- •Г. Т. Широкий, п. И. Юхневский, м.Г.Бортницкая Материаловедение
- •«Вышэйшая школа»
- •Предисловие
- •Глава 1. Основные свойства строительных материалов и изделий
- •1.1 Физические свойства
- •1.2 Механические свойства
- •Глава 2. Строительные материалы и изделия из древесины
- •2.1 Общие сведения
- •2.2 Характеристика пород древесины, применяемых в строительстве
- •2.3 Структура древесины
- •2.4 Свойства древесины
- •2.5 Пороки древесины
- •2.6 Сортамент древесных материалов и изделий
- •2.7 Защита древесины от разрушения
- •2.8 Формирование эстетических характеристик древесных материалов
- •Глава 3. Природные каменные материалы и изделия
- •3.1 Общие сведения
- •3.2 Магматические горные породы
- •3.2.1 Глубинные горные породы
- •3.2.2 Излившиеся горные породы
- •3.3 Осадочные горные породы
- •3.3.1. Породы химического происхождения
- •3.3.2. Породы органогенного происхождения
- •3.3.3 Породы обломочного происхождения
- •3.4 Метаморфические горные породы
- •3.5 Материалы и изделия из природного камня
- •3.6 Защита от коррозии природных каменных материалов и изделий в конструкциях и сооружениях
- •Глава 4. Керамические материалы и изделия
- •4.1 Общие сведения и сырье для производства керамики
- •4.2 Стеновые материалы и изделия
- •4.3 Изделия для внешней и внутренней облицовки
- •4.4 Санитарно-керамические изделия
- •4.5 Кровельные изделия
- •Глава 5. Металлы и сплавы, строительные изделия из них
- •5.1 Общие сведения
- •5.2 Основы технологии черных металлов
- •5.2.1 Производство чугуна
- •5.2.2 Производство стали
- •5.2.3 Термическая и химико-термическая обработка стали
- •5.3 Свойства сталей
- •5.4 Углеродистые и легированные стали
- •5.5 Цветные металлы и их сплавы
- •5.6 Металлические изделия и конструкции
- •5.6.1 Общие сведения
- •5.6.2 Листовая прокатная сталь
- •5.6.3 Профильная прокатная сталь
- •5.6.4 Стальные конструкции и другие изделия
- •5.6.5 Арматура
- •5.6.6 Изделия из цветных металлов
- •5.7 Коррозия металлов и методы борьбы с ней
- •Глава 6. Стеклянные и стеклокристалические материалы и изделия
- •6.1 Общие сведения
- •6.2 Листовые светопрозрачные и светорассеивающие стекла
- •6.3 Светопрозрачные изделия и конструкции
- •6.4 Отделочное стекло
- •Глава 7. Минеральные вяжущие вещества
- •7.1 Общие сведения
- •7.2 Воздушные вяжущие вещества
- •7.3 Гидравлические вяжущие
- •7.3.1 Гидравлическая известь
- •7.3.2 Цементы
- •Глава 8. Бетоны и строительные растворы
- •8.1 Общие сведения
- •8.2 Классификация бетонов
- •8.3 Материалы для тяжелого бетона и требования к ним
- •8.3.1 Вода
- •8.3.2 Заполнители для бетона
- •8.3.3 Добавки для бетонов (растворов)
- •8.4 Определение состава бетона
- •8.5 Приготовление бетонной смеси
- •8.6 Технологические свойства бетонной смеси
- •8.7 Свойства затвердевшего бетона
- •8.8 Разновидности бетонов
- •8.9 Строительные растворы
- •8.9.1 Общие сведения
- •8.9.2 Растворные смеси и их свойства
- •8.9.3 Затвердевшие растворы и их свойства
- •8. 9.4 Разновидности растворов
- •Глава 9. Сборные бетонные и железобетонные изделия
- •9.1 Общие сведения о железобетоне
- •9.2 Предварительно напряженный железобетон
- •9.3 Монолитный и сборный железобетон
- •9.4 Методы отделки поверхности железобетонных изделий и конструкций
- •9.5 Основные виды сборных железобетонных изделий
- •Глава 10. Искусственные каменные материалы на основе минеральных вяжущих веществ
- •10.1 Силикатные материалы и изделия
- •10.2 Изделия из гипсовых вяжущих
- •10.3 Асбестоцементные изделия
- •10.4 Изделия на основе магнезиальных вяжущих веществ
- •Глава 11. Строительные материалы и изделия на основе полимеров и других высокомолекулярнных органических веществ
- •11.1 Битумы
- •11.2 Дегти
- •11.3 Материалы на основе битумов и дегтей
- •11.3.1 Асфальтовые и дегтевые бетоны и растворы
- •11.3.2 Кровельные и гидроизоляционные материалы
- •11.3.3 Герметизирующие материалы
- •11.4 Полимеры и изделия на их основе
- •11.4.1 Общие сведения о полимерах
- •11.4.2 Общие сведения о пластмассах
- •11.4.3 Материалы для покрытия полов
- •11.4.4 Отделочные и конструкционно-отделочные материалы и изделия
- •11.4.5 Пластмассовые трубы и санитарно-технические изделия
- •11.4.6 Клеи и мастики
- •Глава 12. Композиционные и функциональные материалы и изделия
- •12.1 Теплоизоляционные материалы и изделия
- •12.2 Акустические материалы и изделия
- •12.3 Лакокрасочные материалы
- •12.3.1 Общие сведения
- •12.3.2 Материалы для подготовки поверхности к отделке
- •12.3.3 Материалы основного лакокрасочного слоя
- •12.3.4 Обозначения лакокрасочных материалов
Глава 7. Минеральные вяжущие вещества
7.1 Общие сведения
К минеральным вяжущим веществам относят тонкоизмельченные порошкообразные материалы (за исключением растворимого стекла), способные при затворении водой образовывать пластичное тесто, постепенно превращающееся в камневидное состояние т.е. затвердевать. Процесс перехода вяжущих веществ из пластичного состояния в твердое (камневидное) называется процессом твердения. Происходит твердение в результате очень сложных физико-химических процессов между вяжущим веществом или составляющими вяжущего вещества и водой.
В зависимости от условий твердения и сохранения камневидного состояния вяжущие вещества подразделяются на воздушные и гидравлические.
7.2 Воздушные вяжущие вещества
Воздушные вяжущие вещества могут твердеть и длительно сохранять или повышать прочность только на воздухе, т.е. в воздушно-сухих условиях. В условиях повышенной влажности их твердение замедляется или совсем прекращается, а прочность затвердевших изделий снижается. К воздушным вяжущим относят магнезиальные и гипсовые, воздушную известь, жидкое стекло, кислотоупорный цемент.
К магнезиальным вяжущим относят каустический магнезит и каустический доломит. Их изобрел в середине Х1Х столетия французский инженер по фамилии Сорель и поэтому магнезиальные вяжущие называют еще цементом Сореля.
Каустический магнезит получают обжигом при температуре 750…850оС горной породы – магнезита (МgСО3) до полного разложения ее в оксид магния (МgО) с последующим измельчением в тонкий порошок белого или желтоватого цвета. Затворяют каустический магнезит не водой, а водным раствором хлористого или сернокислого магния, сернокислого железа и других солей. Изготовленные из каустического магнезита и сосновых опилок состава по массе 3:1 (три части магнезита) изделия достигают прочности 50 МПа и выше.
Каустический доломит получают обжигом при температуре 650…750оС природного доломита (СаСО3.МgCО3) тоже с последующим измельчением в тонкий порошок. Из-за низкой температуры обжига разлагается только МgСО3 в оксид магния (МgО) а большая часть карбоната кальция остается не разложившейся так как температура его разложения выше (около 900оС). Поэтому реакционная активность каустического доломита ниже, чем магнезита а, следовательно, ниже и прочность (10…30МПа). Затворяют каустический доломит теми же растворами солей, что и магнезит.
Характерной особенностью таких вяжущих является повышенная прочность сцепления с минеральными и органическими заполнителями. Кроме того, органические заполнители в такой среде не подвергаются разложению.
Жидкое (растворимое) стекло – это водный раствор силиката натрия (натриевой соли кремниевой кислоты). Оно известно с середины ХVI в., но доступным для технического использования стало после работ Фукса (1818 г). Поэтому раньше его называли «фуксовым стеклом».
В настоящее время жидкое стекло получают при сплавлении в стекловаренных печах при температуре 1300…1400оС измельченного чистого кварцевого песка с содой (Na2СО3) или сульфатом натрия (Na2SО4). После охлаждения образующиеся куски стекла (силикат-глыбы) растворяют затем паром в автоклавах под давлением 0.6…0.8 МПа и температуре 150оС до сиропообразной консистенции. В результате образуется вязкий раствор с истинной плотностью 1.40…1.55 г/см3 называемый натриевым жидким стеклом, способным в дальнейшем растворяться в воде и затвердевать на воздухе.
Значительно реже в качестве второго компонента используется поташ (К2СО3) и тогда получают калиевое жидкое стекло. Оно более дорогое и применяется в основном для изготовления силикатных красок и клеящих составов.
В строительстве чаще всего используется натриевое жидкое стекло. Его применяют при изготовлении кислотоупорных и огнеупорных растворов и бетонов, огнезащитных красок и замазок, стабилизации грунтов и в других целях.
На основе жидкого стекла изготавливают искусственные камни. Они получаются в результате смешивания стекла с различными (чаще минеральными) наполнителями: карбонатными горными породами, кварцевым песком, древесными опилками и др. Отформованную массу помещают в раствор хлорида кальция СаСl2 или сульфата алюминия Al2(SO4)3 (алюминиевых квасцов). Это приводит к затвердеванию массы и образованию камня. Вводя в массу окрашенные добавки, получают камни, напоминающие натуральные.
Кислотоупорный цемент получают из смеси приготовленной путем совместного помола или тщательного перемешивания раздельно измельченных кварцевого песка и кремнефтористого натрия в соотношении 10:1 и затворенной на водном растворе натриевого жидкого стекла. Твердеет такой цемент в воздушно-сухих условиях и при положительной температуре. Через 28 суток прочность изделий на кислотоупорном цементе достигает 20 МПа.
Применяют кислотоупорный цемент для изготовления кислотостойких растворов, бетонов, замазок, обмазок, устройства кислотостойких полов. Изделия и конструкции из кислотоупорного раствора или бетона рекомендуется обрабатывать крепкой минеральной кислотой, например, соляной, т.е. откисловать. В результате протекания химических реакций смесь уплотняется, обезвоживается и происходит образование твердого опаловидного кремнезема (SiО2.Н2О). Прочность кислотоупорного бетона, обработанного концентрированной кислотой, достигает 50…60 МПа.
Гипсовыми вяжущими (ГОСТ 125) называют вещества, состоящие из полуводного гипса СаSO4.0.5Н2О или ангидрита СаSО4. Получение их основано на способности двуводного гипса СаSО4.2Н2О в процессе нагревания частично или полностью дегидратироваться , т.е. отдавать воду.
Первыми на такое свойство гипсового камня обратили внимание в Древнем Египте. Египтяне еще 5…6 тыс. лет тому назад заделывали швы сложенных из камней пирамид. Такие швы были обнаружены, в частности, в пирамиде Хеопса. Сырьем служил природный сернокислый известняк, залежи которого располагались близ города Алибастрон (алебастровый камень). Будучи размолот в тонкий порошок и хорошо высушенный на солнце, алебастровый камень после затворения водой вначале способен был превращаться в пластичное тесто, которое затем в течение нескольких минут затвердевало и превращалось в монолит (камень). Этим и объясняется ранее существовавшее название строительного гипса – алебастр. Позднее греки дали минералу название «гипрос», означающее «кипящий камень». Современное название «гипс» - тоже греческого происхождения - «гипсос» - мел, известняк, сернокислый камень.
В настоящее время сырьем для производства гипсовых вяжущих служат гипсовый камень (СаSО4.2Н2О) и гипсосодержащие отходы (фосфогипс, борогипс, цитрогипс и др.). В зависимости от вида и режимов термической обработки гипсового камня получают две разновидности гипсового вяжущего: α - модификацию и β - модификацию.
Если природный гипс подвергают термической обработке в герметически закрытых аппаратах и, следовательно, при повышенном давлении, то получают α - модификацию. Такое вяжущее имеет более крупнокристаллическое строение, меньшую растворимость и водопотребность, увеличенные сроки схватывания и повышенную прочность.
Гипсовое вяжущее β – модификации получают в атмосфере не насыщенной парами воды. В результате частицы вяжущего имеют капиллярно-пористую структуру, более развитую внутреннюю поверхность и более реакционноспособны. Водопотребность их выше, а прочность при той же консистенции ниже.
Основными свойствами гипсовых вяжущих α и β – модификации являются нормальная густота (водопотребность), сроки схватывания, тонкость помола и прочность.
Водопотребность гипсового вяжущего характеризуется количеством воды в % от массы вяжущего, которое необходимо для получения теста заданной подвижности. Определяется на специальном приборе – вискозиметре Суттарда. Водопотребность гипсовых вяжущих составляет 40…70%.
Гипсовые вяжущие являются быстросхватывающимися и быстротвердеющими вяжущими. В зависимости от сроков схватывания их подразделяют на три вида:
А – быстротвердеющие (начало схватывания - не ранее 2 мин., конец схватывания - не позднее 15 мин.);
Б – нормальнотвердеющие (начало схватывания - не ранее 6 мин., конец схватывания - не позднее 30 мин.);
В – медленнотвердеющие (начало схватывания - не ранее 20 мин., конец схватывания - не нормируется).
При твердении гипсовых вяжущих, в отличие от других, происходит незначительное увеличение объема (от 0,3 до 1%), что позволяет применять их без заполнителей, не опасаясь растрескивания изделий от усадки. Кроме того, это позволяет делать тонкие воспроизведения всех деталей лепной формы, что и используют широко скульпторы и архитекторы. Для придания скульптурному изделию вида «слоновой кости» слепок пропитывают раствором парафина или стеарина в бензине. Воскообразное вещество, остающееся после испарения летучих углеводородов, заполняет поры и предохраняет гипс от атмосферных воздействий.
В производственных условиях часто возникает необходимость либо замедлить либо ускорить процесс схватывания и твердения вяжущего. Достигается это путем введения соответствующих добавок. В качестве замедлителей используются ССБ (сульфитно-спиртовая барда), водный раствор столярного клея, 50% раствор уксуса и др. Ускорителями служат молотый природный гипс (1% от массы вяжущего), поваренная соль (0,5%) и др.
Тонкость помола гипсового вяжущего характеризуется остатком на сите с отверстиями размером 0,2 мм. В зависимости от тонкости помола различают три степени помола:
I –грубый помол (остаток на сите не более 23%);
II –средний помол (остаток на сите не более 14%);
III – тонкий помол (остаток на сите не более 2%).
По прочности гипсовые вяжущие подразделяются на марки: Г-2; Г-3; Г-4; Г-5; Г-6; Г-7; Г-10; Г-13; Г-16; Г-19; Г-22; Г-25. Цифры обозначают минимально допустимую прочность при сжатии в МПА образцов-балочек размером 40х40х160 мм изготовленных из гипсового теста нормальной густоты после 2х часов твердения. Для повышения прочности гипсовых изделий в состав при их приготовлении вводят полимерные добавки. Это приводит к значительному увеличению прочности, если литых гипсополимербетонов, то до 20…30 МПа, прессованных – до 60 МПа.
Маркируются гипсовые вяжущие по трем показателям – прочности, скорости схватывания и тонкости помола. Например, Г-7 А II – гипсовое вяжущее прочностью на сжатие не менее 7 МПа, быстросхватывающееся, среднего помола.
Применяются гипсовые вяжущие для изготовления перегородочных плит и панелей, вентиляционных коробов, гипсокартонных листов (сухая гипсовая штукатурка), акустических плит, растворов и различных архитектурных деталей. Их используют в условиях, не подвергающихся воздействию водной среды – с относительной влажностью воздуха до 60%.
К разновидностям гипсовых вяжущих относятся высокопрочный, формовочный, высокообжиговый (эстрих-гипс), фосфогипс, борогипс, ангидритовый цемент и др.
В настоящее время разработаны составы водостойких гипсовых вяжущих (ВГВ). Они представляют собой смешанные вяжущие вещества на основе различных модификаций гипсового вяжущего в сочетании с портландцементом (пуццолановым, шлакопортландцементом) и активными минеральными или органо-минеральными добавками. На их основе возможно получение бетонов классов В 10…В 25.
Известь строительная (ГОСТ 9179) является очень древним и в тоже время современным вяжущим веществом. Ее применяли еще 3…4 тыс. лет тому назад в Древнем Египте. За 200 лет до н. э. известь применялась при возведении китайской стены. Первые упоминания в литературе об известковообжигательных печах имеются у Катона (184 год до н. э.) и Плиния старшего (75 год до н. э.). В настоящее время известь выпускается и используется практически во всех странах мира. Мировой выпуск ее составляет более 130 млн. тонн в год.
Схема производства воздушной извести показана на рис. 7.1. Сырьем для ее получения служат широко распространенные карбонатные горные породы. Получают обжигом указанных пород при температуре 1000…1200оС. Обжиг сырья ведут в печах различных конструкций: шахтных, вращающихся, кольцевых и др. Наиболее распространены шахтные печи по пересыпному способу или с выносимыми топками. Высота их достигает 20 м. Длина вращающихся печей составляет 30…100 м при диаметре 1,8…3 м., а производительность и качество получаемого продукта выше, чем у шахтных.
В процессе обжига СаСО3 и МgСО3 разлагаются на оксиды кальция (СаО) и магния (МgО) и углекислый газ (СО2). Углекислого газа выделяется до 44% по массе. Следовательно, продукт обжига имеет пористую структуру плотностью 900…1000 кг/м3 и носит название комовой или молотой (в случае помола) негашеной извести (кипелки). При помоле комовой извести в ее состав можно вводить различные добавки (шлаки, золы, песок, пемзу, известняк и др.). Они, как правило, улучшают качество смешанного известкового вяжущего.
В зависимости от содержания оксидов кальция и магния воздушную известь подразделяют на кальциевую (содержание МgО не более 5%), магнезиальную (МgО не более 20%) и доломитовую (МgО – 20…40%).
Гашеную или гидратную известь - Са(ОН)2 получают гашением извести-кипелки с определенным количеством воды.
СаО + Н2О = Са(ОН)2 + Q, ( 7.1 )
где Q – количество теплоты, равное 1160 кДж на 1 кг оксида кальция.
Выделение тепла при гашении извести вызывает вскипание воды и образование пара, что послужило основанием называть негашеную известь «кипелкой».
Если воды для гашения извести берут 40…70%, то получают тонкий рыхлый порошок со значительным увеличением в объеме (в 2,5…3 раза), называемый – «известь-пушонка». При избытке воды (в 3…4 раза больше, чем извести) продукт гашения переходит в «известковое тесто», если в 5…7 раз больше – получают «известковое молоко».
В зависимости от скорости гашения различают известь:
быстрогасящуюся (со скоростью гашения не более 8 минут);
среднегасящуюся (до 25 минут);
медленногасящуюся (не менее 25 минут ).
За скорость гашения принимается время, прошедшее от момента приливания воды к извести до начала снижения максимальной температуры.
Качество извести определяется ее активностью, количеством непогасившихся зерен, скоростью гашения, выходом извескового теста, тонкостью измельчения и другими показателями.
Чем больше суммарное содержание в извести оксидов кальция и магния (СаО+МgО), тем выше ее активность и качество. Активность высококачественных сортов маломагнезиальной извести может достигать 93…97 %, негашеной извести с добавками – 55…65 %.
Выход известкового теста определяется его количеством, получаемым при гашении 1 кг извести. Чем выше выход теста, тем оно пластичнее и тем больше его пескоемкость. Высококачественные сорта извести при правильном гашении характеризуются выходом теста в 2,5…3,5 литра и больше. Такую известь называют жирной. Известь с меньшим выходом теста называют тощей.
Известковое тесто твердеет по мере испарения воды. В результате образуется пересыщенный раствор Са(ОН)2, из которого выпадают кристаллы, скрепляющие отдельные частицы в единый монолит. Процесс твердения растягивается на годы и десятилетия. Поэтому в реальные сроки строительства прочность затвердевшей извести сравнительно низкая, не превышает 0,5…5 МПа и нормативными документами не нормируется. Тем не менее, прочность воздушной извести тоже является важной характеристикой и не учитывать ее нельзя.
Если на затвердевшее известковое тесто будет действовать влага, то оно вновь может перейти в пластичное состояние. Однако при длительном твердении (десятилетиями) известь приобретает довольно высокую прочность и удовлетворительную водостойкость. Причиной этому служат процессы карбонизации:
Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3 + Н2О ( 7.2 )
В результате образуется нерастворимый в воде и довольно прочный карбонат кальция.
Применяется строительная известь для приготовления кладочных и штукатурных растворов и силикатных материалов и изделий.