Классификация вяжущих материалов.
. Вяжущие вещества делят на две группы: неорганические; органические.
Неорганическими называют тонкомолотые материалы, способные при смешивании с водой образовывать вязко-пластичную массу, которая постепенно затвердевает, превращаясь в прочное камневидное тело. Для них характерны следующие признаки: гидрофильность, способность образовывать с водой тестообразную легко формующуюся массу (тесто), способность переходить из тестообразного состояния в твердое.
К ним относятся известь, гипс, цемент, предназначенные для изготовления строительных растворов и бетонов, а также изделий из них.
Органические вяжущие гидрофобны. В отличие от неорганических, в рабочее состояние они переходят при нагревании или размягчении в органических жидкостях. К органическим вяжущим относят — битумы, смолы, дегти, пеки, применяемые для производства асфальтобетонов рулонные кровельных и гидроизоляционных материалов.
Неорганические вяжущие материалы
Все строительные минеральные вяжущие вещества в зависимости от их основного свойства твердеть и длительно противостоять воздействию различных факторов окружающей среды делят на три основные группы:воздушные, гидравлические, кислотостойкие.
Воздушные вяжущие вещества характеризуются тем, что при взаимодействии с водой, твердеют и длительно сохраняют прочность лишь в воздушной среде. При систематическом увлажнении бетоны, изделия и конструкции на воздушных вяжущих сравнительно быстро теряют прочность и разрушаются. К воздушным вяжущим веществам относят гипсовые и магнезиальные вяжущие, а также воздушную известь.
Гидравлические вяжущие вещества
Гидравлические вяжущие вещества после затворения их водой способны твердеть, а после предварительного твердения на воздухе продолжать сохранять и наращивать свою прочность в воде. В группу гидравлических вяжущих входят портландцемент и его разновидности,, пуццолановые и шлаковые вяжущие, глиноземистый цемент и расширяющиеся цементы, гидравлическая известь и романцемент. Их используют как в надземных, так и в подземных и подводных конструкциях.
Вяжущие автоклавного твердения
Наряду с воздушными и гидравлическими вяжущими веществами в отдельную группу выделены вяжущие автоклавного твердения. Они наиболее эффективно твердеют при автоклавной обработке при давлении насыщенного пара 0,8…1,5 МПа. К их числу, относят известково-кварцевое, известково-шлаковые вяжущие и другие смеси, не способные к интенсивному твердению при 20…95°С.
Кислотостойкие вяжущие
К кислотостойким вяжущим веществам относится кислотоупорный кварцевый кремнефтористый цемент, представляющий собой тонкомолотую смесь кварцевого песка и кремнефтористого натрия, затворяемую водным раствором силиката натрия или калия. Это вяжущее после начального твердения в воздушной среде может длительное время сопротивляться агрессивному воздействию неорганических и органических кислот, кроме фтористо-водородной.
Органические вяжущие вещества
Асфальт
Асфальт — искусственное или природное органическое вяжущее вещество; смесь битума и минеральных материалов: известняка, песчаника. Асфальт применяется в смеси с песком, гравием, щебнем для строительства дорог и как гидроизоляционный материал.
Битум
Битум — природное или искусственное органическое вещество, состоящее из смеси высокомолекулярных углеводородов и их производных, содержащих кислород, серу, азот и комплексные соединения металлов. Битумы применяются в дорожном и жилищном строительстве, лакокрасочной и химической промышленности.
Дегти
Дегти — органические вяжущие вещества, состоящие из высокомолекулярных ароматических углеводородов и их кислотных, азотистых и серных производных.
Основные требования, которым должны соответствовать органические вяжущие, чтобы они в период объединения с твердым материалом обладали вязкостью, позволяющей хорошо его смачивать, обволакивать, образуя водоустойчивую пленку, чтобы они не изменяли свои свойства во времени. Органические вяжущие применяют для устройства дорожных покрытий автомобильных дорог, автомагистралей, скоростных дорог, городских улиц и дорог, аллей и дорожек садов и парков, тротуаров, площадок для стоянки транспорта, площадок для контейнерных терминалов в портах или на железнодорожных станциях, проезжих частей и тротуаров мостов и эстакад, сложных развязок и пересечений автодорог в разных уровнях, полов промышленных зданий.
Неорганические вяжущие строительные материалы
Лекция № 6.
Неорганические вяжущие строительные материалы.
Классификация неорганических вяжущих материалов.
Основы твердения вяжущих материалов. Коррозия цементного камня и бетона
Неорганическими вяжущими материалами называются системы, состоящие из одного или нескольких неорганических веществ, превращающихся в реакциях с водой в камневидные тела.
Признаки неорганических вяжущих материалов:
1) Гидрофильность (хорошая смачиваемость водой);
2) способность образовывать вяжущее тесто;
3) Пластичность вяжущего теста (способность к деформации)
4) способность переходить в твердое состояние без постороннего воздействия.
Классификация неорганических вяжущих материалов:
1. По отношению к воде:
Неорганические вяжущие материалы воздушные гидравлические в реакциях с водой превращаются в камень, способны сохранять прочность только на воздухе в реакциях с водой превращаются в камневидные тела. Прочность камневидных тел сохраняется на воздухе, в воде и под водой (воздушная известь, строительный гипс, магнезиальный цемент, портландцемент, глиноземистый цемент)
Классификация неорганических вяжущих материалов:
2. По скорости твердения неорганические вяжущие материалы быстротвердеющие медленнотвердеющие, например, гипс (время его твердения составляет несколько десятков минут) например, портландцемент (время его твердения составляет несколько дней).
Физико-химические свойства неорганических вяжущих веществ:
Неорганические вяжущие должны обладать высокой степенью дисперсности (быть хорошо измельчены). Чем выше степень дисперсности вяжущего, тем больше общая площадь поверхности частиц.Поверхностные молекулы, обладая повышенной энергией, активно взаимодействуют с водой, поэтому материал быстрее набирает прочность. Для того чтобы облегчить процесс измельчения вяжущего, используют специальные поверхностно-активные добавки — диспергаторы.
Диспергаторы. На цементных заводах для интенсификации помола применяют мылонафт, асидол, кубовые остатки синтетических жирных кислот. Добавки вводят в мельницы в количестве 0,05 — 0,3 % от веса измельчаемого материала. Такие вещества адсорбируются на поверхности раздела, в результате ослабевают связи между молекулами твердого вещества, оно легче измельчается. Диспергаторы предотвращают повторное слипание мелких частиц друг с другом и налипание частиц на стенки мельниц и поверхности шаров в шаровых мельницах.
Неорганические вяжущие должны быть пластичными, т.е. способными изменять свою форму под действием усилия и сохранять её после снятия нагрузки. Чем выше пластичность вяжущего, тем более плотным, а значит прочным, водо-, коррозионно- и морозостойким будет затвердевший материал. Для повышения пластичности используют специальные пластифицирующие добавки:
Пластифицирующие добавки: воздухововлекающие, гидрофилизующие, гидрофобизующие, при перемешивании смеси вяжущего создают пену, вовлекая воздух в смесь. Вовлеченный воздух увеличивает объем вяжущего теста, снижает внутреннее трение смеси и ее структурную вязкость, повышает пластичность и удобоукладываемость бетонной смеси улучшают смачивание частиц вяжущего водой. Например, лигносульфонаты. Молекулы лигносульфонатов адсорбируются на поверхности частиц вяжущего, при этом нарушается строгая ориентация молекул воды в тонких пленках и облегчается их взаимодействие со «свободной» водой. Это облегчает перемещение частиц вяжущего относительно друг друга и повышает пластичность смеси. Облегчают перемещение частиц вяжущего не только друг относительно друга, но и относительно частиц заполнителя, поэтому они эффективны для смесей с низким содержанием вяжущего и большой долей заполнителя. Эти добавки не только увеличивают пластичность смеси, они снижают количество воды, необходимое для приготовления цементного теста, а также несколько замедляют время схватывания. Например, мылонафт, асидол, натриевые мыла смоляных кислот
Химические процессы при получении вяжущих веществ:
Реакции разложения твердых веществ с удалением летучих продуктов. Это реакции дегидратации и декарбонизации. Например: получение извести, глиноземистого цемента.
2. Гетерогенные реакции твердого вещества с жидкой фазой (расплавом). Например: реакции образования силикатов и алюминатов, протекающие при производстве щелочносиликатных вяжущих веществ.
3. Гетерогенные реакции между частицами твердых веществ в отсутствие жидкой фазы. Например: реакции образования силикатов, алюминатов и ферритов кальция, протекающих при производстве портландцемента.
Основы твердения неорганических вяжущих материалов:
Основные стадии твердения вяжущих материалов, по теории А. Байкова твердение вяжущих веществ идет в три стадии:
1) Стадия затворения (насыщения) соответствует замешиванию порошкообразного вяжущего с водой. Здесь идут процессы растворения вяжущего и образование насыщенного раствора, процессы гидролиза и гидратации. Для затворения берут ограниченное количество воды, необходимое для образования пластичной массы. Прочности пока нет.
2) Стадия схватывания (коллоидации) соответствует потере пластичности тестом, характеризуется выделением малорастворимых веществ из насыщенных растворов в коллоидном состоянии в виде гелей. Конец схватывания характеризуется полной потерей эластичности. Нарастает прочность, т.к. между веществами образуются кристаллические сростки.
3) Стадия твердения (кристаллизации) соответствует нарастанию механической прочности и образованию камневидного тела, что происходит за счет кристаллизации коллоидных частиц из очень мелких в более крупные кристаллы, которые срастаются между собой, образуя твердый материал.
Воздушные вяжущие.
Воздушные вяжущие известковые вяжущие вещества гипсовые вяжущие вещества.
Вяжущие материалы
Неорганические вяжущие — гипсовый цемент, известь, портландцемент и глина — под влиянием внутренних физико-химических процессов способны превращаться из жидкого или тестообразного состояния в твердое, связывая при этом в единое целое другие материалы.
Различают два вида вяжущих материалов — твердеющие только на воздухе — воздушные и материалы, на свойства которых после начала схватывания вода не может оказать отрицательного воздействия, а в некоторых случаях оказывает даже положительное воздействие — гидравлические. К воздушным относится глина, гипс и воздушная известь ( во влажных условиях они размокают и теряют прочность). К гидравлическим — гидравлическую известь и цементы.
Гипсовый цемент. Гипсовые цементы изготавливаются из природного гипсового камня путем дробления, измельчения, обжига в тигельной или непрерывно действующей печи и помола полученного продукта в тонкий порошок. Температура обжига не превышает 190° C, так что дегидратация гипса оказывается неполной. При схватывании гипсового цемента происходит гидратация с возвратом к исходной форме природного гипса (гидратированного сульфата кальция). Гипс — превосходный огнестойкий материал. Под действием огня выделяется гидратационная вода, и поверхность гипса покрывается порошком, защищающим глубинные слои. Стены и потолки помещений часто облицовывают гипсовыми листами.
Цемент
Цемент — наиболее распространенный вяжущий материал, позволяющий получать изделия и конструкции высочайшей прочности. Цемент — результат мелкодисперсного измельчения продуктов спекания одного из видов глины — мергеля или смеси известняка и глины. Процесс спекания ведется в специальных печах.
При измельчении к продуктам спекания делаются дозированные добавки гипса, шлака, песка и других компонентов, что позволяет получать цемент с самыми различными свойствами.
В зависимости от исходного сырья и введенных добавок цементы подразделяют на портландцементы и шлакопортландцементы. Среди потрландцементов выделяют быстротвердеющие и портландцементы с минеральными добавками.
Бетонные конструкции, в которых используется та или иная марка цемента могут приобретать уникальные свойства. Прежде всего это особо прочные бетоны, например, для взлетных полос аэродромов и ракетно-стартовых площадок, морозо-, огне- и солеустойчивые марки. Для обозначения максимальных прочностных качеств цемента применяется понятие марка. Марка 400 обозначает, что в заводской лаборатории при пробном испытании затвердевшего цементного кубика с ребром 100 мм при раздавливании на прессе он выдержал нагрузку не менее 400 кг/см 2 . Наиболее распространенными являются марки от 350 до 500. Изготавливаются же марки цемента до 600-й и даже 700-й марки.
Все цементы имеют достаточно быстрое время твердения. Начало твердения — схватывания — лежит в пределах 40 – 50 мин, а конец твердения около 10 – 12 часов.
Портландцемент
Изобретение портландцемента было запатентовано в 1824 Дж. Эспдином, каменщиком из Лидса (Англия), который дал ему это название, поскольку цемент походил на природный камень, добывавшийся на о. Портленд. Портландцемент по масштабам своего применения уступает лишь стали.
Портландцемент изготавливается совместным тонким измельчением клинкера, гипса и активных добавок. (Клинкер состоит в основном из силикатов кальция и получается обжиганием до спекания сырьевой смеси из известняка и глины.) В работе с портландцементом важное значение имеет проверка качества. Она проводится с образцом чистого цементного теста, помещаемым в автоклав. По увеличению длины образца можно судить о расширении цемента при схватывании. Объемный вес портландцемента в рыхлом состоянии равен 1000 – 1100 кг/м 3 , а в уплотненном — 1400 – 1700кг/м 3 . Удельный вес колеблется в пределах 3,05 – 3,15 г/см 3 .
Прочные цементы. Разработаны цементы, прочность которых выше, чем обычных гидравлических, в том числе и портландцементов, и в отдельных случаях приближается к прочности керамических материалов. Главным принципом при их разработке было уменьшение отношения воды к цементу при сохранении необходимой пластичности цементного теста.
Известь
Известь выпускается в двух видах: негашеная и гидратная. Негашеная известь получается обжигом известняка CaCO3 в непрерывно действующих печах (при температуре 900 – 1000°C) для удаления диоксида углерода. Негашеная известь имеет марки 4,10,25,50 и служит для приготовления кладочных растворов, а также для изготовления силикатного бетона и кирпича. Гидратная известь Ca(OH)2 производится на заводах путем размельчения комовой негашеной извести, смешивания ее с водой и превращения в сухой хлопьевидный порошок. На строительной площадке негашеную известь необходимо загасить добавлением воды, а затем выдержать (не менее двух недель) перед смешиванием с песком для образования известкового раствора. Гидратную же известь достаточно смешать с песком, чтобы получить раствор. Поскольку она имеет вид порошка, ее легче смешивать с песком. Но раствор из гидратной извести не столь пластичен, как из негашеной. Затвердевание известкового раствора обусловлено поглощением диоксида углерода CO2 из воздуха. При этом избыточная вода испаряется, замещаясь диоксидом углерода, и гидратная известь снова превращается в CaCO3, причем эта реакция протекает только в присутствии избытка влаги. Но известковый раствор не твердеет под водой, так как ему для этого нужен диоксид углерода из воздуха. Раствор для кирпичной кладки содержит около 2,5 части (по объему) песка на 1 часть извести. При производстве штукатурных работ известковый раствор можно наносить на протяжении нескольких дней в три слоя (обрызг, грунт и накрывка), причем последний слой часто делается смесью гидратной извести с гипсовым цементом.
Глина
Глина — это мягкая, мелкодисперсная разновидность горных пород. При разведении водой образует пластичную массу, легко подвергающуюся любому формообразованию. При обжиге глина спекается, твердеет и превращается в камневидое тело, а при более высоких температурах обжига расплавляется и может достичь стекловидного состояния.
В зависимости от примесей глина принимает разный цвет окраски. Наиболее ценный сырьевой вид глины — белая глина — каолин. Глина имеет свойство впитывать воду до определенного предела, после которого она уже не в состоянии ее впитывать или пропускать через себя. Это свойство глины используется для создания насыпных гидроизоляционных слоев.
В зависимости от стойкости глины к температуре выделяют глины лекгоплавкие, тугоплавкие и огнеупорные. Их температуры плавления соответственно: 1380, до 1550 и выше 1550 градусов. Чистый каолин плавится при температуре выше 1750 градусов. Тугоплавкие глины служат сырьем для изготовления огнеупорных материалов.