Некоторые вопросы по курсу строительного материаловедения

Основной алюмосодержащей фазой в портландцементе является трехкальциевый алюминат. Он представляет и самую активную часть среди клинкерных минералов. Немедленно после соприкосновения 3СаО АІ₂О₃ с водой на поверхности непрореагировавших частиц образуется рыхлый слой метастабильных (неустойчивых) гидратов 4СаО АІ₂О₃ 19Н₂О и 2СаО АІ₂О₃ 8Н₂О в виде тонких гексагональных пластинок, образующих по терминологии Р.Кондо и М. Даймона «структуру карточного домика». Рыхлая структура гидроалюминатов ухудшает морозостойкость, а также стойкость против химической коррозии.

Стабильная форма - шестиводный гидроалюминат, кристаллизующийся в кубической форме, образуется в результате быстро протекающей химической реакции:

3СаО АІ₂О₃ + Н₂О = 3СаО АІ₂О₃ 6Н₂О.

Для замедления схватывания при помоле клинкера добавляют небольшое количество природного гипса (3-5% массы цемента). Сульфат кальция играет роль химически активной составляющей цемента, реагирующей с трехкальциевым алюминатом при затворении цемента водой и связывающий его в гидросульфоалюминат кальция (минерал эттренгит) в начале гидратации портландцемента:

3СаО АІ₂О₃ + 3( СаSО₄ 2Н₂О) + 26Н₂О = 3СаО АІ₂О₃ 3СаО₄ 32Н₂О.

Здесь 3СаО АІ₂О₃ + 3( СаSО₄ 2Н₂О) - портландцемент;

3( СаSО₄ 2Н₂О) - гипс;

3СаО АІ₂О₃ 3СаО₄ 32Н₂О - эттрингит.

В насыщенном растворе Са(ОН)₂ эттрингит сначала выделяется в коллоидном тонкодисперсном состоянии, осаждаясь на поверхности частиц 3СаО АІ₂О₃ , замедляет их гидратацию и продлевает схватывание цемента. Кристаллизация гидроксида кальция из пересыщенного раствора понижает концентрацию гидроксида в растворе и эттрингит уже образуется в виде длинных иглообразных кристаллов. Кристаллы эттрингита и обуславливают раннюю прочность затвердевшего цемента. Эттрингит, содержащий 32 молекулы кристаллизационной воды, занимает примерно вдвое больший объем по сравнению с суммой объемов реагирующих веществ. Заполняя поры цементного камня, эттрингит при оптимальной дозировке гипса повышает его механическую прочность. Структура затвердевшего цемента улучшается еще и потому, что предотвращается образование в нем слабых мест в виде рыхлых гидроалюминатов кальция. Эттрингит взаимодействует с 3СаО АІ₂О₃ оставшимся после израсходавания добавки гипса, с образованием моносульфата кальция:

2СаО АІ₂О₃ + 3СаО АІ₂О₃ 3СаО₄ 32Н₂О + 22Н₂О =

=3(3СаО АІ₂О₃ СаSО₄ 18Н₂О).

В результате введения в портландцемент сульфата кальция гидролюминаты кальция заменяют гидросульфоалюминатом.

Четырехкальциевый алюмоферрит при взаимодействии с водой расщепляется на гидроалюминат гидроферрит:

4СаО АІ₂О₃ Fе₂О₃ +nН₂О = 3СаО АІ₂О₃ 6Н₂О + СаО Fe₂О₃ nН₂О.

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

Цементный камень

В.Н. Юнг ввел представление о цементном камне как о микробетоне, состоящим из гелевых и кристаллических продуктов гидратации цемента и многочисленных включений в виде негидратированных зерен клинкера. Основная масса новообразований (продуктов гидратации) при взаимодействии цемента с водой получается в виде гелевидной массы, состоящей из субмикроскопических частичек гидросиликата кальция. Гелеподобная масса прнизана относительно крупными кристаллами Са(ОН)₂. Такое своеобразное комбинированное строение предопределяет специфические свойства цементного камня, резко отличающееся от свойств других материалов: металлов, стекла и т. п.

Цементный камень включает:

1).Продукты гидратации цемента:

а) гель гидросиликата кальция и другие продукты гидратации, обладающие свойствами коллоидов;

б) относительно крупные кристаллы Са(ОН)₂ и эттрингита;

2) непрореагировавшие зерна клинкера, содержание которых уменьшается по мере гидратации цемента;

3) поры:

a) поры геля (менее 0,1мкм); классификация пор геля по Р. Кондо и М. Даймона: 1)очень мелкие поры, пронизывающие частицы геля - межкристаллитные, размером менее 0,6 нм, а внутрикристаллитные до 16 нм. 2)более крупные поры между частицами геля - до 0,1 мкм.

b) капиллярные поры (от 0,1 до 10 мкм),расположенные между агрегатами частиц геля;

c) воздушные поры (от 50мкм до2 мм), заполненные воздухом, засосанным вследствие вакуума, вызванного кнтракцией (явление уменьшения объема системы (цемент + вода) в процессе гидратации), либо вовлеченным при добавлении специальных воздухововлекающих веществ. Повышающих морозостойкость.

4) Вода.

В зависимости от состава цемента, начального количества воды и технологии пористость геля может составлять 28-40% объема геля, причем около 7-12% пористости приходится на долю контракционного объема.

Влияние химико-минералогического состава и тонкости помола на физико-механические свойства

Как уже говорилось выше, гидратация алита и белита в основном определяет технические свойства портландцемента.

Различие в физико-механических свойсвах кристаллического и коллоидного гелеобразного вещества является одной из причин влияния минералогического состава клинкера на некоторые основные свойства цемента: деформативность, стойкость при попеременном замораживании и отмораживании, увлажнение и высушивание. путем рационального подбора минералогического состава клинкера можно регулировать свойства портландцемента и получить цемент по качеству удовлетворяющий конкретным эксплуатационным условиям.

Например, процесс нарастания прочности клинкерных материалов различен. Наиболее быстро набирает прочность трехкальциевый силикат : за 7 суток твердения он набирает около 70% от 28-ми суточной прочности, дальнейшее нарастание прочности у него замедляется. Другая картина твердения у двухкальциевого силиката. В начальный период твердения ДО 28-ми суточного возраста) он набирает всего 15% прочности, но в последующий период твердения начинает быстро повышать свою прочность и вкако-то период достигает и даже может превысить прочность трехкальциевого силиката.

Другой фактор - тонкость помола. С увеличением тонкости помола прчность бетона возрастает. Средний размер зерен портландцемента составляет примерно 40 мкм. Толщина гидратации зерен через 6-12 месяцев твердения обычно не превышает 10,15 мкм. Таким образом, при обычном помоле портландцемента 30-40% клинкерной части его не участвует в твердении и формировании структуры камня. С увеличением тонкости помола цемента увеличивается степень гидратации цемента, возрастает содержание клеящих веществ - гидратов минералов, и повышается прочность цементного камня.

4. Автоклавные силикатные бетоны. Классификация. Схема производства, свойства, области применения (в частности, в транспортном строительстве)

Силикатным бетоном называют затвердевшую в автоклаве уплотненную смесь, состоящую из кварцевого песка (70-80%), молотого песка (8-15%) и молотой негашеной извести (6-10%). Это группа бетонов на основе известково-кремнеземистого вяжущего и минеральных заполнителей.

Силикатные бетоны классифицируют в зависимости от плотности, особенностей структуры, максимальной крупности, вида заполнителей и области применения.

Силикатные бетоны могут быть:

· тяжелыми - заполнители плотные - песок и щебень или песчано-гравийная смесь;

· легкими - заполнители пористые - керамзит, вспученный перлит, аглопорит и др.;

· ячеистыми - заполнителем служат пузырьки воздуха (поры в виде сферических ячеек диаметром 1-3 мм), равномернр распределенные по объему изделия и полученные путем введения в смесь газообразующей добавки (газосиликатные бетоны) или пены (пеносиликатные бетоны).

Технология производства изделий и конструкций из силикатных бетонов включает приготовление силикатно-бетонной смеси, формование изделий и их автоклавную обработку.

Силикатно-бетонную смесь приготовляют по «гидратной» или «кипелочной» схеме.

Гидратная схема предусматривает совместный помол гашеной извести-пушенки влажностью 2-3% с кремнеземистыми компонентами. Это наиболее распространенная схема.

Кипелочная схема предусматривает совместный помол извести- кипелки с песком карьерной влажности. По этой схеме получают изделия более высокой прчоности, используя гидратационное твердение извести. Основные недостатки этой семы - повышенная водопотребность вяжущего, невозможность его длительного хранения и транспортирования и ухудшение санитарно-гигиенических условий.

Силикатно-бетонную смесь приготовляют в смесителях принудительного действия, обычно получают жесткие смеси с осадкой конуса менее 1 см. формуют изделия чаще всего вибрированием, но возможно применение и других методов уплотнения. Автоклавная обработка осуществляется под давлением 0,8-1,6 МПа по режиму, определяемому размерами и конфигурацией изделий в течение 9-12 часов - это самая важная стадия производства силикатного бетона.

Автоклавная технология

Автоклав представляет собой горизонтально расположенный стальной цилиндр с герметически закрывающимися с торцов крышками. Диаметр автоклава - 2,6 - 3,6 м, длина - 21 - 30 м. Автоклав снабжен манометром, показывающим давление пара, и предохранительным клапаном, автоматически открывающимся при повышении давления выше предельного. В нижней части автоклава уложены рельсы, по которым передвигаются загруженные в автоклав вагонетки с изделиями. Автоклав оборудован устройствами для автоматического контроля и управления режимом автоклавной обработки. Для уменьшения теплопотерь автоклав покрыт слоем теплоизоляции.

После загрузки автоклав закрывают и в него постепенно впускают насыщенный пар. Высокая температура при наличии воды в капельно-жидком состоянии создает благоприятные условия для химического взаимодействия между гидратом оксида кальция и кремнеземом.

Автоклавная обработка состоит из шести этапов:

1 -й э т а п - от начала впуска пара до установления в автоклаве температуры 100⁰С. На этой стадии нагревания наблюдается большой температурный перепад между поверхностью и серединой изделия, достигающий 30-50⁰С и могущий вызвать значительные температурные напряжения и появление трещин.

2 - й э т а п - от начала подъема давления пара до достижения максимального давления в автоклаве - сопровождается повышением температуры от 100⁰С до максимальной. Пар под давлением проникает в поры изделия и конденсируется в них, изделие прогревается во всем объеме, температурный перепад сокращается до 3-5^0С.

3 - й э т а п - выдержка изделий при постоянных давлении и температуре; чем выше давление и температура, тем короче продолжительность автоклавизации. Иногда эта стадия может отсутствовать («пиковый режим»).

4 - э т а п - начинается с момента снижения давления пара и температуры, которое необходимо проводить постепенно. На этом этапе внутренние напряжения в изделиях возникают вследствие разности температуры и давления в материале и в автоклаве.

5 - й э т а п - остывание от 100 до 18-20⁰С.

6 - й э т а п - вакуумирование (может добавляться). При вакуумировании давление водяного пара внутри изделий примерно на 0,02 МПа выше, чем в автоклаве, поэтому происходит подсушка изделии и более быстрое их остывание.

Прочность автоклавных материалов (твердение) формируется в результате прхождения двух процессов:

1) Структурообразования, обусловленного синтезом гидросиликатов кальция;

2) Деструктивного, обусловленного внутренними напряжениями.

Для снижения внутренних напряжений, обработку проводят по определенному режиму, включающему постепенный подъем давления пара в течение 1,5-2 ч, изотермическую выдержку изделий в автоклаве при температуре 175-200⁰С и давлении 0,8-1,3 МПа в течение 4-8 ч и снижение давления пара в течение 2-4 ч. После автоклавной обработки продолжительностью 8-14 ч получают силикатные бетоны.

Интенсификация твердения и улучшения основных свойств изделий достигаются применением высокодисперсных сырьевых материалов. При изготовлении высокопрочных известково-кремнеземных изделий негашеную известь размалывают с песком до удельной поверхности 3000-5000 см²/г.

Прочность силикатного бетона зависит от активности извести, соотношения CaO/SiO₂, тонкости измельчения песка и параметров автоклавной обработки (температуры и давления насыщенного пара, длительности автоклавного твердения). Оптимальным будет такое соотношение СаО/SiO₂ и такая тонкость помола песка, при которых вся СаО будет связана в низкоосновные гидросиликаты кальция.

На прочность силикатного бетона существенно влияет и однородность смеси, степень ее уплотнения, водосодержание, качество извести и песка и т. п. по прочности при сжатии установлены следующие марки плотного силикатного бетона: 100, 15, 200, 250, 300 и 400. На основе известково-кремнеземисто вяжущих можно получить и бетоны более высокой прочности до 80 МПа. За марку силикатных бетонов принимается предел прочности при сжатии (МПа ?10) образцов кубов с ребром 150 мм, прошедших автоклавную обработку и испытанных при 20-25⁰С.

Модуль упругости мелкозернистого силикатного бетона на 30%, а ползучесть в 1,5-2 раза ниже аналогичных показателей равнопрочного цементного бетона нормального твердения при той же крупности заполнителя.

Для силикатного бетона характерна более низкая коррозионная стойкость арматуры, что обусловлено слабой щелочностью среды. Стойкость арматуры надежно обеспечивается при влажности воздуха до 60%.

Водостойкость плотного силикатного бетона удовлетворительная - коэффициент размягчения не ниже 0,75 - хотя и несколько ниже водостойкого цементного бетона.

Морозостойкость при низкой формовочной влажности и вибрационном уплотнении достигает 200 и более циклов.

Свойства силикатных бетонов определяют и область их применения:

Широкое применение силикатобетонные конструкции нашли в жилищном строительстве. Наиболее рациональным при этом является использование газосиликатных бетонов, имеющих малую плотность и теплопроводность, в качестве материала для самонесущих конструкций, наружных стен, а плотных силикатных бетонов с армированием, имеющих плотность 2000-2200 кг/м³ и достаточную прочность, - для изготовления несущих панелей внутренних стен и перекрытий, сборных бетонных и железобетонных конструкций, в том числе предварительно напряженных.

5. Технико-экономическое значение теплоизоляционных и звукоизоляционных материалов в современном строительстве

Теплоизоляционные материалы

Теплоизоляционные материалы предназначены для защиты от проникновения тепла или холода. Это обычно очень пористые материалы, имеющие плотность 600 кг/м³ и низкую теплопроводность - не более 0,18 Вт/м⁰С.

Применением теплоизоляционных материалов в строительстве можно резко сократить потери тепла в окружающую среду через ограждающие конструкции и тем самым уменьшить расход топлива, так как каждая тонна рационально использованного теплоизоляционного материала способна сохранить 30-200 т условного топлива в год. Поэтому экономическая эффективность тепловой изоляции весьма велика: обычно затраты на ее устройство окупаются стоимостью сохраненного тепла в течение 1-2 лет работы изолированного трубопровода или оборудования. Еще меньше срок окупаемости затрат на изоляцию трубопроводов и поверхностей холодильного оборудования.

Основной задачей в производстве теплоизоляционных материалов наряду с увеличением выпуска теплоизоляционных материалов и улучшением их качества является повышение индустриализации теплоизоляционных работ и увеличение веса производства изоляции в виде готовых изделий и конструкций.

Звукоизоляционные материалы

Звукоизоляционные материалы наряду со звукопоглащающими материалами относятся к акустическим материалам.

Звукоизоляционные материалы и изделия применяют главным образом в виде прокладок и прослоек в перекрытиях, во внутренних и наружных ограждениях и других частях зданий с целью гашения ударных шумов, передаваемых через перекрытие (хождение по полу), вибрации (работы машин), других производственных шумов.

Применение звукоизоляционных материалов в строительстве обусловлено необходимостью обеспечения безопасного и комфортного влияния таких опасных и вредных физических факторов, влияющих на человека как шум, вибрация, инфразвуковые и ультразвуковые колебания. Таким образом, применение таких материалов обеспечивает соблюдение основных санитарно - гигиенических норм и основных норм проектирования в строительстве.

Основной расчетной характеристикой, по которой определяют условия применения их в строительных конструкциях, является динамический модуль упругости. По этой величине звукоизоляционные материалы делят на три группы: 1-ая - материалы с динамическим модулем упругости меньше 1 МПа; 2-ая - 1-5 МПа; 3- я - 5-15 МПа.

Все они применяются для защиты и изоляции от ударного и воздушного звука. Кним относятся главным образом эластичные материалы - маты и плиты минераловатные на синтетическом связующем или из стеклянного штапельного волокна; плиты древесноволокнистые, из полистирольного пластифицированного пенопласта и т. п.

Для гашения и локализации вибраций применяют вибропоглащающие материалы - пловинилхлоридные и полиэтиленовые листы, листовая резина, битумные и полимерные мастики.

Практическое задание

1. При стандартных лабораторных испытаниях на сжатие образец бетона размером 100 ?100 ?100 мм разрушился при нагрузке 40000 кгс. Определить марку бетона.

За марку бетона принимается предел прочности при сжатии (в кг/см² или МПа ?10), поэтому:

R_сж = ,

Р - приложенная нагрузка, Н;

S - площадь поперечного сечения образца, м²

R_сж = 400000(Н) / 0,1? 0,1(м²) = 40?10⁶ Н/м² = 40МН/ м² = 40МПа.

Следовательно, марка бетона 400.

2. Плотность вещества (абсолютная, истинная) одного и того же материала:

Истинной плотностью вещества называется физическая величина, равная массе, заключенной в единице объема:

= m / V, кг/м³,

Объемной плотностью (средней плотностью) материала называется величина, равная массе единицы объема данного материала в естественном состоянии V_e

_m = m / V_e

Поэтому истинная плотность вещества одного и того же материала а) всегда больше объемной массы материала.

3. При увеличении плотности материала его коэффициент теплопроводности:

а) возрастает, это следует из формулы Некрасова, связывающей теплопроводность (Вт/м⁰С) с относительной плотностью каменного материала (d):

= 1,16 - 0,16.

4. Пористость материала

С) может быть равна нулю, но никогда не равна 100%, потому что: пористость П есть степень заполнения объема материала (V_е) порами (V_п ):

П = V_п/ V_е, %

Например, для оконного стекла и стеклопластика П = 0, а для мипора (вспененный полимер) П = 98%.

5. При увеличении влажности материала его коэффициент теплопроводности

а) возрастает, так как теплопроводность воды (=0,58 Вт/м⁰С) в 25 раз больше теплопроводности воздуха ( = 0,023 Вт/м⁰С).

6. Весовая влажность материала

а) может быть больше 100% для пористых теплоизоляционных материалов, так как влажность материала определяется его способностью поглощать воду. Водопоглощение определяют по объему и массе ( нас интересует водопоглощение по массе, характеризующая весовую влажность):

водопоглащение по объему: W_o = (m_в - m_c)/ V_e

водопоглощение по массе: W_м = (m_в - m_с)/m_с

W_о = W_м d

m - масса образца, насыщенного водой;

m - масса образца в сухом состоянии;

d - относительная плотность.

например, вспученный вермикулит имеет водопоглощение по массе в 300%.

7.Марка материала по морозостойкости определяется

а) числом циклов замораживания и оттаивания при его полном водонасыщении, исходя из нормативных определений:

Морозостойкость - свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание.

За марку материала по морозостойкости принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которые выдерживают образцы материала без снижения прочности на сжатие более 15%.

8. Твердость материала определяется:

а) способностью сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела.

Классическое определение: Твердость - свойство материала сопротивляться местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела.

9. предел прочности материала при изгибе определяется:

а) делением изгибающего момента на момент сопротивления поперечного сечения.

Предел прочности при изгибе определяют путем испытания образца материала в виде призм или балочек на двух опорах, а это есть задача «Сопротивления материалов», решение которой и дает :

R_и = M / W

10. единица измерения прочности материалов:

б) Н / м² = Па - паскаль. Эта размерность следует из формулы определения предела прочности:

R = F(внешнее воздействие, сила, Н) / S(поперечное сечение, м²).

Размещено на Allbest