72528

Вяжущие материалы. Теория неорганических (минеральных) вяжущих

Лекция

Производство и промышленные технологии

Теория неорганических минеральных вяжущих В данной теме излагаются основные положения теории и основ технологии вяжущих. Различные группы вяжущих гипсовые известковые магнезиальные цементы будут изучаться в следующем семестре на лекции в курсе строительных материалов...

Русский

2014-11-24

280.5 KB

4 чел.

PAGE   \* MERGEFORMAT 1

Лекция 5 по материаловедению  (тема 4, 1-й курс)

Тема. Вяжущие материалы. Теория неорганических (минеральных) вяжущих

В данной теме излагаются основные положения теории и основ технологии вяжущих. Различные группы вяжущих (гипсовые, известковые, магнезиальные, цементы) будут изучаться в следующем семестре (на лекции в курсе строительных материалов и на практических занятиях по ТКМ). В данной лекции отдельные вяжущие приводятся лишь для иллюстрации основных положений. Отдельно в этом семестре рассматривается только портландцемент как главное строительное вяжущее (следующая лекция).

1. Определение  классификация вяжущих

Вяжущие материалы – минеральные и органические вещества и композиции, способные из жидкотекучего или пластичного состояния переходить в твердое состояние.

Строительные вяжущие материалы предназначены для скрепления (склеивания, омоноличивания) частей материала или конструкции.

По принципу применения различные вяжущие материалы (в дальнейшем – вяжущие) можно считать разновидностями неорганических или органических клеев.

По типу процессов, приводящих к отвердеванию жидкотекучей или пластичной дисперсии, вяжущие можно разделить на три вида (рис.1).

Рис.1. Схема классификации вяжущих

Гидратационные вяжущие – неорганические порошкообразные материалы, образующие после смешивания с водой (затворения) пластичное тесто, которое с течением времени постепенно самопроизвольно теряет подвижность (схватывается) и затвердевает в камень. Все гидратационные вяжущие – неорганические вещества или смеси неорганических веществ.

Различают две группы гидратационных вяжущих (см. рис.1).

Воздушные вяжущие после затворения водой схватываются и твердеют только на воздухе. При этом более прочным камень вяжущего получается в сухом воздухе.

Гидравлические вяжущие после затворения водой и кратковременного схватывания на воздухе твердеют (набирают прочность) как на воздухе, так и в воде. При этом в воде или в атмосфере насыщенного влагой воздуха камень вяжущего получатся более прочным, чем в сухом воздухе.

К воздушным вяжущим относят, например, известь и строительный гипс. Гидравлические вяжущие называют цементами. Главное строительное вяжущее – портландцемент.

При схватывании и твердении гидратационных вяжущих (как воздушных, так и гидравлических) происходят сложные физико-химические процессы: гидратация (взаимодействие с водой), образование новой твердой фазы продуктов гидратации в виде коллоидных частиц, коагуляция (слипание частиц), кристаллизация (переход аморфного коагулята в кристаллическую фазу).

Коагуляционные вяжущие, в отличие от гидратационных, схватываются и твердеют вследствие физического процесса коагуляции, т.е. слипания коллоидных частиц, из которых они состоят в исходном пластическом состоянии.

Коагуляционные вяжущие могут быть неорганическими или органическими. Наиболее известное неорганическое коагуляционное вяжущее – глина. Ее переводят в пластическое состояние затворением водой. Никаких химических взаимодействий при этом не происходит. Глина состоит из частиц размером не более 0,01 мкм, которые легко образуют с водой пластичное тесто, затвердевающее при высыхании вследствие испарения воды и слипания частиц. Глину используют в качестве вяжущего, например, в строительных растворах для кладки печей.

Пример органического коагуляционного вяжущего – нефтяной битум (природный или искусственный). Он также состоит из коллоидных мицелл с твердым ядром в центре и вязкими периферийными слоями из смол и масел. Для перевода в рабочее состояние битум разогревают. При этом уменьшается вязкость масел и смол, битум становится пластичным, а при достаточном нагреве – жидкотекучим. При остывании происходит повышение вязкости битума вплоть до отвердевания. Коллоидные мицеллы снова слипаются, достигается склеивающий или гидроизолирующий эффект. Битум используют в качестве вяжущего в асфальтобетонах, в гидроизоляционных материалах, для приклеивания мягких кровельных материалов и во многих других случаях.

Полимерные вяжущие схватываются и твердеют вследствие химического процесса полимеризации или поликонденсации. В жидкотекучем или пластичном состоянии такие вяжущие состоят обычно из смол-олигомеров (с низкой степенью полимеризации). При отвердевании повышается степень полимеризации вследствие удлинения или поперечной сшивки молекул. Процесс инициируется нагреванием или действием специальных веществ – отвердителей. Органические полимерные вяжущие используют во всех пластмассах, полимербетонах, полимерных клеях, герметизирующих мастиках.

К неорганическим полимерным вяжущим относится так называемое жидкое стекло – растворимый силикат натрия или калия. При твердении силиката образуются полимерная пространственная структура из кремнекислородных тетраэдров. Процессу полимеризации, однако, предшествует гидролиз силиката, поэтому жидкое стекло иногда относят к гидратационным воздушным вяжущим. Жидкое стекло применяют для получения кислотоупорных цементов и бетонов.

2. Гидратация неорганических вяжущих

Здесь и в дальнейшем гидратационные вяжущие будем называть неорганическими или минеральными вяжущими, поскольку сведения о коагуляционных или полимерных неорганических вяжущих исчерпываются предыдущим изложением. (Кроме того, студенты часто путают термины гидратационный и гидравлический, поэтому от первого в дальнейшем откажемся)

Химическое взаимодействие минеральных вяжущих с водой может проходить по одной из двух схем:

1. Вяжущее в порошке + вода = новообразование

2. Вяжущее в порошке + вода = новообразование1 + новообразование2

Новообразованиями в теории вяжущих принято называть химические соединения, получившиеся при взаимодействии порошка вяжущего с водой и образующие новую твердую фазу в камне вяжущего после затвердевания теста.

Первая схема – это реакция присоединения воды, собственно гидратация. По такой схеме присоединяют воду оксиды и соли, способные образовывать кристаллогидраты без разложения водой исходной соли.

Примеры

а) Гидратация строительного гипса. Строительный гипс, называемый в быту также алебастром, –  полуводный сульфат кальция общей формулы CaSO4.0,5H2O присоединяет воду по схеме:

CaSO4.0,5H2O + 1,5 H2O = CaSO4.2H2O; ΔН<0

Получившийся двугидрат и образует камень вяжущего (в данном случае – гипсовый камень).

б) Гидратация (гашение) извести. Негашеная известь – оксид кальция – при взаимодействии с водой образует гидроксид:

CaO + H2O = Ca(OH)2; ΔН<0

Вторая схема – это реакция гидролиза, т.е. разложения вещества водой. По такой схеме реагирует с водой основное вещество портландцемента – алит или трехкальциевый силикат (формула: 3CaO.SiO2 или Ca3SiO5).

2(3CaO.SiO2)+6H2O=3CaO.2SiO2.3H2O+3Ca(OH)2; ΔН<0

При гидролизе алита как соли сильного основания и слабой кислоты образуется гидросоль (гидросиликат кальция) и щелочь (гидроксид кальция). О влиянии этих веществ на свойства цементного камня – в главе о технологии портландцемента.

Все процессы взаимодействия вяжущих с водой – собственно гидратацию и гидролиз – называют процессами гидратации.

Особенности термодинамики и кинетики процессов гидратации.

Все реакции гидратации и гидролиза протекают с выделением тепла (Н<0). Это обстоятельство в практике может играть как отрицательную, так и положительную роль. Например, из-за того, что при гидратации извести выделяется очень много тепла, приходится процесс гашения извести проводить отдельно и применять уже гидратную (гашеную) известь, которая медленно твердеет и образует малопрочный камень. Тепловой эффект при гидратации портландцемента значительно меньше, но тем не менее при изготовлении бетонных конструкций большой толщины приходится также учитывать возможность расширения при нагреве в процессе твердения. В то же время, выделяющееся при гидратации цемента тепло используют, например, для предотвращения замерзания бетона на цементе во время твердения.

Процессы гидратации самопроизвольны, т.е. протекают без затраты энергии извне (G<0). Задача строителя состоит, прежде всего, в том, чтобы уложить и уплотнить материал на вяжущем (например, цементный бетон) до начала схватывания и предотвратить высыхание или замораживание уложенного материала до затвердевания. Меры, принимаемые после укладки (например, влажный прогрев) направлены не на то, чтобы цемент затвердел (он и так затвердеет), но на то, чтобы он затвердел быстрее. В других случаях (для дорожного цементобетона), наоборот, применяют меры для замедления самопроизвольного процесса схватывания и твердения в начальных стадиях (до укладки).

Растворимость новообразований всегда меньше растворимости исходного вяжущего. Это всего лишь выражение закономерности, известной из школьной химии: реакции идут в сторону образования менее растворимых веществ. При этом для воздушных и гидравлических вяжущих растворимость продуктов гидратации неодинакова. Например, гидросиликаты цементного камня практически нерастворимы, в то время как гипсовый камень имеет весьма заметную растворимость – около 2 г/л.

Процессы гидратации протекают с изменением абсолютного объема системы. В большинстве случаев объем при гидратации уменьшается (это явление называется контракция). Одно вяжущее – гипс – увеличивает объем при твердении. Контракция влияет на структурообразование и прочность камня вяжущих. В настоящее время разработаны методы, позволяющие по контракции быстро определять активность цемента. Способность гипса (точнее продуктов его взаимодействия с другими компонентами цемента) давать увеличение объема системы также используется в практике: гипс добавляют во многие виды цемента для увеличения прочности и плотности камня.

Процессы гидратации протекают в две стадии. При затворении водой порошок вяжущего частично растворяется, гидратация и гидролиз протекают в растворе по типу известных из химии ионных реакций – быстро. Это жидкостная стадия гидратации. В дальнейшем, когда  частицы покрываются слоем продуктов гидратации, взаимодействие не растворившейся части вяжущего с водой протекает в твердой фазе, медленно, так как вода должна диффундировать к месту реакции через слой новообразований. Это вторая стадия гидратации, топохимическая стадия (топохимическими называют реакции в твердой фазе). Кинетику топохимических реакций называют диффузионной, в отличие от химической кинетики жидкофазных ионных (быстрых) реакций. В частности, скорость топохимических реакций зависит от температуры гораздо меньше, чем скорость реакций в растворах или газах.

Скорость гидратации воздушных и гидравлических вяжущих разная. Для воздушных вяжущих плотность слоя новообразований на частицах исходного порошка невелика. Вода свободно диффундирует через этот рыхлый поверхностный слой. Гидратация и твердение заканчивается быстро. Например, для строительного гипса прочность определяют уже через 2 часа после затворения. Для гидравлических вяжущих, в частности, для портландцемента, слой новообразований на частицах весьма плотный. Диффузионная кинетика приводит к тому, что процесс полной гидратации растягивается до 2-3 лет. Все это время при благоприятных условиях цементные материалы набирают прочность.

Для ускорения гидратации гидравлических вяжущих можно применять повышение температуры при условии сохранения влажности твердеющего камня. Если вода испарится, то гидратация, естественно, прекратится. Наиболее распространено так называемое пропаривание – приведение твердеющего материала в контакт с влажным паром при температуре 60-90С. Указанная операция, конечно, противоречит принципу Ле-Шателье: если при реакции выделяется тепло, то повышение температуры смещает равновесие в сторону исходных веществ. Но реакции гидратации гидравлических вяжущих далеки от равновесия и протекают по диффузионной кинетике. Для воздушных вяжущих – гипса, извести, где выделяется больше тепла и реакции идут быстрее, о нагревании при твердении не может быть и речи.

Гидратация протекает тем быстрее, чем мельче частицы вяжущего – это тоже известное из химии правило для твердофазных реакций (ускорение с увеличением поверхности контакта). Например, известно, что быстротвердеющие цементы отличаются от обычных более тонким помолом.

3. Теория схватывания и твердения неорганических вяжущих.

Теория схватывания и твердения вяжущих не ограничивается изложенными выше представлениями о химических реакциях гидратации. Процесс превращения порошкообразного вяжущего в камневидное тело очень сложен, включает в себя не только химические превращения, но также физико-химические процессы – растворение, образование новой фазы, коагуляцию, кристаллизацию.

Первые представления о механизме схватывания и твердения вяжущих были предложены еще Ле Шателье. Наиболее близкая к современным воззрениям трактовка процессов твердения вяжущих дана в теории А.А.Байкова. В дальнейшем теория была развита Е.А. Шейкиным и другими российскими учеными. Основной вклад в развитие представлений о процессах перехода теста вяжущего в камень внесла физико-химическая механика П.А.Ребиндера.

В процессе схватывания и твердения минеральных вяжущих различают три периода.

1. Период растворения, или подготовительный период. Этот период наступает с момента затворения вяжущего. Частично растворяются исходные минералы  порошка. Проходит жидкостная стадия гидратации, т.е. ионные реакции в растворе. Это самая кратковременная стадия процесса схватывания и твердения.

2. Период коллоидации. Продукты гидратации (новообразования, гидраты) должны выпадать в осадок ввиду меньшей растворимости по сравнению с исходными негидратированными минералами. Однако в тесте вяжущего остаются нерастворившиеся частицы порошка. Поэтому частицы гидратов не образуются отдельно в объеме жидкости, а осаждаются на поверхности оставшихся частиц. Наличие большой поверхности осаждения приводит к образованию огромного количества зародышей новой фазы в виде коллоидных мицелл.

В результате частицы бывшего порошка, покрытые "шубой" из значительно более мелких  коллоидных частиц слипаются, образуя первоначально коагуляционную структуру, обладающую свойством тиксотропии. Количество свободных ионов в жидкой фазе резко уменьшается, химические реакции замедляются, процесс продолжается в диффузионном режиме. Кристаллики новообразований в центре мицелл постепенно увеличиваются за счет окружающих их жидких слоев. В результате получается конденсационная система, потерявшая свойство тиксотропии. Внешне это проявляется в потере тестом подвижности, т.е. происходит схватывание.

3. Период кристаллизации. П.А. Ребиндер называет контакты между частицами в конденсационной системе точечными. В дальнейшем энергетически выгодным процессом, уменьшающим свободную энергию системы, оказывается сближение частиц, замена точечных контактов фазовыми. Частицы срастаются, образуется кристаллический сросток, обязательным элементом которого являются так называемые поры геля. При этом продолжается топохимическая стадия гидратации. Доказательством того, что химические реакции протекают и в камне, является наблюдаемое выделение тепла при твердении гидравлических вяжущих.

В практике применения вяжущих первому периоду соответствует затворение, второму – схватывание, третьему – твердение (повышение прочности камня с течением времени).

Для разных вяжущих и даже для отдельных минералов одного вяжущего представленная схема процессов схватывания и твердения может несколько видоизменяться.

Для мономинеральных воздушных вяжущих, в составе которых преобладает одно вещество, все три периода могут быть реализованы за короткое время. Весь процесс протекает тем быстрее, чем меньше плотность новообразований. Если исходная форма вяжущего заметно растворима, топохимическая стадия гидратации может вообще отсутствовать.

Для полиминеральных гидравлических вяжущих, к которым относится портландцемент, картина процесса значительно усложняется. Портландцемент содержит в своем составе четыре основных минерала: два силиката, алюминат и алюмоферрит. (Гидратация главного силиката портландцемента – алита – показана в предыдущем параграфе). Три периода схватывания и твердения для названных минералов не синхронны, протекают с разной скоростью. Продукты гидролиза силикатов – гидросиликаты – не доходят до периода кристаллизации, остаются в аморфном состоянии в виде затвердевшего геля, который обволакивает сросток из кристаллов извести, гидроалюминатов, гидроферритов и других новообразований. В цементном камне длительное время остаются в виде микровкраплений частицы непрорегировавших с водой исходных минералов. Из-за малой скорости топохимической стадии процесс гидратации портландцемента может продолжаться годами. В возрасте 28 суток, когда определяют марку цемента и цементных материалов, степень гидратации равна примерно 0,7 (70 %.). Прочность камня оказывается примерно пропорциональной степени гидратации, поэтому года через два при благоприятных условиях эксплуатации, когда гидратация завершится, прочность цементного материала может оказаться процентов на 30 выше марочной.

Таким образом, камень вяжущего, полученный в результате затворения вяжущего в порошке, схватывания и твердения,  может включать в себя следующие структурные элементы:

  •  кристаллический сросток новообразований;
  •  аморфную часть (гель) незакристаллизовавшихся продуктов гидратации;
  •  микрочастицы непрорагировавших минералов исходной формы вяжущего;
  •  поры.

Поры в камне вяжущего совершенно неизбежны в соответствии с механизмом описанного структурообразования. При этом можно различить три вида пор в камне вяжущего: воздушные, капиллярные и гелевые поры. Воздушные поры – пузырьки воздуха, вовлеченные в тесто вяжущего при замесе и оставшиеся после формования и отвердевания. Капиллярные поры – каналы, по которым испаряется вода затворения, избыточная по отношению к реакциям гидратации, но необходимая для создания рабочей консистенции теста вяжущего. Гелевые поры получаются в аморфной части камня и в кристаллическом сростке в результате срастания неупорядоченно расположенных частиц, а также вследствие контракции.

По размерам воздушные поры относятся к макроструктуре, капиллярные – к микроструктуре, гелевые – к коллоидной структуре.

4. Свойства неорганических вяжущих в трех структурных состояниях

Неорганические вяжущие могут находиться в трех структурных состояниях: в виде порошка, теста или камня.

Свойства вяжущих в порошке.

Свойства (структурные характеристики) вяжущих в порошке: истинная и насыпная плотность, размер частиц и распределение массы частиц по размерам, удельная поверхность.

Истинная плотность вяжущего соответствует плотности камня без пор того же химического состава и находится в пределах 2,5… 3,5 г/см3. Числовые значения насыпной плотности различных вяжущих также близки друг к другу и составляют от 900 до 1300 кг/м3. Для портландцемента при приблизительных расчетах состава цементного материала истинная плотность принимается равной 3 г/см3, насыпная плотность – 1200 кг/м3.

Максимальный размер частиц вяжущих не должен превышать десятых долей мм, средний размер частиц порошка обычно находится в области сотых или тысячных долей мм. Чем мельче частицы вяжущего, тем больше поверхность их взаимодействия с водой, тем быстрее камень вяжущего набирает прочность после затворения. Технической характеристикой вяжущего является обычно максимальный размер частиц, определяемый ситовым анализом. Например, для портландцемента через сито № 008 (с отверстиями 0,08 мм) должно проходить не менее 85 % цементного порошка.

Поскольку определение гранулометрического состава вяжущего – трудоемкая операция, для характеристики вяжущих используют понятие удельной поверхности – поверхности развертки всех частиц в единице массы материала. Удельная поверхность определяется с помощью специальных приборов и составляет тысячи см2/г. Например, для обычного портландцемента удельная поверхность около 1500 см2/г, для быстротвердеющего и особо быстро твердеющего цемента значение удельной поверхности может доходить до 5000 см2/г.

Недостаток всех порошков вяжущих – слеживаемость. При длительном хранении даже без доступа влаги порошок цемента и других вяжущих слипается в комки. Это объясняется склонностью порошков к коагуляции, уменьшению свободной поверхностной энергии (см. п.2.5). Слеживаемость тем больше, чем мельче частицы вяжущего. Например, быстротвердеющий цемент слеживается значительно сильнее, чем обычный портландцемент.

В присутствии влажного воздуха слеживаемость усиливается, потому что происходит гидратация частиц вяжущего парами воды из воздуха. Для уменьшения слеживаемости в цемент добавляют поверхностно-активные вещества. Слежавшийся цемент иногда домалывают перед затворением. Если цемент хранился долго во влажных условиях, эта мера не принесет желаемого повышения активности.

Таким образом, вяжущее в порошке – "скоропортящийся продукт". Например, цемент сохраняет свою активность (способность давать прочный камень в соответствии с маркой) в течение 1… 2 месяцев после выпуска с завода. При хранении "навалом" в атмосфере влажного воздуха цемент еще быстрее утрачивает паспортные свойства.

Свойства теста вяжущих.

После затворения часть воды вступает в реакцию с минералами вяжущего, остальная вода затворения создает  определенную консистенцию теста. Такой свободной, не связанной в реакциях воды должно быть оптимальное количество, при котором тесто легко укладывается, хорошо уплотняется в форме и дает достаточно прочный камень.

Если количество воды меньше оптимального, тесто получается слишком "сухим", камень будет иметь повышенную воздушную пористость из-за трудностей уплотнения и недостаточную прочность. При избыточном количестве воды тесто получается жидким, долго схватывается, дает непрочный камень с большой капиллярной пористостью.

Оптимальное содержание воды в тесте выражают в процентах от массы порошка и называют водопотребностью вяжущего. Например, водопотребность портландцемента без добавок составляет 25… 28 %. Поскольку при этом получается тесто оптимальной консистенции, то эту величину называют также нормальной густотой цементного теста (НГЦТ). Водопотребность, выраженная не в процентах, а в долях, представляет собой отношение количества воды к количеству вяжущего и называется водовяжущим отношением. В случае цемента это будет водоцементное отношение (В/Ц). Например, водопотребности 28 % соответствует водоцементное отношение В/Ц = 0,28.

Водопотребность, соответствующую содержанию связанной воды, идущей на гидратацию, называют теоретической водопотребностью. Практическая водопотребность учитывает также свободную воду, создающую консистенцию теста. Свободная вода, испаряясь, оставляет поры в камне вяжущего и снижает его прочность. Поэтому чем меньше разница между практической и теоретической водопотребностью, тем прочнее получается камень вяжущего. Например, теоретическая водопотребность строительного гипса составляет 19 %, рабочая консистенция теста достигается только при 50%-ном содержании воды по отношению к сухому порошку. Теоретическая водопотребность портландцемента 21… 22 %, практическая, как отмечалось, 25… 28 %. Из этих данных можно предположить, что цементный камень, содержащий меньше свободной воды, должен быть прочнее, чем гипсовый. Это действительно так.

Таким образом, содержание воды в тесте вяжущего определяет свойства будущего камня.

Другое важное свойство теста – сроки схватывания, т.е. время от начала затворения до начала превращения теста в твердое тело. Различают начало схватывания и конец схватывания. В практике их определяют по прониканию иглы прибора Вика в тесто под определенной нагрузкой. Физически началу схватывания соответствует появление первых точечных контактов между  твердыми частицами взамен коагуляционных контактов (через прослойку жидкости). Конец схватывания наступает, когда коагуляционная система полностью заменяется конденсационной. Получается еще непрочный камень вяжущего.

По срокам схватывания различают быстросхватывающиеся и медленносхватывающиеся вяжущие. При быстром схватывании начало и конец измеряются минутами. Для медленносхватывающихся вяжущих начало схватывания может также измеряться минутами, но конец схватывания наступает через несколько часов. У строительного гипса начало схватывания обычно около 4…5 минут, окончание – 30 минут. Это быстросхватывающееся вяжущее. Для портландцемента – начало схватывания – не ранее 45 минут, окончание – не позднее 10 часов. Практически начало схватывания цемента может наступить позже (часа через два), а конец раньше – через 6… 8 часов.

После того как схватывание закончилось, начинается процесс твердения камня.

Свойства камня вяжущих

Твердением называют увеличение прочности камня во времени. При этом скорость твердения зависит как от природы вяжущего, так и от условий, в которых происходит твердение. Для затвердевшего вяжущего могут быть определены все свойства, характерные для любого твердого строительного материала. Поскольку многие вяжущие применяются в конструкционных материалах, к их главным свойствам относится прочность.

Из предыдущего изложения следует, что прочность камня вяжущего (Rкв) зависит, в частности, от степени гидратации (α) и водовяжущего отношения (В/Вяж):

Rкв = φ(α, В/Вяж)

Степень гидратации (полнота протекания реакций гидратации) – изменяется от 0 в начале затворения до 1 при завершении процесса гидратации. Степень гидратации определяется временем, условиями твердения, природой вяжущего и реакциями его взаимодействия с водой.

Водовяжущее отношение – величина, которая имеет оптимальное числовое значение для каждого вяжущего. При оптимальном В/Вяж прочность камня максимальна. При значениях В/Вяж меньше оптимального прочность уменьшается за счет увеличения воздушной пористости в связи с трудностью укладки рассыпчатого теста. При значениях В/Вяж больше оптимального прочность уменьшается за счет увеличения капиллярной  пористости, образовавшейся при испарении свободной воды.

В практике прочность вяжущего характеризуется маркой. Условия определения марки по прочности для вяжущих определены стандартами.

Например, для определения марки строительного гипса изготовляют образцы-балочки размером 4 х 4 х 16 см, которые формуют из теста нормальной густоты и испытывают через 2 часа после затворения на изгиб и сжатие. Марки гипсовых вяжущих обозначают буквой Г и цифрой, указывающей прочность на сжатие (в МПа) стандартных образцов, полученных в стандартных условиях (Г-2, Г-3, Г-4, …).

Марка портландцемента характеризуется цифрой, показывающей прочность (в кгс/см2) стандартных образцов-балочек, изготовленных из цементно-песчаного раствора состава 1 : 3 (на одну часть цемента три части стандартного  песка по массе) и твердевших в нормальных условиях в течение 28 суток. Обычный портландцемент выпускают марок 300, 400, 500, 550 и 600. Подробности определения марок вяжущих изложены в ГОСТах и лабораторных практикумах.

Прочность и другие свойства камня вяжущего зависят от его состава, который в свою очередь определяется составом сырья и технологией производства.

5. Регулирование процессов схватывания и твердения неорганических вяжущих

В практике применения вяжущих большое значение имеет время от начала затворения до получения прочного камня вяжущего, т.е. не только сроки схватывания, но и время, за которое материал набирает требуемую прочность. В одних случаях схватывание и твердение желательно ускорить, в других – наоборот, замедлить.

Можно назвать четыре группы способов регулирования схватывания и твердения минеральных вяжущих.

  •  Изменение водовяжущего отношения. При его уменьшении схватывания и твердение ускоряется, при увеличении этого отношения – замедляется. Это, однако, не самый удобный способ регулирования сроков схватывания и твердения, потому что он в сильной степени влияет на прочность и консистенцию смеси, на ее способность уплотняться в изделии.
  •  Изменение тонкости помола порошка вяжущего. Как уже отмечалось, с уменьшением размера частиц увеличивается их поверхность соприкосновения с водой, что ускоряет гидратацию, схватывание и твердение. Увеличение размера частиц, грубый помол приводит к обратному результату, вплоть до потери вяжущих свойств крупными частицами.
  •  Изменение температуры при схватывании и твердении. Повышение температуры ускоряет схватывание и твердение вяжущих в том случае, если процесс без повышения температуры идет медленно и если не слишком велик тепловой эффект процесса гидратации, что характерно для гидравлических вяжущих. При этом температуру нельзя повышать до 100˚С, так как при этом испаряется вода, и процесс гидратации прекращается. Снижение температуры замедляет все процессы. При минусовой температуре гидратация также прекращается (вода замерзает) и, более того, может разрушаться образовавшийся камень из-за того, что объем льда больше объема жидкой воды при той же массе.
  •  Лучшим способом регулирования процессов схватывания и твердения является применение специальных добавок. С помощью добавок можно влиять на указанные процессы в отдельности – только на схватывание или только на твердение, а также, например, замедлять схватывание, но ускорять твердение, или наоборот. Механизм действия добавок может быть различным. Например, электролиты могут влиять на растворимость исходной формы вяжущего или на растворимость новообразований. В зависимости от этого, схватывание (или твердение, или то и другое) может ускоряться или замедляться. Добавки поверхностно-активных веществ, адсорбирующихся на частицах вяжущего, препятствуют проникновению воды к поверхности и поэтому обычно замедляют схватывание. Существуют добавки – «затравки», ускоряющие начало схватывания. Часто применяют комплексные добавки, например, электролита и поверхностно-активного вещества. Подробнее действие различных добавок рассматривается в курсе строительных материалов в разделе «Бетоны».

6. Принципы технологии вяжущих и изделий на их основе

Технология вяжущих, т.е. получение порошка неорганического вяжущего, битума или полимера не может быть выражена одной схемой, так как представляет собой химическую технологию, где операции зависят от природы веществ.

Получение неорганических вяжущих относится к обжиговым технологиям и может быть разделено на три основных группы процессов (технологических операций): 1) подготовка сырья – приготовление сухой смеси для обжига (дробление одной или нескольких горных пород из которых получается вяжущее, смешение с добавками); 2) обжиг (всегда сопровождается химическими превращениями); 3) помол продукта обжига в порошок (из предыдущего изложения должно быть ясно, что вяжущее применяется всегда в порошке).

Получение материалов и изделий, в которых вяжущее выступает в роли клея, более или менее сходно для всех типов вяжущих – минеральных и органических (рис.2)

Рис.2 Блок-схема получения материалов и изделий на вяжущих.

Получение материалов и изделий по приведенной схеме чрезвычайно распространено. Можно сказать, что большинство строительных материалов, изделий и даже конструкций получается с применением вяжущих. Для практики строительства наибольшее значение имеют материалы на вяжущих, называемые бетонами. В конструкционных бетонах применяется главное строительное вяжущее – портландцемент.

Следующая лекция, а также лабораторная работа будут посвящены исключительно портландцементу, в теоретическом и практическом плане.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84354. Измерение и сравнение длины предметов. Знакомство со старинными мерами длины 5.24 MB
  Предметные результаты: Продолжить формирование умений измерять и сравнивать длину предметов различными мерами длины закреплять умение сравнивать длины предметов различными способами развитие глазомера внимания памяти.
84356. Нации и межнациональные отношения 75 KB
  Тип урока комбинированный Используемые технологии: личностно-ориентированного обучения и воспитания развитие ключевых компетентностей учащихся; проблемного обученияпроблемный вопрос: стихотворение Кострова; дебаты Этническое многообразие богатство или беда России...
84357. Правоохранительные органы 50.5 KB
  Цели урока: Образовательная: познакомить учащихся с правоохранительными органами их функциями; учить пользоваться правовой терминологией а также различать в какую структуру должен обратиться гражданин для защиты своих прав; Развивающая: продолжить формирование умения вести дискуссию аргументировать...
84358. Деление двузначного числа на однозначное 25.31 KB
  Цели урока: содействовать закреплению знаний по теме Деление суммы на число, развивать умение применять эти знания при решении примеров и задач; совершенствовать вычислительные навыки; умение осуществлять перенос ранее усвоенных знаний в новые условия...
84359. Глобальная компьютерная сеть Интернет 746.5 KB
  Цели и задачи: Общеобразовательные учащиеся должны освоить основные базовые понятия информатики: Интернет, браузер, поисковые системы, общение в сети Интернет, усвоить виды браузеров и их назначение, усвоить примеры поисковых систем и их назначение.
84360. Осевая симметрия 39.94 KB
  Цели: Образовательные Закрепить понятия о симметричных предметах и геометрических фигурах. Дать понятие о предметах и геометрических фигурах, симметрично расположенных относительно оси симметрии. Коррекционные Развивать предметно – практическую деятельность.
84361. Здоровье всему голова 23.25 KB
  Цель мероприятия: ознакомить детей с новыми понятиями качество товара потребитель срок годности товара; учить детей правильно совершать покупки; способствовать воспитанию в детях чувства гордости за кубанскую продукцию.
84362. Страна изучаемого языка и моя страна 54 KB
  Цель урока: Формирование навыков устно-речевого общения речевой деятельности через речевые ситуации связанные со страной изучаемого языка и родной страной. Цель которую ставит учитель: ориентировать учащихся на речевую деятельность создать атмосферу иноязычного общения через речевую ситуацию знакомство...