32

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет»

Кафедра строительных материалов

666.9(07)

М

М.И. Муштаков, Г.С. Семеняк

ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Учебное пособие к лабораторным работам

Челябинск

Издательство ЮУрГУ

2007

УДК 666.9(07)

Муштаков, М.И. Вяжущие вещества: Учебное пособие к лабораторным работам /М.И. Муштаков, Г.С. Семеняк. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. − 43 с.

Рассмотрены общие сведения по научно-техническим основам производства, формированию структуры минеральных вяжущих веществ и представлен учебный материал по каждому их изучаемых разделов.

Сформулированы цели и задачи экспериментальных лабораторных испытаний основных видов вяжущих веществ и приведены методики их поведения, указан порядок выполнения работ и рекомендации по составлению выводов. В конце каждой темы приведены тестовые вопросы для контроля подготовки студентов.

Учебное пособие содержит лабораторные работы по следующим темам:

− гипсовые и гипсоцементные вяжущие вещества;

− клинкерные цементы;

− бесклинкерные вяжущие вещества.

Учебное пособие не претендует на замену учебников по данной дисциплине и является дополнением к ним.

Предназначено для студентов вузов, обучающихся по строительным специальностям.

Табл. __, список лит. − __ назв.

Одобрено учебно-методической комиссией архитектурно-строительного факультета.

Рецензенты:

Предисловие

Учебное пособие написано в соответствии с учебным планом общего курса «Вяжущие вещества» для студентов, обучающихся по специальности 270106 – Производство строительных материалов, изделий и конструкций. По своему содержанию и направлению учебное пособие должно обеспечить углубленные знания по испытанию минеральных вяжущих веществ.

На кафедре «Строительные материалы» ЮУрГУ накоплен большой опыт организации и проведения учебно-исследовательских лабораторных работ по вяжущим веществам. Их цель – привить студентам навыки постановки, планирования и решения экспериментально-исследовательских задач. При этом реализуется принцип проблемного обучения, который дает возможность научить студентов не только методам квалификации минеральных вяжущих веществ по стандартным методикам их испытания, но и дать молодым специалистам практические навыки по регулированию основных свойств материалов технологическими приемами и способами.

Качество, долговечность и стоимость сооружений в большой мере зависят от правильного выбора и применения вяжущих веществ. Для рационального использования вяжущих веществ, инженер-строитель должен знать свойства и назначение каждого из них. Это дает возможность строителю: выбрать вяжущее вещество с соответствующими свойствами для каждой части сооружения с учетом эксплуатационной среды; правильно применить наилучшие приемы его обработки и укладки в сооружение; при необходимости заменить один материал на другой без ухудшения качества сооружения; организовать правильное транспортирование и хранение материала без снижения их качества.

Учебное пособие содержит темы лабораторных работ, соответствующие основным разделам Государственного образовательного стандарта по направлению «Строительство», рабочей учебной программе и учебно-методическому комплексу по дисциплине «Вяжущие вещества».

ВВЕДЕНИЕ

Производство вяжущих веществ отличается большим многообразием видов и широким ассортиментом продукции. Инженер-строитель должен уметь хорошо разбираться в обширной номенклатуре этой продукции, выбирать для конкретных условий применения наиболее эффективные и подходящие ее виды с учетом качественных показателей, владеть знаниями в области технологии строительных материалов, представлять физико-химическую сущность процессов переработки исходного сырья в готовый продукт.

Научиться оценивать качество материалов, находить возможные пути регулирования и управления этим качеством и уметь определить области рационального применения материалов в практике современного строительства можно только на основе глубокого изучения связи между составом, строением и свойствами материала. Наиболее полно и конкретно эта связь выявляется в ходе научно-исследовательских экспериментов, проводимых в лабораторных условиях, когда искусственно моделируются изменения составов сырьевых смесей, технологических параметров получения, показателей состояния материалов, имитируя их работу в различных условиях эксплуатации.

В ходе таких экспериментов получают зависимости типов: «состав-свойство», «состав-строение», «строение-свойство», «состояние-свойство», «технологический параметр-свойство» и др. Анализируя эти зависимости, проводят оптимизацию составов и режимов, выбор вида и количества добавок, прогнозируют изменение свойств материалов в зависимости от условий их работы и рекомендуют области применения этих материалов.

Для проведения лабораторных исследований необходима тщательная теоретическая и методическая подготовка студентов. Поэтому учебно-исследова-тельские лабораторные работы по основным темам и разделам дисциплины «Вяжущие вещества» позволяют расширить, углубить и закрепить знания, полученные на лекционных и практических занятиях, и активизируют самостоятельную работу студентов.

Учебное пособие составлено таким образом, что в описании лабораторных работ по каждой теме содержатся:

− общие сведения об изучаемом материале с формулировкой задач исследования;

− цель исследовательской лабораторной работы;

− порядок выполнения лабораторной работы;

− описание методов испытаний материалов;

− указания по составлению выводов и рекомендаций, которые могут быть получены в результате исследования;

− тестовые контрольные вопросы для проверки подготовки студентов к лабораторным работам.

ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТ

Лабораторные занятия продолжительностью 4…8 часов проводятся с подгруппой студентов, состоящей из 8…16 человек, которые получают общее задание на исследовательскую работу. Части общего задания выполняют 4 звена по 2…4 человека в каждом.

Выполнению лабораторных работ предшествует собеседование по теоретическим и методическим вопросам, которые изучаются студентами самостоятельно. Для контроля подготовки студентов к работе используются тестовые вопросы, которые составлены по принципу многовариантного ответа. На каждый контрольный вопрос имеется 4 правдоподобных ответа и только один - правильный.

При выполнении работ назначается дежурное звено студентов, которое несет ответственность за сохранение и исправность приборов, оборудования и инструментов. По окончании работ каждому звену необходимо привести в порядок свое рабочее место, сдать дежурным, которые, в свою очередь, сдают приведенную в порядок лабораторию лаборанту.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

Перед началом работ преподаватель проводит общий инструктаж по технике безопасности проведения лабораторных работ. Студенты, получившие инструктаж, должны расписаться в специальном журнале. После этого, они допускаются к проведению лабораторных работ и при этом обязуются выполнять следующие правила:

− перед началом занятий ознакомиться с заданием, применяемым оборудованием, инструментом и материалами;

− при работе с химическими реактивами необходимо использовать только те, которые указаны в учебном пособии с разрешения преподавателя или лаборанта;

− немедленно сообщить преподавателю или лаборанту о замеченных неисправностях и нарушениях правил техники безопасности;

− не трогать, не включать без разрешения преподавателя или лаборанта рубильники, пускатели и другие электрические приборы и оборудование;

− при выполнении работ использовать защитную рабочую одежду (халаты, фартуки), имеющиеся в лаборатории;

− выполнять в лаборатории только ту работу, которая поручена, не загромождать свое рабочее место оборудованием и материалами, не относящимися к выполняемой работе;

− запрещается оставаться в лаборатории одному, обязательное присутствие второго лица необходимо для оказания помощи при несчастном случае, пожаре и т.п.;

− если произошел несчастный случай, немедленно сообщить об этом преподавателю или лаборанту для оказания помощи и составления акта.

ОТЧЕТ

После выполнения лабораторной работы каждый студент (звено) составляет отчет в специальной тетради (журнале). В отчет рекомендуется включать:

− наименование и цель работы;

− краткие общие сведения об исследуемом материале и технические требования к нему;

− краткое описание выполненной работы, используемых приборов и оборудования, методик испытаний;

− результаты исследований, полученных всей подгруппой, в виде сводных таблиц и графических зависимостей;

− анализ результатов работы с общими выводами и рекомендациями.

Защита лабораторных работ осуществляется по мере завершения отдельных работ или на итоговом занятии.

Тема 1

ГИПСОВЫЕ И ГИПСОЦЕМЕНТНОПУЦЦОЛАНОВЫЕ

ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Задачи исследования. В настоящее время накоплен большой опыт в области производства и применения гипса – мономинерального вяжущего вещества, которое относится к числу самых простых и наиболее изученных строительных материалов. В развитии производства и применения гипсовых вяжущих веществ следует отметить несколько важных направлений.

Во-первых, гипсовая промышленность стала все шире применять кроме основного вяжущего вещества – полуводного сульфата кальция - гипсоцементно-пуццолановые вяжущие вещества, а также другие смешанные вяжущие вещества, включающие, помимо гипса, доменный гранулированный шлак, горелые породы и некоторые другие компоненты.

Во-вторых, при производстве гипсовых вяжущих веществ в последние годы все более широко используются специальные добавки, позволяющие регулировать различные свойства этих вяжущих веществ, а также растворы и растворные смеси для пропитки готовых изделий.

Благодаря этому гипсовые вяжущие вещества и изделия из основе применяют в таких областях строительства, в которых раньше они не могли надежно эксплуатироваться.

Теория определения оптимальных составов смешанных вяжущих веществ на основе гипса и оптимальных количеств вводимых добавок пока еще не разработана и поэтому в каждом конкретном случае требуется проводить экспериментальные исследования.

Лабораторная работа № 1

ГИПСОЦЕМЕНТНО-ПУЦЦОЛАНОВЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Цель работы. Исследовать зависимость свойств гипсоцементно-пуццола­нового вяжущего вещества (ГЦПВ) от его состава. Определить опти­мальный состав ГЦПВ.

Материалы. Гипсовое вяжущее вещество, портландцемент, активная мине­ральная добавка (диатомит, трепел, опока, глинит, топливные шлаки и золы, микрокремнезем и др.).

Необходимое оборудование. Сферические металлические чашки и лопатки для затворения теста, весы торговые и физико-технические, вискозиметры Суттарда, приборы Вика, приборы для измерения ли­нейных деформаций, гидравлический пресс, стандартные пла­стины, машина испытательная МИИ-100, лабораторная пропарочная камера, сушильные шкафы, прибор рН-метр, магнитные мешалки, штангенциркули, металлические линейки длиной 250 мм и ценой деле­ния 1 мм, секундомеры, формы металлические по ГОСТ 310.4-66, мерные цилиндры емкостью 100, 500 и 1000 мл, колбы конические ем­костью 50 мл, бумажные фильтры, сосуд с водой емкостью 20 л.

Методические указания. Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее го­товят, тщательно смешивая его компоненты вручную. Для этого ис­пользуют строительный гипс и портландцемент заводского изготовле­ния, отвечающие техническим требованиям соответствующих стандар­тов. Активную минеральную добавку готовят предварительным высу­шиванием и измельчением одного из предлагаемых материалов (до ос­татка на сите № 008 не более 10%). Для добавки предварительно лабо­рантом должна быть установлена активность по ОСТ 21-9-74, а также по количеству СаО, в мг, поглощенной 1 г добавки из водного раствора извести в течение 30 суток.

Для исследований готовят ГЦПВ нескольких составов с постоян­ным соотношением цемента и гипса равным Ц:Г = 1,0:1,6, отличающихся содержанием активной минеральной добавки, например, 0, 15, 25 и 35% от массы вяжущего вещества для добавок с активностью выше 200 мг/г и 0, 25, 40 и 55% от массы вяжущего для добавок активностью 75...200 мг/г.

Для выполнения экспериментальной части исследований в данной работе пред­лагается провести следующие испытания:

− определить нормальную густоту теста вяжущего;

− определить сроки схватывания вяжущего теста нормальной густоты;

− определить прочностные показатели камня из вяжущего вещества, твердевшего в нормальных условиях и в условиях тепловлажностной обработки ТВО на образцах-ба­лочках, изготовленных из теста нормальной густоты;

− определить линейные деформации образцов-бапочек в процессе твердения вя­жущего;

− оценить водостойкость вяжущего, твердевшего в различных условиях, по коэф­фициенту размягчения (α _разм);

− определить концентрацию СаО в продуктах гидратации вяжущего и рН раствора через 7 суток после его затворения.

При этом каждое звено студентов готовит и испытывает вяжущее одного со­става с определенным количеством пуццолановой добавки.

Таблица 1 – Рекомендуемые составы ГЦПВ

Материалы	Количество материалов, % по массе
	Номер звена
	1	2	3	4
Полуводный гипс	61,5/61,5	52,3/46,2	46,2/36,9	40,0/27,7
Портландцемент	38,5/28,5	32,7/28,8	28,8/23,1	25,0/17,3
Активная минеральная добавка (микрокремнезем)

Примечание. Над чертой - процентное содержание компонентов в ГЦПВ при активности добавки выше 200 мг/г, под чертой - то же, при активности добавки 75...200 мг/г.

Нормальную густоту и сроки схватывания ГЦПВ определяют по стандартным для гипсовых вя­жущих веществ методикам ГОСТ 23789. Для определения линейных деформаций при твердении, прочност­ных пока­зателей и водостойкости ГЦПВ каждое звено студентов изготовляет две серии по 6 образ­цов-балочек размером 4x4x16 см. Для изготовле­ния образцов одной серии берут 2,0...2,5 кг вяжущего и готовят тесто с водой, взятой в количестве, соответствующем нормальной густоте. Из этого теста формуют образцы-баночки, причем один из образцов се­рии готовится с заформованными в торцы металлическими закладны­ми пластинками. Через 1,5...2,0 часа после начала затворения вяжущего образцы распалубливают, осматривают, маркируют и делают началь­ные замеры длины образцов с закладными пластинами на специальном приборе, предназначенном для определения линейных деформаций об­разцов. После этого образцы одной серии хранят в течение 7... 14 суток в нормальных условиях (температура 20±2 °С, влажность не менее 90 %), измеряя их деформации через 1, 3, 5, 7 и 14 суток, а образцы другой серии подвергают тепловлажностной обработке по режиму 2+6+3 часа при температуре изотермической выдержки 70...80 °С, и по­сле ее окончания измеряют их деформации.

После твердения образцы высушивают до постоянной массы в су­шильном шкафу при температуре 55...60 °С, располагая их в один ряд на расстоянии 1,5 см друг от друга.

Образцы по 3 штуки из каждой серии испытывают сра­зу же после высушивания для определения предела прочности при изгибе и при сжатии. 3 оставшихся образца в каждой се­рии помещают в сосуд с водой на 2 часа и испытывают их для определении пределов прочности в водонасыщенном состоянии. Водостойкость ГЦПВ различных составов ха­рактеризуют коэффициентом размягчения.

Для установления оптимального количества активной минеральной добавки в составе ГЦПВ готовят препараты согласно данным таблицы 2.

Таблица 2 – Составы препаратов

Материалы	Количество материалов, % по массе
	Номер звена
	1	2	3	4
Полуводный гипс	4,00	4,00	4,00	4,00
Портландцемент	2,50	2,50	2,50	2,50
Активная минеральная добавка (микрокремнезем)

Через 7 суток после затворения этих препаратов водой, завершения в них процессов гидратации вяжущего и связывания свободной извести активной минеральной добавкой, определяют концен­трацию СаО и рН.

Результаты проведенных испытаний рекомендуется оформлять в виде сводных таблиц по предлагаемой форме (таблицы 2 и 3), а также в виде графиче­ских зависимостей установленных показателей от количества АМД в составе ГЦПВ.

Таблица 3 – Результаты испытаний

АМД, %	НГ, %	Сроки схватывания		Прочность образцов, МПа				α разм		СаО, %	рН
		Н схв	К схв	Нормального твердения		После ТВО		Нормального твердения	После ТВО
				R изг	R сж	R изг	R сж

Таблица 4 – Деформации ГЦПВ твердевшего в различных условиях

АМД, %	Относительные линейные деформации образцов, %
	нормальные условия твердения, через					после ТВО
	1 суток	3 суток	5 суток	7 суток	14 суток

Выводы. Провести подробный анализ установленных зависимостей свойств ГЦПВ от его состава. Определить оптимальное содержание пуццолановой добавки в ГЦПВ по концентрации окиси кальция в пре­паратах, которая не должна превышать на седьмые сутки 0,85 г/л. Сде­лать заключение о целесообразности использования тепловой обработ­ки для ускорения набора прочности изделий на основе ГЦПВ. Наме­тить рекомендации по использованию ГЦПВ в производстве строительных изделий и конструкций с определением области применения в строительстве.

Лабораторная работа № 2

РЕГУЛИ­РОВАНИЕ СВОЙСТВ ГИПСОВЫХ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ

Цель работы. Исследовать возможность регулирования свойств гипсового вяжущего вещества различными добавками и сравнить эффективность их действия.

Материалы Гипсовое вяжущее вещество, комплексная гидрофобно-пластицирующая добавка, гидрофобизирующая добавка, добавка полимерного веще­ства.

Необходимое оборудование. Сферические металличе­ские чашки и лопатки для затворения теста, весы торговые и физико-технические, вискозиметры Суттарда, приборы Вика, гидравлический пресс ПСУ-10, машина испыта­тель­ная МИИ-100, сушильные шкафы, формы ме­талличе­ские по ГОСТ 310.4, стандартные пластины, приборы для измерения линейной деформации, сосуд с водой емкостью 20 л, штан­генциркули, металлические линейки, секундомеры, мерные цилиндры емкостью 100, 500,1000 мл.

Методические указания. Работу проводят с гипсовым вяжущим веществом за­водского изготовления, отвечающим требованиям ГОСТ 125.

В качестве суперпластификатора используют один из выпускаемых химическими заводами (С-3, С-4, Н-1 и т.д.).

Гидрофобизирующая добавка может быть представлена кремнийорганическими жидкостями ГКЖ-10 или ГКЖ-11, представляющими собой водноспиртовые растворы этил- (ГКЖ-10) или метилсиликоната натрия (ГКЖ-11).

В качестве полимерной добавки в работе может быть использована водная эмульсия поливинилацетата. Добавки вводят в гипсовое тесто совместно с водой затворения.

Рекомендуемые количества добавок и распределения их по отдель­ным звеньям студенческой подгруппы приведены в таблице 5.

Таблица 5 – Вид и количество вводимых добавок

Номер звена	Вид добавки	Количество добавки в расчете на сухое вещество, % от массы гипса
1	-	-
2	Суперпластификатор	1,00
3	ГКЖ	0,15
4	ПВА	15,00

Для выполнения экспериментальной части исследований предлага­ется провести следующие испытания гипсового вяжущего без добавок и с добавками:

− определить нормальную густоту гипсового теста;

− определить сроки схватывания гипса на тесте нормальной густо­ты;

− определить прочностные показатели гипса, твердевшего в воздушно-сухих и нормально-влажных условиях на образцах-балочках, изготовленных из гипсового теста нормальной густоты;

− определить линейные деформации образцов-балочек в процессе твердения вяжущего вещества;

− определить плотность ρ, пористость р, гигроскопическую влаж­ность W _m гипсового камня;

− оценить водостойкость гипса, твердевшего в различных условиях.

Нормальную густоту и сроки схватывания гипса без добавок и с добавками определяют по стандартным для гипсовых вяжущих веществ мето­дикам по ГОСТ 23789. При подсчете нормальной густоты необходимо учесть общее количество воды в гипсовом тесте, которое складывается из воды затворения и количества воды в растворах и эмульсиях доба­вок.

Каждое звено студентов изготовляет по 12 образцов-балочек раз­мером 4x4x16 см, причем один из образцов готовится с заформованными в торцы металлическими закладными пластинками. Формовать образцы удобнее в два приема, то есть готовить тесто в расчете на шесть образцов из 2,0...2,5 кг гипса с водой, взятой в количестве, соот­ветствующем нормальной густоте, и с добавкой рекомендованного ви­да и количества.

Через 10 минут после затворения теста образец с закладными пла­стинками аккуратно извлекается из формы и устанавливается в прибор для измерения линейных деформаций. Показания индикатора прибора снимают каждую минуту и записывают до момента прекращения рас­ширения образца. Этот образец в дальнейших испытаниях не исполь­зуют.

Остальные образцы извлекают из формы через 15±5 мин после окончания схватывания гипса, осматривают их и маркируют. Через 2 часа после начала затворения теста каждое звено испытывает по 3 об­разца на прочность при изгибе и сжатии по стандартным методикам. Оставшиеся 8 образцов делят на 2 партии по 4 образца в каждой. Образцы первой партии хранят в течение 7...14 суток в воздушно-сухих условиях при температуре 20±2 °С и относительной влажности воздуха 90...100 %.

После хранения образцы каждой партии взвешивают, высушивают до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре 55...60 °С, располагая их в один ряд, на расстоянии 1,5 см друг от друга, снова взвешивают и затем рассчитывают плотность и пористость гипсового камня, а также содержание в нем гигроскопической влаги. Сразу же после высушивания по два образца из каждой партии подвергают ис­пытаниям на прочность при изгибе и сжатии, а оставшиеся образцы (по два в каждой партии) насыщают в течение двух часов водой и испыты­вают в водонасыщенном состоянии. Степень водостойкости гипсовых образцов без добавок и с добавками, хранившихся в различных усло­виях, характеризуют коэффициентом размягчения.

Результаты проведенных испытаний рекомендуется оформлять в виде сводных таблиц по предлагаемой форме (таблицы 6 и 7), а также в ви­де графиков изменения длины образцов во времени.

Таблица 6 − Результаты испытаний гипса

Вид и количество добавки	НГ, %	Сроки схватывания, мин		Относительные деформации, %	Прочность образцов через 2 часа, МПа
		Н схв	К схв		R изг	R сж

Таблица 7 – Результаты испытаний гипсового камня

Вид и количество добавки	Прочность образцов в сухом состоянии, МПа				Плотность, г/см3	Пористость, %	Водопоглощение, %	α разм
	После воздушно-сухого твердения		После воздушно-влажного твердения					После воздушно-сухого твердения	После воздушно-влажного твердения
	R изг	R сж	R изг	R сж

Выводы. Определить марку гипсового вяжущего по результатам испытаний образцов без добавки. Провести анализ полученных резуль­татов с оценкой возможности регулирования различных свойств гипса добавками. Объяснить механизм действия использованных добавок на свойства теста вяжущего и затвердевшего камня. Провести сравнение эффективности действия добавок различного вида, составить рекомен­дации по использованию добавок для регулирования свойств гипс при производстве строительных изделий и конструкций.

Контрольные вопросы по теме

1 Физико-химические основы получения гипсовых вяжущих веществ и их разновидности.

2 Теория твердения гипсовых вяжущих веществ. Физико-химическая сущ­ность процессов структурообразования искусственного гипсового кам­ня.

3 Основные свойства гипсовых вяжущих веществ и методы их определения.

4 Факторы, определяющие прочность искусственного гипсового камня.

5 Характеристика водостойкости искусственного гипсового камня и способы ее повышения.

6 Гипсоцементнопуццолановые вяжущие вещества, их состав, назначение и роль отдельных компонентов.

7 Классификация добавок к гипсовым вяжущим веществам по механизму их действия.

8 Области применения гипсовых вяжущих веществ в строительстве.

9 Почему образцы из гипсового вяжущего вещества высушивают при темпе­ратуре не выше 60 °С ?

Тесты для самоконтроля

1 С какой целью в гипсовое тесто вводят количество воды, в несколько раз большее, чем необходимо для прохождения химической реакции?

1 Для повышения Rизг. 2 Для повышения удобоукладываемости.

3 Для повышения Rсж. 4 Для увеличения выхода гипсового теста.

2 Как влияет тонкое измельчение вещества на его химическую активность?

1 Понижает активность вещества в химических реакциях.

2 Повышает активность вещества в химических реакциях.

3 Не влияет.

4 Тонкое измельчение вещества может повысить его химическую активность только в присутствии катализатора.

3 Что входит в состав гипсоцементно-пуццоланового вяжущего?

1 Строительный гипс, АМД, вода, портландцемент.

2 Гипсовый камень, активная минеральная добавка, портландцемент.

3 Строительный гипс, активная минеральная добавка, портландцемент

4 Строительный гипс, активная минеральная добавка, вода, портландцемент.

4 Что такое нормальная густота гипсового теста?

1 Отношение количество воды к массе строительного гипса при диаметре расплыва лепешки из гипсового теста 180±5 мм.

2 Отношение массы строительного гипса к количеству воды при диаметре расплыва лепешки из гипсового теста 180±5 мм.

3 Общая масса гипсового вяжущего и воды при диаметре расплыва лепешки из гипсового теста 180±5 мм.

4 Разность между количеством гипсового вяжущего и воды при диаметре расплыва лепешки из гипсового теста 180±5 мм.

5 Как определяется тонкость помола гипсового вяжущего?

1 Путем просеивания высушенной при температуре 105…110 ^оС навески через сито с размером ячейки 0,2 мм.

2 Путем просеивания высушенной при температуре 50…55 ^оС навески через сито с размером ячейки 0,08 мм.

3 Путем просеивания высушенной при температуре 105…110 ^оС навески через сито с размером ячейки 0,2 мм.

4 Путем просеивания высушенной при температуре 50…55 ^оС навески через сито с размером ячейки 0,08 мм.

6 К какому виду вяжущих веществ относится строительный гипс?

1 Воздушные вяжущие вещества. 2 Гидравлические вяжущие вещества.

3 Кислотоупорные вяжущие вещества. 4 Автоклавные вяжущие вещества.

Тема 2

КЛИНКЕРНЫЕ ЦЕМЕНТЫ

Задачи исследования. Клинкерные цементы представляют большую группу гидравлических вяжущих веществ, в которую входят портланд­цемент и его разновидности, пуццолановый портландцемент, шлакопортландцемент. Эти цементы являются основным вяжущим материалом современной строительной индустрии.

В производстве клинкерных цементов широко используют побоч­ные продукты других отраслей промышленности: доменные гранули­рованные шлаки, шлаки электротермического способа производства фосфора и т.д. Такого рода продукты зачастую обладают гидравличе­ской активностью при быстром охлаждении и последующем тонком измельчении, особенно в присутствии активизаторов твердения. Это предопределяет высокую технико-экономическую эффективность ис­пользования таких продуктов в промышленности вяжущих веществ.

При производстве, в частности, шлакопортландцемент очень важ­ным является вопрос о количестве шлака в цементе, так как оно опре­деляет стоимость, прочность и коррозионную стойкость цементов. С целью получения наибольшей прочности и плотности шлакопортландцементного камня важно определить наиболее благоприятные условия его твердения, так как шлакопортландцементы имеют пониженную скорость гидратации при нормальных условиях.

Химические добавки, вводимые при затворении вяжущих веществ, влияют на физико-химические процессы при их твердении, зачастую изменяя микроструктуру цементного камня в желаемом направлении. Одним из наиболее важных вопросов является изучение влияния добавок уско­рителей твердения на цементы различного минералогического состава с целью сокращения времени твердения бетонов на их основе.

Лабораторная работа № 3

ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК УСКОРИТЕЛЕЙ ТВЕРДЕНИЯ НА СВОЙСТВА

КЛИНКЕРНЫХ ЦЕМЕНТОВ

Цель работы. Установить влияние добавок ускорителей твердения на свойства цементов различного вида и определить оптимальную ве­личину вводимых добавок.

Материалы. Портландцемент М 400, шлакопортландцемент М 400, сульфатостойкий портландцемент М 400. Добавки ускорители тверде­ния СаС1₂, Na₂SO₄, NaNO₃, NaCl, нормальный Вольский песок.

Оборудование. Прибор Вика, встряхивающий столик с формой-конусом, штангенциркуль, формы металлические 4x4x16 см, виброп­лощадка, испытательная машина МИИ-100, пресс гидравлический ПГ-10, чаша для перемешивания растворной смеси, лопатка, мерная посу­да, весы торговые, рН-метр, магнитная мешалка.

Методические указания. Подгруппа делится на звенья. Каждое зве­но работает с одним из указанных цементов. При определении нор­мальной густоты цемента, сроков схватывания и нормальной конси­стенции цементно-песчаного раствора каждое звено вводит указанные добавки в количестве:

1 звено - СаС1₂, (0; 0,5; 1; 2% от массы цемента);

2 звено - Na₂SO₄ (0; 0,5; 1; 2% от массы цемента);

3 звено - NaNO₃ (0; 0,5; 1; 2% от массы цемента);

4 звено - NaCl (0; 0,5; 1; 2% от массы цемента).

Из цементно-песчаной растворной смеси состава 1:3 нормальной конси­стенции каждое звено изготовляет образцы-балочки 4x4x16 см с указанным количеством добавки: по три образца на каждую концен­трацию добавки.

Изготовленные образцы хранят в нормальных условиях 7 суток, а затем испытывают на изгиб, а половинки образцов - на сжатие. Полу­ченные средние результаты заносят в таблицу 8. После испытания образ­цов каждого состава отбирают пробу цементно-песчаного раствора массой в 10 граммов для определения рН поровой жидкости. Отобран­ная проба измельчается в фарфоровой ступке. Размер частиц на должен превышать 0,2 мм. Полученный порошок затворяют 10-кратным коли­чеством дистиллированной воды и взбалтывают на магнитной мешалке в течение 40 минут, затем отфильтровывают через во­ронку. Полученный фильтрат в равном количестве наливают в два ста­канчика и помещают под электроды рН-метра. Время изме­рения рН 2...3 минуты (до полной остановки стрелки прибора). Вели­чина рН подсчитывается как среднее арифметическое двух измерений.

Таблица 8 – Результаты испытания

Вид цемента	Добавка		рН	Сроки схватывания, мин		Прочность, МПа
	вид	Кол-во от массы цемента, %		Н схв	К схв	R изг	% к контрольным образцам	R сж	% к контрольным образцам

Каждое звено строит графики в координатах «прочность (R изг и R сж) − количество добавки» (для каждого вида добавки). Также строят графики в координатах «нормальная густота − количество добавки» (для каждой разновидности цемента). Каждый график рекомендуется стро­ить для одного вида добавки и наносить на него результаты испытания образцов с использованием различных цементов.

Выводы. Установить оптимальную величину добавки по макси­мальному значению R изг и R сж для каждого вида цемента.

Лабораторная работа № 4

ШЛАКОПОРТЛАНДЦЕЕНТ

Цепь работы. Изучить влияние количества шлака на физико-механические свойства шлакопортландцемента. Установить оптималь­ный состав шлакопортландцемента и определить наиболее рациональ­ный режим твердения.

Материалы. Портландцемент и шлакопортландцементы с различ­ным содержанием гранулированного доменного шлака Челябинского металлургического комбината, нормальный Вольский песок.

Оборудование. Прибор Вика, встряхивающий столик с формой-конусом, формы металлические 4x4x16 см, виброплощадка, испытатель­ная машина МИИ-100, пресс гидравлический ПГ-100, чаша для пере­мешивания растворной смеси, лопатка, мерная посуда, весы торговые, весы ВЛТК-500, магнитная мешалка, рН-метр, стеклянные стаканы емкостью 100 мл, пропарочная камера, сушильный шкаф, ванна с гид­равлическим затвором, электрическая муфельная печь, электроплитка с закрытой спиралью, вытяжной шкаф, штангенциркуль.

Методические указания. Подгруппа делится на четыре звена. Каж­дое звено работает с двумя видами цемента, содержащими различное количество шлака.

Каждое звено определяет нормальную густоту исследуемых цемен­тов. Затем определяют нормальную густоту цементно-песчаного рас­твора для каждого вида вяжущего. Для каждого из указанных цементов изготавливают по 12 образцов-балочек из раствора нормальной конси­стенции (состава 1:3). Из них 3 образца твердеют до испытания в нор­мальных условиях, 3 образца подвергаются тепловлажностной обра­ботке по режиму: 2 часа выдержка при нормальной температуре, подъ­ем температуры до 80 °С для ПЦ и до 95 °С для ШПЦ со скоростью 15 ° в час; изотермическая выдержка 6 часов, охлаждение с той же скоро­стью. После пропаривания эти образцы до испытания хранятся в каме­ре нормального твердения, 3 образца сутки хранят в форме, помещен­ной в ванну с гидравлическим затвором над водой, затем распалубливают и помещают в воду, где они хранятся до момента испытаний. По­следние 3 образца через сутки после формовки высушивают при тем­пературе 50±5 °С в течение суток, а затем хранят в воздушно-сухих ус­ловиях до момента испытаний. По истечении 14 суток все образцы из­меряют, взвешивают и испытывают на прочность при изгибе и сжатии. По результатам механических испытаний рассчитывают значения R _изг и R _сж, находят средние значения прочности для каждого состава рас­твора и условий твердения. Полученные результаты заносят в таблицу 9.

Из разрушенных образцов каждого состава отбирают пробы массой по 10 г для определения рН перовой жидкости. Полученные результаты заносят в таблицу 9.

По полученным данным для каждого режима твердения строят графические зависимости в координатах «R изг и R сж — количество шла­ка, %».

Таблица 9 − Результаты испытаний цементно-песчаных растворов с различным содержанием шлака в цементе

Условия твердения	Кол-во шлака, % от массы цемента	рН	Средняя плотность, кг/м3	НГ, %	Прочность, МПа
					R изг	R сж
Нормальное	0 20 30 40 50 60 70 80
Водное	0 20 30 40 50 60 70 80
ТВО + нормальное	0 20 30 40 50 60 70 80
Сушка + воздушно-сухое	0 20 30 40 50 60 70 80

Вопросы

1 Как влияет количество шлака, вводимого в состав цемента, на его водопотребность.

2 Устанавливается марка цемента для каждого состава вяжущего.

3 Установить по R изг и R сж оптимальное количество шлака для каждого условия твердения.

4 Обосновать наиболее рациональный режим твердения шлакопортландцементов с 40...50% шлака.

5 Оценить по величине рН поровой жидкости цементно-песчаного раствора влияние количества шлака в цементе на защитные функции бетона по отношению к арматуре.

Лабораторная работа № 5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНОГО МИНЕРАЛОГИЧЕСКОГО СОСТАВА

КЛИНКЕРА

Цель работы. Определить расчетный минералогический состав клинкера, обосновать выбор вида цемента, получаемого из данного клинкера, описать его свойства и области применения.

По заданному химическому составу клинкера (таблица 10) рассчитать его минералогический состав (таблица 11).

Таблица 10 – Химический состав клинкера

№	Завод-изготовитель	Химический состав, %
		SiO2	AI2O3	Fe2O3	СаО	MgO	SO3	ППП
1	Азербайджанский	20,58	6,06	5,73	63,71	2,19	0,54	0,27
2	Алексеевский	22,81	4,60	4,62	66,57	1,22	0,23	0,13
3	Ангарский	24,62	4,11	4,06	65,54	-	-	0,13
4	Архангельский	22,28	4,66	4,74	64,56	2,54	0,60	0,40
5	Безмеинский	22,63	4,29	4,76	62,49	1,50	0,62	0,82
6	«Большевик»	23,22	4,79	5,04	64,75	1,47	0,45	0,36
7	Воскресенский	19,94	5,74	4,96	63,22	4,29	0,94	0,22
8	Броценский	21,12	5,45	4,24	64,39	3,21	0,51	0,27
9	«Гигант»	20,06	5,91	4,42	63,92	4,16	0,78	0,38
10	Днепропетровский	25,40	3,45	3,05	65,24	2,50	0,14	0,54
11	Жигулевский	20,74	5,81	3,99	64,16	2,60	1,60	-
12	Здолбуновский	21,89	6,49	2,71	67,76	0,47	0,47	0,10
13	Касиский	20,80	6,27	4,92	62,72	3,27	0,43	1,26
14	Катав-Ивановский	21,97	5,90	3,82	65,35	1,74	0,29	0,74
15	«Коммунар»	22,57	4,84	4,62	56,05	0,68	0,59	0,53
16	Кузнецкий	20,36	6,74	4,12	63,01	3,23	0,49	0,68
17	Магнитогорский	20,61	6,29	4,60	66,03	1,54	0,68	-
18	Первомайский	23,24	6,14	4,69	66,30	0,61	0,46	0,58
19	Пикалевский	21,33	4,69	4,70	65,42	1,84	0,30	0,26
20	«Победа Октября»	24,26	5,21	2,24	67,30	0,28	0,34	0,29
21	Руставский	20,42	6,32	4,32	64,02	3,36	0,49	0,83
22	Серебряковский	22,56	5,49	4,56	65,04	-	-	-
23	Таузский	24,04	6,24	0,38	58,02	0,44	0,39	0,66
24	Яшкинский	21,18	5,98	4,65	64,67	1,80	0,47	0,28

Таблица 11 – Определение минералогического состава цемента

Минерал	Формула для определения %-ного содержания минерала
Трехкальциевый силикат C3S	4,07 (СаО общ – СаО св) – 7,60 SiO2 – 6,70AI2O3 – 1,42 Fe2O3
Двухкальциевый силикат C2S	8,60 SiO2 + 5,07AI2O3 + 1,07 Fe2O3 – 3,07(СаО общ – СаО св)
Четырехкальциевый алюмоферрит C4AF	3,04 Fe2O3
Трехкальциевый алюминат С3А	2,65 AI2O3 – 1,70F e2O3

По расчетному минералогическому составу обосновать:

− какой вид цемента можно получить из данного клинкера;

− описать основные строительные свойства этого цемента;

− указать наиболее эффективные области его применения.

Лабораторная работа № 6

РЕГУЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

ПОЛИМЕРНЫМИ ДОБАВКАМИ

Цель работы. Исследовать действия различных полимерных доба­вок на свойства портландцемента.

Материалы. Портландцемент, поливинилацетатная эмульсия (ПВА), эпоксидная смола.

Оборудование. Прибор Вика, встряхивающий столик с формой-конусом, штангенциркуль, формы металлические 4x4x16 см, виброп­лощадка, испытательная машина МИИ-100, пресс гидравлический ПГ-100, чаша для перемешивания растворной смеси, лопатка, мерная по­суда, весы торговые, весы ВЛТК-500, рН-метр, магнитная мешалка.

Методические указания. Подгруппа делится на звенья. Каждое зве­но работает со своей добавкой. При определении нормальной густоты цемента, сроков схватывания и нормальной консистенции цементно-песчаного раствора каждое звено вводит укачанную добавку в количе­стве:

1 звено − ПВА (0 и 5 % от массы цемента);

2 звено − ПВА (10 и 20 % от массы цемента);

3 звено − эпоксидная смола (0 и 1 % от массы цемента);

4 звено − эпоксидная смола (1,5 и 2,5 % от массы цемента).

Из цементно-песчаного раствора состава 1:3 нормальной конси­стенции каждое звено изготавливает образцы-балочки 4x4x16 см с указанным количеством добавки - по шесть образцов на каждую кон­центрацию добавки.

Изготовленные образцы хранят 14 суток − по 3 образца в воздуш­но-сухих условиях и по 3 образца в камере нормального твердения. Полученные средние результаты заносят в таблицу 12. После испытания образцов каждого состава отбирают пробу цементно-песчаного рас­твора массой в 10 г для определения рН поровой жидкости.

Таблица 12 – Результаты определения

Вид цемента	Вид добавки и ее количество		рН	Н схв, мин	К схв, мин	Предел прочности, МПа
						R изг	% к контрольным образцам	R сж	% к контрольным образцам

Каждое звено строит графики в координатах «прочность (R изг и R сж) − количество добавки» (для каждого вида добавки). Также строят графики в координатах «нормальная густота − количество добавки». По полученным результатам необходимо сделать выводы:

1 Установить оптимальную величину полимерной добавки по максимальному значению R изг и R сж

2 Оценить влияние указанных добавок на пластичность цементного теста и рН поровой жидкости цементно-песчаного раствора.

3 Оценить наиболее эффективные условия твердения цементно-песчаных растворов.

Контрольные вопросы

1 Что называется портландцементом?

2 Сырье для изготовления портландцементного клинкера.

3 Минералогический состав портландцемента и его влияние на механические и коррози­онные свойства портландцемента.

4 Механизм действия добавок ускорителей твердения на процессы схватывания цементов.

5 Что называется шлакопортландцементом?

6 Какие шлаки и в каком количестве разрешается вводить в шлакопортландцемент?

7 Как устанавливается марка цемента?

8 Особенности схватывания и твердения шлакопортландцементов.

9 Требования, предъявляемые к сульфатостойким портландцементам и шлакопортландцементам.

10 Какое влияние оказывает гипс на процессы схватывания и твер­дения шлакопортландцемента?

11 На чем основан метод определения количества шлака в цемен­те?

12 Какую роль играет клинкерная составляющая в процессах схва­тывания и твердения шлакопортландцементов?

13 Для каких условий твердения бетона целесообразно применение шлакопортландцемента?

14 Можно ли применять шлакопортландцементы для бетониро­ванных массивных конструкций?

15 Почему ТВО наиболее эффективна для бетонов на ШПЦ?

Тесты для самоконтроля

1 Какова роль гипсового камня в портландцементе?

1 Ускоряет сроки схватывания.

2 Сохраняет свойства при длительном хранении.

3 Придает белый цвет и повышает декоративность.

4 Повышает долговечность и регулирует сроки схватывания цементного теста.

2 Влияет ли увеличение расхода воды затворения на прочность цементного камня?

1 Количество воды затворения не влияет на прочность камня.

2 С увеличением количества воды затворения прочность уменьшается.

3 С увеличением количества воды затворения прочность увеличивается.

4 С увеличением количества воды затворения прочность камня уменьшается в начальный период твердения, а затем увеличивается.

3 Как влияет длительное хранение цемента на его активность?

1 Понижает активность независимо от времени года. 2 Не влияет.

3 Повышает активность в летнее время.

4 Повышается активность в зимнее время.

4 К какому виду вяжущего вещества относится портландцемент?

1 Воздушные вяжущие вещества.

2 Гидравлические вяжущие вещества.

3 Кислотоупорные вяжущие вещества.

4 Автоклавные вяжущие вещества.

5 Как влияет тонкое измельчение портландцемента на его химическую активность?

1 Понижает активность вещества в химических реакциях.

2 Повышает активность вещества в химических реакциях.

3 Не влияет.

4 Тонкое измельчение вещества может повысить его химическую активность только в присутствии катализатора.

6 Как определяется тонкость помола портландцементного вяжущего?

1 Путем просеивания высушенной при температуре 105…110 ^оС навески через сито с размером ячейки 0,2 мм.

2 Путем просеивания высушенной при температуре 50…55 ^оС навески через сито с размером ячейки 0,08 мм.

3 Путем просеивания высушенной при температуре 105…110 ^оС навески через сито с размером ячейки 0,2 мм.

4 Путем просеивания высушенной при температуре 50…55 ^оС навески через сито с размером ячейки 0,08 мм.

Тема 3

БЕСКЛИНКЕРНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Задачи исследования. При изготовлении низкомарочных бетонов и растворов применение высокоактивных вяжущих веществ приводит к тому, что для обеспечения необходимой прочности требуется небольшое коли­чество вяжущего вещества. Бетонные и растворные смеси легко расслаиваются, трудно обрабатываются. Для устранения этих недостатков необходим повышенный расход цемента или введение в бетонные и растворные смеси тестообразующих добавок, к которым относятся: глиняное тесто, известковое молоко и др. тонкодисперсные суспензии или добавки ПАВ.

Уменьшить расход дефицитных цементов удается применением бесклинкерных вяжущих, активность которых может изменяться в ши­роких пределах в зависимости от технологии изготовления, состава вяжущего и режимов его твердения. Эти вяжущие имеют, как правило, меньшую стоимость, по сравнению с клинкерными цементами, не­сложную технологию изготовления. В качестве сырья могут широко использоваться попутные продукты промышленности. Однако неод­нородность сырьевых материалов по химическому и минералогиче­скому составу требует экспериментального уточнения оптимального состава вяжущего при заданных температурах твердения.

Лабораторная работа № 7

ПОЛУЧЕНИЕ НЕГАШЕНОЙ КОМОВОЙ ИЗВЕСТИ

Цель работы. Изучить влияние качества сырья на основные свойства строительной извести.

Материалы. Карбонатные горные породы (мел, мрамор, известняк, известняк-ракушечник, доломит) с различной структурой и отличающиеся видом и содержанием примесей. Соляная кислота, хлористый кальций, фенолфталеин, едкий натр,

Необходимое оборудование. Муфельная печь, эксикатор, весы, стеклянная колба с воронкой, прибор для титрования, сосуд Дьюара, термометр, сито с размером ячейки ___ мм.

Методические указания. Выполнить химический анализ сырьевых материалов, применяемых для получения негашеной извести. Рассчитать необходимую продолжительность обжига сырья при 1000 ^оС. Рассчитать потерю массы сырья и содержание активных СаО и MgO в негашеной извести при полном обжиге. Определить насыпную плотность сырья и провести обжиг. Определить наличие и количество недожога и активной СаО в полученной извести.