют совмест-
но с кремнеземистым компонентом, содержащим SiO2.
Кремнеземистый компонент (молотый кварцевый пе-
сок зола-унос ТЭС и молотый гранулированный домен-
ный шлак) уменьшает расход вяжущего, усадку бетона
и повышает качество ячеистого бетона. Кварцевый песок
обычно размалывают мокрым способом и применяют в
виде песчаного шлама. Измельчение увеличивает удель-
ную поверхность кремнеземистого компонента и повыша-
ет его химическую активность. Встречается тонкоднс-
персный природный кварц —маршалит с частицами
О 01—0,06 мм.
Возрастает применение побочных промышленных
продуктов (золы-уноса, доменных шлаков, нефелинового
шлама) для изготовления ячеистого бетона.
Соотношение между кремнеземистым к0“"°кв“™““
вяжущим устанавливают опытным путем. При перем*
шивании материалов в смесителе получают "С*°Д"ОУ"
смесь-тесто, состоящее из вяжущего, кр™"^и“ст°™
компонента и воды. Вспучивание теста вяжущетоможет
осуществляться двумя способами: первый химии
ним; в этом случае в тесто вяжущего вводят га3оое „у
гащую добавку и в смеси происходят химическ ре^
ции, сопровождающиеся выд“енивм теСТ0 вяжущего
ханическим, заключающимся в том, что 3 пе.
смешивают с отдельно приготовленной устойч
• В зависимости от способа |,агот°ВЛпКДпане"зарубе-
тоны делят на газобетон и пенобето.j В с Р^ газ0.
жом развивается "Р°"ЭВОД"ВОП"СРТ ,. позволяет полу-
бетона. Его технология более пР°сто со ста6|1Льными
чпть материал пониженной плотно -тя<:.1Льностью, что
свойствами. Пена же не отличается
вызывает колебания плотности и прочности пенобетона?
I Газобетон и газосиликат. Газобетон приготовляют из '
I смеси портландцемента (нередко с добавкой воздушной
извести пли едкого натра), кремнеземистого компонента
и газообразователя. По типу химических реакций спзо-
образователи делят на следующие виды: вступающие®]
химическое взаимодействие с вяжущим или продуктами
его гидратации (алюминиевая пудра); взаимодействую-
щие между собой и выделяющие газ в результате обмен-
ных реакций (например, молотого известняка и соляной
кислоты).
Чаще всего газообразователем служит алюминиевая.
ляет водород по реакции
ЗСв (ОН)2 + 2AI + 6Н2О = ЗН2 t +ЗСаО А1,О3 6Н2О.
Согласно уравнению химической реакции 1 кг алю-' 4
миниевой пудры выделяет в нормальных условиях Н
1,245 м’ водорода. При повышении температуры объем
газа возрастает и, например, при 40° С составит 1,425 м3. jj
На практике расходуется большее количество алюмини- 4
свой пудры, так как она содержит менее 100 % актив-' В
вого алюминия и, кроме того, часть газа теряется в про- В
иессе перемешивания и вспучивания раствора. В
Это учитывается с помощью коэффициента газоудер-
жания Агу, представляющего собой отношение объема'И
газа, удержанного газобетонной смесью Vy, к теорети- В
ческому объему выделяемого газа V, при данной темпе- В
ратуре:
Коэффициент газоудержания обычно составляет 0,7—
кпп товзго.1овлеН1|е 1 «3 ячеистого бетона плотностью
петоы д Рас“ДУ«ся 0,4-0,5 кг алюминиевой
и^?ям? вводят в виде суспензии, для
придания пудре гидрофильных свойств ее обрабатывают
^СЛБМ«я^жВОрОМ повеРхностно-активного вещества
(СДБ, канифольного мыла и др )
л.,й какевп„Яяя„е?ОЛОг“ "РСДУСматривает отливку изде-
лив, как правило, в отдельных формах из текучих сме-
==~=.ssx=s
моходный газобетоносмеситель, в котором их перемеши-
ВЗЮТ о— ....... . - очпвают водную СУСШЧг
ЗИЮ алюминиевой пудры и после последующего пеоеме’
давания теста с алюминиевой пудрой газобетонную
смесь заливают в металлические формы на определен-
ную высоту с таким расчетом, чтобы после вспучивания
формы были заполнены доверху. Избыток смеси («гор-
бу'шку») после схватывания срезают проволочными
струнами. Для ускорения газообразования, а также про-
цессов схватывания и твердения применяют горячие сме-
си на подогретой воде с температурой в момент заливки
в формы око.ъ 10 “С.
Тепловую обработку ячеистого бетона производят
преимущественно в автоклавах в среде насыщенного во-
дяного пара при температуре 175-200’С и давлении
0,8—1,3 МПа. Автоклавы представляют собой гермети-
чески закрывающиеся цилиндры диаметром до 3,6 м и
длиной до 32 м. Во влажной среде и при повышенной
температуре кремнеземистый компонент проявляет хи-
мическую активность и вступает в соединенение с гидро-
ксидом кальция с образованием гидросиликатов каль-
ция, придающих ячеистому бетону повышенную проч-
ность и морозостойкость.
Автоклавную обработку производят по определенно-
не появились трещины в изделиях, предусматривают
плавный подъем и спуск температуры и давления (в те-
чение 2—6 ч); время выдерживания изделий при макси-
мальной температуре составляет 5—8 ч.
Вибрационная технология газобетона заключается в
том, что во время перемешивания в смесителе и вспучи-
вания в форме смесь подвергают вибрации. Для приго-
товления ячеистобетонной смеси применяют виброгазо-
бетоносмеситель СМС-40 (рис. 6.16) пли гидродинами-
ческий смеситель ГДС-3. Бетоносмесители этих типов
позволяют получить однородные смеси с пониже
водотвердым отношением (В/Т=0,35—0,4).
Тиксотропное разжижение, происходящее в“едвт“в
ослабления связей между частицами, позволяет уме>
шить количество воды затворения на 20 ли /о >_’
шения удобоформуемости смеси. В смеси идарт»
щейся вибрированию, ускоряется газовыделе j5_^
чнвание заканчивается в течение 5—г мин в
мин при литьевой технологии. После пр Р .
рирования газобетонная сме
приобретает структурную прочность, позволяющую раз-
резать массив на блоки, время автоклавной обработки
также сокращается.
Разработаны новые технологические приемы изготов-
ления ячеистого бетона из холодных смесей (с темпе-
ратурой около 20°С) с добавками поверхностно-актив-.
ных веществ и малым количеством воды. Такой газобе-
тон на цементе после обычного пропаривания при атмос-
ферном давлении достигает прочности автоклавного бе-
тона, изготовленного по литьевой технологии, что дает
большой экономический эффект.
Принципы вибрационной технологии разработаны со-
ветскими учеными.
Резательная технология изготовления изделий из яче-
истого бетона предусматривает формование вначале
большого массива (объемом 10—12 м‘, высотой до 2 м).
После того как бетон наберет структурную прочность,
массив разрезают в горизонтальном и вертикальном на-
правлениях на прямоугольные элементы, а затем подвер-
гают тепловой обработке. Полученные элементы калиб-
руют на специальной фрезерной машине, а затем отде-
лывают их фасадные поверхности.
7 Г07''вых цементов, имеющих точные размеры,
<,б-1Ли^ОбИ₽аТЬ "а СИН1етическом клею плоские или
Таким х';"стРукции. используя стяжную арматуру-
Ром на МММ мП0ЛуЧа1<,Т 6ольш|1е стеновые панели разме-
одиу или две комнаты и высотой на этаж.
308
Гаэосиликат автоклавного твердения в отличие от
газобетона изготовляют на основе известково-кремнезе-
мистого вяжущего, используя местные дешевые матери-
алы -в'. - известь и песок, золу-унос и металл™,
.„веские гмин:. Соотношение между известью и моло-
тым песком колеблется от 1:3 до 1:4,5 (по массе), при
этом извести расходуется 120-180 кг на I м’ газосили-
ката. Изделия из газосиликата приобретают требуемую
прочность и морозостойкость только после автоклавной
обработки, благодаря которой достигается химическое
взаимодействие между известью и кремнеземистым ком-
понентом и образуются нерастворимые в воде гидроси-
ликаты кальция.
Пенобетон и пеносиликат. Пенобетон приготовляют,
смешивая раздельно приготовленные растворную смесь
и пену, образующую воздушные ячейки. Растворную
смесь получают из вяжущего (цемента или воздушной
извести), кремнеземистого компонента и воды, как и в
технологии газобетона. Пену приготовляют в лопастных
пеновзбивателях или центробежных насосах из водного
раствора пенообразователей, содержащих поверхностно-
активные вещества. Применяют пенообразователи: ка-
нифольный, получаемый путем омыления сосновой кани-
фоли щелочью, смолосапониновый (водная вытяжка
мыльного корня) и синтетические. Пенообразование вы-
зывается понижением поверхностного натяжения воды
на поверхности раздела «вода —воздух» под влиянием
поверхностно-активных веществ, адсорбирующихся на
поверхности раздела. Качество пены тем выше чем боль-
ке «кратность» — отношение начального объв“а
объему водного раствора пенообразователя^ Пей долж
на быть прочной и устойчивой, т. е. не оса*’' пеоиод
расслаиваться по крайней мере в iнача' ® п ₽
схватывания ячеистой массы. Стабилизаторами пены
служат добавки раствора животного «"Хи - да-
ла или сернокислого железа; минерализаторами
мент и известь. „„ а,„„ятя Лоом-
Из бункера, перемещающегося вдоль ФР ыфдля
вагонеток, пенобетонная смесь поступ в* О вае.
сокращения времени выдержки и У^кор. поташидру-
моети форм добавляют хлористый кальци . пота*
тие вещества, ускоряющие струкгуР 1 Структура
Структура и свойства ячеистых бетонов, ^тру
ячеистого бетона характеризуется дво
обусловленным наличием мак
’____ „опппрпеленные в объеме• S
душные кРУпные„ п£нообРазователем; их объем можно -'
зованы газо- или дозировку порообразование
регулировать, из е 0 01 мм) находятся в меж-
Микролоры (разм р м образованы годен затворе-
"ОрОВА1ХсвязанноРй химически вяжущим. Их объем умень-
”"Я' . ее ,, удается снизить (например, при вибраци-
шается. если уд 0 воды затворения. При этом
в Двяж ^“одотвердое В'.11 отноше*
межпоровые перегородки уплотняются. .. прочность* I
ячейстого бР?она возрастает. Следовательно, можно рас-
гматоивать ячеистый бетон как газонаполненный искус-
« тнеиный камень, в котором воздух, заключенный в ячеи-
ках играет роль своеобразного малотеплопроводиойза-
от технологических фактирш». —-----
оистости (т е распределение, характер и размер пор)
определяют все основные свойства ячеистого бетона.
Пористость ячеистого бетона косвенно характеризует^^
его плотностью.
пХ.ЙХкб»’ | 1000 | 900 | 800 | 700 | 600 | 500 | 400
Поэтому плотность— главная количественная харак-
теристика структуры ячеистого бетона, определяющая;,
все его технические свойства. По плотности и назначе-
нию ячеистые бетоны разделяют на следующие группы:
1) теплоизоляционные плотностью в высушенном состоя- I
нин 500 кг/м3 и менее; 2) конструкционно-теплоизоляци-
онные (для ограждающих конструкций — стен и покры-
тии) 500—900 кг/м3;3) конструкционные 900—1200 кг/м3.
По показателям плотности установлены следующие мар-
ки ячеистого бетона (кг/м3): D 300; D 400; D 500; D 600;
D 700; D 800; D 900; D 1000; D 1100; D 1200.
Прочность ячеистого бетона зависит от его плотности,
вида и свойств исходных материалов, от режима теп-
ловлажностной обработки и влажности бетона. В за-
висимости от гарантированных значений прочности яче-
истого бетона на сжатие установлены следующие клас-
зю
Жетдада?™
м'150; М 200. fieT0Ha по прочности обозначает пре-
Марка ячеистого бетонапапро * pefip0M 150
дел прочности при'с1кат™ажность 10±2 % (по массе)
мм, имеющих сР“™ЮисХывают не ранее чем через 12 ч
после “Хвлажностной обработки.
(вл“
90±5 %, температура от вели.
Водопоглощение и морозостойко и плот.
чины и характера "°Р“Т“ТК‘ЯпораМи (ячейками) Для
ности перегородок между м Р ₽ения морОзостоикости
снижения водопоглощения CTt)VKTypU с замкнутыми
инород-
ность материала. „ ячеистого бетона по
Установлены слеДУЮЩие ₽3“ F 50 F 100. Для па-
кость требуется от конструкц аживанию и от-
подвергающегося многократному и» и
составляет в среднем 0, 84 кД / ( 0 бетона, плот-
У садка зависит от c°"aBq я т “й бетон плотностью
ности и условии твердения. Яч стьотносительной
600-800 кг/м’ на воздухе с 70—80 А ноиотно^
влажностью и температурой 20 С имеет усад у
0,6 мм/м. _а ртам я от его плотно-
УВДля легких железобетон-
ных конструкций и тепль ’
ИЗОЛЯЦИИ. Широко пар
пространены конструЯ
онно-теплоизоляционные ТИ
и теплоизоляционные яче
истые бетоны,]И3 них из’
готовляют панели наруж
ных стен и покрытий зда-
ний. неармированные сте.
новые и теп.юпзо.тяцион-
ные блоки, камни для
стен. Конструкции из яче-
истых бетонов долговеч-
ны а зданиях с сухим и ' ’
нормальным режимами
помещений при относи
х7б0-70°ЛГ"ОС™ °0ЗДУ”'?
Для защиты от коррозии стальную ар.матупу пои™-' L~
обм™ кТН1Н°’бИТУМН0Й ИЛ" о полХольХ^
5. Арболит
органических заполнителях получНе₽аЛЬН°М вяжущеми
ревообрабатывающего и№SX"»“X ”3 °™дов
водств. В качестве вяжуще™ иго Вного ПР°ИЗ-
быстротвердеющий портл^вдцемеш Зуют °бь,чный и
вяжущее и гипсоцементно-пуццолановое ™совое
лучаемТ,^елмением''оХо ЯМЯеТСЯ Дробленка- В
хвойных и твердолиственныхДп^3аГОТОВКН 11 обработки.,
ные отходы (сучки ctovikkv Д₽ вес,1ых пород. Древес-
РУбят „а рубильной ма₽ЕеУ’затем'ЛЬ “ Т' П') сначала
билке. Заполнителем могут ™ лзмельчают в дро-
ственного производства- лппбл» Ь отходы сельскохозяйв
востра конопли и льна ₽own стебл" -'-чопчатника,
переработки дубового экстоактлВа~ПопутнЫ|"1 продукт
должна иметь определенный втового сырья. Дробленка
севе на ситах частный остзт 3 рН0В011 состав. При рас-
Должен быть не более на част,ш <в % "О массе)
30; соответственно 5 мм -60 оС 0,веРс™ями Ю мм -
5- Длина частиц не должна п'Д"” ~ 5; мевее 2 мм -
»|г Д ЛЖНа "Решать 40 мм. Примесь
коры, хвои и листьев в дробление допускается до 5 %
/от массы сухой смеси заполнителей).
' Возможно применение смеси органического заполни-
теля С пористым или плотным минеральным заполните-
лем. К органическому заполнителю добавляют древес-
ные опилки, а для приготовления дробленки можно ис-
пользовать стебли камыша.
При приготовлении бетонной смеси добавляют мине-
рализаторы — хлорид кальция или жидкое натриевое
стекло, которые нейтрализуют действие вредных водо-
растворимых веществ древесины (сахаристые вещества,
смоляные кислоты) и ускоряют процесс твердения арбо-
лита. Отделку наружных поверхностей ограждающих
конструкций из арболита производят слоем из декора-
тивного бетона или раствора на минеральных заполни-
320—380
160—250
330-500
400—800
^Рабочая стальная арматура в конструкциях из арбо-
лита должна находиться в слое бетона или цементного
раствора на минеральных плотных заполнителях. Тол-
щина защитного слоя бетона (раствора) до рабочей
арматуры — не менее 15 мм.
Примерный расход материалов на 1 м3
Ш Портландцемент марки 400 . . ’. . . i
Хлорид кальция ................ ‘ ’
Стальная арматура (для стеновых па-
нелей размером 6X1,2x0,6 м) . . . .
_ плотность (в высушенном состояний),
К для теплоизоляционных изделий и ма-
териалов : ..........
для конструкционно-теплоизоляцион-
ных изделий .....................
стоянии), Вт(м-°С) . /...........
Усадка, мм/м ‘.‘°.......................... _ ..
Арболит применяют для изготовления теплоизоля-
ционных материалов и конструкционно-теплоизоляцион-
15^25 2005
0,07—0,16
ныч изделий: стеновых блоков и панелей, плит перекпЯ
т„й и покрытий, для возведения монолитных, ар
ванных в ^армированных конструкции сельскохоаяйИ
венных зданий различного назначения. Выпуск взделий
и конструкций из арболита марок 25—50 в двенадцатой^
пятилетке будет значительно увеличен.
Арболит менее энергоемок по сравнению с керамзц
тобетоном, он имеет обширную сырьевую базу в виде
древесных отходов, в связи с чем не требуется создание
карьеров и предприятий по производству искусственный '
пористых заполнителей. Все эти преимущества арболита
особенно важны для строительства на селе. I
6. Технико-экономическая эффективность
применения легких бетонов
Снижение массы крупноразмерных железобетонвди
изделий и монолитных конструкций — основной путь
уменьшения материалоемкости строительства. аИ
Толщина наружных стен снижается с 52—66 см (кир
личные стены) до 25—40 см (легкобетонные стены)
поэтому масса 1 м! стены с 1080—1250 кг уменьшается
до 175—560 кг, т. е. примерно в 2—6 раз.
При возведении стен из легкого бетона трудовые
затраты снижаются в 12 раз, стоимость ниже примерно
на 32 %, суммарный расход топлива меньше на 48 V
по сравнению с аналогичными стенами из кирпича В
силу высокой технико-экономической эффективности лег-
кобетонных конструкций производство легких бетонов в
перспективе возрастет.
Сравнительная оценка экономической эффективности-:
““териалов н конструкций дается на основе сопостав-
питальнм»ВеДеННЫХ ,затрат’ определяемых с учетом ка-
стоимо™ Л "" на производство продукции, себе-
с™'т °' " ""'Р1,1ала в деле (включая затраты на тран-
neonoi ™" зиспдувтационных расходов за весь
Ле?кп? б!“ КОНСТРУКЦ11П <табл- 6.13).
нее тяже тпг^г°Н "а ПОР|1СТЫХ заполнителях эффектна-
в наружных с?енахана°12ОК25ао1еЛЮ пР"веден'шх затРат;
стенах ня я м и I, 2—25 %, во внутренних несущих
лило снизить Л' Использование легкого бетона позво-
Хд стали на п Х ?ОНСТ₽^ии в среднем на 35 %. .
и1°сиспользованиемтяжадог^бетона.3 2° % "° С₽ЗВНе'
13. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СНИЖЕНИЯ
.йерамзитобето!'
Щлакопемзобеюн
Ячеистый бетон
Керамический киЛ
Керамические лу
стотелые камни
I По данным А. С. Болдырев и др. Технический прогресс
нышленпостп строительных материалов. М., 1980, с. 37.
Конструкционные легкие бетоны плотностью 1700—
1800 кг/м3 марЪкпо прочности М 200—М 400 применяют
в армированных конструкциях —легкобетонных фер-
мах, пролетных строениях мостов и др. Масса легкого
железобетона при одинаковой прочности на 25—35 %
меньше массы тяжелого.
Высокие экономические показатели имеют силикат-
ные ячеистые бетоны автоклавного твердения, в осо-
бенности при использовании для их изготовления про-
мышленных отходов (шлаков и зол). Экономия приве-
денных затрат доходит до 11,7 руб/м2 стены.
Конструкции из ячеистых бетонов отличаются высо-
кими технико-экономическими показателями. Стены из
ячеистого бетона в 1,8 раза легче стен из керамзитобе-
тонных панелей, стоимость их также меньше. Удельные
капитальные вложения в строительство заводов по про-
изводству ячеистого бетона на 30—40 % меньше, чем в
строительство предприятий, выпускающих аналогичные
конструкции из тяжелого и легкого бетона с пористым
заполнителем, поэтому применение ячеистого бетона
расширяется. Эффективность легких бетонов возрастает
при снижении плотности бетона и выпуске изделий пол-
ной заводской готовности.
ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЯ БЕТОНА
В отличие от других материалов, которые промыв ,
ленность поставляет в готовом виде, бетон изготовляют- 1
непосредственно на стройке. При бетонировании моно-
литных конструкций бетонную смесь приготавливает на I
бетонном заводе и транспортируют на строительную
площадку, где и производят их бетонирование. При про-
изводстве сборных железобетонных изделий бетонную
смесь приготавливают на бетоносмесительном узле за.
вода, затем транспортируют в формовочные цеха, где
укладывают в специальные формы для изготовления *1
сборных изделий. Для ускорения твердения бетона в II
изделиях и конструкциях используют различные виды
прогрева бетона.
Основными операциями в технологии бетона явля-
ются: приготовление бетонной смеси, ее транспортире-
ванне и укладка в изделие или конструкцию, ускоре-
ние твердения бетона (на заводах и при производстве I
бетонных работ в особых условиях, например, в зимнее
время).
§ I. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ БЕТОНА
Бетонную смесь перемешивают только механизирован-
ным путем в бетоносмесителях. Каждый бетоносмеситель
снабжен автоматическим или полуавтоматическим бач-
ком, отмеривающим воду с точностью до 1 % Точность
дозировки цемента также до 1 %, заполнителей до 2 %.
Бетоносмесители могут иметь разную вместимость: ма-
Я™ оаТо250^ ,СР?ДНЮЮ (375—500 л), большую
‘20“-2400-4500 л) • Вместим°сть бетоносмесителей ча-to
ТСЯ Не выхадом «товой бетонной смеси, а
° загРУ»аемых материалов. Поступающие
ют объем“ ТеЛЬ мате.риаль' до перемешиванияi занима-
Й»».» РаВНЫ” СуММе их °бъа«°а в отдельности,
«вой &ТОНПОЙ сН"И ТТОТЫ за"°л»*ются и объем го-
го?жа™«* УыеТ Меньше с>'ммы объемов за-
ервднем “ -пкк0В' КоэФФ"Ц|1ент выхода бетона в
леблется от о^Гяп^’т?0 “ денствнтелькостн выход ко-
леблется от 0,55 до 0,75 в зависимости от состава бетона
—ма пустот в заполнителях. В среднем бетоносме-
И ° ПК например, вместимостью 1200 л дает около 800 л
Кной смеси за один за-
„ес Бетоносмесители чаще
„сего бывают порционными
(периодического действия),
io могут быть и непрерыв-
ного действия.
в зависимости от конст-
рукции различают бетоно-
смесители: гравитационные,
К свободным падением бе-
тонной смеси и принуди-
тельного действия.
В смесителях первого ти-
па вращается барабан, к
стенкам которого внутри
приделаны лопасти (рис.
7.1). Здесь перемешивание
производится по принципу
свободного падения мате-
риала. Эти смесители при-
годны только для подвиж-
ных бетонных смесей. В ма-
шинах принудительного
действия внутри барабана
вращается вал с лопастями,
перемешивающими бетон-
ную смесь (рис. 72). По-
следние бетоносмесители особенно необходимы для пере-
мешивания жестких бетонных смесей.
Порционные бетоносмесители со свободным падени- '
ем материала бывают различных типов например: с гру.
шевидным барабаном вместимостью 100—330 л, опрокйЛ
дывающимся для выгрузки (загружается такой бетонов !
смеситель с помощью бадьи); с барабаном вместимость^
800—2400 л, состоящим из двух усеченных конусов^ сло-
женных основаниями (бетон выгружают через отверстие
наклоняемого барабана).
На автоматизированных бетонных заводах применяй
ются бетоносмесители непрерывного действия, в которых!
бетонная смесь принудительно перемешивается вращаю^ 1
щимся в цилиндре или в специальном лотке шнеком, ко - я ;
торый одновременно перемещает ее от загрузочного dffil
верстия к концу смесителя, где происходит выгрузка. « j
Продолжительность перемешивания сильно влияет на
однородность и прочность бетона. С увеличением продол» Л
жительности перемешивания до 2—3 мин прочность бе»,
тона повышается, при дальнейшем перемешивании она.-''
увеличивается незначительно. Увеличение продолжитель- 5’’'
ности перемешивания больше влияет на прочность бетозЯ
нов из жестких и тощих смесей и гораздо меньше влияет
на прочность бетонов из подвижных и жирных смесей^Я
Продолжительность перемешивания бетонной смесил^И
малых и средних бетоносмесителях должна быть не ме-
нее: при жирной и подвижной смесях — 1 мин; при жест-
ких тощих и легких бетонных смесях — 2 мин.
В бетоносмесителях вместимостью более 500 л про-
должительность перемешивания составляет 2—-5 мин; Я
она увеличивается с уменьшением скорости перемешива- «
ния и увеличением вместимости барабана.
2. Транспортирование и укладка
бетонной смеси
При бетонировании монолитных сооружений бетонншяИ
смесь к месту укладки доставляют в автобетоносмесйтё- W
лях, бадьями, перевозимыми специализированным тран-
спортом, автосамосвалами, транспортерами.
Ьолее совершенными видами транспортирования бе- И
тонной смеси являются: перекачивание поршневыми или 'Я
другими насосами по трубам; доставка с центральных 1
бетонных заводов в автомобилях-бетоносмесителях, в ко-
'торых перемешивается бетонная смесь (непосредственно
пеР??ектрализомнноеезаводское изготовление бетонных
иргей и доставка готовых смесей на стройки имеют
нплъшие технические и экономические преимущества,
повышается качество бетона, снижается его стоимость,
отпадает необходимость организации сложного бетонно-
го хозяйства на стройках. Центральные автоматизиро-
ванные бетонные заводы имеются на крупных стройках
стоаны и в городах., •V&gMj!
При длительной перевозке готовой бетонной смеси она
загустевает: понижается ее подвижность, что видно по
уменьшению осадки стандартного конуса. Это объясня-
ется гидратацией цемента, поглощением воды заполни-
телями испарением и прочими потерями воды. Время пе-
ревозки готовой бетонной смеси должно быть не более
1 ч, а в жаркую погоду — менее 30 мин, иначе цемент
-НЭ *Смесь сухих компонентов бетона (с влажностью не бо-
лее 2 %) можно перевозить в течение длительного срока,
поэтому в последнее время развивается приготовление
на центральном заводе и доставка на объект сухих сме-
сей, которые перемешиваются непосредственно у рабоче-
места. - - -
g* Завод на каждую партию бетонной смеси выдает па-
спорт с указанием состава бетона и его марки. В допол-
нение к паспорту сразу же после испытания прочности
бетонных образцов в заводской лаборатории результаты
отсылают на стройки. Стройки, получая готовые бетон-
ные смеси, обязаны немедленно использовать их, не до-
бавляя воды.
В’ настоящее время на всех стройках, где ведутся бе-
тонные работы, и на заводах сборного железобетона при-
меняется механизированная укладка и уплотнение бе-
тонной смеси вибраторами. Такая укладка не только по-
вышает производительность и облегчает труд, но и дает
ряд преимуществ: увеличивает плотность, прочность, во-
донепроницаемость и долговечность бетона, уменьшает
его усадку. Если не требуется повышения прочности бе-
тона, то можно снижать расход цемента на 10 20 /о,
быстрее снимать опалубку, а также ускорять процесс его
^Сущность вибрирования заключается в передаче бе-
тонной смеси вибраторами колебаний высокой частоты
I /3000—6000 в мин) и ма'лой амплитуды (0,2—0 5 м^),
1 благодаря которым уменьшается вязкость смеси (снижа-
ется трение между ее составными частями); оетонная
смесь приобретает свойства тяжелой жидкости и уклады-
вается наиболее плотно, хорошо заполняя опалубку. Ви-
браторы дают возможность укладывать ма юподвиж^е
и даже жесткие бетонные смеси, а это позволяет эконо-
мить цемент или повышает прочность бетона. I
Для механизированного уплотнения бетонной смеси
применяются вибраторы различных типов. По роду дви-
гателя вибраторы разделяются на электромеханические
(наиболее распространенные), электромагнитные, пнев- I
магические и др.
Электромеханические вибраторы имеют специальный
мотор, на валу ротора которого эксцентрично насажены
грузы (дебалансы); вращением грузов создаются колеба-
ния, передаваемые рабочей части вибратора. Мотор
вибраторов нового типа освобожден от дебалансов; (Ши
заменяются валом с эксцентричной осью вращения, поме-
щаемым в самостоятельной рабочей части вибратора, вра-
щение которой от мотора передается гибким валом.
Наиболее широкое применение получили следующий'-
электромеханические вибраторы.
Поверхностный вибратор (рис. 7.3) имеет мотор с де- ।
балансами, закрепленный на металлической рабочей пло-
щадке размером 0,5X1 м. Мощность мотора 0,4 кВ г. Глу-
бина распространения вибрации в бетонную смесь под
рабочей площадкой 20—30 см. Продолжительность ви-
брирования на одном месте около 1 мин.
Эти вибраторы используются для уплотнения бетонной
смеси на больших открытых поверхностях (плитах, до-
рожных покрытий, основаниях под фундаменты, полах |
и т. п.). Их не следует использовать для бетонирования .
массивных сооружений во избежание образования слри?
. Глубинный вибратор (рис. 7.4) относится к группе
внутренних вибраторов. Его вводят в бетонную смесь для
вибрирования, а затем извлекают оттуда за рукоятку, не
прекращая вибрирования. В герметически закрытом ко-
жухе вибратора помещен высокочастотный мотор с де-
оалансами на валу, благодаря чему колебания переда-
ются почти непосредственно бетонной смеси. К верх-
ней части вибратора присоединена трубчатая штанга,
внутри которой проходят провода. Масса вибратора
20 кг, диаметр рабочей
,астп 114 мм, полная дли-
на 1165 мм, мощность мо-
тора 1 кВт. Этот вибратор
используется при бетони-
ровании крупных блоков,
колонн, балок ит.п.
Вибратор с гибким ва-
лом (рис. 7.5) состоит из
тонкого цилиндрического
сменного рабочего нако-
нечника (диаметром 51 и
75 мм), соединенного с
•мотором гибким валом.
Мотор мощностью 1 кВт I
расположен отдельно на
металлической тарелке.
.Этот высокочастотный ви-
братор (до 7000 колеба-
ний в мин) удобен для бе-
тонирования тонких кон-
струкций с густой арма-
5 турой.
Для безопасности
электромеханические ви-
браторы необходимо за-
землять, а рабочих снабжать резиновыми сапогами и ру-
кавицами. Выпускаемые в стране вибраторы переведены
на питание более безопасным током низкого напряже-
ния — 36 В.
Для улучшения качества бетона можно применять ва-
КЖмирование, при котором из бетонной смеси извлека-
ется часть избыточной воды и воздуха; одновременно под
действием атмосферного давления бетонная смесь уплот-
няется и бетон становится более прочным; ускоряется
также его твердение. Хорошие результаты дает повтор-
ное вибрирование после вакуумирования, при котором
закрываются мелкие поры, образовавшиеся при вакууми-
ровании, и бетонная смесь сильнее уплотняется.
Для получения бетона хорошего качества необходимо
обеспечить надлежащий уход за твердеющим бетоном,
создавая летом влажную, а зимой теплую и влажную сре-
ду для его твердения. После укладки бетонной смеси в
летнее время поверхность сооружения должна быть за-
11-265 321
|шпщена от высыхания, а в первые часы твердени^
дождя. Для этой цели горизонтальные поверхности по
окончании бетонирования покрывают специальная па-
ронепроницаемыми пленками, наносят материалы, Кото-
! пые высыхая образуют пленку (например, битум, лак
: этиноль и др.), посыпают песком слоем а см, шлаком и
I другими подобными материалами, все время увлажняв-'
I мыми, создают на них водные бассейны. В первые дни
вертикальные поверхности от высыхания защищает опа-
лубка, которую также следует увлажнять. После снятия
боковой опалубки вертикальные поверхности бетонный
сооружений поливают водой.
Поливка бетона при температуре воздуха выше 15 °C
продолжается не менее 15 дней, при температуре возду-
ха 10—15 °C — 10 дней; при более низкой температуре
продолжительность поливки бетона устанавливается на
месте работ. В первую треть указанного срока бетон по-
ливают 3—4 раза в сутки, затем 2 раза в сутки.
Полную расчетную загрузку конструкций можно,про-
изводить только после испытания контрольных образцов
бетона.
3. Бетонирование монолитных конструкций
Монолитными называют конструкции, которые возво-
дятся непосредственно на месте их расположения. Воз-
ведение конструкций включает установку опалубки, ко-
торая воссоздает в пространстве очертания будущей
конструкции, установку арматуры, бетонирование конст-
рукций, уход за твердеющим бетоном. Монолитные кон-
струкции сооружают в основном из тяжелого и легкого
бетона на пористых заполнителях. Монолитные бетон-
ные и железобетонные конструкции экономически целе-
сообразны при использовании индустриальных методов
работ. Они предусматривают широкое применение инвен-
тарной металлической, деревянной, фанерной или дере- I
вометаллнческои опалубки. В зависимости от типа бето- .
КОНСТРУКЦИЙ 11 их конфигурации используют !
мшею Опалубки: Разборно-переставную, сколь-
"одннмаему'« Домкратами), катучую (переме-
щаемую в горизонтальном направлении) и др.
„„„„РматУРУ- как правило, изготовляют в арматурно-сва-
Ы1‘“еХах “Л“ **а Заводе 8 виде укрупненных элемен-
тов сварных сеток и блоков-каркасов.
322
, I Предусматривается автоматизация' приготовления бе-
,и..ой смеси, комплексная механизация ее транспорти-
рования и уплотнения. Созданы бетонные заводы и уста-
новки периодического и непрерывного действия с про-
гпаммным управлением производительностью 15, 30, 60
it 120 м3/ч. Заводы оборудуют автоматическими дозато-
рами гравитационными бетоносмесителями или смесите-
^^^^^^□"^"тр^портируют так. чтобы она не
Расслаивалась и не изменяла свой состав вследствие по-
падания атмосферных осадков или чрезмерного испаре-
ния воды при действии ветра и солнечных лучей.
Бетонную смесь перевозят на строительную площад-
ку чаще всего автосамосвалами или автобетоносмесите-
тями Транспортирование бетонных смесей на строитель-
ной площадке осуществляют кранами, конвейерами и по
трубам с помощью бетононасосов или пневмонагнетате-
лей. Пневматический способ отличается простотой и по-
зволяет подавать бетонные смеси сжатым воздухом по
трубам на расстояние до 150 м.
Бетонирование монолитных конструкций производят
непрерывно пли с перерывами, т. е. участками или бло-
. ками. Непрерывную укладку бетона осуществляют в том
случае, когда требуется повышенная монолитность и од-
нородность бетона и поэтому нежелательно наличие ра-
бочих швов. Это относится к предварительно напряжен-
ным железобетонным конструкциям, фундаментам, вос-
принимающим динамические усилия от оборудования и
т. п. Конструкции большой протяженности или большой
площади (например, железобетонные перекрытия) бе-
тонируют отдельными участками, причем рабочие швы
между ними предусматривают & местах, где при эксплуа-
тации возникают минимальные напряжения.
Массивные сооружения (плотины, шлюзы, массивные
фундаменты и т. п.) в проекте разрезают рабочими шва-
ми на блоки. Объем блока устанавливают с учетом воз-
никающих в бетоне температурных и усадочных напря-
жений. Бетонную смесь подают так, чтобы не было рас-
слоения, поэтому бетонная смесь поступает к месту
кладки по вертикальным «хоботам», виброжелобам и на-
клонным лоткам, при этом высота свободного падения
смеси не должна превышать 2 м.
Бетонную смесь укладывают слоями, толщину кото-
рых устанавливают с учетом ее хорошего уплотнения ви-
толщина слоя составляет 1,25 длины рабочей части в^ I
браторов, при поверхностном вибрировании не превыптя;Д
ет 15—25 см. Шаг перестановки внутренних вибраторов Я
не должен превышать полутора радиусов их действия.
Уход за бетоном начинают сразу после укладки и уп-
лотнения бетонной смеси и продолжают в течение всего I
периода выдерживания бетона до достижения им Л
заданной прочности. Качество бетона зависит от уходами
за ним, целью которого является создание и поддержав
иве температурно-влажностных условий, благоприятном
для гидратации цемента.
Распалубливание.бетонных и Железобетонных конс^И
рукций производят после достижения бетоном установ^Н
ленной прочности. Несущую опалубку снимают, когда бе-^Д
тон наберет 70—100 % проектной прочности. Полня;ДИ
прочность бетона необходима в том случае, когда факти- И
ческая нагрузка на распалубленную конструкцию будет •
превышать 70 % расчетной.
4. Контроль качества бетона
Контроль качества бетона на стройках осуществияет-Д
ся лабораториями. Лаборатории организуются на всех
стройках и заводах, где объем бетонных работ превышав
ет 2000 м3. Контроль заключается в испытании стандарт-
ными или полевыми методами всех материалов, приме-
ияемых для изготовления бетона, подборе его составов I .
проверке качества приготовления и укладки бе тонной^
смеси, а также прочности затвердевшего бетона.
Наряду со стандартными испытаниями для контроля.^
качества материалов и бетона используются