Лекции_строительные материалы и конструкции

стеновых камней, деталей, гипсовых сухих строительных смесей. Ангидритовый цемент применяют для устройства бесшовных полов, оснований под чистые полы ( в том числе сборных), в производстве легких бетонов и искусственного мрамора. Эстрих-гипс применяют аналогично ангидриту при устройстве полов.

Гипсолит – (гипсовые перегородочные плиты) в соответствии с требованиями ГОСТ выпускают толщиной 80…100 мм и длиной 800 мм. Торцевые и боковые грани выполняют в виде полукруглых желобков или пазов и гребней, заполняемых строительным раствором при сборке перегородок. Плиты изготавливают из гипсового теста и гипсобетонных смесей с заполнителями из древесных отпилок и волокон до 3 % по массе. Компоненты смешивают с водой в гипсомешалке при скорости вращения винтовых лопастей 600…1000 об/мин. Изделия формуют на карусельной машине в спаренных раздвижных формах. Стол машины вращается вокруг вертикального вала. При этом каждая из форм поочередно устанавливается под мешалкой. За один оборот в течение 7 мин машина формует 56 плит. За этот период гипсовая смесь должна схватиться и изделия выталкиваются из форм. Для обеспечения схватывания в период 5…6 мин гипс затворяют теплой водой ( Т=35…40 °С). Для ускорения сэхватывания в состав массы вводят 2…3 % вторичного двуводного гипса. Отформованные изделия сушат в тоннельных сушилках очищенными дымовыми газами или подогретым воздухом при температуре 100…120°С в течение 24…30 часов.

ГКЛ – гипсокартонные листы изготавливаются толщиной 10…12 мм, шириной 1200…1300 мм и длиной 250…3300 мм. Гипсовая масса из смеси гипса, воды, регулятора схватывания (СДБ, вторичный двугидрат, NaCl) из пропеллерно-скребкового смесителя подается на формующий стол. Гипсовая смесь равномерно распределяется по нажней картонной ленте. Края нижней ленты загибаются вверх, а затем к ним под формующими валками приклеивается жидким стеклом верхняя картонная лента. Гипсокартонная лента по конвейеру схватывания передвигается к отрезному станку. К моменту резки ленты на листы гипсовый сердечник схватывается. Листы поступают в туннельную сушилку. Прочность на изиб листов штукатурки повышается в случае использования для армирования вместо листов картона бумажной макулатуры, вводимой в смеситель в виде бумажной пульпы. Для изготовления гипсовых изделий применяется также технология прессования. Такая листовая штукатурка выпускается под

31

названием гипсоволокнистых листов - ГВЛ. ГКЛ и ГВЛ монтируют по направляющим металлическим профилям с помощью саморезов.

Гипсобетонные панели используют для устройства перегородок в помещениях с влажностью до 60 %. Их изготавливают размером на комнату сплошными или с проемами толщиной 80…100 мм высотой 3 м и длиной 6 м. Гипсобетонные перегородки на 80 : дешевле кирпичных и на 125 % дешевле железобетонных, имеют хорошую звукоизоляцию, гипса, воды, песка, крупного заполнителя в виде пемзы, туфа, топливных шлаков, керамзита, аглопорита, древесных опилок, волокон, льняной костры. Панели армируют алюминиевой проволокой или деревянными рейками. Недостатками панелей являются хрупкость, пониженное сцепление с арматурой, ползучесть, низкая водостойкость. Изделия формуют литьем или прессованием, сушат при температуре 105…130 °С в течение 18…24 часов. В практике строительства для производства отделочных работ применяют сухие смеси на гипсовой основе.

С применением сухих смесей на основе гипса сегодня решается широкий круг задач по отделке интерьеров. К наиболее распространенным торговым маркам сухих строительных смесей на основе гипса относятся марки «Vitonit», KNAUF, «Плитонит», «ЮнисХХI», «Атлас», «Старатели», «Боларс», «ВОЛМА». Хорошо зарекомендовали себя сухие смеси торговой марки KNAUF. Это тонкослойные (финишные) и толстослойные штукатурные смеси, шпатлевки, клеи. Например, штукатурка «Ротбанд» (RotbandHaftputzgips)- универсальная сухая штукатурная смесь на основе гипсового вяжущего. Предназначена для оштукатуривания вручную стеновых поверхностей, имеющих шероховатую поверхность -

32

кирпичной кладки, пенобетона внутри помещений с нормальной влажностью, включая кухни и ванные комнаты в жилых помещениях.

Содержит минеральные и водоредуцирующие добавки.Технические характеристики смеси приведены в табл. 2.2.

2.2.3.Основы технологии строительной воздушной извести

Строительной известью называют группу минеральных вяжущих, полученных в результате обжига ниже температуры спекания кальциево-магниевых карбонатных пород в шахтных или вращающихся печах. В процессе обжига при 900…1000 °С известняк подвергается диссоциации:

СаСO3 = CaO + CO2

Дробленый известняк крупностью не менее 20 мм в шахтную печь загружается сверху. В качестве топлива применяется природный газ. При сгорании топлива восходящие потоки продуктов сгорания просасываются через сырье и вызывает диссоциацию карбонатных пород. В нижней зоне печи известь охлаждается поступающим в шахту воздухом и отгружается при температуре 50…100 °С. Вращающиеся печи используют для обжига сырьевой мелочи – частиц крупностью 5…20 мм. Они производительнее, требуют меньших капитальных вложений, но вследствие потерь тепла характеризуются повышенным расходом топлива.

Продуктом обжига известняка является кусковой пористый материал - комовая негашеная известь – кипелка. Взаимодействие негашеной извести с водой называют гашением:

СаO + H2O = Ca(OH)2+ Q.

Гашение сопровождается выделением тепла. Продукт гашения –

Твердение извести на воздухе состоит в испарении воды, кристаллизации гидроксида кальция и карбонизации его под воздействием углекислого газа атмосферы:

Са(ОН)2 + СO2 + H2O = CaCO3 + H2O.

Процесс твердения извести протекает медленно, прочность известковых растворов не велика. Процентное суммарное содержание в

33

извести СаО и MgО называют активностью извести (А). В кальциевой воздушной извести доля MgО не превышает 5 %. По активности известь воздушную кальциевую делят на сорта: I сорт – А ≥ 90 %, II сорт – А ≥ 80 %, III сорт - А ≥ 70 %. На воздухе негашеная известь быстро карбонизуется и теряет активность. В гашеном виде она может долго храниться, не теряя своей активности. Работа с известью требует специальных мер безопасности, так как представляет собой щелочь.

2.2.4.Технология изделий на основе известковых вяжущих

Встроительстве известь используется для приготовления побелочных составов, в производстве силикатных изделий (силикатного кирпича, силикатных бетонов, теплоизоляционных ячеистых силикатных изделий), кладочных и штукатурных растворов, в том числе сухих строительных смесей.

В1880 г. немецким ученым Михаэлисом было установлено, что в автоклавных условиях (Р=0,8 МПа, Т= 180 °С) из известково-песчаных смесей могут быть получены прочные и сравнительно долговечные изделия. Химическое взаимодействие извести и кварцевого песка в автоклавных условиях приводит к образованию гидросиликатов кальция. Этот химический процесс лежит в основе твердения извести в силикатных изделиях:

Са(ОН)2 + SiO2 +( n-1)H2O = CaO SiO2 nH2O.

сырьевая смесь для силикатного кирпича содержит 92…95 % кварцевого песка, 5…8 % извести и около 7 % воды.

Технология изготовления силикатного кирпича состоит в добыче песка и известняка, производстве извести, размола извести совместно с кварцевым песком в шаровой мельнице, приготовления известковопесчаной смеси, ее гашении. прессовании кирпича при давлении Р- 15…20 МПа и запаривании его в автоклаве. Известково-песчаная смесь может гаситься в непрерывно вращающемся барабане острым паром по давлением 0,2 МПа или после смешивания с водой в смесителе гашение происходит при вылеживании в силосах в течение 6…9 часов. Формование кирпича производят в трехпозиционных полуавтоматических револьверных прессах при давлении 15…20 МПа.

Прессованный сырец на вагонетках направляют в автоклав, где производится его запариваение под давлением 0,8…1,6 МПа в течение

300,250,200, 150, 125, 100, 75; по морозостойкости - F50, F35, F25, F15.

34

Средняя плотность кирпича 1800…2100 кг/м3. Силикатный кирпич применяют для возведения стен и перегородок. Его нельзя применять для кладки фундаментов, так, как он не водостоек а также для кладки печей и дымовых труб, так как он не жаростоек.

Силикатный бетон получают из смеси кварцевого песка 70…80 %, молотого песка с удельной поверхностью 200…250 м2/кг – 8…15 % и смолотой негашеной извести с удельной поверхностью 400...500 м2/кг - 6…10 %.

Сырьевую смесь приготавливают в бетоносмесителях принудительного действия, изделия формуют на виброплощадках. После выдерживания изделия твердеют в автоклавах по режиму: 2 ч – подъем давления, 8…9 ч – изотермическое запаривание при этом давлении, 2…3 ч – спуск давления. Прочность изделий при сжатии составляет 15…40 МПа, а при вибропрокате – до 60 МПа. Недостаток изделий – повышенная деформативность. Модуль упругости в 2 раза ниже, чем у цементных бетонов. Плотные силикатные изделия применяют для сухом и нормальном режиме эксплуатации в жилых, промышленных и общественных зданиях, за исключением фундаментов.

Ячеистые автоклавные силикатные бетоны – пеносиликаты и газосиликаты получают введением в рецептуру устойчивой технической пены или газообразователей. Ячеистые силикатные бетоны могут иметь плотность от 300 до 1200 кг/м3 и коэффициент теплопроводности – 0,06…0,38 Вт/мК. Это легкие бетоны теплоизоляционного и теплоизоляционно-конструкционного назначения. Ячеистые бетоны выпускаются с прочностью от 0,8 до 15 МПа.

2.2.5.Технология магнезиальных вяжущих и изделий из них

Магнезиальные вяжущие – это воздушные вяжущие вещества,

вращающихся печах. Обжигом магнезита при температуре 700…800°С получают каустический магнезит:

MgСO3 = MgO + CO2.

Обжигом долмитаита при температуре 650…900°С получают каустический магнезит:

MgСO3СаСО3 = MgO СаСО3 + CO2.

35

Для затворения применяют не воду, а концентрированные растворы солей FeSO4 или MgCl26H2O – бишофит. Дозировка бишофита по массе

3MgOMgCl26H2O и кристаллизуется Mg(OH)2.

Магнезиальные вяжущие вещества применяют для производства бетонов с органическими заполнителями. При использовании древесной стружки получают теплоизоляционный фибролит, а при введении опилок – ксилолит, применяемый при возведении стен и полов. В сочетании с неорганическими заполнителями получают штукатурные растворы, плиты искусственного мрамора, лестничные ступени и подоконные плиты. Формовка изделий производится прессованием, после чего они направляются в камеры сушки. Магнезиальные вяжущие вещества относят к воздушным вяжущим. Изделия из магнезиальных вяжущих должны защищаться от увлажнения и эксплуатироваться в помещениях с влажностью не более 60 %.

2.2.6.Растворимое стекло

Растворимое стекло представляет собой сплав щелочных натриевых

– Na2OnSiO2 и калиевых силикатов К2OnSiO2. Сырьем служит смесь тонкоизмельченных и перемешанных между собой кварцевого песка, кальцинированной соды и сульфата натрия или поташа. Смесь сплавляют в стекловаренной печи в течение 7…10 ч и выпускают в разборные вагонетки. При быстром охлаждении продукт распадается

2,7…3,3.Растворение происходит тем медленнее, чем выше модуль и ниже температура. Жидкое стекло может быть получено в автоклавных условиях из смеси аморфного кремнезема и едкого натра. Жидкое стекло твердеет на воздухе под действием углекислого газа:

Na2OnSiO2+CO2=Na2CO3+nSiO2.

Жидкое стекло применяется для укрепления (силикатизации) грунтов, для изготовления жароупорных обмазок, для силикатных кислотоупорных цемента и замазок, кислотоупорных и жаростойких

36

бетонов с температурой применения до 1300°С, для уплотнения бетонов, укрепления поверхности стеновых камней.

Нельзя применять в конструкциях, подвергающихся длительному воздействию воды, щелочей или фосфорной и кремнефтористоводородной кислот. Жидкое стекло транспортируют и хранят в плотной таре, в бочках и цистернах.

Силикатная замазка состоит из 10 в.ч. андезита, 40…42 в.ч. жидкого натриевого стекла плотностью 1,45 г/см3 с модулем n=2,7 и 6 в.ч. кремнефтористого натрия. Избыток кремнефтористого натрия снижает прочность и ускоряет твердение, недостаток замедляет схватывание, снижает стойкость в слабых кислотах. Для снижения пористости замазок в рецептуру вводят 1 % фурилового спирта или 3 % фурфурола от массы жидкого стекла.

Кислотоупорный цемент – порошкообразный тонкоизмельченный материал состоящий из 95…97 % кварцевого песка и 5 % кремнефтористого натрия, затворяет жидким стеклом.

Начало схватывания не ранее 30 мин, конец - не позднее 6 часов. Твердеет при температуре не ниже 10°С. При температуре выше 25°С твердение ускоряется. Используется для приготовления кислотоупорного бетона. Применяется для облицовки химической аппаратуры, для кислотоупорной кладки, обмазки, окраски поверхностей, подвергающихся действию кислот.

2.3.Гидравлические вяжущие вещества

2.3.1.Гидравлическая известь и романцемент

Цемент – это обобщенное название группы гидравлических вяжущих веществ, основной составляющей частью которых являются силикаты и алюминаты кальция, образующиеся при обжиге до частичного плавления сырья. Наиболее важное значение из этой группы имеет портландцемент. Создание современного портландцемента прошло большой исторический путь. Справедливо считать, что оно берет свое начало от известного воздушного вяжущего

– извести. В 1756 г. английский инженер Смитон обнаружил, что обжиг известняка с примесью глины позволяет получать известь с гидравлическими свойствами. В отличие от воздушной извести, после выдерживания таких известковых растворов на воздухе в течение 1…3 недель, они продолжают твердеть и сохранять свою прочность во

37

влажных условиях. В 17-м веке в Москве русскими зодчими было построено несколько кирпичных зданий, для кладки стен которых использовали воздушную известь с цемянкой. Цемянка представляет собой молотый керамический кирпич. Растворы на таком вяжущем проявляли повышенную водостойкость. Гидравлическую известь получают обжигом известняков с содержанием глины не менее 6 %.

В 1796 году английский инженер Д. Паркер запатентовал гидравлическое вяжущее - романцемент. Романцемент получают при измельчении в тонкий порошок продукта обжига мергелей при температуре 1000…1100 ºС. Мергели представляют собой природные смеси известняков и глин с содержанием глин около 20 %. Прочностные характеристики цементного камня из романцемента невелики: прочность при сжатии составляет около 10 МПа.

2.3.2. Портландцемент

В 1824 г. Джозеф Аспдин, английский каменщик из г. Лидса, получил патент на способ производства портландцемента под названием «Усовершенствованный способ производства искусственного камня». Портландцемент получил свое название из-за внешнего сходства с природным камнем, добываемым в графстве Портленд, хорошо зарекомендовавшего себя у строителей. В соответствии с патентом для производства использовалась искусственная смесь известняков и глин при содержании глины 23…28 %, которая подвергалась сначала обжигу при температуре 900…1000 ºС, а затем помолу. Изучение свойств гидравлических вяжущих в те годы проводилось во многих странах Европы – в Германии, Франции, а также в России. В институте инженеров путей сообщения в Петербурге

20-х годов 19 в. инженер Московской военно-рабочей бригады Егор

каления» с последующим измельчением полученного продукта и с

дешевый и лучший мертель, или цемент, весьма прочный для подводных строений, как то: каналов, мостов, бассейнов, плотин, подвалов, погребов и штукатурки каменных и деревянных строений» инженером Е. Челиевым представлен обобщенный опыт и

38

В качестве основного сырья в производстве цемента используют карбонатные породы (известняк, мел) и глину. Состав сырьевой смеси рекомендуется поддерживать в соотношении:

-известняк – СаСО3 75…78 %;

-глина – 25…22 %.

С целью регулирования состава сырьевой смеси вводят корректирующие добавки.

Технология производства портландцемента предусматривает добычу сырья, приготовление сырьевой смеси, получение цементного клинкера обжигом сырьевой смеси, помол клинкера с добавками, складирование.

Различают сухой, мокрый и комбинированный способы производства портландцемента. В России портландцемент производят преимущественно мокрым способом. Он состоит в том, что в сырьевую смесь вводят 32…45 % воды до получения жидкой текучей массы – шлама. Присутствие воды облегчает процесс получения однородной смеси при меньших энергозатратах. Шлам поступает во вращающуюся печь для обжига. Вращающаяся печь имеет цилиндрическую форму длиной, например, 185 м, диаметром 5 м, она расположена под углом 3◦ к горизонту и медленно вращается вокруг своей оси. В качестве топлива используется природный газ. Горячие газы от сжигания топлива движутся навстречу сырьевой смеси. При температуре 200 °С из шлама удаляется физически связанная вода. В интервале температур 500…600 °С удаляется химически связанная вода. При температуре 900 °С происходит диссоциация известняка. В интервале температур 1000…1200°С начинается образование силикатов и алюминатов кальция. Диапазон температур 1400…1500 °С соответствует температуре спекания и частичного плавления сырьевой смеси. При этом образуется высокоосновный силикат кальция, способствующий формированию высокой активности цемента. Завершаются реакции образования силикатов и алюминатов кальция. К концу процесса обжига не должно оставаться свободной извести. Смесь спекается с образованием отдельных гранул диаметром 4…20 мм – портландцементного клинкера. Клинкер подвергают быстрому охлаждению с целью сохранения не закристаллизованной высокоактивной стекловидной фазы. Помол клинкера осуществляют в шаровых мельницах совместно с 5 % природного гипсового камня.

При сухом способе производства сырьевые материалы подсушиваются и размалываются в шаровых мельницах, после чего

39

сырьевая смесь выдерживается в силосах, где происходит интенсивное перемешивание сжатым воздухом. Готовая сырьевая мука в подогретом состоянии поступает во вращающуюся печь. Дальнейший процесс не отличается от производства мокрым способом. Основное преимущество сухого способа – снижение расхода теплоты на обжиг, что обеспечивает снижение себестоимости продукции на 10 %. При наличии сырья влажностью 20…25 % целесообразно осуществлять производство комбинированным способом: сырьевая смесь приготавливается по технологии мокрого способа. Затем шлам обезвоживается на прессфильтрах и на обжиг подается сухая гранулированная смесь. Способ производства выбирается с учетом свойств сырья.

Для получения портландцемента высокого качества необходимо, чтобы химический состав клинкера находился в определенных пределах: СаО - 60…67 %, SiO2 - 19…24 %, Аl2O3 – 4…8 %, Fe2O3 – 2…6 %. Содержание MgO не должно превышать 5 %, R2O – до 0,5 %.

Содержание SO3 – 1,5…3,5 %.

В процессе обжига образуется портландцементный клинкер. состоящий в основном из следующих минералов:

3СаОSiO2 – трехкальциевый силикат (алит); 2CaOSiO2- двухкальциевый силикат (белит); 4CаОAl2O3Fe2O3 – четырехкальциевый алюмоферрит; 3CaO Al2O3 - трехкальциевый алюминат.

При твердении минералы портландцементного химически взаимодействуют с водой. Теоретически на гидратацию требуется около 20 % воды от массы цемента. Химические процессы, протекающие при твердении портландцемента, описываются в основном следующими реакциями:

2(3СаОSiO2)+ 6H2O=3СаО2SiO23 H2O + 3Ca(OH)2; 2(2CaOSiO2)+ 4H2O=3СаО2SiO23Н2О+ Са(ОH)2; 3CaO Al2O3+ 6Н2О=3CaO Al2O36Н2О;

4СаО Al2O3 Fe2O3 + m Н2О =3CaO Al2O36Н2О+CaO Fe2O3nН2О.

Для замедления схватывания при помоле клинкера добавляют 3…5 % природного гипсового камня, который способствует образованию гидросульфоалюмината кальция (минерала эттрингита):

3CaO Al2O3 + 3(СаSO42Н2О) + 26Н2О=3CaO Al2O33СаSO432Н2О.

Заполняя поры цементного камня, эттрингит повышает его механическую прочность. При этом в нем значительно снижается доля слабопрочных рыхлых кристаллов гидроалюмината кальция.

40