3042

Будівельне матеріалознавство

Конспект

Архитектура, проектирование и строительство

Будівництво є частиною матеріальної культури суспільства, за ним можна судити про прогрес науки і техніки, особливості побуту, національні традиції. Людина почала будувати перші житла ще в епоху неоліту (3 тис. років до н.е.), використовуючи природні матеріали: камені, шматки дерева, глину.

Украинкский

2012-10-23

2.45 MB

158 чел.

Будівництво є частиною матеріальної культури суспільства, за ним можна судити про прогрес науки і техніки, особливості побуту, національні традиції.

Людина почала будувати перші житла ще в епоху неоліту (3 тис. років до н.е.), використовуючи природні матеріали: камені, шматки дерева, глину. Приблизно 7000 років тому, з використанням природного каменю в Древньому Єгипті вже будувалися ансамблі храмових і палацевих будинків, величезні піраміди-гробниці фараонів, багато з яких збереглися до наших днів не тільки як архітектурні пам'ятки, але і як свідчення нерозривного зв'язку людини і будівельного матеріалу. На зорі своєї будівельної діяльності люди, обмазуючи глиною дерев'яний каркас, одержували досить міцну стіну, згодом для будівництва почали використовувати виготовлені з глиняного тіста і висушені на сонці кубики – цеглу-сирець, а ще пізніше навчилися обпалювати вироби з глиняного тіста – виробляти міцну і довговічну кераміку. Так почали з'являтися штучні будівельні матеріали – не взяті готовими в природи, а виготовлені руками майстрів. Згодом будівельними матеріалами стали скло, метал, бетон, пластмаси.

Сучасні масштаби будівництва й різноманіття архітектурних рішень стимулюють розвиток ряду галузей знань, висуваючи перед наукою і технікою нові практичні завдання. Побудувати будинок, здатний прослужити людині століття, не так просто, це вимагає великих знань і рівня розвитку техніки. Вітчизняна наука відіграє важливу роль у розвитку будівельного матеріалознавства. Створені нашими вченими технології виробництва цементу, металу, бетону, кераміки, теплоізоляційних і композиційних матеріалів використовують багато країн. За минулі десятиліття побудовані нові міста, зведені унікальні об'єкти, такі, як гідротехнічні споруди, промислові підприємства, атомні електростанції, наукові, навчальні й культурні центри. Завдяки союзу науки і будівельної інженерії створюються технології одержання нових, високоефективних, екологічно чистих матеріалів функціонального призначення. Виробництво цих матеріалів засновано на безвідходних і енергозберігаючих технологіях. З використанням теорії і технології композиційних матеріалів стрімко росте виробництво композитів, які володіють питомою міцністю, що перевищує аналогічну характеристику сталі в 15 разів. Сьогодні в Україні великою популярністю користуються системи «сухого будівництва», що з успіхом заміняють традиційні штукатурку і цегельну кладку. Цікаві дослідження пов’язані з розробкою високоміцних бетонів (90...800МПа) за рахунок використання мікронаповнювачів, суперпластифікаторів, полімерів та дисперсного армування.

З огляду на бурхливий розвиток науки і техніки фахівці припускають, що основними будівельними матеріалами в майбутньому також будуть метал, бетон і залізобетон, кераміка, скло, деревина, полімери. Нові будівельні матеріали будуть створюватися на тій же сировинній основі, але із застосуванням більш прогресивних технологічних прийомів і безвідходних технологій. Потік нових матеріалів з високими експлуатаційними характеристиками, довговічністю і надійністю  буде збільшуватися. Основним критерієм при виборі матеріалу буде екологічний.


Розділ 1. ЗНАЧЕННЯ КУРСУ «БУДІВЕЛЬНЕ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО»

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ.

БУДОВА, СКЛАД І ВЛАСТИВОСТІ МАТЕРІАЛІВ

1.1. Значення курсу «Будівельне матеріалознавство»

Курс «Будівельне матеріалознавство» є однією з основних інженерних дисциплін, що формує базу знань студента, необхідних для вивчення курсів: будівельні конструкції, технологія будівельного виробництва, економіка й організація будівництва, архітектура тощо.

Будівельне матеріалознавство пов’язане з технологією виготовлення матеріалів і базується на використанні таких дисциплін, як загальна й фізична хімія, хімічна термодинаміка та процеси хімічної технології.

Роль і значення матеріалів розглядаються в нерозривному зв'язку з їхньою роботою і поводженням у конструкціях і спорудах за тривалий період експлуатації в реальних умовах. Але розвиток теоретичної бази будівельного матеріалознавства не тільки змінює погляд фахівців на вибір відповідних матеріалів для будівництва споруд різного функціонального призначення, а також ефективно впливає на удосконалення методів, що використовуються при проектуванні будівельних конструкцій.

Завдяки розвитку теоретичних основ будівельного матеріалознавства відмічається поступовий перехід від традиційних проблем, пов’язаних з вивченням технічних характеристик будівельних матеріалів та оцінкою їхньої поведінки в різних умовах експлуатації, до встановлення фізико-хімічних закономірностей утворення матеріалів з наперед заданими властивостями та розкриття механізмів їх руйнування.

Завданням курсу є:

- вивчення фундаментальних властивостей будівельних матеріалів та їхньої зміни в умовах експлуатації;

- вивчення асортименту будівельних матеріалів та технології їхнього одержання;

- вивчення особливостей взаємозв'язку «склад – структура − властивості», а також закономірностей їхньої зміни при фізико-хімічних, фізичних, механічних та інших впливах;

- виявлення шляхів ефективного використання будівельних матеріалів  поліфункціонального призначення.

Значення курсу «Будівельне матеріалознавство» у підготовці фахівців важливе тому, що жодну споруду не можна правильно спроектувати, побудувати й експлуатувати без наявності відповідних будівельних матеріалів і всебічного знання їхніх властивостей. Вартість матеріалів у загальних витратах на будівництво складає не менше половини, тому знання функціональних особливостей кожного матеріалу дозволяє вирішувати питання, пов'язані не тільки з економією в будівельному виробництві, але і дає можливість фахівцю:

  1.  зробити і професійно обґрунтувати вибір матеріалу з урахуванням експлуатаційних характеристик;ф
  2.  правильно застосувати прийоми його обробки та укладання в споруди;
  3.  при необхідності замінити одні матеріали іншими без зниження якості споруди;
  4.  організувати правильне транспортування та зберігання матеріалу.

Вивчення цієї дисципліни дозволяє вирішити широкий спектр проблем:

  1.  створення нових матеріалів шляхом використання раціональних рецептур з урахуванням ймовірнісних показників якості й надійності;
  2.  розширення вимог до матеріалів з урахуванням умов експлуатації;
  3.  керування якістю матеріалів за рахунок ускладнення рецептури при введенні коригуючих добавок.

1.2. Загальні відомості

1.2.1. Стандартизація будівельних матеріалів

Стандартизаціясистема єдиних загальноприйнятих нормативів за типами, параметрами, розмірами і якістю виробів, за величинами вимірів показників, методами випробування, контролю, правилами пакування, маркування і зберігання продукції. Стандартизація сприяє встановленню певного граничного рівня якості готової продукції.

Стандарт – нормативно-технічний документ, що встановлює певний комплекс норм, правил і вимог до об’єкта стандартизації і затверджений у встановленому порядку.

В Україні діє державна система стандартизації.

Основні вимоги до якості матеріалів, виробів і готових конструкцій масового застосування встановлюються Державними стандартами Україні (ДСТУ), галузевими стандартами (ГСТ), технічними умовами (ТУ).

ДСТУ і ТУ розробляються на основі новітніх досягнень науки і техніки і містять: точне визначення матеріалу, класифікацію за марками й сортами, технічні умови на виготовлення, методи випробування, умови зберігання і транспортування.

Ці документи встановлюють, що даний матеріал чи виріб схвалені для виробництва і застосування при визначеній його якості. ДСТУ і ТУ мають силу закону.

Основні положення будівельного проектування і виробництва будівельних робіт регламентуються Будівельними нормами і правилами (БНІП) і Державними будівельними нормами України (ДБН).

У цих документах вимоги до властивостей матеріалів виражені у вигляді марок на ці матеріали.

Марка будівельного матеріалу – умовний показник, встановлюваний за найголовнішими експлуатаційними характеристиками чи комплексом найголовніших властивостей матеріалу. Так, існують марки за міцністю, густиною, морозостійкістю, вогнетривкістю.

Кожний матеріал має кілька марок за різними властивостями. Так, для цегли, основними показниками якості є міцність на стиск і вигин, а також морозостійкість. Наприклад, ДСТУ встановлені такі марки керамічної цегли за міцністю на стиск і вигин: М75-М300. Цифра вказує мінімально допустиму межу міцності матеріалу, виражену в кгс/см2.

1.2.2. Класифікація будівельних матеріалів

Виходячи з умов роботи матеріалу в споруді, будівельні матеріали поділяють за призначенням на:

  1.  матеріали для несучих конструкцій (конструкційні), призначені для сприйняття та передачі навантаження: природні камені, бетони, розчини, кераміка, скло, ситали, метали;
  2.  оздоблювальні матеріали та вироби, призначені для надання декоративних властивостей будівельним конструкціям, а також для захисту матеріалів цих конструкцій від впливу зовнішніх факторів (архітектурно-будівельне скло, вироби на основі полімерів і цементу, гірські породи, синтетичні фарби, шаруваті пластики, деревно-волокнисті плити, облицювальні керамічні плитки, вологостійкі шпалери та плівки, суха гіпсова штукатурка і т.п.);
  3.  спеціального призначення, до яких належать:
  4.  теплоізоляційні, основне призначення яких - зведення до необхідного рівня втрат тепла крізь будівельні конструкції із забезпеченням потрібного теплового режиму (мінераловатні вироби, теплоізоляційні пластмаси, піноскло і т.п.);
  5.  акустичні матеріали й вироби, звукопоглинаючі й звукоізоляційні, призначені для зниження рівня «шумового забруднення» приміщення до регламентованих меж;
  6.  гідроізоляційні й покрівельні матеріали для створення водонепроник-них прошарків у будинках та спорудах, які піддаються впливу води та водяної пари: покрівельне залізо, азбоцементні плити (шифер), рулонні матеріали на основі полімерних, бітумних в’яжучих;
  7.  герметизуючі – для обробки стиків різних конструкцій.

В основу класифікації матеріалів також покладено склад, через що матеріали можуть бути:

- неорганічними (природні камені, цементи, кераміка, скло);

- органічними (деревина, полімери, бітуми, дьогті).

За способом виготовлення матеріали поділяють на:

  1.  природні (деревина, природне каміння), які піддають тільки механічній обробці;
  2.  безвипалювальні – матеріали, які твердіють у звичайних умовах, а також матеріали автоклавної обробки;
  3.  отримані за допомогою теплової обробки та при випалюванні зі спіканням (кераміка, мінеральні в’яжучі);
  4.  отримані плавленням – скло, метали.

1.3. Будова та склад матеріалів

1.3.1. Будова матеріалів

Будову матеріалу вивчають на трьох рівнях:

1. Макроструктура матеріалу - будова, видима неозброєним оком.

2. Мікроструктура матеріалу - будова, видима в оптичний мікроскоп.

3. Внутрішня будова речовин, що складають матеріал на молекулярно-іонному рівні (вивчається з використанням ІЧ-скопії, диференційно-термічного і рентгено - структурного методів аналізу).

Макроструктура твердих будівельних матеріалів може бути: конгломератною, ніздрюватою, дрібнопористою, волокнистою, шаруватою, пухкозернистою.

Мікроструктура речовин, що складають матеріал, може бути кристалічною і аморфною. Кристалічна й аморфна форми нерідко є різними станами тієї самої речовини. Найбільш стійкою є кристалічна форма.

Внутрішня будова визначає механічну міцність, твердість, тугоплавкість і т.д. Розрізняють за характером зв'язку між частками, наприклад, ковалентна, іонна, воднева, металева тощо.

1.3.2. Склад матеріалів

Будівельні матеріали характеризуються хімічним, мінеральним і фазовим складом.

Хімічний склад дозволяє судити про ряд властивостей матеріалу: вогнестійкість, біостійкість та інші технічні характеристики. Виражається процентним вмістом основних і кислотних оксидів.

Мінеральний склад показує, які мінерали й у якій кількості містяться в матеріалі. Мінерали являють собою зв'язані основні й кислотні оксиди.

Фазовий склад матеріалу і фазові переходи води, що знаходяться в його порах, впливають на властивості й поведінку матеріалу при експлуатації. З погляду фазової будови в матеріалі виділяють тверді речовини, що утворюють стінки пор (каркас) і пори, заповнені повітрям чи водою.

Для оцінки складу і структури матеріалу використовують такі фізико-хімічні методи аналізу:

  1.  петрографічний метод аналізу застосовують для дослідження цементного клінкера і природних каменів, бетонів, вогнетривів, шлаків тощо. Здійснюється з використанням поляризаційного мікроскопа. Метод заснований на визначенні характерних для кожного мінералу оптичних властивостей (показник переломлення, колір, сила подвійного переломлення), пов'язаних з його внутрішньою будовою;
  2.  електронна мікроскопія застосовується для дослідження матеріалів у вигляді тонкокристалічної маси. Сучасні електронні мікроскопи мають корисне збільшення до 300000 разів, що дозволяє бачити частки розміром 0,3 – 0,5 нм;
  3.  рентгенографічний аналіз. Застосування рентгенівського випромінювання для дослідження кристалічних речовин засноване на тому, що довжина хвилі рентгенівського випромінювання порівняна з міжатомною відстанню у кристалічних ґратках речовини. Кожна кристалічна речовина характеризується своїм набором визначених ліній на рентгенограмі. Вказаний метод аналізу використовується для контролю сировини і готової продукції, для спостереження технологічних процесів;
  4.  диференційно-термічний аналіз (ДТА) використовується для визначення мінерально-фазового складу будівельних матеріалів. Метод заснований на тому, що будь-які фазові перетворення, які відбуваються в матеріалі, супроводжуються тепловими ефектами. Для виконання аналізу використовують дереватограф, що фіксує і записує ендо- і екзотермічні ефекти. Потім поводження матеріалу порівнюють з еталоном, речовиною, що не зазнала ніяких теплових перетворень;
  5.  спектральний аналіз – фізичний метод якісного і кількісного аналізу речовини, заснований на вивченні їх спектрів. При дослідженні будівельних матеріалів використовується в основному ІЧ-спектроcкопія. ІЧ-спектроскопічний метод аналізу заснований на взаємодії досліджуваної речовини з електромагнітними випромінюваннями в інфрачервоній області. ІЧ-спектри є характерними для певних груп і сполучень атомів.

1.4. Властивості будівельних матеріалів

1.4.1.Фізичні властивості матеріалів

Рис. 1.1 - Вплив зовнішнього середовища на конструкції будівель

Щоб будівля або споруда була міцною та довговічною, необхідно знати агресивні дії зовнішнього середовища, в якому буде працювати кожна конструкція (рис. 1.1.). Тому важливо знати, які властивості має той чи інший матеріал.

Фізичні властивості матеріалу характеризують його реакцію на фізичні процеси навколишнього середовища і визначаються параметрами стану матеріалу. До параметрів стану матеріалу відносять такі технічні характеристики:

істинна густина  (г/см3, кг/м3) маса одиниці об'єму абсолютно щільного матеріалу. Якщо маса матеріалу m, а Vа – його об’єм у щільному стані, то

 = m/Vа;

середня густина о (г/см3, кг/м3) – маса одиниці об'єму матеріалу в природному стані (з порами і дефектами):

                                  

о = m/V.

Середня густина матеріалу завжди менше істинної густини. Наприклад: середня густина легкого бетону – 500-1800 кг/м3, а його істинна густина – 2600 кг/м3;   

відносна щільність d показує густину матеріалу відносно густини води і є безрозмірною величиною;

насипна густина н (г/см3 ,кг/м3) – маса одиниці об'єму пухконасипаних зернистих чи волокнистих матеріалів (цемент, пісок, щебінь і т.п.). Якщо маса матеріалу m , а Vн – його об'єм у пухконасипному стані, то

н = m/Vн;

пористість П – є ступінь заповнення матеріалу порами.

Пористість визначають у процентах (%) чи частках одиниці.

При експериментально-розрахунковому методі визначення пористості використовують значення істинної й середньої густини:

П = (1 – ρо/ρ )100 %.

        Значення пористості будівельних матеріалів коливається від 0 до 98 %. Наприклад, пористість важкого бетону – 10 %; цегли звичайної – 32 %; природних кам'яних матеріалів магматичного походження – 1,4 %; міпори (спінених полімерів) – 98 % (табл. 1.1).

Таблиця 1.1 - Значення істинної й середньої густини, пористості для деяких будівельних матеріалів

 

Матеріал

Густина, кг/м3

Пористість, %

середня

істинна

Граніт

2600…2700

2700…2800

0…2

Важкий бетон

2200…2500

2600…2700

2…25

Керамічна цегла

1400…1800

2500…2600

25…35

Деревина

400…800

1500…1550

45…70

Пінопласт

15…100

950…1200

90…98

        Гігроскопічність – здатність матеріалів поглинати вологу з повітря. Залежить від хімічного складу матеріалу і характеру його пористості.

       Вологість матеріалу визначається вмістом вологи, віднесеної до маси матеріалу в сухому стані; залежить як від властивостей самого матеріалу, так і від навколишнього середовища. Вологість впливає на теплопровідність, стійкість до гниття і т.п.

        Водопоглинання – здатність матеріалу всмоктувати й утримувати воду.

Розрізняють водопоглинання за масою і об’ємом:

Wm = [(m1 – m)/m]·100 %;

Wv = [(m1 – m)/v]·100 %,

де          m1 - маса зразка, насиченого водою;

m - маса сухого зразка.

Водопроникність – це властивість матеріалу пропускати воду під тиском. Водопроникність характеризується коефіцієнтом фільтрації Кф (м/г):

Кф = Vв·a/(S(р1-р)t),

де       Vв – кількість води (м3), що проходить через стінку площею S = 1 м2, товщиною а = 1 м, за час t = 1 год при різниці гідростатичного тиску на межах стінки р1-р= 1 м вод. ст.

Коефіцієнт розм'якшення – Кр – відношення міцності матеріалу, насиченого водою Rв, до міцності сухого матеріалу Rс:

Кр = Rв/Rс.

Коефіцієнт розм'якшення характеризує водостійкість матеріалу, він змінюється від 0 (розмокла глина) до 1 (метали). Якщо коефіцієнт розм'якшення менше 0,8, то матеріали не застосовують у будівельних конструкціях, що знаходяться у воді.

Морозостійкість – властивість насиченого водою матеріалу витримувати поперемінно заморожування і відтавання. Морозостійкість матеріалу кількісно оцінюється циклами і відповідно маркою за морозостійкістю. За марку матеріалу по морозостійкості приймають найбільше число циклів поперемінно заморожування і відтавання, що витримують зразки матеріалу без зниження міцності на стиск більше 15 %, втрати маси більше 5 %.

Теплопровідність – властивість матеріалу передавати тепло від однієї поверхні до іншої. Характеристикою теплопровідності є коефіцієнт теплопровідності λ (Вт/м·оС). На практиці зручно судити про теплопровідність за густиною матеріалу.

Зазначена залежність виражається формулою В.П. Некрасова:

λ =1,16 ,

де d – відносна густина матеріалу.

Теплоємність – здатність матеріалу акумулювати тепло при нагріванні і виділяти тепло при остиганні;

Вогнестійкість властивість матеріалу витримувати тривалий вплив високої температури (від 1580 оС), не розм'якшуючись і не деформуючись.

Вогнестійкістьвластивість матеріалу чинити опір дії вогню при пожежі протягом певного часу, залежить від здатності матеріалу спалахувати і горіти. Неспалювані матеріали – це бетони, інші матеріали на основі мінеральних в'яжучих, цегла, сталь та ін. Важкоспалювані під впливом вогню чи високої температури жевріють, але після припинення горіння і тління їх дія припиняється.

1.4.2. Механічні властивості матеріалів

 

Будівельні матеріали і конструкції у процесі експлуатації піддаються різним зовнішнім силам – навантаженням, що викликають у них деформації і внутрішні напруження. Навантаження можуть бути: статичними (діють постійно), динамічними (прикладаються раптово і викликають сили інерції). Під діями зовнішніх сил будівельні конструкції деформуються і змінюють форму та розміри, при цьому реагують після зняття навантаження по-різному, виявляючи властивості пружності й пластичності.

Пружність – властивість матеріалу самостійно відновлювати первісну форму і розміри після припинення дії зовнішніх сил.

        Пластичність – властивість матеріалу без руйнування змінювати свої розміри чи форму під дією зовнішніх сил, не руйнуючись, причому після припинення дії сили матеріал не може самостійно  відновити розміри і форму.

Крихкість – здатність матеріалу руйнуватися без утворення помітних залишкових деформацій.

Дисперсність – характеристика розмірів твердих часток і крапель рідини. Багато будівельних матеріалів (гіпс, цемент, пігменти й ін.) перебувають у тонкороздрібному стані й мають велику сумарну поверхню часток. Величина, що характеризує ступінь роздрібності, називається питомою поверхнею Sуд - поверхня одиниці об'єму (см2 /см3 або маси (см2/г) матеріалу.

Адгезія - властивість одного матеріалу зчіплюватися з поверхнею іншого. Адгезія двох різних матеріалів залежить від природи матеріалу, форми й стану поверхні, умов контакту тощо.

Тиксотропія - здатність пластично-в'язких сумішей оборотно відновлювати свою структуру, зруйновану механічними впливами.

Фізичний зміст тиксотропії - руйнування структурних зв'язків усередині пластичного-грузлого матеріалу, при цьому матеріал втрачає структурну міцність і перетворюється на в'язку рідину;  коли закінчується механічний вплив, матеріал знову набирає структурну міцність.

Це явище використовують при віброущільненні бетонних і розчинних сумішей, при нанесенні фарбувальних складів.

Механічні властивості матеріалу характеризуються діаграмою деформацій, побудованою на підставі результатів випробування в координатах "напруга-відносна деформація" (σ-ε).

Модуль пружності визначає тангенс кута нахилу похідній dσ/dε до осі деформацій. На рис. 1.2 представлені криві σ- ε для будівельних матеріалів пружних, пластичних, крихких і еластомерів.

Скло деформується як пружний крихкий матеріал (рис. 1.2, а). Полікристалічні ізотропні матеріали (метали, кристалічні полімери й ін.) зберігають пружність при значних навантаженнях; для багатьох з них характерне пластичне руйнування, відзначене площадкою плинності В на діаграмі σ- ε (рис. 1.2, б). При крихкому руйнуванні пластичні деформації незначні (рис. 1.2, в).

Рис. 1.2 - Схема діаграм деформацій:

а) скла, б) сталі, в) бетону, г) еластоміру

Нелінійне співвідношення між напругою й деформацією деяких матеріалів проявляється при відносно невисоких напругах. Так, у матеріалів з конгломератною будовою (бетонів різного виду) воно виразно спостерігається вже при напругах, більших 0,2 межі міцності.

Пружна деформація еластомерів (каучуків) може перевищувати 100 %. Спочатку для розпрямлення ланцюгів молекул еластомеру потрібна низька напруга. В міру розпрямлення ланцюгів молекул опір подальшому деформуванню зростає, тому що збільшення деформацій викликає розрив зв'язків вже розпрямлених молекул (рис. 1.2, г).

Таким чином, діаграми деформацій дозволяють визначити модуль пружності й установити його зміну залежно від рівня напруженого стану.

Модуль пружності Е являє собою міру твердості матеріалу і пов'язує пружну деформацію і одноосьове напруження відповідно до закону Гука:

ε = σ⁄Е,

де σ – відносна деформація матеріалу, рівна відношенню абсолютної деформації Е до первісного лінійного розміру L.

σ – напруження при одноосьовому розтяганні стиску, встановлюване за формулою

σ = Р/F,

де Р –діюча сила;

F- площа поперечного перерізу матеріалу;

Модуль пружності Е за допомогою коефіцієнта Пуассона пов'язаний з іншими характеристиками матеріалу. Так, об'ємний модуль пружності (всебічного стиску) пов'язаний з модулем пружності наступною залежністю:

К = Е/[3(1-2μ)] ,

де    μ – коефіцієнт Пуассона (поперечного стиску), встановлюваний за формулою  

μ = - εx / εy ;

Одноосьове розтягнення εz викличе подовження по цій осі z і відповідно стиск у побічних напрямках – εx  εy , які у випадку ізотропності матеріалу є рівними.

Міцність – здатність матеріалу опиратися без руйнування внутрішнім  напруженням, що  виникають під впливом зовнішнього навантаження.

Міцність є основною властивістю більшості будівельних матеріалів, одним з найважливіших показників якості конструкційних матеріалів. Від значення міцності залежить величина навантаження, що може сприймати даний матеріал при заданому перетині, працюючи в конструкції. Міцність матеріалу оцінюють межею міцності R, напругою відповідно навантаженню, яке викликало  напругу. Значення  межі  міцності  деяких  матеріалів  наведені  в табл. 1.2.

Залежно від міцності будівельні матеріали поділяють на марки. Єдина шкала марок охоплює все будівництво. Найчастіше під маркою розуміють межу міцності при стиску, тому що саме цей вид навантаження зазнають більшість конструкційних матеріалів, які працюють у спорудах.

Таблиця 1.2 – Межа міцності деяких будівельних матеріалів

Матеріал

Межа міцності, МПа

на стиск

на розтяг

на вигин

Граніт

137...176

-

-

Цегла керамічна

7,5...30

-

1,7...45

Бетон на цементній основі

10...60

2...12

-

Плити гіпсокартонні

18...50

-

3...7

Смерека (уздовж волокон)

30...45

115

80

Дуб(уздовж волокон)

40...50

175

90

Сталь вуглецева Ст3

359...450

350...450

-

Для оцінки ефективності матеріалу в будівництві використовується коефіцієнт конструктивної якості (питома міцність), що розраховується як показник міцності, віднесений до відносної густини матеріалу:

Rу = R/d,

де d – відносна густина матеріалу (див. 1.4.1), що є безрозмірною величиною.

Найбільш конструктивними й ефективними в будівництві вважаються матеріали, які мають високу міцність при малій власній густині. Далі наведені значення Rу для деяких матеріалів:

склопластик – 450/2 = 225 МПа;

сталь – 390/7,85 = 51 МПа,

важкий бетон – 40/2,4 = 16,6 МПа;

легкий бетон – 10/0,8 = 12,5 МПа;

керамічна цегла – 10/1, 8 = 5,56 МПа.

Твердість – властивість матеріалу чинити опір проникненню в нього іншого більш твердого матеріалу.

Твердість кам'яних матеріалів природного походження оцінюється за шкалою Мооса, складеною з 10 мінералів з умовним показником твердості від 1 до 10 (найм’якіший тальк – 1, найтвердіший алмаз – 10). Твердість металів, бетону, пластмас визначають вдавленням у випробуваний зразок сталевої кульки. У результаті випробувань обчислюють число твердості

НВ = Р/F,

де F – площа поверхні відбитка.

         Стиранність – властивість матеріалу чинити опір стиранню.

Стиранність оцінюють втратою первісної маси зразка матеріалу, віднесеної до площі поверхні стирання:

І = (m1 - m2)/F,

де m1 і m2  - маса зразка до і після стирання.

Зазначена властивість є одним з основних показників якості матеріалів, що застосовуються для дорожнього будівництва, влаштування підлог, сходів, тощо.

Ударна в'язкість – властивість матеріалу чинити опір ударним навантаженням. Даний вид навантаження, на відміну від розглянутих вище, має короткочасний, миттєвий характер. Характеристикою цієї властивості є робота, витрачена на руйнування стандартного зразка, віднесена до одиниці його об'єму:          

Ауд = m (1 + 2 + 3 +…+ n)/V·10,

де m – маса вантажу копра, кг;

         V – об'єм зразка, см3;

         (1+2+3+…+n) – шлях, пройдений вантажем копра для руйнування зразка.

Знос властивість матеріалу чинити опір одночасному впливу зношуючих і ударних навантажень. Показником зносу служить втрата маси зразка матеріалу у % від початкової.

Довговічність  властивість виробу зберігати працездатність до граничного стану з необхідними перервами на ремонт. Граничний стан визначають руйнуванням виробу, вимогами безпеки або виходячи з економічних міркувань.

Надійність загальна властивість, що характеризує прояв всіх інших властивостей виробу в процесі експлуатації. Надійність включає: довговічність, безвідмовність, ремонтопридатність і збережливість.

1.4.3. Хімічні й технологічні властивості матеріалів

Хімічні властивості матеріалу визначають його здатність вступати в хімічну взаємодію з речовинами навколишнього середовища, при якому утворюються нові речовини або сполуки. До хімічних властивостей відносять: корозійну стійкість, розчинення, адгезію, горючість, токсичність, дисперсність.

Технологічні властивості матеріалу характеризують реакцію матеріалу на різні технологічні процеси, що змінюють стан матеріалу, структуру його поверхні, що додає потрібну форму і розміри. Такі технологічні властивості, як здатність до подрібнювання, розпилу, шліфування, цвяхомість мають важливе практичне значення, тому що від них залежать якість і вартість готових виробів і конструкцій.

Контрольні запитання

  1.  Якими документами регламентовані вимоги до якості будівельних матеріалів?
  2.  На яких рівнях вивчається будова матеріалу?
  3.  Які фізико-хімічні методи аналізу використовують для оцінки складу й структури матеріалу?
  4.  В чому полягає різниця між поняттями істинної і середньої густини?
  5.  Дати характеристику властивостям пористість, водопоглинання, вологість, гігроскопічність, вологовіддача.
  6.  Від чого можуть руйнуватися матеріали зовнішніх конструкцій будинків і споруд?
  7.  Як оцінюється морозостійкість матеріалу?
  8.  Який головний фактор визначає теплопровідність матеріалів?
  9.  Розкажіть про міцність, твердість, пружність та пластичність?
  10.  Розкажіть про технологічні й хімічні властивості матеріалів?


Розділ 2. ПРИРОДНІ БУДІВЕЛЬНІ МАТЕРІАЛИ

 

2.1. Гірські породи й мінерали

Мінерали – це природні фізично й хімічно однорідні тіла, що виникають у земній корі в результаті фізико-хімічних процесів. Гірські породи складаються з мінералів. У складі земної кори більше 2000 мінералів, але тільки 60 з них є породоутворюючими. Усі мінерали відрізняються  один від одного своїми властивостями, тому перевага в породі тих чи інших мінералів визначає властивості гірської породи. Породоутворюючі мінерали поділяються на такі групи:

Група кварцу – кристалічний кремнезем (оксид кремнію SiО2).

Міцність при стиску - до 2000 МПа, міцність при розтягненні - близько 100 МПа, висока твердість, хімічна стійкість, Тпл – 1700 оС. Найбільш розповсюджені мінерали цієї групи - опал, халцедон, осадовий кварц.

Група польових шпатів  ортоклаз К2О·Аl2О3·6SiО2, плагіоклаз2О ·Аl2О3·6SiО2 і анортит СаО·Аl2О3·2SiО2. У порівнянні з кварцем польові  шпати  мають  значно  меншу  міцність  120-170 МПа. Твердість – 6-6,5, густину - 2,57 г/см3, Тпл - 1170 оС.

Група алюмосилікатів - найбільш поширені звичайні (мусковіт, біотит), слюди і гідрослюди  (гідромусковіт, гідробіотит). Твердість слюди – 2-3. До цієї ж групи  належать глинисті мінерали, що складають глини і можуть знаходитися як домішки в пісковиках, вапняках тощо.

Каолініт - Аl2О3·2SiО2·2Н2О, білий, іноді з бурим відтінком, густина -2,6 г/см3, твердість - 1.

Група залізисто-магнезіальних силікатів. До цієї групи входять  мінерали, що надають темне забарвлення магматичним породам. Найбільш поширені олівіни, піроксени, амфіболи, хризотил, азбест. Вони відрізняються   високою   істинною   густиною – 3,2-3,6 г/см3, твердістю – 5,0 – 7,0 за шкалою Мооса.

Група карбонатів і сульфатів. Кальцит (СаСО3) – безбарвний чи білий, густина – 2.7 г/см3, твердість – 3.

Доломіт – СаСО3·МgСО3 – безбарвний, іноді з бурим і жовтуватим відтінком, густина – 2,8 г/см3, твердість – 3-4;

Магнезит – безбарвний, білий, сірий, густина – 3,0 г/см3, твердість – 3,5-4,5;

Гіпс  СаSО4·2Н2О  –  білі   чи   безбарвні   кристали,   густина – 2,3 г/см3, твердість – 2;

Ангідрит СаSО4 – білий, сірий, рожевий, блиск – скляний, густина – 3,0 г/см3, твердість – 3-3,5.

Гірська порода – природний мінеральний агрегат більш-менш визначеного складу і будови, що є продуктом геологічних процесів, які відбуваються в надрах земної кори.

24

Залежно від умов формування гірські породи поділяються на три генетичні групи: магматичні (вивержені), що утворилися у процесі кристалізації складного силікатного розплаву (магми); осадові, виникли з продуктів руйнування будь-яких інших порід; метаморфічні, що є продуктом перекристалізації і пристосування порід, які змінилися в межах земної кори через фізико-хімічні умови.

2.1.1. Магматичні гірські породи

 

Утворення магматичних гірських порід тісно пов'язане зі складними проблемами походження магми і Землі. Залежно від умов утворення виділяють дві основні групи магматичних порід – глибинні й ті що вилилися.

Магматичні породи, що утворилися в різних геологічних умовах, мають наступні середні показники найважливіших будівельних властивостей: міцність при стиску – 100-300 МПа; густина – 2600-3000 кг/м3; водопоглинання – менше 1 %; теплопровідність – близько 3 Вт/(м·оС).

Глибинні – це породи, що утворилися при застиганні магми на різній глибині в земній корі.

Граніти мають сприятливий для будівельного каменю мінеральний склад, що відзначається високим вмістом кварцу (20-30 %), натрієво-калієвих шпатів (35-40 %) і плагіоклазу (20-25 %), невеликою кількістю слюди (5-10 %). Міцність при стисканні – 120-250 МПа, пористість - до 1,5 %, щільність – 2700 кг/м3. Граніти різноманітні за кольором, що залежить від забарвлення польових шпатів. Завдяки високій міцності на стиск і морозостійкістю граніти застосовують для захисного облицювання набережних, підвалин мостів, цоколів будинків, а також як щебінь для високоміцних і морозостійких бетонів.

Сієніти складаються з калієвих (50-70 %) і натрієвих польових шпатів (10-30 %), кольорових мінералів (10-20 %). За фізико-механічними властивостями близькі до гранітів, трохи поступаючись їм у міцності через відсутність кварцу. Густина – 2600-2800 кг/м3, міцність – 120–150 МПа.

Діорити – породи сірого кольору; складаються з плагіоклазу (65-70 %)  і  рогової  обманки  (25-30 %).  Густина – 2900 кг/м3, міцність при стиску 180-240 МПа.

Габро – порода темного, майже чорного кольору, що відзначається великим вмістом кольорових мінералів і забарвленням плагіоклазу. Для породи характерна густина – 2900-3000 кг/м3, міцність при стиску – 200-300 МПа.

Лабродорити – різновид габро, що складаються переважно з польових шпатів і мінералу лабрадору. Ці породи завдяки ефекту іризації (іризація – яскравий кольоровий відлив) застосовують у будівництві як оздоблювальний камінь.

Породи, що вилилися, утворилися при вулканічній діяльності, виливі магми з глибин і затвердінні на поверхні, при цьому відбувалося різке охолодження магми, тому їх структура дрібнозерниста або склоподібна.

Кварцові порфіри – за мінеральним складом близькі  до гранітів. Міцність, пористість, водопоглинання подібні з аналогічними показниками граніту, але порфіри більш крихкі. Вони мають характерну структуру, якій притаманна наявність крупних вкраплень у однорідній масі. Таку структуру називають порфіро подібною.

Трахіти – є аналогами сієнітів, але більш пористі. Міцність при стиску – 60-70 МПа, застосовуються як кислототривкий матеріал.

Андезити – за мінералогічним складом є аналогами діоритів. Фізико-механічні властивості подібні до властивостей базальтів. Густина – 2700-3100 кг/м3, міцність при стиску – 140-250 МПа. Застосовуються як кислотостійкий матеріал, у вигляді щебеню для кислототривкого бетону.

Базальти - аналоги габро, що вилилися, мають чорний колір, дуже щільні. Густина – 2700-3300 кг/м3, міцність при стиску – 110-500 МПа. Базальти через велику твердість і крихкість важко обробляються, але добре поліруються. Базальти головним чином застосовують як бутовий камінь і щебінь для бетонів, у дорожньому будівництві для мощення вулиць, у гідротехнічному будівництві. Завдяки їх склоподібній структурі їх використовують як сировину для кам’яного литва.

Діабази – мають чорний колір, зумовлений присутністю плагіоклазу і кольорових мінералів, відрізняються високою твердістю, міцність – 300-400 МПа, мало зношуються і застосовуються у вигляді брущатки для мощення доріг і вулиць. Діабази також можна використовувати для кам’яного литва.

Пемза – пористе вулканічне скло, що утворилося в результаті виділення газів при швидкому застиганні лави. Пористість – 60 %, твердість -  6, густина – 0,3-0,9 г/см3. Висока пористість зумовлює гарні теплоізоляційні властивості. Застосовують у вигляді гідравлічної добавки до в'яжучих матеріалів, служить як абразивний матеріал при шліфуванні металів і дерева.

Вулканічний попіл – найбільш дрібні частки лави, уламки окремих мінералів, є активною мінеральною добавкою.

Вулканічний туф – утворився з твердих продуктів вулканічних вивержень: пемзи, попелу, згодом ущільнених і зцементованих. Застосовують у вигляді пиляного каменю для кладки стін житлових будинків, влаштування перегородок і вогнестійких перекриттів, як декоративний камінь.

2.1.2. Осадові гірські породи

Осадові породи залежно від умов утворення поділяють на три групи: механічні, хімічні й органогенні.

Механічні осадові породи утворилися в результаті вивітрювання магматичних і метаморфічних гірських порід. Можуть бути сипкі (гравій, глина, піски) і зцементовані (пісковик, конгломерат, брекчія).

Пісок – сипка зерниста порода з крупністю зерен 0,14-5,0 мм, істинна густина – 2650 кг/м3. Застосовується як дрібний заповнювач для виготовлення будівельних розчинів і бетонів, служить компонентом сировинної суміші при виробництві скла, силікатних виробів і кераміки.

Глинисті гірські породи, складаються в основному з дрібних лускатоподібних часток глинистих мінералів. Істинна густина – 2500-2600 кг/м3, твердість – 1. Застосовуються для виготовлення керамічних виробів, а також як компонент сировинної суміші у виробництві цементу.

Каолініт - цінна сировина для виробництва вогнетривких матеріалів.

Пісковик щільна гірська порода, що складається з зерен кварцу, зцементованих різними природними розчинами. Густина – 2500-2600 кг/м3, міцність при стисканні – 150-250 МПа, висока твердість і стійкість до стирання. З піщаників виготовляють бутові камені, плити для тротуарів і підлог промислових будинків, щебінь для бетонів.

Конгломерати – породи, що складаються з гальки і гравію, зцементованих природним цементом. Густина – 1600-2800 кг/м3, міцність при стиску – 100-160 МПа. Практичне значення цих порід невелике, в основному конгломерати застосовують як оздоблювальний камінь. 

Брекчії – породи, що складаються з кутастих уламків щебеню, зцементованих природним цементом. Мають обмежене поширення, використовують як оздоблювальний камінь.

Хімічні породи утворилися при випаданні з перенасичених розчинів хімічних осадів. Найбільш розповсюдженими є вапняки, доломіти, магнезити, вапняні туфи, гіпс, ангідрит.

Вапняки – хімічного походження, в основному складаються з кальциту СаСО3, середня густина – 1900-2600 кг/м3, пористість щільних вапняків не перевищує десятої частки відсотка, а пухких – 15-20 %. Застосовують у вигляді бутового каменю для фундаментів, у вигляді плит і фасонних деталей для зовнішнього облицювання будинків. Вапняковий щебінь часто використовують як заповнювач для бетону. Вапняки широко застосовуються як сировина для одержання в'яжучих речовин – цементу та вапна.

Доломіти складаються в основному з однойменного мінералу СаСО3 · МgСО3,  за своїми властивостями близькі до щільних вапняків, густина – 2200 - 2700 кг/м3, міцність при стиску 40 - 200 МПа. З доломіту виготовляють оздоблювальні плити, щебінь для бетону, вогнестійкі матеріали й мінеральні в'яжучі речовини.

Магнезити –  складаються в основному з мінералу магнезиту МgСО3. Застосовують для виготовлення вогнетривких виробів, а також як сировину для виробництва мінерального в'яжучого – каустичного магнезиту.

Вапняні туфи – утворилися в результаті відкладень СаСО3  джерел підземних вуглекислих вод. Мають пористу ніздрювату будову. Різновид вапняного туфу – травертин, що має високу міцність при стиску – до 80 МПа, застосовують звичайно як декоративний камінь для оздоблення будівель. З вапняного туфу одержують вапно, застосовують у виробництві цементу.

Гіпс – складається з мінералу тієї ж назви СаSО42О, густина – 2000-2300 кг/м3, міцність при стиску – 50 МПа. Головним чином природний гіпсовий камінь застосовують для виготовлення гіпсових в'яжучих і як добавку при виробництві портландцементу.

Ангідрит – складається в основному з мінералу ангідриту СаSО4. За зовнішнім виглядом мало відрізняється від гіпсу, але має більш щільну структуру, вищу твердість і міцність. Застосовується для виробництва гіпсових в'яжучих.

Органогенні породи утворилися в результаті відкладення в різних водоймах залишків кістяків і панцирів відмерлих організмів при їхньому наступному ущільненні й цементації, або силікатизації рослин.

Вапняк - черепашник – пориста порода, складена з раковин молюсків і їхніх уламків, зцементованих вапняковим в'яжучим. Густина – 800-1500 кг/м3, міцність при стиску – 2-5 МПа, висока пористість, низька теплопровідність. Застосовується у вигляді каменів і блоків для кладки стін житлових будинків, у вигляді щебеню для легких бетонів.

Крейда – легка і пухка порода, складається з карбонату кальцію СаСО3. Має низьку твердість -1 та міцність. Застосовують при виробництві цементу та вапна, як сировинний компонент при виробництві скла, як наповнювач лакофарбових матеріалів і пластмас.

Мергелі – складаються із суміші карбонату кальцію і глинистих часток. Густина – 1900-2400 кг/м3, міцність при стиску 30-60 МПа. Мергелі є цінною сировиною для виробництва цементу.

Діатоміт і трепел - легкі пухкі породи, що складаються в основному з аморфного кремнезему. Густина – 400-1200 кг/м3.

Застосовують як сировину для виробництва теплоізоляційних матеріалів, як активні мінеральні добавки до в'яжучих речовин (повітряне вапно, портландцемент).

2.1.3. Метаморфічні гірські породи

Метаморфічні гірські породи сформувалися в надрах земної кори в результаті зміни магматичних і осадових порід під впливом високих температур, тиску і хімічно активних речовин.

Гнейси – за мінералогічним складом подібні до гранітів, але відрізняються від них сланцевою будовою. Властивості близькі до властивостей граніту, густина – 2800 кг/м3, міцність при стиску – 150-200 МПа. Гнейси застосовують для виготовлення оздоблювальних виробів, для кладки фундаментів, у вигляді бутового каменю.

Кварцити – перекристалізовані пісковики, містять 95-99 % SiО2.. Важливою їх властивістю є висока вогнестійкість – до 1710-1770 оС і міцність при стиску – 100-455 МПа. У будівництві кварцити використовують як стіновий і бутовий камінь, щебінь для брущатки, при будуванні мостів.

Мармур – порода, що утворилася в результаті перекристалізації вапняків. Густина – 2800 кг/м3, міцність при стиску – 100-300 МПа, твердість – 3-4, добре піддається обробці, легко полірується. Мармур широко застосовують для виготовлення сходів, внутрішнього оздоблення будинків і т.п. У вигляді піску й дрібного щебеню його використовують для кольорової штукатурки, декоративного бетону.

2.1.4. Природні кам'яні матеріали

Природний камінь служив основним будівельним матеріалом ще первісній людині. У Єгипті, Мексиці, Греції, Італії, Китаї збереглися видатні пам'ятники кам'яного зодчества, що є архітектурно-будівельною складовою найдавнішої цивілізації.

Кам'яні природні матеріали дуже міцні, довговічні, вогнестійкі і через свої позитивні експлуатаційні і естетичні якості продовжують широко застосовуватися в сучасному будівництві.

За видом обробки природні кам'яні матеріали поділяють на:

  1.  грубооброблені (бутовий камінь, валунний камінь, щебінь, гравій і пісок);
  2.  вироби і профільовані деталі (сходи, підвіконня, різблення, капітелі колон);
  3.  штучний камінь і блоки правильної форми (для кладки стін та ін.);
  4.  плити з обробленою поверхнею (лицювальні для стін, підлоги);
  5.  вироби для дорожнього будівництва (бортовий камінь, брущатка, шашка для мощення).

За способом виготовлення природні кам'яні матеріали поділяють на:

  1.  пиляні (стінові блоки і камені, лицювальні плити і т.п.);
  2.  колоті (бортові камені, брущатка і т.п.).

За густиною природні камені поділяють на:

  1.  легкі з густиною не більше 1,8 г/см3 (пемза, вапняк-черепашник);
  2.   важкі з густиною більше 1,8 г/см3 (граніт, діорит та ін.).

За міцністю при стиску природні камені поділяють на марки (МПа): 0,4; 0,7; 1,5; 2,5; 3,5; 7,5; 10; 12,5; 15; 20; 30; 40; 50; 60; 80 і 100.

За морозостійкістю  поділяють на марки: 10; 15; 35; 100; 150; 200; 300; 500.

2.1.5. Техногенні відходи

Відходи виробництва – це всі види залишків виробництва, що мають якусь споживчу цінність і можуть бути використані в матеріальному виробництві.

З галузей, що споживають промислові відходи, найбільш ємкою є промисловість будівельних матеріалів.

Найбільше значення для будівельної індустрії мають шлаки чорної і кольорової металургії, золи і шлаки теплових електростанцій. Зазначені техногенні відходи знайшли широке застосування у виробництві шлакопортландцементу, заповнювачів для бетонів, в'яжучих автоклавного твердіння, газобетону, вогнетривів.

Відходи деревини і лісохімії (кора, пні, стружка, тирса тощо) використовують для виробництва арболіту, фіброліту, ДВП, ДСП, ксилоліту, фанери та ін.

Сучасна промисловість випускає десятки тисяч найменувань різноманітної продукції. У виробництво залучається в багато разів більше вихідної сировини, ніж випускається готових продуктів. Наприклад, на випуск 1 т чавуну витрачається 1,5-2 т сировини, відповідно: алюмінію - 3-10 т, нікелю - 5-10 т, вапна - 1,5-2 т, цементу -1,4-1,7 т. При цьому на різних стадіях технологічного процесу виникають відходи.

Багато відходів за своїм складом й властивостям близькі до природної сировини. У промисловості будівельних матеріалів частка сировини в собівартості продукції досягає 50% і більше. Встановлено, що використання промислових відходів дозволяє покрити до 40 % потреби будівництва в сировинних ресурсах. Застосування промислових відходів дозволяє на 10-30 % знизити витрати на виготовлення будівельних матеріалів у порівнянні з виробництвом їх із природної сировини. Крім того, із промислових відходів можна створювати нові будівельні матеріали з високими техніко-економічними показниками.

Основними «виробниками» багатотоннажних відходів є: гірськозбагачувальна, металургійна, хімічна промисловості, енергетичний комплекс, промисловість будівельних матеріалів, агропромисловий комплекс, лісова й деревообробна, текстильна промисловість, побутова діяльність людини. Поряд з терміном «відходи виробництва», використаються такі терміни, як «побічні продукти промисловості», «вторинна сировина», «попутні продукти» і т.п. Суть цих понять формулюється в такий спосіб.

Відходи виробництва - це всі види залишків даного виробництва, які мають якусь споживчу цінність і можуть бути використані в матеріальному виробництві (як правило, після додаткових технологічних операцій).

Побічні продукти промисловості - продукти, одержання яких не було метою виробничого процесу і які можуть бути використані як готова продукція після відповідної обробки або як сировина для переробки.

Вторинна сировина - матеріали й вироби, які після повного первісного використання (зношування) можуть застосовуватися повторно у виробництві як вихідна сировина.

Всі відходи можна розділити на дві великі групи: мінеральні й органічні. Переважне значення мають мінеральні відходи: їх більше, вони краще вивчені й мають найбільше значення для виробництва будівельних матеріалів.

Залежно від переважаючих хімічних сполук відходи поділяють на силікатні, карбонатні, вапняні, гіпсові, залізисті, лужні, такі, що містять цинк тощо. У межах кожної групи можлива більш детальна класифікація. Наприклад, силікатні відходи залежно від процентного вмісту кислотних і лужних оксидів можна розділити на ультраосновні, основні, середні, кислі, ультра кислі: чим вище основність, тим вище гідравлічна активність відходів

Більша частина мінеральних відходів складається переважно із силікатів і алюмосилікатів кальцію й магнію. Це пояснюється тим, що 86,5 % маси земної кори становлять природні силікати. Відповідно й відходи, одержувані при видобутку й переробці природних силікатів, теж мають силікатний склад. Силікатні відходи класифікуються також за структурою й хімічним складом, за умовами утворення й т.п.

Найбільше практичне застосування має класифікація відходів за галузями промисловості, що їх утворюють й класифікації для окремих видів відходів.

Шлаки чорної металургії. Найбільше значення для будівельної індустрії й перше місце за обсягом серед відходів чорної металургії мають доменні шлаки - побічний продукт при виплавці чавуну із залізних руд - доменні, мартенівські, феромарганцеві. Вихід шлаків дуже великий і становить від 0,4 до 0,65 тонни на одну тонну чавуну. У їхній склад входить до 30 різних хімічних елементів, головним чином у вигляді оксидів. Основні оксиди: SiО2, Аl2О3, CaО, MgО. У меншої кількості присутні сполуки заліза, марганцю, титану, P2O5, V2O5 тощо.

Залежно від величини модуля основності - відношення основних оксидів, що містяться в шлаку, до суми кислотних, %

всі доменні шлаки діляться на кислі, їх М0 < 1, і основні, що мають М0 ≥ 1, вони більше активні. Склад шлаків залежить від складу коксу, порожньої породи, і визначає особливості застосування шлаків.

У виробництві будівельних матеріалів використовується 75 % загальної кількості доменних шлаків. Основним споживачем є цементна промисловість. Щорічно вона споживає мільйони тонн гранульованих доменних шлаків. Грануляція - найбільш ранній і освоєний вид первісної переробки доменних шлаків. Вона полягає у швидкому охолодженні шлакового розплаву, у результаті чого шлак здобуває склоподібну структуру й, відповідно, високу активність.

Сталеплавильні (мартенівські) шлаки застосовуються в меншому ступені. Труднощі їхнього використання пов'язані з неоднорідністю, мінливістю хіміко-мінералогічного складу й фізико-механічних властивостей. Крім того, у них містяться оксиди заліза (до 27 %).

Особливу проблему представляє використання шлаків, раніше накопичених у відвалах.

Шлаки кольорової металургії надзвичайно різноманітні за складом. Вихід їх на одиницю виплавлюваного металу набагато більший. Так при виплавці 1 т міді вихід шлаків може досягати 10-30 т, а нікелю - до 150 т. Основні оксиди, що входять до складу шлаків кольорової металургії: SiО2, AI2O3, CaО, Fe2О3, MnО та ін.

Найбільш перспективний напрямок їхнього використання - комплексна переробка: попередній витяг кольорових і рідких металів зі шлаків; виділення заліза; використання силікатного залишку шлаків для виробництва будівельних матеріалів.

При одержанні кольорових металів за так званою «мокрою» технологією утворюються не шлаки, а шлами (буквальний переклад з німецького - «бруд»). Це загальна назва осаду у вигляді суспензій, одержуваних у металургійних і хімічних виробництвах у результаті процесів, здійснюваних гідрохімічним способом. Наприклад, побічним продуктом при виробництві алюмінію є бокситовий шлам - пухкий сипкий матеріал червоного кольору (інша назва - червоний шлам). Вихід червоного шламу від 1 до 2,5 т на 1 т глинозему, хімічний склад: SiО2, AI2O3, CaО, Fe2O3, Na2O і ін.

При одержанні глинозему з нефелінової сировини у ролі побічного продукту утворюється нефеліновий шлам (інша назва белітовий шлам), тому що в основному складається із дрібних кристалів беліту - C2S. Вихід цього шламу на 1 т глинозему складає 6 т.

Якщо глинозем одержують із високоалюмінатних глин, як побічний продукт утворюється каоліновий шлам і т.п. Основне застосування всі ці шлами знаходять у цементному виробництві.

Золи й шлаки теплових електростанцій (ТЕС) - мінеральний залишок від спалювання твердого палива. Одна ТЕС середньої потужності щорічно викидає у відвали до 1 млн. т золи й шлаків, а ТЕС, що спалює багатозольне паливо, - до 5 млн. т. За хімічним складом паливні золи й шлаки складаються із SiО2, Аl2О3, Fe2О3, СаО, MgО і ін., а також містять незгоріле паливо. Використовуються паливні золи й шлаки всього на 3-4 % від їхнього щорічного виходу.

На сучасних ТЕС вугілля спалюють у пилоподібному стані. Шлаки утворюються в результаті злипання розм'якшених часток золи в середені топки й накопичуються в шлаковому бункері. Розмір зерен шлаків 1-50 мм. Зола виноситься з топки із димовими газами (зола виносу) і накопичується при їхньому очищенні в циклонах і на електрофільтрах. Розмір часток золи менше 1 мм. Частки золи мають сферичну форму, гладку фактуру поверхні, подібну до скляної. Розмір сферичних часток коливається від кількох мікронів до 50-60 мкм.

Золи й шлаки ТЕС можливо використовувати при виробництві практично всіх будівельних матеріалів і виробів.

Розкривні породи - гірничорудні відходи, відходи видобутку різноманітних корисних копалин. Особливо велика кількість цих відходів утворюється при видобутку відкритим способом. За орієнтовними підрахунками у країні щорічно утворюється понад 3 млрд. т відходів, які є невичерпним джерелом сировини для промисловості будівельних матеріалів. Однак у наш час вони використовуються лише на 6-7 %. Розкривні й «порожні» породи знаходять застосування залежно від свого складу (карбонатні, глинисті, мергелісті, піщані тощо).

Розкривні породи не єдині відходи гірничодобувної промисловості. Велика кількість порожньої породи підіймається на поверхню землі, подрібнюється й викидається у відвали (хвости збагачення). Гірськозбагачувальні комбінати скидають у відвали велику кількість флотаційних хвостів, що утворюються, зокрема, при переробці руд кольорових металів. У відвалах і хвостосховищах накопичено більше 60 млрд. т техногенних матеріалів.

Відходи промислової переробки рудних корисних копалин і породи, що видобувають попутно відрізняються за генезисом, мінеральним складом, структурою й текстурою від традиційно застосовуваних при виробництві будівельних матеріалів. Це пояснюється істотною відмінністю глибин кар'єрів по видобутку сировини для будіндустрії (20-50 м) у порівнянні із сучасною розробкою рудних родовищ (350-500 м).

Відходи вуглевидобутку й вуглезбагачення утворюються на вуглезбагачувальних фабриках. Їхній щорічний вихід по країнах СНД складає близько 50 млн. т. Для відходів вуглевидобутку характерна сталість складу, що їх вигідно відрізняє від інших видів мінеральних відходів твердого палива. До складу вуглевмісної породи входять SiО2, AI2O3, Fe2О3, CaО, MgО, H2О, сполуки сірки.

Гіпсові відходи хімічної промисловості - продукти, що містять сульфат кальцію в тій або іншій формі. Наукові дослідження показали повноцінну замінність традиційної гіпсової сировини відходами хімічної промисловості,

Фосфогіпс - відхід при виробництві фосфорних добрив з апатитів і фосфоритів. Він являє собою CaSО4·2H2O з домішками апатиту, що не розклався (або фосфориту) і залишки фосфорної кислоти. За рахунок використання фосфогіпсу можна повністю покрити потреби нашої країни в гіпсі.

Фторогіпс (фтороангідрид) - побічний продукт при виробництві фтористоводневої кислоти, безводного фтористого водню, фтористих солей. За складом це CaSО4 з домішками вихідного флюориту, що не розклався. Він може містити також залишки сірчаної кислоти.

Титаногіпс - відхід при сірчанокислотному розкладанні титанових руд. Борогіпс - відхід виробництва борної кислоти. Сульфогіпс виходить при вловлюванні сірчаного ангідриду з димових газів ТЕС.

Відходи деревини й лісохімії. Щорічно в країні накопичується близько 500 млн. м3 відходів рослинного походження, з них - 160 млн. м3 залишаються невивезеними на лісосіках, 120 млн. м3 губляться при наступній деревообробці. Лише 1/6 частина всіх відходів переробляється на технологічну тирсу для целюлозно-паперової промисловості й промисловості будівельних матеріалів.

Практично не використовуються такі відходи деревообробки, як кора, пні, вершини, гілки, суки. Досить широке застосування знаходять обапіл, стружка, тирса, обпилювання.

Відходи целюлозно-паперової промисловості - осади стічних вод і інші промислові шлами. Скопа - продукти, що вийшли в результаті механічного очищення стічних вод. Це грубодисперсні домішки, що складаються в основному з волокон целюлози й часток каоліну. Активний мул - продукт біологічного очищення стічних вод, що перебуває у вигляді колоїдів і молекул. Шлами - продукти фізико-хімічного очищення.

Відходи промисловості будівельних матеріалів. При одержанні цементного клінкера до 30 % обсягу виготовленого продукту виноситься з димовими газами з печей у вигляді пилу. Цей пил уловлюється й повертається у виробництво. Також він може використовуватися для розкислення ґрунтів і у виробництві в'яжучих речовин.

Цегельний бій, старий і бракований бетон використовуються як штучні щебені. Бетонний лом - відхід підприємств збірного залізобетону й будівельних об'єктів. Величезні обсяги реконструкції житлового фонду, промислових підприємств, транспортних споруд, автодоріг і т.п. ставлять важливе науково-технічне завдання по переробці відходів бетону й залізобетону. Ці відходи крім бетонного лома містять мільйони тонн металу. Розроблено різні технології руйнування будівельних конструкцій, а також спеціальне устаткування для переробки некондиційного бетону й залізобетону.

Піритні недогарки - відходи при одержанні сірчаної кислоти з піриту FeS. Складування їх вимагає відчуження більших площ землі. Відомо їх винятково шкідливий і некерований вплив на навколишнє середовище. Під дією атмосферних опадів з піритних недогарків, що зберігаються під відкритим небом, вилуговується ряд токсичних речовин, наприклад миш'як. Їхній склад в основному представлений залізом (40-63 %), є срібло й золото (1 г на 1 т) і деякі рідкі хімічні елементи.

Електротермофосфорні шлаки - відходи виробництва фосфорної кислоти, які одержують електротермічним способом. У гранульованому виді містять 95-98 % скла. Основні оксиди, що входять до їхнього складу - SiО2 і СаО.

Інші відходи й вторинні ресурси - відходи й бій скла, макулатура, ганчір'я, гумова крихта, відходи й попутні продукти виробництва полімерних матеріалів, попутні продукти нафтохімічної промисловості тощо.

Найважливіші види будівельних матеріалів, одержувані з перерахованих вище відходів промисловості, наведені в табл. 3.2.

Таблиця 3.2

Відходи промисловості, використовувані у виробництві будівельних матеріалів

Відходи

Матеріали

Шлаки чорної металургії:

доменні

мартенівські

феромарганцеві

Портландцемент (виробництво клінкера), портландцемент із мінеральною добавкою, шлакопортландцемент, змішані безце-ментні в'яжучі, заповнювачі для бетонів, жужільна вата, шлакоситали й т.п.

Відходи кольорової металургії: шлаки (мідеплавильних печей, нікелевого виробництва, свинце-вої шахтної плавки і т.п.);

шлами (бокситний, нефеліновий, каоліновий, бокситонефельова-ний та ін.)

В'яжучі автоклавного твердіння, пісок і щебінь, портландцемент (виробництво клінкера), нефеліновий цемент, матеріали для зміцнення ґрунтів, вогнетриви, теплоізоляційні матеріали й т.д.

Золи й шлаки теплових електростанцій

В'яжучі, пористий гравій, газобетон, силікатні вироби, добавки до кераміки й т.п.

Розкривні породи: розкривні й порожні породи, хвости збагачення, флотаційні хвости

Портландцемент (виробництво клінкера), повітряне вапно, мінеральна вата, скло, пігменти, керамічна цегла, силікатна цегла, заповнювачі для бетонів і т.д.

Відходи вуглевидобутку й вугле-збагачення:

коксохімічних підприємств вуглезбагачувальних фабрик, шахтні незгорілі породи

Пористий заповнювач для бетону, керамічна цегла, матеріали для будівництва доріг

Гіпсові відходи хімічної промисловості: фосфогіпс, фто-рогіпс, титаногіпс, борогіпс, сульфогіпс

Заміна традиційної гіпсової сировини

Відходи деревини й лісохімії:

кора, пні, вершини, галузі, суки, обапіл, стружки, тирса, обпилювання, лігнін, скопа й т.д.

Арболіт, фіброліт, ДВП, ДСП, столярні плити, тирсобетон, ксилоліт, фанера,  щитовий паркет, дрань, лигновуглеводні деревні пластики, королит, блоки із сучків, плити із цільної кори, добавки, що вигорають, пластифікуючі добавки, оздоблювальні матеріали, покрівельний картон і т.д.

Відходи промисловості будівельних матеріалів: цемент-ний пил, кам'яний пил, крихта, цегельний бій, бракований і старий бетон і т.д.

Портландцемент, заповнювачі для бетону, мінеральний наповнювач, добавки, змішані в'яжучі речовини й т.д.

Піритні недогарки

Портландцемент (коригувальна добавка)

Електротермофосфорні шлаки

Портландцемент (компонент сировинної суміші), ШПЦ, сульфатостійкий ШПЦ, литий щебінь, шлакова пемза, стінова кераміка (компонент шихти)

Інші відходи й вторинні ресурси:

скляний бій і відходи скла,

макулатура, ганчір'я, зношені шини й т.д.

Скло, наповнювач для асфальту, добавка при виробництві стінової кераміки, пористий заповнювач для бетону, покрівельний картон, ізол, фольгоізол і т.д.

2.2. Лісові матеріали

2.2.1. Загальні відомості

Дерево завжди привертало увагу будівельників легкістю обробки, невеликою власною масою при відносно високій міцності й гарних теплоізоляційних властивостях. З колод зводили стіни, балки  міжповерхових перекриттів, з дощок настилали підлоги, влаштовували перегородки, виготовляли двері, віконні рами, плетіння; з окремих брусів збирали несучі елементи мостів, покриттів громадських будинків. Споруджене в 1817 р. у Москві покриття Кінногвардійського манежу (в наш час Центральний виставковий зал) і тепер викликає захоплення, тому що його дерев'яні ферми без будь-яких проміжних опор перекривають проліт у 44,9 м.

Сьогодні діапазон застосування деревини значно розширився, хоча витрачається вона ощадливіше. Стружка й тирса, що неминуче утворюються при обробці деревини, а також деревина із сучками і тріщинами за старих часів зовсім не використовувалися. У наші дні застосування синтетичних смол і клеїв дозволяє одержувати з відходів деревини клеєні конструкції значних розмірів, деревостружкові й деревоволокнисті плити, теплоізоляційний картон і будівельний папір.

У будівництві застосовують як хвойні (сосна, модрина, ялина, ялиця, кедр) так і листяні (дуб, ясен, бук, береза, осика) породи.

2.2.2. Будова і склад деревини

Зростаюче дерево складається з кореневої системи, крони і стовбура. Стовбур є основною і найбільш коштовною частиною дерева. З нього одержують від 60 до 90 % перероблюваної деревини.

За своєю будовою деревина є волокнистим, пористим матеріалом, що складається з живих і мертвих кліток, які забезпечують живильні, запасаючі і механічні функції.

Макроструктуру (будова стовбура дерева видима неозброєним оком)  і мікроструктуру (видима під мікроскопом) вивчають у поперечному і двох поздовжніх перерізах: радіальному і тангенціальному.

При дослідженні розрізів стовбура неозброєним оком можна розрізнити  наступні основні частини: кору, камбій, деревину і серцевину, (рис 2.1.).

Частина стовбура від лубу до серцевини (деревина) на поперечному розрізі складається з річних кілець. Кожне кільце, у свою чергу, включає світле кільце ранньої деревини і більш темне – пізньої. Рання деревина утворюється навесні чи на початку літа, вона складається з великих тонкостінних кліток, має велику пористість і низьку міцність.

Деревина, що утворилася влітку і на початку осені (пізня), має темний колір, велику міцність і щільність. Отже, чим більше вміст пізньої деревини, тим вище міцність дерева.

Рис. 2.1 - Розрізи стовбура дерева:

а) основні розрізи стовбура; 1 - поперечний (торцевий); 2 - радіальний; 3 - тангенціальний; б) будова стовбура дерева на поперечному розрізі; 1 - кора; 2- камбій; 3 - луб; 4 - заболонь; 5 - серцевина; 6 - серцевинні промені

2.2.3. Загальні властивості деревини

Кожна порода дерева має характерний колір і текстуру. Для хвойних порід характерний простий і одноманітний малюнок, а різноманіття і багатство текстури деревини листяних порід високо ціниться в столярно-оздоблювальних роботах.

Деревина всіх порід в основному складається з целюлози, у зв'язку з чим істинну густину деревини приймають рівної 1,54 г/см3. Середня густина коливається від 450 до 900 кг/м3.

Деревині властива гідрофільність і волокниста пориста структура, що сприяє легкому всмоктуванню і видаленню вологи. Вологість деревини виражають у процентах відносно маси сухої деревини. Розрізняють гігроскопічну вологу (зв'язану в стінках кліток) і капілярну вологу (вільно заповнює міжклітинний простір і порожнини кліток). Вологість, яку набуває деревина при тривалому перебуванні в умовах постійного температурно-вологісного режиму, називають рівноважною. Для кімнатно-сухої деревини рівноважна вологість складає 8-12 %, для повітряно-сухої – 15-18 %. Унаслідок коливання вологості деревини відбувається небажана зміна розмірів і форми виробу. Нерівномірність усушки є наслідком неоднорідності будови деревини, що призводить до короблення і розтріскування пиломатеріалів і колод. Для запобігання зазначеним процесам столярні вироби виготовляють з деревини з вологістю 8-10 %, зовнішні конструкції – 15-18 %.

Зволоження сухої деревини до досягнення нею межі гігроскопічності приводить до стовщення стінок деревних кліток, збільшення об'єму і розмірів дерев'яних виробів. Вказаний процес називається набряканням.

У сухому стані деревина є теплоізоляційним матеріалом і діелектриком. Зазначені фізичні властивості залежать від напрямку теплових потоків, пористості й вологості деревини.

Механічні властивості деревини залежать від напрямку навантаження стосовно деревних волокон, середньої щільності і вологості. Міцність деревини при стиску уздовж волокон у 4-6 разів більше, ніж поперек. Наприклад, для сосни уздовж волокон вона складає 100 МПа, поперек – 20-25 МПа. Волокниста будова деревини забезпечує дерев'яним конструкціям великий опір вигину, тому й застосовують для виготовлення балок, крокв, ферм.

Міцність деревини при сколюванні має велике значення при влаштуванні врубок, клейових швів і т.п. у дерев'яних конструкціях. Ця міцність складає 6-13 МПа при сколюванні уздовж волокон і 24-40 МПа – поперек волокон.

Статична твердість чисельно дорівнює навантаженню, що необхідне для вдавлення в поверхню зразка половини металевої кульки певної маси і діаметра. Залежно від цього показника всі породи дерева підрозділяють на м'які (сосна, ялина, вільха) – 35-50 МПа, тверді (дуб, граб, береза) – 50-100 МПа, дуже тверді (кизил, самшит) – більше 100 МПа.

2.2.4. Деревні породи

Деревні породи поділяють на хвойні й листяні.

Соснаядрова порода, має високу міцність і низьку щільність, середня густина – 470-540 кг/м3. Деревина сосни смолиста, важко піддається загниванню, її застосовують у вигляді кругляка та пиляних лісоматеріалів, а також для виготовлення столярних виробів і меблів.

Ялина – порода із стиглою деревиною, маслосмолиста, має високі показники міцності, низьку середню густину (440-500 кг/м3). Її застосовують для виготовлення будівельних конструкцій та столярних виробів. За якістю деревини ялина незначно поступається перед сосною. Найкращі властивості має дерево, зрубане у віці 80-100 років.

Модрина – ядрова смолиста порода з підвищеними твердістю та середньою густиною 630-730 кг/м3. Стійка проти загнивання, найкращі властивості має у віці 100-120 років. Застосовують в будівництві мостів, а також у гідротехнічному будівництві, для виготовлення шпал. Недолік модрини – схильність до розтріскування.

Дуб – ядрова порода, яка має високу механічну міцність і густину 720 кг/м3. Оптимальний час зрубування – 180 років. Має високу стійкість проти загнивання, красиву декоративну текстуру. Застосовують у відповідальних конструкціях, мостобудуванні, гідротехнічному будівництві, для виготовлення облицювальної фанери, столярних виробів і паркету.

Бук – розсіяно-пориста стиглодеревна порода. Деревина тверда, щільна (середня густина – 650 кг/м3), пружна. Найкращі властивості має, якщо зрубана у віці 110 років. Застосовують для виготовлення меблів, столярних виробів і паркету.

Вільха – заболонна порода з м’якою деревиною, що легко піддається обробці, нестійка проти загнивання. Застосовують її для столярних виробів і фанери.

Береза – заболонна порода. Деревина щільна (середня щільність – 650 кг/м3), має високі міцність, в’язкість; нестійка проти загнивання. Застосовують для виготовлення фанери, паркету, столярних виробів, поручнів, опоряджувальних робіт.

2.2.5. Вади деревини

Сучки – це частини в деревині, що порушують однорідність її будови викликають скривлення волокон, утруднюють механічну обробку.

Тріщини – розриви деревини уздовж волокон, порушують цілісність матеріалу, знижують механічну міцність і довговічність. Можуть бути:

  1.  метиковими (виникають у зростаючому дереві, розташовані на обох торцях колоди в одній площині);
  2.  морозні (утворюються в зростаючому дереві, мають радіальний напрямок із заболоні в ядро, значну довжину уздовж стовбура);
  3.  тріщини, усушки (виникають у зрубаному дереві глибиною і довжиною не більше 1 м).

Збіжистість – це зменшення діаметра круглих лісоматеріалів від товстого до тонкого кінця, що перевищує нормальний стік, рівний 1 см на 1 м довжини колоди. Зазначена вада характерна для необрізних матеріалів, збільшує відходи при розпилюванні.

Закомелистісь – різке збільшення окоренкової частини стовбура дерева. Може бути округла і ребриста.

Кривизна – скривлення поздовжньої осі колод, позв'язане з кривизною стовбура.

Нахил волокон – непаралельність волокон поздовжньої осі виробів. Утруднює механічну обробку деревини, знижує міцність пиломатеріалів при розтяганні і стиску, збільшує міцність при розколюванні.

Крен – ненормальне стовщення пізньої деревини в річних шарах.

Завилькуватість – безладне розташування волокон деревини.

Серцевина – вузька центральна частина стовбура, що складається з пухкої деревини.

Завиток – місцеве різке скривлення річних шарів під впливом сучків.

Пасинок – відмерла друга чи вершина товстий сук, що пронизує стовбур під гострим кутом до його поздовжньої осі.

Сухобокість – омертвіла ділянка стовбура.

Засмолок – ділянка деревини, рясно просочена смолою.

Ядрова гнилизна – результат дії дереворуйнівних грибків, знижує сортність і механічні властивості деревини.

Червоточини – ходи й отвори, пророблені в деревині комахами.

2.2.6. Захист деревини від гниття, уражених комахами і загоряння

При вологих умовах експлуатації деревина піддається дії мікроорганізмів, руйнується – загниває. Захист деревини від гниття і продовження терміну служби забезпечується шляхом попереднього природного чи штучного сушіння, фарбування водостійкими барвистими складами, антисептуванням.

Антисептики підрозділяються на водорозчинні (фтористий і кремнефтористий натрій, суміш борної кислоти і бури (ББК-3), пентахлорфенол (ГР-48), хлористий цинк, мідний купорос) і масляні (антраценова олія, кам'яновугільна олія, сланцева олія). Просочення деревини антисептиками здійснюється декількома методами: поверхнева обробка кистями на глибину 1-2 мм, почергове просочення в гаряче-холодних ваннах з температурою 90-20 0С під тиском 0,6-0,8 МПа в автоклавах, зануренням у високотемпературну ванну при температурі 160-170 0С. Крім зазначених способів для попередження гниття деревини вживають конструктивні заходи: ізолюють від ґрунту, каменю, бетону, улаштовують спеціальні канали для провітрювання.

Для захисту деревини від ураження комахами використовують інсектициди, роль яких добре виконують масляні антисептики і препарати на органічних розчинниках, розчин хлорофосу, хлоровану, хлорпікрину.

За вогнестойкістю деревина належить до горючих матеріалів.

Конструктивні заходи захисту деревини від горіння здійснюють шляхом розташування дерев'яної конструкції на безпечній відстані від джерела нагрівання, покриття дерев'яної конструкції штукатуркою, азбестоцементними листами. Крім того, будівельними нормами допускається використання деревини для виготовлення балок, колон, арок, ферм за умови просочення матеріалу спеціальними вогнезахисними речовинами – антипіренами. Найбільш ефективний метод – просочення під тиском. У якості антипіренів застосовують буру, хлористий амоній, фосфорнокислий амоній, сірчанокислий амоній.

2.2.7. Матеріали і вироби з деревини

Матеріали з деревини застосовують у будівництві, як конструкційні, оздоблювальні, теплоізоляційні, акустичні й погонажні.

До конструкційних відносяться круглі лісоматеріали, пиломатеріали, фанера, деревні шаруваті пластики, фіброліт, арболіт, цементно-стружкові плити.

Круглі лісоматеріали одержують шляхом розпилювання і очищення від кори стовбурів дерев. Залежно від діаметра верхнього торця їх підрозділяють на колоди (не менше 14 см), підтоварники (8-13 см) і жердини (3 см). Колоди застосовують для вироблення пиломатеріалів, зведення колодних будинків, виготовлення паль, елементів мостів, опор ліній електропередач, підтоварники і жердини – для допоміжних і тимчасових споруд. При розкрої колоди одержують пиломатеріали різного виду і розмірів (бруси, шпали, дошки) (рис. 2.2.).

Рис. 2.2 - Пиломатеріали:

а — пластини; б — четвертини; в — обапіл; г — дошка необрізна;

д — дошка напівобрізна; ж — брус чотирикатний; 

з — брус чистообрізний

Столярні вироби – віконні й дверні блоки з вмонтованими в них віконними плетіннями і дверними полотнинами, підвіконні дошки, щитові двері для житлових і громадських будинків.

Фанера - листовий матеріал, склеєний із трьох і більше шарів лущеної шпони таким чином, щоб напрямок волокон у суміжних шарах був взаємно перпендикулярним.

Шпона – тонкий листовий матеріал, отриманий лущенням чи струганням на спеціальних верстатах розпилених кряжів. Застосовується для обшивання внутрішніх перегородок на дерев'яній рамі, просторових конструкцій у вигляді куполів, а також клеєних балок, арок і ферм.

Паркет – виготовляють з твердих порід – дуба, бука, ясена і т.д. Буває звичайним (планочний) і щитовим. Щитовий паркет має основу з дошок чи брусів, на які наклеєна паркетна планка.

Деревні шаруваті пластики – це листовий матеріал, отриманий методом пресування декількох шарів шпони, просочених при високих температурах високомолекулярними смолами. Застосовується в конструкціях, від яких потрібні хімічна стійкість й високий опір стиранню.

Фібролітом називають плитний матеріал з тонких довгих деревних стружок, скріплених мінеральними в’яжучими. Фібролітові плити технологічні, міцно зчіплюються з незатверділим бетоном, надійно кріпляться до бетонної і кам'яної поверхні. Вироби з фіброліту морозостійкі, не загнивають, не уражаються гризунами. Застосовують для виготовлення перекриттів, перегородок і покриттів сільськогосподарських і складських будівель, а також стін дерев'яних стандартних будинків.

Арболіт – легкий деревобетон на мінеральному в'яжучому. Для виготовлення арболіту використовують відходи лісопиляння і переробки деревини різних порід, а також подрібнені сучки, обаполи. Застосовують для виготовлення начіпних панелей зовнішніх стін, самонесучих панелей зовнішніх і внутрішніх стін, плит покриттів.

Цементно - стружкові плити на відміну від фіброліту й арболіту пресують при підвищеному тиску, тому вони мають велику щільність. Застосовують для зовнішнього обшивання стінових панелей житлових будинків, як опалубку для бетону, виготовлення санітарно-гігієнічних кабін.

Деревностружкові й деревноволокнисті плити одержують методом плоского пресування відходів стружки й тирси, змішаних із синтетичними смолами. Застосовують для облицювання внутрішніх стін громадських і адміністративних будинків, для покриттів підлог.

Погонажні вироби  включають лиштви, плінтуси, поручні, дошки для підлоги. (рис.2.3.)

Рис.2.3 - Погонажні вироби:

а — шпунтовані дошки;  б — фальцові дошки; в — плінтус;

г — лиштва; д — поручень

Контрольні  запитання

  1.  Розповісти про використання природних кам'яних матеріалів у будівництві.
  2.  Як класифікують гірські породи?
  3.  Чим розрізняються між собою гірська порода і мінерал?
  4.  Що ви знаєте про магматичні породи?
  5.  Як утворилися осадові породи? Розкажіть про осадові породи механічного походження.
  6.  Чим відрізняється мармур від вапняку?
  7.  Який хімічний склад деревини?
  8.  Що таке рівноважна вологість деревини?
  9.  Які вади можуть бути в деревині?
  10.   Чому деревина жолобиться при зміні вологості?
  11.   Порівняйте деревину і цеглу за щільністю.
  12.   Як захистити деревину від гниття?
  13.   Як захистити деревину від загоряння?
  14.   Що таке клеєні дерев'яні конструкції, які їх переваги перед звичайними пиломатеріалами?
  15.  Які матеріали можна одержати з відходів деревини?

Розділ 3. КЕРАМІЧНІ МАТЕРІАЛИ Й ВИРОБИ

3.1. Загальні відомості

Кераміка (грец. keramos – глина) -– це штучні кам'яні матеріали й вироби, отримані  в результаті технологічної обробки і наступного випалу глинистої сировини.

Людина почала використовувати глину на самій зорі свого існування. Найдавніші зображення тварин і людей, виявлені археологами, виліплені в древньому неоліті за 27 тисяч років до н.е. Спочатку керамічні вироби ліпили руками. Поступово навчилися обпалювати їх, щоб глина стала міцнішою, перестала пропускати воду. Найважливіше місце в історії розвитку кераміки займають Китай і Греція, оскільки в цих країнах мистецтво кераміки досягло найбільшого розквіту, чому сприяли багаті родовища глини й природних барвників. Саме в Китаї, у другій половині II-I тисячоріччя була винайдена порцеляна – керамічна маса з високоякісної глини – каоліну.

У країнах Близького Сходу кераміка вперше набула широкого застосування в будівництві й оформленні будинків. З обпаленої глини робили мозаїку, яскраві кахлі, архітектурні деталі. У Росії перший цегельний завод був побудований у Москві в 1475 році. Наприкінці XVIII ст. розвиток металургійної, хімічної і електротехнічної промисловості сприяв збільшенню виробництва вогнетривкої, кислототривкої, електроізоляційної кераміки й плиток для підлог.

У цей час до поняття керамічні матеріали й вироби входить широке коло матеріалів з різними властивостями, які класифікують за різними ознаками.

За призначенням керамічні вироби підрозділяють на наступні види:

стінові, оздоблювальні, покрівельні, дорожні, санітарно-технічні, кислототривкі, теплоізоляційні, вогнетривкі.

За структурою будови розрізняють керамічні вироби з пористим (водопоглинання за масою більше 5 %) і щільним (водопоглинання за масою менше 5 %) черепком.

За температурою плавлення кераміку підрозділяють на:

  1.  легкоплавку(Тпл нижче 1350 оС);
  2.  тугоплавку (Тпл – 1350 оС-1580 оС);
  3.  вогнетривку (1580 оС – 2000 оС);
  4.  вищої вогнетривкості (більше 2000 оС).

За видом оздоблення поверхні керамічні вироби бувають глазуровані й неглазуровані, одноколірні або з малюнком, гладкі або рельєфні.

За способом формування розрізняють керамічні вироби, отримані шляхом пластичного формування, напівсухого пресування і шлікерним литтям.

  44

3.2. Сировина для виробництва керамічних матеріалів

Основною сировиною для виробництва кераміки є глини й каоліни. Для поліпшення технологічних властивостей глини, а також надання готовим виробам певних фізико-механічних властивостей, використовують непластичну сировину (плавні, спіснювальні, пороутворювальні та пластифікуючі добавки).

Глиниста сировина є продуктом механічного руйнування вивержених польовошпатових гірських порід, що містить частки глини, кварцу, слюди та інших мінералів, що не розклалися. Глинисті частки мають пластинчасту форму, тому при змішуванні з водою утворюється легко формована пластична маса. Придатність глинистої сировини для виробництва того чи іншого виду кераміки з технологічної точки зору оцінюється за її властивостями: пластичністю, повітряною і вогневою  усадкою, вогнетривкістю, вологоємністю, набряканням, розмоканням, тиксотропним зміцненням. Вказані технологічні характеристики значною мірою пов'язані з хімічним і речовинним складом сировини.

Хімічний склад глин включає глинозем Аl2О3, кремнезем SiО2, оксид заліза Fe2О3, оксид кальцію СаО, оксиди натрію, калію (Na2O, K2O) і магнію (MgO). Зі збільшенням вмісту Аl2О3 підвищується пластичність і вогнетривкість глин, а з підвищенням вмісту SiО2 пластичність глини знижується, збільшується пористість, знижується міцність виробів. Наявність лужних оксидів призводить до появи білих плям на поверхні виробів, а оскиди заліза працюють як плавні, тобто знижують температуру спікання.

Речовинний склад включає глинисту речовину, добавки й домішки.

Чим більше в глинистій сировині глинистих часток, тим вище пластичність і повітряна усадка глин. Залежно від цього глини підрозділяють на:

- високопластичні – вміст глинистих часток складає 80-90 %;

- помірнопластичні – 30-60 %;

- малопластичні  5-30 %;

З метою надання необхідних властивостей як глинам, так і виробам з них до складу глиняної сировини вводять добавки.

Спіснювальні добавки  вводять у пластичні глини, щоб знизити пластичність і зменшити повітряну та вогневу усадку за рахунок меншої водопотреби формувальної суміші, а також для запобігання деформаціям і тріщинам у виробах. До них належать: шамот, золи, кварцовий пісок, гранульований шлак.

Пороутворювальні добавки вводять у сировинну суміш для отримання легких керамічних матеріалів з підвищеною пористістю. До них належать: магнезит, крейда, доломіт. Такі добавки під час випалювання виділяють СО2 , що і поризує глиняну масу. Також використовують вигоряючі добавки – деревну тирсу, обпилювання, вугільний порошок, торфяний пил.

Плавні сприяють зниженню температури випалу виробів і підвищують щільність матеріалу. Функції плавнів виконують польові шпати, залізна руда, доломіт, магнезит, тальк тощо.

Пластифікуючі добавки сприяють підвищенню пластичності маси й поліпшенню її здатності до формування при отриманні виробів. До них належать високопластичні глини, бентоніти, а також поверхнево-активні речовини типу лінгосульфонафту.

Отримання черепка потрібного кольору й структури здійснюється різними методами, у тому числі: покриттям готових виробів ангобами, поливами, емалями, керамічними фарбами.

Ангоб виготовляють з білої або кольорової глини і наносять на поверхню невипаленого керамічного виробу тонким шаром (0,2...0,3 мм) у вигляді водної суспензії. При випалюванні ангоб не розплавляється і надає виробу матову поверхню.

Глазур (полива) – це склоподібне покриття (0,1...0,2 мм), яке наносять на поверхню керамічного виробу і закріплюють випалюванням. Глазур знижує водопроникність, підвищує міцність та атмосферостійкість керамічних виробів.

Склади поливи можуть бути різноманітними, але в усіх випадках вони містять не менше 85...90 % кремнезему та оксиду алюмінію.

3.3. Загальна схема технології виробництва керамічних матеріалів

Технологія виготовлення керамічних виробів, незважаючи на різноманітність асортименту, що випускається за властивостями, формами і призначенням є загальною й включає наступні технологічні етапи: добування сировинних матеріалів, підготовка керамічної маси (шихти), формування виробів (сирцю), сушіння , випалювання.

Підготовка глин і формування залежно від виду виготовленої продукції, виду й властивостей сировини здійснюється такими способами:

- пластичне формування застосовують тоді, коли глиниста сировина волога, пухка, добре розмокає у воді. Для цього використовують легкоплавкі середньо- та помірнопластичні глини, що містять 40...50 % піску. Формування  виробів при вологості 18-28 % здійснюється на стрічкових пресах, які бувають вакуумними й без вакуумними;

- напівсухий спосіб виробництва припускає формування керамічних виробів із шихти вологістю 8-12 % при тиску 15-40 МПа. Зазначений спосіб має ряд переваг: вироби мають більш правильну форму й точні розміри, до 30 % скорочуються витрати палива, допускається використання малопластичних глин з більшим вмістом відходів промислового виробництва. Пресування виробів виконують у пресформах на гідравлічних пресах. Напівсухий спосіб пресування використовується для виготовлення усіх видів виробів;

- сухий  спосіб є різновидом напівсухого виробництва керамічних матеріалів. Прес-порошок при цьому способі має вологість 2-6 %. Усувається операція сушіння відформованого виробу. Цим способом виготовляють щільні керамічні вироби - плитки для підлог, дорожню цеглу;

  1.  шлікерний спосіб застосовується для виготовлення керамічних виробів складної конфігурації. Виливок виробів виконують з маси, де вміст води складає 40 %. Цим способом виготовляють санітарно-технічні вироби, лицювальну плитку.

Сушіння виробів. Перед випалюванням вироби висушують до вологості 5-6 % у тунельних і камерних сушарках протягом 72-х годин, температура теплоносія 120-150 оС. Вказана технологічна операція необхідна, щоб уникнути нерівномірної усадки, скривлень і розтріскування виробів при випалі.

Випалювання виробів – найбільш важлива й завершальна стадія виготовлення керамічних виробів. У процесі випалювання під дією температури в сировинній суміші відбуваються складні фізико-хімічні перетворення. Так, при нагріванні сирцю до 120 оС видаляється фізично зв'язана вода й керамічна маса стає непластичною. У більш високій температурній зоні – від 450 оС до 600 оС відбувається виділення хімічно зв'язаної води, глинисті мінерали розкладаються на окремі оксиди. При подальшому збільшенні температури вигорають органічні домішки й керамічна маса втрачає свою пластичність. Формування міцності майбутнього черепка починається при 800 оС завдяки протіканню твердофазових реакцій. У процесі нагрівання від 1000 оС до 1200 оС відбувається вогнева усадка виробу й спікання (залежно від виду глини усадка становить 2 %-8 %.). Інтервал температур випалювання лежить у межах: від 900 оС до 1100 оС для цегли, каменю, керамзиту; від 1100 оС до 1300 оС для клінкерної цегли, плиток для підлог; від 1300 оС до 1800 оС для вогнетривкої кераміки.

3.4. Керамічні матеріалі й вироби

3.4.1. Стінові керамічні матеріали

Керамічні цегли й камені виготовляють із легкоплавких глин з добавками й без, застосовують для кладки зовнішніх і внутрішніх стін, для виготовлення стінових панелей і блоків. Цегла має такі розміри: одинарна – 250x125х65 мм; потовщена – 250x120х88 мм; модульна – 288x138x63 мм, модульна потовщена – 288x138x88 мм. Камені виготовляють таких розмірів: 250x120x138 мм (звичайний);  288x138x138 мм (модульний); 288x288x88 мм (модульний укрупнений); 250x250x120 мм (укрупнений з горизонтальним розташуванням порожнин).

Цегли і камені можуть бути пустотілими (рис. 3.1).

Рис. 3.1 – Цегла й камені керамічні:

а – цегла з 18-ма пустотами (порожність 27 і 36 %); б – цегла з 28-ма пустотами (порожнистість 32 і 42 %); в – камінь із 7-ма пустотами (порожнистість 25 і 33 %); г – з 18-ма пустотами (порожнистість 27 і 36 %) ;

д – укрупнений камінь для кладки стіни в «один камінь» (порожність 45 %).

За густиною в сухому стані цегла й камені підрозділяють на три групи:

- звичайні – з густиною більше 1600 кг/м3;

- умовноефективні – із густиною більше 1400-1600 кг/м3;

- ефективні - з густиною не більше 1400-1450 кг/м3.

Застосування ефективних стінових керамічних матеріалів дозволяє зменшити товщину зовнішніх стін, знизити матеріалоємність конструкцій до 40 % скоротити транспортні витрати й навантаження на основу.

Керамічну цеглу, залежно від межі міцності при стисканні й згині, а камені – тільки при стисканні, поділяють на такі марки: М75, М100; М125; М150; М175 ; М200; М250; М300.

За морозостійкістю керамічну цеглу і камені поділяють на марки: F15; F25; F35; F50.

3.4.2. Вироби для облицювання фасадів

Цегла й камені лицьові є оздоблювальними й конструктивними несучими елементами, що працюють у цегельній кладці разом зі звичайною цеглою. Лицьова цегла і камені призначені для мурування і одночасного облицювання зовнішніх стін будівель і споруд, тому мають дві лицьові поверхні. Лицьові цегли й камені випускають тих же розмірів і форм, що й звичайні. Залежно від межі міцності при стиску й вигині їх поділяють на наступні марки: М75; М100; М125; М150. Через підвищену щільність морозостійкість лицьової цегли становить від 25 до 30 циклів. Регулювання складу сировини й режиму випалу дозволяє випускати вироби від кремового до коричневого кольорів. Перевагою лицьової цегли є підвищена атмосферостійкість, однорідність забарвлення і чіткість ребер та граней. Залежно від форми й призначення їх поділяють на рядові (гладка частина стіни) й профільні (карнизи, тяги, пояси).

Для офактурення поверхні лицьової цегли і каменів використовують ангоби, глазурі і торкретування кольоровою крихтою. Облицювання стін будівель із керамічної цегли і каменів лицьовими виробами – найефективніший вид оздоблення, оскільки воно виконується одночасно з рядовою кладкою, а лицьові вироби, крім декоративних функцій, виконують і конструктивні функції.

Керамічні фасадні плитки («плінк») виготовляють квадратної або прямокутної форми з різними координаційними розмірами (від 50x50 до 300x150 мм, завтовшки 7 і 9 мм).

Рис. 3.2. Типи керамічних плиток для внутрішньої обробки: 1-5 – квадратні; 6-10 – прямокутні; 11, 12 - фасонні кутові; 13-16 – фасонні карнизні; 17-20 – фасонні плінтусні.

Плитки випускаються із глазурованою і неглазурованою, гладкою та рельєфною, одно- або багатокольоровою поверхнею. Застосовують для облицювання фасадів і цоколів, підземних переходів.

3.4.3. Плитки для внутрішнього облицювання

Керамічні плитки для внутрішнього облицювання використовуються для облицювання стін і для покриттів підлог. Ці вироби експлуатуються усередині приміщення, тому вимоги за морозостійкістю до них не висувають. Стіни, облицьовані керамічною плиткою, стійкі до вологого й агресивного середовища, відповідають естетичним і санітарно-гігієнічним вимогам.

Для облицювання стін застосовують майолікові (із сировинної суміші каоліну, польового шпату, кварцового піску) і фаянсові (з вогнетривких глин і добавкою кварцового піску і плавнів з наступним глазуруванням) плитки. Класифікують плитки за характером поверхні (пласкі, рельєфно-орнаментовані, фактурні), за типом глазурі (прозорі, блискучі, матові, одноколірні, багатокольорові), за формою й призначенням (квадратна, прямокутна, фасонна кутова й карнизна, фасонна плінтусна й т.д.) Водопоглинання плиток для внутрішньої обробки досягає 16 %, межа міцності при вигині – 12 МПа. Основні розміри плиток, відповідно до європейського стандарту (мм): 100x100, 108x108; 150x150; 150x75; 152x76; 200x15; 200x35; 200x50; 200x75; 200x150; 200x200; 250x200; 300x50; 300x100; 300x200; 300x300.

Для покриттів підлог застосовують метлахські (ДСТУ Б В. 2.7 – 117-2002) плитки, які мають підвищену щільність і високий опір стиранню. Підлоги з керамічних плиток водонепроникні, легко миються, довговічні, кислото- і лугостійкі. До недоліків слід віднести низький опір ударним навантаженням і високу трудомісткість улаштування. Для улаштування підлог застосовують квадратні (від 150x150 мм до 500x500 мм), прямокутні (від 200x150 мм до 500x300 мм), багатогранні й фігурні (чотирьох-, п'яти-, шости- і восьмигранні) плитки.

Плитки керамічні мозаїчні для підлог виготовляють квадратними зі стороною 23 і 48 мм, завтовшки 6 і 8 мм. На заводі плитки лицьовим боком наклеюють на крафт–папір або картон з певним рисунком, одержуючи килими розміром 398x48 мм.

Великорозмірні плитки типу «керамограніт» використовують для влаштування підлог у виробничих цехах, магазинах, ресторанах, виставкових залах, лабораторіях. Виготовляють зі щільним черепком (водопоглинання  менше 1 %) розмірами до 1000x1000 мм, завтовшки 6-10 мм. Керамограніт випускають з глинистої сировини з добавкою мінеральних пігментів. Плитки формують на пресі під тиском близько 50 МПа, а потім випалюють при Т = 1250 оС. Отримані вироби не поступаються природному граніту за показниками міцності, зносостійкості, морозостійкості й привертають увагу будівельників, архітекторів та дизайнерів різноманітністю кольорів та відтінків.

3.4.4. Керамічні вироби для покрівлі й перекриттів

Керамічна черепиця (ДСТУ БВ.2.7-28-95) є найпоширенішим керамічним матеріалом для покрівлі як в Україні, так і в западноєвропейських країнах завдяки своїй екологічній чистоті й довговічності (до 300 років), вогнестійкості, стійкості до атмосферних впливів. Черепицю виробляють з легкоплавких глин широкої колірної гами (від блакитного до чорного) Морозостійкість черепиці повинна бути не менше 25 циклів.

До недоліків відносять крихкість, трудомісткість монтажних робіт, велику вагу 1 м2 (40-80 кг). Застосовують керамічну черепицю на крутих покрівлях з ухилом не менше 30о. Різновиди керамічної черепиці представлені на рис. 3.3.

Рис. 3.3 - Види глиняної черепиці: а) — пазова штампована;

б) — пазова стрічкова; в) — плоска стрічкова; г) — конькова; д) — голландська; е) — жолобчаста; ж) — татарська.

3.4.5. Санітарно-технічна  кераміка й керамічні вироби спеціального призначення

Вироби санітарні керамічні – раковини, умивальники, унітази, зливальні бачки і т п. Ці вироби виготовляють з фарфору й фаянсу. Сировиною є біловипалювальні глини, каоліни, кварц і польовий шпат, у різних співвідношеннях (табл. 3.1).

Таблиця 3.1 – Склад сировини для виробів санітарно-технічної кераміки

Складові

Вміст , % за масою

фаянс

напівфаянс

санітарно-технічний фарфор

Біловипалювальні вогнетривкі глини й каоліни

Кварц

Польовий шпат

55..60

40...50

5...10

48...50

40...45

7..12

45..50

30...35

18...22

      

Основні технічні характеристики санітарно-технічної кераміки наведені в табл. 3.2.

Таблиця 3.2 - Фізико-механічні властивості санітарно-технічної кераміки

Властивості

Фарфор

Напівфарфор

Фаянс

Водопоглинання, %      

0,2-0,5

3-5

10-12

Густина, кг/м3

2250-2300

2000-2200

1900-1960

Межа міцності при стиску, МПа

400-500

150-200

100

Межа міцності при вигині, МПа

70-80

38-43

15-30

Дані табл. 3.2 показують, що вироби з фаянсу мають пористість, а з фарфору черепок є щільним, сильноспеченим. Середня густина напівфарфору є проміжною за значенням між фаянсом і фарфором.

До групи санітарно-технічних керамічних виробів відносять дренажні й каналізаційні труби. Дренажні труби застосовують у меліоративному будівництві, для безнапірних мереж каналізації, що транспортують промислові, побутові, дощові, агресивні й неагресивні води.

До спеціальних видів кераміки належить цегла для димарів, клінкерна цегла для доріг, кислототривкі вироби.

Контрольні запитання

  1.  Які матеріали мають назву «кераміка»?
  2.  Які сировинні матеріали використовують для отримання кераміки?
  3.  Які види, властивості й засоби виробництва керамічної цегли вам відомі?
  4.  Наведіть класифікацію керамічних матеріалів за призначенням, структурою черепка та видом поверхні.
  5.  Наведіть характеристики стінових керамічних виробів.
  6.  Наведіть характеристики керамічних виробив для облицювання фасадів та внутрішнього облицювання.
  7.  Які сировинні матеріали використовують для отримання санітарно-технічної кераміки?

Розділ 4. СКЛО І МАТЕРІАЛИ НА ОСНОВІ МІНЕРАЛЬНИХ РОЗПЛАВІВ

4.1. Загальні відомості

Як галузь прикладного мистецтва виробництво виробів зі скла було особливо розвинуте в Древньому Єгипті, Сирії, Фінікії, Китаї. Винахід склодувного способу в середині I століття до н.е. у Сирії, а також підвищення температури варіння скла дозволили одержувати прозорі й тонкостінні вироби. Особливо високого розвитку виготовлення скляних виробів досягло у Венеції XVI ст., потім у Богемії і Англії ХV ст. (кришталь), у Франції кінця XIX ст. (напівпрозоре кольорове скло). На Русі склоробство було розвинуте ще в домонгольську епоху, але потім це виробництво було забуте. Справжній розквіт російського склоробства почався лише в середині XVIII ст., коли М.В. Ломоносов розробив дешеві способи одержання кольрового скла. Розвиток науки і техніки у ХХ сторіччі привів до розвитку виробництва виробів з мінеральних розплавів широкої номенклатури, з різними властивостями і призначенням.

Склом називають аморфні тіла, одержувані шляхом переохолодження розплавів, які у результаті поступового збільшення в'язкості набувають механічні властивості твердих тіл.

До ознак склоподібного стану речовини відносять: відсутність чіткої температури плавлення, гомогенність та ізотропність структури. У будівництві застосовують винятково силікатне скло, умовний склад якого залежно від виду і призначення містить наступні оксиди (у % за масою): SiО2 – 64-73, Na2О – 10-15; К2О – 0-5; СаО – 2,5-26,5; MgО – 0-4,5; Аl2О3 - 0-7,2; Fе2О3 – 0-0,4; SО3 – 0-0,5; B2О3 – 0-5.

Коливання вмісту зазначених оксидів у складі скломаси дозволяє керувати технологічним процесом і надавати склу нові властивості, наприклад, прискорити процес варіння скла, знизити температуру плавлення, надати блиск, поліпшити світлопропускання, підвищити хімічну стійкість та інші експлуатаційні характеристики скла.

4.2. Основи виробництва скла

Сировинні матеріали для виробництва скла розділяють на основні й допоміжні.

До основних належать кварцовий пісок, сода, доломіт, вапняк, поташ, сульфат натрію.

Допоміжні матеріали вводять у шихту для зміни норм технологічного процесу (прискорення варіння) і надання склу необхідних властивостей. До них відносять: освітлювачі (сульфати натрію і алюмінію, калієва селітра), які сприяють видаленню із скломаси газових пухирців, глушники (кріоліт, плавиковий шпат, подвійний суперфосфат), які забезпечують світлорозсіювальні властивості скла, барвники, що додають склу заданий колір (кобальт - синій, хром - зелений, марганець - фіолетовий, залізо - коричневий, синій, зелений тони і т д.).

Виробництво скла включає наступні технологічні операції:

  1.  підготовка сировинних матеріалів (сушіння, подрібнювання);
  2.  приготування скляної шихти (дозування і змішування компонентів);
  3.  варіння скломаси;
  4.  формування із скломаси виробів;
  5.  термічна, хімічна чи механічна обробка виробів для поліпшення властивостей.

Варіння скломаси є основним і відповідальним етапом у технології склоробного виробництва. Скловаріння проводять у склоплавильних печах безупинної дії (ванні печі) чи періодичної дії (горшкові печі). При нагріванні шихти до 1100..1150 оС утворюється розплав, відбувається силікатоутворення. Подальше підвищення температури приводить до повного розчинення найбільш тугоплавких компонентів SiО2 і Аl2О3, утворюється скломаса, насичена газовими пухирцями, яка має неоднорідний склад. Подальший підйом температури до 1500…1600 оС є необхідним для освітлення і гомогенізації скломаси. При цій температурі знижується в'язкість розплаву, відповідно полегшується видалення газових включень і одержання однорідного розплаву. Заключним етапом скловаріння є процес охолодження розплаву до температури, що забезпечує необхідну в'язкість для виготовлення виробу прийнятим методом (прокат, пресування, лиття, витягування, видування). Формування виробів здійснюється різними методами. Так, для формування листового скла використовують спосіб вертикального (горизонтального) чи витягувального способу стрічки, що плаває (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схема роботи машини вертикального витягування скла

1 - стрічка скла; 2 - скляний розплав; 3 - валики; 4 - шахта машини; 5 - камера; 6 - пальник для підтримки високої температури в камері; 7 - холодильники

Крім зазначених способів скляні вироби формують литтям, прокатом, пресуванням, видуванням.

Випал – технологічна операція, метою якої є зняття залишкових напружень, що виникли при охолодженні скломаси. Скло вторинне нагрівають до утворення його пластичного стану, після чого повільно і рівномірно охолоджують.

4.3. Властивості скла і скловиробів

Найбільш важливими оптичними властивостями скляних матеріалів є показники світлопропускання, світлозаломлення, відображення і розсіювання. Звичайне силікатне скло здатне пропускати всю видиму частину спектра і не пропускати інфрачервоні й ультрафіолетові промені. Звукоізолююча здатність 1 см скла відповідає цегельній стіні в півцегли – 12 см. Силікатне скло має високу хімічну стійкість до більшості агресивних середовищ. Теплопровідність скла знаходиться в межах 0,5-1,0 Вт/(м оС), теплоізоляційні скловироби мають коефіцієнт теплопровідності 0,032-0,14 Вт/(м оС).

Густина звичайного будівельного силікатного скла – 2,5 г/см3, однак густина скла спеціального призначення може бути від 2,2 до 6 г/см3. Межа міцності при стиску становить 600-1000 МПа, технічна межа міцності при розтяганні - 30-90 МПа. Основним недоліком скла є крихкість, поганий опір ударним навантаженням.

4.4. Різновид скляних виробів

Листове віконне скло виробляється товщиною від 2,0 до 6,0 мм, з максимальними розмірами залежно від товщини – від 1000х1600 мм до 400х500 мм. Листове скло може бути полірованим, неполірованим, неполірованим поліпшеним. Світлопропускання складає 84-89 %. Маса 1 м2 – 2...5 кг. У табл. 4.1 наведено розподіл віконного скла за марками й застосовуванням.

Таблиця 4.1 – Марки листового скла

Марка скла

Товщина,

мм

Умовна назва

Рекомендована область застосування

М1

2...6

Дзеркальне поліпшене

Виготовлення високоякісних дзеркал, вітрових стекол легкових автомобілів

М2

2...6

Дзеркальне

Виготовлення дзеркал загального призначення, безпечних стекол транспортних засобів

М3

2...6

Технічне поліроване

Виготовлення декоративних дзеркал, безпечних стекол транспортних засобів

М4

2...6

Віконне поліроване

Високоякісне скління світлопрозорих конструкцій

М5

2...6

Віконне неполіроване

Скління світлопрозорих конструкцій, безпечних стекол для сільськогосподарських машин

М6

2...6

Те саме

Скління світлопрозорих конструкцій

М7

6,5...12

Вітринне поліроване

Високоякісне скління вітрин, вітражів

М8

6,5...12

Вітринне неполіроване

Скління вітрин, вітражів, ліхтарів

Вітринне скло застосовується для скління вітрин, вікон громадських будинків. Виробляється двох марок: М7 – поліроване, М8 – неполіроване, товщиною 6,5-12 см, розмірами до 3000х6000 мм.

Скло листове візерунчасте виготовляється прокатним способом, на одній чи на обох сторонах має рельєфний візерунок. Застосовується для декоративного скління віконних і дверних прорізів, внутрішніх перегородок, критих веранд. Може бути кольоровим і безбарвним.

Армоване листове скло відрізняється підвищеною міцністю і вогнестійкістю за рахунок армування звареною чи крученою сіткою зі сталевого дроту. Може мати гладку, рифлену і візерунчасту поверхню. Застосовується для влаштування світлових прорізів, ліхтарів верхнього світла і т.д. Світлопропускання безбарвного армованого скла становить 65-75 %.

Увіолеве скло застосовують для скління оранжерей, віконних і дверних прорізів у дитячих і лікувальних закладах. Пропускає 25-75 % ультрафіо-летових променів. Такі особливості скла зумовлюють сировинні компоненти з вмістом мінеральних домішок оксидів заліза, титану і хрому.

Триплекс (багатошарове стекло) при ударі не дає осколків, тому що складається з декількох листів скла, міцно склеєних між собою полівінілбутерольною плівкою. Товщина триплексу становить не менше 9 мм, а маса 1 м2 - близько 20 кг. Світлопроникнення триплексу залежно від типу й товщини скла становить 69...78 %. Може бути армованим і неармованим.

Теплопоглинальне скло захищає інтер'єри будинків від впливу прямого сонячного випромінювання, зменшує сонячну радіацію і нагрівання приміщень сонцем. Як правило, теплопоглинальні стекла мають блакитний, сірий чи бронзовий відтінки, тому що до складу скломаси на стадії виробництва додають оксиди кобальту, заліза, селенів.

Тепловідбивальне скло одержують нанесенням на поверхню тонких плівок металів і їхніх оксидів. Світлопропускання такого скла 30-70 %. Застосовується для нагрівання приміщень від сонячних і теплових променів. У процесі експлуатації саме скло не нагрівається, тому що велика частина інфрачервоних променів у такому склі не поглинається.

Електропровідне скло використовується як джерело тепла і застосовується в будівництві для виготовлення склопакетів. Електропровідне прозоре покриття (тонка плівка солей металевого срібла) напилюванням наноситься на поверхню скла і забезпечує обігрів і запобігання запотіванню.

Блоки скляні порожнисті являють собою герметичні скляні коробки з гладкою чи ребристою зовнішньою поверхнею. Крім гарної світлопропускної здатності мають добрі тепло- й звукоізоляційні властивості. Застосовуються для влаштування зовнішніх і внутрішніх огорож. Випускають таких типорозмірів: 194x194мм,244x244мм, завтовшки 98 мм і 244x244мм завтовшки 75мм. Світлопропускання становить 50...65 %.

Склопакети (ДСТУ Б В. 2.7-110-2001) застосовуються для скління вікон, вітрин, дверей. Це вироби, що складаються з декількох листів світлопропускного скла, з'єднаних між собою по контуру. У такий спосіб утворюється герметичний замкнутий прошарок, заповнений сухим повітрям чи газом. Склопакети можуть бути звичайними, світлорозсіювальними, зміцненими, безосколковими, сонцезахисними, звукоізоляційними, електроопалювальними. Перевагою склопакетів є гарна тепло- і звукоізоляція, а також гігієнічність. Випускають склопакети таких розмірів: довжина 400...2550мм, ширина 400...2950 мм, товщина до 46 мм Відстань між стеклами у двошарових склопакетах становить 9, 12, 15 мм, у тришарових - 9 і 12 мм. Основні фізичні властивості склопакетів наведено в табл. 4.2.

Таблиця 4.2 – Фізичні властивості склопакетів

Показник

Склопакет з повітряним прошарком, мм

з 2-х стекол

з 3-х стекол

15

20

15

20

Коефіцієнт тепловіддачі, Вт/м2

Світлопропускання, %

Звукоізолююча здатність при частоті 550 Гц, дБ

3,13

70

40...45

2,72

70

40...45

1,97

60

48...55

1,74

60

48...55

Труби скляні використовують для транспортування рідини, газів і твердих речовин при температурі від - 50 до 120 оС. Застосовують для напірних, безнапірних і вакуумних трубопроводів. Їх застосування обмежене крихкістю і недостатньою термостійкістю скляних виробів.

Кольорове листове скло  являє собою листи головним чином бронзового кольору зі світлопропусканням 1,5-2 %. Фарбування поверхні скла здійснюється електрохімічним способом. Кольорові стекла мають в основному декоративне призначення і застосовуються для скління вікон, дверей, виготовлення і влаштування вітражів.

Скломармур (марбліт) являє собою виріб з кольорового глушеного скла, що має мармуроподібне фарбування, поліровану лицьову і рифлену тильну сторони. Застосовується для декоративного захисного облицювання стін будинків, покриттів підлог, оформлення інтер'єрів, антикорозійного захисту будівельних конструкцій.

Піноскло – штучний пористий матеріал, отриманий за рахунок додавання в розмелене скло невеликої кількості деревного вугілля чи вапняку або інших матеріалів, що виділяють гази при температурі розм'якшення скла. Піноскло застосовується в конструкціях як тепло- і звукоізолятор. Виготовляють у вигляді блоків і гранул, густина – 100-700 кг/м3, коефіцієнт теплопровідності – 0,04-0,15 Вт/(м·оС).

Скляне волокно у вигляді безупинних ниток, тканини, полотна широко застосовується для виробництва композиційних матеріалів (склопластиків, склотекстоліту, склоруберойду та ін. гідроізоляційних й покрівельних матеріалів), виконуючи в них функції армуючого компонента. Діаметр скловолокна-5-15 мкм, міцність при розтяганні досягає 4000 МПа.

4.5. Ситали, шлакоситали й ситалопласти

Ситали – це склокристалічні матеріали, отримані із скляних розплавів шляхом їх повної чи часткової кристалізації.

Технологія виробництва ситалів аналогічна технології виробництва скла, доповнена кристалізацією виробів. На відміну від скла ситали мають структуру, яка нагадує мікробетон, де об’єм кристалічної фази досягає 90-95 %. Така структура забезпечує ситалам позитивні властивості скла, підвищує міцність при вигині й теплостійкість, робить ситали менш крихкими, ніж скло. Твердість ситалів наближається до твердості загартованої сталі, термостійкість виробів із ситалів досягає 1100 оС. За зовнішнім виглядом  ситали бувають сірого, коричневого, кремового кольору, глухі й прозорі. У будівництві ситали застосовують для підлог у промислових цехах, де можливий вплив агресивних речовин і розплавів металів, а також  рух  транспорту великої вантажопідйомності.

Шлакоситали – різновид ситалів. Одержують шляхом керованої кристалізації розплаву, сировиною для якого служать металургійні шлаки, кварцовий пісок і деякі добавки. Це щільний, непрозорий матеріал, що має міцність при стиску 650 МПа, густину – 2500-2700 кг/м3, термічну стійкість до 750 оС.

За останні десятиліття розроблені склади й технології одержання різноманітного асортименту скляних і склокристалічних матеріалів, що з успіхом застосовуються в будівництві й архітектурі, забезпечують розмаїтість інтер'єру і дизайну в складі художніх і декоративних композицій. До числа таких матеріалів належить: смальта, сігран, склокристаліт, склокремнезіт, стемаліт і т.д.

Однак відходи склоробного виробництва, що складають у різних країнах 28-38 % усіх побутових відходів, становлять важливу екологічну проблему. Остання знаходить певне вирішення у промисловості будівельних матеріалів.

Контрольні  запитання

  1.  Що називають склом?
  2.  Які  сировинні матеріали використовують для виготовлення скла?
  3.  Які  найголовніші оксиди входять до складу скла?
  4.  Які найголовніші властивості скла?
  5.  Як одержують листове скло?
  6.  Назвіть матеріали  й вироби  зі скла.
  7.  Назвіть марки скла.
  8.  Що таке ситали?

Розділ 5. МЕТАЛИ Й МЕТАЛІЧНІ КОНСТРУКЦІЇ, ЗАСТОСОВУВАНІ В БУДІВНИЦТВІ

5.1. Загальні відомості

Метали – кристалічні речовини, характерними властивостями яких є висока міцність, пластичність, тепло- і електропровідність, особливий блиск. Широке використання металів у будівництві та інших галузях економіки пояснюється сполученням у них високих фізико-механічних властивостей з технологічністю. Міцність на розтяг металів практично така ж, як і на стиск. Так, міцність сталі більш ніж в 10...15 разів перевищує міцність бетону на стиск і в 100...200 разів на вигин і розтягання.

Незважаючи на унікальні міцнісні й технологічні характеристики, слід зазначити, що висока теплопровідність металів робить їх уразливими при дії вогню, отже металеві конструкції мають потребу в тепловій ізоляції. Великі збитки економіці завдає корозія металів.

Металеві сплави – це речовини, що утворилися в результаті затвердіння рідких розплавів, які складаються з двох або декількох компонентів. У табл. 5.1 наведені фізичні й механічні властивості деяких металів.

 

Таблиця 5.1 - Фізичні й механічні властивості металів

 

Метал

Густина, кг/м3

Межа міцності при розтяганні, МПа

Температура плавлення, 0С

Алюміній

2700

80

660

Вольфрам

19300

1100

3410

Залізо

7874

280

1539

Магній

1740

180

651

Марганець

7440

-

1245

Мідь

8960

220

1083

Нікель

8900

450

1453

Хром

7190

-

1903

Цинк

7130

80

420

5.2. Класифікація металів

Метали ділять на дві групи:

  1.  чорні металі – сталь і чавун;
  2.  кольорові метали – всі метали й сплави на основі алюмінію, цинку, титану тощо.

   

В основу розподілу чорних металів на чавун і сталь покладений відсотковий вміст вуглецю. Чавун – це сплав заліза з вуглецем, вміст якого перевищує 2 %, сталь – сплав заліза з вуглецем, вміст якого не повинен перевищувати 2 %.

          5.3 Основи технології  черни

5.3.1 Виробництво чавуну

Чавун одержують у доменних печах шляхом високотемпературної обробки (1900 0С) суміші залізної руди, коксу й флюсу. Залізна руда, що є основною сировиною, крім порожньої породи містить від 30 до 70 % рудних мінералів у вигляді Fe2O3 і Fe3O4. Флюси (найчастіше вапняк) необхідні для переведення порожньої породи в шлаки (цінний техногенний відхід, який застосовується для виробництва шлакопортландцементу, як пористий заповнювач бетонів і т.п.). При згорянні коксу виділяється вуглекислий газ, потім утворюється СО, що і відновлює з руди залізо. Залізо плавиться, розчиняючи вуглець (до 5 %) і перетворюючись на чавун.

Виплавлювані в доменних печах чавуни за призначенням підрозділяють на:

  1.  передільний – для переробки в сталь;
  2.  ливарний – для виробництва фасонних виливків;
  3.  спеціальний (доменні феросплави), що містять у підвищеній кількості марганець і кремній, застосовуються як добавки при виплавці сталі.

Чавуни є стійкими проти корозії. Із ливарного чавуна виготовляють башмак під колони, тюбінги для тунелів, опорні частини залізобетонних ферм і балок, ванни, мийки, каналізаційні труби.

5.3.2. Виробництво сталі та її застосування у будівництві

Для одержання сталі використовують шихту, до складу якої входить передільний чавун, сталевий лом, а також шлакоутворюючі й легуючі речовини. Виробництво сталі – досить складний технологічний процес, що зводиться до видалення з чавуну частини вуглецю і домішок. Існує три способи одержання сталі: конвертерний, мартенівський і електроплавильний. У наш час використовують в основному киснево-конвертерний спосіб. Він полягає в продувці рідкого чавуну технічно чистим киснем у конвертері. Виплавлену сталь розливають на злитки або переробляють у заготовки методом безперервного розливання. Сталеві злитки піддають обробці тиском з метою одержання різних сталевих виробів. Розрізняють наступні види обробки сталі тиском: прокатка, пресування, волочіння, ковка, штампування.

Сталь є одним з найважливіших конструкційних матеріалів. Високі фізико-технічні характеристики, технологічність і великі обсяги виробництва визначили її широке використання в будівництві.

Залежно від процентного вмісту вуглецю розрізняють сталі:

- низьковуглецеву (до 0,25 %);

- середньовуглецеву (0,25-0,6 %);

- високовуглецеву (більше 0,6 %).

З підвищенням вуглецю у сталі істотно зменшується пластичність, підвищується крихкість, у зв’язку з чим у будівництві переважно використовують низьковуглецеві сталі. Для підвищення технічних властивостей чавунів і сталей до них додають легуючі речовини: марганець, хром, нікель, молібден, алюміній, мідь.

Якщо вміст легуючих добавок складає до 2,5 % – це низьколеговані сталі; 2,5-10 % – средньолеговані; більше 10 % – високолеговані. Введення легуючих добавок підвищує корозійну стійкість, ковкість, пружність сталі.

За призначенням вуглецеві сталі підрозділяються на конструкційні й інструментальні. Конструкційні сталі містять вуглець не більше 0,65 %. Їх застосовують для виготовлення арматур залізобетонних конструкцій. У свою чергу, конструкційні сталі, які використовуються в будівництві, підрозділяють на сталі звичайної якості, якісні й спеціальні.

Сталь вуглецева звичайної якості підрозділяється на групи А, Б, В.

При поставці сталей групи А споживачу гарантують механічні властивості без уточнення хімічного складу. Виготовляють марки Ст 0, Ст 1 и т.п. до Ст 6. Чим більше номер сталі, тим більше в ній процент вмісту вуглецю.

Сталі групи Б (БСт0, БСт1, БСт3 и т.д.) поставляють із гарантованим хімічним складом. Сталі групи В – з гарантованими хімічним складом і механічними властивостями.

Леговані сталі, на відміну від вуглецевих, містять ще й легуючі добавки, які підвищують якість сталі і надають їй певних властивостей. До легуючих добавок відносять : С - кремній, Х - хром, Г - марганець, Н - нікель, М - молібден, Д - мідь.

Легування сталі кремнієм підвищує її пружні властивості, нікель і хром – жаростійкість і корозійну стійкість, молібден – ряд механічних характеристик і т.д. При маркуванні легованих сталей перші дві цифри показують вміст вуглецю в сотих частках відсотків, наступні букви – умовне позначення легуючих елементів. Якщо кількість легуючого елемента становить 2 % і більше, то після букви ставлять ще і цифру, яка вказує цю кількість. Приклад: 25 ХГС2С – це марка сталі, яка вказує на вміст вуглецю 0,25 %, близько 1 % хрому, 2 % марганцю й близько 1 % кремнію.

Для зміни фізико-механічних характеристик сталі поряд з легуванням використовують також методи термічної обробки: загартування, нормалізацію, відпуск. При загартуванні сталі ( нагрівання до 800...1000 0С і швидке охолодження) підвищується твердість і міцність, але знижується пластичність і ударна в’язкість. Повільне нагрівання сталі до 250...350 0С, витримка при цій температурі з наступним охолодженням на повітрі (відпуск) знижує внутрішнє напруження, підвищує пластичність сталі, зберігаючи високу міцність. При нормалізації сталі (нагрівання з наступним охолодженням на повітрі) збільшується ударна в’язкість і пластичність. Велика кількість сталі використовується для виготовлення будівельних сталевих конструкцій – крупнорозмірних елементів будинків і споруд. Сталеві конструкції звичайно виконують із прокатних елементів різного профілю.

Сортова сталь (ДСТУ 2254-93, ДСТУ 2255-93, ДСТУ 3436-96, ДСТУ 2252-93) включає профілі масового попиту, швелери, двотаври й профілі спеціального призначення (рис. 5.1).

Рис. 5.1 – Прокатні вироби зі сталі різного профілю: а —кутикова рівнобока;

 б — кутикова нерівнобока; в — швелер; г — двотавр; д — підкранова рейка; е — кругла; ж — квадратна; з —штабова; и — шпунтова паля; к — листова;

л — рифлена; м — хвиляста.

Основним видом спеціального прокату для будівництва є арматурна сталь (ДСТУ 3760-98) у вигляді стрижнів гладкого й періодичного профілів, дроту та канатів (рис. 5.1).

        

Рис. 5.2 – Види арматурної сталі:

а — гладка стрижнева; б — гарячекатана періодичного профілю, класу Л-П;

в — те ж класу А-Ш; г — холоднокатана з чотирьох сторін;

д — те ж з двох сторін; е — кручена.

Металочерепиця – це богатошаровий виріб, який використовується для влаштування покрівель як пластичний ахітектурно-виразний матеріал. Її виготовляють з гарячеоцинкованої холоднокатаної листової сталі (прокату) товщиною 0,5 мм, покритої після пасивації та грунтування шаром кольорового полімерного покриття (поліестр, пурал, пластизол). Довжина панелі може бути від 500 до 8000 мм, а крок 275...450мм. Металочерепиця відрізняється високими експлуатаційними характеристиками, у тому числі високою корозійною стійкістю, довговічністю та здатністю до пластичного деформування.

5.4. Кольорові метали і сплави

Вартість кольорових металів і їхніх сплавів у порівнянні з чорними значно вище, тому в будівництві вироби з кольорових металів застосовують рідше.

Алюміній і сплави на його основі

У чистому вигляді алюміній м’який, пластичний, добре відливається, прокочується, плавиться при температурі 657 0С, має підвищену стійкість до корозії, високу тепло- і  електропровідність. Густина алюмінію – 2700 кг/м3, міцність на розтягнення – 90...120 МПа. У чистому вигляді застосовується для виливки деталей, виготовлення порошкових фарб, як газоутворювач у виробництві ніздрюватих бетонів. Високоефективний утеплювач на основі алюмінієвої фольги, здатний відбивати теплові промені. У будівництві в основному застосовують сплави алюмінію з міддю, марганцем, магнієм, кремнієм, залізом, які від чистого алюмінію відрізняються більш високою технологічністю, підвищеною міцністю і твердістю. Сплави, що складаються з алюмінію, міді, марганцю й магнію називають дюралюмінієм. Міцність на розтягнення таких сплавів становить 20...500 МПа. Конструкції і вироби з дюралюмінію добре себе зарекомендували при влаштуванні віконних коробок і плетінь, дверей і дверних коробок, зовнішнього облицювання будинків і виготовлення легких тришарових панелей з пінопластовим утеплювачем.

Сплав алюмінію з кремнієм (до 23 %) називається силуміном. Міцність на розтягнення становить 200 МПа. Ці сплави мають високі ливарні якості, малу усадку і пористість, вони тверді й міцні.

Основна перевага алюмінієвих сплавів – мала вага при досить високій міцності в сполученні з корозійною стійкістю.

Мідь і сплави на її основі

Чиста мідь – м’який, пластичний метал із густиною 8960 кг/м3, має високу теплопровідність, незначну міцність на розтягнення 180...240 МПа, температуру плавлення – 1080 0С. Мідь використовується у вигляді сплавів : латуні й  бронзи.

Латунь – сплави міді з цинком(10...40 %). Добре піддається прокату, штампуванню і витягуванню. У порівнянні з чистою міддю має більш високу твердість і міцність на розтягання 250...600 МПа. У будівництві застосовується в основному для декоративних цілей (поручні, накладки і т.д.) і для санітарно - технічних пристроїв.

Бронза – сплав міді з оловом (до 10 %), алюмінієм, свинцем. Міцність бронзи така, як і в міді, але значно вища твердість. Володіє гарними ливарними властивостями. Призначення в будівництві як латуні.

Контрольні  запитання

  1.  Що таке метали?
  2.  Розкажіть про сплави.
  3.  Які метали належать до чорних?
  4.  Які метали належать до кольорових?
  5.  Розкажіть про будову і властивості залізовуглецевих сплавів.
  6.  Які основи виробництва чавуну?
  7.  Які основи виробництва сталі?
  8.  Які вам відомі вироби зі сталі?
  9.  Що означає марка легованої сталі?
  10.  Які легуючі елементі покращують властивості сталі

Розділ 6. НЕОРГАНІЧНІ В'ЯЖУЧІ РЕЧОВИНИ

6.1. Загальні відомості

Неорганічними в'яжучими речовинами називають порошкоподібні матеріали, які при змішуванні з водою утворюють пластично-грузле тісто, здатне згодом вільно твердіти у результаті фізико-хімічних процесів.

Властивість в'яжучих матеріалів скріплювати між собою зерна піску, гравію, щебеню в процесі переходу з пластичного в твердий стан, використовується для виготовлення бетонів, будівельних розчинів, силікатної цегли, азбестоцементу і т.д.

Неорганічні в'яжучі застосовувалися ще в стародавності. Так, при будівництві морських споруд у 1 ст. н.е. в Древньому Римі було помічено, що коли вапно змішати з тонкомолотою обпаленою глиною, то отриманий на їхній основі виріб не тільки здобуває водостійкість, але і підвищує свою міцність, знаходячись у воді. Таке вапно з глиняною добавкою назвали гідравлічним. Російські будівельники назвали таке в'яжуче «цементом» і використовували його при будівництві Десятинної церкви і Софійського собору в Києві, стін Московського Кремля.

У 1825 р., в наукових працях російського військового техніка Е. Челієва з'явилося повідомлення з описом технології одержання цементу шляхом випалу до спікання суміші вапняку і глини. Одночасний винахід цементу був запатентований англійцем Дж. Аспдином, який, порівнюючи затверділий стан цементного каменю з гірською породою, що добувалася біля м. Портленда, назвав свій винахід «портландцементом».

Неорганічні в'яжучі залежно від умов твердіння і експлуатації прийнято класифікувати на повітряні, гідравлічні й в'яжучі автоклавного твердіння.

Повітряні в'яжучі можуть тверднути і набирати міцність тільки на повітрі. До цієї групи відносяться гіпсові, магнезіальні, вапняні в'яжучі, рідке скло.

Гідравлічні в'яжучі тверднуть та зберігають міцність не тільки на повітрі, але й у воді. За хімічним складом гідравлічні в'яжучі являють собою складну оксидну систему – СаО - SiО2 - Аl2О3 - Fе2О3. До гідравлічних в'яжучих відносять: портландцемент і його різновиди, глиноземистий цемент і його різновиди, гідравлічне вапно і романцемент.

В'яжучі речовини автоклавного твердіння здатні тверднути й утворювати міцний камінь в автоклавах в умовах підвищених температур, тиску і вологості. До таких в'яжучих речовин належать вапняно- кремнеземисті, вапняно-шлакові й вапняно-зольні.

6.2. Повітряні в'яжучі речовини

6.2.1. Гіпсові в'яжучі речовини

Гіпсові в'яжучі речовини (ДСТУ Б В. 2.7-82-99) – складаються головним чином з напівводяного гіпсу чи ангідриду.

Сировиною для одержання гіпсових в'яжучих найчастіше служить природний гіпсовий камінь, що переважно складається з мінералу гіпсу СаSО4·2Н2О, а також ангідрит СаSО4, відходи промисловості (фосфогіпс, борогіпс).

В основу класифікації гіпсових в'яжучих покладена температура теплової обробки.

Низьковипалювальні гіпсові в'яжучі виготовляють тепловою обробкою природного гіпсу при температурі 110-180 оС. При зазначеному температурному режимі відбувається дегідратація сировини з одержанням напівгідрату СаSО4·0,5Н2О:

СаSО4·2Н2О СаSО4·0,5Н2О + 1,5Н2О.

До низьковипалювальних гіпсових в'яжучих відносять будівельний, високоміцний і формувальний гіпс.

Будівельний гіпс складається в основному з кристалів -модифікації

СаSО4·0,5Н2О, містить частки сировини, що не розклалася, і незначну кількість CaSО4. Його одержують у варочних чи казанових печах. Міцність при стиску складає 10-12 МПа.

Високоміцний гіпс одержують термічною обробкою високосортного гіпсового каменю в герметичних апаратах під тиском пари. Зазначена технологія дозволяє одержати більш активну α-модифікацію напівводяного сульфату кальцію СаSО4·0,5Н2О, тому міцність високоміцного гіпсу при стиску 15-25 МПа.

Формувальний гіпс застосовується для виготовлення форм у керамічній і фарфоро-фаянсовій промисловості, містить незначну кількість домішок, в основному складається з модифікації напівгідрату.

Високовипалювальні гіпсові в'яжучі (естрих-гіпс) одержують шляхом випалу гіпсового каменю при високих температурах 600-900 оС.

При вказаній температурній обробці сировини відбувається повна дегідратація з утворенням ангідриту СаSО4:

СаSО4·2Н2О СаSО4 + 2Н2О.

Високовипалювальний гіпс, на відміну від будівельного, повільно тужавіє і твердіє, але його водостійкість і міцність при стиску вища (10-20 МПа).

Технічні характеристики гіпсових в'яжучих оцінюються визначенням тонкості помелу, водопотреби, строків тужавлення, міцності при вигині й стиску, водостійкості.

Істинна густина гіпсових в'яжучих – 2,6...2,75 г/см3;

Насипна густина – 800...1100 кг/м3;

Водопотреба визначається кількістю води, потрібної для приготування тіста стандартної консистенції (діаметр розпливу 180±5 мм).

Для отримання тіста нормальної густоти з -модифікації СаSО4·0,5Н2О потрібно 50...70 % води, а з α-модифікаціі СаSО4·0,5Н2О - 30...40 %.

Строки тужавлення. За строками тужавлення гіпсові в'яжучі поділяють на три групи: А – швидкотверднучі (з початком тужавлення не раніше 2 хв. і кінцем не пізніше -15 хв.), Б – нормальнотверднучі (з початком тужавлення не раніше 6 хв. і кінцем – не пізніше 30 хв.), В – повільнотверднучі (початок тужавлення не раніше 20 хв.).

Міцнісні показники гіпсових в'яжучих визначають випробуванням зразків-балочок розмірами 40x40x160 мм з гіпсового тіста стандартної консистенції через 2 години після виготовлення.

Для гіпсових в'яжучих встановлено 12 марок за міцністю при стиску (МПа): Г-2, Г-3, Г-4, Г-5, Г-6, Г-7, Г-10, Г-13, Г-16, Г-19, Г-22, Г-25, де цифра означає нормовану межу міцності при стиску.

Маркування гіпсу здійснюється з урахуванням його міцності, строків тужавлення та тонкості помелу, наприклад, гіпсова в'яжуча речовина з позначкою Г-5-А-ІІ ДСТУ БВ 2.7-82-99 відповідає марці Г-5, є швидкотверднучою і характеризується середньою тонкістю помелу.

Водостійкість гіпсових виробів є невисокою: коефіцієнт розм’якшення становить 0,35...0,4.

Гіпсові в’яжучі застосовують для виготовлення гіпсобетонних виробів (перегородкові панелі), сухої штукатурки, штукатурних розчинів, гіпсоцементнопуцоланових в'яжучих (ГЦПВ) а також для виробництва ГКЛ (гіпсокартонних листів).

6.2.2. Повітряне вапно

Повітряне вапно (ДСТУ Б В 2.7-90-99) – продукт помірного випалу кальцієво-магнієвих карбонатних гірських порід (вапняку, крейди, вапняку- черепашника, доломітизованого вапняку).

Вміст глинистої речовини в сировині до 6 % зумовлює твердіння вапна на повітрі.

Для одержання повітряного вапна сировина піддається випалу в шахтних печах при температурі 900-1200 оС до повного видалення СО2 (що складає 44 % від маси СаСО3):

СаСО3СаО + СО2.

Продукт випалу у вигляді шматків білого кольору називається грудковим негашеним вапном крім основного оксиду СаО може містити деяку кількість оксиду магнію МgО, що утворюється в результаті розкладання карбонату магнію.

Чим вище вміст основних оксидів (СаО+МgО), тим пластичніше вапняне тісто і вище сорт вапна. На якості повітряного вапна позначається також вміст зерен недовипалення чи перевипалення, що робить вапняне тісто менш пластичним. Недовипалені частки являють собою зерна сировинного матеріалу, що залишився, не розклався у процесі виробництва вапна, перевипаленні частки – ущільнений оксид кальцію.

         Гашене вапно утворюється за реакцією:

СаО + Н2О = Са(ОН)2 + 63,7 кДж.

Вапно гасять у гідраторах періодичної або безперервної дії.

Залежно від характеру наступної обробки грудкового вапна (скільки води витрачається для гашення) одержують три різних продукти:

гідратне вапно – «пушонка» – 50-70 % води від маси вапна;

вапняне тісто – тістоподібний продукт, що містить 50 % твердих часток Са(ОН)2 і 50 % води;

вапняне молоко – розведене водою вапняне тісто.

Процес гасіння грудкового вапна з одержанням вапняного тіста на спеціалізованих заводах здійснюється у вапногасильних машинах. Для одержання вапна-«пушонки» використовують гідратори безупинної дії, які дозволяють перетворити грудкове вапно в найтонший порошок із густиною 400-450 кг/м3.

Твердіння повітряного вапна відбувається за рахунок двох одночасних процесів: зближення кристалів Са(ОН)2 і їхнього зрощення, а також під дією вуглекислого газу, що міститься у невеликій кількості в повітрі:

СаО + Н2О = Са(ОН)2;

Са(ОН)2 + СО2 + nН2О = СаСО3 + (n + 1) Н2О

Відповідно до реакції твердіння при карбонізації виділяється вода, розчини з використанням вапна твердіють повільно, тому процес твердіння прискорює сушіння.

Залежно від вмісту оксиду магнію повітряне вапно розділяється на кальцієве (МgО до 5 %), магнезіальне (МgО = 5 %-20 %) і доломітове (МgО = 20-40 %).

Процентний вміст оксидів, здатних вступати в реакцію гідратації (піддаватися гасінню), називають активністю вапна.

Залежно від тривалості протікання реакції гасіння вапно розрізняють:

  1.  швидкогашене – гасіння до 8 хв.,
  2.  середньогашене – від 8 до 25 хв.,
  3.  повільногашене – більше 25 хв.

Час гасіння і активність вапна є визначальними показниками якості.

Технічні характеристики повітряного вапна оцінюються визначенням активності, тонкості помелу, швидкості гашення, водопотреби, строків тужавлення, міцності при стиску.

Істинна густина негашеного вапна – 3,1...3,3 г/см3 , гашеного – 2,23 г/см3 .

Насипна густина грудкового вапна – 1600...2600 кг/м3.

Активність – процентний вміст оксидів (СаО + МgО), здатних вступати в реакцію гідратації (піддаватися гасінню).

Строки тужавлення дуже повільні. Будівельні розчини на основі гашеного вапна тужавіють 5...7 діб.

Маркування вапна здійснюється з урахуванням його міцності, швидкості гашення та активності, наприклад, вапно з позначкою ВП-А-1 ДСТУ Б В .2.7.-90-99 відповідає вапну повітряному, швидко гашеному, першого сорту.

Повітряне вапно застосовують для виготовлення будівельних розчинів, ніздрюватих, легких, важких бетонів, силікатної цегли і силікатних бетонів.

6.2.3. Магнезіальні в'яжучі

Магнезіальні в'яжучі - каустичний магнезит MgO і каустичний доломіт MgO + CaCO3 одержують шляхом помірного випалу (750-850 оС) магнезиту:

MgCO3 MgO + СО2.

Особливістю цих в’яжучих речовин є те, що вони замішуються не водою, а водними розчинами солей: хлориду магнію, сульфату магнію. Застосування водних розчинів солей магнію сприяє прискоренню твердіння та підвищенню міцності магнезіальних в’яжучих.

Магнезіальні в’яжучі речовини мають високу міцність при стиску, що досягає 60...100 МПа. Каустичний магнезит – речовина швидкого твердіння, яка має початок тужавлення не раніше 20 хв., кінець – не пізніше 6 год. Каустичний доломіт відрізняється строками тужавлення: початок через 3...10 год, кінець не раніше 8...20 год.

Магнезіальні в’яжучі характеризуються високою адгезією до органічних заповнювачів. Такі вироби (ксилоліт, фіброліт) відрізняються підвищеною ударною в’язкістю, добре обробляються, є жаростійкими, мають звукоізоляційні властивості.

6.3. Гідравлічні в'яжучі речовини

Гідравлічні в'яжучі  являють собою тонкомолоті порошки, які складаються із силікатів і алюмінатів кальцію, що гідратуються у водяному середовищі з утворенням міцного водостійкого штучного каменю.

6.3.1. Гідравлічне вапно

Гідравлічним вапном (ДСТУ Б В 2.7 – 90-99) називають тонкомолотий продукт випалу при температурі 900-1000 оС мергелистих вапняків із вмістом до 20 % глинистих домішок. При цій температурі сировинні матеріали розкладаються з утворенням вільних оксидів СаО, Si2О, Al2O3, Fe2O3, які завдяки своїй хімічній активності взаємодіють між собою з утворенням силікатів, алюмінатів і феритів кальцію. Саме такий мінералогічний склад забезпечує надалі гідравлічне твердіння цього в'яжучого матеріалу.

Залежно від вмісту в гідравлічному вапні вільного оксиду кальцію терміни тужавлення коливаються в межах: початок – 0,5-2 год і кінець – 8-16 год. Активність гідравлічного вапна складає від 1,7 до 5 МПа. Гідравлічне вапно застосовують для виготовлення низькомарочних легких і важких бетонів, для виготовлення штукатурних і мурувальних розчинів.

6.3.2. Портландцемент

Портландцементом називають порошкоподібний матеріал, що отримують в результаті спільного помелу клінкера (продукту спікання вапняно-глинистої суміші при температурі 1400-1500 оС), гіпсу і мінеральних добавок. Невелика добавка гіпсу (3-5 %) на стадії помелу клінкера додається для регулювання термінів тужавлення.

Технологія виробництва портландцементу є досить енергоємним процесом і складається з наступних етапів: видобуток сировини в кар'єрі і його доставка на завод, приготування сировинної суміші, випал сировинної суміші до спікання (одержання клінкера), помел клінкера з одержанням порошку.

Сировиною для виробництва портландцементу служать вапняки з високим вмістом карбонату кальцію (крейда, щільний вапняк, мергелі), і глинисті породи (глини, глинисті сланці), що містять SiО2, Al2О3, Fe2O3.

У середньому для виробництва 1 т цементу витрачається 1,5 т сировинних матеріалів при оптимальному співвідношенні карбонатної і глинистої складової відповідно 3:1.

Підготовка сировинних матеріалів до випалу полягає в тонкому подрібнюванні й змішанні компонентів з дотриманням установленого співвідношення. Залежно від виду підготовки сировинної суміші до випалу портландцемент одержують трьома способами: мокрий (помел і змішання сировини роблять у воді до одержання однорідного шламу, що містить до 40 % води), сухий (матеріали подрібнюють і перемішують у сухому вигляді до отримання сировинного борошна) і комбінований (сировинну суміш готують мокрим способом, отриманий шлам збезводнюють і гранулюють).

Основним етапом виробництва портландцементу є випал, здійснюваний у печах, що обертаються. Піч являє собою зварений циліндр діаметром 4..5 м і довжиною 150...185 м. Конструкція печі і її розташування (легкий ухил до горизонту) дозволяють гартованій масі переміщуватися з однієї температурної зони в іншу назустріч топковому газу. Випал підготовленої сировини супроводжується складними фізико-хімічними процесами. З цього погляду умовно його поділяють на 6 температурних зон:

1-а зона – зона випаровування. При поступовому підвищенні температури з 70 оС сировина підсушується.

2-а зона – зона підігріву. Сировина поступово нагрівається від 200 оС до 700 оС, вигорають органічні домішки, видаляється хімічно зв'язана вода, що містилася в глинистому мінералі.

3-я зона – зона кальціювання. Підвищення температури від 700 0С до 1100 оС приводить до розкладання глинистого мінералу і карбонату кальцію з утворенням вільних оксидів SiО2, Al2О3, Fe2O3, СаО. У цій же температурній зоні відбуваються твердофазові реакції взаємодії між зазначеними оксидами, в результаті яких утворюються мінерали 3СаО·Al2О3, СаО·Al2О3, частково 2СаО·SiО2.

4-а зона – зона екзотермічних реакцій. З подальшим підвищенням температури (1100-1250 оС) завершується утворення мінералів 2СаО·SiО2, 3СаО·Al2О3, 4СаО·Al2О3 ·Fe2O3.

5-а зона – зона спікання. Температура гартованого матеріалу досягає 1300-1450 0С. Відбувається часткове плавлення матеріалу утворюється головний клінкерний мінерал 3СаО·SiО2, повністю зв'язується вільний оксид кальцію.

6-а зона – зона охолодження. Отриманий клінкер охолоджується до 1000 0С, завершується формування його мінералогічного складу.

Після випалу клінкер подрібнюється в тонкий порошок переважно в трубних млинах. Зі збільшенням тонкості помелу підвищується активність цементу, однак процес подрібнювання клінкера зв'язаний зі значними витратами електроенергії, тому оптимальний розмір цементних зерен від 5 до 40 мкм.

Властивості й застосування портландцементу. На властивості портландцементу значною мірою впливають наступні фактори: мінералогічний і хімічний склад цементного клінкера, наявність добавок, тонкість помелу. Ці параметри знаходяться в безпосередньому зв'язку з такими технічними характеристиками і показниками якості в'яжучого, як густина, водопотреба, терміни тужавлення, рівномірність зміни об'єму, активність.

Хімічний склад клінкера визначається процентним вмістом оксидів, що у процесі випалу беруть участь у реакціях мінералоутворення цементного клінкера. Так, цементний клінкер містить: СаО – 63-66 %, SiО2 – 21-24 %, Al2О3 – 4-8 %, Fe2O3 – 2-4 %.

Мінералогічний склад клінкера містить такі мінерали:

Аліт – 3СаО·SiО2, визначає швидкість твердіння, міцнісні характеристики майбутнього цементного каменю. Вміст у клінкері – 45-60 %.

Беліт – 2СаО·SiО2, твердіє повільно, але забезпечує високу міцність при тривалому твердінні. Вміст у клінкері – 20-30 %.

Трикальцієвий алюмінат – 3СаО·Al2О3, активно вступає у взаємодію з водою. Підвищений вміст цього мінералу в складі цементу є причиною сульфатної корозії. Вміст у клінкері – 4-12 %.

Чотирикальцієвий алюмоферрит – 3СаО·Al2О3, по швидкості твердіння займає проміжне положення між алітом і белітом. Вміст у клінкері – 10-20 %.

Твердіння портландцементу

При змішуванні портландцементу з водою утворюється пластичне грузле цементне тісто, що густіє й перетворюється в цементний камінь.

Під час твердіння портландцементу відбуваються складні хімічні й фізичні явища. Клінкерні мінерали при контакті з водою реагують з нею практично одночасно й тому процеси взаємодії накладаються один на іншій, і новоутворювання, що утворились, можуть взаємодіяти як між собою, так і з вихідними мінералами.

Типовими реакціями, характерними для твердіння портландцементу, є реакції гідратації, що протікають із приєднанням води.

Процес твердіння портландцементу в основному визначається гідратацією силікатів, алюмінатів і алюмоферитів кальцію. Аліт С3S при взаємодії з водою дає гідросилікат кальцію різного складу й при повній гідратації протікає за схемою:

2(3CaО·SiO2) + 6H2O = 3CaO·2Si2O·3H2O + 3Ca(OH)2

Гідратація беліта - C2S при кімнатній температурі йде так само за наведеною схемою, але при цьому вапна виділяється менше:

2(2CaO·SiO2) + 4H2O= 3CaO·2Si2O2·3H2O + Ca(OH)2

Взаємодія C3A з водою протікає з більшою швидкістю й значним виділенням тепла:

3CaO·Al2O3 + 6H2O = 3CaO·2Al2O3·6H2O

Трьохкальцієвий гідроалюмінат (C3AH6) є єдиною стійкою сполукою з усіх гідроалюмінатів кальцію. У присутності двоводного гіпсу й води C3A утворює комплексний продукт - гідросульфоалюмінат кальцію (етрингіт):

3CaО·Al2O3  + 3(CaSO4·2H2O) + 25H2O = 3CaО·Al2O3·3CaSO4·31H2O

Ця фаза сповільнює швидку гідратацію С3А за рахунок утворення захисного шару, що приводить до уповільнення строків тужавлення цементу. Алюмоферитна фаза (C4AF) в умовах гідратації портландцементу, тобто насиченого вапном розчину, при кімнатній температурі взаємодіє з водою за наступною схемою:

4CaО·Al2O3·Fe2O3+2Ca(OH)2+ 10H2O = 3CaО·2Al2O3·6H2O + 3CaО·Fe2O3·6H2O

Крім хімічних перетворень, що протікають при твердінні портландцементу, велике значення мають фізико-хімічні процеси, які супроводжують хімічні реакції.

Існуючі в наш час теорії твердіння (А. Ле Шательє, В. Михаеліса, А.А. Байкова й ін.) розвивають фізико-хімічні уявлення про механізм новоутворень і твердіння в'яжучих речовин при їхній взаємодії з водою.

А. Ле Шательє (1887 р.) запропонував кристалізаційну теорію твердін-я, відповідно до якої в'яжуче, затворене водою, спочатку розчиняється, далі взаємодіє з нею, утворюючи гідратні сполуки. Вони менш розчинні у воді, ніж вихідна речовина, тому утворюють пересичений розчин, з якого випадають у вигляді кристалів. Ці часточки, зростаючись одна з одною, викликають спочатку тужавлення, а потім твердіння. Ця теорія характерна для твердіння гіпсу.

В. Михаеліс (1893 р.) запропонував колоїдну теорію твердіння портландцементу. Спочатку при змішуванні цементу з водою утворюються пересичені розчини гідроксиду кальцію й гідроалюмінатів кальцію, які виділяються у вигляді опадів кристалічної структури. В. Михаеліс вважав, що ці опади активної участі в гідравлічному твердінні не приймають. За основу він приймав гелевидну масу, що виникає під час утворення гідросилікатів кальцію безпосередньо на поверхні часточок цементу. Із цієї маси вода відсмоктується у середину цементних зерен, при цьому вона ущільнюється й забезпечує твердіння.

Розвитку колоїдної теорії твердіння у великій мірі сприяв Г. Кюль.

О. О. Байков (1923 р.) висунув теорію твердіння в'яжучих, узагальнючі погляди А. Ле Шательє й В. Михаеліса, що включає три періода:

- у першому періоді в'яжуче розчиняється у воді до утворення насиченого розчину;

- другий період характеризується приєднанням води до твердої фази (топохімічний процес) в'яжучого й виникненням гідратних сполук високої колоїдної дисперсності. Гідроксид кальцію й трикальцієвий гідроалюмінат утворюють спочатку насичений, а потім пересичений розчин і виділяються так само в колоїдному стані.

У результаті навколо цементних зерен утворюється оболонка гелю, що має властивості клею. Через деякий проміжок часу у результаті контакту оболонок утворюється коагуляційна структура цементного тіста. Цементне тісто починає густіти й втрачає пластичність - тужавіє. Особливістю коагуляційної структури є її тиксотропність, тобто здатність руйнуватися при механічних впливах.

- у третій період відбуваються процеси перекристалізації часточок новоутворень у більш крупні, що супроводжується твердінням і зростанням міцності.

Надалі розвитку теорії твердіння в'яжучих сприяли дослідження В.А. Кінда, П.П. Буднікова, П.А. Ребиндера, О.П. Мчедлова-Петросяна й ін. У сучасному поданні механізм твердіння представлений у такий спосіб. Після додавання до цементу води утворюється пересичений розчин, що містить іони. Із цього розчину як первинні новоутворення осідають гідросульфоалюмінат і гідроксид кальцію. На цьому етапі зміцнення не відбувається. Другий етап починається з утворення кристалів гідросилікатів кальцію. Гідросилікати й гідросульфоалюмінати кальцію пронизують рідку фазу волокнами. Утворюється матриця, що зміцнюється й заповнюється продуктами гідратації. У результаті рухливість твердих часток знижується й цементне тісто тужавіє.

Протягом третього періоду пори заповнюються продуктами гідратації, відбувається ущільнення й зміцнення структури цементного каменю в результаті утворення великої кількості гідросилікатів кальцію.

Властивості портландцементу

Істинна густина портландцементу, залежно від хімічного й фазового складу, коливається в межах 2,9 - 3,2 г/см3 .

Насипна густина у сипкому стані становить 900-1200 кг/м3

Водопотреба цементу при одержанні тіста нормальної гущини становить 24-28 %. Під водопотребою розуміють ту кількість води, яка необхідна для одержання тіста нормальної гущини.

Водопотреба портландцементу залежить від мінерального складу, тонкості помелу, наявності активних добавок осадового походження (трепел, діатоміт і ін.) до 10-15 %.

Строки тужавлення – це термін часу, при якому рухлива суміш цементу з водою поступово густіє й здобуває початкову міцність. Розрізняють початок і кінець тужавлення. Ці строки визначають на тісті нормальної гущини при температурі 20 °С ± 2 за глибиною занурення в нього голки приладу Віка. За строками тужавлення розрізняють:

  1.  швидкотвердіючі цементи (початок тужавлення менше 45 хв.);
  2.  нормальнотвердіючі цементи (початок тужавлення не раніше 45 хв і не пізніше 1,5 годин);
  3.  повільнотвердіючі цементи (початок тужавлення перевищує 1,5 год.)

Для портландцементу кінець тужавлення відповідно до ДСТУ 10178-85 повинен наступати не пізніше 10 год від моменту змішування з водою. В'яжуче тим цінніше, чим швидше наростає його міцність після початку тужавлення, тобто чим менше розрив у часі між його початком і кінцем.

На швидкість тужавлення цементу впливає В/Ц і температура. Зі збільшенням В/Ц і зниженням температури швидкості тужавлення й твердіння зменшуються й навпаки.

Більш тонкий помел цементу сприяє збільшенню швидкості його тужавлення.

Тонкість помелу впливає на міцність цементу: Зі збільшенням тонкості помелу міцність цементу зростає. Середній розмір зерен портландцементу становить 40 мкм. Тонкість помелу характеризується залишком на ситі № 008 не більше 15 %.  Вона характеризується також величиною питомої поверхні (м2/кг), сумарною поверхнею зерен (м2/в 1 кг цементу). Питома поверхня заводських цементів становить 250....300 м2/кг.

Міцність портландцементу. Відповідно до ДСТУ 10178-85 міцність (марку) портландцементу характеризують межами міцності при стиску й вигині. Для визначення марки готують зразки-балочки розміром 40x40х160 мм із розчину цементу з піском у співвідношенні 1:3 (по масі). Суміш ущільнюють в формах із застосуванням вібрації протягом 3 хв. Розчин готують при В/Ц = 0,4. Його консистенція характеризується розтіканням конуса з розчину після 30 струшувань на струшувальному столику діаметром у межах 106-115 мм.

Балочки з розчину зберігають у формах 24±2 год. над водою. Далі їх розформовують і зберігають у воді (Т = 20±2 °С) протягом 27 діб.

Межа міцності при стиску у віці 28 діб. стандартного твердіння характеризує активність цементу. За міцністю цементи поділяються на:

  1.  високомарочні: М 650 і 600;
  2.  підвищеної міцності: М 500 ;
  3.  рядові  М 400 ;
  4.  низкомарочні: М 300 і нижче.

Міцність портландцементу наростає нерівномірно: на 3 добу вона досягає 40...50 % марки цементу, а на 7 добу 60...70 %. Далі ріст міцності цементу ще більше сповільнюється, і на 28 добу досягає марочної міцністі. Процес приросту міцності портландцементу підкоряється логарифмічному закону (рис. 6.1).

Рис. 6.1 - Схема зростання міцності цементу

Твердіння цементного каменю може відбуватися в широкому інтервалі температур:

  1.  нормальне твердіння (температура 15...20 °С);
  2.  пропарювання (температура 80...90 °С);
  3.  автоклавна обробка (температура 170....200 °С, тиск 0,8...1,2 МПа);
  4.  твердіння при негативних температурах.

Найбільш швидко ріст міцності цементного каменю відбувається при пропарюванні під тиском в автоклавах. Твердіння портландцементного каменю при негативних температурах не відбувається, тому що вода перетворюється в лід. Однак, за рахунок добавок CaCl2, NaCl або їхньої суміші твердіння відбувається.

Рівномірність зміни об'єму. Цементи при твердінні повинні мати рівномірні зміни об'єму. Нерівномірна зміна об'єму призводить не тільки до зниження міцності цементу і бетонів на їх основі при їхньому твердінні, але й до руйнування.

За ДСТУ рівномірність зміни об'єму визначається на зразках-плескачиках. Їх виготовляють з тіста нормальної гущини і через 24 години попереднього твердіння 3 години кип'ятять у воді. Зразки не повинні деформуватися й не допускаються радіальні тріщини (рис. 6.2).

Зразки, що витримали     Зразки, що не витримали

випробування        випробування

  а) нормальна б) тріщини    в)руйнування    г)радіальні тріщини

      зміна     всихання

Рис. 6.2 - Результати випробування цементів на рівномірність зміни об'єму

Нерівномірність зміни об'єму цементів може бути викликана:

- гідратацією вільного CaО, при вмісті його в клінкері 2 %;

- гідратацією вільного MgО , при вмісті  його >5 %;

- при підвищеному вмісті у клінкері С3А і при надлишкової кількості гіпсу в портландцементі при його помелі.

Структура цементного каменю

Портландцемент при повній гідратації при звичайній температурі хімічно зв'язує до 25-27 % води (по масі), а при твердінні протягом десятків років ступінь гідратації цементів не перевищує 80-90 %. Тому 30-50 % води, доданої в цементне тісто, лише частково хімічно взаємодіє із цементом і входить у тверду фазу. Кількість хімічно зв'язаної води, видаляє не після просушування при 105 °С, становить 10-15 % маси цементу.

Основна маса новоутворень при взаємодії цементу з водою виникає у вигляді гелевидних мас, що складаються переважно із кристалічних часточок гідросилікатів кальцію. У гелевидній масі розміщуються також цементні зерна, що не прореагували, й великі кристали гідроксиду кальцію.

Таким чином, цементне тісто являє собою спочатку пластичну суміш клінкерних часточок, води й невеликої кількості залученого повітря, у результаті твердіння перетворюється в міцний цементний камінь, що характеризується капілярно-пористою будовою.

Цементний камінь являє собою:

  1.  Клінкерні зерна, що не прореагували, вміст яких із часом зменшується ;
  2.  Гель, що складається із часточок новоутворень розміром від 5-20·10-3 мкм до 1·10-2 мкм. Обсяг пор при твердінні цементу в нормальних умовах становить приблизно 0,28 загального обсягу гелю з порами;
  3.  Великі кристали гідроксиду кальцію й інших новоутворень, видимих у мікроскоп;
  4.  Капілярні пори розміром від 0,1 до 20 мкм;
  5.  Сферичні повітряні пори розміром від 50-100 мкм до 2 мм: вони утворюються внаслідок залучення повітря при виготовленні тіста (2-5 %).

Приведена структура цементного каменю дозволила В.Н. Юнгу образно назвати цементний камінь - "мікробетон ".

Обсяги непрореагувавшої частини цементу, гелевидних і капілярних пор у значних межах змінюються під час твердіння цементу.

На структуру значно впливає пористість цементного каменю. При приготуванні цементного тіста, розчину або бетону, води додають 40 – 70 % від маси цементу, тобто значно більше, ніж  хімічно зв'язується. Таким чином, більша частина води знаходиться у вільному стані і після випаровування утворює у затверділому камені безліч капілярних пор. Тому для одержання щільної структури цементного каменю необхідно вводити мінімально необхідну кількість води. У результаті підвищуються міцність і морозостійкість розчинів і бетонів.

Наявність пор так само приводить цементний камінь до вологісних деформацій. При зволоженні він розбухає, а при висушуванні дає усадку. Стиск й розтягнення, викликані зміною вологості навколишнього середовища, розхитують структуру цементного каменю й знижують міцність бетону. Ступінь вологісних деформацій залежить від співвідношення гелевидних і кристалічних фаз у цементному камені. Зі збільшенням останньої повітростійкість каменю підвищується.

Корозія цементного каменю в бетоні

Бетон в інженерних спорудах у процесі експлуатації може піддаватися агресивному впливу: прісних і морських вод, викидів різних хімічних підприємств, дії води й морозу, поперемінному зволоженню й висушуванню. Серед компонентів бетону цементний камінь найбільш піддається розвитку корозійних процесів.

У наш час основні роботи з корозії бетону були проведини під керівництвом В.М. Москвіна, В.І. Бабушкіна й ін.

Б.М. Москвін розділяє корозійні процеси, що виникають у цементних бетонах під дією рідкого середовища, на три групи:

Перша група – (корозія I виду) - руйнування цементного каменю в результаті розчинення й вимивання деяких його складових частин. Охороняє від цього виду корозії захисна кірка з вуглекислого кальцію

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O

Друга група (корозія II виду) - процеси, що розвиваються в бетоні під дією вод, що містять речовини, які взаємодіють із компонентами цементного каменю з утворенням легкорозчинних сполук, і таких, що вимиваються водою.

Третя група (корозія III виду) – процеси, при яких у порах і капілярах цементного каменю за рахунок обмінної реакції з його компонентами кристалізуються речовини, що викликають внутрішні напруження й призводять до руйнування.

Звичайно на бетонні конструкції одночасно впливають багато агресивних факторів, але один з них є основним. Найчастіше руйнування відбувається під дією корозії II виду. Корозію бетону під дією рідких середовищ поділяють на наступні:

1) Корозія вилуговування, що викликається розчиненням гідроксиду кальцію. У результаті вилуговування вміст Ca(OH)2 у бетоні знижується, що супроводжується порушенням структури і зменшенням щільності й міцності. При вмісті вапна менше 1,1 г/л починається розкладання 3CaО·2Si2О·3H2O з виділенням з нього гідроксиду кальцію.

Для надання цементному каменю стійкості проти вилуговування у прісних водах, у цемент в водять гідравлічні добавки.

2) Кислотна корозія виникає під дією різних неорганічних і органічних кислот, що вступають у хімічну взаємодію з гідроксидом кальцію, а також з іншими сполуками портландцементу. Залежно від концентрації кислоти й pH середовища вона може проходити з різною інтенсивністю. Бетон нормальної щільності починає руйнуватися при рH ≤ 6,5.

Захист від цього виду корозії полягає в застосуванні в конструкціях кислотостійких цементів.

3) Вуглекисла корозія розвивається під дією на цементний камінь і бетон води, що містить вуглекислий газ CO2. При цьому спочатку йде реакція між Ca(OH)2 і вуглекислотою з утворенням малорозчинного CaCO3, що відкладаючись у порах цементного каменю, ущільнює бетон. Подальший вплив H2CO3 на цемент приводить до утворення гідрокарбонату, що вимивається водою.

Тривала фільтрація води, що містить CO2, через бетон приводить до пошарового руйнування структури. Вуглекисла корозія впливає на бетон тим слабкіше, чим більше у водному розчині гідрокарбонатів кальцію й магнію.

4) Сульфоалюмінатна корозія - різновид сульфатної. Вона виникає при дії на портландцементний камінь і бетон вод, що містять більше 300 мг/л сульфатних іонів SO42- і іонів хлору менше 1000 мг/л. При більшому їхньому вмісті в розчинах ця корозія переходить у сульфоалюмінатну - гіпсову. Виготовлення бетону на сульфатостійкому портландцементі різко підвищує його стійкість проти дії цих речовин.

5) Магнезіальна корозія настає під дією на цементний камінь і бетон солей магнію, крім MgSO4. При цьому сіль магнію вступає у взаємодію з Ca(OH)2, у результаті утворюється розчинна кальцієва сіль, що вимивається водою, і погано розчинний Mg(OH)2, що відкладається у вигляді пухкої маси

Ca(OH)2 + MgCl2 = CaCl2 + Mg(OH)2

Сульфатно-магнезіальна корозія є наслідком впливу на цементний камінь сульфату магнію і протікає за схемою:

Ca(OH)2 + MgSO4 + H2O= CaSO4·2H2O + Mg(OH)2

Причиною руйнування бетонних конструкцій можуть бути також деякі гази, що містяться в атмосфері. До них належить сірчаний ангідрид, сірководень і ін. Для захисту цементного каменю застосовують багатошарові лакофарбові покриття.

6.3.3. Спеціальні види портландцементу

З метою надання портландцементу спеціальних властивостей, розширивши тим самим його застосування в будівництві, змінюють ступінь подрібнювання, корегують склад сировини, додають спеціальні добавки. Так, регулюючи тонкість помелу, впливають на швидкість твердіння, активність, тепловиділення. Введення мінеральних і органічних добавок дозволяє спрямовано змінювати властивості в'яжучого, заощаджувати витрату клінкера і т.д.

За речовинним складом і міцністю при стиску (на 28 добу) цементи загальнобудівельного призначення поділяють на такі типи і марки (ГОСТ 310.4, ДСТУ Б В 2.7. - 46-96):

Тип І – портландцемент (містить від 0 до 5 % мінеральних добавок), марки М 300, М 400, М 500, М 600.

Тип ІІ – портландцемент із мінеральними добавками (від 6 до 35 %) марок М 300,М 400, М 500, М 550, М 600.

Тип ІІІ – шлакопортландцемент (від 36 до 80 % доменного гранульованого шлаку), марки М 300, М 550, М 500.

Тип ІV – пуцолановий цемент (від 21 до 55 % мінеральних добавок), марки М 300, М 400, М 500.

Тип V – композиційний цемент (від 36 до 80 % мінеральних добавок, причому доменного шлаку – від 18 до 60 %, пуцолани – від 10 до 40 %), марки М 300, М 400, М 500.

Активні мінеральні добавки (АМД) - це речовини, що містять від 70 до 90 % кремнезему SiО2. До них належать такі осадові породи, як опока, діатоміт, трепел, вулканічний туф, попіл, пемза. Ці добавки одержали назву пуцоланові. Вони беруть участь у реакціях гідратації портландцементу з утворенням продукту взаємодії, що надає визначені властивості цементному каменю.

У якості штучних мінеральних добавок до складу цементу вводять паливні шлаки, що являють собою слабко закристалізоване скло. Шлаки мають високу хімічну активність, особливо при підвищених температурах. З використанням АМД одержують наступні види цементу:

Пуцолановий портландцемент (ППЦ) одержують у результаті часткової заміни клінкера активними мінеральними добавками (діатоміт, трепел, опока), вміст яких повинен бути не менше 20 % і не більше 30 %. Бетони на основі пуцоланового цементу внаслідок вмісту АМД стійкі до вилуговування, сульфатостійкі й застосовуються для будівництва підводних і підземних частин будівель, що постійно знаходяться у вологих умовах. На повітрі бетон на ППЦ дає більшу усадку, знижує свою міцність, має низьку морозостійкість, у нормальних умовах твердіє повільно, тому не рекомендується для зимового бетонування.

Щлакопортландцемент (ШПЦ) (ДСТУ Б В 2.7.- 46-96) одержують введенням на стадії помелу клінкера гранульованого доменного шлаку в кількості понад 20 %. Цей вид цементу, як і пуцолановий, має підвищену водо- і сульфатостійкість, знижену інтенсивність твердіння, але специфіка складу шлаку визначає і його властивості. Так, хімічна активність шлаку в ШПЦ при підвищенні температури широко використовується при виготовленні збірного залізобетону, що піддається термовологісній обробці з метою прискорення твердіння. Шлак термостійкий, тому ШПЦ застосовують для виробництва жаростійких бетонів, що працюють при температурі до 700 оС.

Гіпсоцементнопуцоланове в'яжуче (ГЦПВ) одержують змішуванням напівводяного гіпсу (50-75 %), портландцементу (15-25 %) і АМД 10-25 %). Роль АМД у ГЦПВ полягає в забезпеченні стабільності затверділого в'яжучого. Портландцемент не рекомендується змішувати з гіпсом для запобігання нестійкості матеріалу, деформації і його руйнування. АМД немовби послаблює внутрішні напруження в камені ГЦПВ і забезпечує стійкість у часі. Застосовують у заводському виробництві санітарно-технічних кабін, стінових панелей та ін.

Швидкотверднучий портландцемент (ШТЦ) – портландцемент з АМД, що характеризується інтенсивним набором міцності в початкові терміни твердіння. Вже в тридобовому віці цементний камінь має більше половини своєї марочної міцності. Зазначена особливість ПЦ-Б забезпечується вмістом у клінкері 3СаО·Al2О3 + 3СаО·SiО2 звичайно не менше 60-65 %, підвищеною тонкістю помелу до питомої поверхні 3500 – 4000 см2/м. Різновидністю БТЦ є особливо швидкотверднучий і надшвидкотверднучий цементи. Останній дає ранню міцність вже у віці 1-4 год, достатню для розпалубки виробу. Ці види цементів застосовують для зведення будівель з монолітного бетону, при авральних і зимових бетонних роботах, при ремонтних і відновлювальних роботах, де потрібне швидке наростання міцності.

Поверхнево-активні добавки (ПАД)

Основний принцип дії добавок цього виду полягає в їхній адсорбції на поверхні цементних зерен і продуктах гідратації цементу. ПАД можна розділити на:

  1.  гідрофільні (ЛСТ – лігносульфонати кальцію, СДБ), що поліпшують змочуваність водою цементних зерен;
  2.   гідрофобні (милонафти, асидол, асідолмилонафти, синтетичні жирні кислоти і їхні солі), що надають поверхні цементу властивість водовідштовхування.

До ПАД відносять також суперпластифікатори (С-3, СНПІ), введення яких при помелі клінкера дає можливість знизити водопотребу цементу.

З використанням ПАД одержують такі види портландцементу:

- пластифікований (ПЛ) портландцемент, виготовляють шляхом введення при помелі клінкера 0,15-0,25 % ЛСТ. Бетонні й розчинні суміші на основі ПЛ мають підвищену рухливість. Бетони на основі ПЛ мають підвищену морозостійкість і водонепроникність. Застосування ПЛ дає можливість знизити  водопотребу й тим самим знизити витрати цементу на 10-15 %. Застосовується в дорожньому, аеродромному і гідротехнічному будівництві;

- гідрофобний портландцемент (ПЦ-ГФ) одержують введенням при помелі клінкера гідрофобізуючих добавок 0,05–0,3 %, які теж підвищують рухливість і понижують його гігроскопічність, що, у свою чергу, приводить до підвищення водостійкості, водонепроникності і морозостійкості бетонів. Застосовують у гідротехнічному, дорожньому і аеродромному будівництві.

- в'яжуче низької водопотреби (ВНВ) одержують спільним помелом портландцементного клінкера із суперпластифікатором, що дозволяє отримати питому поверхню цементу 4500-5000 см2/м. Зазначена тонкість помелу забезпечує підвищену реакційну здатність ВНВ. Введення органічної добавки знижує водопотребу в'яжучого до 18-15 %, сповільнює початок тужавлення до 6..7 год, забезпечує швидкий ріст міцності в ранні строки твердіння. Рекомендується застосовувати для виготовлення високоміцних бетонів, тому що морозостійкість ВНВ лежить у межах 700-1000 кг/см2.

До спеціальних видів портландцементу відносять:

- сульфатостійкий портландцемент (ССПЦ), одержуваний на основі клінкера, що містить не більше 50 % С3S, 5 % С3А і 22 % С3А + С4АF. Знижений вміст трикальцієвого алюмінату забезпечує стійкість бетонів на основі ССПЦ до дії сульфатної корозії і підвищує морозостійкість. На стадії помелу цементного клінкера крім гіпсу іноді вводяться пластифікуючі й гідрофобізуючі добавки з метою підвищення морозостійкості.

- білий і кольоровий цементи одержують шляхом випалу чистих вапняків і білих глин. У сировинних матеріалах не повинні міститися оксиди заліза і марганцю, оскільки їхня навіть незначна присутність надає цементу зеленувато-сірий колір. Домішують до білого цементу лугостійкі мінеральні й органічні пігменти;

- глиноземистий цемент - це гідравлічне, швидкотверднуче в'яжуче, яке одержують із сировинних матеріалів з високим вмістом глинозему Аl2О3. Для мінералогічного складу глиноземистого цементу характерний переважний вміст низькоосновних алюмінатів кальцію, головним з яких є моноалюмінат СаО·Аl2О3. Саме ця група мінералів визначає надзвичайно швидке твердіння цементу. Вже в тридобовому віці цементний камінь має міцність від 400 до 600 кг/см2. Глиноземистий цемент не застосовують для бетонування масивних конструкцій, його твердіння  можливе тільки при помірних температурах не вище 25 оС. Бетони на глиноземистому цементі водонепроникні, морозостійкі, стійкі в умовах прісних і сульфатних вод. Застосовують при термінових ремонтних роботах, провадженні робіт у зимових умовах, для бетонних і залізобетонних споруд, що піддаються дії сильно мінералізованих вод, для одержання жароміцних бетонів, для виготовлення безусадових цементів.

Контрольні запитання

  1.  Що ви знаєте про повітряні й гідравлічні в'яжучі матеріали?
  2.  Розповісти про міцність і швидкість твердіння в'яжучих.
  3.  Які сировинні матеріали використовують для виробництва неорганічних в'яжучих?
  4.  За якими показниками проводять маркування гіпсових й вапняних в'яжучих?
  5.  Як отримують повітряне вапно, які існують його різновиди?
  6.  Як отримують гіпсові в'яжучі?
  7.  Які мінерали складають цементний клінкер?
  8.  Назвіть активні мінеральні добавки, які використовують у виробництві цементів?
  9.  У чому розходження гідравлічного і повітряного вапна?
  10.   Розповісти про виробництво портландцементу.
  11.   Як визначають марку і активність портландцементу?
  12.   Розповісти про різновиди портландцементу.

Розділ 7. ШТУЧНІ МАТЕРІАЛИ Й ВИРОБИ НА ОСНОВІ МІНЕРАЛЬНИХ В’ЯЖУЧИХ РЕЧОВИН

7.1 Матеріали й вироби на основі портландцементу

Вироби бетонні стінові дрібноштучні (ДСТУ БВ 2.7.-7-94) поділяють на цеглу, каміння і блоки повнотілі й порожнисті, рядові й лицьові. Виготовляють ці вироби вібраційним методом або вібропресуванням.

За середньою густиною вироби поділяють на:

- легкі (середня густина до 1400 кг/м3);

- полегшені (середня густина 1400...1650 кг/м3);

- важкі (середня густина більше 1650 кг/м3).

За міцністю при стиску вироби поділяють на марки: М10; М15; М25; М35; М50; М75; М100; М125; М200.

За морозостійкістю бетонні дрібноштучні вироби поділяють на марки: F15;F25;F35; F50.

Плити бетонні тротуарні (ГОСТ 17608) виготовляють із важкого й дрібнозернистого бетонів, застосовують для влаштування збірних покриттів тротуарів, пішохідних зон, садово-паркових доріжок. Плити мають різну форму: прямокутну, квадратну, фігурну. Для виготовлення плит застосовують бетон класів В22,5; В25; В30; В35. Основними показниками  якості бетонних тротуарних плит є опір стиранняю (не більше 0,6 г/см2), водопоглинення (не вище 5 %) та морозостійкість (F100; F150; F200).

Фігурні елементи брукування (ФЕБ) (ГОСТ 17608) для дорожніх покриттів мають різноманітну форму і колір, що розширює дизайнерські можливості при втіленні нових архітектурних рішень. Фігурні елементи отримують за технологією лиття або об’ємного вібропресування.

Декоративні фасадні плитки (ГОСТ 6927) виготовляють на основі екологічно чистих модифікованих бетонних сумішей. До складу суміші входять білий цемент, пластифікатори, барвники, дрібний декоративний заповнювач. Плитку можна застосовувати одночасно з утеплювачем, вона у 5 разів легша за цеглу, вигідна при доставці та складуванні. Технологія виготовлення дозволяє одержувати плитки для фасадів, що імітують натуральний камінь, а за різноманітністю фактур, кольорів та відтінків переважають його. Під час експлуатації така плитка захищає споруди від дії атмосфери, вогню, грибкових уражень.

Черепиця бетонна (ДСТУ БВ 2.7.-6-94) випускається із дрібнозернистого бетону хвилястою, плоскою, гребеневою. Для виготовлення бетонної суміші застосовують поряд із звичайним, білим та кольоровим портландцементами також шлаколужні. Кольорову черепицю отримують з використанням барвників: оксиду хрому, залізного сурика.

  83

Бетонну черепицю використовують для покрівель житлових, громадських та виробничих будівель з кутом нахилу від 15 до 900.

Довговічність даху з бетонної черепиці становить близько 100 років. Недоліком бетонної черепиці є відносно велика маса: 1м2 покриття важить 40...50 кг.

При виготовленні кольорової черепиці як барвник застосовують сурик залізний, оксид хрому та органічні пігменти у визначеній кількості для надання червоного, зеленого та інших кольорів.

Для підвищення декоративності забарвлення черепиці може виконуватися по усьому об'єму або нанесенням під тиском на поверхню відформованого виробу одного цементного шару чи декількох, що містять гранулят на основі кольорового піску та полімерних емульсій (рис. 7.1)..

Рис.7.1. Різновиди бетонних елементів брукування

Черепицю виготовляють прокатуванням, пресуванням, екструзією, вібропресуванням та іншими способами. На цей час найширше використовують прес-прокатну технологію або вібропресування. Прес-прокатна технологія передбачає формування на стрічці, що складається з фігурних піддонів і безперервно рухається. При формуванні верхній шар суміші додатково ущільнюють валиком. Тепловолога обробка виконується на піддонах.

7.2. Залізобетон

Залізобетон – це композиційний будівельний матеріал, в якому вдало сполучається робота бетонної матриці і сталевої арматури.

Винаходу залізобетону передувало відкриття цементу. Змішаний у певних пропорціях з гравієм, піском і водою, цемент утворював бетон, який у першій половині ХІX ст. став досить розповсюдженим матеріалом. Конструкції з бетону мали високу міцність на стиск, вогнестійкість, водостійкість, твердість, але, як і будь-який камінь, погано витримували навантаження на вигин чи розтягання. Основним матеріалом для несучих конструкцій служило залізо у вигляді різного роду кутків і смуг. На відміну від бетонних, металеві конструкції добре витримували розтяг і вигин, але на відкритому повітрі корродували. У кінці ХІХ ст. стала відчуватися велика потреба в новому будівельному матеріалі, що сполучив би в собі переваги заліза і бетону, але не мав би їхніх недоліків.

Винахід залізобетону пов'язують з ім'ям француза Жозефа Моньє, який у 1867 р. отримав свій перший патент на переносні садові діжки із заліза і цементного розчину. У 1869 р. він зробив патентну заявку на залізоцементні плити і перегородки. Широке застосування залізобетону в Європі стало можливе завдяки німецькому інженеру Вайсу, який викупив патенти Моньє, продовжив дослідження і правильно розташував арматуру в нижню зону виробу. Винахід залізобетону зробив справжню революцію в будівництві, дозволив ліквідувати безліч ускладнень, які до цього здавалися нездоланними.

Універсальність залізобетонної конструкції забезпечують такі фактори:

  1.  бетон добре працює на стиск, але погано витримує розтяг;
  2.  арматура компенсує зазначений недолік бетону, знаходячись у розтягнутій зоні, і конструкція сприймає напруження, що розтягують (рис. 7.2);
  3.  бетон захищає сталеву арматуру від корозії і дії високих температур;
  4.  спільній дії сталевої арматури і бетону сприяє добре зчеплення на межі розділу;
  5.  коефіцієнти температурного розширення бетону і сталі приблизно однакові.

Рис. 7.2. - Неармована бетонна (а) і армована залізобетонна (б) балка;

1 – арматура.

За видом армування залізобетонні конструкції поділяють на: зі звичайним та попередньо напруженим армуванням.

Використання попередньо напружених залізобетонних конструкцій більш ефективне, тому що дозволяє знизити масу конструкції, повніше використовувати несучу здатність складових елементів, підвищує тріщиностійкість і довговічність композиції. У балках зі звичайного залізобетону під дією навантажень бетон розтягується разом з арматурою, в ньому з'являються дрібні тріщини, що відкривають доступ для вологи до арматурної сталі. Дія вологи може призвести до корозії й руйнування арматури. Якщо ж сталеву арматуру до укладання в опалубку бетонної суміші розтягти, а потім, після затвердіння бетону, відпустити, то арматура, прагнучи повернутися в первісне положення, створить навантаження, що обтискає бетон. Виникаючі в такій конструкції під дією зовнішніх сил напруження, що розтягують, не приведуть до утворення небезпечних тріщин у бетоні. Розрізняють два основних види залізобетонних конструкцій з попереднім напруженням: з натягом арматури до і після бетонування. У першому випадку арматуру попередньо розтягують і кінці її закріплюють на упорах ферми, потім укладають бетонну суміш. Після того як бетонна суміш затверділа, кінці арматурних стрижнів звільняють від упорів. Другий спосіб передбачає виготовлення залізобетонних конструкцій з поздовжніми каналами, через які пропускають арматурні стрижні, потім їх розтягують і закріплюють на торцях конструкції. Канали заповнюють цементним розчином з метою захисту сталевої арматури від корозії.

За способом виготовлення залізобетонні конструкції розрізняють монолітні і збірні.

Монолітні залізобетонні конструкції зводять безпосередньо на будівельних майданчиках. Особливістю технології виготовлення монолітного залізобетону є те, що основні технологічні операції (монтаж опалубки, укладання арматури і бетонної суміші в опалубку, ущільнення, твердіння) здійснюються на місці проведення будівельних робіт. Звичайно їх застосовують при нестандартності й малій повторюваності елементів споруди, для зведення гідротехнічних, промислових, транспортних споруд. З використанням монолітного залізобетону можлива реалізація різноманітних архітектурних і конструктивних рішень будинків і споруд.

Збірні залізобетонні конструкції виготовляють на спеціалізованих заводах (ЗБК, ДБК), оснащених стаціонарними технологічними лініями з урахуванням специфіки конструкції. Перевагою збірного залізобетону порівняно з монолітним, є істотне підвищення продуктивності праці і якості будівництва, скорочення його, в тому числі за рахунок використання великорозмірних виробів та елементів конструкцій повної заводської готовності. Найбільш широке застосування одержали наступні способи виробництва: поточно-агрегатний, поточно-конвеєрний і стаціонарний, який поділяють на стендовий і касетний.

Поточно-агрегатний спосіб передбачає виготовлення виробів у формах, переміщуваних по окремих технологічних постах за допомогою піднімального крана. Цей спосіб кращий при дрібносерійному виробництві конструкцій довжиною до 12 м, шириною до 3 м і висотою до 1 м, складних за технологією виконання: багатошарових стінових панелей, плит покриттів;

Конвеєрний – забезпечує високу механізацію і продуктивність праці, тому що вироби виготовляють методом неперервного формування. Технологічна лінія являє собою металеву стрічку, що рухається, на якій від одного технологічного поста до іншого переміщується форма з бетонною сумішшю. Швидкість руху стрічки визначається самим тривалим процесом – тепловою обробкою і складає близько 25 м/год. Раціональна область застосування цієї технологічної лінії – виготовлення найпростіших, плоских виробів одного виду: панелей перекриттів, покриттів і внутрішніх перегородок, аеродромних і дорожніх плит.

При стендовому способі вироби формують у стаціонарних, непереміщуваних формах, твердіють вони на місці формування. Його доцільно використовувати для виготовлення таких великорозмірних виробів, як ферми, перенапружені великорозмірні балки.

За касетною технологією виготовляють плити перекриттів, панелі внутрішніх стін і перегородок. Формування і твердіння виробів відбувається у вертикальній формі-касеті, що складається з ряду відсіків, утворених сталевими вертикальними стінками, постаченими паровими сорочками для прогріву бетонних виробів. Перевагою цього методу є скорочення виробничих площ.

Класифікація залежно від форми і розмірів виробів з залізобетону:

  1.  лінійні – колони, ригелі, балки, прогони, палі, ферми;
  2.  площинні – плити покриттів та перекриттів, панелі стін і перегородок;
  3.  блокові – блоки фундаментів, стіни підвалів;
  4.  просторові – санітарні кабіни, елементи шахти ліфтів, кільця колодязів тощо.

Для фундаментів і підземних частин будівель використовують фундаментні блоки, плити, балки, панелі тощо.

Фундаментні блоки – це прямокутні паралелепіпеди з важкого бетону класу В 10. Довжина блоків досягає 3 м, товщина 40...60 см, висота 60 см.

Блоки стін підвалу – суцільні й порожнисті – виконують з важкого бетону класів В 7,5 і В 10 у вигляді паралелепіпедів прямокутної форми з розмірами: довжина – до 2,5 м, товщина – 50 см і висота – 70 см.

До виробів для каркасів будівель належать колони і горизонтальні в’язі- ригелі й прогони, якими з’єднують між собою колони, зварюючи закладні металеві деталі. Ці вироби виготовляють з важкого бетону класів В15...В40.

Стінові панелі поділяють на:

  1.  панелі для зовнішніх стін неопалювальних будівель із важких та легких бетонів класу В15 й вище;
  2.  для опалювальних будівель – одношарові з легких або ніздрюватих бетонів і шаруваті з важкого бетону з теплоізоляційним прошарком;
  3.  для внутрішніх стін, виготовлені з важкого чи легкого бетону класу не нижче ніж В10;
  4.  панелі перегородок, армовані й неармовані – з різних видів бетону.

Панелі зовнішніх стін житлових будівель можуть бути завдовжки 3600 і 7200 мм (на одну чи дві кімнати), висотою 2900 мм, товщиною 400 мм, масою 4 і 8 т відповідно.

Стінові блоки виконують суцільними й з внутрішніми пустотами з легкого бетону. Блоки мають конструктивну та монтажну арматуру і застосовуються для зовнішніх і внутрішніх стін.

Вироби для міжповерхових перекриттів – настили й панелі перекриттів (шириною на всю кімнату звичайно називають панелями, а вузькі – плитами). Можуть бути з порожнистих і суцільних ребристих плит. Порожнисті плити перекриттів виготовляють з круглими і овальними пустотами, довжиною 6, 9 та 12 м, шириною 2, 4 або 1,5 м, товщиною 55 або 30 см. Плити виготовляють з важкого бетону класів В15...В25.

Для промислових будівель застосовують вироби, аналогічні за номенклатурою виробам для цивільних будівель, проте вони відрізняються розмірами, армуванням та конфігурацією. До них відносять: фундаменти під колони, вироби для каркасів будівель, колони, підкранові балки, балки покриттів, ферми та арки, оболонки.

Вироби для інженерних споруд широко застосовують у транспортному, сільськогосподарському, гідротехнічному та інших видах будівництва. Це мостові конструкції, опори мереж електрифікації залізниць, шпали, тюбінги, плити покриттів доріг та аеродромів, силосні ями, траншеї, водоводи і т д.

Технологія виготовлення збірних і монолітних залізобетонних конструкцій складається з наступних основних технологічних етапів: вхідний контроль якості усіх використовуваних матеріалів, розрахунки складу бетонної суміші, приготування бетонної суміші, армування, укладання бетонної суміші і її формування, твердіння, розпалубка форми і підготування готового виробу.

Розрахунок складу бетонної суміші проводять з урахуванням умов експлуатації майбутніх конструкцій, виходячи з фактичних характеристик матеріалів, проектованого класу бетону, способу ущільнення бетонної суміші і щільності армування. Правильність розрахунків перевіряють у лабораторних умовах шляхом виготовлення дослідних зразків з наступним контролем міцності.

Приготування бетонної суміші здійснюють в бетонозмішувачах із примусовим і гравітаційним змішуванням. Складові майбутнього бетону згідно з розрахунками, точно зважуються і дозуються. Перемішування в змішувачі бетонної суміші забезпечує її однорідність. Гравітаційні змішувачі, що працюють за принципом вільного падіння матеріалу, який перемішується, застосовують для одержання рухомих бетонних сумішей. При обертанні барабана такого змішувача відбувається багаторазовий підйом і скидання матеріалу з деякої висоти. Перемішування твердих сумішей здійснюється в змішувачах примусової дії. Більш ефективне перемішування досягається в цьому випадку за рахунок використання обертових лопат.

7.3. Азбестоцементні вироби й конструкції

Азбестоцемент штучний композиційний кам'яний будівельний матеріал, отриманий у результаті затвердіння суміші, що складається з цементу, азбесту (10-20 % від маси цементу) і води.

До основних показників якості азбестоцементних виробів належать: висока міцність, вогнестійкість, довговічність, мала водопроникність, теплопровідність і електропровідність.

Початок промислового виробництва азбестоцементних виробів пов'язаний з ім'ям чеського винахідника Людвіга Гачека, який вмістивши в паперновиробну машину масу, що складається з азбесту, цементу і води, вперше одержав новий будівельний матеріал. Зазначена подія відноситься до початку XX ст. У Росії азбестоцементне виробництво було організовано в 1908 р. у м. Брянську.

     Сировинними  матеріалами для виготовлення азбестоцементних виробів є:

- Портландцемент, який в азбестоцементній композиції виконує функції в'яжучого. Застосовують портландцемент марок 400 і 500, а також піщанистий портландцемент (якщо твердіння виробу здійснюється в автоклаві), білий і кольоровий цементи (якщо виріб має декоративне призначення).

До мінералогічного складу цементу, з метою підвищення морозостійкості виробів, ставляться вимоги, що обмежують вміст трикальцієвого алюмінату до 8 %. Перевага віддається алітовому цементу (вміст трикальцієвого силікату не менше 52 %).

Піщанистий цемент одержують спільним помелом портландцементного клінкера, гіпсу і кварцового піску (45 %). В'яжучі матеріали, що застосовуються для виробництва азбестоцементу, повинні мати велику питому поверхню (2900-3600 см/г).

- Азбест (від грець. asbestos – що не руйнується) – природний тонковолокнистий матеріал, що складається з водяних чи безводних силікатів магнію. Утворився в результаті дії геотермальних вод на основні магматичні гірські породи. 95 % світового видобутку азбесту приходиться на хризотил-азбест – гідросилікат магнію 3MgО·2SiО2·2H2O. Елементарні кристали хризотил-азбесту – найтонші трубочки діаметром у сотих частки мікрометрів до механічної обробки і 10…100 мкм – після розпушки.

Хризотиловий азбест має високу адсорбційну здатність, тому його волокна добре зчіплюються з цементним в'яжучим. Крім високої міцності на розрив (600-800 МПа, що порівняне з кращими марками сталі), азбест має унікальне поєднання цінних властивостей: низьку теплопровідність (0,35…0,41 Вт/м·0С), стійкість до підвищених температур (нагрів до 400…500 0С), високий коефіцієнт тертя. Введення гнучких волокон у цемент (10-20 %) дозволяє в 3-5 разів збільшити міцність цементного каменю при розтяганні, а також стійкість до ударних впливів. Товарний азбест виробляють 8-ми сортів (від 0 до 7) і 42 марок. Сорт азбесту тим вище, чим більше середня довжина волокна.

Азбестоцемент при порівняно невеликій густині (1600…2000 кг/м3) має високі міцнісні показники (межа міцності при вигині до 30 МПа, при розтяганні – до 90 МПа). Він довговічний, морозостійкий (більше 50 циклів) і практично водонепроникний.

До недоліків слід віднести крихкість, набрякання і усадку при зміні вологості азбестоцементу, що супроводжується коробленням.

Виготовлення азбестоцементних виробів. Залежно від витрати води, використовуваної для приготування азбестоцементної суміші, розрізняють три способи виготовлення азбестоцементних виробів:

- мокрий, при якому виріб формують із суспензії азбесто-цементу (8-16 %) і води (92-84 %);

- напівсухий, при якому  виріб одержують з концентрованої маси із вмістом води 20-40 %;

- сухий, при якому виріб виготовляють зі зволоженої азбестоцементної суміші з вмістом води 12-16 %.

Технологія виготовлення азбестоцементних виробів включає наступні технологічні операції: приготування шихти азбесту, розпушування азбесту, змішування його з цементом і водою, формування виробів, їхнє твердіння, механічна обробка виробів.

Приготування шихти являє собою змішання декількох сортів азбесту (3, 4, 5 і 6 сортів з довжиною волокон від 0,3 до 10 мм) для забезпечення високої щільності і водоутримучої здатності азбестоцементної маси. Залежно від способу виробництво здійснюється в різних пристроях. При мокрому способі виробництва – у турбозмішувачах, при сухому і напівсухому – спочатку в змішувачі сухих компонентів, потім у бетонозмішувачі циклічної дії.

Розпушування азбесту здійснюється в гідророзпушувачах чи голендерах при мокрому способі, в дезінтеграторах при всіх способах виробництва. Зазначена технологічна операція необхідна для розщеплення азбесту на окремі волокна.

Формування азбестоцементних виробів полягає у відфільтруванні води з азбестоцементної маси до необхідного ущільнення і надання їй заданих форм і розмірів (пласких чи хвилястих) шляхом пресування на пресах і безпрокладочних хвильоровщиках.

Твердіння азбестоцементних виробів проводять у дві стадії. Перша стадія (попереднє твердіння) забезпечує подальше внутрішньозаводське транспортування виробів. Її тривалість – 6-8 годин. Виріб набирає міцність у пропарювальних камерах при температурі 50-60 0С. Друга стадія (остаточне твердіння) виконується у закритих приміщеннях (теплих складах) протягом 7 діб, якщо виріб виконаний на портландцементі, і в автоклавах, якщо для виготовлення застосовувався піщанистий цемент.

Механічна обробка являє собою обрізку крайок листів, обрізку труб по торцях, обточування кінців і т.д. Ці види обробки виконують після остаточного твердіння виробів.

Залежно від призначення азбестоцементні вироби поділяють на: покрівельні, стінові, декоративні, погонажні, спеціальні;

Хвилясті покрівельні листи (шифер) (ДСТУ Б В 2.7.-53-96) – основний вид листових азбестоцементних виробів. У загальному обсязі виробництва покрівельних матеріалів складає 50 %. Покрівельні листи випускають 6 типорозмірів: довжиною – 1,2...2…2,5 м; шириною 0,69...1…1,15 м; товщиною 5,5...7…7,5 мм. Довговічність шиферної покрівлі – 50 років.

Хвилясті азбестоцементні листи (ДСТУ Б В.2.7-53-96) і деталі до них призначені для влаштування покрівель і стінових огорож будівель та споруд.

За формою поперечного перерізу (профілю) хвилясті листи виготовляють двох видів, що визначаються висотою та кроком хвилі і позначаються 40/150 та 54/200 (в чисельнику вказана висота (А), а в знаменнику (S) — крок хвилі в мм) (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Форма поперечного перерізу хвилястого азбестоцементного листа: В — ширина; S — крок хвилі; h — висота).

Листи можуть бути багатохвильовими. При цьому нормуються показники розмірів довжини (1750 мм), ширини (для листа 6-хвильового 54/200 — 1125 мм, для листа 7-хвильового 40/150 - 980 мм, 8-хвильового 40/150 - 1130 мм) та товщини листа (5,8; 6,0; 7,5 мм), а також висота хвилі рядової того листа, що перекриває (40, 54 мм) та того, що перекривається (32, 45 мм). Комплектуючі деталі можуть бути гребеневими, рівнобічними кутовими та лотковими.

Листи можуть випускатись пофарбованими і тоді оцінюється рівномірність фарбування поверхні, яка повинна бути без висолів та плям, помітних на відстані 10 м.

Фізико-механічні показники листів та деталей повинні відповідати вимогам, які наведені в табл. 7.1.

Таблиця 7.1

Характеристика хвилястих азбестоцементних листів та деталей

Найменування

показника

Значення

для листів профілю

для деталей

40/150

54/200 товщиною, мм

6,0

7,5

Зосереджене навантаження, кН (кгс), не менше

1,5(150)

2,2 (220)

-

Границя міцності при вигині, МПа (ктс/см2), не менше

16,0 (160)

16,5(165)

19,0(190)

16,0(160)

Середня густина, (кг/м3), не менше

1600

1650

1700

1600

Ударна в'язкість, кДж/м2

1,5(1,5)

1,6(1,6)

1,5 0,5)

Водонепроникність, год, не менше

24

-

Морозостійкість:

  1.  кількість циклів без помітних ознак руйнування;
  2.  залишкова міцність, %,

не менше

25

50

25

90

Листи 40/150 8- та 7- хвильові призначені для влаштування горищних покрівель і стінових огорож житлових, громадських та сільськогосподарських будівель. Листи 54/200 товщиною 6 мм призначені також і для виробничих будівель. Листи 54/200 товщиною 7,5 мм призначені для влаштування безгорищних покрівель і стінових огорож виробничих будівель та споруд.

В деяких країнах, наприклад в Росії, випускається більш широка номенклатура хвилястих виробів, у тому числі розрізняють хвилясті листи: ВО — звичайного профілю (низький профіль), ВС - середнього профілю, ВП - підсиленого, ВУ - уніфікованого, СЕ — середньоєвропейського профілю, які належать до високого профілю. Відношення внутрішнього радіуса хвилі до товщини листа називають показником технологічності профілю. Листи ВО тривалий час застосовували для покрівель житлових та громадських будівель, а листи ВП — для покрівель стінових огороджень у промисловому будівництві.

Останнім часом освоєно виробництво великорозмірних хвилястих листів ВУ та ВС для всіх галузей будівництва. Застосування зазначених листів замість малорозмірних знижує трудомісткість монтажу на 25 %, витрати деревини на 20 % і азбестоцементу на 7 %, а також зменшує схил покрівлі з 1:3 до 1:6.

Розроблені нові типи великорозмірних хвилястих листів для перекриття прогонів до 9 м (лист «конструкція»). Ці листи можуть армуватися сталевою арматурою і призначені для покрівель промислових та сільськогосподарських будівель і споруд (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Поперечний переріз азбестоцементного армованого настилу.

Азбестоцементі плоскі плити (ДСТУ Б В 2.7-52-96) призначені для виготовлення і облицювання будівельних конструкцій. Випускають розмірами: довжина – 3600, 3000, 2500 мм; ширина – 1500, 1200 мм; товщина – 10, 8, 6 мм.

Панелі (плити) азбестоцементні тришарові з обшивками із плоских азбестоцементних листів з утеплювачем із пінопласту (ГОСТ 24581).

Застосовують для стін, покриттів і підвісних стель виробничих будівель, які експлуатуються в неагресивних і слабкоагресивних середовищах. Довжина панелей досягає 6000 мм, ширина – до 1500, товщина змінюється від 60 до 200 мм.

Екструзійні панелі застосовують для пристрою безгорищних покриттів промислових будинків під рулонну покрівлю. Панелі мають ширину 595 мм, довжину 3000 мм для покриттів, 3000 і 6000 мм для стін і перегородок, висоту – 120 мм для покриттів і стін, 60 та 80 мм для перегородок.

До погонажних азбестоцементних виробів відносять швелери, підвіконні плити, зливи.

Азбестоцементні труби – перспективний вид труб найширшого  призначення, що має ряд цінних властивостей. Вони не піддаються корозії, як метал, значно легше його і не схильні до обростання. Випускають безнапірні й напірні труби, що відрізняються товщиною і міцнісними показниками. Безнапірні труби (діаметр 100 і 150 мм, довжина – 3...6…6 м) застосовують для ненапірних каналізацій, димоходів, при прокладці кабелів, дренажних колекторів, нафто- і газопроводів. Напірні труби (діаметр 100…100 мм, довжина-1,5...6…6 м) використовують для водо- і газопостачання, вентиляції, колодязів і сміттєпроводів. Такі труби особливо ефективні для прокладки теплотрас.

7.4. Матеріали й вироби на основі вапняних в’яжучих речовин

Силікатна цегла (ДСТУ Б В 2.7.-80-98). При виготовленні силікатної цегли, як вихідну сировину застосовують вапно, кварцовий пісок, який виконує функції дрібного заповнювача і в’яжучої речовини. При виробництві перемішана зволожена суміш цих матеріалів находить до силосів, де її витримують до повного гашення вапна протягом 1...4 год. Пресування виробів відбувається на гідравлічних пресах під тиском 15...20 МПа із формувальної суміші (вологість 5...9 %), що містить 92...94 % кварцового піску і 6...8 % повітряного вапна. Твердіння відформованих виробів відбувається у середовищі насиченої водяної пари в автоклавах при тиску 0,8...1,6 МПа і температурі 175...200 0С (рис. 7.5). Увесь цикл автоклавної обробки становить 8...12 год.

Рис. 7.5. Автоклави: а — тупиковий; б — прохідний

1 — кришка; 2 — механізм для підіймання й опускання кришки; 3 — манометр; 4 - запобіжний клапан; 5 - корпус; 6, 7, 8 - відповідно, паровипускна, паровпускна та конденсаційна магістралі

У промисловості будівельних матеріалів використовують автоклави різної конструкції діаметром 2,0 чи 3,6 м і завдовжки 17...40 м, які герметично закриваються з торців кришками за допомогою спеціальних механізмів.

Автоклавна обробка дозволяє створювати специфічні умови твердіння матеріалів. У цих умовах відбувається реакція взаємодії між гідроксидом кальцію та кремнеземистим компонентом за схемою:

nCa(OH)2 + SiO2 + mH2O = CaO·SiO2·(m + 1)H2O.

Синтезовані гідросилікати кальцію різного складу відіграють роль цементуючої речовини, яка зв’язує зерна заповнювача в міцний і водостійкий штучний камінь.

Стандартом передбачено випуск одинарної (250x120x65 мм), потовщеної (250x120x88 мм) силікатної цегли чи порожнистих каменів (250x120x138 мм).

За міцністю силікатну цеглу і камені поділяють на марки: М75; М100; М125; М150; М175; М200; М250; М300. За морозостійкістю силікатну цеглу і каміння поділяють на марки F15; F25;F35; F50;

Застосовують силікатну цеглу й каміння для зведення кам’яних і армо- кам’яних конструкцій у надземній частині будівель з нормальним та вологим режимами експлуатації. Не можна застосовувати силікатну цеглу для влаштування фундаментів і цоколів нижче гідроізоляційного шару, які зазнають впливу грунтових і стічних вод. Під час тривалої дії високих температур (понад 500 0С) силікатна цегла руйнується внаслідок дегідратації гідросилікатів кальцію, тому вона не придатна для мурування печей.

Вапняно-шлакову цеглу (ДСТУ Б В 2.7-36-95) виготовляють із суміші вапна і гранульованого металургійного шлаку. Кількість вапна у суміші за об’ємом становить 3...12 %, шлаку - 88...97 %. Замінюючи шлак паливною золою ТЕС, виготовляють вапняно-зольну цеглу. Вапняно-зольну та вапняно-шлакову цегли отримають за технологією виробництва силікатної цегли і використовують при зведенні стін будинків висотою не більше трьох поверхів.

7.5. Матеріали й вироби на основі гіпсових в’яжучих речовин

Каміння стінове (ДСТУ Б В 2.7.-36-95) виготовляють на основі гіпсових чи змішаних в’яжучих речовин. За габаритними розмірами стінові камені можуть бути цілими (390х190х188 мм), половинками (390х 90х188 мм) й перегородковими (590х90х188 мм).

Залежно від міцності при стиску (МПа) стінові камені поділяють на марки: М3,5; М5,0; М7,5; М10; М12,5; М15.

Застосовують каміння для внутрішніх стін із відносною вологістю повітря до 60 %, а також для мурування зовнішніх стін малоповерхових будівель.

Гіпсокартонні листи («суха штукатурка») (ДСТУ Б В 2.7.- 95-2000) - листовий оздоблювальний матеріал, що складається з тонкого шару затверділої гіпсової в’яжучої речовини, вкритої з обох сторін картоном і міцно з’єднаної з ним. Залежно від властивостей та області застосування листи поділяють на такі види: звичайні (ГКЛ); вологостійкі (ГКЛВ); з підвищеним опором впливу відкритого полум’я (ГКЛВП). Вологостійкий матеріал виготовляють з добавкою гранул силікону, а вогнестійкий - з добавкою скловолокна. Виробництво гіпсокартонних листів складається з таких операцій: виготовлення гіпсобетонної суміші; подавання й розподіл її на нижньому шарі картону; накладання верхнього шару картону на гіпсове осердя; прокатування тришарового виробу між формувальними валками; сушіння листів та складування.

Довжина гіпсокартонних листів 2000...4000 мм, ширина - 600 та 1200 мм, товщина - 6,5...24 мм.

Контрольні  запитання

  1.  Яку роль у залізобетоні відіграє бетон, а яку арматура?
  2.  Розповісти про напружено-армований бетон.
  3.  У чому принципове розходження монолітного і збірного залізобетону?
  4.  Як на заводах збірного залізобетону прискорюють твердіння бетону?
  5.  Розповісти про основні види збірних залізобетонних виробів. Чим відрізняється стінова панель від стінового блоку?
  6.  Що таке азбестоцемент, з яких матеріалів його виготовляють?
  7.  Які азбестоцементні вироби та конструкції вам відомі?
  8.  Назвіть матеріали й вироби на основі вапняних в’яжучих?
  9.  Які матеріали й вироби на основі гіпсових в’яжучих вам відомі?

Розділ 8. ХАРАКТЕРИСТИКА МАТЕРІАЛІВ ДЛЯ РОЗЧИНІВ І БЕТОНІВ

8.1. Функції заповнювачів у бетонах і розчинах.

Класифікація заповнювачів

 

Заповнювачами називають сипку суміш мінеральних або органічних зерен природного чи штучного походження. В’яжучі речовини скріплюють зерна заповнювача і утворюється міцне каменеподібне тіло. У складі бетонних або розчинних композицій заповнювачі виконують ряд важливих функцій:

  1.  займаючи в бетоні понад 80 % об’єму, скорочують витрати  цементної складової;
  2.  підвищують модуль пружності бетонів, знижують їхню повзучість, створюють у бетоні твердий кістяк, що приймає на себе усадочні напруження і тим самим запобігає утворенню тріщин;
  3.  високоміцний заповнювач разом із цементною матрицею забезпечує міцність бетону;
  4.  пористі заповнювачі знижують середню густину і теплопровідність бетонів;
  5.  окремі види заповнювачів (залізна руда, чавунний дріб) надають бетонам радіаційно-захисні властивості.

 Залежно від величини зерен розрізняють:

  1.  великі заповнювачі (гравій і щебені) – розмір часток 5...70 мм;
  2.  дрібні заповнювачі (пісок) – розмір часток 0,14...5 мм.

За походженням заповнювачі бувають :

  1.  природними (отримані шляхом переробки гірських порід);
  2.  штучними (доменні й паливні шлаки, золи, керамзит тощо).

За щільністю зерен заповнювачі підрозділяють на :

  1.  щільні – з густиною зерен більше 2000 кг/м3;
  2.  пористі - з густиною зерен до 2000 кг/м3.

Придатність заповнювачів, як складових бетонів або розчинів, визначається рядом параметрів. Заповнювачі повинні відповідати таким вимогам:

  1.  мати певне оптимальне співвідношення зерен різного розміру, щоб об’єм порожнин між зернами був мінімальним;
  2.  поверхня зерен повинна забезпечувати гарне зчеплення із в’яжучим;
  3.  заповнювачі не повинні містити домішок, що перешкоджають адгезії цементного тіста до поверхні зерен.

8.2. Оцінка якості дрібного заповнювача

Піски, які застосовують для виготовлення будівельних розчинів і бетонів, можуть бути:

  1.  природні (гірські, яружні, річкові, морські), що являють собою сипкі суміші головним чином зерен кварцю SiO2;
  2.  штучні ( важкі , легкі ), отримані дробленням щільних  ( базальт, діабаз, мармур) і пористих (пемза, туф) гірських порід.

Зернова суміш піску визначається за результатами просівання проби через стандартний набір сит. Для пісків це сита з отворами, мм: 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315; і 0,14.

Після просівання встановлюють часткові залишки: 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 (у вагових і відсоткових одиницях), потім розраховують повні залишки. Повний  залишок 2,5; А1,25; А0,63; А0,315 і т.д.) на будь – якому ситі дорівнює сумі залишків на цьому ситі й усіх вище розташованих. На підставі результатів ситового аналізу розраховують модуль крупності піску:

Мкр = А2,5 + А1,25 + А0,63 + А0,315 0,16/ 100.

Отримані значення повних залишків далі використовують для побудови кривої розсіву, положення якої аналізують щодо області допустимих значень (рис. 12.1).

Якщо крива лежить у межах заштрихованої області стандартного графіка - заповнювач придатний для виготовлення бетонів або розчинів.

Присутність у піску пилуватих, глинистих і мулистих домішок знижує міцність і морозостійкість бетонів і розчинів. Кількість таких домішок визначається богаторазовим промиванням водою (відмулюванням). У природних пісках допускається вміст пилуватих і глинистих домішок до 3 % від маси піску.

Присутність у піску органічних домішок встановлюють колориметричним методом. Пробу піску обробляють розчином їдкого натрію NaOH і за зміною кольору щодо еталону судять про наявність органіки. Якщо колір розчину темніше еталону, пісок не рекомендують застосовувати як заповнювач, тому що виявлені в ньому органічні домішки будуть сповільнювати строки тужавлення і твердіння бетонів і розчинів, і тим самим знижувати їхню міцність.

Рис. 8.1. - Графік зернового складу піску:

1 — допустима нижня межа крупності піску (Мк ~ 1,5); 2— рекомендована нижня межа крупності піску (Мк = 2,0) для бетонів класу В15 і вище; 3 — рекомендована нижня межа крупності піску (Мк = 2,5) для бетонів В25 і вище; 4 — допустима верхня межа крупності піску (Мк = 3,25) для розчинів і бетонів (заштрихована область — піски, допустимі для використання)

8.3 Оцінка якості великого заповнювача

Як великий заповнювач для бетонів застосовують щебені, гравій, керамзит, жужільну пемзу, аглопорит, спучені перлітовий пісок і щебені.

Для великих заповнювачів одним з найважливіших показників є насипна густина і міжзернова пустотність. Оскільки в процесі формування структури бетону порожнечі між зернами великого заповнювача заповнюються цементно-піщаним розчином, важливо, щоб міжзернова пустотність була найменшою. Звичайно вона становить 40...50 %. Регулювання міжзернового простору здійснюють підбором зернової суміші.

Зернова суміш великого заповнювача. За крупністю зерен щебені й гравій розділяють на наступні фракції: 5...10; 10...20; 20...40; 40...70.

Вміст різних фракцій у великому заповнювачі для бетонів нормується стандартом (табл. 12.5).

Таблиця 8.1 - Вміст фракцій крупного заповнювача

Найбільша крупність заповнювача, мм

Вміст фракцій у великому заповнювачі, %

5...10

10...20

20...40

40...70

20

25...40

60...75

-

-

40

15...25

20...35

40...65

-

70

10...20

15...25

20...35

35...55

Шкідливі домішки (органічні, пилуваті, глинисті) у великому заповнювачі можуть бути, такі самі, як і у пісках. Методи їхнього визначення аналогічні.

Міцність великого заповнювача для важких бетонів повинна бути в 1,5...2 рази вище міцності бетону.

 

8.4 Пористі заповнювачі

Заповнювачі для приготування легких бетонів бувають природними, штучними або отриманими з відходів промисловості.

Керамзит є штучним пористим заповнювачем, який отримують випалюванням попередньо відформованих глинистих гранул, що здатні до спучування. При невеликій насипній густині (120...600 кг/м3) має порівняно високу міцність. Випускають у вигляді гравію (гранули 5...40 мм) і піску

(зерна менше 5 мм). Марка керамзиту встановлюється залежно від насипної густини – від 250 до 600 кг/м3.

Жужільна пемза – пористі щебені, отримані спучуванням розплавлених металургійних шлаків з наступною швидкою фіксацією пористої структури шляхом різкого охолодження, тому що сировиною для виробництва жужільної пемзи служать техногенні відходи. Даний вид заповнювача економічно дуже ефективний. Міцність пемзи – від 0,4 до 2 МПа .

Аглопорит - пористий заповнювач у вигляді гравію, щебенів. Одержують шляхом спікання сировинної шихти із глинистих порід і паливних відходів.

Спучені перлітові пісок і щебені - пористі зерна білого або світлоосірого кольору, одержані шляхом швидкого випалювання вулканічних склоподібних гірських порід (перліту, обсидіану). Залежно від розміру зерен спучений перліт поділяють на щебінь і гравій з насипною густиною 100...500 кг/м3 й пісок з насипною густиною 100...600 кг/м3.

8.5 Оцінка якості води

Воду (ГОСТ 23732) використовують для приготування бетонних сумішей та поливання в літній час відкритих поверхонь монолітного бетону.

Можна застосовувати воду, яка має значення показника рН у межах 4,0…12,5 і відповідає технічним умовам. Наявність шкідливих домішок у воді перешкоджає нормальному тужавінню і твердінню цементу й призводить до появи у бетоні сполук, що знижують його міцність та довговічність.

Використання води, що містить органічні речовини, такі як цукор та феноли, призводить до сповільнення процесу гідратації цементу та зниження міцності бетону. Вміст кожного з них не повинен перевищувати 10 мг/л.

Домішки нафтопродуктів, мастил, жирів, що осідають на поверхні цементних зерен та заповнювача, мають негативний вплив не тільки на процеси гідратації, але й погіршують зчеплення заповнювача з цементним каменем та знижують міцність бетону.

Важливо знати про наявність у воді розчинних солей, зокрема таких, які містять аніони SO42- та Сl-.

Розчинені солі при підвищеній концентрації кристалізуються у порах цементного каменю й утворюють на поверхні бетону висоли, які значно погіршують зовнішній вигляд виробів. Сумарний вміст солей у воді замішування не повинен перевищувати 5 г/л. Сульфат-іони можуть бути причиною корозії цементного каменю, яка призводить до його руйнування, а хлор-іони здатні викликати корозію також і сталевої арматури. Вміст сульфат-іонів не повинен бути вищим ніж 2,7 г/л, а хлор-іонів - 1,2...3,5 г/л.

8.6 Добавки

Добавки (ДСТУ БВ.2.7-65-97) необхідні для регулювання властивостей бетону та економії цементу. За функціональним призначенням та основним ефектом дії розрізняють добавки, що регулюють властивості бетонних і розчинних сумішей, в тому числі пластифікуючі, стабілізуючі, водоутримуючі, добавки, що поліпшують перекачування сумішей; добавки поризуючі (повітровтягувальні, піноутворювачі та газоутворювачі); добавки, що регулюють процеси тужавіння і твердіння (сповільнюють або прискорюють) та добавки, які змінюють характер процесів структуроутворення бетону та надають йому спеціальних властивостей (протиморозні, гідрофобізуючі).

Пластифікуючі добавки збільшують рухливість, тобто знижують жорсткість суміші, не погіршуючи міцності бетону. Щоб визначити ефективність дії добавки, готують суміш з осіданням конуса (ОК) 2...4 см. При введенні відповідної добавки значення ОК зростає і, залежно від досягнутого результату, добавку відносять до однієї з чотирьох груп:

I — суперпластифікатори, які збільшують ОК від 2...4 до 20 см і більше;

II — сильнопластифікуючі з ОК до 14...19 см;

  1.   — середньопластифікуючі з ОК до 9...13 см;
  2.   — слабопліастифікуючі з ОК менш як 8 см.

Як пластифікатори широко використовують поверхнево-активні речовини (ПАР), які найчастіше одержують із вторинних продуктів та відходів хімічної промисловості.

За характером дії розрізняють гідрофільно- та гідрофобно-пластифікуючі добавки.

Представником гідрофільно-пластифікуючих добавок є ЛСТ (лігносульфонат технічний). Як у рідкому, так і у твердому вигляді, ЛСТ легко розчиняється у воді і додається в бетонну суміш у кількості 0,1...0,5 % від маси цементу, тобто витрата його на 1 м3 бетону становить 0,5…1,0 кг.

Використання пластифікаторів дозволяє поліпшити легкоукладальність бетонної суміші (при незмінній міцності бетону) та збільшити міцність бетону за рахунок зниження витрати води (при незмінній витраті цементу).

До гідрофобно-пластифікуючих добавок належать милонафт, ҐКЖ-10 (етил-силіконат натрію), ГКЖ-94 (етилгідросилоксанова рідина). Ці добавки застосовують для бетонів із низькими витратами цементу. Внаслідок використання цих добавок знижується водопоглинання та підвищується морозо- та корозійна стійкість бетону.

Суперпластифікатори — це синтетичні полімерні речовини, що використовуються в кількості 0,1...1,2 % від маси цементу, і відрізняються сильним розріджувальним ефектом, час дії якого обмежується строком 2...3 години від моменту введення. Суперпластифікатори умовно поділяють на 4 групи:

  1.   сульфатовані меламіноформальдегідні смоли та комплексні добавки на їхній основі;
  2.  продукти конденсації нафталінсульфокислоти й формальдегіду та комплексні добавки на їхній основі;
  3.  модифіковані (майже очищені від цукрів) лігносульфонати та комплексні добавки на їхній основі;
  4.  продукти конденсації оксикарбонових кислот та поліакрилати.

Найбільшого поширення набули добавки С-3, Дофен, 10-03, 40-03, ЛСТМ, ОП-7, Мельмент, Компласт, Релаксол, Динамон.

Прискорювачі твердіння призначені насамперед для скорочення строків розпалублення конструкції при монолітному бетонуванні, а у виробництві збірного залізобетону - для зменшення часу теплової обробки виробів та збільшення оборотності форм.

Найпоширенішими в практиці прискорювачами є: хлорид кальцію СаС12, сульфат натрію Na2SO4, поташ К2СО3, нітрати кальцію Ca(NO3)2 та натрію NaNO3. Дія цих прискорювачів полягає в тому, що вони знижують розчинність гідроксиду кальцію Са(ОН)2, який утворюється при гідратації цементу.

Іноді застосовують і комбіновані добавки, наприклад нітрит-нітрат кальцію, нітрит-нітрат-хлорид кальцію.

Для сповільнення тужавіння цементу застосовують добавки, які одночасно зменшують водопотребу суміші та витрату цементу, наприклад, органічні сполуки (ЛСТ) та кремнієорганічні рідини ГКЖ-10 і ГКЖ-11.

Як протиморозні добавки в умовах зимового бетонування застосовують хлориди кальцію і натрію, поташ, дія яких грунтується на зниженні точки замерзання води. Чим нижча температура твердіння, тим вища концентрація цих добавок повинна бути у воді замішування.

Повітровтягувальні добавки зменшують поверхневий натяг води й при перемішуванні бетонної суміші сприяють втягуванню найдрібніших повітряних бульбашок. Бетонна суміш при цьому має кращу легкоукладальність, а затверділий бетон — підвищену морозостійкість. Якщо вміст повітря у бетонній суміші не вищий ніж 4...5 %, то міцність бетону практично не знижується. Підвищення морозостійкості пояснюється тим, що повітряні бульбашки в затверділому бетоні виконують роль резервного об'єму для води, яка замерзає, і попереджають виникнення внутрішніх напружень від тиску льоду.

Представниками цих добавок є смола нейтралізована повітровтягувальна (СНП) та смола деревна омилена (СДО).

Добавки поліфункціональної дії (комплексні) дають змогу одночасно регулювати кілька властивостей бетонної суміші та бетону. Наприклад, комплексна добавка ЛСТ+СНП пластифікує бетонну суміш і підвищує морозостійкість бетону; добавка ЛСТ+СаС12 пластифікує суміш, прискорює твердіння бетону та скорочує витрати цементу.

Широкого розвитку добавки цієї групи набули під час впровадження у промисловість суперпластифікаторів, більшість з яких по суті є комплексними добавками на основі поверхнево-активних речовин. Наприклад, суперпластифікатор С-3 поряд з головним компонентом — продуктом конденсації нафталінсульфокислоти та формальдегіду містить невелику кількість лігносульфонатів та сульфату натрію. Зазвичай до суперпластифікаторів додають хлорид, нітрат та глюконат кальцію, тіосульфат і бікарбонат натрію, лігносульфонати, поліоксиетилен, карбоксиметилцелюлозу, синтетичні мікропіноутворювачі, солі винної кислоти, похідні сахарів та інші речовини. Введення до суперпластифікаторів додаткових компонентів дозволяє регулювати час тужавлення і кінетику набору міцності бетону, подовжує термін легкоукладальності бетонної суміші, зменшує водовідділення та розшарування бетонної суміші, регулює порову структуру у напрямку зменшення кількості відкритих пор, що сприяє підвищенню щільності, водонепроникності, міцності, морозостійкості та корозійної стійкості.

         Контрольні запитання

  1.  Яку роль у бетонах і розчинах відіграють заповнювачі?
  2.  Чим відрізняються дрібні й великі заповнювачі, природні й штучні?
  3.  Як впливає на властивість бетонів зернове сполучення заповнювачів?
  4.  Назвіть види піску залежно від зернового сполучення
  5.  Як впливають шкідливі домішки на якість бетону?
  6.  Як установлюється зернове сполучення піску й щебенів?
  7.  Як розрахувати модуль крупності піску?
  8.  У чому розходження між гравієм і щебенями?


Розділ 9. БЕТОНИ

9.1. Загальні відомості. Класифікація бетонів

Бетон —  штучний композиційний матеріал, одержуваний в результаті формування і подальшого твердівання раціонально підібраної суміші, що складається з в'яжучої речовини, дрібного і великого заповнювачів, води і спеціальних добавок.

Бетон відомий давно. У Древньому Римі, наприклад, з бетону на вапні був побудований ряд складних інженерних споруд. Існує думка, що блоки внутрішньої частини єгипетських пірамід також виготовлені з бетону, в'яжучим в якому служило вапно. Широке застосування бетону починається після освоєння промислового виробництва портландцементу. Сучасне будівництво немислиме без бетону — бетон став основним будівельним матеріалом. Це пояснюється його економічністю, технологічністю і доступністю основних сировинних матеріалів.

Міцність бетонів досягає 100 МПа, для конструкційних бетонів межа міцності служить основною характеристикою. Бетон - вогнестійкий матеріал. У наш час отримані бетони, стійкі до найрізноманітніших агресивних впливів, у тому числі жаротривкі бетони, здатні працювати при температурі понад 1000 °С. При сполученні бетону і сталі винайшли композиційний матеріал із ще більш цінними властивостями — залізобетон.

За густиною бетони поділяють на :

  1.  особливо важкі (густина більше 2500 кг/м3);
  2.  важкі звичайні (2200...2500 кг/м3);
  3.  полегшені (1800...2200 кг/м3);
  4.  легкі (500...1800 кг/м3);
  5.  особливо легкі теплоізоляційні (500 кг/м3).

За видом в'яжучого бетони підрозділяють на:

бетони на неорганічних в'яжучих: цементні, силікатні, гіпсові ;

бетони на органічних в'яжучих; асфальтобетон (на бітумі) і полімербетон (на синтетичних смолах).

За структурою розрізняють бетони :

- щільні; ніздрюваті ; великопористі бетони.

За призначенням:

- конструкційні (звичайні, гідротехнічні, дорожні);

- спеціальні (жаростійкі, декоративні, теплоізоляційні, радіаційнозахисні, коррозійностійкі тощо).

За видом заповнювача :

  1.  бетони на щільних заповнювачах;
  2.   бетони на пористих заповнювачах;
  3.   бетони на спеціальних заповнювачах.

За умовами твердіння:

  1.  

105

бетони природного твердіння (при температурі 15...20 оС і атмосферному тиску);

  1.  бетони, що зазнають теплової обробки (70...90 0С) при атмосферному тиску, з метою прискорення  твердіння;
  2.  бетони автоклавної обробки, що тверднуть при температурі 175...200 0С і тиску пари 0,9...1,6 МПа.

9.2. Властивості бетонної суміші

Суміш, що складається з в'яжучої речовини, великого й дрібного заповнювачів і води до затверднення має назву бетонної суміші. Бетонна суміш являє собою пластично-в’язку масу, яка порівняно легко займає будь-яку форму, а потім довільно переходить у каменеподібний стан.

Рис.9.1 - Визначення рухливості бетонних сумішей за осадкою конуса (ОК): 1 — опори; 2— ручки; 3 — форма-конус; 4бетонна суміш

Одна з головних властивостей бетонної суміші — тіксотропія — здатність розріджуватися при періодично повторюваних механічних впливах (наприклад, вібрації) і знову загуснути при припиненні цього впливу. Механізм тіксотропного розрідження полягає в тому, що при вібруванні сили внутрішнього тертя і зчеплення між частками зменшуються і бетонна суміш стає текучою. Ця властивість широко використовується при укладанні й ущільненні бетонної суміші. Зручноукладуваність — узагальнена технічна характеристика в'язкопластичних властивостей бетонної суміші. Під зручноукладуваністю розуміють здатність бетонної суміші під дією певних прийомів і механізмів легко укладатися у форму й ущільнюватися, не розшаровуючись. Зручноукладуваність сумішей залежно від їхньої консистенції оцінюють за рухливістю чи жорсткістю.

Рухливість служить характеристикою зручноукладуваності пластичних сумішей, здатних деформуватися під дією власної ваги. Рухливість характеризується осіданням стандартного конуса, відформованого з випробуваної бетонної суміші. Для цього металеву форму-конус, установлену на горизонтальній поверхні, заповнюють бетонною сумішшю в три шари, ущільнюючи кожен шар штикуванням. Надлишок суміші зрізують, форму-конус знімають і вимірюють осаду конуса з бетонної суміші — ОК значення якої (у сантиметрах) служить показником рухливості.

Жорсткість — характеристика зручноукладуваності бетонних сумішей, в яких не спостерігаються опади конуса (ОК = 0). Її визначають за часом вібрації (у секундах), необхідним для вирівнювання і ущільнення попередньо відформованого конуса з бетонної суміші за допомогою спеціального приладу. Прилад закріплюють на стандартному вібростолі, у нього ставлять форму-конус. Конус заповнюють бетонною сумішшю в три шари, штикуючи кожен шар. Після цього включають вібростіл. Час, протягом якого суміш розподілиться в циліндричній формі рівномірно, приймається за показник жорсткості суміші (Ж).

Зв'язність — здатність бетонної суміші зберігати однорідну структуру, тобто не розшаровуватися в процесі транспортування, укладання і ущільнення. При механічних впливах на бетонну суміш у результаті її тиксотропного розрідження частина води як найбільш легкого компонента відтискується нагору. Великий заповнювач, щільність якого звичайно більше щільності розчинної частини (суміші цементу, піску і води), опускається вниз. Легкі заповнювачі (керамзит та ін.), навпаки, можуть спливати. Усе це робить бетон неоднорідним, знижує його міцність і морозостійкість.

Зазначені властивості бетонної суміші забезпечуються правильним підбором складу бетону.

9.3. Основи оптимальної технології бетону

Виготовлення бетонних і залізобетонних конструкцій містить в собі наступні технологічні операції:

  1.  підбір складу бетону;
  2.  приготування і транспортування бетонної суміші;
  3.  її укладання і ущільнення ;
  4.  забезпечення необхідного режиму затвердіння бетону.

   Склад бетону повинен бути таким, щоб бетонна суміш і затверділий бетон мали задані значення властивостей (зручноукладуваність, міцність, морозостійкість і т.п.), а вартість бетону при цьому була якомога меншою.

Розраховують склад бетону для даних сировинних матеріалів, використовуючи залежності, що зв'язують властивості бетону з його складом, у вигляді формул, таблиць і номограм. Загальна схема розрахунку наступна.

Для проектування складу бетону необхідно мати такі вихідні дані:

- призначення бетону;

- необхідна марочна міцність бетону на стиск;

- необхідна зручноукладуваність бетонної суміші;

- вид і марка (активність) цементу (рекомендується задаватися маркою (активністю), що 2...2,5 рази перевищує значення необхідної міцності бетону);

- істинна й насипна густина всіх компонентів;

- зерновий склад заповнювачів і порожнеч великого заповнювача;

Необхідна рухливість бетонної суміші забезпечується вибором (за таблицями і графіками) необхідної кількості води (В).

Необхідна міцність бетону досягається:

1) вибором марки цементу (вона, як правило, приймається в 1,5, 2,5 рази вища марки бетону);

2) розрахунком необхідного співвідношення цементу й води (Ц/В) за формулою основного закону міцності бетону .

Розраховують склад важкого бетону в наступному порядку:

1. Забезпечення необхідної міцності бетону. Залежність міцності бетону через 28 діб затвердіння має вигляд:

Rб = A·Rц·(Ц/В ± 0,5),

де Rц – активність (марка) цементу, кг/см2 , Ц/В – співвідношення цементу й води; А – коефіцієнт, що залежить від якості заповнювачів.

Зазначена формула (основний закон міцності, запропонований І.Боломєєм і уточнений Б.Г. Скрамтаєвим) дозволяє визначити співвідношення води й цементу, що при даній якості заповнювача А і введеної у вихідні дані активності цементу Rц забезпечує одержання необхідної міцності бетону:

для пластичних сумішей (при В/Ц 0,4) В/Ц = А1·Rц/ Rб+ 0,5А1·Rц;

для особливо твердих сумішей (при В/Ц 0,4) В/Ц = А2·Rц/ Rб  0,5А2·Rц;

Таблиця 9.1 - Значення коефіцієнтів А1 і А2

Заповнювач

А1

А2

Високоякісний

0,65

0,43

Рядовий

0,60

0,40

Зниженої якості

0,55

0,37

  1.  Витрати води визначають, виходячи із заданої зручноукладуваності (рухливості або жорсткості) бетонної суміші за графіком Миронова або за табличними даними (табл.9.2).

Таблиця 9.2 - Витрата води, л, на 1м3 бетонної суміші

Характеристика бетонних сумішей

Найбільша крупність заповнювача, мм

Осад конуса (ОК), см

Жорсткість, с

гравію

щебенів

10

20

40

10

20

40

-

40...50…50

150

135

125

160

150

135

-

25...35…35

160

145

130

170

160

145

-

15...20…20

165

150

135

175

165

150

-

10...15…15

175

160

145

185

175

160

2...4…4

-

190

175

160

200

190

175

5...7…7

-

200

185

170

210

200

185

8...10…10

-

205

190

175

215

205

190

10...12…12

-

215

205

190

225

215

200

12...16…16

-

220

210

197

230

220

207

16...20…20

-

227

218

203

237

228

213

3. Визначення витрати цементу. Знаючи витрату води і попереднє В/Ц відношення, розраховують витрати цементу:

Ц =В: (В/Ц).

  1.  Витрати заповнювачів (піску і великого заповнювача) встановлюють, вирішуючи спільно два рівняння:

1) Ц/ц + В + П/п + Щ/щ = 1,

де Ц, В, П, Щ(Г),- витрати відповідно цементу, води, піску і щебеню (гравію), кг;

ц, п,  щ  -  істинна густина відповідно цементу, піску, щебеню (гравію), кг/м3.

Наведене рівняння показує, що об'єм 1м3 щільно покладеної суміші складається з абсолютних об'ємів цементу, піску, води й щебеню (гравію).

2) ·Краз·Щ/ощ  = Ц/ц + В + П/п,

де  Краз – коефіцієнт розсунення зерен щебеню; ощ . – насипна густина  щебеню (гравію), (міжзернова пустотність  великого заповнювача).

Таблиця 9.3 - Коефіцієнт розсунення зерен Краз залежно від витрати цементу і В/Ц відношення для пластичних сумішей

Витрата цементу, кг на 1м3 бетону

В/Ц

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

250

-

-

-

1,26

1,32

1,38

300

-

-

1,30

1,36

1,42

-

350

-

1,32

1,38

1,44

-

-

400

1,31

1,40

1,46

-

-

-

500

1,44

1,52

1,56

-

-

-

550

1,52

1,56

-

-

-

-

Коефіцієнт розсунення зерен для жорстких бетонних сумішей приймають рівним 1,05...1,15.

Вирішуючи спільно два рівняння, одержуємо формулу для визначення витрати заповнювачів (кг на 1м3 бетону):

 щебеню( гравію):

Щ(Г) = 1/ (·Краз /ощ + 1/щ),

піску:

П= [1- (Щ/щ. + Ц/ц + В)] п.

Так одержують розрахункові складові бетону у вигляді витрати основних компонентів П, Щ, В, Ц в кг для одержання 1м3 бетону.

Для одержання розрахункової густини бетонної суміші отримані витрати складають:

б.с. = Ц + В + П + Щ(Г).

Отриманий склад бетону може бути виражений двома способами:

• кількістю складових (кг) для одержання 1 м3 бетону (наприклад, цемент — 300, вода — 200, пісок — 650 і щебеню — 1250);

• співвідношенням компонентів у частинах чи за масою, або за об'ємом; при цьому кількість цементу приймають за 1 (наприклад, запис 1:2:4 при В/Ц - 0,7 означає, що на 1 частину цементу береться 0,7 частин води, 2 частини піску і 4 частини великого заповнювача).

При використанні вологих заповнювачів необхідно враховувати воду, що міститься в них, і відповідно зменшувати кількість води замішування, щоб сумарна кількість води дорівнювала розрахунковій.

Приготування бетонної суміші здійснюють у спеціальних агрегатах — бетонозмішувачах різних конструкцій і різної місткості (від 75 до 4500 дм3).

За принципом дії розрізняють бетонозмішувачі вільного падіння і примусового перемішування.

У бетонозмішувачах вільного падіння (гравітаційних) матеріал перемішується в повільно обертових навколо горизонтальної чи похилої осі змішувальних барабанах, обладнаних усередині короткими коритоподібними лопатами. Лопати захоплюють матеріал, підіймають його і при переході у верхнє положення скидають. У таких змішувачах готують пластичні бетонні суміші із заповнювачами з щільних гірських порід, тобто суміші звичайного важкого бетону. Час перемішування залежить від рухливості бетонної суміші і місткості бетонозмішувача.

Такі готові суміші називають товарним бетоном.

Транспортування бетонної суміші. На будівельних об'єктах і заводах збірного залізобетону суміш транспортують у вагонетках, перекачують бетононасосами і подають транспортерами. Обов'язкова вимога до всіх видів транспортування бетонної суміші — збереження її однорідності й рухливості. На великі відстані транспортування здійснюється у спеціальних машинах — бетоновозах, що мають грушоподібну ємкість. У зимовий час повинен бути передбачений підігрів перевезеної бетонної суміші.

Укладання бетонної суміші. Якість і довговічність бетону багато в чому залежить від правильності укладання, а методи укладання й ущільнення визначаються видом бетонної суміші (пластична чи жорстка, важкий чи легкий бетон) і типом конструкції. Укладання повинне забезпечувати максимальну щільність бетону (відсутність порожнеч) і неоднорідність складу по перетину конструкції.

Пластичні текучі суміші ущільнюються під дією власної ваги чи шляхом штикування, більш жорсткі — вібруванням.

Вібрування — найбільш ефективний метод укладання, заснований на використанні тиксотропних властивостей бетонної суміші. При вібруванні часткам бетонної суміші передаються швидкі коливальні рухи від джерела коливань — вібратора. При недостатньому часі вібрування бетонна суміш ущільнюється не повністю, при занадто великому — вона може розшаруватися: важкі компоненти — щебінь, пісок концентруються внизу, а вода виступає зверху залежно від виду і форми бетонованої конструкції застосовують різні типи вібраторів. При бетонуванні конструкцій великої площі і невеликої товщини використовують поверхневі вібратори, масивних елементів значної товщини — глибинні вібратори .

У заводських умовах при виготовленні бетонних каменів, великих блоків, панелей та інших виробів користуються вібромайданчиками, на які установлюють форми з бетонною сумішшю.

Основи оптимальної технології бетону.

Оптимальна технологія бетону передбачає створення таких бетонних сумішей, які б забезпечували найбільш довговічні й економічно обґрунтовані бетонні конструкції й споруди.

Основними виробничими умовами розробки найбільш прогресивних технологічних методів виготовлення бетону й бетонних виробів є облік різних фізико-хімічних і фізико-механічних факторів:

  1.  Мінеральний склад і ступінь використання в'яжучого;
  2.  Якість мілкого й великого заповнювача;
  3.  Гомогенізація бетонної суміші - оптимальна однорідність матеріалів;
  4.  Облік структуроутворення (фактор часу);
  5.  Інтенсивність технічного впливу (принцип граничного ущільнення);
  6.  Урахування кінетики тепловиділення й керування ним.

Мінеральний склад і ступінь використання в'яжучого.

Процес наростання міцності клінкерних мінералів портланцементу не однаковий. Найшвидше набирає міцність C3S за 1 добу до 10 % (від 28 доби). C2S у процесі твердіння веде себе інакше, якщо в C3S до 28 доби практично закінчується гідратація, то C2S тільки інтенсивно розвивається в силу цього для одержання бетону достатньою міцністю в короткий термін необхідно застосовувати цемент із більшим вмістом C3S (алітовий цемент). Якщо не потрібна висока міцність у більше пізній час, то варто застосовувати белітовий цемент (наприклад при зведенні гідротехнічних споруд).

Необхідно відзначити, що звичайна технологія бетону недовикористовує в'яжучі властивості цементу на 30-40 %.

Це наочно видно при розгляді процесів гідратації зерен клінкера.

Рис. 9.2 – Модель зерна клінкера

Глибина гідратації зерен через рік не перевищує звичайно 10-15 мкм. У такий спосіб про при звичайному помелі 30-40 % клінкерної частини не бере участі у твердінні й формуванні структури каменю. Зі збільшенням тонкості

помелу збільшується ступінь гідратації цементу. Умовно вважається, що приріст кожних 1000 см2/г питомої поверхні цементу підвищує його активність на 20-25 %. Однак, подрібнювання проводиться не нескінченно, а до оптимального значення.

Для кращого використання в'яжучого в бетоні пропонується наступне:

  1.  Збільшення питомої поверхні за рахунок вібропомелу сухого цементу, а так само мокрого помелу клінкера.
  2.  Введення пластифікаторів при помелі.
  3.  Попередня гідратація.
  4.  Віброактивація розчинної складової.

Якість заповнювачів.

Заповнювачі є основними по масі й об'єму компонентами бетону й впливають на його властивості.

При виготовленні бетону необхідно враховувати:

а) хіміко-мінералогічну природу заповнювачів

б) гранулометричний склад

в) чистоту заповнювачів

г) питому поверхню заповнювачів.

Для важких бетонів в основному рекомендуються щільні міцні гірські породи. Слід зазначити економічну ефективність застосування як заповнювачів й карбонатні породи, які по міцності поступаються заповнювачам з вивержених порід. Однак, з огляду на підвищене зчеплення заповнювачів карбонатних порід із цементним каменем, їх можна застосовувати для бетонів з міцністю при стиску 40-50 МПа. Підвищене зчеплення пояснюється не тільки шорсткуватою поверхнею, а так само хімічною спорідненістю цих порід з деякими продуктами новоутворень.

З погляду зниження витрати в'яжучого доцільно збільшувати крупність застосовуваних заповнювачів. Однак, найбільша крупність заповнювача визначається умовами оптимального впакування бетонної суміші у форми. Найбільша крупність заповнювача не повинна перевищувати 1/3 мінімальної товщини елемента, що бетонується, а якщо це залізобетонні - то не повинен перевищувати 3/4 відстані між арматурними стрижнями.

На заводі великий заповнювач поставляється:

А) рядовим - із природним зерновим складом.

Б) сортовим - з обмеженими значеннями найбільшої й мінімальної крупності.

В) фракціонованим - розділеним на окремі фракції 10-20; 20-40 і т.д.

Для оцінки зернового складу враховують крупність і форму зерен дрібного заповнювача і показник питомої поверхні, тобто сума поверхонь всіх зерен піску в одиниці маси й величину міжзернової пустотності піску.

Розрахунковим шляхом такий критерій не представляється можливим одержати, а тому для комплексної оцінки піску застосовують показник водопотреби суміші, що визначається за формулою:

де В/Ц- водоцементе відношення, що дозволяє розтікання конуса до 170 мм (при складі Ц:П = 1:2).

    Нт  - нормативна густота цементного тіста в частках від маси цементу.

Водопотреба піску середньої крупності складає біля 7-7,5 %. Що стосується чистоти, то великий заповнювач рекомендується промивати, а обмеження по крупності вже відзначалися.

Гомогенізація суміші й облік структуроутворення.

Багатокомпонентність бетонної суміші з наявністю часток від декількох мікрометрів до десятків і навіть сотень мм ускладнює її гомогенізацію, тобто додання їй найбільшої однорідності.

Ці фактори підсилюються ще впливом:

  1.  внутрішнього тертя;
  2.  в'язкості;
  3.  сил зчеплення.

З іншого боку, хімічні процеси взаємодії в'яжучого з водою приводять до безперервної зміни властивостей суміші в часі, що також необхідно враховувати.

Відомо, що в 1-ий період формування структури добре кристалізуються алюмінатні й сульфоалюмінатні гідратні сполуки. Таким чином, каркасом структури бетону є найменш міцний матеріал. Звичайні методи перемішування не завжди дозволяють повністю досягти граничного руйнування первинних структур. Для рішення цього завдання необхідно віброперемішування, введення пластифікаторів і суперпластифікаторів.

Необхідно відзначити, що безладне зчеплення зерен бетонної суміші в просторовий каркас зумовлюється утворенням дефектів структури, які призводять до зниження міцносних характеристик.

Бажання усунення дефектів структури привело до спроб повторного механічного впливу відформованих виробів. При цьому виявилося, що оптимальним часом додання повторних механічних впливів є час, близький до середини інтервалу часу між початком і кінцем тужавлення застосовуваного в'яжучого.

Інтенсивність механічного впливу (принцип оптимального  ущільнення).

Властивості формованих виробів значною мірою визначаються їхньою щільністю, а тому принцип оптимальності однорідного ущільнення здобуває велике значення.

Оптимальне ущільнення досягається за умови граничного руйнування первинної структури шляхом зниження в'язкості бетонної суміші або підвищенням інтенсивності механічних ущільнюючих впливів. Прагнення домогтися оптимального ущільнення бетонної суміші з водоутриманням, що наближається до необхідного для реакції гідратації, призвело до вдосконалювання методів механічних впливів, застосовуваних для формування.

Всі види механічних впливів підрозділяються на 2 групи:

1) тиск і удар-трамбування, пресування, прокат.

2) вібрування.

Необхідно відзначити, що найбільш ефективне - це сполучення способів, що забезпечують високий тиск із вібруванням: вібротрамбування, вібропресування, вібропрокат.

Облік кінетики тепловиділення й керування нею.

Процес твердіння бетону значно перевищує по тривалості всі інші операції з виготовлення бетонних і залізобетонних виробів. Теплова обробка, що дозволяє в багато разів прискорити процес твердіння бетону, є, як правило, необхідною умовою заводського виробництва бетонних і залізобетонних виробів.

У заводських умовах застосовуються наступні види теплової обробки бетонних і залізобетонних виробів:

а) пропарювання в камерах при нормальному  атмосферному тиску пари й пароповітряної суміші (Т = 60-200 0С);

б) запарювання в автоклавах у середовищі насиченої водяної пари підвищеного тиску - звичайно 9-12 атм при Т = 175-190 0С;

в) нагрівання в закритих формах з контактною передачею тепла бетону через захисні поверхні від різних джерел;

г) прогрів бетону електрострумом і ін.

Вибір режимів теплової обробки зводиться до вибору оптимальних для кожного випадку рішень.

Необхідно якнайкраще сполучати термодинамічні умови для досягнення найповнішого протікання процесу гідратації з кінетичними умовами максимальної швидкості процесу.

Рис. 9.3 – Залежність основних факторів теплової обробки бетонних виробів.

Розглянемо більш докладно способи обробки залізобетонних виробів, які прискорюють процес твердіння бетону.

1. Пропарювання в камерах періодичної або безперервної дії при нормальному атмосферному тиску пароповітряного середовища й температури до 100 0С. Застосовують насичену пару для виключення висихання бетону й створення вологого середовища, що прискорює процес  твердіння.

Камери періодичної дії являють собою ями, у які завантажують відформовані вироби й закривають кришкою з водним затвором для усунення втрат пари (рис. 9.4).

Рис. 9.4 – Камера періодичної дії.

Тривалість пропарювання виробів у камері залежить від мінералогічного складу цементу, складу бетону, виду конструкції.

Режим пропарювання складається з наступних показників часу:

час попередньої витримки + час підйому температури + ізотермічна витримка + охолодження, наприклад, 1 + 2 + 4 + 2.

Міцність пропареного бетону, звичайно визначають через 1 добу й вона повинна становити приблизно 75 % від Rсж 28 доби.

б) камери теплової обробки безперервної дії поділяються на:

- тунельні (горизонтальні);

- вертикальні.

Форми – вагонетки з відформованими виробами в цих камерах послідовно проходять три зони:

- підігрів;

- ізотермічна витримка;

- охолодження.

2. Для виробів із силікатного і ніздрюватого бетону застосовують пропарювання в автоклавах, тобто в середовищі насиченої водяної пари і підвищеного тиску (Т = 175 – 180 0С, Р = 9-13 атм).

3. При виготовленні виробів стендовим і дотичним способом у нерухомих або розсувних формах бетон піддають тепловій обробці безкамерним способом.

У цьому випадку бетон піддається обробці в закритих формах з контактною передачею тепла бетону через захисні поверхні форми різними теплоносіями - пар, гаряче повітря й гаряча вода (рис. 9.5).

Рис. 9.5 – Спосіб контактної передачі тепла.

4. У заводській технології виготовлення бетонних і залізобетонних виробів теплової обробки паром або повітрям широко застосовують електротеплову обробку бетону, тобто підігрів бетону електричним струмом.

Незалежно від виду теплової обробки важливим заходом, спрямованим на одержання високоякісних виробів, є впровадження автоматичного програмного регулювання режиму теплової обробки виробів.

Найпоширенішими є пристрої типу ПРТЭ-1, ПРТЭ-2М, які складаються з:

- датчика температури;

- програмного пристрою завдання температури;

- електричного регулятора;

- виконавчого механізму.

9.4. Твердіння бетону

 Нормальний ріст міцності бетону відбувається при позитивній температурі (15...25 °С) і постійній вологості. Дотримання цих умов особливо важливе в перші 10...15 діб твердіння, коли бетон інтенсивно набирає міцність (рис 9.2).

Рис. 9.2 - Зміна міцності бетону в часі в умовах нормального твердіння:

R — марочна міцність бетону; п — час твердіння, діб.

Щоб поверхню бетону захистити від висихання, її покривають піском, тирсою, полімерними плівками, бітумними і полімерними емульсіями, періодично зволожуючи їх. У зимовий період бетон, що твердіє, зберігають від замерзання різними методами: методом термоса, коли підігріту бетонну суміш захищають теплоізоляційними матеріалами, і підігрівом бетону під час твердіння (у тому числі електропрогрівом).

На заводах збірного залізобетону для прискорення твердіння бетону застосовують тепловологісну обробку — прогрівом при постійному підтримуванні вологості бетону насиченою парою при температурі 85...90 °С. При цьому час твердіння залізобетонних виробів до набору ними відпускної міцності (70...80 % марочної) скорочується до 10...16 год (при твердінні в природних умовах для цього потрібно 10...15 діб). Для силікатних бетонів використовують автоклавну обробку в середовищі насиченої пари високої температури 175...200 °С і при тиску 0,8...1,3 МПа. У цьому випадку процес твердіння триває 8...10 год.

Для прискорення набору міцності бетоном застосовують швидкотвердіючі (ШТЦ) і особливо швидкотвердіючі (ОШТЦ) цементи. Швидше інших досягає марочної міцності (за три дні) бетон на глиноземистому цементі, але останній не можна використовувати при температурі навколишнього середовища в час твердіння вище 30...35 °С.

  1.  Основні властивості важкого бетону

Важкий бетон — основний конструкційний будівельний матеріал, тому оцінці його міцнісних властивостей приділяється велика увага. Міцнісні характеристики бетону визначаються строго відповідно до вимог стандартів. Використовуються кілька показників, що характеризують міцність бетону. Неоднорідність бетону як матеріалу враховується в основній міцнісній характеристиці — класі бетону.

Міцність. Як і у всіх кам'яних матеріалів, межа міцності бетону при стиску значно вища (у 10...15 разів), ніж при розтяганні й вигині. Тому в будівельних конструкціях бетон, як правило, працює на стиск. Коли говорять про міцність бетону, мають на увазі його міцність на стиск.

Міцність бетону прийнято оцінювати за середнім арифметичним значенням результатів випробування зразків даного бетону через 28 діб нормального твердіння. Для цього використовують зразки-куби розміром 150х150х150 мм, виготовлені з робочої бетонної суміші і затверділі при Т = 20 ± 2 °С у повітрі при відносній вологості 95 % (чи в інших умовах, що забезпечують збереження вологи в бетоні).

Марка бетону. За середнім арифметичним значенням міцності бетону встановлюють його марку — округлене значення міцності (причому округлення йде завжди в сторону зниження). Для важкого бетону встановлені наступні марки за міцністю на стиск: М50,М75, М100, М150,М200,М250, М300, М350, М400,М450, М500, М550, М600, М700 і М800 (кгс/см2). Так, відмінна риса бетону — значна неоднорідність його властивостей. Це пояснюється мінливістю сировини (піску, великого заповнювача і навіть цементу), порушенням режиму приготування бетонної суміші, її транспортування, укладання (ступеня ущільнення) і умовами твердіння. Усе це призводить до розкиду міцності бетону однієї і тієї ж марки. Чим вище культура виробництва (краще якість підготовки матеріалів, приготування й укладання бетону і т.п.), тим менше будуть коливання міцності бетону. Для будівельника важливо одержати бетон не тільки із заданою середньою міцністю, але і з мінімальними відхиленнями (особливо в нижчу сторону) від цієї міцності. Показником, що враховує можливі коливання якості бетону, є клас бетону.

Клас бетону це чисельна характеристика якої-небудь його властивості (у тому числі міцності), прийнята з гарантованою забезпеченістю (звичайно 0,95). Це значить, що встановлена класом властивість, наприклад, міцність бетону, досягається не менш ніж у 95 випадках з 100.

Поняття «клас бетону» дозволяє призначати міцність бетону з урахуванням її фактичної чи можливої варіації. Чим менше мінливість міцності, тим вище клас бетону при одній і тій же середній міцності.

ДСТУ 26633—85 установлює наступні класи важкого бетону за міцністю на стиск (МПа): В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В32,5; В40; В45; В50; В55 і В60. Так, у бетону класу В15 межа міцності при стиску не нижче 15 МПа з гарантованою забезпеченістю 0,95.

Для переходу від класу бетону до середньої міцності можна використовувати формулу

Rср =  В/ 0,778,

де В – клас бетону, МПа;

    Rср – середня міцність бетону на стиск, МПа.

Повзучість — схильність бетону до росту пластичних деформацій при тривалій дії статичного навантаження. Повзучість бетону також пов'язана з пластичними властивостями цементного гелю і мікротріщиноутворенням. Вона має згасаючий у часі характер. Абсолютні значення повзучості залежать від багатьох факторів. Особливо активно повзучість розвивається, якщо бетон навантажується в свіжовиготовленому вигляді. Повзучість можна оцінювати подвійно: як позитивний процес, що допомагає знижувати напруження, які виникають від термічних і усадочних процесів, і як негативне явище, наприклад, що знижує ефект від попереднього напруження арматури.

Усадка — процес скорочення розмірів бетонних елементів при їхньому перебуванні в повітряно-сухих умовах в наслідок утрати води. Усадка бетону тим вище, чим більше об'єм цементного тіста в бетоні. У середньому усадка важкого бетону складає 0,3...0,4 мм/м.

Пористість. Причина її виникнення криється в надлишковій кількості води замішування. Бетонна суміш після правильного укладання являє собою щільне тіло. При твердінні частина води хімічно зв'язується мінералами цементного клінкера (для портландцементу близько 0,2 від маси цементу), а частина, що залишилася, поступово випаровується, залишаючи після себе пори.

Водопоглинання і водопроникність. Завдяки капілярно-пористій будові бетон може поглинати вологу як при контакті з нею, так і безпосередньо з повітря. Гігроскопічне вологовбирання у важкому бетоні незначне, але в легких бетонах (особливо в ніздрюватих) може досягати відповідно 7…8 і 20..25 %.

Водопоглинання характеризує здатність бетону всмоктувати вологу в краплинно-рідкому стані; воно залежить головним чином від характеру пор. Водопоглинання тим більше, чим більше в бетоні капілярно сполучених між собою пор. Максимальне водопоглинання важких бетонів на щільних заповнювачах досягає 4...8 % за масою (10...20 % за об'ємом). У легких і ніздрюватих бетонів цей показник значно вище.

Велике водопоглинання негативно позначається на морозостійкості бетону. Для зменшення водопоглинання вдаються до гідрофобізації бетону, а також до влаштування паро- і гідроізоляції конструкцій.

Водопроникність бетону визначається в основному проникністю цементного каменю і контактної зони «цементний камінь — заповнювач»; крім того, шляхами фільтрації рідини через бетон можуть бути мікротріщини в цементному камені і дефекти зчеплення арматури з бетоном. Висока водопроникність бетону може призвести до його швидкого руйнування через корозію цементного каменю.

Для зниження водопроникності необхідно застосовувати заповнювачі належної якості (з чистою поверхнею), а також використовувати спеціальні добавки, що ущільнюють (рідке скло, хлорне залізо) чи цементи, що розширюються. Останні використовують для облаштування бетонної гідроізоляції.

За водонепроникністю бетони поділяють на марки W0,2; W0,4; W0,6; W0,8 і Wl,2. Марка означає тиск води (МПА), при якому зразок-циліндр висотою 15 см не пропускає воду при стандартних випробуваннях.

Морозостійкість — головний показник, що визначає довговічність бетонних конструкцій у нашому кліматі. Морозостійкість бетону оцінюється шляхом поперемінного заморожування при температурі мінус (18 ± 2) °С і відтавання у воді при температурі (18 ± 2)° С попередньо насичених водою зразків з бетону. Тривалість одного циклу— 5...10 год залежно від розміру зразків.

За марку по морозостійкості приймають найбільше число циклів «заморожування — відтавання», які зразки витримують без зниження міцності на стиск більше 15 % у порівнянні з міцністю контрольних зразків на початку випробувань. Установлено наступні марки бетону за морозостійкістю: F25; F35; F50; F75; F100...F1000.

Теплофізичні властивості. З них найважливішими є теплопровідність, теплоємність і температурні деформації.

Теплопровідність важкого бетону навіть у повітряно-сухому стані велика — близько 1,2...1,5 Вт/(м •0С), тобто в 1,5...2 рази вища, ніж у цегли. Тому використовувати важкий бетон у конструкціях, що огороджують, можна тільки разом з ефективною теплоізоляцією. Легкі бетони, особливо ніздрюваті, мають невисоку теплопровідність 0,1...0,5 Вт/(м•0С) і їхнє застосування в конструкціях, що огороджують, переважніше.

Теплоємність важкого бетону, як і інших кам'яних матеріалів, знаходиться в межах 0,75...0,92 Дж/(кг•К); у середньому — 0,84 Дж/(кг•К).

9.6. Легкі бетони

 

Легкі бетони (на початку XX ст. їх називали «теплі бетони») бетони з густиною менше 1800 кг/м3 — універсальний матеріал, який використовують як для огорож, так і для несучих конструкцій житлових і промислових будівель.

Свідчення їхнього застосування відомі ще в Древньому Римі. Для одержання легких бетонів тоді використовували природний заповнювач — пемзу і туф, а також бій кераміки і навіть порожні глиняні посудини. У даний час ці заповнювачі також використовують як місцевий матеріал.

Широкий розвиток легкі бетони одержали в другій половині XX ст., коли почалося масове виробництво штучних пористих заповнювачів: керамзиту, аглопориту, жужільної пемзи та ін.

З легких бетонів виготовляють більшість стінових панелей і блоків, плит покрівельних покриттів та стінових каменів. Термін «легкі бетони» поєднує велику групу різних за складом, структурою і властивостями бетонів.

Істотним недоліком важкого бетону є велика густина  - 2400...2500 кг/м3. Знижуючи густину бетону, будівельники досягають як мінімум двох позитивних результатів:

• знижується маса будівельних конструкцій;

• підвищуються їхні теплоізоляційні властивості.

За призначенням легкі бетони підрозділяють на:

  1.  конструктивні (клас міцності — В7,5...В 35; густина — 1400...1800 кг/м3);
  2.  конструктивно-теплоізоляційні (клас міцності не менше В3,0, густина — 600...1400 кг/м3);
  3.  теплоізоляційні — особливо легкі (густина < 600 кг/м3).
  4.  За будовою і способом одержання пористої структури легкі бетони підрозділяють на наступні види:
  5.  бетони щільної будови на пористих заповнювачах;
  6.  ніздрюваті бетони, у складі яких немає ні великого, ні дрібного заповнювача, а їхню роль виконують дрібні сферичні пори;
  7.  крупнопористі, в яких відсутній дрібний заповнювач, у результаті чого між частками великого заповнювача утворюються порожнечі.

Особливості технології легких бетонів пов'язані зі специфікою пористих заповнювачів: їхня густина менше густини води, поверхня часток шорсткувата, вони активно поглинають воду.

Низька густина не дозволяє ефективно використовувати традиційні бетонозмішувачі «вільного падіння». Тому для приготування легкобетонних сумішей бажано використовувати змішувачі примусового перемішування.

9.6.1. Легкі бетони на пористих заповнювачах

Пористі заповнювачі мають шорсткувату поверхню, тому зчеплення цементного каменю із заповнювачем не є слабкою ланкою легких бетонів. Цьому сприяє також хімічна активність речовини заповнювачів, що містять аморфний Si02, здатний взаємодіяти із Са(ОН)2 цементного каменя. Щільність і міцність контактної зони «цементний камінь — пористий заповнювач» пояснюють парадоксально високу водонепроникність і міцність легких бетонів на пористих заповнювачах. Для легких бетонів установлені наступні класи за міцністю (МПа) від В2 до В40. Міцність легких бетонів залежить від якості заповнювачів, марки і кількості використаного цементу. При цьому змінюється і густина бетону. Для легкого бетону встановлені 19 марок за густиною (кг/м3) від D200 до D2000 (з інтервалом 100 кг/м3). Знижена густина легких бетонів може бути досягнута поризацією цементного каменю.

Теплопровідність легкого бетону залежить від його густини й вологості (табл. 9.4). Збільшення об'ємної вологості на 1 % підвищує теплопровідність бетону на 0,015...0,035 Вт/(м•оС).

Таблиця 9.4 - Середні значення теплопровідності легких бетонів

Бетон

Теплопровідність, Вт/(м•оС),

при середній густині бетону, кг/м3 

600

800

1000

.1200

1400

1600

1800

Керамзитобетон

Перлитобетон

Шлакопемзобетон

0,2 0,15

0,25 0,22

0,3 0,28

0,4

0,35

0,35

0,5 0,4 0,4

0,6

0,45

0,5

0,7

0,55

0,6

         

Морозостійкість легких бетонів при їхній пористій структурі досить висока. Рядові легкі бетони мають морозостійкість у межах F25...F100. Для спеціальних цілей можуть бути отримані легкі бетони з морозостійкістю F200, F300 і F400.

Водонепроникність у легких бетонів висока, що збільшується в міру твердіння бетону за рахунок ущільнення контактної зони «цементний камінь — заповнювач», що є самим уразливим місцем для проникнення води в звичайному бетоні. Установлено наступні марки легких бетонів за водонепроникністю: W0,2; W0,4; W0,6; W0,8; W1; W1,2 (тиск води, МПа, при стандартних випробуваннях).

9.6.2. Ніздрюваті бетони

Ніздрюваті бетони на 60...85 % за об'ємом складаються з замкнутих пор розміром 0,2...2 мм. Ніздрюваті бетони одержують при затвердінні насиченої газовими пухирцями суміші в'яжучого, кремнеземистого компоненту і води. Завдяки високопористій структурі середня густина ніздрюватого бетону невелика —300...1200 кг/м3; він має низьку теплопровідність при достатній міцності. Бетони з бажаними характеристиками (густиноою, міцністю і теплопровідністю) порівняно легко можна одержувати, регулюючи їхню пористість у процесі виготовлення.

В'яжучим у ніздрюватих бетонах може служити портландцемент (чи вапно) із кремнеземистим компонентом. При застосуванні вапняно-кремнеземистих в'яжучих одержувані бетони називають газо- і піносилікатами.

Кремнеземистий компонент — мелений кварцовий пісок, гранульовані доменні шлаки, зола ТЕС та ін. Кремнеземистий компонент знижує витрату в'яжучого і зменшує усадку бетону. Застосування побічних продуктів промисловості (шлаків і золи) для цих цілей економічно вигідне й екологічно доцільне. Співвідношення між кремнеземистим компонентом і в'яжучим установлюється дослідним шляхом.

Для одержання ніздрюватих бетонів використовують як природне твердіння в'яжучого, так і активізацію твердіння за допомогою пропарювавння (Т= 85...90 °С) і автоклавної обробки (Т = 175 °С). Кращу якість мають бетони, що пройшли автоклавну обробку.

За способом утворення пористої структури (методу спучування в'яжучого) розрізняють: газобетони і газосилікати; пінобетони і піносилікати.

Газобетон і газосилікат одержують, спучуючи тісто в'яжучого газом, що виділяється при хімічній реакції між речовиною-газоутворювачем і в'яжучим. Найчастіше газоутворювачем служить алюмінієва пудра, яка, реагуючи з гідратом оксиду кальцію, виділяє водень:

3Са(ОН)2 + 2А1 + 6Н20 = 3СаО·А1203·6Н20 + H2

Для одержання 1 м3 газобетону потрібно 0,5...0,7 кг алюмінієвої пудри.

Пінобетони і піносилікати одержують, змішуючи тісто в'яжучого із заздалегідь приготовленою стійкою технічною піною. Для утворення піни використовують піноутворювачі: гідролізована кров тварин, клеєканіфольний піноутворювач, сульфазол тощо.

Властивості ніздрюватих бетонів визначаються їхньою пористістю, видом в'яжучого й умовами твердіння.

Для руху повітря пори ніздрюватих бетонів замкнуті, а для проникнення води — відкриті. Тому водопоглинання ніздрюватого бетону досить високе (табл. 9.5.) і морозостійкість відповідно знижена в порівнянні з бетонами щільної структури.

Таблиця 9.5 - Властивості ніздрюватих бетонів (середні показники)

Характеристики

Середня густина бетону, кг/м3

600

700

800

900

1000

1100

Міцність при стиску, МПа

2,5

3,5

5,0

7,5

10,0

15,0

Пористість, %

73

70

67

63

60

56

Водопоглинання (по обсязі), %

40

38

35

33

30

28

Теплопровідність, Вт/(м•оС):

- у сухому стані

- при вологості 8 %

0,14

0,22

0,16

0,24

0,2

0,28

0,23

0,32

0,26

0,34

0,3

0,37

Гідрофільність цементного каменю і велика пористість зумовлюють високу сорбційну вологість. Це позначається на теплоізоляційних показниках ніздрюватих бетонів (табл. 9.5.). Тому при використанні ніздрюватого бетону в огорожах, його зовнішню поверхню необхідно захищати від контакту з водою чи гідрофобізувати.

Міцність ніздрюватих бетонів залежить від їхньої середньої густини і знаходиться в межах 1,5...15 МПа. Ніздрюваті бетони і вироби з них мають гарні звукоізоляційні властивості, вони вогнестійкі й легко піддаються механічній обробці (пилянню і свердленню).

Найбільш раціональна область застосування ніздрюватих бетонів —  конструкції огорож, стіни житлових і промислових будівель:

- несущі — для малоповерхових будинків;

- що не несуть — для багатоповерхових, які мають несучий каркас.

9.6.3. Крупнопористий бетон

Одержують при затвердінні бетонної суміші з в'яжучого (звичайно портландцементу), великого заповнювача і води. Завдяки відсутності піску і зниженій витраті цементу (70...150 кг/м3), використовуваного тільки для склеювання зерен великого заповнювача, густина крупнопористого бетону на 600...700 кг/м3 нижча, ніж в аналогічному бетоні щільної монолітної будівлі.

Крупнопористий бетон доцільно виготовляти на основі пористих заповнювачів (керамзитового гравію, жужільної пемзи та ін.). У цьому разі середня густина бетону складає 500...700 кг/м3, плити з такого бетону ефективні для теплоізоляції стін і покрить будинків.

9.7. Спеціальні види бетонів

Спеціальні бетони здатні працювати в екстремальних умовах і мають властивості, не характерні для звичайних бетонів. Але при цьому їхня технологія і склад залишаються «бетонними».

Особливо важкі бетони використовують для влаштування конструкцій, що захищають людей від рентгенівського і γ-випромінювання. Для цього до складу бетону вводять заповнювачі, які містять залізо, барій та інші важкі елементи, що добре поглинають жорстке іонізуюче випромінювання. Як заповнювачі використовують залізні руди (магнетит, лимоніт), барит, металевий дріб і т.п. Густина таких бетонів досягає 4000...5000 кг/м3.

Жаростійкі бетони характеризуються здатністю зберігати у певних межах фізико-механічні властивості при тривалому впливі високих температур.

Для виготовлення жаростійких бетонів у якості в'яжучих використовують глиноземистий цемент, шлакопортландцемент і рідке скло. Заповнювачами служать металургійні шлаки, бій керамічних і вогнетривких виробів, базальт, андезит і т.п.

Жаростійкі бетони готують за звичайною технологією, а потім у процесі роботи при високих температурах вони самі перетворюються в монолітний керамічний матеріал. З таких бетонів виконують футеровку промислових печей, фундаменти доменних і мартенівських печей і т.п. Застосування жаростійких бетонів замість штучних матеріалів знижує вартість і прискорює будівництво.

Кислототривкі бетони одержують на кислототривкому цементі й кислотостійких заповнювачах. Застосовують їх на хімічних підприємствах для облицювання несучих конструкцій, влаштування бетонних підлог і т.п.

Полімерцементні бетони — цементні бетони, в які на стадії приготування суміші вводиться полімерна добавка. Добавки являють собою водяні дисперсії (емульсії, латекси) чи редісперговані сухі порошки (як сухе молоко) тих же полімерів. Вміст полімеру в полімерцементних бетонах — 5...15 % від маси цементу.

Контрольні  запитання

  1.  Розкажіть про склад бетону.
  2.  Які механічні й фізико-механічні властивості бетону?
  3.  Розкажіть про властивості бетонної суміші.
  4.  Як оцінюють міцність бетону?
  5.  Чим відрізняється клас бетону від його марочної міцності?
  6.  Чому бетон завжди має деяку пористість?
  7.  Як підбирають склад бетону?
  8.  Розкажіть про приготування бетонної суміші.
  9.  Як відбувається твердіння бетону?
  10.   Які існують способи одержання легких бетонів?
  11.   Який бетон використовують у сучасному будівництві?
  12.   У результаті чого утворюється міцність силікатної цегли?

Розділ 10. БУДІВЕЛЬНІ РОЗЧИНИ Й СУХІ БУДІВЕЛЬНІ СУМІШІ

10.1. Загальні відомості

Протягом багатьох віків архітектура й будівництво були безпосередньо пов’язані з використанням мінеральних будівельних розчинних сумішей. Вапняні штукатурні розчини відомі понад 8 тис. років, гіпсові розчинні суміші використовувалися мешканцями Вавілону близько 6 тис. років тому. В античні часи й Середньовіччя для поліпшення технічних характеристик будівельних розчинних сумішей до їх складу додавали різні добавки й присадки, наприклад, мило, смоли, яєчний білок, золу.

Сучасне будівництво пов’язане як з використанням традиційних розчинних сумішей, так і сухих модифікованих будівельних сумішей. Україна володіє багатими запасами сировинних ресурсів для виробництва сухих будівельних сумішей. Сюди можна віднести близько 30 родовищ пісків, 20 родовищ каолінів, родовища перліту в Закарпатській області, бентонітової глини в Закарпатській і Черкаській областях. Понад 20 українських підприємств виробляють необхідний для виготовлення сухих сумішей цемент, ще приблизно стільки ж підприємств  випускають товарний гіпс і вапно.

Сухі суміші вперше з'явилися на ринку України на початку 90-х років, їх адаптація у вітчизняному будівництві зайняла 5 років. На сьогодні сухі суміші практично витіснили «мокре» виробництво розчинів. Крім того, розвиток індустрії сухих сумішей сприяв виникненню нових напрямків розвитку будівельної хімії.

10.2. Будівельні розчини

Будівельним розчином називають матеріал, одержуваний в результаті затвердіння раціонально підібраної суміші в'яжучого (цемент, вапно і т.д.), дрібного заповнювача (піску) і води, а в необхідних випадках і спеціальних добавок. До затвердіння цей матеріал називають розчинною сумішшю.

Залежно від виду в'яжучого, густини і призначення прийнята наступна класифікація будівельних розчинів.

За призначенням розчини бувають:

  1.  мурувальні – для  виконання кладки з цегли, штучних каменів і блоків;  
  2.  оздоблювальні – для оштукатурювання зовнішніх і внутрішніх поверхонь конструкції;
  3.  спеціальні - декоративні, гідроізоляційні, тампонажні тощо;
  4.  монтажні – для заповнення швів між великими залізобетонними елементами будівель.

За густиною розрізняють:

  1.  

125

звичайні важкі (густина більше 1500 кг/м3), одержувані із застосуванням природних пісків щільної структури;

- легкі (густина менше 1500 кг/м3), що виготовляються на пористих заповнювачах (керамзитовий пісок, спучений перліт і т.д.).

За видом в'яжучого розчини можуть бути: цементними, вапняними, гіпсовими, цементно-вапняними, вапняно-гіпсовими.

При використанні одного виду в'яжучого розчин називають простим, двох і більше видів – складним.

10.2.1. Матеріали для виготовлення розчинних сумішей

В'яжучі речовини. Для виготовлення будівельних розчинів, як правило, застосовують портландцемент і шлакопортландцемент, будівельне вапно, гіпсову в'яжучу речовину, а також глиноземистий цемент та інші види спеціальних цементів. Для виготовлення кольорових цементно-піщаних розчинів, крім звичайного, використовують білий та кольорові портландцементи, а також природні та штучні пігменти (ГОСТ 8135, ГОСТ 12966, ГОСТ 18172).

Витрата в'яжучої речовини для будівельних розчинів становить 15...20 % загальної кількості цементів, що застосовуються для будівництва, тому скорочення витрати високомарочних цементів є досить актуальним і досягається використанням композиційних цементів. Так, при отриманні будівельних розчинів низьких та середніх марок (до М50 включно) з використанням високоактивних цементів (М400 і вище) рекомендовано вводити тонкодисперсні і тонкомелені добавки, що дозволяють зменшити витрату в'яжучих матеріалів, а також підвищити легкоукладальність, а в деяких випадках, і щільність будівельних розчинів, марка яких повинна бути в 3-4 рази більше марки розчину.

Повітряне вапно в розчинну суміш найчастіше вводять у вигляді вапняного тіста.

Піски для виготовлення будівельних розчинів повинні відповідати тим же вимогам ДСТУ, що і піски для виготовлення бетонів. Застосовують природні піски - кварцові, полевошпатні й штучні – дроблені з щільних і пористих гірських порід. Пористі піски (пемзовий, керамзитовий і т.д.) застосовують для виготовлення легких розчинів.

Найбільша крупність зерен піску для виготовлення розчинів для монтажу крупноблочних і крупнопанельних стін, а також для мурування із бутового каміння не повинна перевищувати 5 мм; для цегляного мурування — 2,5 мм; для підготовчого шару штукатурки (оббризкування) — 2,5 мм, для опоряджувального шару штукатурки (накривка) - 1,25 мм. Застосування дрібних пісків можливе лише при відповідному технікоекономічному обґрунтуванні.

Для отримання штукатурних розчинів треба застосовувати пісок з модулем крупності від 1 до 2,2. Для розчинів марок 100 і вище використовують піски, що відповідають вимогам, які ставлять до заповнювачів для бетонів.

Для декоративних розчинів застосовують миті піски, подрібнені гірські породи — мармур, граніт, а також керамічний, вугільний, пластмасовий дрібняк.

Для отримання легких розчинів використовують піски із туфів, трасів, опок пористі штучні піски: шлакові, зольні, керамзитові, аглопоритові, із спученого перліту та вермикуліту (згідно з ДСТУ Б В.2.7-17-95).

Пластифікуючі добавки в розчинну суміш вводять для збереження легкоукладальності розчинної суміші при укладанні її на пористу основу. Цегла, ніздрюватий бетон легко всмоктують у себе воду з розчинного шару, тим самим знижують легкоукладальність розчинної суміші і міцність майбутнього розчину.

Пластифікатори поділяють на неорганічні й органічні.

Неорганічні пластифікатори дозволяють одержати високоякісні, легкоукладальні, не розшаровувані розчинні суміші і збільшити міцність розчинів при невеликій витраті цементу. Функції неорганічних пластифікаторів виконують вапно, глина, зола ТЕС, діатоміт, мелений доменний шлак. Глину вводять в розчин у вигляді рідкого тіста. Витрата неорганічного пластифікатора збільшується з підвищенням частки піску. Так, для розчинів складу 1:5 (цемент:пісок) вводять 100 % пластифікатора, для розчину 1:7,5 –150 % і т.д.

Органічні пластифікатори ефективні лише для розчинів з відносно великою витратою цементу (марок 100 і вище). Передозування органічних пластифікаторів може призвести до уповільнення твердіння розчину і зниження його міцності, тому їх вводять у кількості 0,1-0,3 % від маси в'яжучого. Функції органічних пластифікаторів  виконують омилений деревний пек, каніфольне мило, милонафт, ЛСТ, СДБ та ін. Зазначені речовини здатні втягувати в розчинну суміш дрібні пухирці повітря, що додають додаткову пластичність, утворюють замкнуті пори, зменшують водопоглинання і збільшують морозостійкість розчину.

Прискорювачі твердіння додають у розчинні суміші, призначені для зимової кладки і штукатурки. Хлористий кальцій, поташ, хлорне вапно і хлористий натрій знижують температуру замерзання розчинної суміші, прискорюють твердіння суміші.

10.2.2. Властивості розчинних сумішей і затверділих розчинів

Якість розчинної суміші характеризується: рухомістю, водоутримувальною здатністю, водовідділенням та розшаруванням (ДСТУ Б В .2.7. -114-2002).

Рухомість розчинової суміші - здатність розтікатись під впливом власної маси або прикладених зовнішніх сил. Вона характеризується глибиною занурення стандартного конуса в розчинну суміш протягом певного часу (рис. 10.1).

:

Рис. 10.1 – Прилад для визначення рухомості розчинної суміші:

1 — штатив; 2 — посудина для щойно приготовленої розчинної суміші; 3 — конус масою 300 г; 4 — пусковий гвинт; 5 — шкала для відліку; 6 — ковзкий стрижень

Одним із способів підвищення рухливості розчинної суміші є збільшення вмісту води, але для забезпечення міцності розчину збільшують і витрату цементу. Більш раціональний спосіб - введення пластифікуючих добавок. У табл. 10.1 наведені марки розчинної суміші за рухомістю.

Таблиця 10.1 - Марки розчинної суміші за рухомістю

Марки розчинної суміші за рухомістю

Глибина занурення

конуса, см

Призначення розчинної суміші

П 4

Від 1 до 4 включно

Бутова кладка, ущільнення вібруванням

П 8

Вище 4 до 8 включно

Бутова кладка звичайна із порожнистої цегли і каменю, монтаж стін із крупних блоків і панелей, розшивання горизон-тальних і вертикальних швів у стінах із панелей і блоків, облицювальні роботи

П 12

Вище 8 до 12 включно

Кладка із звичайної цегли і різного ви-ду каменя, штукатурні й облицювальні роботи

П 14

Вище 12 до 14 включно

Заповнення порожнин у бутовій кладці

Водоутримувальна здатність - це здатність розчинної суміші утримувати воду при нанесенні на пористу основу чи при транспортуванні. Якщо розчинну суміш з малою водоутримувальною здатністю нанести на пористу поверхню, то розчинний шар швидко знезводниться в результаті відсмоктування води в пори. У цьому випадку затверділий розчин буде пористим і неміцним.

Чим менше водоутримувальна здатність розчинної суміші, тим імовірніше її розшарування при транспортуванні (пісок осідає вниз, вода підіймається нагору). Одним зі способів збільшення водоутримувальної здатності є введення мінеральних порошків (вапна, глини) чи загусних водорозчинних полімерних добавок (метилцелюлоза, карбоксіметилцелюлоза і т.д.).

Розшаровуваність розчінної суміші визначають порівнянням маси заповнювача у нижній і верхній частинах щойно відформованого ущільненого зразка.

Основними показниками якості затверділого розчину є міцність і морозостійкість.

Міцність будівельних розчинів характеризується маркою, зумовленою межею міцності при стиску зразків-кубів розміром 70,7x70,7x70,7мм. Випробовувані зразки твердіють на повітрі 28 діб при температурі (20±5) 0 С. За міцністю при стиску (в кгс/см2) будівельні розчини поділяють на марки: 4; 10; 25; 50; 75; 100; 150; 200. Для виготовлення розчинів марок 4; 10; 25 застосовують вапно і місцеві в'яжучі. Розчини більш відповідальних марок, як правило, одержують на змішаному вапняно-цементному, цементно-глиняному і цементних в'яжучих.

Міцність цементного розчину за умови його нанесення на щільну поверхню залежить від активності цементу і цементно-водяного відношення. Зазначену залежність описує рівняння:

R = 0,4 Rц·(Ц/В – 0,3),

де Rц- активність цементу;

    Ц/В- цементно-водяне відношення;

Для розчинів, покладених на пористу основу, міцність пов'язують у першу чергу з витратою в'яжучого:

R= k·Rц(Ц –0,05) + 4,

де Ц- витрата цементу;

    k – залежить від якості піску: для великого - 2,2; для середнього - 1,8; для дрібного –1,4.

Морозостійкість розчинів визначається кількістю циклів «заморожування і відтавання» до втрати 25 % початкової міцності (чи 5 % від маси). Розчини для кам'яної кладки зовнішніх стін і зовнішньої штукатурки мають марки за морозостійкістю F10, F15, F25, F35 і F50. З урахуванням вологих умов експлуатації марка розчину задовольняє і більш високі вимоги за морозостійкістю: F100; F150; F200; F300.

10.2.3. Підбір складу, приготування і транспортування розчинів

Підбір складу будівельного розчину виконують, виходячи з необхідної марки розчину, рухливості, призначення розчину й умов провадження робіт. Склад розчину виражається кількістю вихідних матеріалів для одержання 1м3 розчинної суміші чи співвідношенням сухих компонентів за масою або об'ємом, при цьому витрату основного в'яжучого приймають за 1. Приклад: склад будівельного розчину, в якому на 1 частину цементу приходиться 0,7 частин вапна і 6 частин піску, записується так: 1:0,7:6.

Приготування розчинних сумішей. Розчини приготовляють у вигляді готових до застосування сумішей чи у вигляді сухих сумішей, які зачиняються водою перед використанням.

Процес приготування розчинної суміші складається з дозування вихідних матеріалів, завантаження їх у барабан-розчиннозмішувач і перемішування до одержання однорідної маси в змішувачах періодичної дії з примусовим перемішуванням. За конструкцією розрізняють розчиннозмішувачі з горизонтальними і вертикальними лопатевими валами (турбулентні). Місткість по готовому замісу змішувача з горизонтальними лопостями - 30; 65; 80; 250; 900 л, турбулентного змішувача – 65; 500; 900 л. Для полегшення перемішування вапно і глину вводять в суміш у вигляді вапняного чи глиняного молока. Органічні пластифікатори попередньо  перемішують з водою протягом 30…45 с, потім завантажують основні компоненти. Середня тривалість перемішування розчинів - не менше 3 хв. У зимових умовах пісок і воду підігрівають до температури 60 оС. Перевезення будівельних розчинних сумішей здійснюють самоскидами (10 км), розчиннобетонозмішувачами. Терміни зберігання розчинних сумішей залежать від виду в'яжучого й обмежуються за зниженням легкоукладальності. Цементні розчини необхідно використовувати протягом 2...4 годин після виготовлення.

10.2.4. Види будівельних розчинів

Розчини для кам’яних кладок та монтажу виготовляють з використанням:

  1.  портландцементу та шлакопортландцементу (для монтажу стін із панелей та бетонних і цегляних блоків, для звичайної кладки);
  2.  вапна, вапняно-шлакових та вапняно-пуцоланових в’яжучих (для малоповерхового будівництва);
  3.  пуцоланових та сульфатостійких портландцементів (для конструкцій, які експлуатуються в умовах впливу агресивних середовищ).

Цементні розчини застосовують для підземного будівництва та кладки нижче гідроізоляційного шару, якщо грунт насичений водою, тобто у випадках, коли є необхідною висока міцність та водостійкість. Цементні розчини використовують в основному при зведенні фундаментів та інших конструкцій, що розташовані нижче рівня ґрунтових вод, а також для заповнення швів та стиків панелей, плит покриттів і перекриттів у збірних залізобетонних будівлях, влаштування стяжки для м'яких покрівель та підлог.

Цементно-вапняні розчини містять у своєму складі вапняне тісто, характеризуються високою легкоукладальністю, пластичністю, міцністю та морозостійкістю і використовуються для зведення підземних та надземних частин будівель.

Вапняні розчини відрізняються пластичністю і легкоукладальністю, добре зчіплюються з поверхнею, характеризуються малою усадкою, високою довговічністю, але є повільнотверднучими. Причому розчини на основі повітряного вапна використовують для надземної кладки, а на основі гідравлічного - для кладки не тільки в сухих, але й у вологих умовах.

Легкі розчини використовують для теплоізоляційної кладки і штукатурення будівельних матеріалів усіх видів, оскільки внаслідок низьких середньої густини і коефіцієнта теплопровідності вони сприяють збереженню енергії. У випадку застосування теплоізоляційних будівельних матеріалів з'єднувальні шви є провідниками холоду, і тому використання цих розчинів сприяє підвищенню термічногo опору стін (приблизно на 150 %) без зниження міцності.

Монтажні розчини виготовляють на основі портландцементу, розширного й безусадового цементів і використовують для замонолічування стиків елементів збірних залізобетонних конструкцій.

До монтажних розчинів також відносять опоряджувальні розчини - звичайні штукатурні й декоративні.

Зовнішня штукатурка виконує функцію оздоблення і вирішує завдання захисту основи від вологи, забезпечує вологообмін між будівельним елементом і зовнішнім середовищем, стійкість до дії морозу і зміни температур.

Внутрішня штукатурка виконується з розчинів на основі вапна і зумовлює мікроклімат у приміщенні.

Декоративна кам’яна штукатурка застосовується для імітації різних гірських порід і складається з портландцементу, вапняного тіста, мармурового борошна, мармурового дрібняка, слюди та пігменту.

Оздоблення декоративними розчинами дозволяє отримати гладку, бугристу або рельєфну