Вопросы для самоконтроля

1. Дайте понятие и приведите классификацию свойств строительных материалов.

2. Охарактеризуйте группу физических свойств строительных материалов.

3. Охарактеризуйте группу механических свойств строительных материалов.

4. Дайте понятие и охарактеризуйте методы прогнозирования долговечности строительных материалов (на примере сульфатостойкости).

ТЕМА 6. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРИМЕНЕНИЕ ОСНОВНЫХ ВИДОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Вопросы темы:

1. Понятие, виды и свойства каменных материалов естественного происхождения.

2. Характеристика искусственных каменных материалов:

– материалы, получаемые затвердеванием специальных смесей;

– материалы, получаемые посредством высокотемпературных технологий;

– минерально-органические композиционные материалы.

3. Материалы, получаемые из техногенного сырья.

Каменные материалы естественного происхождения – это продукт переработки горных пород, получаемый в основном механическим воздействием: дроблением, раскалыванием, распиливанием, шлифованием, полированием и т.п. Естественные каменные материалы – это, по сути дела, обработанные горные породы. Кроме того, горные породы используют в промышленности строительных материалов как сырье для изготовления керамики, стекла, теплоизоляционных и других изделий, неорганических вяжущих веществ (цемент, известь, гипс), а также в качестве заполнителей бетонов и растворов.

Горная порода (рис. 6.1) – это минеральная масса или агрегат, состоящие из одного или нескольких минералов определенного состава и строения, являющиеся продуктом геологических процессов в земной коре.

Рис. 6.1. Горная порода

Минералы (рис. 6.2) – это химически и физически индивидуализированные вещества, возникающие в результате геохимических или технохимических реакций.

Классифицируются минералы по ряду признаков: по ведущему (характерному) элементу, по происхождению, по кристаллографическому признаку (сингонии). Наиболее распространенной является классификация, основанная на химических и кристаллографических (структурных) особенностях:

1-й тип – минералы, встречающиеся в природе в самородном виде, т. е. в виде свободных элементов, – класс самородные элементы (золото, серебро, платина, осмий, иридий, рутений, родий, палладий);

2-й тип – минералы, образованные соединениями катионов с простыми анионами. Этот тип характерен для трех классов минералов: сульфиды, галогениды, оксиды;

3-й тип – минералы, образованные соединениями катионов с комплексными анионами, – классы силикатов, боратов, сульфатов, вольфраматов и молибдатов.

В зависимости от условий формирования горные породы делят на три группы: 1) магматические, 2) осадочные, 3) метаморфические.

Магматические горные породы образовались в результате кристалли-зации магмы – природного силикатного расплава – в различных условиях

Основными породообразующими минералами являются кварц, полевые шпаты, различные железисто-магнезиальные силикаты (оливины, пироксены). Представителями магматических пород, используемых в строительном производстве, являются гранит, сиенит, габбро, базальт, кварцевые порфиры, вулканическая пемза, туфы и т.д.

Рис. 6.2. Минералы и горные породы

Осадочные горные породы образовались в процессе выветривания, химического и механического осаждения из водных растворов любых других горных пород, а также жизнедеятельности живых организмов. Главные породообразущие минералы: кварц (SiO₂), кальцит (СаСО₃), каолинит (А1₂О₃3SiO₂3Н₂О), ангидрит (CaSO₄) и др. Примерами осадочных горных пород, используемых в промышленности строительных материалов, могут служить глина, мел, песок, гипс и другие.

Метаморфические горные породы образовались в результате перекристаллизации других горных пород под большим давлением и температурой. Породообразующие минералы типичны для магматических и осадочных горных пород. Основными представителями являются сланцы, гнейсы, кварциты, мрамор.

Классификация природных каменных материалов осуществляется по нескольким признакам:

1) По способу изготовления: а) пиленные (стеновые камни и блоки, облицовочные плиты и плиты для пола); б) колотые (бортовой камень, брусчатка).

2) По виду обработки: а) ударная – окалывание поверхности камня с помощью камнетесного оборудования (различными долотами) и получение каменного материала с оригинальной офактуренной поверхностью (точечной, борозчатой, рифленой и т.п.); б) абразивная – распиливание, фрезерование, шлифование и полирование поверхности материала.

Распиливание блоков из мягких пород (мрамор, известняк) производится различными пилами с алмазными наконечниками. Шлифовка – на дисковых шлифовальных станках с абразивом. Полировка – войлочными дисками с использованием мастик и полирующих порошков из оксидов металлов (хрома, олова, железа) дает зеркальную поверхность.

3) По средней плотности: а) легкие (_ср < 1800 кг/м³) – из пористых пород (известняк, туф); б) тяжелые (_ср > 1800 кг/м³) – из плотных горных пород (гранит, сиенит).

Свойства природных каменных материалов.

Важными характеристиками для природных каменных материалов являются показатели прочности, стойкости на истираемость и износ, поскольку они часто используются для защитных, дорожных покрытий, тротуаров и полов.

Средняя плотность зависит от происхождения горной породы и может изменяться от 300…700 кг/м³ (у пемзы и туфов) до 3000…3300 кг/м³ (у базальтовых горных пород).

Прочность при сжатии (марка по прочности) варьируется еще в более широких пределах: от 0,4 МПа (у мягких известняков) до 300…400 МПа (у мрамора, базальта и диабаза).

Морозостойкость (марка по морозостойкости) зависит прежде всего от плотности породы и составляет от 10 (у высокопористых вулканических пемзы и туфа) до 500 (у гранита, андезита, габбро, базальта).

Водостойкость – важное свойство природных каменных материалов, предназначенных для наружной отделки сооружений, работающих в соприкосновении с грунтовой, речной и морской водой. Для этой цели используются плотные горные породы: гранит, андезит, мрамор, у которых коэффициент водостойкости близок к 1.

Износостойкость составляет 0,1…1,0 г/см² при испытании на истираемость и соответствует III–IV классу при испытании на хрупкость при ударе (5…10 ударов).

Коррозионная стойкость. В соответствии с назначением, применяемые природные каменные материалы должны быть: во-первых, кислотоупорными; во-вторых, щелочестойкими; в-третьих, выдерживать резкие колебания температуры и влажности (например, кислотостойкими являются изверженные горные породы – андезиты, граниты, туфы.

Виды природных каменных материалов отличаются разнообразием. Из горных пород получают:

1) сыпучие материалы (щебень и песок);

2) плиты различных размеров для внутренней и наружной отделки зданий и сооружений;

3) дорожные материалы (дорожные и бортовые камни и плиты);

4) стеновые блоки и камни;

5) сырье для производства многих строительных материалов (цемент, известь, гипс, минеральная вата и др.).

Надо отметить, что изделия из природного камня являются очень дорогими и в настоящее время применяются все реже.

Рассмотрим наиболее широко применяемые в строительстве виды природных каменных материалов:

1) Бутовый камень, щебень, песок.

Бутовый камень (бут) – куски камня неправильной формы размером не менее 70 мм. Получают взрывным способом магматических и осадочных горных пород. Требования – по прочности, морозостойкости и водостойкости. Из бута делают фундаменты, гидротехнические сооружения и перерабатывают в щебень.

Щебень (гравий) – куски камня размером 5…70 мм (в отдельных случаях – до 150 мм). Получают в результате постадийного дробления бутового камня. Применяют как крупный заполнитель бетонов, для устройства различных подушек и подсыпок.

Песок – сыпучий материал с размерами частиц 0,14…5 мм. Естественный песок состоит из кварца или полевого шпата, искусственный – получают из отходов дробления щебня и отсевов. Применяется в качестве мелкого заполнителя бетонов как добавка и как компонент вяжущего.

2) Мелкоштучные камни и блоки.

Стеновые камни получают выпиливанием механизированным способом из массива горной породы (известняков или туфов) или распиловкой блоков-заготовок. Размеры – 390x190x188 (288) мм. Каждый такой камень заменяет в кладке 8…12 кирпичей, соответственно уменьшаются затраты труда на возведение такой стены. Стены не требуют наружной штукатурки и облицовки. Для наружных поверхностей применяют камни средней плотности не более 2100 кг/м³, марок 35…400. Для перегородок и стен малоэтажных зданий – М 4…25. Недостатки – очень тяжелы и имеют высокую теплопроводность.

3) Облицовочные камни и плиты.

Облицовочные плиты и камни применяются для внутренней и наружной отделки стен.

Для внутренней облицовки изготовляют плиты размером 400х300x25 мм; 300x300x25 мм; 200x300x15 мм из известняка, ракушечника, туфа, гипса, мрамора. Отделка помещений из таких плит очень долговечна, имеет красивый внешний вид. Крепятся плиты механическим способом или с помощью специального клея.

К изделиям, предназначенным для наружной облицовки стен зданий, предъявляются более жесткие требования по водо- и коррозионной стойкости (например, к цокольным отделочным плитам). Их изготовляют из плотных горных пород (гранита, мрамора), нередко неправильной формы, что придает зданию особую архитектурную выразительность. Набережные и подземные сооружения облицовывают плитами и камнями большей толщины (до 80 мм).

Особые требования предъявляются к каменным материалам, применяемым для возведения или облицовки гидротехнических сооружений: плотин, причалов, мостов, набережных, шлюзов, пирсов. В зоне переменного уровня воды условия службы материала особенно неблагоприятны: камень испытывает многократное замораживание и оттаивание в насыщенном водой состоянии. Здесь используют плотные изверженные горные породы (гранит, сиенит, базальт), имеющие водопоглощение менее 1 %, марку по прочности – не ниже 1000, марку по морозостойкости – 150…300. Специальные облицовки применяют для защиты стен от коррозии и действия высоких температур. Для этой цели используют плитки из гранита, сиенита, диабаза.

4) Дорожные каменные материалы.

Бортовые камни – отделяют проезжую часть от тротуара, изготовляются из плотных магматических пород высотой 30… 40 см.

Брусчатка – бруски плотного камня небольшого размера, слегка сужающиеся книзу, применяются для мощения дорог.

Тротуарные плиты – изготовляются из гнейсов и других слоистых пород, прямоугольной и квадратной формы, со стороной 20…80 см и толщиной – 4…15 см.

Известно использование кислотоупорных камней из магматических (гранит, андезит, туфы) и метаморфических (кварциты) горных пород. Однако из-за высокой стоимости, обусловленной трудоемкостью добычи и обработки, а также малым выходом готовой продукции из горной массы, их применение ограничено. Вместо них широко используется кислотоупорный бетон и искусственный литой камень (базальтовый, диабазовый). Схема производства литого камня включает: расплавление при 1350…1450 °С, отливку, кристаллизацию и охлаждение с выдержкой при 900…1000 °С. Полученный материал обладает высокими техническими свойствами: прочностью, морозостойкостью, кислотоупорностью, нередко лучшими, чем из исходной породы. Применение – кислотоупорные трубы и аппаратура.

В процессе эксплуатации причинами коррозии каменных материалов могут стать:

– кристаллизация в порах и пустотах льда, который, расширяясь, разрывает стенки пор;

– температурные и влажностные изменения окружающего воздуха;

– физико-химические (растворение в воде) и химические процессы с реагентами, присутствующими в окружающем воздухе и воде (SO₃, СО₂).

Меры предотвращения:

– придание изделиям формы, обеспечивающий сток воды с поверхности;

– полирование и пропитка поверхностных слоев защитными составами, образующими стойкий непроницаемый слой (например, карбонатные горные породы пропитывают солями кремнийфтористоводородной кислоты (флюаты, такие как MgSiF₆);

– гидрофобизация поверхностных слоев (например, кремнийорганическими жидкостями);

– покрытие различными полимерными составами, образующими пленку на поверхности.

К искусственным каменным материалам, получаемым путем затвердевания специальных смесей, относятся прежде всего бетоны.

Бетон – это искусственный камень, полученный в результате затвердевания рационально подобранной бетонной смеси, состоящей из вяжущего вещества, заполнителей (крупного – щебня и мелкого – песка) и воды. В ряде случаев в состав бетонной смеси могут вводить специальные добавки.

Бетоны классифицируются по следующим признакам:

1. По виду вяжущего вещества:

а) цементные (вяжущее – цемент);

б) силикатные (вяжущее известково-кремнеземистое);

в) на гипсовом вяжущем (вяжущее – строительный гипс);

г) на смешанном вяжущем (цементно-известковом, известково-шлаковом и др.);

д) на специальных вяжущих (органических и неорганических).

2. По виду заполнителей:

а) на плотных заполнителях (щебень из магматических горных пород – гранит, сиенит; песок – природный кварцевый или из отходов дробления плотных горных пород);

б) на пористых заполнителях (и щебень, и песок из легких пористых материалов – керамзит, аглопорит, вермикулит и т.д.);

в) на специальных заполнителях (например, для защиты от радиационных излучений – борсодержащие щебень и песок; заполнители с большим содержанием химически связанной воды; металлический заполнитель – металлическая дробь и металлолом, скраб; химически стойкие – силикатные и другие).

3. По средней плотности:

а) особо тяжелые, средняя плотность – более 2500 кг/м³;

б) тяжелые – 2200…2500 кг/м³;

в) облегченные – 1800…2200 кг/м³;

г) легкие – 500…1800 кг/м³;

д) особо легкие – менее 500 кг/м³.

Технико-экономические основы производства бетона и железобетона, обусловливающие его широкое применение:

– низкий уровень затрат, связанный с применением местного сырья;

– возможность применения в сборных конструкциях;

– механизация и автоматизация процессов приготовления бетонной смеси;

– возможность изменения характеристик бетона в широких пределах и получения материала с заданными свойствами.

Недостатком бетона является его низкая прочность при изгибе (в 7…10 раз ниже прочности при сжатии). Этот недостаток устраняется изготовлением железобетонных конструкций, в которых арматура воспринимает растягивающие напряжения, а прочное сцепление ее с бетонным камнем обеспечивает совместную работу как единого целого.

Подбор состава бетона.

Одним из положительных факторов использования бетона как строительного материала является возможность получения изделия с заданными свойствами. Иначе говоря, мы можем заранее обусловить те свойства, которые нам необходимы, и изготовить требуемый бетон. Это достигается расчетно-экспериментальным методом подбора состава бетонной смеси (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Схема подбора состава бетона

Бетонной смесью называют рационально подобранную и тщательно перемешанную массу компонентов. Свойства бетонной смеси (как и бетона) зависят от ее состава, который обозначают в виде расхода материалов на 1 м³ уплотненной смеси.

Расход компонентов бетонной смеси определяют с помощью расчетно-экспериментального метода подбора состава бетонной смеси, который включает 2 этапа:

1) расчетный или собственно расчет состава бетонной смеси, т.е. экспериментатор производит по специальным формулам расчет количества компонентов на 1 м³ смеси в соответствии с исходными данными, главным из которых является проектная марка бетона;

2) экспериментальный, включает приготовление пробного замеса бетонной смеси, его корректировку (если необходимо), формование, выдержку и испытание опытных образцов в соответствии с требованиями ГОСТ.

Может возникнуть необходимость и в 3-м этапе – корректировка состава. Необходимость в нем может быть вызвана несовпадением полученной марки бетона с проектной.

Расчет состава бетонной смеси (1-й этап) для тяжелого бетона.

Исходными данными для расчета являются основные характеристики требуемого бетона: проектная прочность (марка), средняя плотность, вид и марка вяжущего, вид заполнителя и др.

1) Расчет начинают с определения очень важной характеристики бетонной смеси – водоцементного отношения. Для этого используют эмпирическую формулу прочности бетона в 28-суточном возрасте:

(6.1)

откуда

(6.2)

где R₂₈ – проектная марка бетона через 28 сут; R_Ц – активность цемента, кг/см²; К – коэффициент, зависящий от вида заполнителя (для щебня К = 0,55; для гравия К = 0,5).

Для тяжелого бетона В/Ц находится в пределах 0,5…0,6.

2) Затем находят ориентировочное количество воды затворения (В). Это осуществляется по таблицам данных в справочниках, полученных экспериментальным путем.

3) Третье действие – определение количества цемента. Производится из В/Ц:

(6.3)

4) Определение количества щебня, необходимого для замеса 1 м³ смеси,

ρ^щ_ис

Щ = , [кг], (6.4)

1+ ρ^щ_ис/ ρ^щ_нас α V_щ

где _ис^щ, _нас^щ – соответственно истинная и насыпная плотность щебня, кг/м³;  – коэффициент раздвижки зерен щебня (устанавливается по таблицам); \/_щ – пустотность щебня, выраженная в долях единицы.

5) Последним рассчитывают количество песка:

П = [1– (Ц/ ρ^п_ис + Щ/ ρ^щ_ис + В/ ρ_в)] ρ^п_ис, [кг], (6.5)

где Ц, Щ, В – расходы соответственно цемента, щебня и воды на 1 м³ смеси, рассчитанные ранее, кг; _ис^ц, _ис^щ, _ис^п – истинные плотности цемента, щебня и песка, кг/м³, соответственно.

После выполнения расчета осуществляется 2-й этап. Изготовление, хранение и испытание опытных образцов проводят в строгом соответствии с нормативными документами.

Если в результате испытаний получили прочность при сжатии опытных образцов, равную проектной марке, то на этом подбор состава бетона заканчивается. Если получена прочность при сжатии больше или меньше проектируемой, то возникает необходимость в 3-м этапе, сущность которого заключается в следующем. При получении меньшей прочности по сравнению с проектной экспериментатор увеличивает на 5…10 % расход вяжущего и воды, чтобы сохранить постоянным В/Ц (по отношению к уже рассчитанным). Если отклонение от проектной марки случилось в большую сторону, увеличивают примерно на такую же величину расход мелкого заполнителя и воды. После чего снова производят все работы по второму этапу. И так до тех пор, пока не получат проектную марку бетона.

СНиП 5.10.23–83 устанавливает минимальную и максимальную норму расхода цемента (независимо от расчета):

а) для неармированных сборных бетонных изделий – не менее 200 кг/м³;

б) для армированных – не менее 220 кг/м³;

в) максимальный расход цемента в любом случае не может превышать более 600 кг/м³.

Свойства бетонной смеси – удобоукладываемость и однородность.

Удобоукладываемость – способность смеси заполнять форму при данном способе уплотнения. Для оценки удобоукладываемости используют два других показателя: подвижность и жесткость. Подвижность измеряется в сантиметрах осадки стандартного конуса «СтройЦНИЛ». Если осадка конуса равна нулю, то удобоукладываемость характеризуется жесткостью, измеряемой временем вибрирования (в секундах), необходимым для выравнивания и уплотнения отформованного из свежеприготовленной смеси конуса в специальном приборе – техническом вискозиметре.

Бетонные смеси разделяют: на особо жесткие (13 и более с); жесткие (5…12 с), малоподвижные (менее 5 с или ОК = 2…4 см); подвижные (4…12 см ОК), литые (12 и более см ОК).

Удобоукладываемость бетонной смеси зависит от количества воды затворения. Однако надо помнить, что избыток воды – «яд» для бетона, поэтому стараются пластифицировать бетонные смеси без увеличения воды. Это достигается применением химических добавок – пластификаторов. К ним относятся ЛСТ (гидрофилизующая), мылонафт (гидрофобизующая), древесный пек (пенообразующая) и другие Суперпластификаторы – вещества, значительно повышающие подвижность жестких смесей без прибавления воды. Это синтетические полимеры (меламиновые смолы, нафталинсульфокислоты и другие). Вводятся в бетонную смесь в незначительных количествах (0,1…1,2 %). Пластифицирующий эффект сохраняется в течение 1 ч. Позволяют применять литьевой способ формования железобетонных изделий, снижать В/Ц, сохраняя подвижность смеси и тем самым получать высокопрочные бетоны.

Однородность – способность бетонной смеси не расслаиваться с течением времени. Это важное свойство достигается введением специальных добавок.

Основные свойства бетона:

а) Средняя плотность – колеблется в широких пределах: 250…5000 кг/м³ и более. Главным регулятором средней плотности является заполнитель (или его отсутствие – поризация).

б) Марка бетона – соответствует пределу прочности при сжатии опытных образцов – кубов размером 15x15 см (допускается 10x10 см), изготовленных, выдержанных и испытанных в соответствии с действующими нормативными документами.

в) Марка по морозостойкости – характеризуется числом циклов переменного замораживания и оттаивания, определенным по обычной или ускоренной методике.

г) Марка по водонепроницаемости – характеризуется односторонним гидростатическим давлением, при котором образцы бетона не пропускают воду.

д) Бетон обладает как упругой, так и пластической деформацией. При небольших и кратковременных нагрузках для бетона характерна упругая деформация. Если нагружение превосходит 20 % от предела прочности, то наблюдается остаточная (пластическая) деформация. А полную деформацию можно представить как сумму упругой и пластической.

е) Ползучесть – явление увеличения деформации бетона во времени под действием постоянной (статической) нагрузки. Ползучесть зависит: от вида и количества цемента (чем выше активность и больше цемента – тем меньше ползучесть); от вида заполнителя (плотный заполнитель – меньше ползучесть); от В/Ц (чем выше В/Ц, тем больше ползучесть); от возраста (у бетонов раннего твердения ползучесть больше); от условий твердения (твердение в сухих условиях повышает ползучесть). Насыщение водой затвердевшего бетона также вызывает рост ползучести.

ж) На воздухе бетон претерпевает усадку. Увлажнение поверхностных слоев сопровождается неравномерностью изменения объема.

з) Теплопроводность –  = 1,2 Вт/м·°С.

Коэффициент линейного расширения при нагревании до 50 °С – примерно 0,5 мм/м.

Виды бетона:

1. Тяжелый бетон. Средняя плотность – 2200…2500 кг/м³. В качестве вяжущего используют портландцемент и его разновидности. Количество вяжущего определяется расчетом состава с учетом назначения бетонной конструкции. Мелкий заполнитель – песок. Для приготовления тяжелого бетона используют природные пески (кварцевые), образовавшиеся в процессе выветривания (естественного разрушения) горных пород, и искусственные, полученные путем дробления плотных горных пород, а также из отсевов. Качество песка определяется минеральным и зерновым составом и содержанием вредных примесей. Минеральный состав зависит от происхождения горной породы. Песок, применяемый в тяжелом бетоне, получают из изверженных горных пород. Зерновой состав характеризуется крупностью его частиц по остаткам на ситах после просеивания опытной навески – модулем крупности:

(6.6)

где А_5,0; А_2,5; А_1,25; А_0,63; А_0,315; А_0,14 – полные остатки на соответствующих ситах, %.

Примеси в виде мелких частиц глины, пыли ухудшают свойства мелкого заполнителя, увеличивают расход цемента и водопотребность бетонной смеси.

Крупный заполнитель – щебень и гравий с размерами частиц 5…70 мм. При бетонировании массивных конструкций (плотины, дамбы) допускается – до 150 мм. Гравий имеет окатанную форму и гладкую поверхность, в отличие от щебня, зерна которого имеют угловатую форму и шероховатую поверхность, что обеспечивает лучшее сцепление с цементным камнем. Получают щебень для приготовления тяжелого бетона дроблением плотных изверженных и метаморфических горных пород. Качество щебня характеризуется теми же показателями, что и песка: и кроме того – дробимостью в цилиндре (метод прямого определения прочности крупного заполнителя, при этом прочность исходной горной породы должна быть в насыщенном водой состоянии в 1,5…2 раза выше, чем проектируемая марка бетона); пустотностью, учитывающей пористость щебня в куске и воздушное пространство между частицами; зерновым составом, устанавливаемым с учетом наибольшего и наименьшего размера зерен с помощью стандартного набора сит с размером ячеек 5, 10, 20, 40 и 70 мм.

Для «затворения» бетонной смеси (при получении как тяжелого, как и других видов бетонов) применяют водопроводную питьевую воду, а также природную воду (рек, озер), имеющую рН не менее 4 и содержащую не более 5 г/л минеральных солей, в том числе сульфатов – не более 2,7 г/л (в пересчете на SO₃).

Применение тяжелого бетона. Тяжелый бетон – основной вид бетона для изготовления железобетонных конструкций (как сборных, так и монолитных). Пример сборных изделий: пустотные плиты перекрытий и покрытий, колонны, ригели, фермы, балки, блоки, лестничные марши и др. Монолитные – изготовляются на месте строительства с применением опалубки.

Повышенные марки бетона требуются для дорожного, аэродромного, гидротехнического строительства. Тяжелый бетон хорошо сопротивляется поверхностному износу, что важно для цементно-бетонных дорог, тротуаров и полов промышленных зданий. Главный недостаток тяжелого бетона – большая средняя плотность и высокая теплопроводность.

2. Легкий бетон.

Это понятие включает в себя очень широкий ряд материалов, производимых с использованием самых разнообразных сырьевых компонентов. Часто для приготовления легкого бетона используют те же цементы, что и для тяжелого. Меньшая, чем у тяжелого бетона, средняя плотность обусловлена применением легких неорганических пористых заполнителей (керамзит, аглопорит, вермикулит, шлаковый щебень и т.д.), а также органических – древесная щепа и стружка, стебли хлопчатника, пенополистирол и др. Неорганические пористые заполнители подразделяются на искусственные и природные. Природные получают дроблением легких изверженных горных пород – пемзы, туфа и другие. Искусственные являются продуктом термической обработки минерального сырья и разделяются на специально изготавливаемые (керамзит, вермикулит, перлит) и отходы промышленности (топливные шлаки и золы, металлургические и другие шлаки).

Основной вид искусственных пористых заполнителей – керамзитовый гравий. Получают обжигом при t = 1200 °C гранул, сформованных из вспучивающихся глин. Насыпная плотность – 250…800 кг/м³. Главным требованием технологии является совпадение момента приобретения легкоплавкой глиной пиропластического состояния и образования газообразных продуктов внутри гранул. Газы образуются при дегидратации слюдистых минералов и выгорании органических примесей и добавок. В результате этого гранулы увеличиваются в размере и фиксируются в газонасыщенном состоянии. В изломе гранулы керамзита имеют структуру застывшей пены.

Вспученный перлит и вермикулит (рис. 6.4) получают обжигом вулканических пород (перлита, обсидиана) при t = 950…1200 °C. Вода выделяется в виде пара, и перлит увеличивается в размере в 10…20 раз.

а б

Рис. 6.4. Вспученный перлит (а) и вермикулит (б)

Аглопорит получают обжигом глиносодержащего сырья с добавкой 8…10 % твердого топлива (угля) на решетках агломерационных машин. Каменный уголь выгорает, частицы сырья спекаются.

Свойства легких бетонов.

В зависимости от предела прочности при сжатии легкие бетоны подразделяются на марки М25…М400.

Важной характеристикой легких бетонов, наряду с маркой, является средняя плотность. В зависимости от _ср бетоны подразделяются:

– на теплоизоляционные, _ср – до 500 кг/м³;

– конструкционно-теплоизоляционные, _ср – 500…1400 кг/м³;

– конструкционные, _ср – 1400…1800 кг/м³.

Легкие бетоны имеют марки по морозостойкости – Мрз 15…500. Для наружных стен применяют бетоны с морозостойкостью не менее 25 циклов.

Теплопроводность легких бетонов характеризуется коэффициентом теплопроводности  = 0,2…0,4 Вт/м·°С, т.е. в несколько раз меньше, чем у тяжелых бетонов (1,2 Вт/м·°С).

Среднюю плотность, а соответственно и теплопроводность, можно уменьшить поризацией самой тяжелой составляющей бетона – цементного камня. Это осуществляется способом газо- или пенообразования. Мелкие и равномерно распределенные поры в цементном камне, по сравнению с крупными, незначительно снижают прочность, но существенно уменьшают среднюю плотность и теплопроводность.

Виды легких бетонов.

К легким бетонам относят:

1) керамзитобетон (и бетон на других легких неорганических заполнителях);

2) ячеистые бетоны (газо- и пенобетоны – без заполнителей);

3) бетоны на органических заполнителях (арболит, фибролит).

Керамзитобетон – частный случай легких бетонов на пористых заполнителях, изготовляют с использованием керамзитового гравия (без песка) и цемента или шлакопортландцемента М300…400. Средняя плотность составляет 1700…1900 кг/м³, теплопроводность – 0,55…0,8 Вт/м·°С. Применяют керамзитобетон в ограждающих и несущих конструкциях для малоэтажного строительства, для изготовления мелкоштучных и типовых блоков и панелей. Стены из бетона на пористых заполнителях должны быть отштукатурены с двух сторон ввиду высокого водопоглощения, снижающего основные характеристики конструкции (прочность, теплотехнические свойства).

Ячеистый бетон – разновидность легкого бетона, получаемая в результате затвердевания вспученной при помощи порообразователя смеси, состоящей из вяжущего, кремнеземистого компонента и воды (т.е. без заполнителей). Это особо легкие бетоны с большим количеством мелких пор (до 85%). Вяжущим может служить портландцемент, но чаще распространены бесцементные ячеистые бетоны – на известково-кремнеземистом вяжущем, затвердевающем в автоклавных условиях. Так получают газо- и пеносиликат.

Напомним, что известково-силикатное вяжущее состоит из негашеной извести и тонкомолотого кварцевого песка (вместо песка может применяться зола ТЭС, молотый доменный шлак). Полученную смесь вспучивают химическим путем, вводя газообразующие добавки (алюминиевая пудра, Н₂О₂), или механическим способом, смешивая с приготовленной устойчивой пеной, полученной с помощью клееканифольного, алюмосульфонафтенового и других пенообразователей.

Гипсобетон – изготовляют на основе гипса (любого вида) с использованием пористых заполнителей (шлаки, керамзит, аглопорит, древесные стружки и опилки) или порообразующих добавок. Средняя плотность – 1000…1600 кг/м³; марки 25, 50. Изделия иногда изготовляют армированными камышом, дранкой. Применяют в виде легких панелей для перегородок, камней и блоков, эксплуатируемых в условиях окружающей среды влажностью не более 75 %.

Специальные бетоны:

а) Гидротехнический бетон – разновидность тяжелого бетона. Предназначен для конструкций (в основном монолитных), находящихся в воде или периодически соприкасающихся с ней (плотины, шлюзы, гидростанции, набережные, отстойники и т.п.). Иначе говоря, конструкции из гидротехнического бетона работают в экстремальных условиях, особенно в области переменного уровня воды, где бетон многократно замерзает и оттаивает, намокает и высыхает. К гидротехническому бетону предъявляются жесткие требования по прочности, водостойкости, водонепроницаемости, морозостойкости и тепловыделению. Из гидротехнического бетона изготовляют и сборные железобетонные конструкции, которые используются для устройства мостовых переходов через плотины, машинных зданий электростанций, облицовки каналов и т.д.

б) Жаростойкий бетон предназначен для облицовки тепловых агрегатов (котлов, печей и т.п.) и сооружения строительных конструкций, подверженных нагреванию (дымовые трубы). Жаростойкий бетон изготовляют на портландцементе с активными минеральными добавками (зола, гранулированный шлак, шамот и т.д.); на шлакопортландцементе (если конструкция будет эксплуатироваться при температурах не выше 700 °С); на жидком стекле (до 1000 °С); на глиноземистом цементе (до 1500 °С). Заполнителем может служить шамот, щебень и песок из плотных изверженных горных пород (сиенит, диабаз, базальт и др.). Легкий жаростойкий бетон получают с использованием пористых заполнителей, выдерживающих действие высоких температур, – керамзит, перлит, вермикулит, вулканический туф).

в) Кислотоупорный бетон применяют в качестве дополнительных защитных слоев по железобетону и металлу. Вяжущим здесь является жидкое стекло, наполнителем – кислотостойкие минеральные порошки из кварцевого песка, андезита, базальта и т.д.; заполнителем – кварцевый песок, щебень из гранита, кварцита и др. Примерный состав кислотоупорного бетона (кг/м³): жидкое стекло – 300, кремнефтористый натрий – 40, наполнитель – 360, песок – 600, щебень – 1000 (_ср = 2300 кг/м³). После укладки с вибрированием бетон выдерживают не менее 10 сут на воздухе (без поливки водой при температуре 15…20 °С). После отвердевания рекомендуется поверхность бетона «окислить», т.е. смочить раствором серной или соляной кислот.

г) Фибробетон, или дисперсно армированный бетон, представляет собой композиционный материал, упрочненный волокнами из металла, стекла, горных пород (асбеста, базальта) или синтетическими – из пропилена, капрона или др. В качестве вяжущего используют цемент, гипс. Обладает высокой трещиностойкостью, прочностью при растяжении, износостойкостью. Применяют в сборных и монолитных конструкциях, работающих на растяжение и изгиб и воспринимающих ударные, вибрационные нагрузки (конструкции кровель полов, специальных фундаментов и т.п.).

д) Полимербетоны и бетонополимеры. Полимербетонами называют композиционные каменные материалы, в которых вяжущими служат различные полимеры, а заполнителями – неорганические компоненты (песок и щебень). Для экономии полимера и улучшения свойств иногда вводят тонкомолотые наполнители, а также специальные добавки (отвердители, пластификаторы и др.). Часто в качестве вяжущего используют термореактивные полимеры – эпоксидные, полиэфирные. Для этих бетонов характерны высокая химическая стойкость, водостойкость, износостойкость, клеющая способность. Однако и стоимость их тоже высока (полимербетон на эпоксидной смоле более чем в 16 раз дороже, чем обычный цементный бетон). Применяются полимербетоны в специальных конструкциях, например в коррозионностойких сооружениях химических производств, при сооружении водосливов, трубопроводов и т.п.

Бетонополимеры – это бетонные или железобетонные изделия, пропитанные на некоторую глубину или покрытые полимером. Для этой цели используются стирол, метилметакрилат. У бетонополимеров во много раз возрастают такие показатели, как прочность при сжатии (до 10 раз), сопротивление истиранию (в 3–4 раза), водонепроницаемость (~7 раз), морозостойкость (до 7000 циклов). Применяют бетонополимеры, когда необходимо повысить долговечность бетона, работающего при повышенном коррозионном воздействии окружающей среды (трубы и др.).

е) Особо тяжелый бетон (средняя плотность более 2500 кг/м³) применяют в специальных сооружениях для защиты от радиационных излучений. Защитные свойства определяются в основном средней плотностью и содержанием связанной воды, являющейся замедлителем нейтронов (гидратный бетон). Поэтому для изготовления применяют: вяжущее – портландцемент и его разновидности; высокоплотный заполнитель – магнетит, лимонит, металлический скрап, железная и баритовая руды (содержит до 80 % BaSO₄), чугунная дробь в сочетании с обычным щебнем, гравием (_ср – до 6000 кг/м³).

ж) Декоративный бетон применяется для повышения эстетической выразительности зданий и сооружений. Изготавливается с применением белого и цветных цементов и специальных заполнителей (мраморная крошка, цветные отходы производств и горных разработок). Это позволяет придать бетону вид различных природных каменных материалов. При необходимости поверхность бетона подвергают обработке (шлифовке, полировке), чтобы получить декоративную фактуру. Для получения цветных бетонов применяют различные пигменты (диоксид титана – белый; оксид железа – красный; оксид хрома – зеленый; оксид марганца – фиолетовый; сажа – черный; охра – желтый и др.). В качестве отделочного материала декоративные бетоны могут применяться в самых разных конструкциях: декоративных плитах для отделки наружных и внутренних поверхностей стен, лестничных маршей, архитектурных и скульптурных форм (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Покрытие из декоративного бетона

Железобетон.

Как известно, бетон обладает серьезным недостатком, присущим большинству искусственных и природных каменных материалов – он плохо сопротивляется разрушению при изгибе. Прочность бетона на изгиб составляет 1/7…1/10 его прочности при сжатии. Для того чтобы устранить эту диспропорцию, применяют такой прием, как армирование бетонных изделий и конструкций.

Кроме улучшения прочностных характеристик, армирование бетона, а также цементных и гипсовых растворов неорганическими и органическими волокнами (из металла, стекла, пластика и т.д.) существенно улучшает и деформативные характеристики материала. Например, дисперсное армирование цементных бетонов стальными стержнями увеличивает прочность на растяжение в 2…3 раза; на изгиб – в 4…5 раз; на сжатие – в 1,5…2 раза; ударную прочность – в 10 и более раз; сопротивление истиранию – в 2 раза. Такое дисперсное армирование улучшает сразу несколько характеристик, но, в то же время, значительно утяжеляет и удорожает конструкцию. В большинстве случаев возникает необходимость повысить прочность бетона именно при изгибе, поэтому растянутую зону конструкции армируют стальной арматурой, которая воспринимает возникающие напряжения.

Совместной работе бетона и арматуры способствует прочное сцепление между ними и близость коэффициентов температурного расширения. Бетон, в то же время, защищает арматуру от коррозии.

Таким образом, в технологическую схему изготовления бетонных изделий добавляется операция изготовления арматуры и помещения ее в формы до формования изделий.

Для повышения эксплуатационных качеств наиболее ответственных изделий и конструкций (таких, как плиты перекрытия, ригели, балки и т.д.) осуществляется обжатие растянутой зоны бетона. С этой целью применяют способ изготовления железобетона с предварительно напряженной арматурой. Благодаря этому бетон растягивается только тогда, когда будут преодолены созданные предварительным обжатием сжимающие напряжения. Такие изделия называются предварительно напряженными (или пред. напряженными). Изготовление пред. напряженных железобетонных изделий может осуществляться с напряжением арматуры до бетонирования и после бетонирования. В первом случае арматуру растягивают и концы ее закрепляют в форме. Производятся формование и тепловлажностная обработка изделия. После затвердевания концы арматуры освобождают (отрезают), и она, стремясь вернуться в первоначальное состояние, обжимает бетон. Во втором случае арматура располагается в специальных каналах, оставленных в затвердевших изделиях, и после натяжения анкеруется на концах, а каналы заполняются раствором (омоноличиваются).

Наиболее широко распространен способ термического натяжения арматуры при производстве среднеразмерных изделий до формования.

Для этой цели в формовочных цехах оборудуется стенд электрического разогрева арматурных стержней, где устанавливаются два зажима с подведенными к ним электрическими проводами. Нагреваемый стержень закрепляется на этих зажимах и по нему пропускается электрический ток, в результате чего стержень нагревается и удлинняется на значительную величину. После этого разогретый стержень сразу же укладывается в упоры формы и производится формовка изделий. Со временем стержень охлаждается и сжимает затвердевающий бетон.

При изготовлении крупноразмерных конструкций применяется способ силового натяжения арматуры после формования. Осуществляется это на полигонах, где в изготавливаемых фермах, арках и других конструкциях при формовке оставляют специальные каналы в растянутой зоне. После затвердевания бетона и набора прочности изделием в эти каналы пропускаются металлические тросы (сечением до 4 см²), натягиваются мощными домкратами, а каналы заполняются высокопрочным мелкозернистым бетоном. Для лучшего сцепления с бетоном используют арматуру периодического профиля.

Все железобетонные конструкции подразделяют на сборные и монолитные.

1. Сборные железобетонные конструкции монтируют на строительной площадке из отдельных элементов, изготовленных на заводах. Сборные железобетонные изделия и конструкции изготовляют из всех видов бетонов: тяжелого, легкого, ячеистого. Бетоны часто применяют в сочетании с материалами специального назначения – теплоизоляционными, звукоизоляционными и другими, получая таким образом многослойные конструкции.

Номенклатура выпускаемых сборных железобетонных изделий очень широка: от фундаментных блоков и бордюрных камней до элементов каркаса зданий (колонн, ригелей) и объемных элементов полной заводской готовности (блоков комнат и квартир).

Классификация сборного железобетона.

В промышленности и гражданском строительстве около 90 % сборного железобетона составляют типовые унифицированные конструкции, при разработке которых определяющим является требование заводской технологичности изделий. Это требование обусловливает предельную массу изделий, их форму, размеры, вид армирования и т.д.

Сборные железобетонные изделия и конструкции производят в основном линейными, плоскостными, блочными и объемными. К линейным относятся колонны, фермы, ригели, балки, прогоны и т.п. К плоскостным – плиты покрытий и перекрытий, панели стен и перегородок, стенки бункеров и резервуаров и т.п. К блочным – массивные фундаменты, стены подвалов и т.п. К объемным – санитарно-технические кабины, блок-комнаты, коробчатые элементы силосов, кольца колодцев и другие.

По условиям транспортного оборудования длина изделий не должна превышать 25 м, ширина – 3 м и масса – 25 т.

В основу классификации сборных железобетонных изделий и конструкций положены следующие признаки: вид бетона, его плотность, вид армирования, внутреннее строение и назначение.

По виду бетона и применяемых вяжущих различают изделия:

1) из цементных бетонов – тяжелых, особо тяжелых и легких;

2) ячеистых;

3) специальных (жаростойких, химически стойких, декоративных).

По средней плотности: особо тяжелые (> 2500 кг/м³); тяжелые (1800…2500 кг/м³); легкие (500…1800 кг/м³); особо легкие (< 500 кг/м³).

По виду армирования: на предварительно напряженные и с обычным армированием.

По внутреннему строению: на сплошные и с пустотами; изготовленные из бетона одного вида или из различных бетонов (многослойные с применением разных материалов).

По назначению: для жилых и общественных зданий, сооружений сельскохозяйственного, транспортного, гидротехнического назначения.

2. Монолитное бетонирование (рис. 6.6). Монолитные бетонные и железобетонные конструкции экономически целесообразны при использовании индустриальных методов производства строительных работ. Они предусматривают широкое применение металлической, деревянной, деревометаллической опалубки – разборно-переносной, скользящей и др.

Рис. 6.6. Монолитное бетонирование

Арматуру при монолитном бетонировании изготовляют в арматурно-сварочных цехах в виде укрупненных элементов сварных сеток и каркасов или сваривают их на месте из доставляемых стальных стержней и проволоки.

Бетонную смесь транспортируют к месту формовки автосамосвалами. При дальней перевозке используют автобетоносмесители. Сухие компоненты при этом загружают в барабан автобетоносмесителя через дозировочную установку, а приготовляют бетонную смесь за 5…10 мин до прибытия к месту работ. В автобетоносмесителях перевозят и готовые бетонные смеси, что позволяет сохранять их однородность, используя повторное перемешивание.

Бетонирование монолитных конструкций производят непрерывно или с перерывами (т.е. блоками). Непрерывную укладку бетона осуществляют в том случае, когда требуются повышенная монолитность и однородность бетона, поэтому нежелательно (или недопустимо) наличие рабочих швов (например, при изготовлении пред. напряженных изделий и конструкций). Конструкции же большой протяженности или большой площади (железобетонные перекрытия) бетонируют отдельными участками, причем рабочие швы между ними предусматривают в местах, где при эксплуатации возникают минимальные напряжения. Объем блока устанавливают с учетом возникающих в бетоне температурных и усадочных напряжений. В ходе бетонирования бетонную смесь укладывают слоями, толщину которых устанавливают с учетом возможности ее достаточного уплотнения вибраторами.

Свойства бетона в большой степени зависят от условий его твердения, особенно – в первые 3 сут после формования. Наиболее благоприятны для гидратации цемента тепловлажностные условия, однако на временной стройплощадке стационарную пропарочную камеру сооружать вокруг монолитного бетонного изделия невозможно. Поэтому в летний период, для того чтобы предотвратить высыхание свежеуложенного бетона, открытые горизонтальные поверхности засыпают слоем влагоемкого материала – песка, опилок, шлака или покрывают мешковиной. Вертикальные поверхности от высыхания защищает опалубка (деревянную опалубку периодически увлажняют). Большие площади (аэродромы, дороги) укрывают полиэтиленовой пленкой, которая является очень эффективным в этом плане материалом: хорошо сберегает влагу и предотвращает значительные температурно-усадоч-ные деформации.

Распалубливание бетонных и железобетонных конструкций при монолитном их изготовлении производят после достижения бетоном 70…100 % проектной прочности. Полная прочность бетона необходима в том случае, когда фактическая нагрузка на распалубленную конструкцию будет превышать 70 % от расчетной.

Монолитное бетонирование предполагает строительство зданий и сооружений в любое время года независимо от температуры окружающего воздуха. Бетонирование в зимних условиях при среднесуточной температуре ниже +5 °С и минимальной суточной температуре ниже 0 °С имеет ряд существенных особенностей. При пониженной температуре замедляется гидратация цемента, поэтому марочная прочность нарастает медленнее, а при минусовой температуре (ниже –3...–5 °С) вода в бетоне замерзает, гидратация и твердение цемента практически прекращаются. После оттаивания эти процессы возобновляются, и бетон продолжает набирать прочность. Однако бетон, замороженный в раннем возрасте, после оттаивания имеет рыхлую структуру, низкую прочность и морозостойкость. Это объясняется тем, что свежеуложенный бетон содержит большое количество воды, которая идет в основном на смачивание зерен мелкого и крупного заполнителя и которая при замерзании расширяется, нарушает сцепление заполнителя с твердеющим цементом и разрыхляет структуру бетона. Поэтому бетону необходимо создавать зимой тепловлажностные условия в начальный период, которые ускоряют твердение и обеспечивают быстрый набор прочности в первые дни, что, в свою очередь, снижает отрицательный эффект замерзания. К моменту замораживания бетон низких марок должен приобрести не менее 40 %, а бетон высоких марок – не менее 30 % марочной прочности.

Существуют различные способы поддержания плюсовой температуры твердеющего бетона в зимнее время: электропрогрев – пропускание тока через арматуру (127 В) и бетон (380 В); электроразогрев – в специально оборудованных емкостях различными теплоносителями (воздух, газ) прогреваются тонкостенные изделия; обогрев паром – в формах с паровой рубашкой; индукционный прогрев – в густоармированных изделиях, производится с помощью индуктора (витков изолированного провода); обогрев инфракрасными лучами; введение солей в воду затворения.

Строительный раствор (рис. 6.7) – это искусственный каменный материал, полученный в результате затвердевания специально приготовленной смеси, состоящей из вяжущего вещества, мелкого заполнителя, воды и добавок.

Строительные растворы подразделяются в зависимости от вида вяжущего, средней плотности и назначения.

По виду вяжущего различают простые растворы, содержащие один вид вяжущего (цементные, известковые, гипсовые и другие) и смешанные или составные, содержащие смешанные вяжущие вещества (цементно-известковые, цементно-глиняные, известково-гипсовые и другие).

По средней плотности растворы бывают тяжелые (более 1500 кг/м³) и легкие (менее 1500 кг/м³).

По назначению: кладочные – предназначены для кладки стен, фундаментов и т. д; штукатурные – для оштукатуривания наружных и внутренних поверхностей стен; монтажные – для заделывания различных технологических пустот; специальные – декоративные, тампонажные и другие.

Рис. 6.7. Примеры использования растворов

Для приготовления растворной смеси используют следующие компоненты:

а) вяжущие вещества: в простых растворах – портландцемент, шлакопортландцемент, известь и гипс; в смешанных – различные виды цемента, гипс, известь, глина, шлак, зола и др.;

б) заполнитель – применяют природный кварцевый и полевошпатные пески, а также искусственные (отсевы дробления, отходы обогащения);

в) добавки, главная цель их введения – предотвратить расслаиваемость и повысить водоудерживающую способность растворных смесей. Применяют неорганические (зола ТЭС, диатомит, молотый доменный шлак, известь, глина) и органические (ПАВ – омыленный древесный пек, мылонафт, ЛСТМ; вводятся в количестве 0,1…0,3 % от массы вяжущего).

В растворы для зимних работ добавляют ускорители твердения, снижающие температуру замерзания растворной смеси (NaCl, CaCl₂, K₂CO₃).

Подбор состава раствора производится расчетно-эксперимен-тальным методом (как и бетона):

1) Расход цемента для смешанных или простых растворов определяют по формуле (в расчете на 1 м³ песка)

Q_Ц = (1000R_Р)/0,7R_Ц; (6.7)

или объем цемента составит (на 1 м³ песка):

V_Ц = Q_Ц/ ^Ц_нас. Error: Reference source not found(6.8)

2) Если раствор смешанный, то определяют объем второго компонента вяжущего (добавки – известкового, гипсового или глиняного теста):

V_Д = 0,17(1 – 0,002Q_Ц); (6.9)

или масса второго компонента – добавка на 1 м³ песка,

Q_д = V_д_д, [кг]. (6.10)

3) Ориентировочный расход воды

В = 0,85(Q_ц+Q_д). (6.11)

Найденное по расчету количество воды уточняют опытным путем при приготовлении пробного замеса до получения заданной подвижности. У строительных растворов подвижность в основном находится в пределах 4…13 см ОК.

Состав смешанного раствора выражают в объемных частях путем деления объемных расходов всех компонентов (кроме воды) на расход цемента по объему:

(V_Ц/V _Ц) : (V_Д/V_Ц) : 1(м³ песка)/V_Ц = 1 : V_Д/V_Ц : 1/V_Ц , (6.12)

а затем из соотношения цемент:песок определяют расход песка.

Водотвердое отношение смешанных растворов – В/(Ц + Д), находится в пределах 0,8…0,9.

Свойства растворных смесей и растворного камня.

В процессе изготовления раствора определяют следующие свойства: подвижность и расслаиваемость растворных смесей, среднюю плотность, прочность при сжатии и морозостойкость растворного камня.

Подвижность растворных смесей характеризуется глубиной погружения в смесь стандартного конуса (осадкой конуса – «ОК», в сантиметрах). Подвижность назначают в зависимости от вида раствора и пористости основания. Для кладочных растворов ОК составляет 9…13 см, для монтажных – 4…6 см. Специальные растворы, укладываемые под механическим воздействием, например вибрированием бутовой кладки, имеют подвижность 1…3 см.

Расслаиваемость и водоудерживающая способность – два взаимосвязанных свойства, которые характеризуют однородность слоя раствора по толщине и способность раствора удерживать воду при укладке на пористое основание без расслоения. Эти показатели определяют прочность сцепления затвердевшего раствора с пористым основанием. Удобоукладываемая смесь обеспечивает надежное сцепление кирпича и раствора и плотный контакт между поверхностями кирпича, заполняя при этом неровности, трещины, углубления, в результате чего обеспечиваются прочность и монолитность кладки. С удобоукладываемой смесью удобно работать, в результате повышается производительность труда рабочих.

Средняя плотность растворного камня определяется на опытных образцах-кубах размером 70,7 x 70,7 x 70,7 мм в сухом состоянии взвешиванием и определением объема по известной методике.

Предел прочности при сжатии (марка). Определяется на образцах-кубах с ребром 7,07 см, изготовленных в формах без дна. Основанием служит глиняный кирпич, на который уложена смоченная водой газетная бумага. Первые 7 сут образцы хранят во влажных, а последующие 21 сут – в сухих условиях. Марки растворного камня – 4, 10, 25, 50…200.

Морозостойкость определяется на таких же опытных образцах в насыщенном водой состоянии по обычной или ускоренной методике.

Виды строительных растворов и их применение:

а) Кладочные растворы – применяются для кладки наружных и внутренних несущих стен и перегородок. Для приготовления используют в качестве вяжущего главным образом портландцемент (маркой в 3–4 раза выше). Реже применяют смешанные вяжущие. Заполнителем служит природный кварцевый песок. Марки раствора – 10, 25, 50, 75. В кладке отдельных узлов (перемычек, карнизов) марка может быть повышена до 100.

б) Штукатурные растворы (рис. 6.8) – применяются для отделки (оштукатуривания) внутренних и наружных поверхностей стен зданий и сооружений. Могут приготовляться (как и кладочные) в зависимости от назначения на гидравлических или воздушных вяжущих с применением различных песков (природных или искусственных). Часто для этой цели используются декоративные растворы.

Рис. 6.8. Отделка здания с применением штукатурных растворов

в) Монтажные растворы – предназначены для заполнения швов и технологических пустот при монтаже стен и каркасов зданий. Эти растворы изготовляют с применением только портландцемента и квар-цевого песка. Монтажные растворы имеют марки: при ремонте легких конструкций – не ниже 50, при ремонте и монтаже тяжелых и высокопрочных конструкций – не ниже 100. В зимнее время широко применяют растворы с химическими добавками (как и кладочные), понижающими температуру замерзания раствора и ускоряющими набор прочности (хлорид кальция, сульфат натрия, ННК и др). Зимой марку раствора повышают на одну ступень по сравнению с маркой при летних работах (например, 75 вместо 50).

г) Декоративные растворы – предназначены (как и бетоны) для отделки стеновых панелей и блоков заводской готовности, наружной и внутренней отделки зданий и сооружений. Для наружных работ изготовляют растворы на белом, цветном и обычном портландцементе; для цветных штукатурок внутри зданий применяют строительный гипс и известь. Заполнителями служат чистый кварцевый песок или дробленый известняк, мрамор. Марки – 50…150. Морозостойкость – не ниже 35.

д) Тампонажные растворы – предназначены для заполнения и гидроизоляции пространств и пустот скважин, туннелей, шахтных стволов, а также закрытия водоносных слоев грунтов, трещин и пустот в горных породах. Вяжущим в этих растворах служит специальный тампонажный цемент, а в агрессивных средах – сульфатостойкий цемент.

е) Рентгенозащитный раствор – изготовляют на портландцементе и баритовом песке (ВаSО₄) с добавками солей лития и бора.

Известково-силикатные материалы. К группе силикатных относят искусственные каменные (так называемые бесцементные) материалы, получаемые в специальных аппаратах, называемых автоклавами, путем обработки изделий, сформованных из известково-кремнеземистого вяжущего, наполнителей (или без них) и воды.

Известково-кремнеземистое вяжущее содержит в качестве известкового компонента гашеную известь или молотую негашеную известь, в качестве кремнеземистого – тонкомолотый кварцевый песок. Такое вяжущее не затвердевает в нормальных условиях, а обладает способностью затвердевать и набирать прочность только в автоклавных условиях, когда в среде насыщенного водяного пара (W = 100 %) под давлением 0,8…1,3 МПа при температуре 175…200 °С осуществляется гидротермальный синтез низкоосновных гидросиликатов кальция:

Са(ОН)₂ + SiO₂ + mН₂О = СаОSiO₂nН₂О (6.13)

Автоклав – горизонтально расположенный стальной цилиндр с герметически закрывающимися с торцов крышками. Диаметр промышленного автоклава – 2,6…3,6 м, длина – 21…30 м. На нем установлены манометр, предохранительный клапан, автоматически открывающийся при избыточном давлении. По проложенным рельсам в автоклаве перемещаются вагонетки с отформованными изделиями. После загрузки автоклав плотно закрывается с торцов и постепенно начинается впуск пара. Высокая температура и наличие воды в капельно-жидком состоянии при некотором избыточном давлении создают благоприятные условия для химического взаимодействия между гидроксидом кальция и кремнеземом. В условиях автоклавной обработки образуются гидросиликаты кальция (различной основности) в зависимости от состава исходной смеси такие, как тоберморит (5СаО6SiO₂5Н₂О), гиллебрандит (2СаОSiO₂Н₂О) – в высокоизвестковых смесях.

К силикатным автоклавным материалам и изделиям относятся силикатный кирпич, камни, блоки и силикатные бетоны.

Твердение силикатных изделий производится по определенному режиму, включающему несколько этапов: 1) постепенный подъем давления пара в течение 1,5…2 ч; 2) изотермическая выдержка изделий в автоклаве при температуре 175…200 °С, давлении 0,8…1,3 МПа в течение 4…8 ч; 3) снижение давления в течение 2…4 ч.

Виды известково-силикатных изделий и их применение:

а) Силикатный кирпич (рис. 6.9) – прямоугольный параллелепипед размером 250 x 120 x 88 мм (модульный). Его изготовляют из жесткой смеси кварцевого песка (92…94 %), извести (6…8 %) и воды (7…9 %) путем прессования под давлением 15…20 МПа на механических карусельных прессах с последующим твердением в автоклаве.

Рис. 6.9. Силикатный кирпич

Силикатный кирпич имеет следующие характеристики: марки по прочности – 100, 125, 150, 200 и 250; среднюю плотность – около 1900 кг/м³ (он тяжелее глиняного); водопоглощение – не более 16 %; марки по морозостойкости: лицевой – 25, 35, 50, рядовой – 15. Применяют, как и глиняный, для сооружения несущих стен зданий, с некоторыми ограничениями: не используют для кладки цоколей зданий из-за недостаточной водостойкости, а также для кладки труб и печей, так как при высокой температуре дегидратируется Са(ОН)₂, диссоциирует СаСОз, а зерна кварцевого песка при температуре 600 °С, расширяясь (переход кварца из - в -модификацию), вызывают растрескивание кирпича.

На производство силикатного кирпича расходуется меньше энергии, чем керамического, поскольку не требуются сушка и высокотемпературный обжиг, поэтому силикатный кирпич на 30…40 % дешевле глиняного.

б) Силикатные блоки, как и цементные, подразделяются на тяжелые (заполнитель – кварцевый песок и щебень из плотных горных пород), легкие (пористый заполнитель – керамзит, вспученный перлит, вермикулит, аглопорит) и ячеистые.

В зависимости от вида кремнеземистого компонента различают следующие виды вяжущего, используемого в технологии силикатных бетонов: известково-кремнеземистые (известь-песок); известково-шлаковые (известь-шлак); известково-зольные (известь-топливные золы); известково-аглопоритовые, белитовые и другие. Соотношение известь:кремнезе-мистый компонент находится в пределах от 30:70 до 50:50 %.

Прочность силикатных бетонов зависит от активности извести, соотношения СаО/SiO₂, тонкости измельчения песка и параметров автоклавной обработки.

в) Тяжелый силикатный бетон средней плотностью 1800…2500 кг/м³, марок 150…800 применяют для изготовления сборных бетонных и железобетонных конструкций, в том числе и предварительно напряженных. Оборудование – заводов ЖБИ.

г) Ячеистые бетоны (газо- и пеносиликат) обладают высокими теплоизоляционными свойствами, выпускаются в виде плит и блоков (рис. 6.10). Применяются в основном для устройства теплоизоляционной защиты зданий, сооружений и теплового оборудования с невысокой тепловой нагрузкой.

д) Легкие силикатные бетоны на пористых заполнителях используются для изготовления конструкционно-теплоизоляционных плит, панелей и блоков в малоэтажном строительстве. Отличаются более высокой прочностью, водостойкостью и долговечностью, чем ячеитые бетоны. На основе силикатных бетонов изготовляют железобетонные изделия и конструкции.

Рис. 6.10. Газосиликатные блоки

(слева – основной; справа – перегородочный)

Асбестоцементные изделия.

Асбестоцемент – композиционный материал, представляющий собой затвердевшую смесь портландцемента и наполнителя – асбеста.

Асбест – минерал горной породы волокнистой структуры, волокна которого в виде тонких трубочек разной длины имеют внешний диаметр 36…43 нм, внутренний – 5 нм. В некоторых случаях 10…15 % асбеста заменяют минеральной или шлаковой ватой.

Большая удельная поверхность асбестового волокна, достигающая 15…30 м²/г, обусловливает его высокую адсорбционную способность. Это ускоряет схватывание и твердение цемента. Кроме того, волокно асбеста имеет очень высокую прочность, при растяжении – до 700 МПа (как сталь).

Асбестоцементный материал обладает по сравнению с цементным камнем повышенной прочностью: при растяжении – в 3–5 раз и при изгибе – в 2–3 раза. К недостаткам асбестоцемента относятся хрупкость и склонность к короблению. Из асбестоцемента изготовляют листы, панели и плиты, трубы и фасонные детали к ним.

Основной вид изделий – асбестоцементные листы («шифер»), которые подразделяют по назначению на кровельные, стеновые, облицовочные, электротехнические, по форме на плоские (прессованные и непрессованные) и профилированные (волнистые, двоякой кривизны, фигурные).

Волнистые листы (рис. 6.11) бывают низкого профиля – до 30 мм, среднего – 31…42 мм, высокого – 43 мм и более.

Панели и плиты – кровельный материал, применяемый для устройства покрытий, подвесных потолков, стеновых панелей и перегородок.

Рис. 6.11. Волнистые листы

По конструкции подразделяются на неутепленные, утепленные и акустические.

Асбестоцементные трубы (рис. 6.12) предназначены для сооружения водопроводных (не для питьевой воды), газовых, канализационных, вентиляционных сетей. Изготовляются напорными и безнапорными.

Рис. 6.12. Асбестоцементные трубы и соединительные муфты

Фасонные детали – например, муфты для соединения труб.

Важное место в строительной индустрии занимают материалы, получаемые посредством высокотемпературных технологий. К ним относятся керамические материалы, стекло и вяжущие вещества.

Керамическими называют искусственные каменные матералы и изделия, получаемые из минерального сырья путем формования, сушки и обжига при высоких температурах.

Строительная керамика – это:

1) несущие стены зданий и сооружений;

2) отделочные и облицовочные материалы;

3) кровельные материалы;

4) санитарно-технические изделия;

5) легкие заполнители бетонов и утеплители;

6) специальная керамика.

В керамической технологии используют главным образом каолины, глины (или близкие к ним виды сырья), чаще в смеси со специальными добавками.

Глина – это горная порода, состоящая в основном из гидроалюмосиликатов (nАl₂OSiO₂mН₂О) с размерами частиц менее 0,001 мм и из некоторого количества примесей. Глина обладает рядом свойств, обусловливающих ее использование в керамической промышленности, среди которых главное – высокая пластичность глиняного теста и связующая способность, а также способность превращаться в камневидное состояние при сушке и обжиге.

Самой высококачественной является каолинитовая (белая) глина, состоящая практически полностью из минерала каолинита (Al₂O₃2SiO₂2H₂O). Глины могут включать несколько минералов: каолинит, монтмориллонит (Al₂O₃4SiO₂nH₂O), галлуазит (Al₂O₃2SiO₂4H₂O).

Глины с преобладающим содержанием монтмориллонита называются бентонитами. Чем больше в глине частиц размером 0,005 мм и менее, тем выше ее пластичность (и качество).

Свойства глины:

1) Пластичность. Смешанная с определенным количеством воды глина образует тесто, обладающее пластичностью и связующей способностью. Высокая пластичность глины обусловлена двумя факторами: 1) размером частиц, составляющим 0,001…0,005 мм; 2) формой этих частиц.

Рис. 6.13. Схема расклинивающего действия адсорбируемой воды:

1 – слипшиеся глиняные частицы с отрицательными зарядами на концах; 2 – дипольная молекула воды

Установлено, что форма их напоминает чешуйки. После смешивания глины с водой молекулы воды, в силу разноименных зарядов поверхности, втягиваются между чешуйками глины и расклинивают их, обеспечивая свободное скольжение при сдвиге, т.е. слой воды играет роль смазки (рис. 6.13).

Пластичность глин характеризуется числом пластичности:

Пл = W_т – W_р, (6.14)

где W_т и W_p – влажность глиняного теста, соответствующая пределу текучести и пределу раскатывания.

Глина с числом пластичности, находящимся в пределах 7…15, обычно используется в производстве; с Пл < 7 – плохо формуется; с Пл > 15 – растрескивается при сушке.

2) Связующая способность – возможность связывания зерен непластичных материалов (песка, соломы, шамота и других) с образованием после высыхания камневидного материала. Связующая способность глиняных масс используется издавна для получения обмазочных и кладочных составов для стен, печей, труб и т.д.

3) Усадка глины. При высыхании происходят удаление воды из послойного пространства, стягивание частиц глины и цементация частиц глинистых минералов под действием межмолекулярных сил. Это приводит к уменьшению линейных размеров глиняного сырца при его сушке и носит название воздушной усадки. Она составляет 2…12 %.

В процессе обжига легкоплавкие составляющие глины расплавляются, и образовавшийся расплав как бы склеивает частицы между собой, сближая их. Это способствует уменьшению размеров и спеканию материала, которое сопровождается огневой усадкой (2…8 %). Полная усадка составляет 5…18 %.

4) Переход в камневидное состояние. В процессе обжига глина претерпевает глубокие физико-химические изменения. Сначала испаряется свободная (физически связанная) вода. Затем выгорают органические вещества. При температуре 450…600 °С вследствие дегидратации каолинита образуется безводный метакаолинит (Al₂O₃2SiO₂), который разлагается при температуре выше 900 °С и переходит в расплав. В расплаве поверхностных слоев аморфный диоксид кремния и оксид алюминия вновь соединяются, образуя искусственный минерал муллит (3Al₂O₃2SiO₂), который придает обожженному керамическому изделию водостойкость, прочность, термостойкость. Глина необратимо переходит в камневидное состояние. Вместе с образованием муллита расплавляются и другие легкоплавкие составляющие глины, цементируя материал.

Обжиг керамических изделий обычно завершается при температуре 950…1000 °С. Дальнейшее повышение температуры увеличивает количество силикатного расплава, что повышает плотность материала.

Примесями в глиняных массах могут быть:

а) слюда и песок (частицы 0,14…5 мм) – снижают пластичность;

б) углекислый кальций, полевой шпат, оксид и гидроксид трехвалентного железа и т.д., снижающие температуру плавления (СаСО₃ к тому же после обжига образует «дутики»);

в) органические примеси («гумус»).

Добавки, используемые в керамической технологии:

1. Отощающие добавки – вводятся в глину для снижения пластичности глиняного теста и уменьшения воздушной и огневой усадки:

а) дегидратированная глина – глина, обожженная при температуре 700…750 °С, добавляется в количестве 30…50 %;

б) песок – зерна размером 0,5…2 мм, добавляется 10…25 % (при больших количествах песка снижаются прочность и морозостойкость);

в) шамот – зернистый керамический материал фракций 0,14…2 мм, получаемый измельчением обожженных керамических изделий и отходов кирпичного производства, используют при производстве высококачественных изделий (лицевой кирпич, огнеупоры);

г) доменный гранулированный шлак – используют в основном при производстве кирпича.

2. Выгорающие добавки – вводятся для повышения пористости глиняного материала. Эти добавки способствуют более равномерному спеканию черепка по всему объему:

а) древесные опилки;

б) угольная пыль и отходы углеобогатительных фабрик;

в) золы ТЭС;

г) лигнин (отход производства древесного спирта).