Тема 1.7. Менеральні в’яжучі речовини.

Питання.

1. Стадії виробництва керамічних виробів іх суть і вплив на властивості.

2. Фізичні і механічні властивості виробів.

3. Способи виробництва будівельних скловиробів і листового скла, їх фізична та механічна характеристика.

4. Вироби із кам’яного литва, сплавів і шлакосплавів.

Будівельні в’яжучі речовини призначені в основному для отримання штучних матеріалів конгломеративного типу – розчинів і бетонів.

Мінеральні в’яжучі речовини – це порошкоподібні чи пастоподібні матеріали, які при змішуванні з водою чи водними розчинами солі утворюють пластичну масу, яка в наслідок фізико-хімічних процесів утворює каменевидне тіло.

В залежності від характеру середовища, в якому твердіють мінеральні в’яжучі речовини, їх розподіляють:

• повітряні;

• гідравлічні;

• автоклавного твердіння;

Повітряні – твердіють і утримують міцність лише в повітрі. Гідравлічні – як в повітрі, та і у воді. Автоклавного твердіння – ефективно твердіють тільки при гідротермальній обробці, тобто при підвищеній температурі і тиску насиченої пари.

Основні представники повітряних в’яжучих речовин - гіпсові в’яжучі і повітряне вапно.

Будівельний гіпс - застосовують для виробництва перегородачних плит і панелей, листів для облицьовки стін і покриттів, тепло- і звукоізоляційних плит, вентиляційних коробів, для штукатурних і оздоблювальних робіт. Гіпсові вироби можуть експлуатуватись при відносній вологості повітря не більш 60 %.

Водостійкість гіпсових виробів підвищується з введенням 5 – 25 % вапна або гранульованого доменного шлаку. Якщо змішати 50 – 70 % будівельного гіпсу, 15 – 20 % портландцементу і 10 – 25 % активної мінеральної добавки, то одержують гіпсоцементопуццоланові речовини, які об’єднують найбільш цінні властивості гіпсу і цементу:

• здібність швидко твердіти;

• володіти водо- і сульфатостійкістю;

• низька повзучість.

Повітряне вапно забезпечує твердіння будівельних розчинів і бетонів і зберігання ними міцності в повітряно-сухих умовах.

Вапно підрозділяють на негашену і гашену (гідратне).,

Негашене комове вапно одержують після випалу матеріалів сировини.

Гашене вапно – одержують після змішування негашеного з водою 1 : ( 2 – 3).

Головна позитивна особливість вапна – висока пластичність, яка дає можливість розчинам і бетонам бути зручно оброблювальними, а також водоутримуючу здібність, яка запобігає розшаровуванню сумішей.

Будівельне вапно застосовують для виготовлення кладочних і штукатурних розчинів, які працюють в повітряно-сухих умовах, для виготовлення низькомарочних бетонів, силікатних виробів, змішаних гідравлічних в’яжучих.

Групу гідравлічних в’яжучих речовин складають:

• гідравлічне вапно;

• в’яжучі, які містять вапно;

• романцемент;

• шлакопортландцемент;

• портландцемент;

• пуцолановий;

• глиноземистий і їх різновиди.

Для водогосподарського будівництва найбільше значення має портландцемент і похідні від нього в’яжучі.

Портландцемент – продукт спільного тонкого здрібнення клінкера і гіпсу, який додається для регулювання строків схоплювання. При здрібненні клінкера і введення ≤ 20 % гранульованих шлаків або 15 % активних мінеральних домішків одержують портландцемент з мінеральними домішками.

Клінкер – напівфабрикат для виготовлення цементу, одержаний випалом до спікання сировинної суміші визначеного хімічного складу.

Сировина для виготовлення портландцементу є крейда, вапняк, глина, суглинки та інше. Склад сировинної суміші підбирається таким чином, щоб забезпечити в клінкері вміст оксидів в таких межах:

CaO – 63 – 66 % SO₃ – 0.3 – 1.0 %

SiO₂ – 21 – 24 % Na₂O + K₂O – 0.3 – 1 %

Al₂O₃ – 4 – 8 % TiO₂ + Cr₂O₃ – 0.2 – 0.5 %

Fe₂O₃ – 2 – 4 % P₂O₅ – 0.1 – 0.3 %

MgO – 0.5 – 5 %

Виготовлення портландцементу полягає в добуванні, здрібненні і змішуванні сировинних матеріалів, випалу однорідної сировинної суміші до спікання, здрібнення одержаного клінкера разом з гіпсом та іншими додатками до порошкоподібного продукту – цементу.

Існує два основних способи виготовлення портландцементу:

• мокрий;

• сухий.

Випал клінкера завершується при температурі 1450º С. Мелють клінкер в трубних млинках сталевими шарами і циліндрами. Фізико-механічні властивості портландцементу залежить від хіміко-мінерального складу і тонкості здрібнення. Основну масу портландцементу складають зерна розміром 5 – 40 мкм.

При просіванні через сито №008 (розмір отворів 80 мкм) повинно проходити не менше 85% маси просіяної проби.

Загальним показником тонкості здрібнення є питома поверхня цементного порошку, яка звичайно складає 2500- 3000 см²/г при визначенні методом фільтрації повітря. При підвищенні тонкості здрібнення твердіння портландцементу прискорюється і підвищується міцність (для швидкотвердіючих високоміцних цементів питома поверхня досягає 3500 – 4500 см²/г) але підвищується витрата електроенергії.

Щільність портландцементу 3 – 3,2 г/см³, насипна щільність 900 – 1100 кг/м³ (в рихлому стані) і 1400 – 1700 кг/см³ (в ущільненому стані).

Основні фізико-механічні властивості портландцементу:

• водопотреба;

• строки тужавіння;

• рівномірність зміні об’єму;

• міцність.

Водопотреба цементу – це кількість води за творення в % маси цементу, необхідна для утворення тіста нормальної густоти. Нормальна густота цементного тіста – це така його консистенція, коли голка приладу Віка не доходить на 5 – 7 мм до пластини, на якій встановлене кільце, наповнене тістом. Нормальна густина портландцементу 24 – 29%.

Тужавіння – це перша стадія твердіння цементного тіста. Воно характеризується початком (час від моменту затворення до початку тужавіння. При цьому голка приладу Віка не доходить до пластинки на 1 – 2 мм) і кінцем (час від моменту затворення до повної витати цементним тістом пластичності. Голка приладу Віка занурюється в тісто не більш, ніж на 1 мм).

Початок тужавіння портландцементу повинен наставати не раніше 45 хвилин, а кінець не пізніше 10 годин. Процес твердіння портландцементу супроводжується зміною об’єму в наслідок деформацій усадки на повітрі або набухання у воді. При цьому обов’язковою вимогою є рівномірність зміни об’єму цементу, яка визначається оглядом зразків-балабушок із тіста нормальної густини, які протягом доби тужавіли у ванні з гідравлічним затвором, а потім витримували 3 години у киплячий воді.

Найважливіша властивість цементу, яка визначає його придатність для виготовлення бетонів і розчинів – це міцність, яка визначається випробуванням зразків-балочок розміром 4х4х16 см спочатку на згин, а потім утворених половинок на стиснення.

Межа міцності при стисненні зразків, які були виготовлені і тверділи 28 діб називається активністю цементу.

В залежності від активності і межи міцності при згину для портландцементу встановлені марки: 400, 500,550 і 600.

Твердіння портландцементу залежить від температурно-вологових умов. Зниження температури від 20ºС до 5ºС уповільнює тужавіння в 2-3 рази, а підвищення до 80ºС збільшує швидкість гідратації в 6 разів. При температурі нижче 10ºС гідратація цементу практично припиняється. Цементний камінь, який є основою бетону, під дією агресивного середовища кородирує, тобто руйнується.

Для гідромеліоративних споруд з бетону та залізобетону найбільш небезпечна хімічна корозія в природних водах. Її розподіляють на три види:

• Деякі компоненти цементного каменю розчиняються. Найбільш інтенсивна в м’яких водах, особливо при фільтрації води через бетон.

• Заснована на обмінних хімічних реакціях взаємодії між цементним каменем і агресивним водним розчинам з утриманням легкорозчинних солей, які вимиваються.

• Обмінні реакції речовин, розчинених у воді з компонентами цементного каменю, при цьому утворюється малорозчинні солі, кристалізація яких відбувається в порах і капілярах з збільшенням об’єму.

Цементний камінь руйнується під дією різних хімічних продуктів в конструкціях промислових та сільськогосподарських підприємств (органічні кислоти, розчини гліцерину і цукру, рослинні і тваринні масла).

Для боротьби з корозією цементного каменя підвищують щільність бетону за рахунок зменшення водовмісну і водоцементного відношення бетонної суміші, а також введення пластифікуючих, повітряпритягаючих і полімерних домішок.

Для антикорозійного захисту застосовують: просочення конструкцій бітумом, обробку поверхні розчином силікату натрію, кремнефтористої солі, а також гідро- ізолюють бетон мастичними або рулонними матеріалами, облицьовувають їх природним каменем, пластмасами, керамічними матеріалами.

В гідромеліоративному будівництві найбільш ефективно застосовують сульфатостійкі, пластифіковані і гідрофобні, швидко твердіючи, пуцоланові і шлакові цементи.

Шлакопортландцемент і пуцолановий портландцемент містять більш 20% активним мінеральних добавок.

Шлакопортландцемент – це гідравлічна в’яжуча речовина, яка отримана шляхом тонкого помелу клінкеру, гіпсу і гранульованого шлаку. Цей цемент має високу стійкість у м’яких та мінералізованих водах, підвищену жаростійкість ( М 300, М 400, М 500).

Застосовується для бетонних і залізобетонних надземних, підземних і підводних конструкцій, а також для виготовлення будівельних розчинів. Неможливе застосування цього цементу для конструкцій підвищеної морозостійкості і для будівельних робіт при знижених температурах без штучного підігріву, а також в спекотну і суху погоду без дотримання вологостного режиму твердіння.

Пуцолановий портландцемент – це гідравлічне в’яжуче одержане шляхом тонкого здрібнення клінкеру, кислої активної мінеральної (гідравлічної) добавки і гіпсу.

Знижена щільність (2,7 – 2,9 г/см³) пуцоланового портландцементу, а також ущільнення цементного каменю в результаті набрякання добавок забезпечують підвищену водонепроникність бетонів. Після розбавлення цементів мінеральними домішками знижується їх тепловиділення при твердінні і трищиноутворення в масивному гідротехнічному бетоні (М 300, М 400).

Пуцолановий портландцемент при звичайних і знижених температурах тужавіє повільно. Бетони і розчини на його основі неморозостійкі. Їх недоліки: велика усадка і низька стійкість до змінного зволоження і відтавання.

Найбільш раціонально застосовувати пуцолановий портландцемент для підземних і підводних конструкцій підвищеної водонепроникності і стійкості в м’яких та мінералізованих водах, або в надземних конструкціях в умовах підвищеної вологості без замерзання і віддавання.

Шлакопортландцемент і пуцолановий портландцемент входять в групу сульфатостійких портландцементів.

Швидкотвердіючи портландцементи. Підвищення швидкості твердіння досягається збільшенням в цементі суму найбільш активних мінералів (C₂S + C₃A ≥ 60-65%) і більш тонким помелом.

Основні представники цих цементів:

• швидкотвердіючий портландцемент ШПЦ (М 400, М 500)

• шлакопортландцемент ШШПЦ ( М 400)

Вони мають міцність через перші троє діб.

В портландцементи різних видів і марок при здрібненні дозволяється вводити поверхнево-активні речовини в кількості ≤ 0,3% по масі. ПАР – це органічні з’єднання, які мають здібність адсорбіруватись на зернах цементу і придавати йому ряд спеціальних властивостей.

Розподіляють гідрофілізуючи і гідрофобізуючи ПАР. Гідрофілізуючи ПАР поглинаються на поверхні зерен цементу і утворюють гідрофільні плівки, які сприяють кращому змочуванню часток водою, зменшують їх схоплення і підвищують пластичність цементного тіста. Пластичність цементного тіста визначають по ступеню розпливу конуса із цементно-піщаного розчину на струшуваному столику. Застосування пластифікованого портландцементу дозволяє без збільшення витрати води одержувати бетонну суміш більшої рухливості і полегшити її укладку, або знизити витрати цементу (при незмінних рухливості і водоцементному відношенні).

При зберіганні встановленої витрати цементу і необхідної рухомості зменшується водоцементне відношення бетонної суміші, що призводить до підвищення міцності, морозостійкості і водонепроникності бетону.

Гідрофобний портландцемент одержують при введені у процесі здрібнення гідрофобної добавки ( асидол, милонафт, олеїнова кислота), які утворюють на зернах цементу тончайші адсорбційні шари – водонезмочувані оболонки. Крапля води на поверхні цього цементу затримуються протягом 5 хвилин. Ця здібність обумовлює високу ступінь збереження цементу ( 1-2 рази).

Глиноземистий цемент - швидкотвердіюча гідравлічна в’яжуча речовина, одержана тонким здрібненням клінкера, в якому переважають низько основні алюмінати кальцію СаО ∙ Al₂O₃ (30-45%)∙(35-50%).

Здрібнюють глиноземистий цемент до проходження через сито №008 не менш 90% маси проби. Водопотреба глиноземистого цементу 23-28%. Початок тужавіння не раніше 30 хвилин, кінець не пізніше 12 годин. За 5-6 годин твердіння міцність глиноземистого цементу досягає 30%, а за добу 80-90%. Марочна міцність визначається після 3 діб з моменту виготовлення зразків (М 400, М 500, М 600). Швидко твердіє при нормальних і знижених позитивних температурах. Глиноземистий цемент має високу водо-, сульфато-, і морозостійкість, а також жаростійкість.

В’яжучі матеріали відвантажують в клапанних паперових мішках або навалом в спеціальних транспортних засобах: авто- або залізничнодорожних цементовозах, вкритих вагонах. Цементи повинні зберігатися окремо по видам і маркам в стаціонарних або пересувних автоматизованих складах (силосах), в спеціальних контейнерах чи бункерах, які мають пристрої для приймання і видачі цементу.

В паспорті на цемент, який видає завод-виготовлювач, вказується:

• номер партії;

• повне найменування цементу;

• гарантована марка;

• вид і кількість домішок;

• нормальна густина цементного тіста;

• середня активність цементу при пропарюванні;

• інші відомості.