1 Составы строительных материалов

Состав – это качественная и количественная характеристика веществ, составляющих сырьевые материалы и готовые изделия.

Различают несколько видов составов сырьевых материалов и готовых изделий: элементный (вещественный), химический, минералогический, фазовый, гранулометрический.

1.1 Элементный или вещественный состав, как совокупность химических элементов составляющих вещество. Элементный или вещественный состав определяет природу вещества, т.е. показывает, какой это материал – минеральный, органический или же имеющий сложный состав.

Например, в состав неорганических каменных материалов природных или искусственных (гранит, мрамор, кирпич керамический, бетон и др.) входят следующие химические элементы: кремний (Si), алюминия (Al), кальция (Ca), магния (Mg), железа (Fe), кислорода (O); органических (битум) - углерод (С); водород (Н), кислород (О), сера (S), азот (N).

1.2 Химический состав. Химический состав строительных материалов выражают по-разному. Например, химический состав неорганических материалов (цемент, известь, глина, стекло и др.) количеством содержащихся в них оксидов, %, металлов и сплавов – массовой долей элементов, %, битумов содержанием трех групп соединений: асфальтенов (с молекулярной массой 1000 – 5000), смол (с молекулярной массой 500-1000) и масел (с молекулярной массой 100 – 500), % и т.д.

Зная химический состав веществ или материалов, можно предполагать какими свойствами, они обладают (табл. 1, 2, 3). Например, высокое содержание кремнезема (SiO₂) и низкое содержание оксида кальция (CaO) и глинозема (Al₂O₃) свидетельствует, что состав кислый, а глины легкоплавкие. Высокое содержание оксида кальция (CaO) свидетельствует о том, что состав сырья или материала имеет основный характер. Если химический состав включает аббревиатуру "ппп" (потери при прокаливании), это свидетельствует, что при воздействии на материал высоких температур теряется летучая, органическая составляющая и химически связанная вода (табл.1).

В табл. 2 представлен химический состав углеродистой и низколегированной стали. Физико-механические свойства арматурной стали зависят от химического состава (табл.3).

Примерный групповой состав битума:

Масла 40-60%

Смолы 20-40%

Асфальтены 10-25%

Карбены и карбоиды 1-3%

Асфальтеновые кислоты и ангидриды 1%.

Масла придают битумам подвижность, текучесть, увеличивают испаряемость, снижают температуру размягчения; смолы обуславливают растяжимость и эластичность битумов; содержание асфальтенов определяет температурную устойчивость, вязкость и твердость (хрупкость) битумов;

Таблица 1 Химические составы и характеристики некоторых материалов

Материал	Химический состав, %							Характеристики
	SiO2	CaO	Al2O3	Fe2O3 (+FeO)	MgO	другие оксиды	ппп
Глина	53…81	0,5…15	7…23	3…6	0,5…3	1…5	<15	Легкоплавкие,
Глина	50…70	<2	18…30	3…3,5	<1,5	<5	<4,4	Тугоплавкие
Глина	43…48	0,1…1,5	31…39	0,15…0,7	0,03…0,6	0,65…2,1	6…13	Огнеупорные
Шлак доменный	35…40	45…50	8…10	0,3…1	-	4…7	-	Основной
Шлак доменный	45…55	25…30	14…20	2…3	-	2,4…5,5	-	Кислый
Портландцемент	21…24	63…66	4…8	2…4	-	3..5	-	Нормально твердеющий
Глиноземистый цемент	5…10	35…43	39…47	2…15	-	1,5…2,5	-	Быстро твердеющий

Таблица 2 Химический состав углеродистой и низколегированной стали

Марки	Массовая доля элементов, %
стали (класс)	Углерод	Марганец	Кремний	Хром	Титан	Цирконий	Алюминий	Никель	Сера	Фосфор	Медь
								не более
Ст3 (А-I)	0,14…0,22	0,40-0,65	0,15-0,39	Не более 0,30	-	-	-	Не более 0,30	Не более 0,05	Не более 0,04	Не более 0,30
Ст5 (А-II)	0,28-0,37	0,50-0,80	0,05-0,15	Не более 0,30	-	-	-	Не более 0,30	Не более 0,05	Не более 0,04	Не более 0,30
10ГТ (А-II)	Не более 0,13	1,00-1,40	0,45-0,65	Не более 0,30	0,015-0,035	-	0,02-0,05	-	0,040	0,030	0,30
18Г2С (А-II)	0,14-0,23	1,20-1,60	0,60-0,90	Не более 0,30	-	-	-	0,30	0,045	0,040	0,30
32Г2Рпс (А-III)	0,28-0,37	1,30-1,75	Не более 0,17	Не более 0,30	-	-	0,001-0,015	0,30	0,050	0,045	0,30
35ГС (А-III)	0,30-0,37	0,80-1,20	0,60-0,90	Не более 0,30	-	-	-	0,30	0,045	0,040	0,30
25Г2С (А-III)	0,20-0,29	1,20-1,60	0,60-0,90	Не более 0,30	-	-	-	0,30	0,045	0,040	0,30
20ХГ2Ц (А-IV)	0,19-0,26	1,50-1,90	0,40-0,70	0,90-1,20	-	0,05-0,14	-	0,30	0,045	0,045	0,30
80С (А-IV)	0,74-0,82	0,50-0,90	0,60-1,10	Не более 0,30	0,015-0,040	-	-	0,30	0,045	0,040	0,30
23Х2Г2Т (А-V)	0,19-0,26	1,40-1,70	0,40-0,70	1,35-1,70	0,02-0,08	-	0,015-0,050	0,30	0,045	0,045	0,30
22Х2Г2АЮ (А-VI)	0,19-0,26	1,40-1,70	0,40-0,70	1,50-2,10	0,005-0,030	-	0,02-0,07	0,30	0,040	0,040	0,30
22Х2Г2Р (А-VI)	0,19-0,26	1,50-1,90	0,40-0,70	1,50-1,90	0,02-0,08	-	0,015-0,050	0,30	0,040	0,040	0,30
20Х2Г2СР (А-VI)	0,16-0,26	1,40-1,80	0,75-1,55	1,40-1,80	0,02-0,08	-	0,015-0,050	0,30	0,040	0,040	0,30

Таблица 3 Механические свойства арматурной стали

Класс арматурной стали	Предел текучести		Временное сопротивление разрыву		Относительное удлинение ,%	Равномерное удлинение , %	Ударная вязкость при температуре - 60 °С		Испытание на изгиб в холодном состоянии (с - толщина оправки,
	Н/мм2	кгс/ мм2	Н/мм2	кгс/мм2			МДж/м2	кгс·м/cм2	d - диаметр
	не менее								стержня)
А-I (А240)	235	24	373	38	25	-	-	-	180°; с = d
А-II (А300)	295	30	490	50	19	-	-	-	180°; c = 3d
Ас-II (А300)	295	30	441	45	25	-	0,5	5	180°; c = d
А-III (А400)	390	40	590	60	14	-	-	-	90°; c = 3d
А-IV (А600)	590	60	883	90	6	2	-	-	45°; c = 5d
А-V (А800)	785	80	1030	105	7	2	-	-	45°; c = 5d
А-VI (А1000)	980	100	1230	125	6	2	-	-	45°; c = 5d

1.3 Минералогический состав как совокупность природных или искусственных соединений (минералов). Минералы – природные или искусственные химические материалы, отличающиеся однородным составом и свойствами.Эта характеристика дает более полную информацию о материале. Зная минералогический состав можно отличить один материал от другого и предопределить не только физические и химические свойства сырья и материалов, но и более специфические характеристики, технологические свойства.

Например, такие горные породы как граниты обладают благоприятным для строительного камня минералогическим составом, отличающимся высоким содержанием кварца (25…30 %), полевых шпатов (55…65%) и небольшим количеством слюды (5…10 %).

Портландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения клинкера с добавкой двуводного гипса (3-5 %).

В составе клинкера портландцемента преобладают такие минералы как:

• алит – 3CaO·SiO₂(илиC₃S) – самый важный минерал клинкера, определяющий быстроту твердения, прочность и др. свойства портландцемента, содержится в клинкере в количестве 45-60%;

• белит - 2CaO·SiO₂(илиC₂S) – второй по важности и содержанию (20-30 %) силикатный минерал клинкера. Он медленно твердеет, но достигает высокой прочности при длительном твердении портландцемента;

• целит- 3CaO·Al₂O₃(C₃A) – самый активный клинкерный минерал, быстро взаимодействует с водой, содержится в количестве 4-12%, является причиной сульфатной коррозии бетона;

• четырехкальциевый алюмоферрит - - 4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃(C₄AF) –характеризуется умеренным тепловыделением и по быстроте твердения занимает промежуточное положение междуC₃SиC₂S, содержится в клинкере в количестве 10-20 %.

1.4 Фазовый состав как совокупность гомогенных частей системы, однородных по свойствам и физическому строению. Фазовый состав – структурная характеристика материала, сырья. Если структуру составляют несколько фаз, то между ними заметна линия или граница раздела. На микроуровне можно различить разнородные группы кристаллов и границу их раздела, кристаллов и стеклообразных соединений и площадь их контакта. Граница раздела предопределяет физические, химические и термические свойства материалов, веществ. На макроуровне рассматривают три основные фазы: твердую, жидкую и газообразную.

Например, фазовый состав материала и фазовые переходы воды, находящиеся в его порах, оказывают влияние на все свойства и поведение материала при эксплуатации. В материале выделяют твердые вещества, образующие стенки пор, т.е "каркас" материала, и поры заполненные воздухом и водой. Если вода замерзает, то образующийся в порах лед изменяет механические и теплофизические свойства материала, увеличение объема замерзающей воды вызывает внутренние напряжения, способные разрушить со временем материал.

1.5 Гранулометрический состав – сочетание в сыпучей смеси зерен либо гранул различных размеров и формы. Зерна по размерам по размерам подразделяют на группы (фракции). Гранулометрия рассматривает как свойства отдельных зерен, так и характеристики смеси в целом.

Каждое зерно характеризуется размером, формой, плотностью, химическим и минералогическим составом. В любой смеси имеются максимально крупные и минимально мелкие зерна, их определяется ситовым анализом. Для характеристики сыпучей строительной смеси в зависимости от средней величины зерен в ней используют следующие технические термины:

• мука – продукт тонкого помола, например, известняковая мука - известняковых горных пород;

• пыль – отсев, например, при ситовом анализе песка зерен размером менее 0,14 мм;

• порошок – специально подготовленная сыпучая смесь определенного состава;

• песок – мелкозернистая сыпучая смесь зерен с размерами св. 0,14 мм до 5 мм;

• гравий - неорганический зернистый сыпучий материал с зернами крупностью св. 5 мм, форма зерен окатанная;

• щебень - зернистый сыпучий материал с зернами крупностью св. 5 мм, форма зерен рваная;

• гравийно-песчаная смесь – сыпучая смесь, содержащая как песок, так и гравий;

• крошка, зерно - отдельная частица материала определенных формы и размеров;

• гранула – искусственно полученное зерно.

Для характеристики сыпучей смеси определяют зерновой состав, фракционный состав, удельную поверхность, сыпучесть, насыпную плотность, пустотность:

• зерновой состав– состав, содержащий зерна практически любых размеров и образующий непрерывную гранулометрию. Зерновой состав характеризуется в основном размерами зерен и их формой, например, основные размеры зерен песка речного кубанского от 0,14 до 0,63 мм, форма зерен окатанная;

• фракционный состав- состав смеси, в которой зерна, близкие по размерам, образуют фракции, прерывистую гранулометрию. Фракционный состав характеризуется размерами фракций и их количеством, например, фракционный состав щебня фракция 15-10 мм – 20 % , фр.10-20 мм – 40%, фр. 20-40 мм – 40%;

• удельная поверхность– суммарная поверхность зерен. Различают внешнюю удельную поверхность зерен и полную с учетом пористости зерен, м²/кг, см²/г, например, удельная поверхность цемента 2500-3000 см²/г;

• насыпную плотность– масса сыпучего материала в единице замкнутого объема:

ρ^нас.=m·/V, кг/м³(г/см³),

где m – масса сыпучего материала, кг (г),

V – объем сыпучего материала, м³.

Например, насыпная плотность песка ρ^нас =1300 кг/м³(песок кубанский речной), портландцемента – ρ^нас=3100…3300 кг/м³;

• пустотность– суммарный объем пустот, образующихся в результате свободной укладки сыпучего материала, отнесенный к его полному объему:

α = ∑V_п/V_см,

где α – пустотность, ед. или %,

V_п– объем пустот, м³,

V_см– полный объем смеси, м³.

Пустотность не зависит от размера зерен, а зависит от их формы, количества и размера фракций, а также от способов укладки смеси;

• сыпучесть– способность смесей растекаться при свободной укладке, формовании или складированию. Сыпучесть характеризуется углом естественного откоса, β. Угол естественного откоса зависит от размеров и формы зерен, состояния их поверхности, насыпной плотности и влажности сыпучей смеси. Угол естественного откоса некоторых сыпучих материалов:

щебень β = 40…45 град.;

гравий β = 35…40 град.;

песок:

крупный β = 30…35 град.;

средний β = 25…30 град.;

мелкий β = 25 град.

Сыпучесть гравия выше, чем щебня, благодаря более окатанной форме его кусков, а сыпучесть песка зависит от его крупности. С увеличением влажности сыпучесть мелкозернистых смесей, имеющих большую удельную поверхность, сначала уменьшается в большей степени, чем крупнозернистых, за счет вытеснения водой воздушных прослоек и уменьшения коэффициента трения смеси.

В технологии строительных материалов сыпучие смеси, используемые в качестве заполнителей, наполнителей, добавок т.д., оказывают существенное влияние на формирование заданной плотности или пористости структуры материала. Для получения плотной структуры необходимо использовать двух- или многофракционные смеси, так как пустоты, образующиеся между крупными зернами, заполняются зернами меньших размеров, увеличивая плотность, например, набор из трех различных рассчитанных фракций может дать плотность около 81 %, из 4-х и более фракций – до 85 % и выше. Однако практически высокую плотность сухой сыпучей смеси получить трудно по следующим причинам:

• форма зерен отличается от формы шара;

• зерна фракций различны по размерам.