Ст-21 Дистанционное обучение. Материалов.

Тема: Воздушные вяжущие. Строительная воздушная известь.

Воздушные вяжущие вещества после смешивания с водой способны схватываться, твердеть, сохранять и повышать свою прочность только на воздухе; в воде они сильно размокают из-за высокой растворимости ком- понентов искусственного камня.

К воздушным вяжущим веществам относятся:

·  карбонатные вяжущие (воздушная известь);

·  гипсовые;

·  магнезиальные вяжущие;

·  жидкое стекло;

·  кислотоупорный цемент.

Строительной воздушной известью называют вяжущее, состоящее в основном из активных оксидов кальция и магния и получаемое обжигом при температуре 900-1200 ° С кальциево-магниевых карбонатных горных пород, содержащих не более 6-8 % глинистых и песчаных примесей. Основное сырье для получения извести – плотный известняк, а также мел.

Виды строительной извести.

Различают негашеную (состоящую в основном из оксидов кальция и магния) и гашеную (состоящую из соответствующих гидроксидов) известь. Непосредственно после обжига получают негашеную комовую известь. Основные реакции, происходящие при обжиге известняка: СаСО3 « СаО + СО2 и МgСО3 « МgО + СО2.

Получаемая в виде кусков комовая известь представляет собой состоящий из мелких кристаллов (0,5 – 2 мкм) оксида кальция и частично магния пористый материал, что обусловливает его большую реакционную способность с водой. При нормальной температуре обжига чистого известняка до полного удаления СО2 (теоретически 44 %) его масса уменьшается почти в 2 раза, объем продукта – всего на 10-12 %. Комовую известь превращают в порошкообразное вяжущее двумя путями: механическим – размолом в мельницах (молотая негашеная известь) или путем гашения водой (гашеная известь).

Молотая негашеная известь по химическому составу такая же как исходная комовая известь. При ее помоле разрешается вводить тонкомолотые минеральные добавки (шлак, золы, песок, пемзу, известняк и др.), которые улучшают свойства полученных известковых вяжущих.

Гашение заключается в том, что вода, соприкасаясь с кусками негашеной извести, поглощается ею и одновременно химически взаимодействует с оксидами кальция и магния, образуя их гидроксиды:

СаО + Н2О « Са(ОН)2 +Q и МgО + Н2О « Мg(ОН)2 +Q

При гашении 1 кг извести-кипелки выделяется 1160 кДж тепла. При этом температура гасящейся извести может достигать таких значений, при которых возможно не только кипение воды, но и возгорание дерева. При гашении идет самопроизвольный распад кусков извести на мельчайшие частицы.

В зависимости от количества воды, взятой при гашении, можно получить гидратную известь (пушонку), известковое тесто или известковое молоко. Теоретически для перевода оксида кальция в гидроксид необходимо около 30 % воды от массы извести-кипелки. На практике для получения извести-пушонки воды берут в 2-3 раза больше (60-80 %), так как при гашении часть ее испаряется. Известь-пушонка представляет собой тонкий белый порошок, объем которого в 2-3 раза превышает объем исходной извести-кипелки. Выдержанное известковое тесто получают в виде пастообразной концентрированной водной суспензии (ρ ≈ 1400 кг/м3), которая содержит около 50 % воды. Известковое молоко имеет вид жидкости плотностью менее 1300 кг/м3.

В зависимости от содержания оксида магния различают виды воздушной извести: кальциевую (содержание МgО не более 5 %), магнезиальную (МgО – 5…20 %), доломитовую (МgО – 20…40 %).

По скорости гашения воздушная известь бывает: быстрогасящаяся со временем гашения менее 8 мин, среднегасящаяся – от 8 до 25 мин и медленногасящаяся – более 25 мин. В зависимости от температуры, развивающейся при гашении, различают низкоэкзотермичную (температура гашения ниже 70 °С) и высокоэкзотермичную (температура гашения выше 70 °С) известь.

В зависимости от содержания свободных СаО и МgО, определяющих активность извести, содержания СО2, а также непогасившихся зерен негашеная известь делится на три, а гашеная на два сорта.

Виды твердения воздушной строительной извести. 

Различают два вида твердения извести: 1) карбонатное твердение; 2) гидратное твердение. Карбонатное твердение характерно для растворов и бетонов на гашеной извести и заключается в 2-х параллельно протекающих процессах (по времени):

а) испарении воды из раствора и кристаллизация извести. Кристаллы Са(ОН)2 срастаются между собой, образуя "сросток", который является основой прочности камня;

б) карбонизации за счет углекислоты из воздуха:

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

Карбонизация дает дополнительный прирост прочности, так как СаСО3 – малорастворимое в воде вещество. Процесс твердения идет очень медленно, так как структура из кристаллов Са(ОН)2 – малопрочная, а карбонизация недостаточно эффективна из-за малой концентрации углекислого газа в атмосфере. Через месяц твердения на воздухе прочность достигает небольших значений порядка 0,5-1 МПа и только через годы – 5-7 МПа.

Гидратное твердение характерно для молотой негашеной извести. Онозаключается во взаимодействии негашеной извести с водой:

СаО + Н2О = Са(ОН)2.

Условия гидратного твердения: а) тонкий помол извести; б) отвод излишнего тепла за счет применения холодной воды; химических добавок, замедляющих гашение и др.; в) прекращение перемешивания на определенном этапе; г) оптимальное количество воды затворения (в пределах от 100 до 150 %; если воды будет меньше 100 %, то произойдет гашение в пушонку; если больше 150 % – гашение в тесто). Эти условия позволяют кристаллам Са(ОН)2 быстро срастаться друг с другом с образованием твердеющей структуры. Кроме того, принципиальное отличие этого вида твердения от карбонатного состоит в том, что большое количество воды химически связывается, и это способствует большей плотности и прочности изделий по сравнению с получаемыми на гашеной извести. Карбонизация дополнительно повышает прочность изделий.

Применение строительной извести. 

Строительную воздушную известь применяют для получения: а) штукатурных и кладочных растворов (гашеная известь); б) местных известковых вяжущих веществ и низкомарочных бетонов и изделий из них, эксплуатируемых в воздушно-сухих условиях (на основе негашеной молотой извести); в) известково-песчаных (силикатных) изделий автоклавного твердения – силикатного кирпича, ячеистых силикатных бетонов (на основе гашеной и негашеной молотой извести). В последнем случае получают достаточно водостойкие материалы.

Гипсовые вяжущие вещества – тонкоизмельченные продукты, получаемые путем тепловой обработки природного гипсового камня, природного ангидрита, а также различных отходов химического производства, способные после затворения водой быстро схватываться, твердеть и превращаться в камень на воздухе (4-30 минут). Способность к твердению им придает сернокислый кальций.

Водопотребность гипсовых вяжущих изменяется от 30-40 до 60-70% в зависимости от условий обжига и дисперсности. Большая разница между водопотребностью и количеством воды, необходимым на гидратацию полугидрата (менее 20%), является причиной значительной пористости гипсового камня, доходящей до 50%. Пористость камня ниже, а прочность выше у вяжущего с меньшей водопотребностью.

Отличительными особенностями гипсовых вяжущих являются быстрое схватывание, твердение, увеличение объема при твердении на воздухе до 0,3% (это позволяет широко использовать гипс для отливки декоративно-художественных изделий сложной формы, а также применять его без заполнителей, не боясь растрескивания от усадки).

Недостатки гипсовых вяжущих – повышенная гигроскопичность, низкая водостойкость, значительные деформации под нагрузкой (ползучесть) влажного гипсового камня, коррозия стальной арматуры в гипсовых изделиях. Для повышения водостойкости гипсовых вяжущих при изготовлении вводят полимерные и гидрофобизирующие добавки, проводят интенсивное уплотнение смесей с пониженным водосодержанием.

Классификация гипсовых вяжущих

По тонкости помола, характеризуемой остатком на сите с отверстиями 0,2 мм массы пробы (%), взятой для просеивания, различают гипсовые вяжущие:

· грубого помола (группа I) — остаток не более 23%;

· среднего помола (группа II) — остаток не более 14%;

· тонкого помола (группа IIII) — остаток не более 2%.

По срокам схватывания различают три группы гипсовых вяжущих:

· быстротвердеющие (группа А) - начало схватывания не ранее чем через 2 мин, конец — не позднее чем через 15 мин.;

· нормально твердеющие (группа Б) - начало схватывания не ра- нее чем через 6 мин, конец — не позднее 30 мин.;

· медленно твердеющие (группа В) - с началом схватывания не ранее чем через 20 мин, конец схватывания для них не ограничен.

Для замедления схватывания гипсовое вяжущее затворяют водой с добавкой животного клея или органических клееподобных веществ, понижающих растворимость полугидрата.

В зависимости от вида сырья и принятой технологической схемы производства гипсовые вяжущие вещества делят на две группы:

· низко обжиговые (собственно гипсовые – строительный, формовочный и высокопрочный гипсы, изготовленные из природного гипсового камня)

· высокообжиговые (ангидритовые – ангидритовый цемент, изготовленный на основе природного ангидрида или обожженного при высокой температуре природного гипсового камня).

К низко обжиговым относят:

· строительный;

· высокопрочный;

· формовочный гипсы; К высокообжиговым:

· ангидритовое вяжущее (ангидритовый цемент);

· высокообжиговый гипс (эстрихгипс).

Ангидритовый цемент изготавливают из природного гипса обжигом при температуре 600-700°С. Продукт обжига состоит преимущественно из нерастворимого ангидрита, не способного в обычных условиях схватываться или твердеть. Для придания ему вяжущих свойств при помоле вводят минеральные активизаторы твердения. Можно получать ангидритовый цемент без обжига помолом природного ангидрита с теми же добавками. В качестве активизаторов применяют гашеную или негашеную известь (2-5% массы ангидрита), обожженный доломит (3-8%), доменный шлак (10-15%). Высокообжиговый гипс получают обжигом природного гипса или ангидрита при 800-1000°С. В отличие от низкообжиговых гипсовых ангидритовые вяжущие имеют большую водостойкость и медленнее схватываются и твердеют: начало схватывания наступает не ранее чем через 30 мин, конец

– не позднее чем через 12 ч. Марочную прочность контролируют в возрасте 28 суток.

Из гипсовых вяжущих веществ основными являются:

· строительный;

· формовочный;

· ангидритовый гипсы.

Изделия на основе гипсовых вяжущих

Строительный гипс (устаревшее название – алебастр) получают при обжиге двухводного гипсового камня CaSO4 ·2H2O путем его термической обработки (происходит частичная дегидратация двуводного гипса и превращение его в полуводный CaSO4 · 0,5 H2O) при температуре 170-200оС, проводимой в печах или варочных котлах, и последующего тонкого помола. Строительный гипс относится к быстротвердеющим вяжущим - начало схватывания 4-6 минут, а конец – 30 минут. Строительный гипс выпускается 3-х сортов: для I сорта тонкость помола должна быть не более 15%, для II сорта – 20% и для III сорта – 30%. Предел прочности при сжатии соответственно 5,5 МПа, 4,5 МПа и 3,5 МПа.

Производство строительного гипса. Существует несколько технологических схем: помол сырья и последующая тепловая обработка; тепловая обработка камня и помол после обработки; помол и обжиг совмещены в одном аппарате.

Тепловую обработку гипсового камня можно проводить в варочных котлах, сушильных барабанах и мельницах. Наиболее простым и распространенным способом производства строительного гипса является тепловая обработка тонкомолотого сырья в гипсоварочном котле периодического действия, который представляет собой стальной барабан (вместимость 12...15м3), футерованный огнеупорным кирпичом. Внутри котла находятся жаровые трубы и мешалка для перемешивания гипса.

Измельченный в мельнице порошок загружают через загрузочный люк в варочный котел. Топочные газы подогревают днище и стенки котла, проходят в жаровые трубы и попадают в дымовую трубу (продолжительность варки 1...3ч.); при этом двуводный гипс обезвоживается и превращается в полуводный гипс. При температуре 180°С происходит дегидратация гипсового камня:

Помол гипса после обжига производят в шаровой мельнице.

Производство гипсового вяжущего по совмещенной схеме помола и обжига происходит в мельницах. В мельницах гипсовый камень измельчается, мелкие частицы подхватываются потоком горячих дымовых газов, поступающих в мельницу. Частицы, находясь во взвешенном состоянии, обезвоживаются и превращаются в полуводный гипс. В мельницах обеспечивается непрерывность работы.

Основные свойства гипса:

· тонкость помола;

· водопотребностъ (нормальная густота);

· сроки схватывания;

· прочность.

Высокопрочный гипс – разновидность строительного. Отличается от строительного гипса способом тепловой обработки, которую проводят путём содержания двуводного гипса в автоклаве под давлением пара 0,13 МПа при 124°С в течение 5 часов с последующей сушкой и измельчением в порошок. В результате образуются более крупные кристаллы, обусловливающие высокие прочностные характеристики и меньшую водопотреб- ность. Нормальная густота 40-45%, прочность при сжатии не менее 25-30 МПа. Сроки схватывания сходны с таковыми у строительного гипса.

Формовочный гипс от строительного отличается более тонким помолом и более высокой прочностью (сроки схватывания формовочного гипса должно быть не менее 30 мин.).

Ангидритовый гипс получают при обжиге двуводного гипсового камня при температуре 600-700°С и последующим помолом с добавлением извести и шлака и других активизаторов твердения. По пределу прочности на сжатие (МПа) выпускают четырех марок: 5, 10, 15, 20.

Более водостойкими гипсовыми вяжущими являются полимергипс и гипсоцементно-пуццолановые вяжущие.

Полимергипс в отличие от строительного гипса имеет высокую прочность на сжатие – 30 МПа и большую водостойкость; получают его при смешивании строительного гипса с фенольно-фурфурольной смолой (17-20 %).

Гипсоцементно-пуццолановые вяжущие получают на основе полуводного гипса (40-60%), портландцемента (20-25%) и трепела (10-25%).

Магнезиальные вяжущие вещества

Магнезиальные вяжущие вещества –воздушные вяжущие в виде тонкомолотого порошка, содержащего оксид магния, благодаря которому порошок, затворенный водными растворами хлористого или сернокислого магния, приобретает свойства вяжущего. Он характеризуется высокой прочностью на сжатие – 300-600 кгс/см2.

Сырьем для их производства служат горные породы осадочного происхождения или искусственно приготовленные смеси, содержащие минералы, которые обусловливают физико-химическую активность процесса твердения. Получают минеральные вяжущие вещества обжигом сырья - магнезита (MgCO3) или доломита (CaCO3 · MgCO3) не до спекания или до спекания при относительно низкой или высокой температуре (140-170ºС, 600-1480ºС) и последующим тонким помолом продукта обжига. Продукт обжига соответственно называется каустическим магнезитом или каустическим доломитом. Магнезиальные вяжущие хорошо сцепляются с древесными, асбестовыми и другими волокнами и применяются для получения теплоизоляционных материалов (фибролит), устройства теплых полов (ксилолит).

К магнезиальным вяжущим относятся каустический магнезит и каустический доломит (MgCO3·CaCO3). Каустический магнезит (MgO) (ГОСТ 1216-75) получают путем обжига магнезита при 700...800°С и последующего тонкого помола. При обжиге магнезит разлагается: МgСO3 =МgО + СО2  .

Углекислый газ удаляется из печи естественной или искусственной тягой. Готовое вяжущее упаковывают в металлические барабаны.

Каустический доломит получают путем обжига при 650-750°С и последующего тонкого помола. При обжиге доломит разлагается: МgСО3 СаСO3 = МgО + СО2 + СаСО3.

Углекислый кальций при этом не разлагается, а остается в инертном виде как балласт, поэтому каустический доломит по качеству уступает каустическому магнезиту.

Свойства магнезиальных вяжущих веществ:

· их затворяют не водой, а водными растворами хлористого магния MgCl2 · 6H2O или сернокислого магния;

· твердеют только при положительной температуре более +12°С и сравнительно быстро (начало схватывания не ранее 20 мин, окончание — не позднее 6 ч.);

· у каустического доломита сроки схватывания растянуты (начало схватывания через 3-10ч, окончание – через 8-20 ч.);

· хорошо сцепляются с органическими заполнителями (древесными опилками и стружками), придавая им повышенную стойкость против загнивания, возгорания и истирания;

· являются очень гигроскопичными, неводостойкими материалами, поэтому в настоящее время имеют ограниченное применение.

Жидкое стекло

Сырьем для производства жидкого стекла служат чистый кварцевый песок, кальцинированная сода Na2СO3 или сернокислый натрий Na2SO4, реже вторым компонентом является поташ K2СО3.

Подготовленную сырьевую смесь сплавляют в стекловаренных печах при температуре 1300-1400°С в течение 7-10 ч, затем стекломассу быстро охлаждают и она твердеет, распадается на куски (силикат-глыбы). Последние растворяют до жидкого состояния паром (в автоклаве) высокого давления 0,5-0,6 МПа при 150°С. Этот вязкий раствор и называют жидким стеклом (или натриевый силикат Na2O·nSiO2 или калиевый силикат Кa2O·nSiO2).

Качество жидкого стекла характеризуется показателями – модулем и плотностью. Модуль стекла – это отношение количества оксида кремния к оксиду металла. Чем больше модуль, тем выше качество стекла. Для строительных целей используют чаще натриевое стекло модулем 2,5...3,0, калиевое – модулем 3...4 применяют реже.

Свойства:

· плотность 1300...1500 кг/м3;

· твердение происходит только на воздухе вследствие высыхания и выделения аморфного кремнезема nSiO2. Процесс твердения можно ускорить, добавив катализатор – кремнефтористый натрий.

Кислотоупорный цемент– продукт тонкого совместного измельчения кварцевого песка (92-96% массы смеси) и кремнефтористого натрия Nа2SiF6 (4-8%). Этот порошок цементом называют условно, так как вяжущими свойствами он не обладает. Затворяют его вяжущим материалом - жидким натриевым стеклом с модулем не ниже 2,65 и плотностью 1,38- 1,42 г/см3. В качестве кислотоупорного наполнителя вместо кварцевого песка можно использовать кварцит, диабаз, андезит.

Твердение кислотоупорного цемента происходит достаточно быстро в воздушно-сухих условиях при температуре воздуха не менее +10°С: начало схватывания наступает в зависимости от количества кремнефтористого натрия через 20-60 мин., конец – не позднее 6 ч. Растворы и бетоны, приготовленные на кислотоупорном цементе, обладают высокой стойкостью к большинству минеральных и органических кислот, но теряют прочность в воде и разрушаются в едких щелочах. Предел прочности при сжатии стандартами не нормируется, но бетоны, изготовленные на этом цементе, имеют прочность при сжатии до 60 МПа.

ЛЕКЦИЯ

Гидравлические вяжущие вещества. Гидравлическая известь. Портландцемент. Сырье. Производство. Свойства.

1. Гидравлическая известь

        Сырьем для получения извести служат осадочные горные породы: известняк, мел, доломиты, мрамор - (СаСО3), содержащие глинистых примесей от 6 до 20%.

        Гидравлическая известь после затвердевания на воздухе продолжает твердеть и под водой.

Гидравлические вяжущие вещества. Гидравлические свойства этой группы вяжущих обусловлены наличием в их составе силикатов, алюминатов, ферритов кальция. Чем больше в вяжущем таких соединений и чем они более основны, тем сильнее выражены гидравлические свойства и выше прочность вяжущего.

Химический состав сырья и гидравлические свойства готового вяжущего характеризуют гидравлическим или основным модулем:

mo=%СаО/ %(SiO2+Al2O3+Fe2O3)

 Для воздушной извести этот модуль больше 9, для гидравлической — 1,7. ..9, а для романцемента — 1,1. ..1,7. Однако если температуру обжига сырьевой смеси с m0≈2 довести до 1450 °С, то образуются более высокоосновные силикаты кальция и другие соединения, обладающие большой прочностью и гидравличностыо. В результате получают новое вяжущее — портландцемент, обладающий высокой прочностью.

Гидравлическая известь состоит из различных соединений, часть которых (СаО+МgО) обусловливает свойства извести как воздушного вяжущего, а часть (силикаты, алюминаты, ферриты кальция) — гидравлического. Чем больше в составе гидравлической извести последних соединений, тем быстрее она твердеет и выше ее прочность.

Гидравлическая известь способна диспергироваться частично при гашении, водой, но чаще ее превращают в рабочее состояние помолом.

Для твердения гидравлической извести вначале необходимы, как и для воздушной извести, воздушносухие условия, а затем — влажные, чтобы обеспечить гидратацию силикатов, алюминатов и ферритов кальция. Чем больше в извести свободного оксида кальция, тем более продолжительным должно быть начальное твердение в воздушной среде (обычно 7. ..15 сут).

Различают слабогидравлическую (гидравлический модуль 4,5... ...9,0) и сильногидравлическую (модуль 1,7. ..4,5) известь. Прочность при сжатии растворов должна быть не менее 1,7 МПа — для слабогидравлической извести и не менее 5 МПа — для сильногидравлической.

Гидравлическую известь используют для изготовления строительных растворов, применяемых для кладки во влажной среде.

        Эта известь дает более прочный раствор, но менее пластичный, по сравнению с воздушной известью.

2. Портландцемент

Сырьевые материалы – известняк и глина в соотношении 3:1 (по массе), дополнительно вводят корректирующие добавки и промышленные отходы.

Максимальная температура обжига 14500С.

Продукт обжига – клинкер.

Для получения портландцемента клинкер размалывают в мельницах с гипсом и другими добавками.

Портландцемент — продукт тонкого измельчения клинкера, получаемого обжигом до спекания, т. е. частичного плавления сырьевой смеси, обеспечивающей преобладание в нем высокоосновных силикатов кальция (70. ..80 %). Для регулирования схватывания и некоторых других свойств при помоле клинкера в цемент добавляют небольшое количество гипса (1,5.. .3,5 %). В соответствии с ГОСТ 10178 — 85 за таким бездобавочным цементом сохранено название портландцемент (ПЦ-ДО).

Многочисленные исследования и практический опыт показывают, что элементарный химический состав клинкера должен находиться в следующих пределах (% по массе): СаО — 63...66; SiO2 — 21...24; А12О3 — 4...8; Fе2О3 — 2. ..4, их суммарное количество составляет 95... ...97 %.

Сырьевую смесь приготовляют сухим или мокрым способом. В соответствии с этим различают и способы производства цемента — сухой и мокрый. Преобладает мокрый способ производства цемента, но все шире внедряется сухой. Важнейшим преимуществом сухого способа производства является не только снижение расхода теплоты на обжиг в 1,5...2 раза, чем при мокром, но и более высокие удельные съемы в печах сухого способа.

Обжиг сырьевой смеси чаще осуществляют во вращающихся печах, но иногда (при сухом способе) в шахтных.

Вращающаяся печь (рис. 5.2) представляет собой сварной стальной барабан длиной до 185м и более, диаметром до 5...7 м, футерованный изнутри огнеупорными материалами. Барабан уложен на роликах под углом 3...40 к горизонту и медленно вращается вокруг своей оси. Благодаря этому сырьевая смесь, загруженная в верхнюю часть печи, постепенно перемещается к нижнему концу, куда вдувают топливо, продукты горения которого просасываются навстречу сырьевой смеси и обжигают ее. Характер процессов, протекающих при обжиге сырьевой смеси, приготовленной по сухому и мокрому способам, по существу, одинаков и определяется температурой и временем нагревания материала в печи. Рассмотрим эти процессы.

1. В зоне сушки поступающая в верхний конец печи сырьевая смесь встречается с горячими газами и постепенно при повышении температуры с 70 до 200 °С (зона сушки) подсушивается, превращаясь в комья, которые при перекатывании распадаются на более мелкие гранулы. По мере перемещения сырьевой смеси вдоль печи происходит дальнейшее постепенное ее нагревание, сопровождаемое химическими реакциями.

2. В зоне подогрева при 200...700 °С сгорают находящиеся в сырье органические примеси, удаляется химически связанная вода из глинистых минералов и образуется безводный каолинит А1203·2SiO2. Подготовительные зоны (сушки и подогрева) при мокром способе производства занимают 50...60 % длины печи, при сухом же способе подготовки сырья длина печи сокращается за счет зоны сушки.

3. В зоне декарбонизации при температуре 700...1100°С происходит процесс диссоциации карбонатов кальция и магния на СаО, МgО и СО2, алюмосиликаты глины распадаются на отдельные оксиды SiO2, А12О3 и Fе2О3 с сильно разрыхленной структурой. Термическая диссоциация СаСО3 — это эндотермический процесс, идущий с большим поглощением теплоты (1780кДж на 1 кг СаСО3), поэтому потребление теплоты в третьей зоне печи наибольшее. В этой же зоне оксид кальция в твердом состоянии вступает в реакцию с продуктами распада глины с образованием низкоосновных силикатов, алюминатов и ферритов кальция (2СаО·SiO2, СаО·А12О3) 2СаО·Fе2О3).

4. В зоне экзотермических реакций обжигаемая масса, передвигаясь, быстро нагревается от 1100 до 1300 °С, при этом образуются более основные соединения: трехкальциевый алюминат ЗСаО·А12О3(С3А), четырехкаль-циевый алюмоферрит 4СаО·А12О3·Fе2О3(С4АF), но часть оксида кальция еще остается в свободном виде. Обжигаемый материал агрегируется в гранулы.

5. В зоне спекания при 1300...1450 °С обжигаемая смесь частично расплавляется. В расплав переходят С3А, С4АF, МgО и все легкоплавкие примеси сырьевой смеси. По мере появления расплава в нем растворяются С2S и СаО и, вступая во взаимодействие друг с другом, образуют основной минерал клинкера — трехкальциевый силикат ЗСаО·SiO2(С3S), который плохо растворяется в расплаве и. вследствие этого выделяется из расплава в виде мелких кристаллов, а обжигаемый материал спекается в кусочки размером 4...25 мм, называемые клинкером.

6. В зоне охлаждения (заключительная стадия обжига) температура клинкера понижается с 1300 до 1000оС, происходит окончательная фиксация его структуры и состава, включающего С3S, С2S , С3А, С4АF, стекловидную фазу и второстепенные составляющие.

По выходе из печи клинкер необходимо быстро охладить в специальных холодильниках, чтобы предотвратить образование в нем крупных кристаллов и сохранить в незакристаллизованном виде стекловидную фазу. Без быстрого охлаждения клинкера получится цемент с пониженной реакционной способностью по отношению к воде.

После выдержки на складе (1...2 недели) клинкер превращают в цемент путем помола его в тонкий порошок, добавляя небольшое количество двуводного гипса. Готовый портландцемент направляют для хранения в силосы и далее на строительные объекты.

Минеральный состав.

Портландцементный  клинкер состоит из искусственных минералов, образовавшихся при обжиге.

Ориентировочное содержание основных четырех минералов    в    портландцементном    клинкере    составляет (%  по массе):   алит 3СаОּSiO2 — 40...65,   белит 2СаОּSiO2 – 15…40,    целит 3СаОּАl2O3 3Ар 5... 15, целит 4СаОּАl2O3 Fе2О3— 10...20.

Исследования цементного клинкера под микроскопом показывают, что в нем преобладают кристаллы алита и белита, между которыми размещается промежуточное вещество, состоящее из алюминатов и алюмоферритов кальция в кристаллической форме, а также незакристаллизованного стекла и оставшихся в свободном состоянии СаО и МgО.

1. Трехкальциевый силикат (алит) — главный минерал цементного клинкера — обладает большой активностью в реакции с водой, особенно в начальные сроки . Алит быстро твердеет и набирает высокую прочность.

2. Двухкальциевый силикат (белит) значительно менее активен, чем алит. Твердение белита происходит медленно. Твердение белита происходит медленно. К месячному сроку продукт его твердения обладает сравнительно невысокой прочностью, но при длительном твердении (несколько лет) в благоприятных условиях (при положительной температуре и влажной среде) его прочность неуклонно возрастает.

3. Трехкальциевый алюминат — самый активный клинкерный минерал, отличающийся быстрым взаимодействием с водой. Однако продукт его твердения имеет повышенную пористость, низкие прочность и долговечность. Быстрое твердение С3А вызывает раннее структурообразование в цементном тесте и сильно ускоряет сроки схватывания (всего до нескольких минут). Если не ввести добавку гипса, то получается цемент «быстряк», бетонные смеси на котором из-за преждевременного схватывания не успевают хорошо перемешать и уложить в форму.

4. Четырехкальциевый алюмоферриг характеризуется умеренным тепловыделением и по быстроте твердения  занимает промежуточное положение между трехкальциевым и двухкальциевым силикатами. Прочность продуктов его гидратации в ранние сроки ниже, чем у алита, и несколько выше, чем у белита.

Располагая данными о минеральном составе клинкера и зная свойства клинкерных минералов, можно заранее предопределить основные свойства цемента и особенности его твердения в различных условиях эксплуатации.

Твердение.

Превращение цементного теста в камневидное тело обусловлено сложными химическими и физико-химическими процессами взаимодействия клинкерных минералов с водой, в результате которых образуются новые гидратные соединения, практически нерастворимые в воде.

Процесс гидролиза и гидратации трехкальциевого силиката выражается уравнением:

2 (ЗСаО·SiO2) + 6Н20 = ЗСаО·2SiO2·ЗН20 + ЗСа(ОН)2.

В результате образуется практически нерастворимый в воде гидросиликат кальция и гидроксид кальция, который частично растворим в воде.

Двухкальциевый силикат гидратируется медленнее С3S и при его взаимодействии с водой выделяется меньше Са(ОН)2, что видно из уравнения реакции:

2 (2СаО·SiO2) + 4Н2О = ЗСаО·2SiO2·ЗН2О + Са(ОН)2.

Взаимодействие трехкальциевого алюмината с водой приводит к образованию гидроалюмината кальция:

ЗСаО · А12О3 + 6Н2О = ЗСаО · Аl2О3 ·6Н2О

Реакция протекает с большой скоростью. Образующийся шестиводный трехкальциевый алюминат создает непрочную рыхлую кристаллизационную структуру и вызывает быстрое снижение пластических свойств цементного теста.

Замедления сроков схватывания портландцемента достигают введением при помоле небольшой добавки двуводного гипса.

Четырехкальциевый алюмоферрит при действии воды гидролитически расщепляется с образованием шестиводного трехкальциевого алюмината и гидроферрита кальция по схеме:

4СаО • Аl2О3 • Fе2О3 + mН2О = ЗСаО • Аl2О3 • 6Н2О + CaO •Fe2O3 •nH2O

Однокальциевый гидроферрит, взаимодействуя с гидроксидом кальция, который образовался при гидролизе С3S, переходит в более основный гидроферрит кальция 3(4)СаО • Fе2О3 • nН20. Гидроалюминат связывается добавкой гипса, как указано выше, а гидроферрит входит в состав цементного геля.

При твердении цемента на воздухе рассмотренные выше реакции дополняются карбонизацией гидроксида кальция, протекающей на поверхности цементного камня.

Описанные химические превращения протекают параллельно с физико-химическими процессами микроструктурообразования, выражающимися в процессах молекулярного и коллоидного растворения, коллоидации и кристаллизации. В своей совокупности эти процессы приводят к превращению цемента при затворении водой сначала в пластичное тесто, а затем в прочный затвердевший камень.

В соответствии с этой теорией можно выделить три периода.

• В первом периоде происходит растворение клинкерных минералов с поверхности цементных зерен до образования насыщенного раствора, в котором начинают возникать первичные зародыши новых фаз.
•  Во втором периоде в насыщенном растворе идут реакции гидратации клинкерных минералов в твердом состояний, т. е. происходит прямое присоединение воды к твердой фазе вяжущего без предварительного его растворения.  В результате вокруг поверхности цементных зерен образуется оболочка коллоидного геля (студня), обладающего клеящим свойством. Через некоторое время цементные зерна оказываются в контакте друг с другом через такие оболочки, образуя так называемую коагуляционную структуру цементного теста. При этом цементное тесто начинает густеть и теряет пластичность – оно схватывается.
• В третьем периоде происходит переход некоторой части новообразований в кристаллическое состояние с последующим ростом отдельных кристалликов и образованием кристаллических сростков (формируется кристаллизационная структурная сетка).

Свойства.

К основным свойствам портландцемента относятся тонкость помола, водопотребность, сроки схватывания, равномерность изменения объема и прочность (марка) цемента. При необходимости оценивают и другие свойства: плотность и насыпную плотность, тепловыделение, стойкость в различных условиях среды и т. п.

Тонкость помола — один из факторов, определяющих быстроту твердения и прочность цементного камня. Обычный портландцемент измельчают довольно тонко - остаток на сите № 008 (4900отв/см2) не должен превышать 15%, что соответствует удельной поверхности цемента 2500...3000 см2/г.

Водопотребность портландцемента характеризуется количеством воды (% массы цемента), которое необходимо для получения цементного теста нормальной густоты, т. е. заранее заданной стандартной пластичности, определяемой погружением в тесто пестика прибора Вика. Водопотребность зависит от минерального состава и тонкости помола цемента и колеблется в пределах 22...2Б %.

Сроки схватывания и равномерность изменения объема цемента определяют на тесте нормальной густоты. Начало схватывания цементного теста должно наступать не ранее 45 мин, а конец схватывания — не позднее 10 ч. Сроки схватывания определяют с помощью прибора Вика путем погружения иглы этого прибора в тесто нормальной густоты. Для получения нормальных сроков схватывания при помоле клинкера вводят добавку двуводного гипса, а в случае необходимости — специальные добавки— замедлители или ускорители схватывания.

Процесс твердения цементного камня сопровождается объемными деформациями: набуханием при твердении в воде, усадкой при твердении на воздухе. Эти неизбежные изменения объема учитываются в производстве строительных работ, предусматривая устройство усадочных швов. Неравномерное изменение объема цементного камня при твердении связано с наличием в клинкере свободных оксидов кальция и магния, которые при гидратации расширяются, вызывая местные деформации. По стандарту равномерность изменения объема определяют в образцах лепешках, изготовленных из теста нормальной густоты, которые через 24 ч предварительного твердения кипятят 3 ч в воде. Лепешки не должны деформироваться, на них не допускаются радиальные трещины. Цемент, не обладающий равномерностью изменения объема, нельзя применять в строительстве.

Прочность портландцемента является главным свойством, характеризующим его качество. В зависимости от предела прочности при сжатии и с учетом предела прочности при изгибе стандартных образцов-балочек через 28 сут твердения портландцемент разделяют на марки: 400, 500, 550, 600.

Фактическую прочность, полученную при испытании на осевое сжатие половинок указанных образцов, называют активностью цемента.

Прочность цемента при нормальных условиях твердения наиболее интенсивно нарастает в первые 7 сут твердения. Уже к 3 сут она составляет 30...35 %, а к 7 сут—60...70 % от марки цемента (см.рисунок на слайде). В дальнейшем рост прочности замедляется, но продолжается длительное время (месяцы, годы), следуя зависимости, близкой к логарифмической.

Тепловыделение при твердении цемента зависит от минерального состава и тонкости измельчения цемента. При изготовлении тонких бетонных конструкций теплота гидратации быстро рассеивается и не вызывает существенного разогрева бетона. При возведении массивных бетонных конструкций (плотины, фундаменты, толстые стены и т. д.) возможно повышение температуры до 50 °С и более, что может вызвать значительные перепады температур в наружных и внутренних зонах, возникновение температурных напряжений, которые нередко являются причиной появления трещин в бетоне. В некоторых случаях, например при бетонировании конструкций в холодное время, повышенное тепловыделение играет положительную роль, способствуя поддержанию положительной температуры бетона.

Стойкость затвердевшего цемента.

Разрушение цементного камня может происходить под влиянием физических факторов (насыщение водой, попеременное замораживание и оттаивание, увлажнение и высыхание и т. п.), а также при химическом взаимодействии компонентов камня с агрессивными веществами, содержащимися в окружающей среде.

Морозостойкость цементного камня зависит от минерального состава клинкера, тонкости помола цемента и водопотребности, необходимой для получения удобоукладываемой смеси. Среди минералов клинкера наименее морозостойким является СзА, максимально допустимое содержание которого в цементах для морозостойких бетонов должно составлять не более 5...8 %. Тонкость помола может быть в пределах от 3000 до 4000 см2/г, при этом важное значение имеет наличие в цементе наряду с тонкими фракциями относительно крупных зерен, которые обеспечивают «клинкерный фонд» для самозалечивания дефектов, возникающих при попеременных воздействиях среды. Увеличение водопотребности цемента снижает морозостойкость цементного камня, так как при этом повышается его капиллярная пористость (вода в порах геля не переходит в лед даже при сильных морозах). Поэтому в морозостойких бетонах значение В/Ц принимают не более 0,4...0,55.

Химическая стойкость цементного камня связана со скоростью и глубиной коррозионных процессов, вызываемых воздействием агрессивных газов и жидкостей на его составные части. Исследования, проведенные советскими учеными (А. А. Байковым, В. В. Киндом, В. Н. Юнгом, С. Д. Окороковым, В. М. Москвиным и др.), позволили установить сущность коррозии цементного камня и рекомендовать методы борьбы с ней. В. М. Москвин разделил коррозионные процессы, возникающие в цементном камне, на три вида.

Коррозия первого вида — разрушение    цементного камня в результате растворения и вымывания некоторых его составных частей (коррозия  выщелачивания).   При действии воды на цементный камень вначале растворяется   и   уносится   водой   свободный   гидроксид   кальция, образовавшийся при гидролизе С3S и С2S, содержание которого в цементном камне через 1...3 мес твердения достигает 10...15%, а растворимость при обычных температурах— 1,3 г/л. После вымывания свободного гидроксида кальция и снижения его концентрации ниже 1,1 г/л начинается разложение гидросиликатов, а затем гидроалюминатов и гидроферритов кальция. В результате выщелачивания повышается    пористость   цементного   камня и снижается его прочность. Процесс коррозии первого вида ускоряется, если на цементный камень действует мягкая вода или вода под напором. Одной из мер ослабления коррозии выщелачивания является применение цемента с умеренным содержанием С3S и выдерживание бетонных изделий на воздухе для того, чтобы на их поверхности прошел процесс карбонизации и образовалась малорастворимая корка из СаСО3. Главным же средством борьбы с выщелачиванием гидроксида кальция является применение плотного бетона и введение в цемент активных минеральных добавок, связывающих Са(ОН)2 в малорастворимое соединение — гидросиликат кальция.

Коррозия второго вида происходит при действии на цементный камень агрессивных веществ, которые, вступая во взаимодействие с составными частями цементного камня, образуют либо легкорастворимые и вымываемые водой соли, либо аморфные массы, не обладающие связующими свойствами (кислотная, магнезиальная коррозия, коррозия под влиянием некоторых органических веществ и т. п.).

• Кислотная коррозия возникает при действии растворов любых кислот, за исключением поликремниевой и кремнефтористоводородной. Кислота вступает в химическое взаимодействие с гидроксидом кальция, образуя растворимые соли (например, СаСl2) и соли, увеличивающиеся в объеме (СаS04·2Н2О).

Под действием кислот могут разрушаться также и гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция, превращаясь в кальциевые соли и аморфные бессвязанные массы.

От слабой кислотной коррозии (рН=4...6) бетоны защищают кислотостойкими материалами (окраской, пленочной изоляцией и т. п.). При сильной кислотной коррозии (рН<4) вместо обычного бетона на портландцементе используют бетон на кислотоупорном цементе и кислотостойких заполнителях или бетон на основе полимерных связующих.

• Углекислотная коррозия является разновидностью общекислотной коррозии. Она развивается при действии на цементный камень воды, содержащей свободный диоксид углерода в виде слабой угольной кислоты сверх равновесного количества. Избыточная (агрессивная) углекислота разрушает ранее образовавшуюся карбонатную пленку вследствие образования хорошо растворимого бикарбоната кальция.
• Магнезиальная коррозия наступает при воздействии на гидроксид кальция растворов магнезиальных солей, которые встречаются в грунтовой, морской и других водах. Меры защиты от магнезиальной коррозии те же, что и при коррозии первого вида.
• Коррозия под действием органических кислот, как и неорганических, быстро разрушает цементный камень, Вредное влияние оказывают и масла, содержащие кислоты жирного ряда (льняное, хлопковое, рыбий жир и т. п.). Нефть, нефтяные продукты (керосин, бензин, мазут, нефтяные масла) не опасны для цементного бетона, если в них нет остатков кислот, но они легко проникают через бетон. Продукты разгонки каменноугольного дегтя, содержащие фенолы, оказывают агрессивное воздействие

на бетон.

• Коррозия возникает и под действием минеральных удобрений, особенно аммиачных (аммиачная селитра и сульфат аммония). Образующийся нитрат кальция хорошо растворяется в воде и вымывается из бетона. Из фосфорных удобрений агрессивен суперфосфат.

Коррозия третьего вида объединяет процессы, при которых компоненты цементного камня, вступая во взаимодействие с агрессивной средой, образуют соединения, занимающие больший объем, чем исходные продукты реакции. Это вызывает появление внутренних напряжений в бетоне и его растрескивание. Характерной коррозией этого вида является сульфатная коррозия. 

Разновидности портландцемента.

1. Быстротвердеющий портландцемент
2. Пластифицированный портландцемент
3. Гидрофобный портландцемент
4. Сульфатостойкий портландцемент
5. Белый портландцемент
6. Цветной цемент

7. Портландцемент с минеральными добавками

- шлакопортландцемент

• пуццолановый портландцемент

8. Глиноземистый цемент
9. Расширяющиеся цементы:

-    расширяющиеся

• безусадочные
• напрягающие
• Водонепроницаемые и т.д.

Для более полного удовлетворения специфических требований отдельных видов строительства промышленность выпускает особые виды портландцемента.

При получении портландцементов с заданными специальными свойствами используют следующие основные пути:

1. регулирование минерального состава и структуры цементного клинкера, оказывающих решающее влияние на строительно-технические свойства цемента;
2.  регулирование тонкости помола и зернового состава цемента, влияющих на скорость твердения, прочность, тепловыделение и другие важнейшие свойства вяжущего;
3.  изменение вещественного состава портландцемента введением в него активных минеральных и органических добавок, позволяющих направленно изменять свойства вяжущего, экономить клинкер и расход цемента в бетоне.

Разновидности портландцемента

С целью придания бездобавочному портландцементу специальных свойств, расширяя тем самым его применение в строительстве, изменяют степень измельчения, корректируют используемое сырье, вводят специальные добавки. Наибольший объем производства приходится на портландцементы с активными минеральными добавками. К ним относятся: рядовой портландцемент, шлакопортландцемент (ШПЦ) и пуццолановый портландцемент (ППЦ). Все эти цементы получены тонким измельчением портландцементного клинкера, состоящего из высокоосновных силикатов, алюминатов и алюмоферритов кальция, гипса и гидравлических минеральных добавок. Последние представляют собой тонкоизмельченные природные или искусственные материалы, участвующие в реакциях гидратации портландцемента с образованием продуктов взаимодействия, придающих определенные свойства цементному камню. К природным добавкам относятся такие осадочные породы, как опока, диатомит, трепел, содержащие от 70 до 90 % кремнезема (SiO2), а также вулканические пеплы, туфы и пемзы, состоящие на 90 % из кремнезема (SiO2) и глинозема (Al2O3). Эти добавки называются пуццолановыми.

Топливные шлаки, образующиеся при сгорании твердых видов топлива, и доменные металлургические и электротермофосфорные шлаки представляют собой слабо закристаллизованные стекловидные отходы. Они составляют основной объем искусственных минеральных добавок. Шлаки обладают значительно большей химической активностью, особенно при повышенных температурах, вследствие наличия в них кремнезема, глинозема и свободного оксида кальция. Чем выше содержание этих соединений, тем большей гидравлической активностью обладает шлак.

При введении гидравлических добавок в количестве от 5 до 20 % получают рядовой портландцемент с активными минеральными добавками (ПЦ). Наличие добавок в цементе несколько снижает его стоимость, повышает водостойкость при фильтрации воды. Этот вид цемента, который имеет марки 400, 500, 550 и 600 является самым распространенным для изготовления сборных железобетонных изделий и конструкций на заводе, монолитных сооружений, возводимых на строительной площадке, а также при штукатурных и кладочных работах.

При увеличении процентного ввода пуццолановых добавок вулканического происхождения (пепел, туф) или топливных зол с 25 до 40 % и добавок осадочного происхождения (диатомит, трепел, опока) от 20 до 30 % портландцемент получает название пуццолановый (ППЦ). Вследствие частичной замены активного составляющего – клинкера на гидравлическую добавку, химическая активность которой значительно ниже, пуццолановый портландцемент обладает меньшей интенсивностью твердения, особенно в первые сутки, пониженными тепловыделением, морозостойкостью и воздухостойкостью. Наряду с отрицательными особенностями, этот вид портландцемента имеет и свои положительные свойства, главными из которых являются повышенная водостойкость при фильтрации воды (1-й вид коррозии) и солестойкость при действии сульфатосодержащих агрессивных сред (3-й вид коррозии). Это можно объяснить тем, что интенсивность разрушения при 1-м и 3-м видах коррозии в основном определяется наличием в цементном камне свободного гидроксида кальция, образованного в результате гидратации трехкальциевого силиката.

Связывание этого химически активного составляющего вводимой минеральной добавкой, перевод его в прочное гидратное соединение и обеспечивает повышенную стойкость цементного камня. Основные рабочие марки этого вида цемента 300 и 400. Анализ свойств гидравлического вяжущего показывает, что рациональной областью его применения является подводное и подземное бетонирование с относительно постоянным температурно-влажностным режимом эксплуатации.

Введением при помоле клинкера добавки гранулированного доменного шлака в количестве свыше 20 % получают шлакопортландцемент (ШПЦ) ГОСТ 10178-85, с изм. Этот вид цемента, как и пуццолановый, обладает повышенной водо- и сульфатостойкостью вследствие аналогичного действия добавки, пониженной интенсивностью твердения в первые сутки, уменьшенным тепловыделением, но специфика состава шлака предопределяет и отличительные свойства. Так, шлакопортландцемент вследствие повышенной химической активности шлака при увеличении температуры предпочтительнее применять в производстве сборного железобетона, подвергаемого термовлажностной обработке для ускорения набора прочности. Высокая термостойкость шлака позволила использовать этот вид минерального вяжущего при производстве жаростойких бетонов, эксплуатируемых при температуре до 700 °С. Выпускаемые марки 300, 400, 500. Область применения шлакопортландцемента: бетонные, железобетонные сооружения и конструкции, к которым не предъявляют повышенных требований по морозостойкости. Предпочтительное использование – подводная зона гидротехнических сооружений (дамбы, мосты, молы, плотины), сборные бетонные и железобетонные конструкции, жаростойкие бетоны.

Условное обозначение цемента состоит из наименования вида цемента, его марки и количества вводимой добавки. Например, ПЦ400-Д20 – ГОСТ 10178-85.

С целью экономии дорогостоящего энергоемкого клинкера при производстве строительных растворов, низкомарочных бетонов (марок М 150 и ниже), к которым не предъявляют требований по морозостойкости, используют так называемые кладочные или наполненные цементы. Этот вид гидравлических вяжущих получают совместным помолом клинкера (не менее 20 %), гипса, активных минеральных добавок и наполнителей: кварцевого песка, известняка, доломита в количестве до 30 %. Активность цементов в 2 – 3 раза меньше, чем у рядового портландцемента (не ниже 200 кгс/см2), однако эти цементы не дают усадочных деформаций при твердении, что очень важно при оштукатуривании поверхности.

Следующую группу составляют портландцементы с поверхностно-активными органическими добавками. Основной принцип действия добавок этого класса заключается в их адсорбции на поверхности цементных зерен и продуктах гидратации цемента. По своему составу и эффекту действия добавки подразделяют на гидрофильные, улучшающие смачиваемость водой цементных зерен, и гидрофобные, придающие поверхности цемента свойство водоотталкивания. Применение добавок первого типа (СДБ, СПС) в количестве 0,15 – 0,3 % от массы цемента приводит к разъединению (диспергированию) цементных частиц, покрытых тонкой водной оболочкой, что обеспечивает повышенную пластичность цементного теста без увеличения расхода воды. Такой портландцемент называют пластифицированным (ПЛ). Пластифицированный портландцемент применяют или для повышения пластичности смеси и облегчения формовки изделий, или (при снижении расхода воды и сохранении заданной пластичности) повышения плотности, прочности и морозостойкости цементного камня. К поверхностно-активным органическим добавкам относятся также получившие широкое мировое признание суперпластификаторы. Это чаще всего искусственно полученные вещества (С-3), хотя в ряде случаев они могут быть изготовлены и путем химической переработки промышленных отходов химических производств. Например, путем сульфирования отходов нефтепереработки – тяжелых смол пиролиза (СНПИ). Вследствие вещественной и структурной особенностей этих органических соединений пластифицирующий эффект их по отношению к минеральным вяжущим, в частности цементу, проявляется в значительно большей степени. Путем введения суперпластификаторов в мельницы при помоле клинкера получают вяжущее низкой водопотребности (ВНВ), обеспечивающее формуемость смеси при сокращении расхода воды до 20 %. По вещественному составу ВНВ подразделяют на бездобавочные чистоклинкерные, с вводом при помоле гипса, и с минеральными добавками. Ввод суперпластификаторов в шаровые мельницы сокращает время помола смеси в два раза, значительно снижая энергозатраты. Полученный цемент обладает повышенной активностью, позволяющей в первые сутки твердения набрать прочность, в три раза превышающую прочность аналогичного цемента без добавок. В зависимости от содержания клинкера выпускают ВНВ-100 – чистоклинкерный, ВНВ-50 и ВНВ-30 с 50 и 30 % клинкера соответственно. Применение ВНВ-100 позволяет отказаться от ТВО, т.к. требуемая отпускная нормативная прочность, составляющая для сборного железобетона 22,6 МПа, достигается за 8 часов твердения в естественных условиях. Его используют также для получения высокомарочного бетона класса В45 и выше.

Значительное сокращение воды затворения при сохранении заданной пластичности цементного теста (бетона) обеспечивает формирование мелкопористой структуры с преобладанием пор размером 0,1 – 0,01 мкм, в которых вода замерзает при температуре минус 20 – 40 оС, что создает условия для твердения цемента на морозе. ВНВ-50 эффективен для снижения температуры и времени ТВО при получении сборного железобетона класса до В45 и зимнего бетонирования с температурой наружного воздуха до минус 10 оС.

Применение добавок второго типа – гидрофобных (0,1 – 0,2 %), наоборот, способствует объединению (флокуляции) цементных зерен в крупные агрегаты, а образованная водоотталкивающая пленка обеспечивает повышенное воздухововлечение при перемешивании смеси. Таким образом получают гидрофобный портландцемент (ГФ). Добавки (мылонафт, асидол), которые вводят при помоле клинкера, не только придают специальные свойства цементу, но и облегчают процесс помола, снижая тем самым энергозатраты. Гидрофобный портландцемент сохраняет свою активность при длительных перевозках и хранении, его применение повышает водостойкость и морозостойкость изделий. Определить этот вид цемента можно нанесением на поверхность капли воды, которая не должна впитываться в течение 5 мин. Условное обозначение цементов дополнительно включает в зависимости от класса добавки буквы ПЛ – пластифицированный или ГФ – гидрофобный. Например, ПЦ400-Д15-ПЛ(ГФ) ГОСТ 10178-85.

С целью ускорения набора прочности при строительстве в естественных условиях, особенно при низких положительных температурах, когда процесс взаимодействия цемента с водой резко затормаживается, а также для снижения энергозатрат и ускорения оборачиваемости форм при получении сборных железобетонных изделий применяют бездобавочный (клинкерный) и быстротвердеющие (Б) портландцементы. Из рассмотренного ранее известно, что одним из способов ускорения твердения минеральных вяжущих является увеличение тонкости его помола и целенаправленный подбор минералогического состава. Именно это и использовано при получении высокоактивных минеральных вяжущих.

Минералогический состав быстротвердеющих цементов отличается повышенным содержанием минералов С3S и С3А, обеспечивающих начальный рост прочности в системе портландцемент – вода. Так как реакция гидратации этих минералов происходит с большим выделением тепла, то следовательно и цементы обладают повышенной экзотермией. Наблюдаемый эффект используют при зимнем бетонировании, но в то же самое время он ограничивает применение этих цементов при возведении массивных бетонных конструкций, т.к. неравномерный разогрев бетона с поверхности и в объеме дает резкий перепад температур, приводящий к перенапряжению и, как следствие, к появлению трещин. Повышенное содержание СзS и СзА наряду с положительным эффектом ускорения набора прочности (60 – 70 % от марочной в трехсуточном возрасте) несет на себе и такой отрицательный, как снижение сульфатостойкости цементного камня, т.к. продукты гидратации именно этих минералов участвуют во взаимодействии с сульфатными растворами, образуя крупнокристаллические соединения, вызывающие разрушение искусственного камня. Рассматриваемые цементы нашли применение при получении сборных высокопрочных преднапряженных и монолитных тонкостенных железобетонных конструкций.

Наличие в грунтовых водах, морской воде, технологических растворах и промышленных стоках большого содержания сульфатов предопределило создание специального вида портландцемента – сульфатостойкого. Так как основными инициаторами сульфатного разрушения цементного камня являются продукты гидратации трехкальциевого силиката – гидроксид кальция и трехкальциевого алюмината – гидроалюминаты кальция, то, следовательно, за счет снижения содержания этих минералов можно получить сульфатостойкий портландцемент. Минералогический состав сульфатостойкого бездобавочного портландцемента отличается ограниченным содержанием С3А до 5 %, C3S до 50 % и С3А + C4AF до 20 %. К сульфатостойким цементам согласно ГОСТ 22266-94 относятся также сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками (до 20 % шлака или до 10 % горных пород осадочного происхождения), сульфатостойкий шлакопортландцемент с содержанием С3А в клинкере не более 5 % и пуццолановый портландцемент. Основное применение этих вяжущих – изготовление монолитных и сборных изделий и конструкций, условия эксплуатации которых связаны с действием сульфатосодержащих сред (фундаменты, гидротехнические сооружения и др.).

Последняя группа цементов относится к декоративным минеральным вяжущим и включает белые и цветные портландцементы. Всем привычный темно-серый цвет обусловлен наличием в портландцементе соединений железа, марганца и хрома, которые содержатся в исходном сырье, следовательно, чтобы получить белый портландцемент, необходимо предъявить жесткие требования к чистоте используемого сырья – известняку и глине. Сырьем для производства белого портландцемента служат светлоокрашенные карбонатные породы: доломит, мел и чистые белые каолиновые глины. При помоле полученного клинкера вводят гипс и активные минеральные добавки осадочного происхождения светлых тонов. По вещественному составу цементы подразделяют на бездобавочный белый портландцемент (БПЦ) и с добавками (активными минеральными наполнителями не более 20 %). В зависимости от степени белизны, оцениваемой коэффициентом отражения света в процентах, выпускают цементы первого (80 %), второго (75 %) и третьего (70 %) сорта.

Пример условного обозначения: портландцемент белый 2-400-Д20 –ГОСТ 965-89. Цифра 2 показывает, что цемент по степени белизны относится ко второму сорту.

Для получения цветных цементов (ГОСТ 15825-80) в исходную сырьевую массу или в мельницу при помоле белого клинкера вводят неорганические щелоче- и светостойкие добавки, например, оксид хрома – зеленый цвет, оксиды железа – красный, желтый и коричневый, соединения кобальта – голубой. Декоративные цементы выпускают следующих марок: 400, 500. Они несколько медленнее твердеют, имеют меньшую коррозионную стойкость и морозостойкость, а также большую усадку при твердении. Применяют декоративные виды портландцементов для отделки стеновых панелей, при изготовлении лестничных ступеней и мозаичных бетонных полов, плит, имитирующих горные породы.

К разновидностям портландцемента относятся также безусадочный (ПЦ-400-БУС СТБ 942-93), полученный помолом портландцементного клинкера, гипса и добавок, регулирующих объемные деформации (глиноземистые шлаки). Цемент используют для гидроизоляционных работ, изготовления воднепроницаемых бетонов и растворов.

Тампонажные портландцементы применяют для цементирования холодных (до 22 оС) и горячих (до 75 оС) нефтяных и газовых скважин. Для придания специфических свойств (замедленное схватывание, соле-стойкость, повышенная плотность) в их состав вводят минеральные добавки (шлак, кварцевый песок, известняк) в количестве от 10 до 70 %.

Задание

Сделать презентацию на тему «Разновидности портландцемента»

Необходимо выполнить реферат на тему : Тяжелые и легкие бетоны. Сырье, свойства, применение. 10-15 листов. Скинуть на почту asaveer@yandex.ru

Тема: Сборные железобетонные элементы (бетонные, жби изделия и конструкции): что это такое, основные виды

Содержание

1 Характеристики железобетонных конструкций

2 Армирование

3 Виды железобетонных конструкций

3.1 Монолитные

3.2 Сборные ЖБИ

3.3 Сборно-монолитные ЖБИ

4 Вывод

Характеристики железобетонных конструкций

ЖБИ конструкции применяются в строительстве жилых и промышленных зданий, инженерных объектов и производственных сооружений. Чаще всего применяется сборный железобетон, но также конструкции бывают монолитными, сборно-монолитными. Для получения изделия небольшого веса с сохранением свойств и показателей в создании элементов применяют высококачественный прочный бетон и стальную арматуру.

Большая часть конструкций эксплуатируются в оптимальном температурном режиме (от -70 до +50 градусов по Цельсию), точные характеристики изделия зависят от сферы использования.

Какие объекты строят из железобетона:

Жилое строительство

– фундаменты, стены, перекрытия и т.д.

Объекты особого назначения

– аэродромы, бункера, атомные реакторы, морские конструкции.

Коммерческие и промышленные объекты

– склады, цеха, ангары, производственные помещения.

Преимущества

Основные преимущества, которые демонстрируют монолитные и сборные железобетонные элементы – высокая прочность (увеличивается с течением времени), длительный срок эксплуатации (минимум 50 лет), стойкость к огню и морозу, оптимальная стоимость, возможность сделать или собрать самостоятельно (но с применением спецтехники), стойкость к сейсмической активности, возможность создавать любые архитектурные формы из бетона.

Недостатки

Недостатки железобетона: большая масса, необходимость проведения дополнительных теплоизоляционных мероприятий, риск появления трещин, важность правильных расчетов (в противном случае плита или колонна, фундамент или перекрытие не будут служить, а могут стать причиной разрушений даже под воздействием собственного веса).

Армирование

Армирование представляет собой комплекс работ, которые направлены на повышение надежности и увеличение значения прочности бетонных конструкций в жилом/промышленном строительстве. Армированный железобетон используют в создании разнообразных изделий и элементов, в заливке фундаментов и монолитных зданий, перекрытий и колонн.

Основные материалы для армирования бетона:

Проволочные сетки и стальные прутья.

Полимерные сетки.

Стекловолоконные сетки.

Арматуру для более надежного соединения с бетоном делают с рельефной поверхностью, что существенно повышает адгезию. Поверхность обычно делают с кольцевым, серповидным, четырехсторонним, смешанным покрытием. Чтобы добиться определенных показателей, выбирают арматурные прутья нужного сечения и объема. Расход считают в килограммах на кубический метр раствора – для каждой цели показатель свой.

Виды армирования бетона в соответствии с конструкцией:

Монолитное

– выполняется в момент производства ЖБИ разного типа на заводах либо при заливке в опалубку бетона на смонтированный каркас. На заводах в плитах, балках и т.д. бетон заливают в формы со смонтированными внутри стальными прутьями (обычно укладываются сеткой или в длину, в несколько слоев и т.д.).

Дисперсное

– армирование осуществляется за счет введения в состав жидкой смеси добавки мелкодисперсного типа (фибра), которая может быть сделана из базальта, стали, стекловолокна, полипропилена.

С использованием сетки

– армирующая сетка (чаще всего используют стальные, но есть и полимерные, композитные) поставляется в готовом виде с ячейками диаметром 15-20 сантиметров в виде листов.

Виды железобетонных конструкций

Виды конструкций ЖБИ по типу производства:

Сборная

– позволяет механизировать строительство, применять различные технологии и монтировать быстро, просто, качественно.

Монолитная

– используется в возведении монолитных сооружений (бетонных домов с несъемной опалубкой, тяжелых фундаментов, гидротехнических сооружений и т.д.).

Сборно-монолитные конструкции

– соединяются как бетоном, так и с применением сварки, объединяя оба метода.

Изделия из бетона и металла бывают предварительно напряженными и ненапряженными. Самые популярные изделия и конструкции – это балки, фундаменты, панели, плиты перекрытия, колонны, фермы. В номенклатуру ЖБИ входит больше 20 разных позиций.

Условные обозначения основных изделий ЖБИ:

Б – балки (БК – подкрановые, БС – стропильные, БО – обвязочные);

К – колонны;

ЛМ – лестничные ступени, ЛП – лестничные площадки;

ОП – опорные подушки;

ПР – перемычки;

С – сваи;

Р – ригели;

Ш – шпалы;

ФБС – фундаментные блоки;

ФС – фермы стропильные, ФП – фермы подстропильные;

ТФ – трубы безнапорные, БТ – трубы напорные.

Монолитные

Монолитные железобетонные конструкции – самый прочный и статичный вариант конструкций. Применяется для возведения зданий и конструкций самого разного типа. Состоит из бетонной массы, в которой залито армирование, предполагает отсутствие каких-либо соединений, что гарантирует монолитность.

Благодаря применению монолитного железобетона можно существенно ускорить строительство, обеспечить пространственную целостность конструкции, максимальную долговечность. Монолиту свойственна простота формообразования, небольшие расходы на создание и эксплуатацию.

Из недостатков стоит выделить возможность усадки бетона, что провоцирует появление трещин, а также высокую плотность, звуко/теплопроницаемость. Монолит заливают непосредственно на строительной площадке, поэтому тут также имеет значение сезонность и невозможность проводить работы при минусе.

Сборные ЖБИ

Сборные железобетонные конструкции – это уже готовые изделия, которые создают в условиях завода и поставляют на объект для сбора нужной конфигурации. Высокая производительность и возможность уменьшить стоимость изделий позволяют заводам привлекать покупателей. Много лет тому именно ЖБК сборного типа позволили быстро и много строить.

Изделия из железобетона универсальны, могут применяться в самых разных работах и конструкциях, допускают монтаж в любое время года. Единственный минус использования подобных элементов – их большой вес, ввиду чего обойтись на площадке без спецтехники нельзя.

Железобетонные плиты

Широко распространенный вид железобетонных изделий, которые используют в строительстве стен зданий, потолков, перегородок в жилых, коммерческих помещениях. Плита обычно выполняется в виде прямоугольника с оконными/дверными проемами, выступами для подоконника. Если плита потолочная, проемов в ней нет. Размеры и параметры могут быть самыми разными, как и технические характеристики, нагрузки.

Основные виды железобетонных плит:

Дорожные

– применяются для создания сложных автомобильных развязок, в строительстве магистралей, на аэродромах, полигонах и т.д. Плиты крепкие, выносят до -40 градусов, могут быть с напрягаемой/ненапрягаемой арматурой. В производстве используется бетон плотностью 2200-2500 кг/м3, сверху они обычно рифленые, стандартный размер – 175х300 сантиметров.

Пустотные

– для межэтажных перекрытий, толщиной 22 сантиметра, длиной 1.5-16 метров. В плитах есть пустоты, обеспечивающие тепло/звукоизоляцию, уменьшение веса перекрытия. Плиты крепятся на тросах к крючкам и монтируются на любой высоте. Производятся из бетона разных марок, в минимальные сроки, способны выдерживать массу около 1250 кг/м2.

Плоские

– выступают несущей частью перекрытий в панельных домах, выдерживают удары в 7 баллов. Плиты делают из бетона разной плотности, с напрягаемой/ненапрягаемой арматурой, для стыковки выполнены скосы на гранях (не позволяют сдвигаться элементам).

Плиты-покрытия

– применяются для завершения строительства вместо полноценного чердака. Бывают стандартными и ребристыми, с напряженной арматурой.

Плиты для ограждений

– делают их из тяжелого железобетона, поверхность бывает граненой и плоской.

Фермы нужны для перекрытий в промышленных и производственных сооружениях, зданиях культурного назначения. Такие изделия выполняют в виде прямоугольной плоской конструкции с решетками. Транспортируют в вертикальном положении.

Железобетонные фермы обладают высокими показателями жесткости, прочности, противопожарными свойствами, стойкостью к морозу. Делают их из легкого, тяжелого либо конструкционного бетона. Когда используется такого типа железобетон, строительство нужно выполнять аккуратно – в работе с фермами важно верно их смонтировать на базе точных расчетов несущей способности.

Балки и ригели

Ригель представляет собой горизонтальный опорный элемент, к нему пристраивают другие несущие конструкции. Главная задача ригеля – распределение нагрузки стропил по балкам. Форма ригеля зависит от материала, из которого его изготавливают – железобетонные обычно делают в виде длинных опор квадратного сечения.

Балка – конструктивный элемент конструкции, главная функция которого состоит в работе на изгиб. Данная несущая конструкция может быть сделана из железобетона или дерева. Бетонные считаются более прочными и надежными, активно используются в жилом и многоэтажном строительстве.

Данные элементы применяются в создании фундаментов и покрытий. Производят балки одно/двухскатными либо прямоугольными. При транспортировке ригели и балки устанавливают вертикально. Для опоры используют подкладки, которые устанавливают под изделия снизу. При транспортировке между несколькими элементами кладут разделители больше 10 сантиметров толщиной.

Ригель применяется более широко, так как выступает главным элементом строительства. Балки же используют в строительстве зданий лишь в качестве покрытия, перекрытия.

Балка является самостоятельным элементом конструкции, ригель же – часть рамы, жестко связанной со стойками. В процессе проектирования ригель расчету не поддается, а балка – очень даже.

Сваи

Сваи используются в строительстве жилых/промышленных зданий для создания фундамента на неустойчивых грунтах. Сваи демонстрируют высокую стойкость к коррозии, химическим веществам, обладают морозостойкостью и водонепроницаемостью. Сваи достаточно легко монтируются, выступают конструктивным элементом прочных, надежных и долговечных оснований.

Сваи бывают сборными и монолитными – поставляются на объект готовыми или заливаются прямо на стройке. По типу забивки делятся на набивные, буронабивные, забивные. Армирование может быть продольным или продольно-поперечным, а сечение – круглым или квадратным.

Стойки

Железобетонные стойки – это опорные элементы для линий электропередач и светильников. Основное их назначение – возможность надежного удержания проводов на нужном расстоянии от поверхности земли/воды. Прочность и надежность опор обеспечивается арматурным каркасом внутри и специальным бетонным раствором.

Все стойки отличаются по конструкции, назначению: бывают промежуточные, концевые, анкерные, угловые опоры. Также существуют одно/двухцепные изделия. Выпускаются в точном соответствии с ГОСТами. Материалы и конструкция стоек позволяют использовать их в агрессивных средах, при температуре окружающей среды до -50 градусов, в сейсмоопасных зонах (до 9 баллов), гололедная и ветровая нагрузки соответствуют V и VII районам в соответствии со СНиП 2.01.07-85.

Колонны

Железобетонные колонны – это специальные элементы, предназначенные для усиления каркаса конструкции. Изделие выполняет опорную функцию в разных строительных сооружениях, используется для крепления лотков, ригелей, балок, прогонов, арок. Сборные ЖБ колонны делают из тяжелого бетона марок минимум М200/М300. Армировочный каркас создают из специальных элементов.

Обычно железобетонными колоннами усиливают одноэтажные, бытовые, промышленные, многоэтажные строения. Применяют с целью распределения нагрузки от перекрытий и других элементов. Железобетонные колонны двухветвевые делают из бетонной армированной смеси в формате типовых вертикальных элементов с малым поперечным сечением.

Основные свойства и характеристики железобетонных колонн: высокий показатель сопротивляемости внешним влияниям, стабильность к сейсмическому воздействию, гарантированное соответствие заявленным несущим характеристикам, герметичность от влаги и воды, стабильность к воздействию высоких/низких температур.

Объемные блоки

Объемные блоки из железобетона применяют в строительстве жилых/общественных зданий. Это практически готовые строительные элементы с тонкостенной полой прямоугольной формой, специальными проемами для окон/дверей. Могут предполагать наличие утеплительных и изоляционных панелей.

Объемные блоки представляют собой пространственную конструкцию, которую делают в условиях завода, с заданными характеристиками жесткости, прочности, устойчивости. Благодаря объемно-блочному строительству удается понизить число монтажных элементов, операций на строительной площадке, сделать готовые блоки размерами с помещение в условиях завода (что гарантирует высокое качество), понизить трудоемкость.

Из недостатков объемно-блочного строительства стоит упомянуть такие, как необходимость создания новой конструктивной схемы, ограниченность архитектурно-планировочных решений, сложности в транспортировке, производстве, монтаже объемных блоков. Объемные блоки обычно применяют в строительстве гостиниц, жилых домов, пансионатов и везде, где отмечена одинаковая структура комнат.

Железобетонные объемные блоки чувствительны к динамическим нагрузкам, могут смещать центр тяжести от центра геометрического в продольном/поперечном направлениях. Для исключения этого в процессе транспортировки используют специальные упорные выступы.

Санитарно-технические кабины (СТК)

Санитарно-технические кабины представляют собой монолитные железобетонные изделия в формате пространственной конструкции санитарного узла. Такие кабины часто применяют в процессе строительства жилых и общественных зданий. Конструкция включает объемный блок и соответствующий плитный элемент.  Обычно это раздельный санузел (уборная и ванная комната), с установкой специальных устройств для вентиляции.

Изготавливают СТК из тяжелого бетона высокого качества, демонстрирующего прочность на сжатие в районе В15 и выше. С целью улучшения эксплуатационных свойств в раствор часто добавляют химические присадки, повышающие показатели сопротивляемости влаге и возгоранию, морозостойкости. Армирование делает конструкцию более жесткой и прочной, для этой цели применяют сварные арматурные сетки и проволоку высокого класса.

Закладные изделия, армирование и бетон обрабатывают специальными антикоррозийными составами. Для обеспечения удобства монтажа в конструкции есть монтажные петли, размеры и конфигурации СТК могут быть разными.

Сборно-монолитные ЖБИ

Сборно-монолитные железобетонные изделия предполагают совокупность элементов. Сборку выполняют посредством укладывания совместно монолита и сборного железобетона. В данном случае большое значение имеет качество взаимодействия сборных деталей с монолитными элементами. Для наилучшего качества соединения допускают различие в габаритах и формах сборных элементов.

Проще говоря, СМЖБ – это конструкции, созданные из заранее сделанных на заводе отдельных элементов, которые объединяются (в данном случае замоноличиваются) в одно целое непосредственно на строительной площадке. После замоноличивания оба вида конструкций работают вместе за счет жесткой связки.

В качестве сборных элементов СМ железобетонных конструкций могут выступать балки с легкобетонными или пустотелыми керамическими блоками, разного типа ригели, колонны и плиты. Элементы сборного типа включают основную арматуру, могут использоваться в качестве опалубки. Арматуру в сборных элементах делают предварительно напряженной, а в монолитном бетоне монтируют сетки и каркасы сварного типа. С целью замоноличивания узлов используют быстротвердеющий высокопрочный бетон.