37 Портландцемент. Свойства портланд цемента. Физико-химические процессы, протекающие при твердении цемента

Портландцемент — основное вяжущее, применяемое в современном строительстве для изготовления монолитных и сборных железобетонных конструкций.

К основным свойствам п.ц. относят:

Тонкость помола- один из факторов определяющих быстроту твердения и прочность цементного камня . По ГОСТу остаток на сите должен составлять не более 15% от общей массы.

Водопотребляемость – характеризуется количеством воды ( в % массы цемента) которое необходимо для получения цементного теста норматьной густоты. Она зависит от минералогического состава и тонкости помола цемента и колеблится в пределах 24-28%

Сроки схватывания определяются на тесте нормальной густоты.начало схватывания по ГОСТу должно наступить не ранее 45 минут, а конец схватывания не позднее 10 часов.

Равномерность измельчения

Прочность

Процесс гидролиза и гидратации трехкальциевого силиката выражается уравнением:

2 (ЗСаО- SiO2) + 6НаО = 3CaO.2SiO2.3HX> + ЗСа(ОН)2

В результате образуется практически нерастворимый в воде гидросиликат кальция и гидроксид кальция, который частично растворим в воде.

Двухкальциевый силикат гидратируется медленнее C3S и при его взаимодействии с водой выделяется меньше Са(ОН)2, что видно из уравнения реакции:

2 (2СаО -SiO2) + 4Н2О = ЗСаО -2SiO2 -ЗН2О + Са(ОН)2

Молярное соотношение СаО: SiO2 в гидросилнкатах, образующихся в цементном тесте, может изменяться в зависимости от состава материала, условий твердения и других обстоятельств. Поэто • му применяется термин C-S-H для всех полукристаллических и аморфных гидратов кальциевых силикатов. Гидросиликаты кальция низкой основности, имеющие состав (0,8...1,5)CaO-SiO2'(1... ...2,5)Н2О, обозначаются (по Тейлору) формулой C-S-H(I), гидроси-. ликаты высокой основности (l,5...2)CaO'SiO2-«H2O — формулой C-S-H(II). Образование низкоосновныхгидросиликатов кальция повышает прочность цементного камня; при возникновении высокоог-новныхгидросилнкатов его прочность меньше. При определенных условиях, например при автоклавной обработке, образуется тобермо-рит 5CaO-6SiO-5H2O, характеризующийся хорошо оформленными кристаллами, которые упрочняют цементный камень.

Взаимодействие трехкальциевого алюмината с водой приводит к образованию гидроалюмината кальция:

ЗСаО-А!,О3 + 6Н2О = ЗСаО.А1гО3.6Н2О

Реакция протекает с большой скоростью. Образующийся шестиводныйтрехкальциевый алюминат создает непрочную рыхлую кристаллизационную структуру и вызывает быстрое снижение пластических свойств цементного теста.

Замедления сроков схватывания портландцемента достигают введением при помоле небольшой добавки дву-водного гипса. В результате химического взаимодействия    трехкальциевого    гидроалюмината    с    введенным гипсом и водой   образуется   труднорастворимый  гидро-сульфоалюминат кальция   (эттрингит)  по схеме:

ЗСаО • А12О3 -6Н2О + 3 (CaSO4 -2НаО) + (19...20) Н2О = = ЗСаО • А12О3 • 3CaSO4 • (31... 32) НаО

В соответствии с этой теорией можно выделить три периода.

 В первом периоде происходит растворение клинкерных минералов с поверхности цементных зерен до образования насыщенного раствора, в котором начинают возникать первичные зародыши новых фаз (Са(ОН)2, эттрингита и иглы геля C-S-H).

 Во втором периоде в насыщенном растворе идут реакции гидратации клинкерных минералов в твердом состоянии (топохимически), т. е. происходит прямое присоединение воды к твердой фазе вяжущего без предварительного его растворения.Образующиеся гидросиликат и гидроферрит кальция почти нерастворимы в воде и выделяются в коллоидном состоянии на поверхности цементных частиц. Гидроксид кальция и трехкальциевыйгидроалюминат, обладая небольшой растворимостью, быстро образуют насыщенный, а в дальнейшем и пересыщенный раствор. Поэтому при продолжающейся химической реакции новые порции гидроксида кальция и трехкальциевогогидроалюмината также выделяются в коллоидном состоянии. В результате вокруг поверхности цементных зерен образуется оболочка коллоидного геля (студня), обладающего клеящим свойством. Через некоторое время цементные зерна оказываются в контакте друг с другом через такие оболочки, образуя так называемую коагуля-ционную структуру цементного теста. При этом цементное тесто начинает густеть и теряет пластичность — оно схватывается.

38 подвижность и жескость бетонных смесей. Определение подвижности и жескости бетонных смесейСвязанность (способность растекаться и плотно заполнять форму) бетонной смеси придает цементное тесто. Чем выше содержание цементного теста, чем более жидкой является его консистенция, тем больше подвижность бетонной смеси. Введение в цементное тесто заполнителя уменьшает подвижность смеси, причем тем больше, чем выше содержание заполнителя и его удельная поверхность

При изменении расчета цемента в бетоне от 200 до 400 кг/м3 при постоянном расходе воды изменения подвижности бетонной смеси очень малы и практически их можно не учитывать, принимая подвижность постоянной. Подвижность смеси изменяется только при изменении расхода воды. Эта закономерность, получившая название закона постоянства водопотребности и позволяющая в расчетах использовать упрощенную зависимость подвижности бетонной смеси только от расхода воды, объясняется следующим образом. Увеличение содержания цемента в бетонной смеси повышает толщину обмазки зерен заполнителя цементным тестом Однако при этом уменьшается отношение Ц/В (при постоянном расходе воды), т. е. влияние этих факторов, один из которых должен был бы увеличивать, а второй — уменьшать консистенцию бетонной смеси, суммируется таким образом, что изменение расхода цемента в указанных пределах не влияет на подвижность бетонной смеси.

Консистенция (жесткость) служит характеристикой способности бетона не расслаиваться и легко укладываться. Ее необходимо выбирать таким образом, чтобы бетон укладывался не расслаиваясь и мог бы уплотняться при данных условиях. Это достигается с помощью подходящего количества цементного клея в бетонной смеси. Необходимое для определенной консистенции количество цементного клея зависит в основном от гранулометрического состава (ситовой линии) заполнителя.

Богатые песком заполнители, например, для достижения одинаковой консистенции требуют больше цементного клея, чем менее богатые песком заполнители. Наряду с этим также и форма зерен и шероховатость их поверхности определяют требуемое количество бетонного клея. Смеси одинаковых ситовых линий из недробленого заполнителя для достижения одинаковой консистенции требуют меньшего количества цементного клея, чем заполнители из дробленого материала. Так как улучшение подвижности бетонной смеси только за счет повышенного добавления цементного клея может также воздействовать на бетон отрицательно, например повышенная готовность к образованию усадочных трещин, то в бетон с хорошими свойствами текучести и с хорошим сцеплением составляющих (текучий бетон) добавляется пластифицирующая добавка (FM). Чтобы уменьшить количество цемента, допустимо также использовать в качестве добавки летучую золу (FA).

39.Структура бетона образуется в результате затвердевания (схватывания) бетонной смеси и последующего твердения бетона.

Различают несколько уровней структуры бетона:

• Макроструктура, на уровне которой бетон рассматривается как система «матрица (растворная составляющая) – контактная зона – крупный заполнитель». В матрице рассматриваются поры – пространства различного происхождения, не заполненные твердым веществом;

• Мезоструктура, на уровне которой бетон рассматривается в системе «матрица (цементный камень) – контактная зона – мелкий заполнитель»;

• Микроструктура, на уровне которой рассматривается строение цементного камня. В цементном камне выделяют кристаллический сросток (каркас), цементный гель («цементный клей») и поры.

Структура бетона определяется его составом, т.е. соотношением между компонентами, условиями уплотнения и твердения, продолжительностью твердения, агрессивностью среды. Формирование структуры бетона происходит в течении длительного времени в результате физических, физико-химических и химических процессов.

40. Твердение отформованных изделий — заключительная операция технологии сборного железобетона, когда изделия приобретают требуемую прочность. В зависимости от температуры среды различают следующие три принципиально различных режима твердения изделий: нормальный — температура 15—20° С; тепловая обработка при температуре до 100° С при нормальном давлении; автоклавная обработка — пропариваиие при повышенном давлении пара и температуре среды выше 100° С. Независимо от режима твердения относительная влажность среды должна быть близкой 100%, иначе изделия сохнут, а это приводит к замедлению или прекращению роста их прочности, так как твердение бетона есть в первую очередь гидратация цемента, т. е. взаимодействие цемента с водой.

Наиболее распространенным способом ускорения твердения бетона, который позволяет получить в короткие сроки изделия с отпускной прочностью, является тепловая обработка. В настоящее время применяют следующие виды тепловой обработки: а) пропаривание изделий при нормальном давлении при температуре 60—100° С); б) запаривание изделий в автоклавах, насыщенным водяным паром при давлении 0,9—1,3 МН/м2 (9—13 атм) и температуре 175—191° С; в) контактный обогрев изделий; г) электропрогрев путем пропускания электрического тока через толщу бетона; д) обогрев бетона инфракрасными лучами. Кроме того, исследуется горячее формование, при котором бетонную смесь перед укладкой в форму в течение 8—12 мин разогревают электрическим током или водяным паром до температуры 75— 85° С и выдерживают затем в форме в условиях термоса 4—6 ч.

42. Высокопрочный гипс относится к категории низкообжиговых гипсовых вяжущих веществ. То есть его получают, используя термическую обработку. Максимальная температура при таком способе производства составляет 250 градусов по Цельсию. Гипсовый камень помещают в герметичный аппарат, обработка происходит под воздействием пара.

Химический состав высокопрочного гипса схож с составом гипса строительного. Отличие между этими двумя видами гипсовых вяжущих веществ в кристаллическом строении. Строительный гипс имеет мелкие кристаллы, а высокопрочный гипс – крупные. Это отличие и объясняет высокую прочность такого гипсового вяжущего вещества. Ведь разновидность высокопрочного гипса имеет меньшую пористость. Схватывание происходит примерно в те же сроки, что и у строительного гипса. этот гипс медленно схватывается, но дает высокую прочность при сжатии (до 250— 300 кг/см2)

Область применения высокопрочного гипса достаточно обширна. Так, он используется в строительстве. Готовые растворы из высокопрочного гипса – отличный вариант для затирки швов. Такое гипсовое вяжущее вещество является основой для различного рода строительных смесей – шпатлевочной, самонивелирующейся и, как уже говорилось ранее, затирочной. То есть высокопрочный гипс используется в основном для проведения внутренних отделочных работ.

41. Асбестоцемент — искусственный каменный материал, состоящий из цементного камня, армированного волокнами асбеста. К наиболее распространенным асбестоцементным изделиям относятся волнистые и плоские листы, трубы и соединительные муфты.( Асбестоцементные изделия в зависимости от применения, можно разделить: на кровельные, стеновые, трубы и короба, электроизоляционные доски и изделия специального назначения.)

Исходными компонентами для производства асбестоцемента являются асбест, портландцемент и вода.

Для производства асбестоцементных изделий применяется особый вид портландцемента, свойства которого способствуют процессу фильтрации твердой фазы из асбестоцементной суспензии и ускоренному твердению изделий. Цемент для производства асбестоцементных изделий, как правило, не содержит минеральных добавок и выпускается обычно двух марок —- М400 и М500.

Виды  асбестоцементных изделий:

Плоский шифер прессованный практически применяется во всех сферах строительства, как домостроения, так и дачного хозяйства. Прессованный плоский шифер  прочный и долговечный, шумонепроницаемый и пожаробезопасный, его можно использовать для строительных и отделочных работ как внутри, так и снаружи здания.

Плоский шифер непрессованный, в отличие от прессованного, он более экономичен, но менее прочен и используется в основном для внутренней отделки зданий. Его толщина составляет от 6 до 40 мм.

 Шифер волновой– это кровельный шифер, самый популярный  и недорогой из всех кровельных материалов. Oн твердый и крепкий, менее подвержен нагреву, в отличие от металлочерепицы, является негорючим материалом, обладает электроизоляцией, также легко при надобности его можно заменить.

Трубы асбестоцементные выпускают двух видов: безнапорные и напорные. Первые  в основном применяются при строительстве сточных трубопроводов, дренажных коллекторов, а также при строительстве телефонных каналов. Напорные,  выдерживающие давление от шести до двенадцати атмосфер, применяют для сетей водопровода с гидравлическим давлением.

44. Низкообжиговые гипсовые вяжущие вещества изготавливают путем термической обработки природного гипсового камня или фос-фогипса до полуводного гипса (CaSO40,5H2O) с последующим или предшествующим этой обработке измельчением в тонкий порошок. Низкообжиговые гипсовые вяжущие вещества, состоящие из полуводного гипса (далее: гипсовые вяжущие), производят в соответствии с требованиями ГОСТ 125 по технологическим регламентам, утвержденным в установленном порядке. Гипсовое вяжущее, состоящее в основном из полуводного гипса а-модификации, характеризуется стандартной консистенцией 35...45 %, ар-модификации —50...80 %, в то время как теоретически для гидратации требуется всего 18,6 % воды от массы вяжущего вещества. Вследствие значительного количества химически не связанной воды затвердевший гипсовый камень имеет большую пористость -30...50 %.

В зависимости от обработки гипс подразделяется на типы Альфа и Бета. Тип Альфа - высшего качества, используется для изготовления матриц и штампов. Гипс этого типа прокаливается при температуре 160-180 °С. Тип Бета применяется для оттисков образцов или штампов и прокаливается при температуре 130-140 °С.

43. Бетонная смесь состоит из зерен крупного и мелкого заполнения, вяжущего вещества, воды, добавок, вовлеченного воздуха. К бетонам предъявляются следующие основные требования: — бетоны для обычных и предварительно-напряженных конструкций должны иметь заданную прочность, а находящиеся на открытом воздухе, кроме того, быть морозостойкими; — бетоны для дорожных покрытий, полов должны обладать повышенной деформативностью, морозостойкостью, достаточной прочностью на изгиб, малой изнашиваемостью; — бетоны для гидротехнических сооружений должнц обладать высокой морозостойкостью, водонепроницаемостью, плотностью, малой усадкой, малым выделением тепла, стойкостью против выщелачивания; — жаростойкие бетоны должны выдерживать высокие температуры (200—1800 °С), что достигается введением тонкомолотых минеральных добавок (зола-унос, шамот, молотый кирпич и др.); — химические бетоны должны обладать высокой стойкостью к агрессивному воздействию воды и растворенным в ней солям, водонепроницаемостью, морозостойкостью, прочностью при сжатии; — теплоизоляционные бетоны должны иметь небольшую теплопроводность, быть плотными и прочными. Кроме того, ко всем бетонным смесям предъявляются ряд таких общих требований, как сохранение подвижности во времени, легкость транспортировки и укладывания в дело; они не должны расслаиваться, иметь определенную скорость твердения, что важно при распалубке конструкций. Основными свойствами бетонной смеси, важными с точки зрения технологии изготовления конструкций и их качества, являются следующие: — удобоукладываемость, т. е. способность бетонной смеси заполнять форму бетонируемого изделия и уплотняться в ней под внешним механическим воздействием; — удобоукладываемость главным образом оценивают по показателям жесткости и подвижности . Удобоукладываемость должна соответствовать принятым методам формирования и интенсивности уплотнения бетонной смеси. Необходимой удобоукладываемости бетонной смеси достигают, в первую очередь, содержанием воды в смеси; — связность и однородность, достигаемая соответствующим содержанием вяжущего и мелких фракций заполнителя, оптимальным соотношением крупных фракций заполнителя в составе бетона и надлежащим перемешиванием смеси. Достигнутые при перемешивании однородность и связность бетонной смеси должны сохраняться при ее транспортировании, перегрузках, укладке и уплотнении в бетонируемом изделии; — водоудерживающая способность, т. е. способность смеси удерживать содержащуюся в ней воду без водоот-деления на поверхности изделия и на границах раздела между цементным тестом и крупным заполнителем. Она достигается ограничением количества воды в бетонной смеси, а для смесей большой подвижности — повышенным содержанием тонкодисперсных составляющих (вяжущие, мелкие фракции заполнителя) и введением водоудерживаю-щих добавок (тонкомолотые добавки, поверхностно-активные вещества); — прочность и деформативность в свежеотформованном состоянии, т. е. способность смеси сохранять приданную ей форму после удаления формообразукшей оснастки. Необходимая прочность бетонной смеси в свежеотформованном состоянии достигается в первую очередь выбором соответствующей ее жесткости и предельным уплотнением.

45. Глина — это вторичный продукт земной коры, осадочная горная порода, образовавшаяся в результате разрушения скальных пород в процессе выветривания.

Термические (обжиговые) свойства глин проявляются в процессе нагрева глины при высоких температурах. Важнейшими из них являются огнеупорность, огневая усадка, спекаемость и интервал обжига.

Огнеупорность – это свойство керамики материалов и изделий противостоять воздействию высоких температур, не расплавляясь. Под огнеупорностью глины понимают условную температуру ее плавления. Глины по огнеупорности делятся на три класса: огнеупорные – огнеупорность выше 1580°С, тугоплавкие 1350…1580°С и легкоплавкие – ниже 1350°С. Огнеупорность глины зависит от ее химического состава: глинозем (Al₂O₃) повышает огнеупорность глины, кремнезем (SiO₂) тонкодисперсный понижает, а крупнозернистый повышает огнеупорность.

Спекаемость является вторым важным термическим свойством глин. Под спекаемостью понимают способность при обжиге уплотняться с образованием твердого камневидного тела. Спекание глин происходит за счет стягивания и склеивания твердых частиц жидкой фазой – силикатными расплавами, образующимися при обжиге глины (жидкостное спекание) вследствие рекристаллизации минералов, входящих в состав керамики, и за счет реакций в твердой фазе между компонентами глины и продуктами их распада (твердофазовое спекание). Результатом спекания является уплотнение обжигаемого материала и уменьшение открытой пористости. Спекаемость является важнейшим признаком, определяющим пригодность глин для производства многих керамических изделий: канализационных труб, плиток для полов, кислотоупорных изделий.

Огневая усадка представляет собой сокращение размеров абсолютно сухого глиняного образца при его обжиге. Сближение глинистых частиц происходит в обжиге под действием сил поверхностного натяжения силикатного расплава.

46. Горные  породы – главный  источник получения  строительных  материалов. Горные  породы используют  в  промышленности строительных  материалов  как сырье  для изготовления керамики, стекла, теплоизоляционных и  других  изделий, а также  для  производства неорганических  вяжущих  веществ – цементов, извести  и гипсовых. По способу получения каменные материалы подразделяют на рваный камень (бут) – добывают взрывным способом; грубоколотый камень – получают раскалыванием без обработки; дроблёный – получают дроблением (щебень, искусственный песок); сортированный камень (булыжник, гравий). Каменные материалы по форме делят на камни неправильной формы (щебень, гравий) и штучные изделия, имеющие правильную форму (плиты, блоки). Щебень – остроугольные куски горных пород размером от 5 до 70 мм, получаемые при механическом или природном дроблении бута (рваный камень) или естественных камней. Его используют в качестве крупного заполнителя для приготовления бетонных смесей, устройства оснований. Гравий – окатанные куски горных пород размером от 5 до 120 мм, также используется для приготовления искусственных гравийно-щебёночных смесей.  – рыхлая смесь зёрен горных пород размером от 0,14 до 5 мм. Он образуется обычно в результате выветривания горных пород, но может быть получен и искусственным путём – дроблением гравия, щебня, и кусков горных пород.

Для предохранения природных каменных материалов в конструкциях зданий и сооружений от выветривания, а следовательно, и повышения их долговечности необходимо выполнять определенные мероприятия — конструктивные или химические. Конструктивные мероприятия обеспечивают правильный и быстрый сток воды с поверхности камня, а также получение за счет шлифования и полирования плотной и гладкой лицевой поверхности. Химические предусматривают пропитку поверхности пористого камня специальными составами, которые уплотняют поверхность и предохраняют ее от проникания влаги.