Строительные материалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Некоторые сведения по курсу “Строительные материалы”

Введение

строительный материал портландцемент гипс бетон

Новые и реконструируемые предприятия сборного железобетона целесообразно создавать и развивать путем применения узкоспециализированных технологических линий и агрегатов, предназначенных для выпуска массовых изделий и многономенклатурных заводов, оснащенных унифицированным технологическим оборудованием и механизированным инструментом.

Предприятия большой мощности необходимо проектировать в крупных городах, промышленных центрах и сосредоточенных районах застройки.

Вместе с этим могут проектироваться и многономенклатурные предприятия меньшей мощности. Целесообразно проектирование Домостроительных комбинатов, рассчитанных на выпуск периодически изменяемой номенклатуры, которая необходима для обеспечения строительства зданий с различным архитектурным оформлением и планировочными решениями.

Проектируются также заводы для выпуска изделий ограниченной номенклатуры со специализированными технологическими линиями, продукция которых может быть использована в разных видах строительства. При проектировании предприятий сборного железобетона необходимо расширять применение агрегатно-поточных и конвейерных линий с сокращением использования стендовых технологических линий.

Необходимо стремиться к специализации производства, при которой достигается наибольшая эффективность производства и максимальный рост производительности труда. Специализация способствует внедрению наиболее прогрессивной организации производства и интенсификации технологических процессов. Необходимо применять подетальную специализацию, которая предлагает массовый выпуск ограниченного количества типоразмеров конструктивно и технологически однородных изделий. Такое производство необходимо предусматривать в районах сосредоточенного строительства, где велика потребность в каких-либо изделиях, либо для выпуска наиболее сложных конструкций, имеющих ограниченный сбыт, требующих для изготовления специального высокопроизводительного оборудования, квалифицированных кадров, качественного сырья и т. д.

Производство строительного гипса с применением гипсоварочных котлов

Технология производства строительного гипса на базе гипсоварочных котлов состоит из трех основных переделов: дробления исходного сырья; помола и сушки: варки гипсовой мучки в гипсоварочных котлах.

Технологический передел № 1

Гипсовый камень фракции 60-300 мм поступает с помощью фронтального (грейферного) погрузчика и транспортной системы, состоящей из питателей и транспортеров, в щековоую дробилку где дробится до фракции 20-60 мм. Размер фракции регулируется размерам выходной щели дробилки. Для изменения производительности питатель снабжен peгулируемым приводом и шиберной заслонкой.

Технологический передел № 2

Измельченный материал после прохождения железоотделителя подается в молотковоую аксиальную мельницу, предназначенную для тонкого помола и одновременного подсушивания гипсового щебня, так как в мельнице материал измельчается и нагревается.

Технологический передел № 3

Варка гипсового порошка происходит в гипсоварочном котле топочными газами с температурой данным футеровкой котла и жаровым трубам. Теплоносителем в этих проходах служат продукты сгорания природного газа (жидкого светлого топлива) в специальной топке. Гипс в варочном котле непосредственно не соприкасается с дымовыми газами, его температура составляет 100-150°С. В процессе варки он интенсивно перемешивается и равномерно нагревается, что обеспечивает получение однородного продукта высокого качества.

Принципиальная технологическая схема производства строительного гипса с использованием гипсоварочных котлов и молотковых мельниц не является новой, но компактная технологическая линия, снабженная современной автоматизированной системой управления, позволяет обеспечить выпуск строительного гипса постоянной высокой марки, обеспечить контроль режимов варки и гибкое изменение параметров гипса в зависимости от требований.

Заполнители для бетона

В бетоне применяют крупный и мелкий заполнитель. Крупный заполнитель (более 5 мм) подразделяют на гравий и щебень. Мелким заполнителем в бетоне является естественный или искусственный песок.

К заполнителям для бетона предъявляются требования, учитывающие особенности влияния заполнителя на свойства бетона. Заполнитель представляет собой совокупность отдельных зерен т. е. является зернистым материалом, для которого имеется ряд общих закономерностей. Наиболее существенное влияние на свойства бетона оказывают зерновой состав, прочность и чистота заполнителя

Зерновой состав показывает содержание в заполнителе зерен разной крупности. Он определяется просеиванием пробы заполнителей через стандартные сита с величиной отверстий от j), 14 до 70 мм и более. Различают рядовой заполнитель, содержащий зер- на различных размеров, и фракционированный, когда зерна заполнителя разделены на отдельные фракции, включающие зерна близких между собой размеров, например 5 ... 10 или 20 ... ... 40 мм. Заполнитель характеризуется наименьшей и наибольшей крупностью, под которыми понимают размеры наименьших" или наиболее крупных зерен заполнителя

Современные представления о процессе разрушения бетона

Если обобщить результаты и выводы ряда исследователей, то современные представления о структуре и процессе разрушения бетона можно свести к нескольким основным положениям:

1. Прочность и деформативность бетона определяются главным образом структурой и свойствами цементного камня, который скрепляет зерна заполнителя в монолит. Структура и свойства цементного камня зависят от его минералогического состава, водоцементного отношения, тонкости помола цемента, возраста, условии приготовления и твердения, введенных добавок. В последнее время было показано, что путем применения тех или иных технологических приемов, например активацией цементного теста или введением добавок, можно значительно изменить прочность и деформативность бетона. Е отдельных случаях свойства бетона изменялись в 1,5 ... 2 раза. Свойства бетона существенно зависят от вида и качества заполнителя, а также от его состава. Прочности бетонов, приготовленных на цементе одинакового качества, при постоянном водоцементном отношении, но на разных заполнителях, могут отличаться в 1,5 2 раза.

2. Разрушение бетона происходит постепенно. Вначале возникают перенапряжения, а затем микротрещины в отдельных микрообъемах. Развитие этого процесса сопровождается перераспределением напряжений и вовлечением в трещинообразование все большего объема материала, вплоть до образования сплошного разрыва того или иного вида, зависящего от формы образца или конструкций, ее размеров и других факторов На последней стадии нагружения процесс микроразрушений становится неустойчивым и носит лавинный характер

3. Разрушение бетона при сжатии обусловлено развитием микротрещин отрыва, направленным параллельно действующему усилию. Происходит кажущееся увеличение объема образца, но в действительности нарушается сплошность материала. Процесс развития микротрещин определяется структурой бетона, в частности размером и числом дефектных мест в ней, а также видом и режимом приложенной нагрузки.

4. Большое влияние на процесс разрушения оказывает жидкая фаза в бетоне. Облегчая развитие пластических деформаций, деформаций ползучести и микротрещин, ослабляется структурные связи в бетоне, вода снижает его прочность. Степень влияния этого фактора зависит от скорости приложения нагрузки. Вполне понятно, что процесс разрушения бетона в действительности сложнее и зависит от большего количества факторов, чем указано выше. До настоящего времени некоторые положения в этой области являются спорными или требуют уточнения

Пористые заполнители. Классификация

Пористые заполнители обладают значительным водопоглощением и при введении их в смесь отсасывают из цементного раствора часть воды. Наиболее интенсивно этот процесс происходит в первые 10.. 1-5 ин после приготовления бетонкой смеси, причем количество воды, отсасываемое заполнителем, зависит от состава бетонной смеси- оно увеличивается в литых и подвижных смесях при высоких значениях водоцементного отношения и уменьшается в жестких бетонных смесях при низких значениях водоцементного отношения. Обычно величина водопоглощения пористого заполнителя з бетонной смеси на 30... 50% ниже его водопоглощения в воде, так как на первое оказывает влияние во- доудерживающая способность цементного теста.

Чтобы компенсировать влияние водопоглощения пористого заполнителя и сохранить подвижность бетонной смеси, приходится увеличивать расход воды. Степень повышении водопотребности бетонной смеси будет зависеть от расхода легкого заполнителя и его водопотребности: чем выше водопотребность заполнители, тем больше расход воды для получения определенной подвижности бетонной смеси. Бсдогюглощение пористого заполнителя существенно влияет на водоудерживающую способность бетонной смеси, уменьшая склонность к расслаиванию у литых и подвижных смесей и позволяя применять смеси с высоким водоцементным отношением.

Это имеет большое значение для получения конструктивно - теплоизоляционных легких бетонов.

На первом этапе пористые заполнители, отсасывая влагу, способствуют получению более плотного и прочного контактного слоя цементного камня. На втором этапе, при уменьшении количества воды в цементном камне вследствие гидратации цемента, пористые заполнители возвращают ранее поглощенную воду, создавая благоприятные условия для протекания гидратации цемента и уменьшая усадочные явления в цементном камне. Высокая шероховатость поверхности легких заполнителей обеспечивает хорошее сцепление между цементным камнем и заполнителем, а значительная деформативность заполнителя способствует уменьшению отрицательного влияния на структуру бетона усадки цементного камня, предотвращает появление усадочных микротрещин.

Пористый щебень и песок состоят из зерен неправильной формы с сильно развитой поверхностью и обладает вследствие этого увеличенным объемом межзерновых пустот. Для заполнения этих пустот и создания достаточной смазки между зернами заполнителя с целью получения нерасслакваемых и удобообрабатываемых бетонных смесей требуется в 1,5... 2 раза больше цементного теста, чем при применении плотных тяжелых заполнителей.

Применение заполнителей высокой пористости, но с уменьшенным водопоглощением вследствие придания материалу особой структуры или специальной обработки поверхности заполнителя гидрофобизаторами или веществами, создающими на ней малопроницаемые пленку или тонкий внутренний слой, позволяет уменьшить водопотребность бетонной смеси, сократить расход цемента, повысить прочность и улучшить другие свойства бетона на пористых заполнителях. Однако такие мероприятия обычно повышают стоимость бетона и целесообразность их применения должна определяться технико-экономическим расчетом. Влияние пористого заполнителя на технологические свойства бетонной смеси и особенности твердения бетона учитывают при проектировании состава легкого бетона и при производстве конструкций. Состав бетона на пористых заполнителях определяется расчет- но-экспериментальным путем. Вначале находят предварительный состав бетона, который затем уточняют на пробных замесах. При определении предварительного состава бетона используют зависимости и учитывают особенности влияния на свойства бетона и бетонной смеси различных видов пористого заполнителя.

В отличие от обычного бетона при проектировании состава легкого бетона необходимо наряду с прочностью бетона и удобоукладываемостью бетонной смеси обеспечить заданную его плотность. Поскольку плотность зависит от свойств и содержания пористого заполнителя, расходы мелкого и крупного заполнителей определяют из условия заданной плотности бетона.

Для получения составов легкого бетона при минимальных расходах цемента необходимо правильно выбрать материалы для бетона. Рекомендуется назначать марку цемента в зависимости от требуемой прочности бетона в соответствии с табл. 13.1. Прочность на сжатие крупного заполнителя должна быть не менее значений, указанных в табл. 13.2, а насыпная плотность крупного заполнителя -- не более значений, указанных в табл. 13.3. Между фракциями крупного заполнителя принимают следующие соотношения; для фракций (5... 10) : (10... 20) мм -- 40:60%, для фракций (5... 10) : (10... 20) : (20 ...40) мм -- 20 : 30 : 50%.

Средняя прочность крупного заполнителя, определяемая сдавливанием порции заполнителя в стальном цилиндре диаметром 120 мм

Мелкие пористые пески, применяемые в легких бетонах прочностью 15... 50 МПа, должны иметь модуль крупности 1,8... 2,5 и насыпную плотность не менее 600 кг/м3. Для бетона прочностью 15 МПа допускается применение вспученного перлитового песка с насыпной плотностью более 200 кг/м3. Содержание в песке зерен размером менее 0,14 мм должно быть не более 10% по объему. Для бетонов прочностью 15... 20 МПа, копа активность цемента больше рекомендуемой, можно применять до 25% песка с содержанием зерен размером менее 0,14 мм.

Строительно-технические свойства гипсового вяжущего и области применения гипсовых вяжущих

Характеристика гипсовых вяжущих. В строительстве и промышленности издавна применяют гипосвые вяжущие материалы (ГОСТ 125-79**) -- строительный гипс, формовочный и высокопрочный, эстрих-гипс, ангидритовый цемент и др.Это минеральные вяжущие воздушного твердения, состоящие из полуводного гипса Са§04-0,5Н20 или ангидрита Са§04, и образуются путем тепловой обработки и помола сырья, содержащего двуводный или безводный сульфат кальция.Са504-2Н20--двуводный гипс--минерал, входящий в состав различных горных пород, гипсового камня, глиногипса, а также в состав промышленных отходов -- фосфогипса (отход от переработки природных фосфатов в суперфосфат), борогипса и др. В зависимости от температуры тепловой обработки гипсовые вяжущие подразделяют на низкообжиговые и высокообжиговые.

Гипсовые вяжущие вещества характеризуются целым комплексом свойств, которые дают возможность оценить их качество и области применения.

Основными свойствами ГВ являются: цвет, плотность, удельная поверхность, тонкость помола; водопотребность; сроки схватывания теста; механическая прочность, старение и др.

Цвет. Цвет гипсовых вяжущих зависит от химической чистоты гипсового сырья, содержания примесей и способа производства. Гипсовые вяжущие белого цвета получают из чистого сырья, а серого - из сырья с примесями минерального и органического происхождения.

В зависимости от способа производства получают вяжущее сероватого или высокой степени белизны.

Первый обусловлен примесями углерода, содержащимися в дымовых газах, непосредственно контактирующими с гипсом при обжиге, а второй при обработке гипса в паровлажной среде.

Плотность. Значения истинной, насыпной в уплотненном и в рыхлом состоянии плотности гипсовых вяжущих составляют соответственно 2,6.. .2,75 г/см³, 1200... 1450 и 800... 1100 кг/м³.

Удельная поверхность. Внешняя удельная поверхность гипсовых вяжущих веществ - это суммарная поверхность всех зерен в единице объема или массы. Полная удельная поверхность - это сумма внешней поверхности и поверхности пор и капилляров. На удельную поверхность влияют размер, форма и микроструктура частиц вяжущего, которые зависят от способа производства вяжущих.

Внешняя удельная поверхность гипсовых вяжущих, применяемых для строительных целей, находится в пределах 300...500 м²/кг, а высокопрочных - 90... 1200 м²/кг.

Тонкость помола характеризует степень измельчения гипсового вяжущего и выражается остатком в массовых процентах на стандартном сите № 02 либо удельной поверхностью порошка вяжущего в м²/кг (см²/г). Обычно определяют внешнюю удельную поверхность гипсовых вяжущих, под которой понимают суммарную поверхность всех гипсовых кристаллов в единице объема или массы. Удельная поверхность гипсовых вяжущих, применяемых для строительных целей, определяемая методом воздухопроницания, находится в пределах 300.. .500 м²/кг, а высокопрочных - 90... 120 м²/кг. Тонкость помола влияет на водопотребность вяжущих, сроки схватывания и механическую прочность. Согласно ГОСТ 125-79 гипсовые вяжущие по степени помола подразделяются на вяжущие грубого (индекс 1), среднего (индекс 2) и тонкого (индекс 3) помола.

Водопотребность является важнейшим свойством гипсовых вяжущих и характеризует минимальное количество воды, необходимое для получения теста заданной консистенции. Отношение количества воды к массе гипсового вяжущего называется водогипсовым отношением (В/Г).

Водопотребность зависит от многих факторов: состава сырья, способа получения вяжущего и тонкости его помола. Для сопоставления свойств различных гипсовых вяжущих стандартом принята величина нормальной густоты теста.

Нормальная густота (НГ) выражается значением В/Г в % или в долях единицы, которое обеспечивает гипсовому тесту, получаемому при затворении вяжущего водой, стандартную консистенцию, характеризующуюся растекаемостью теста из цилиндра (вискозиметр Суттарда). Диаметр лепешки из теста нормальной густоты должен быть в пределах 180±5 мм.

Теоретически для гидратации полугидрата сульфата кальция необходимо 18,62% воды от массы вяжущего.

Практически для получения теста нормальной густоты из в-полугидрата сульфата кальция требуется 50...70%, для б-полугидрата сульфата кальция - 30...40%, для ангидритовых вяжущих -30...35%. Водостойкие гипсовые вяжущие в зависимости от состава и технологии получения могут иметь нормальную густоту от 30 до 65%. Вода, остающаяся в гипсовом камне после гидратации испаряется, образуя в нем поры и капилляры, отрицательно влияющие на физико-технические свойства вяжущих.

Сроки схватывания определяются временем от момента затворения гипсового вяжущего водой до начала и конца схватывания, определяемые при помощи прибора Вика. Начало схватывания - время (мин) от момента затворения вяжущего водой до момента, когда свободно опущенная игла прибора Вика после погружения в гипсовое тесто не доходит до дна на 1... 1,5 мм. Конец схватывания - время (мин) от момента затворения вяжущего водой до момента, когда свободно опущенная игла погружается в тесто на глубину не более 1 мм.

Сроки схватывания зависят от модификационного состава гипсовых вяжущих. Быстротвердеющие вяжущие в основном содержат двугидрат, медленнотвердеющие - ангидрит. Содержание той или иной модификации в гипсовом вяжущем определяется режимом обжига гипса, регулируя который можно получать вяжущие с требуемыми свойствами по срокам схватывания. Так, например, получение многофазового гипсового вяжущего с преимущественным содержанием ангидрита (такое направление получило распространение в зарубежной практике производства) обеспечивает замедленные сроки схватывания. В большой степени на сроки схватывания влияют тонкость помола вяжущих, водовяжущее отношение, длительность и условия хранения гипсовых вяжущих и другие факторы.

В зависимости от сроков схватывания гипсовые вяжущие делятся на 3 группы: быстротвердеющие, нормальнотвердеющие и медленнотвердеющие.

Наиболее эффективным способом регулирования сроков схватывания гипсовых вяжущих является применение соответствующих добавок (см. ниже).

Старение гипсовых вяжущих - это изменение их свойств (водопотребности, сроков схватывания, прочности) во время хранения. Старение может быть естественным и искусственным.

При естественном старении происходит изменение свойств гипсовых вяжущих при обычных температурах в естественных условиях хранения. Положительная роль естественного старения проявляется до 20...30 сут их хранения. При дальнейшем хранении прочность снижается, увеличивается водопотребность и частичная перекристаллизация мелких частичек дву-гидрата сульфата кальция в более крупные. По этой причине гипсовое вяжущее необходимо хранить в закрытых емкостях (силосах).

Искусственное старение - изменение свойств гипсовых вяжущих путем ускорения процесса старения до нескольких минут за счет частичной гидратации вяжущего искусственным оводнением. Оводнение осуществляется в закрытых смесителях путем обработки вяжущего насыщенным водяным паром при температуре 100 °С и выше. В результате такой обработки вяжущее приобретает пониженную водопотребность и на 20...30% повышенную прочность. Хранить такое вяжущее следует не более 10 сут.

Механическая прочность затвердевшего гипсового вяжущего определяется по результатам испытаний стандартных образцов на изгиб и (или) сжатие после твердения определенное время в соответствующих условиях в зависимости от вида вяжущего.

При стандартных режимах твердения прочность высушенных образцов в 2 и более раз выше прочности образцов через 2 ч после формования. Так, прочность образцов из строительного гипса через 2 ч составляет 4...6 МПа, а сухих 10... 16 МПа, из высокопрочного - соответственно 15...20и35...40.

Механическая прочность затвердевшего гипсового камня зависит от его плотности.

Увеличение плотности за счет снижения водогипсового отношения и интенсивного уплотнения является эффективным мероприятием, способствующим повышению прочности.

Водостойкость гипсовых вяжущих оценивается по коэффициенту размягчения.

Гипсовые вяжущие в зависимости от величины коэффициента размягчения делятся на:

· неводостойкие (НВ) -К_р< 0,45;

· средней водостойкости (СВ) - 0,45 ?К_р ? 0,6;

· повышенной водостойкости (ПВ) - 0,6 < К_р ?0,8;

· водостойкие (В)-К_р>0,8.

Мономинеральные гипсовые и ангидритовые вяжущие являются неводостойкими (воздушными) вяжущими (НГВ). ГЦПВ и КГВ относятся к классу водостойких гипсовых (ангидритовых) вяжущих (ВГВ) и в зависимости от состава и исходных компонентов могут быть любой категории водостойкости.

Деформативность. Полугидрат сульфата кальция при схватывании и твердении в первоначальный период обладает способностью увеличиваться в объеме примерно на 0,5... 1%. Увеличение объема еще не схватившейся пасты не имеет вредных последствий, а часто является преимуществом при изготовлении различных изделий или ремонтных работах. Расширение твердеющего гипсового вяжущего обусловлено наличием в нем растворимого ангидрита, поскольку он при твердении увеличивается на 0,7...0,8%, тогда как полугидрат расширяется лишь на 0,05...0,15%. Гипсовые вяжущие, полученные при более высокой температуре и содержащие повышенное количество растворимого ангидрита, характеризуются большим объемным расширением. Высокопрочное гипсовое вяжущее при твердении обычно имеет расширение около 0,2%.

При дальнейшем твердении и высыхании происходит усадка в пределах 0,05... 0,1%.

Области применения. Гипсовые вяжущие применяют главным образом для производства гипсовой сухой штукатурки, перегородочных плит и панелей, элементов заполнения междуэтажных и чердачных перекрытий зданий, вентиляционных коробов и других деталей, используемых в конструкциях зданий и сооружений при относительной влажности воздуха не более 60%. Из гипса изготовляют разнообразные архитектурные, 'огнезащитные, звукопоглощающие и тому подобные изделия. Из р-гипса выполняют стеновые камни, панели и блоки, используемые при возведении наружных стен малоэтажных домов, а также зданий хозяйственного назначения. При этом необходимо защищать наружные гипсовые конструкции от увлажнения (устройство надежной гидроизоляции на фундаментах под стенами, увеличенных свесов кровли и т. п.).

а-полуводный гипс, изготовляемый по более сложной технологии, чем (3-полугидрат, с повышенными капиталовложениями и затратами энергоресурсов, должен использоваться при изготовлении таких изделий и конструкций, в которых его применение экономически оправдано. В частности, он является хорошим компонентом при изготовлении гнпсоцементно-пуццолановых вяжущих (ГЦПВ) высоких марок, пригодных для производства армированных сталью бетонных изделий и конструкций, не требующих термообработки для ускорения их твердения.

Технологические схемы получения гидратной извести

Карбонатное твердение извести

В зависимости от вида извести и условий, в которых происходит ее твердение, различают три типа твердения: карбонатное, гидратное и гидросиликатное.Карбонатным твердением называют процесс постепенного затвердевания растворных или бетонных смесей, изготовленных на гашеной извести, при воздействии на них углекислоты. Твердение при этом обусловлено одновременным протеканием двух процессов: кристаллизации гидроксида кальция из насыщенного водного раствора и образования карбоната кальция по реакции:

Са(ОН)2+; Н-С02+лН20 == СаС08+ (И-1) Н20.

При испарении воды из раствора гелевидная масса известкового теста уплотняется и упрочняется.Кристаллики образующегося карбоната срастаются друг с другом, с частичками Са(ОН)2 и песка, обусловливая твердение. Объем твердой фазы увеличивается, что приводит к дополнительному уплотнению и упрочнению, твердеющего раствора. Наряду с карбонатом кальция возможно также образование соединений типа СаС03-пСа(ОНЬ-тН2.0.Испарение влаги и карбонизация растворов протекают очень медленно. Последняя захватывает преимущественно поверхностные слои, что объясняется малой концентрацией С02 в воздухе (0,03 %) и большой плотностью пленки образующегося карбоната, сильно затрудняющей дальнейшее проникание углекислоты к внутренним слоям раствора.Известь применяют в виде растворов и бетонов с соотношением известкового теста и заполнителя в пределах 1 : 3--1 : 5 по объему. Введение надлежащего количества заполнителей важно не только с экономической, но и с технической точки зрения, так как оно способствует улучшению процессов карбонизации и высыхания материала. Последнее особенно важно, поскольку при карбонизации выделяется влага, избыточное накопление которой сопровождается замедлением этого процесса. Обычно карбонизация наиболее интенсивна при влажности растворов и бетонов 5--8 %Наличие жесткого каркаса из наполнителей в растворах и бетонах способствует также резкому уменьшению усадочных деформаций при их высыхании.Прочность при сжатии растворов и бетонов на гашеной извести при твердении в обычных условиях в течение месяца достигает небольших значений порядка 0,5-- 1 МПа. При длительном твердении в течение многих десятков (а иногда и сотен) лет прочность возрастает до 5--7 МПа. Это обусловливается иногда не только большой степенью карбонизации раствора или бетона, но и некоторым взаимодействием кремнеземистых (в частности, кварцевого песка) и карбонатных заполнителей с гидроксидом кальция.

Портландцемент Понятие. Состав. Классификация

Портландцемент (англ. Portland cement) -- гидравлическое вяжущее вещество, в составе которого преобладают силикаты кальция (70-80 %). Это вид цемента, наиболее широко применяемый во всех странах.

Название получил по имени острова Портленд (Portland) в Англии, так как по цвету похож на добываемый там природный камень.

Основой портландцемента являются силикаты кальция (алит и белит).

Портландцемент представляет собой гидравлический вяжущий продукт тонкого помола цементного клинкера, который получается путем обжига до спекания природного сырья или искусственной сырьевой смеси определенного состава. Сырье, пригодное для получения портландцемента должно иметь 75-78% карбоната кальция и 22-25% глины. Такое природное сырье встречается крайне редко, поэтому заводы производящие цемент отлично работают на искусственных смесях из карбонатных пород и глины. Спёкшаяся сырьевая смесь в виде зерен 40-50 мм называется клинкером.

Состав и классификация

Портландцементом называется гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера с гипсом, а иногда и со специальными добавками.

Клинкер получают обжигом до спекания тонкодисперсной однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины и некоторых других материалов (мергеля, доменного шлака и пр.). При этом обеспечивается преимущественное содержание в нем высокоосновных силикатов кальция (70--80 %). Гипс в портландцемент добавляют для регулирования скорости схватывания и некоторых других свойств. Клинкерный порошок без гипса при смешивании с водой быстро схватывается и затвердевает в цементный камень, который характеризуется пониженными техническими свойствами.

По составу (ГОСТ 10178--76 с изм.) различают портландцемент без добавок, портландцемент с минеральными добавками, шлакопортландцемент. В портландцемент с минеральными добавками разрешается вводить гранулированные доменные и электротермофосфорные шлаки в количестве до 20 % массы вяжущего, активные добавки осадочного происхождения (кроме глиежей) не более 10%- Другие активные добавки (вулканического происхождения, глиежи) допускается вводить до 15% массы получаемого цемента. Шлакопортландцемент должен содержать доменные или электротермофосфорные шлаки не менее 21 и не более 80 % массы вяжущего. При производстве цемента для интенсификации процесса помола допускается введение специальных добавок в количестве до 1 °/о массы вяжущего.

Свойства портландцемента определяются прежде всего качеством клинкера. Вводимые в него добавки предназначены для их регулирования.

Портландцемент и его разновидности -- основной материал в современном строительстве. Из него возводят бетонные и железобетонные конструкции самых разнообразных зданий и сооружений. Жилищно-гражданское, промышленное, сельскохозяйственное, гидротехническое, горное, дорожное, ирригационное -- вот неполный перечень видов строительства, где с успехом применяют бетон и железобетон на портландцементе.

Гигантские темпы строительства в нашей стране обусловили резкий рост производства цемента. В 1985 г. выпуск его намечено довести до 140--142 млн. т. Неуклонно улучшается качество цемента, повышаются его прочностные показатели, расширяется ассортимент, выпускаются специальные виды цемента для различных областей строительства. Мощному развитию производства и рациональному применению цементов в строительстве способствуют плодотворные исследования советских ученых в этой области.

Керамзит. Пластический способ

Керамзит -- лёгкий пористый строительный материал, получаемый путём обжига легкоплавкой глины. Имеет форму овальных гранул. Производится также в виде песка -- керамзитовый песок.

В зависимости от режима обработки глины можно получить керамзит различной насыпной плотности (объемным весом) -- от 200 до 400 кг/мі и выше.

Особенности

Керамзит - искусственный материал, полученный путем вспучивания и обжига легкоплавких глинистых пород, смешанных с выгорающими добавками.

Керамзит получается при обжиге во вращающихся печах легкоплавких вспучивающихся глинистых пород, а также слабо вспучивающихся глинистых пород с добавками (солярового масла, опилок, торфа, сульфатно-спиртовой барды и т.п.). По структуре керамзитовое зерно представляет собой стекловидную пористую массу (с замкнутыми порами сферической формы), покрытую тонкой спекшейся оболочкой. Керамзит изготовляют преимущественно в виде гравия (крупностью зёрен 5-40 мм) и реже в виде щебня, который может также изготовляться путём дробления крупных фракций керамзитового гравия или кусков вспученной массы керамзит. Керамзитовый песок гравелистой формы (зёрна до 5 мм)получают при обжиге сырья в печах "кипящего слоя" или попутно, при обжиге глинистой породы во вращающихся печах. Плотность керамзитового гравия от 150 до 800 кг/м3, прочность при сжатии от 0,3 до 6 Мн/м2 (3-60 кгс/см2), водопоглощение от 10 до 25%, морозостойкость - не менее 15 Мрз (15 циклов переменного замораживания и оттаивания).

Пластический способ. Пластический способ изготовления керамзита преимущественно распространен в нашей стране. Он допускает использование широко встречающегося рыхлого глинистого сырья, корректирующих добавок и позволяет получать керамзит с различной гаммой свойств. С учетом заложенных, при построении классификационной схемы, принципов возможно варьирование технологических параметров производства, дальнейшее совершенствование и разработка новых научных направлений. Технологическая схема производства керамзита по пластическому способу включает следующие производственные операции: добычу глинистой породы; пластическую переработку увлажненного глинистого сырья и приготовление полуфабриката, пригодного для обжига со вспучиванием; обжиг полуфабриката в керамзит; охлаждение керамзита; сортировку и корректировку зернового состава керамзита; складирование и выдачу готового продукта. Пластический способ подготовки сырья и приготовления полуфабриката применяют при использовании увлажненных пластичных и рыхлых глинистых пород как однородного, так и неоднородного состава. При пластическом способе производства керамзита в глиняную массу могут вводиться добавки, повышающие склонность к вспучиванию исходного сырья, тогда как при сухом способе, когда полуфабрикат получают непосредственно из природной породы, это исключается.

При переработке по пластическому способу вспучивающиеся однородные глинистые породы гранулируются в полуфабрикат определенной формы размером 7-- 15 мм в поперечнике. Более тщательной переработки такому сырью не требуется, так как оно уже самой природой гомогенизировано, и химико-минералогические составляющие в нем распределены равномерно. Это обстоятельство значительно упрощает изготовление гранулированного материала из подобного сырья.

Таким образом, технология обработки однородных глин сводится к их грануляции на упрощенных механизмах типа дырчатых и прессующих вальцов. При этом куски материала можно направлять непосредственно во вращающуюся печь на обжиг или сначала сушить в отдельных сушильных установках. Следует, однако, иметь в виду, что однородное керамзитовое сырье встречается крайне редко. Переработка глинистых пород неоднородного состава по пластическому способу имеет целью разрушение природной структуры сырья, его гомогенизацию и изготовление полуфабриката с размером зерен в пределах примерно 7--15 мм в поперечнике, пригодного для обжига со вспучиванием во вращающихся печах.

Механизмы и оборудование для переработки и грануляции сырья выбирают в зависимости от склонности к вспучиванию и физико-механических свойств исходного сырья: влажности, плотности, вязкости, пластичности, однородности состава и т. д. При этом необходимо учитывать, что основная задача переработки неоднородного глинистого сырья по пластическому способу -- тщательная его гомогенизация в целях разрушения природной структуры, равномерного распределения по всей массе химических и минералогических составляющих, влаги, а также твердых и жидких добавок, применяемых для интенсификации процессов образования керамзита и улучшения его качества.

Степень переработки глинистого сырья оказывает исключительно большое влияние на качественные показатели заполнителя -- его плотность, прочность, водопоглощение, морозостойкость и т. д. Чем однороднее глинистая масса и равномернее распределены в ней составляющие, влага и добавки, тем интенсивнее протекают физико-химические процессы при обжиге, равномернее поризация материала, мельче образующиеся поры, ниже плотность и выше прочность керамзита, меньше разброс качественных показателей готового продукта. Опыт показывает, что улучшением переработки глинистого сырья можно достигнуть снижения плотности керамзита, получаемого из ряда неоднородных по составу, особенно трудно перерабатываемых, уплотненных, плохо размокаемых глин, в 1,5--2 раза и настолько же повысить его относительную прочность.

Переработка глинистого сырья -- мероприятие комплексное. Она начинается еще на карьере при добыче и кончается при формировании гранулированного сырца.

Прототипом упрощенного специального оборудования для переработки и грануляции глинистых пород по пластическому способу являются перерабатывающие и формующие дырчатые вальцы -- вальцы тонкого помола с расстоянием между валками до 1 мм -- и глиномешалки.

В комплект механизмов для переработки и приготовления гранулированного полуфабриката в основном входят: для неоднородного по составу пластичного, рыхлого сырья -- ящичный подаватель, вальцы грубого помола, глиномешалка, кирпичеделательный пресс или дырчатые вальцы; для неоднородного вязкого пластичного сырья - ящичный подаватель, вальцы грубого помола, вальцы тонкого помола, глиномешалка, кирпичеделательный пресс или дырчатые вальцы. Если глинистое сырье из-за неоднородности состава, высокой вязкости, плотности и плохой размокаемости требует более тщательной переработки, гомогенизации, то дополнительно применяют глиномешалку или перерабатывающие дырчатые вальцы.

Сухой способ производства клинкера

Изготовление клинкера по сухому способу технически и экономически наиболее целесообразно в тех случаях, когда исходные сырьевые материалы характеризуются влажностью до 10--15 % а также относительной однородностью по химическому составу и физической структуре, что обеспечивает возможность получения гомогенной сырьевой муки при измельчении сухого сырья.

При сухом способе затраты теплоты на обжиг клинкера достигают 3150--4190 кДж/кг, что значительно меньше затрат при производстве по мокрому способу (5900--6700 кДж/кг).

При сухом способе изготовления клинкера исходные материалы (известняк, глина и др.) после дробления подвергаются высушиванию и совместному помолу в шаровых и иных мельницах до остатка 6--10 % на сите № 008.

Обжигают сырьевую муку в коротких вращающихся печах с предварительной тепловой обработкой ее в циклонных теплообменниках, в которых отходящими из печей газами материал нагревается до 800--850 °С с частичной декарбонизацией его (на 30--40%) или в циклонных теплообменниках и далее в специальных реакторах, в которых температура муки повышается до 920--950 °С, а декарбонизация материала перед его поступлением в печь достигает 85--90%. Такой эффект получается за счет сжигания в реакторах дополнительного небольшого количества топлива. Тепловую обработку сырьевой муки производят также в конвейерных кальцинаторах за счет теплоты отходящих из печей газов (печи «Леполь»). Кроме того, сырьевую муку в виде гранул можно обжигать в автоматических шахтных печах. В зависимости от способа обжига сырьевой муки схемы производства несколько различаются.

Теории твердения портландцемента. Ле-Шателье, Михаэлис, Байков, современные данные

Теория твердения портландцемента развивается на базе основополагающих работ Ле-Шателье, Михаэлиса, А.А. Байкова, П.А. Ребиндера и других выдающихся ученых. Большой вклад в науку о вяжущих веществах внесли П.И. Боженов, П.П. Будников, Ю.М. Бутт, А.В. Волженский, В.А. Воробьев, С.И. Дружинин, В.А. Кинд, О.П. Мчеделов-Петросян, В.Н. Юнг и др.

Цементное тесто, приготовленное путем смешивания цемента с водой, имеет три периода твердения. Вначале, в течение 1 -- 3 ч после затворения цемента водой, оно пластично и легко формуется. Потом наступает схватывание, заканчивающееся через 5 -- 10 ч после затворения; в это время цементное тесто загустевает, утрачивая подвижность, но его механическая прочность еще невелика. Переход загустевшего цементного теста в твердое состояние означает конец схватывания и начало твердения, которое характерно заметным возрастанием прочности. Твердение бетона при благоприятных условиях длится годами -- вплоть до полной гидратации цемента. Химические реакции. Сразу после затворения цемента водой начинаются химические реакции. Уже в начальной стадии процесса гидратации цемента происходит быстрое взаимодействие элита с водой с образованием гидросиликата кальция и гидроокиси:

2 (ЗСаО * Si02) + 6Н20 = ЗСаО * 2Si02 * ЗН20 + ЗСа(ОН)2

После затворения гидрат окиси кальция образуется из алита, так как белит гидратируется медленнее алита и при его взаимодействии с водой выделяется меньше Са(ОН)2, что видно из уравнения химической реакции

2 (2СаО * Si02) + 4Н20 = ЗСаО * 2SiOa * ЗН20 + Са(ОН)2

Гидросиликат кальция 3CaO-2Si02-3H20 образуется при полной гидратации чистого трехкальциевого силиката в равновесии с насыщенным раствором гидроокиси кальция. Молярное соотношение CaO/Si02 в гидросиликатах, образующихся в цементном тесте, может изменяться в зависимости от состава материала, условий твердения и других обстоятельств. Поэтому применяется термин CSH для всех полукристаллических и аморфных гидратов кальциевых силикатов.

Основной алюмосодержащей фазой в портландцементе является трехкальциевый алюминат ЗСаО-А1203. Он представляет и самую активную фазу среди клинкерных минералов. Немедленно после соприкосновения ЗСаО-А12Оз с водой на поверхности непро-реагировавших частиц образуется рыхлый слой метастабильных (неустойчивых) гидратов 4СаО-А1203- 19Н20 и 2СаО-А1203-8Н20 в виде тонких гексагональных пластинок, образующих по терминологии Кондо и Даймона «структуру карточного домика». Рыхлая структура гидроалюминатов ухудшает морозостойкость, а также стойкость против химической коррозии. Это одна из причин ограничения количества трехкальциевого алюмината в специальных портландцементах, применяемых для морозостойких бетонов.

Для замедления схватывания при помоле клинкера добавляют небольшое количество природного гипса (3 -- 5% от массы цемента).

В насыщенном растворе Са(ОН)2 эттрингит сначала выделяется в коллоидном тонкодисперсном состоянии, осаждаясь на поверхности частиц ЗСаО-А12Оз, замедляет их гидратацию и оттягивает начало схватывания цемента. Кристаллизация Са(ОН)2 из пересыщенного раствора понижает концентрацию гидроокиси кальция в растворе, и эттрингит уже образуется в виде длинных иглоподобных кристаллов. Кристаллы эттрингита и обусловливают раннюю прочность затвердевшего цемента. Эттрингит, содержащий 31 -- 32 молекулы кристаллизационной воды, занимает примерно вдвое больший объем по сравнению с суммой объемов реагирующих веществ (С3А и сульфат кальция). Заполняя поры цементного камня, эттрингит повышает его механическую прочность и стойкость. Структура затвердевшего цемента улучшается еще и потому, что предотвращается образование в нем слабых мест в виде рыхлых гидроалюминатов кальция.

Гидроалюминат связывается добавкой природного гипса, как указано выше, а гидроферрит входит в состав цементного геля.

Свойства и формирование структуры цементного теста. Путем тщательного смешения цементного порошка с водой получают цементное тесто; оно представляет собой концентрированную водную суспензию, обладающую характерными свойствами структурированных дисперсных систем: прочностью структуры, структурной и пластической вязкостью, тиксотропией.

Цементное тесто до укладки бетонной смеси и начала схватывания имеет в основном коагуляционную структуру, в нем твердые частицы суспензии связаны ван-дер-ваальсовыми силами и сцеплены вследствие переплетения гидратных оболочек, покрывающих частицы.

Структура цементного теста разрушается при механических воздействиях (перемешивание, вибрирование и т. п.), вследствие этого резко падает предельное напряжение сдвига и тесто с предельно разрушенной структурой, подобно вязкой жидкости, заполняет форму. Переход теста в текучее состояние имеет тиксотропный характер, т. е. после прекращения механических воздействий структурные связи в системе вновь восстанавливаются. Структурно-механические свойства цементного теста возрастают по мере гидратации цемента. Например, предельное напряжение сдвига цементного теста, по данным Е.Е. Сегаловой и др., измеренное после его изготовления, составило 0,01 МПа; к началу схватывания оно возросло до 0,15 МПа (т. е. в 15 раз), а к концу схватывания достигло 0,5 МПа (увеличилось в 50 раз). Следовательно, цементное тесто отличается способностью быстро изменять реологические свойства в течение 1 -- 2 ч.

Формирование структуры цементного теста и прочности происходит следующим образом. Первыми элементами структуры, образующимися после смешивания цемента с водой, являются эттрингит, гидрат окиси кальция и иглы геля CSH, растущие из частиц клинкера. Присутствие эттрингита в виде коротких гексагональных призм обнаружено уже через 2 мин после затворения цемента водой, а спустя несколько часов появляются зародыши кристаллов Са(ОН)2. Частицы геля гидросиликата, имеющие первоначально игольчатую форму, продолжая расти, ветвятся, становятся древовидными. Образование дендритных форм является одной из причин соединения частиц геля гидросиликата в агрегаты, имеющие характерную форму «снопов пшеницы» или в виде плотно агломерированных листков. Тонкие слои геля получаются и между кристаллами Са (ОН)2, образуя с ними сросток, упрочняющий цементное тесто.

Рис. 48. Процесс гидратации цемента и развитие структуры цементного теста во времени (по Лохеру и Рихартцу): 1 -- Са(ОН)2; 2 -- эттрингит; За -- гидросиликаты кальция, длинные волокна; Зб -- то же, короткие волокна; 4 -- 3CaO-Al203'CaS04-12H20; 5 -- 4Са0'А120з'13Н20; 6 -- кривая изменения объема пор; 1 -- неустойчивая структура; /1 -- формирование основной структуры; //1 -- конденсация структуры и получение устойчивой структуры

На рис. 48 схематично показано развитие структуры цементного теста. Первичная структура представляет собой малопрочный пространственный каркас из дисперсных частиц продуктов гидратации, связанных ван-дер-ваальсовыми силами; 'переплетение гидратных оболочек, образованных на частицах адсорбированной водой, тоже удерживает частицы друг около друга. Хотя прочность первичной структуры невелика, подвижность твердых частиц все же снижается, и цементное тесто загустевает. К концу периода схватывания формируется основная структура цементного теста, которое превращается в цементный камень.

Структура цементного камня в значительной степени определяется механизмом его гидратации. В результате взаимодействия цемента с водой образуются «внутренние» продукты гидратации в пространстве, первоначально занятом цементными зернами, и «внешние» продукты гидратации, заполняющие пространство, первоначально занятое водой.

Количество внутреннего гидросиликата кальция намного больше, чем внешнего CSH. Внутренний гидросиликат получается в результате топохимической гидратации алита и белита, т. е. путем непосредственного присоединения воды к твердой фазе. Внутренний гидросиликат имеет тонкую и плотную структуру; отношение CaO/SiOj может быть от 0,5 до больших величин по Тейлору.

Внешние продукты гидратации образуются через растворение вне зерен цемента и состоят из небольшого количества внешнего гидросиликата, крупных кристаллов Са(ОН)2 и эттрингита.

Рис. 49. Основные структурообразующие фазы цементного камня (твердение портландцементного теста в воде при 20°С, В/Ц=0,35, в течение 28 сут) по А.Ф. Щуров

На рис. 49 можно видеть основные фазы портландцементного камня.

Частицы геля гидросиликата (кристаллиты) представляют собой субмикрокристаллические тонкие пластинки («фольгу») из двух-трех структурных слоев; толщина каждого слоя -- около 6 А, а диаметр частицы -- менее 100 А. Следовательно, твердая фаза в гидратированном цементе находится в состоянии весьма сильного раздробления. Удельная поверхность портландцемента составляет 0,3 -- 0,45 м2/г; в процессе гидратации происходит диспергация цемента и удельная поверхность твердой фазы возрастает в 100 -- 200 раз. Например, удельная поверхность цементного камня, изготовленного с водоцементным отношением 0,6, после 512 сут твердения при 100%-ной влажности была равна 782 м2/г (при гидратации 91% цемента). Клеящая способность цементного теста зависит от дисперсности твердой фазы: она повышается по мере гидратации цемента, т. е. при превращении все большего количества цемента в гель. Однако удельная поверхность самого геля гидросиликата значительно уменьшается при высушивании, что видно из опытных данных. Цементный камень, изготовленный из раствора с В/Ц = 0,4, имел в возрасте 514 сут (при гидратации 86% цемента) удельную поверхность (м2/г): 708 -- при 100%-ной, 330 -- при 50%-ной и 189 -- при 12%-ной относительной влажности. Укрупнение частиц новообразований при сильном высушивании не только снижает клеящую способность гидратированного цемента, но и повышает его хрупкость. Все эти исследования говорят о необходимости ухода за бетоном, предотвращающего его раннее высушивание, а также о создании соответствующих влажностных условий при тепловой обработке железобетонных конструкций.

Твердение цемента - сложное явление, обусловленное физико-химическими и физико-механическими процессами гидратации клинкерных минералов и структурообразованием в цементном тесте и цементном камне. Несмотря на то, что над теорией твердения цемента идет работа уже около 100 лет, на данный момент еще нет полной теории твердения минеральных вяжущих веществ. Существуют кристаллизационная теория твердения портландцемента Ле Шателье, коллоидная теория В. Михаэлиса и теория А.А. Байкова, объединившая обе теории.

Согласно теории А.А. Байкова портландцемент проходит три стадии твердения:

1. Растворение, когда минералы клинкера, которые могут растворятся, при взаимодействии с водой, образуют водные соединения, создавая перенасыщенные неустойчивые системы.

2. Коллоидация, или схватывание, когда новообразования превращаются в коллоидную систему в виде геля.