34 Силикатный кирпич
Силикатный кирпич – это искусственный каменный материал, изготовляемый прессованием увлажненной смеси, состоящей из известково-кремнеземистого вяжущего и песка с последующим твердением в автоклаве.
Технология. Сырьевые материалы – воздушная известьCaOи кварцевый песокSiO2. Известь размалывают совместно с кварцевым песком в соотношении примерно 1:1 в шаровых мельницах (рисунок 6) и получают известково-кремнеземистое вяжущее.
Вяжущее смешивают с немолотым песком-заполнителем и водой в соотношении: вяжущее – 15–20 %, песок – 80–85 %; вода – 6–8 % сверх сухих компонентов. Полученную смесь гасят в цилиндрических в плане ёмкостях (силосах), где происходит гидратация извести:
CaO+H2O=Ca(OH)2 +Q
После гашения смесь вновь увлажняют до 6–8 %. Из полученной смеси при удельном давлении 15–40 МПа прессуют кирпич аналогично керамическому кирпичу полусухого прессования (рисунок 4), укладывают на вагонетки и направляют в автоклав, где его обрабатывают паром при температуре 175–190 °С и давлении 0,9–1,3 МПа. Автоклав представляет собой горизонтально расположенный длинный цилиндр с крышками по торцам и рельсами для вагонеток внизу. Длительность цикла запаривания – 10–14 ч. В автоклаве происходит взаимодействие извести, молотого песка и воды:
mCaO + nSiO2 + pH2O = mCaO×nSiO2×pH2O
Образующиеся гидросиликаты mCaO×nSiO2×pH2Oскрепляют, цементируют между собой зерна немолотого песка-заполнителя и обеспечивают кирпичу прочность. После автоклавной обработки кирпич с запарочных вагонеток укладывают на поддоны для транспортировки на строительные объекты.
Характеристика. Размеры силикатного кирпича:
250 ´ 120 ´ 65 – кирпич одинарный;
250 ´ 120 ´ 88 – кирпич утолщенный;
250 ´ 120 ´ 138 – камень (двойной кирпич).
По пустотности изготавливают изделияполнотелыеипустотелые (с пустотами в виде несквозных отверстий). Кирпич изготавливают полнотелым и пустотелым, а камни – только пустотелыми.
Силикатные кирпичи и камни по прочности делят намарки75, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300 (прочность при сжатии 10–30 МПа). По морозостойкости в водонасыщенном состоянии изделия делят на маркиF15,F25,F35,F50 (15–50 циклов).
Применение.Силикатный кирпич применяют так же, как и керамический, для кладки каменных и армокаменных конструкций. В связи с недостаточной водостойкостью силикатный кирпич нельзя применять для фундаментов, для стен зданий и помещений с мокрым режимом эксплуатации (бань, прачечных и т.д.) без специальных мер защиты от увлажнения. Из-за разложения гидросиликатов силикатный кирпич нельзя применять при температуре выше 500 °С, т.е. для кладки печей, газоходов, дымовых труб и т.п.
35 Ячеистый бетон
Ячеистый бетон – это искусственный каменный материал, содержащий большое количество замкнутых сферических пор-ячеек – до 50–90 %. За счёт этого он обладает низкой теплопроводностью, средней плотностью. По сути это не бетон, т.к. в нём нет крупного заполнителя, а раствор (вяжущее, мелкий заполнитель и вода) вспученный газами (газобетон) или смешанный с пеной (пенобетон).
Автоклавный газобетон. Если в качестве вяжущего используется воздушная известь CaO, то она может эффективно, достаточно быстро твердеть только в автоклаве при взаимодействии сSiO2 песка, золы, как в силикатном кирпиче (см. выше). Дополнительно в качестве вяжущего в автоклавном газобетоне может содержаться ПЦ.
Известь и песок раздельно размалывают в шаровых мельницах. Для удаления парафиновых пленок с частичек алюминиевой пудры ее перемешивают в горячей воде с ПАВ (стиральный порошок, мыло и др). В самоходную газобетономешалку дозируют горячую воду, молотый песок, цемент, известь и перемешивают. Затем в смесь вливают водно-алюминиевую пасту, перемешивают и заливают в металлические формы. В результате реакции между алюминием, известью и водой выделяется водород, который вспучивает смесь:
2Al + 3Ca(OH)2 + 6H2O = 3CaO· А l2O3·6H2O + 3H2
После схватывания газобетонной массы ее струнами разрезают на теплоизоляционные плиты или стеновые блоки, а у стеновых панелей срезают горбушку (неровную верхнюю часть).
При твердении газобетонных изделий в автоклавах в среде насыщенного водяного пара при температуре 175–190 °С и давлении 0,9–1,3 МПа резко ускоряется гидратация, твердение портландцемента, происходит взаимодействие молотого песка с известью и портландцементом. Аналогично силикатному кирпичу, прочность автоклавному газобетону обеспечивают в основном гидросиликаты кальция mCaO×nSiO2×pH2O.
Неавтоклавный газобетон. Изготавливается в настоящее время на большинстве малых предприятий небольшой мощности. В этом случае в качестве вяжущего используется не известь, а ПЦ. Газобетон на ПЦ может твердеть естественным образом, или, с целью ускорения, пропариваться при атмосферном давлении в пропарочных камерах при температурах до 80–90 °С. С целью исключения затрат на помол желательно применять природные мелкие пески. Так как смесь не содержит известь, то с целью протекания реакции газовыделения в состав газобетона вводят раствор щёлочи NaOH.
Технология пенобетона отличается от технологии газобетона тем, что вместо водно-алюминиевой пасты готовят пену интенсивным смешиванием пенообразователя с водой. Затем вместо водно-алюминиевой пасты в смесь, также в последнюю очередь, вводят пену и снова перемешивают. Приготовленную пенобетонную смесь разливают в формы и осуществляют те же операции, что и при производстве газобетона. По способу твердения пенобетон, так же, как газобетон, может быть автоклавным и неавтоклавным.
Применение ячеистого бетона. Чем выше пористость, тем ниже средняя плотность (rо) и прочность (Rcж) ячеистого бетона. В зависимости от этих показателей изделия из ячеистого бетона делят на:
– теплоизоляционные: rо= 300…500 кг/ м3;
– конструкционно-теплоизоляционные: rо= 500¼900 кг/м3;
– конструкционные: rо= 900¼1200 кг/м3.
36 Гипсовые и гипсобетонные изделия
Получают на основе строительного гипса CaSO4·0,5H2O.
Гипсовыми называют изделия из гипсового теста, т.е. из смеси гипса и воды. Для увеличения прочности при изгибе и уменьшения хрупкости в гипсовые изделия могут вводиться волокнистые наполнители из бумажной макулатуры, синтетических, минеральных или стеклянных волокон.
Гипсобетонными называют изделия из смеси гипса, воды и заполнителей. Заполнители могут быть неорганическими (песок, пемза, туф, керамзит, шлак и др.) или органическими (древесные опилки и стружка, сечка из соломы и др.).
К достоинствам изделий на основе гипса относится способность легко формоваться и быстро твердеть в обычных условиях, низкая тепло- и звукопроводность, достаточная прочность.
Технология включает приготовление гипсового теста или гипсобетонной смеси и формование. На основе гипса получают в основном следующие изделия:
– плиты для перегородок из гипса или гипсобетона с пазами и гребнями для упрощения устройства перегородок;
– облицовочные декоративные плиты и другие изделия из гипсового теста;
– гипсоволокнистые листы (ГВЛ) из гипсового теста с волокнистыми наполнителями для внутренней отделки стен, потолков;
– гипсокартонные листы (ГКЛ) отличаются от ГВЛ тем, что оклеены с обеих поверхностей картоном.
22 Портландцемент
Портландцемент (ПЦ) – это гидравлическое вяжущее вещество, серый порошок, получаемое совместным помолом ПЦ клинкера и около 5 % двуводного гипса. ПЦ клинкер получают из известняка (около 75 %) иглины (около 25 %).
Известняк дробят, а затем размалывают вместе с глиной сухим или мокрым (с 35–45 % воды) способами в шаровых мельницах (рисунок 9). Полученную сырьевую смесь обжигают во вращающихся печах, аналогичных печам для обжига керамзита (рисунок 6), но имеющих значительно бóльшие размеры – длину до 185 м и диаметр до 5 м.
В печи известняк СаСО3 разлагается и образуетсяCaO. Компоненты глины, разлагаясь, образуют оксидыSiO2,Al2O3, иFe2O3. СаО взаимодействует с оксидами глины. Максимальная температура в печи 1450 °С. При этой температуре завершается взаимодействиеCaOс другими оксидами, в результате чего образуются минералы, называемые клинкерными:
– 3CaO×SiO2(С3S)1– трехкальциевый силикат (алит);
– b-2CaO×SiO2(b-С2S) – бета-двухкальциевый силикат (белит);
– 3CaO×Al2O3(С3А) – трехкальциевый алюминат;
– 4CaO×Al2O3×Fe2O3 (С4АF) – четырехкальциевый алюмоферрит.
Клинкер представляет собой округлые гранулы размером 5–40 мм. Для получения ПЦ клинкер размалывают совместно с двуводным гипсовым камнем СаSО4×2Н2О (около 5 %) в шаровых мельницах (см. выше) и отгружают потребителям в вагонах-цементовозах, автомобилях-цементовозах, мешках.
23 ПЦ делят на марки 400, 500, 550, 600 – прочность при сжатии 40–60 МПа образцов из ПЦ и песка 1:3 через 28 суток твердения (одни сутки на воздухе и 27 – в воде).
Твердение ПЦ. Обусловлено взаимодействием с водой клинкерных минералов:
(С3S, b-С2S, С3А, С4АF) +H2O
Образующиеся гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция обеспечивают по мере их накопления схватывание и твердение ПЦ.
Применение ПЦ – для получения бетонных и железобетонных изделий, растворов, работающих в надземных, подземных и подводных условиях в промышленном, гражданском, дорожном и гидротехническом строительстве.
Шлакопортландцемент. Если при помоле вместо 21–80 % клинкера добавляют гранулированный доменный шлак, то полученный цемент называют шлакопортландцемент (ШПЦ). По свойствам он близок к обычному ПЦ и имеет марки 300, 400, 500, 550.
27 Определение и общая классификация бетонов
Бетоном называют искусственный каменный материал, получаемый в результате твердения правильно подобранной, тщательно перемешанной и уплотненной смеси вяжущего вещества, воды, заполнителей и в необходимых случаях — специальных добавок. Смесь из указанных выше компонентов до начала ее затвердевания называют бетонной смесью.
По назначению различают следующие бетоны: обычный, гидротехнический, бетон для транспортного строительства, дорожный, жаростойкий, конструкционно-теплоизоляционный, коррозионно-стойкий.
В зависимости от средней плотности различают особо тяжелые, тяжелые, легкие и особо легкие
По виду вяжущего бетоны подразделяют на цементные, на известковых вяжущих, гипсовые, шлакощелочные, полимерные.
По виду применяемых заполнителей в бетонах они бывают на плотных, пористых и специальных заполнителях.
По крупности зерен заполнителей различают бетоны мелкозернистые и крупнозернистые.
В зависимости от характера структуры выделяют следующие виды бетонов.
Бетоны плотной (слитной) структуры, в которых пространство между зернами заполнителей полностью занято затвердевшим вяжущим веществом.
Крупнопористые бетоны (беспесчаные или малопесчаные), в которых значительная часть объема межзерновых пустот остается не занятой мелким заполнителем и затвердевшим вяжущим.
Поризованные бетоны, в которых пространство между зернами заполнителей занято вяжущим веществом, поризованным пенообразующими или газообразующими добавками.
Ячеистые бетоны — бетоны с искусственно созданными ячейками-порами, состоящие из смеси вяжущего вещества, токодисперсного кремнеземистого компонента и породообразующей добавки.
По условиям твердения бетоны подразделяют на:
- бетоны естественного твердения, твердеющие при температуре 15-20 °С и атмосферном давлении;
- бетоны, подвергнутые с целью ускорения твердения тепловой обработке (70-90 °С) при атмосферном давлении;
- бетоны, твердеющие в автоклавах при температуре 175-200 °С и давлении пара 0,9-1,6 МПа.
24 Коррозия цементного камня возникает под действием каких-либо агрессивных сред, например:
• коррозии мягкими водами (щелочной средой); мягкими называют воды с жесткостью менее 4 мг экв/л, способные растворять Са(ОН)2;
• коррозии водами, содержащими свободные кислоты (кислой средой);
• коррозии магнезиальными водами, т.е. водами с содержанием катионов Мg2+ свыше 5000 мг/л;
• коррозии водами, содержащими сульфаты, ион SO42-;
• коррозии водами, содержащими свободную углекислоту СО2.
По характеру процессов, протекающих в цементном камне, находящемся в агрессивной среде, различают три основных вида коррозии.
1 Коррозия первого вида (выщелачивание) коррозия в пресных (мягких) водах характеризуется растворением составных частей цементного камня и в первую очередь гидроксида кальция Са(ОН)2. Чем мягче вода, тем больше она растворяет извести. Наиболее сильное растворяющее действие оказывает дистиллированная и близкая к ней по составу вода.
Все другие гидросиликаты и гидроалюминаты кальция могут существовать стабильно в цементном камне только при определенной концентрации гидроксида кальция в окружающей среде. При выщелачивании гидроксида кальция из бетона может наступить такой момент, когда начнут разлагаться гидросиликаты и гидроалюминаты кальция.
Для защиты бетона от коррозии первого вида следует применять портландцемент с активными минеральными добавками, пуццолановый портландцемент, а также портландцементы, которые при твердении выделяют минимальное количество Са(ОН)2 белитовые цементы, содержащие пониженное количество трехкальциевого силиката.
В условиях фильтрации большое значение приобретает плотность бетона, его водонепроницаемость и мероприятия по внешней защите бетона от проникания в него фильтрующейся воды: облицовка, нанесение водостойких и водонепроницаемых покрытий.
2 Для коррозии второго вида типичны процессы взаимодействия между составляющими цементного камня и веществами, находящимися в агрессивном растворе-среде, с образованием либо легко растворимых солей, вымываемых движущимся раствором средой, либо аморфных продуктов, не обладающих вяжущими свойствами.
Наиболее часто наблюдается коррозия бетона под действием углекислых вод.
3 Коррозия третьего вида характеризуется тем, что продукты химических реакций между цементным камнем и агрессивным раствором накапливаются в порах и трещинах бетона и кристаллизуются в них, разрушая цементный камень.
Примером такого вида коррозии является разрушение цементного камня под влиянием сульфатов, которые встречаются в большинстве природных вод, в частности, морских.
В случае возможной сульфатной агрессии следует применять цементы определенного минералогического состава со значительно пониженным содержанием трехкальциевого алюмината и несколько уменьшенным содержанием трехкальциевого силиката.
Повышает стойкость бетона карбонизация, имеющая место при длительном выдерживании бетона на воздухе.
Необходимо также стремиться к получению возможно более плотного бетона. Кроме того, изолируют наружные поверхности бетона малопроницаемыми для воды покрытиями гидроизоляциями, наносят цементные штукатурки, облицовывают естественным камнем и другими материалами.
25 Активные минеральные (иначе гидравлические) добавки могут быть природными и искусственными. К природным активным минеральным добавкам относят некоторые осадочные горные породы (диатомит, трепел, опоку, глиежи — естественно обожженные глинистые породы), а также породы вулканического происхождения (вулканический пепел, туф, пемзу, трасс). В качестве искусственных активных минеральных добавок используют побочные продукты и отходы промышленности: быстроохлажденные (гранулированные) доменные и электротермофосфориые шлаки, топливные золы и шлаки, нефелиновый шлам (побочный продукт производства глинозема, состоящий на 80 % из двухкальциевого силиката), обожженные при температуре до 800 °С глины (глиниты, цемянка) и др.
Воздушная известь приобретает гидравлические свойства, а портландцемент — специальные свойства и более низкую себестоимость.
В зависимости от вида активной минеральной добавки и ее количества портландцемента с минеральными добавками разделены на три вида: портландцемент с минеральными добавками (ПЦД), пуццолановый портландцемент (ППЦ) и шлакопортландцемент (ШПЦ).
Портландцемент с минеральными добавками (ПЦД) получают измельчением клинкера, минеральных добавок и гипса. Предельно допустимое содержание минеральных добавок в цементе не должно превышать 20%.
Портландцемент с минеральными добавками имеет разновидности: быстротвердеющий портландцемент ПЦД-Б (ГОСТ 10178—85) и сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками — СПЦД (ГОСТ 22266—76).
Пуццолановый портландцемент изготовляют путем совместного тонкого помола клинкера, содержащего не более 8 % С3А, необходимого количества гипса и активной минеральной добавки 20...40 %, или тщательным смешиванием тех же материалов, измельченных раздельно.
Шлакопортландцемент (ШПЦ) изготовляют так же, как и пуццолановый портландцемент, но в качестве активной минеральной добавки используют доменные гранулированные шлаки, содержание которых должно быть не менее 21 % и не более 80% от массы цемента.
Сульфатостойкий шлакопортландцемент входит в группу сульфатостойких цементов (ГОСТ 22266—76). Повышенная сульфатостойкость этого цемента обеспечивается применением клинкера и гранулированного шлака, в которых А12Оз не более 8%. Другие минеральные добавки, кроме шлака, не допускаются. При таком составе вяжущего в затвердевшем камне преобладают низкоосновные гидросиликаты и гидроалюминаты кальция и практически отсутствует свободный гидроксид кальция, что и способствует повышению сульфатостойкости шлакопортландцемента по сравнению с портландцементом.
26 Наряду с обычным портландцементом выпускают большое количество его разновидностей: быстротвердеющий, пластифицированный, гидрофобный, сульфатостойкий, белый и цветной.
Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) характеризуется более быстрым нарастанием прочности в первые 3 сут. твердения. При помоле БТЦ допускается введение активных минеральных добавок (не более 15 %) или доменных гранулированных шлаков (до 20 % по массе цемента).
Быстротвердеющие портландцемент марок 400 и 500 целесообразно применять при изготовлении сборных высокопрочных обычных и предварительно напряженных железобетонных изделий и конструкций. Применение быстротвердеющего портландцемента при возведении сооружений из монолитного бетона позволяет значительно сократить сроки выдержки конструкций в опалубке. В ряде случаев применять БТЦ нельзя. Из-за высокого содержания в клинкере C3S и С3А при гидратации образуется большое количество Са(ОН)2 и гидроалюминатов кальция, что делает цементный камень не стойким к химической коррозии. Поэтому БТЦ применяют лишь для конструкций, работающих в неагрессивной среде.
Из бетона, изготовленного на БТЦ, не выполняют массивные конструкции.
Для ускорения твердения бетона применяют также цементы с добавками - крентами. При помоле клинкера обычного портландцемента вводят 2...5 % добавок. Они не только ускоряют твердение, но и повышают прочность цемента на 5... ...10 МПа, т. е. на целую ступень. Применение таких цементов на заводах и стройках позволит отказаться от пропаривания изделий и тем самым сократить затраты топлива и электроэнергии.
Пластифицированный портландцемент (ППЦ) получают помолом портландцементного клинкера вместе с гипсом и пластифицирующими добавками в виде концентрата сульфитно-спиртовой барды (ССБ) или кальциевой соли лигносульфоновой кислоты (ЛСТ) и других добавок в количестве 0,15...0,25 % от массы цемента. Эффект пластификации используют для уменьшения воды в бетоне и растворе, повышения их плотности, морозостойкости и водонепроницаемости. ППЦ рекомендуется для изготовления бетонов, используемых в дорожном, аэродромном и гидротехническом строительстве.
Гидрофобный портландцемент (ГПЦ) получают путем введения при измельчении клинкера 0,1...0,3 % мылонафта, асидола, синтетических жирных кислот и других гидрофобизирующих добавок.
Цементные зерна, покрытые с поверхности тонким слоем гидрофобного вещества, не поглощают влагу из атмосферы, и, следовательно, при хранении на воздухе не происходит гидратация зерен цемента. При длительном хранении портландцемента с гидрофобизирующей добавкой активность его снижается незначительно.
Портландцемент этого вида несколько замедленно схватывается и набирает прочность по сравнению с обычным портландцементом. Его применяют в гидротехническом, дорожном и аэродромном строительстве.
Белый и цветные портландцемента отличаются от обычного главным образом белым цветом или окраской чистых тонов, что позволяет использовать их в декоративных целях. В виде растворов и бетонов на белых и цветных заполнителях их применяют для облицовки панелей и блоков, наружной и внутренней архитектурной отделки зданий и сооружений различного назначения, при изготовлении плит для полов, ступеней, скульптур, а также для приготовления цементных красок.
Грязноватый темно-серый цвет обычного портландцемента обусловлен высоким содержанием в нем оксидов железа, марганца, хрома и т. д., заметно влияющих на окраску цемента.