Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
--------------- page: 1 -----------
Г. И. ГОРЧАКОВ
СТРОИТЕЛЬНЫЕ
1981
--------------- page: 2 -----------
ББК 38.3
Г67
УДК 691
Рецензенты:
кафедра «Строительные материалы» Горьковского
инженерно-строительного института им. В. П. Чкалова
(зав. кафедрой проф. Г. JI. Баженов);
д-р техи, наук, проф. А. В. Нехорошее
Горчаков Г. И.
Г67 Строительные материалы. Учебник для студентов вузов. —
М.: Высш. школа, 1981. —412 с. ил.
В пер.: 1 р. 10 к.
Книга отличается от ранее изданных учебников высоким иаучным уровнем.
Установление количественных зависимостей между структурными характернстнкпми
^СТ"Т^"°-Тех"ИЧеСКИМН свойствами материала использовано для управления
Долговечностью и другими показателями качества. Впервые осуще-
™ математизаиия курса строительных материалов на базе модели строения
строительного мЖГиЛпЬ0ЙСТВ‘ СистематизиР°ванное изложение теоретических основ
строительного материаловедения служит для лучшего усвоения сведений поикляп.
бое внимааКнТиГуделеноТолСи пеЙШИХ строительных материалов и изделий. Оса-
снижеиию расхода топлива^ и “нерп™*8 * °беСПе,енни Д"~вечяостн конструкций.
Предназначается для студентов инженерно-строительных вузов.
30209-026
001(01)—81 1,3-81 3203000000
© Издательство «Высшая школа», 1981
ПРЕДИСЛОВИЕ
Курс «Строительные материалы» в учебном плане подготовки
инженеров-строителей является базисным для специальных дисциплин: архитектуры, технологии строительного производства, железобетонных конструкций, конструкций из дерева и пластмасс, экономики и организации строительства и др.
Учебник составлен применительно к программе курса «Строительные материалы» для строительных специальностей вузов, утвержденной Учебно-методическим управлением по высшему образованию Минвуза СССР.
Настоящий учебник соответствует требованиям методологического обучения, воспитывающего у будущего специалиста стремление и умение самостоятельно обобщать информацию, пополнять и
обновлять свои знания. Весь учебный материал изложен на базе общих связей внутреннего строения и свойств твердых тел. Качество
строительного материала всегда определяется его структурой. При
необходимости получить материал с заданными свойствами нужно
создать внутреннюю структуру, обусловливающую требуемые технические характеристики. На этой методологической основе объединено изучение многообразных неорганических и органических строительных материалов.
Зависимости между структурой и свойствами рассматриваются с
помощью моделей строения и свойств материалов. В результате изложение материала доходчиво и позволяет осуществить рациональную математизацию курса, необходимую для прогнозирования
свойств материалов.
Теоретические вопросы излагаются с использованием законов
и фундаментальных данных из смежных дисциплин: физики, химии,
сопротивления материалов, минералогии.
Потребовалось ввести в учебник элементы теории композиционных материалов, поскольку большинство строительных материалов
(бетоны, растворы, пластмассы и др.) структурно неоднородны. Их
изучение на единой основе теории композитов необходимо для усвоения принципов создания новых эффективных материалов.
Введен раздел по контролю качества и стандартизации материалов, отвечающий установке на повышение эффективности и качества продукции. Расширены физико-химические основы курса,
необходимые для понимания процессов твердения вяжущих веществ,
регулирования свойств материалов и их защиты от коррозии. Дается
представление о реологии дисперсных систем, являющейся научной
основой разнообразных способов изготовления изделий и конструкций.
Построение учебника обусловлено программой курса и принятой
классификацией. Каждый раздел объединяет определенную группу
3
--------------- page: 3 -----------
материалов, что позволяет выявить общие закономерности формирования их структуры и свойств.
Во всех разделах учебника даются сведения об основных направлениях технического прогресса в области строительных материалов,
определенные решениями XXV съезда КПСС и последующими постановлениями партии и правительства. Особое внимание уделяется
повышению качества и эффективности материалов, снижению материалоемкости и трудоемкости строительства, повышению производительности труда. Рассматривается комплексное использование побочных продуктов промышленности (шлаков, зол и др.) в связи с
требованиями охраны окружающей среды. Показана эффективность
применений в индустриальном строительстве крупноразмерных конструкций полной заводской готовности с привлечением данных конкретной экономики. Особое внимание уделено роли материала в
обеспечении долговечности строительных конструкций и экономии
топливно-энергетических ресурсов. Учебник предназначен для студентов инженерно-строительных специальностей вузов, а также может быть использован инженерно-техническими работниками строительства и промышленности строительных материалов.
Автор выражает глубокую признательность коллективу кафедры
«Строительные материалы» Горьковского инженерно-строительного
института (зав. кафедрой проф. Г. Л. Баженов) и проф., д-ру техн.
наук А. В. Нехорошеву за ценные замечания и пожелания, сделанные ими при рецензировании.
Автор
ВВЕДЕНИЕ
Содержание предмета «Строительные материалы» охватывает:
получение материалов оптимального строения, имеющих требуемые свойства, определение области и условий их рационального применения в строительстве. Без этих сведений нельзя правильно выбрать и применить материалы, предназначенные для различных
частей.сооружения, а если потребуется, то и целенаправленно изменить свойства материала.
Основой строительства служат строительные материалы. Затраты
на материалы составляют более половины общей стоимости строительно-монтажных работ и около одной трети капитальных вложений в народное хозяйство СССР. Производство строительных материалов связано с добычей и переработкой огромных количеств
сырья (более 2 млрд. т ежегодно). Только на минеральные строительные материалы приходится более 25% общих грузовых перевозок железнодорожным транспортом и более 57% речным транспортом СССР. Снижение массы материалов позволяет сократить
транспортные затраты, укрупнить конструкции, уменьшить трудоемкость и стоимость строительства. Каждый процент снижения затрат
на строительные материалы ежегодно экономит более 400 млн. руб.
Промышленность строительных материалов получила значительное развитие уже в 1928—1940 гг., когда были реконструированы
действующие предприятия и построены десятки новых заводов по
производству вяжущих материалов, кирпича, стекла, рубероида, асбестоцементных и других изделий.
Для быстрого развития производства строительных материалов
в послевоенный период исключительно важное значение имели постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР по вопросам строительства. В них предусматривается расширение выпуска новых эффективных строительных материалов, легких крупноразмерных конструкций улучшенного качества с высокой степенью заводской
готовности, обеспечивающих повышение уровня индустриализации,
снижение материалоемкости и стоимости строительства.
Советский Союз опередил развитые капиталистические страны
по выпуску ряда важнейших строительных материалов. Еще в
1962 г. СССР по производству цемента обогнал США и вышел на
первое место в мире по производству сборного железобетона, асбестоцементных листовых материалов и труб, оконного стекла и др.
XXV съезд КПСС наметил дальнейшее увеличение объема производства строительных материалов в десятой пятилетке в 1,3 раза.
Основной задачей в капитальном строительстве является повышение
эффективности капитальных вложений на базе индустриализации,
означающей перевод строительства на непрерывный процесс комплексной механизированной сборки зданий и сооружений из укруп-
&
--------------- page: 4 -----------
ненных готовых конструкций и узлов заводского изготовления.
Поэтому развиваются домостроительные и сельские строительные
комбинаты, а также предприятия по производству прогрессивных
облегченных строительных конструкций и изделий.
Основным материалом современного строительства является
сборный железобетон — универсальный и долговечный материал.
Общий объем его производства возрос в 1980 г. до 135 млн. м3, а качественные показатели будут совершенствоваться за счет снижения
объемной массы, совмещения бетона с полимерными и другими специальными материалами.
В промышленности строительных материалов предпочтение отдается менее энергоемким технологиям. Например, развивается сухой способ производства портландцемента, сокращающий затраты
энергии в 1,5—2 раза по сравнению с мокрым способом. Для охраны
окружающей среды и экономии топливно-энергетических ресурсов
большое значение приобретает безотходное производство строительных материалов, включающее комплексную переработку побочных продуктов промышленности: металлургических шлаков, зол
ТЭС и шламов — в вяжущие вещества, заполнители для бетона,
теплоизоляционные материалы. Эффективная теплоизоляция необходима для снижения расхода топлива и уменьшения потерь энергии
при эксплуатации зданий, промышленного оборудования и трубопроводов.
Быстро возрастает производство полимерных строительных материалов и изделий. Особенно эффективны легкие конструкции из
стеклопластиков, полимерные материалы для полов, санитарно-тех-
ническое^ оборудование, трубопроводы из пластмасс, теплоизоля-*
ционные, лакокрасочные и другие долговечные материалы.
Широкое применение в строительстве получают клееные деревянные конструкции, эффективные изделия из стекла, керамики, асбестоцемента и др.
В учебнике отражены достижения науки и техники в области
строительных материалов, в частности плодотворно использовано
учение о связи состава и внутреннего строения материала с его
свойствами. Теория твердения портландцемента и формирования
структуры цементного камня изложена на основе новейших сведений, содержащихся в трудах VI и VII Международных конгрессов
по химии цемента. Для оценки групповой пористости бетона использованы предложенные автором формулы. Развитая теория строения бетона позволила объяснить физический смысл закона прочности и особенности деформативных свойств, уяснить главные факторы, определяющие проницаемость и морозостойкость. На этой
теоретической основе рассмотрены новые способы придания бетону
специальных свойств, включая совмещение его с полимерами, дисперсное армирование и др.
Введены в учебник и новые прогрессивные теплоизоляционные
материалы: минераловатные твердые плиты на синтетическом связующем, стеклопор, пенопласты, наполненные стеклопором, и др.
Потребовалось ввести также специальный, раздел, посвященный
6
акустическим материалам и изделиям, написанный в соответствии с
новыми нормативными документами.
Изложена элементарная теория полимерных волокнистых композитов, позволяющая понять принципы создания новых легких конструкционных материалов с нужными физико-механическими свойствами.
Из числа лакокрасочных материалов более подробно рассмотрены полимерные, эмульсионные красочные составы, не требующие
затрат природного пищевого сырья. Освещены термостойкие покрытия на основе кремнийорганических полимеров.
За годы Советской власти промышленность строительных материалов и изделий превратилась в крупную отрасль индустрии, располагающую механизированными и автоматизированными предприятиями, квалифицированными кадрами и крупной научной
базой.
1
--------------- page: 5 -----------
РАЗДЕЛ 1
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Глава 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
§ 1. Работа строительных материалов в конструкции,
их классификация
Всякая конструкция воспринимает те или иные нагрузки и подвергается действию окружающей среды.
Нагрузки вызывают деформации и внутренние напряжения в материале, поэтому проектирование зданий и сооружений требует
точных характеристик прочностных и деформативных свойств применяемых материалов, называемых механическими свойствами.
Кроме прочности строительные материалы должны обладать
стойкостью, т. е. способностью сопротивляться физическим и химическим воздействиям среды: воздуха и содержащихся в нем паров
и газов, воды и растворенных в ней веществ, колебаниям температуры и влажности, совместному действию воды и мороза при многократном замораживании и оттаивании.
Исходя из условий работы материала в сооружении, Н. А. Попов
разделил строительные материалы по назначению на две группы.
Первую группу составляют материалы универсального типа, пригодные для несущих конструкций: 1) природные каменные материалы; 2) искусственные каменные материалы: а) получаемые на основе вяжущих веществ без обжига (бетоны, строительные растворы); б) получаемые обжигом минерального сырья (керамические
материалы и изделия, стекло, ситаллы); 3) металлы (сталь, чугун,
алюминий, сплавы); 4) конструкционные пластмассы (стеклопластики и др.); лесные материалы.
Вторая группа объединяет строительные материалы специального назначения, необходимые для защиты конструкций от вредных
влияний среды, а также для повышения эксплуатационных свойств
зданий и создания комфорта: 1) теплоизоляционные материалы;
2)
рующие; 4) отделочные; 5) антикоррозионные; 6) огнеупорные.
§ 2. Классификация и стандартизация свойств
Основные и специальные свойства строительных материалов
можно разделить на следующие группы с учетом тех воздействий
на материалы, которые встречаются в эксплуатационных условиях:
8
параметры состояния и структурные характеристики, определяющие технические свойства: химический, минеральный и фазовый
состав; удельные характеристики массы (плотность и объемная
масса) и пористость; дисперсность порошкообразных материалов;
физические свойства: реологические свойства пластично-вязких
материалов; свойства гидрофизические, теплофизические, акустические, электрические, определяющие отношение материала к различным физическим процессам; стойкость против физической коррозии (морозостойкость, радиационная стойкость, водостойкость);
механические свойства, определяющие отношение материала к
деформирующему и разрушающему действию механических нагрузок (прочность, твердость, упругость, пластичность, хрупкость
и др.);
химические свойства: способность к химическим превращениям,
стойкость против химической коррозии;
долговечность и надежность.
Свойства материалов оценивают числовыми показателями, устанавливаемыми путем испытаний в соответствии со стандартами,
В СССР создана единая государственная система стандартизации,
которая позволяет применять стандартизацию во всех отраслях народного хозяйства. Тем самым обеспечивается эффективность дей-1
ствия стандартов как одного из средств ускорения научно-технического прогресса и повышения качества продукции.
Система органов и служб стандартизации представлена общесоюзным органом по стандартизации (Государственный комитет
стандартов Совета Министров СССР) и его службами — службой
стандартизации в отраслях народного хозяйства, службой стандартизации в союзных республиках. В зависимости от сферы действия
стандарты делят на четыре категории: государственные (ГОСТ),
отраслевые (ОСТ), республиканские (РСТ) и стандарты предприятий (СТП).
Государственные стандарты — это обязательный документ для
всех предприятий, организаций и учреждений, независимо от их
ведомственной подчиненности, во всех отраслях народного хозяйства СССР и союзных республик. В соответствии с постановлением
Совета Министров СССР их утверждает Госстандарт, а стандарты
в области строительства и строительных материалов — Государственный комитет СССР по делам строительства (Госстрой СССР),
Особо важные государственные стандарты (по специальному перечню) утверждает Совет Министров СССР.
В области строительных материалов и изделий наиболее распространены стандарты: технических условий; технических требований; типов изделий и их основных параметров, методов испытаний; правил приемки, маркировки, упаковки, транспортирования и хранения.
Стандарпы технических требований нормируют показатели качества, надежности и долговечности продукции, ее внешний вид.
Вместе с тем такие стандарты устанавливают гарантийный срок
службы и комплектность поставки изделий. Большинство стандар9
--------------- page: 6 -----------
тов на строительные материалы и изделия — это стандарты технических требований. Значительная часть требований в стандартах
связана с физико-механическими характеристиками материалов
(объемной массой, водопоглощением, влажностью, прочностью, морозостойкостью).
Одна из особенностей государственной системы стандартизации
в строительстве и технологии строительных изделий состоит в том,
что кроме стандартов здесь действует система нормативных документов, объединенная в Строительные нормы и правила (СНиП).
СНиП — это свод общесоюзных нормативных документов по проектированию, строительству и строительным материалам, обязательный для всех организаций и предприятий.
Методическую основу стандартизации размеров в проектировании, изготовлении строительных изделий и при возведении сооружений составляет Единая модульная система (ЕМС). Эта система
представляет собой совокупность правил координации размеров
элементов зданий и сооружений, строительных изделий и оборудования на базе основного модуля, равного 100 мм (обозначается
1М). Применение ЕМС позволяет унифицировать и сократить число типоразмеров строительных изделий. Это обеспечивает взаимозаменяемость деталей, выполненных из разных материалов или
отличающихся по конструкции. Изделия и детали одинаковых типоразмеров, изготовленные в соответствии с требованиями ЕМС, могут быть использованы в зданиях разнообразного назначения.
В Единую модульную систему входят и производные модули, которые получают путем умножения основного модуля на целые или
дробные коэффициенты. При умножении на целые коэффициенты
образуются укрупненные модули, а при умножении на коэффициенты менее единицы — дробные модули (табл. 1).
Производные укрупненные модули (60М, ЗОМ, 12М) и кратные
им размеры рекомендуется применять для назначения продольных
и поперечных шагов зданий. Модули 6М, ЗМ, 2М предназначены
для членения конструктивных элементов в плане зданий, назначения
ТаблицаI
Размеры модулей в ЕМС
Обозначение
Размер, мм
Обозначение
Размер, мм
Производные укрупненные модули
Производные дробные модули
1М
2М
100
1М
100
ЗМ
200
1/2М
50
6М
300
1/5М
20
12М
600
1/ЮМ
10
15М
1200
1/20М
5
ЗОМ
1500
1/50М
2
60М
3000
6000
1/100М
1
10
ширины проемов. Основной модуль 1М и дробные модули от 1/2М
до 1/20М применяют для назначения размеров сечения относительно малых элементов (колонн, балок и т. д.). Наиболее мелкие
дробные модули (от 1/10М до 1/100М) используют для назначения
толщин плитных и листовых материалов, ширины зазоров, допусков.
Созданные в СССР Строительные нормы и правила имеют большое международное значение. Решением Постоянной комиссии СЭВ
по строительству СНиП взят за основу унифицированных норм и
правил в области строительства для всех стран — членов СЭВ.
Работы по стандартизации в интернациональном масштабе проводятся специально созданной в 1947 г. Международной организацией по стандартизации (ИСО). Деятельность ИСО, как указано в
ее уставе, имеет целью содействовать благоприятному развитию
стандартизации во всем мире для того, чтобы облегчить международный обмен товарами и развивать взаимное сотрудничество в
области научной, технической и экономической деятельности. Кроме ИСО активную работу в области международной стандартизации
и социалистической экономической интеграции проводят Совет
Экономической Взаимопомощи и его Международный институт по
стандартизации.
§ 3. Связь строения и свойств
Знание строения строительного материала необходимо для понимания его свойств и в конечном итоге для решения практического
вопроса, где и как применить материал, чтобы получить наибольший
технико-экономический эффект.
Строение материала изучают на трех уровнях: 1) макроструктура материала — строение, видимое невооруженным глазом; 2) микроструктура материала — строение, видимое в оптический микроскоп; 3) внутреннее строение веществ, составляющих материал, на
молекулярно-ионном уровне, изучаемом методами рентгено-струк-
турного анализа, электронной микроскопии и т. п.
Макроструктура твердых строительных материалов* может быть
следующих типов: конгломератная, ячеистая, мелкопористая, волокнистая, слоистая, рыхлозернистая (порошкообразная).
Искусственные конгломераты — это обширная группа, объединяющая бетоны различного вида, ряд керамических и других материалов.
Ячеистая структура характеризуется наличием макропор, свойственных газо- и пенобетонам, ячеистым пластмассам.
Мелкопористая структура свойственна, например, керамическим
материалам, поризованным способами высокого водозатворения и
введением выгорающих добавок.
Волокнистая структура присуща древесине, стеклопластикам,
изделиям из минеральной ваты и др. Ее особенностью является рез-
*
ды имеют собственную геологическую классификацию.
11
--------------- page: 7 -----------
кое различие прочности, теплопроводности и других свойств вдоль
и поперек волокон.
Слоистая структура отчетливо выражена у рулонных, листовых,
плитных материалов, в частности у пластмасс со слоистым наполнителем (бумопласта, текстолита и др.).
Рыхлозернистые материалы — это заполнители для бетона, зернистые и порошкообразные материалы для мастичной теплоизоляции, засыпок и др.
Микроструктура веществ, составляющих материал, может быть
кристаллическая и аморфная. Кристаллические и аморфные формы
нередко являются лишь различными состояниями одного и того же
вещества. Примером служит кристаллический кварц и различные
аморфные формы кремнезема. Кристаллическая форма всегда более
устойчива. Чтобы вызвать химическое взаимодействие между кварцевым песком и известью, в технологии силикатного кирпича применяют автоклавную обработку отформованного сырца насыщенным
водяным паром с температурой не менее 175°С и давлением 0,8 МПа.
Между тем трепел (аморфная форма двуокиси кремния) вместе с
известью после затворения водой образует гидросиликат кальция
при нормальной температуре 15—25°С. Аморфная форма вещества
может перейти в более устойчивую кристаллическую форму.
Практическое значение для природных и искусственных каменных материалов имеет явление полиморфизма — когда одно и то же
вещество способно существовать в различных кристаллических
формах, называемых модификациями. Наблюдаются, например,
полиморфные превращения кварца, сопровождающегося изменением объема.
Особенностью кристаллического вещества является определенная температура плавления (при постоянном давлении) и определенная геометрическая форма кристаллов каждой его модификации.
Свойства монокристаллов неодинаковы в разных направлениях.
Это механическая прочность, теплопроводность, скорость растворения, электропроводность и др. Явление анизотропии является следствием особенностей внутреннего строения кристаллов.
В строительстве применяют поликристаллические каменные материалы, в которых разные кристаллы ориентированы беспорядочно.
Подобные материалы рассматриваются как изотропные по своим
строительно-техническим свойствам. Исключение составляют слоистые каменные материалы (гнейсы, сланцы и др.).
Внутреннее строение веществ, составляющих материал, определяет механическую прочность, твердость, тугоплавкость и другие
важные свойства материала.
Кристаллические вещества, входящие в состав строительного
материала, различают по характеру связи между частицами, образующими пространственную кристаллическую решетку. Она может
быть образована: нейтральными атомами (одного и того же элемента, как в алмазе, или разных элементов, как в S1O2); ионами (разноименно заряженными, как в СаС03, или одноименными, как в металлах); целыми молекулами (кристаллы льда).
12
Ковалентная связь, осуществляемая обычно электронной парой,
образуется в кристаллах простых веществ (алмаз, графит) И в кристаллах некоторых соединений из двух элементов (кварц, карборунд,
другие карбиды, нитриды). Такие материалы выделяются очень высокой механической прочностью и твердостью, они весьма тугоплавки.
Ионные связи образуются в кристаллах тех материалов, в которых связь имеет преобладающе ионный характер. Распространенные
строительные материалы этого типа гипс и ангидрид имеют невысокую прочность и твердость, не водостойки.
В сложных кристаллах, часто встречающихся в строительных
материалах (кальцит, полевые шпаты), осуществляются и ковалентная, и ионная связи. Внутри сложного иона С03~2 связь ковалентная, но сам он имеет с ионами Са+2 ионную связь. Свойства подобных материалов весьма разнообразны. Кальцит СаС03 при достаточно высокой прочности обладает малой твердостью. У полевых
шпатов сочетаются довольно высокие показатели прочности и твердости,, хотя и уступающие кристаллам алмаза с чисто ковалентной
связью.
Молекулярные кристаллические решетки и соответствующие им
молекулярные связи образуются преимущественно в кристаллах тех
веществ, в молекулах которых связи являются ковалентными. Кристалл этих веществ построен из целых молекул, которые удерживаются друг около друга сравнительно слабыми ван-дер-ваальсовыми
силами межмолекулярного притяжения (как в кристаллах льда).
При нагревании связи между'молекулами легко разрушаются, поэтому вещества с молекулярными решетками обладают низкими температурами плавления.
Силикаты, занимающие особое место в строительных материалах, имеют сложную структуру, обусловившую их особенности. Так,
волокнистые минералы (асбест) состоят из параллельных силикатных цепей, связанных между собой положительными ионами, расположенными между цепями. Ионные силы слабее ковалентных связей внутри каждой цепи, поэтому механические воздействия, недостаточные для разрыва цепей, разделяют такой материал на волокна. Пластинчатые минералы (слюда, каолинит) состоят из силикатных групп, связанных в плоские сетки.
Сложные силикатные структуры построены из тетраэдров Si04,
связанных между собой общими вершинами (общими атомами кислорода) и образующих объемную решетку. Это дало основание рассматривать их как неорганические полимеры.
§ 4. Связь состава и свойств
Строительный материал характеризуется химическим, минеральным и фазовым составом.
Химический состав строительных материалов позволяет судить о
ряде свойств материала: огнестойкости, биостойкости, механических
и других технических характеристиках. Химический состав неорга13
--------------- page: 8 -----------
нических вяжущих веществ (цемента, извести и др.) и каменных
материалов удобно выражать количеством содержащихся в них окислов (в %). Основные и кислотные окислы химически связаны между
собой и образуют минералы, которые и определяют многие свойства материала.
Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в вяжущем веществе или в каменном материале. Например, в портландцементе содержание трехкальциевого силиката (ЗСаО-ЭЮг) составляет 45—60%, причем при большем его
количестве ускоряется твердение, повышается прочность цементного
камня.
Фазовый состав материала и фазовые переходы воды, находящейся в его порах, оказывают влияние на все свойства и поведение
материала при эксплуатации. В материале выделяют твердые вещества, образующие стенки пор, т. е. «каркас» материала, и поры,
заполненные воздухом и водой. Если вода, являющаяся компонентом этой системы, замерзает, то образовавшийся в порах лед изменяет механические и теплотехнические свойства материала. Увеличение же объема замерзающей в порах воды вызывает внутренние
напряжения, способные разрушить материал при повторных циклах
замораживания и оттаивания.
Глава 2
ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ И СТРУКТУРНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
§ 1. Параметры состояния
Плотность р (г/см3, кг/м3) — масса единицы объема абсолютно
плотного материала. Если масса материала т, а его объем в плотном СОСТОЯНИИ Ка, ТО
р = m/V&.
Относительная плотность выражает плотность материала по отношению к плотности воды (это безразмерная величина).
За немногими исключениями (металлы, стекло, мономинералы)
строительные материалы пористы. Объем пористого материала в естественном состоянии (т. е. вместе с заключенными в нем порами)
Ve слагается из объема твердого вещества Ка и объема пор Va
(рис. 1)
V^VR + VU.
Перед определением объема пор пробу материала высушивают в
сушильном шкафу при температуре 105°С до постоянной массы,
т, е. до полного удаления гигроскопической влаги. Подготовленную
пробу помещают в герметически закрытый сосуд, из которого откачивают воздух, и в вакууме насыщают материал жидкостью. Объем
и
жидкости, полностью заполнившей поровое пространство, равен
объему пор в пробе материала. В качестве замещающей жидкости
применяют воду и керосин (для цементных материалов). Для точных измерений объема пор используют сжиженный гелий, учитывая
его сверхтекучесть и способность проникать в тонкие поры. Зная
объем материала в естественном состоянии и определив
объем заключающихся в нем
пор, находят объем, занимаемый веществом Ка=Уе—Vm и
вычисляют плотность по приведенной выше формуле.
Стандартный метод определения плотности и пористости
материалов (бетона, кирпича и
др.) предусматривает измельчение предварительно высушенной пробы в порошок, проходящий через сетку с отверстиями 0,25 мм. Абсолютный
объем Уа навески т порошка
измеряют с помощью пикнометра: его принимают равным
объему вытесненной порошком
жидкости. Плотность вычисляют по формуле (1).
Объемная масса у (г/см3,
кг/м3) есть масса единицы объема материала в естественном состоянии (объем Ve определяется вместе с порами):
Т = mlV*.
Значения объемной массы данного материала в сухом у и влажном состояниях ув связаны соотношением
7 = 7в/(1+^м).
где Wm — количество воды в материале, доли от его массы.
Объемная масса пористых материалов всегда меньше их плотности. Например, объемная масса легкого бетона — 500—1800 кг/м3,
а его плотность — 2600 кг/м 3.
Объемная масса строительных материалов колеблется в очень
широких пределах: от 15 (пористая пластмасса — мипора) до
7850 кг/м3 (сталь).
Основные свойства распространенных строительных материалов
даны в табл. 2.
Объемная насыпная масса -ун — масса единицы объема рыхло насыпанных зернистых или волокнистых материалов (цемента, песка,
гравия, щебня, гранулированной минеральной ваты и т. п.). Например, плотность известняка — 2700 кг/м3, его объемная масса —
Уе*1
‘
Va
1
f I
!'
I
Va
Vtofl
VtOi
Рис. 1. Схема составных частей пористого материала:
Va — абсолютный объем; Ve — объем в естественном состоянии (с порами); У'вод — объем
воды; Илоэ — объем воздуха; Vn — объем пор
15
--------------- page: 9 -----------
Таблица 2
Основные свойства строительных материалов
(в воздушно-еудом состоянии)
Наименование материала
Плотность,
г/см®
Объемная
масса, г/смя
Пористость,
%
Теплопроводность ,
Вт/(м-'°С)
Бетой:
тяжелый
2,6
2,4
10
1,16
легкий
2,6
1,0
61,5
0,35
ячеистый
2,6
0,5
81
0,2
Кирпич:
обыкновенный
2,65
1,8
32
0,8
0,55
пустотелый
2,65
1,3
51
Природные камни:
гранит
2,7
2,67
1,4
2,8
вулканический туф
Стекло:
2,7
1,4
52
0,5
оконное
2,65
2,65
0,0
0,58
пеностекло
2,65
0,30
88
0,11
Полимерные материалы:
2,0
2,0
0,0
0,5
стеклопластик
мипора (вспененный по1,2
0,015
98
0,03
лимер)
Древесные материалы:
сосна
1,53
0,5
67
0,17
древесноволокнистая
1,5
0,2
86
0,06
плита
2500 кг/м3, а объемная насыпная масса известнякового щебня—•
1300 кг/м3. По этим данным можно вычислить пористость известняка и пустотность щебня, пользуясь приведенными ниже формулами.
§ 2. Структурные характеристики
Строение пористого материала характеризуется общей, открытой
и закрытой пористостью, распределением пор по их радиусам, сред*
ним радиусом пор и удельной внутренней поверхностью пор.
Пористость П есть степень заполнения объема материала по*
рами:
п = VjVe.
Пористость выражают в долях от объема материала, принимае*
мого за 1, или в % от объема.
Экспериментальный (прямой) метод определения пористости ос*
нован на замещении порового пространства в материале сжиженным гелием или другой средой и описан выше.
Экспериментально-расчетный метод определения пористости использует найденные опытным путем значения плотности и объемной массы высушенного материала (р и у), входящие в формулу для
вычисления пористости (в %)
Я-(1_Л-)100.
46
Пористость строительных материалов колеблется в широких пре-
делах: от 0 до 98% (табл. 2).
Коэффициент плотности &Пл — степень заполнения объема материала твердым веществом:
^пл ~ 'T/P*
В сумме П+кПл = 1 (или 100%), т. е. высушенный материал
можно представить состоящим из твердого каркаса, обеспечивающего прочность, и воздушных пор.
Открытая пористость П0 равна отношению суммарного объема
всех пор, насыщающихся водой, к объему материала Ve:
уу _ m2 ml 1
Ке РН„0 ’
где mi и т2 — масса образца соответственно в сухом и насыщенном
водой состоянии.
Открытые поры материала сообщаются с окружающей средой и
могут сообщаться между собой, поэтому они заполняются водой при
обычных условиях насыщения, например при погружении образцов
материала в ванну с водой. Открытые поры увеличивают проницаемость и водопоглощение материала и ухудшают его морозостойкость.
Закрытая пористость П3 равна:
Я3 = Я —Я0.
Пористый материал обычно содержит и открытые, и закрытые
поры; увеличение закрытой пористости за счет открытой повышает
его долговечность. Однако в звукопоглощающих материалах и изделиях умышленно создается открытая пористость и перфорация,
необходимые для поглощения
звуковой энергии.
Распределение пор по размерам характеризуется: а) интегральной кривой распределения
объема пор по их радиусам в единице объема материала (рис. 2);
б) дифференциальной кривой
распределения объема пор по их
радиусам (рис. 3).
Ртутная порометрия позволяет определить размер (радиус)
пор и объем пор каждого размера, а также оценить форму пор.
Ртуть не смачивает большинство
неорганических строительных материалов и проникает в поры
Л-ИШЬ ПОД ДеИСТВИеМ приложен- Пунктиром показана кривая гистерезиса)
ДаИление ртути, МПа
1,5 1 5 10 51 Ш МО 1
Радиус пустот и пор, мт
Рис. 2. Интегральные кривые распределения пор по радиусам
17
--------------- page: 10 -----------
ного давления; при повышении давления ртуть будет проникать во
все более мелкие поры, что видно из следующего уравнения:
Pd = — 4а cos б,
где Р — прилагаемое давление; d — диаметр пор; о — поверхностное натяжение ртути; 0 — краевой угол смачивания ртути и анализируемого материала.
Рис. 3. Дифференциальная кривая Рис. 4. График зависимости между
распределения пор по радиусам
размером пор
Уравнение показывает, что при нулевом избыточном давлении
несмачивающая жидкость не будет проникать в поры. Диаметр пор
для определенного давления получают из приведенного уравнения,
правая часть которого для данного материала величина постоянная.
На рис. 4 приведено соотношение между давлением и диаметром
пор.
Интегральные кривые распределения пор по их размерам приведены на рис. 2 для четырех различных материалов: по оси х отложены радиусы пор, а по оси у — объем пор данного размера (он равен объему заполняющей их ртути). Кривая 1 характерна для материалов с большим объемом крупных пустот размером более
10 мкм. Гистерезис (на кривой 1) показывает, что поры имеют «бутылочную» форму и некоторый объем ртути в них остается после
снятия давления. Кривая 2 получена для порошка с большим объемом пустот (4—6 мкм) между зернами. Наоборот, для материала.?
характерна мелкая пористость. Кривая 4 характерна для материала
с однородной структурой с порами 0,02—0,04 мкм.
В современных поромерах измерение пористости автоматизировано, и результат выдается в готовом виде в цифровой и графической формах.
Дифференциальная кривая распределения объема пор Va по их
оазмерам (см. рис. 3):
= / (г)
dr
\а
dV n
где —1 — тангенс угла наклона касательной к интегральной кри-
dr
вой.
Площадь под дифференциальной кривой (на рис. 3 заштрихована) равна суммарному объему пор в единице объема материала.
Удельную поверхность порового пространства вычисляют, используя средний условный радиус пор, или определяют прямыми
адсорбционными методами (по адсорбции водяного пара, азота и
другого инертного газа).
Удельная поверхность S (см2/г) пропорциональна массе m адсорбированного водяного пара (или газа), необходимой для полного
покрытия мономолекулярным слоем всей внутренней поверхности
пор (в 1 г на 1 г сухого материала):
где at — поверхность, покрываемая одной адсорбированной молекулой. Для молекулы воды ai = 10,6-10-16 см2; А/-=6,06• IО23 — число
Авогадро; М — молекулярная масса адсорбированного газа (для
водяного пара М=18).
Все свойства материала определяются его составом и строением
и прежде всего величиной и характером пористости. Это видно из
данных табл. 2, в которой попарно сопоставлены плотные и пористые материалы, имеющие в основном общий химический состав.
Глава 3
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
§ 1. Гидрофизические свойства
Гигроскопичностью называют свойство капиллярно-пористого
материала поглощат^ водяной пар из влажного воздуха. Поглощение влаги из воздуха обусловлено полимолекулярной адсорбцией
водяного пара на внутренней поверхности пор и капиллярной конденсацией. Этот физико-химический процесс называется сорбцией и
является обратимым. Древесина, теплоизоляционные, стеновые и
другие пористые материалы обладают развитой внутренней поверхностью пор и поэтому высокой сорбционной способностью.
С повышением давления водяного пара (т. е. с увеличении относительной влажности воздуха при постоянной температуре) возрастает сорбционная влажность данного материала (рис. 5). Согласно эмпирическому уравнению Фрейндлиха количество адсорбированного газа
а = kp1/n ,
где р — давление газа при достижении равновесия; k и п — эмпирические параметры, постоянные для данных адсорбента и газа при
определенной температуре.
19
--------------- page: 11 -----------
В логарифмических координатах это уравнение выражается отрезком прямой
lg а = lg k + — lg p.
п
Кривая, выражающая зависимость количества адсорбируемого
газа от давления, после насыщения внутренней поверхности пор
стремится к прямой, параллельной оси абсцисс (точка А на рис. 5).
Дальнейшее увеличение гигроскопической влажности материала происходит
вследствие капиллярной конденсации.
В узких капиллярах материала, который
хорошо смачивается водой (древесина,
кирпич, бетон и т. п.), мениск всегда будет вогнутым и давление насыщенного
пара под ним будет ниже, чем над плоской поверхностью. В результате пар,
не достигший давления насыщения по
отношению к плоской поверхности, может
быть пересыщенным по отношению к жидкой фазе в тонких капиллярах и будет
конденсироваться в них. Вследствие процессов адсорбции и капиллярной конденсации водяного пара из атмосферы влажность пористых строительных материалов даже после их длительной выдержки в воздухе достаточно велика. Так, равновесная влажность воздушно-сухой древесины составляет 12—18%, стеновых материалов 5—7% по массе.
Увлажнение сильно увеличивает теплопроводность теплоизоляции,
поэтому стремятся предотвратить увлажнение, покрывая плиты
утеплителя гидроизоляционной пленкой.
Капиллярное всасывание воды пористым материалом происходит, когда часть конструкции находится в воде. Так, грунтовые воды
могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть стены здания. Чтобы не было сырости в помещении, устраивают гидроизоляционный слой, отделяющий фундаментную часть конструкции
стены от ее надземной части.
Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия воды в материале, количеством поглощенной воды и интенсивностью
всасывания.
Высоту h поднятия жидкости в капилляре определяют по формуле Жюрена
h = 2 a cos 0/(rpg),
где а—поверхностное натяжение; 0 — краевой угол смачивания;
г — радиус капилляра; р — плотность жидкости; g — ускорение свободного падения.
Поры в бетоне и других материалах имеют неправильную форму
и изменяющееся поперечное сечение, поэтому приведенная формула
годна лишь для качественного рассмотрения явления; высоту всасы20
ДаВление пара (газа)РА' Р
Рис. 5. Изотерма адсорбции
(при р>рЛ круто поднимается
вверх вследствие капиллярной
конденсации)
вания воды определяют, применяя метод «меченых атомов», либо
по изменению электропроводности материала.
Объем воды, поглощенный материалом путем капиллярного всасывания за время t, в начальной стадии подчиняется параболическому закону
V*- = Kt,
где К — константа всасывания.
Уменьшение интенсивности всасывания (т. е. значения К) отражает улучшение структуры материала (например, бетона) и повышение его морозостойкости.
Водопоглощение пористых материалов (бетона, кирпича и др.)
определяют по стандартной методике, выдерживая образцы в воде.
Температура используемой воды должна быть 20±2°С. Водопоглощение, определяемое погружением образцов материала в воду, характеризует в основном открытую пористость, так как вода не проникает в закрытые поры. К тому же при извлечении образцов из
ванны вода частично вытекает из крупных пор, поэтому водопоглощение обычно меньше пористости. Например, пористость легкого
бетона может быть 50—60%, а его водопоглощение составляет 20—
30% объема.
Водопоглощение определяют по объему и массе.
Водопоглощение по объему (%) —степень заполнения объема материала водой:
w _ тв — тс. юо
где тв — масса образца материала, насыщенного водой, г; тс —
масса образца в сухом состоянии, г.
Водопоглощение по массе Wa (%) определяют по отношению к
массе сухого материала
WM = т°- 100.
тс
Разделив почленно на W0/WM, получим (%)
причем объемная масса сухого материала у выражается по отношению к плотности воды (безразмерная величина).
Водопоглощение различных материалов колеблется в широких
пределах: гранита —0,02—0,7%, тяжелого плотного бетона —2—
4%, кирпича —8—15%, пористых теплоизоляционных материалов —
100% и больше. Водопоглощение по массе высокопористых материалов может быть больше пористости, но водопоглощение по объему никогда не может превышать пористость.
Водопоглощение используют для оценки структуры материала,
привлекая для этой цели коэффициент насыщения пор водой kn,
равный отношению водопоглощения по объему к пористости:
ka = WjI7.
Коэффициент насыщения может изменяться от 0 (все поры в материале замкнутые) до 1 (все поры открытые), тогда W0 = n.
21
--------------- page: 12 -----------
Уменьшение ka (при той же пористости) свидетельствует о сокращении открытой пористости, что обычно проявляется в повышении
морозостойкости.
Водопоглощение отрицательно влияет на основные свойства материала: увеличивается объемная масса, материал набухает, его
теплопроводность возрастает, а прочность и морозостойкость понижаются.
Коэффициент размягчения kp — отношение прочности материала, насыщенного водой Яв, к прочности сухого материала Rc
kp — RB/RC.
Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала, он изменяется от 0 (размокающие глины и др.) до 1 (металлы и др.). Природные и искусственные каменные материалы не
применяют в строительных конструкциях, находящихся в воде, ес*
ли их коэффициент размягчения меньше 0,8.
Водопроницаемость — это свойство материала пропускать воду
под давлением.
Коэффициент фильтрации k$ (м/ч) характеризует водопроницаемость материала
£ф = VBa/[S {pi — p^t],
где йф=Ув — количество воды, м3, проходящей через стенку площадью 5 = 1 м2, толщиной а— 1 м за время t= 1 ч при разности
гидростатического давления на границах стенки рх—р2= 1 м вод. ст.
Коэффициент фильтрации имеет размерность скорости.
Водонепроницаемость материала (бетона) характеризуется маркой, обозначающей одностороннее гидростатическое давление
(в кгс/см2), при котором бетонный образец-цилиндр не пропускает
воду в условиях стандартного испытания. Между коэффициентом
фильтрации и маркой по водонепроницаемости имеется определенное соотношение: чем ниже /?ф, тем выше марка по водонепроницаемости.
С водопроницаемостью борются в строительстве гидротехнических сооружений, резервуаров, коллекторов, при возведении стен
подвалов. Стремятся применять достаточно плотные материалы с
замкнутыми порами, устраивают гидроизоляционные слои, экраны.
Газо- и паропроницаемость. При возникновении у поверхностей
ограждения разности давления газа происходит его перемещение
через поры и трещины материала. Поскольку материал имеет мак-
ро- и микропоры, перенос газа может происходить одновременно
вязкостным и молекулярным потоками, которые подчиняются соответственно законам Пуазейля и Кнудсена.
Использование закона Дарси — Пуазейля при небольших перепадах давлений, когда можно пренебречь изменением плотности газа, приводит к упрощенной формуле для определения массы газа
Vp (плотностью р), прошедшего через стенку площадью 5 и толщиной а за время t при разности давлений на гранях стенки Ар:
Vp = krStAp/a.
22
Отсюда можно определить коэффициент газопроницаемости
Гг/(м-ч-Па)]
kr ь= aVp/(StAp).
При определении коэффициента газопроницаемости объем проходящего газа приводят к нормальным условиям.
Стеновой материал должен обладать определенной проницаемостью. Тогда стена будет «дышать», т. е. через наружные стены будет происходить естественная вентиляция, что особенно важно для
жилых зданий, в которых отсутствует кондиционирование воздуха.
Поэтому стены жилых зданий, больниц и т. п. не отделывают материалами, задерживающими водяной пар. Наоборот, стены и покрытия влажных производственных помещений необходимо защищать
с внутренней стороны от проникновения водяного пара. В зимнее
время внутри теплых помещений (текстильных фабрик, коммунальных предприятий, коровников, свинарников и т. п.) в 1 м3 воздуха
содержится водяного пара значительно больше, чем снаружи, поэтому пар стремится пройти через стену или покрытие. Попадая в
холодную часть ограждения, пар конденсируется, резко повышая
влажность в этих местах. Создаются условия, способствующие
быстрому разрушению материала (легкого бетона, кирпича) наружной ограждающей конструкции при действии мороза.
Паронепроницаемые материалы должны располагаться с той
стороны ограждения, с которой содержание водяного пара в воздухе больше.
В ряде случаев необходима практически полная газонепроницаемость; это относится к емкостям для хранения газов, а также
к специальным сооружениям, внутреннее пространство которых
должно быть защищено от проникновения зараженного воздуха
(например, газоубежища).
Паро- и газопроницаемость в большой степени зависят от структуры материала (объемной массы и пористости) (табл. 3).
Влажностные деформации. Пористые неорганические и органические материалы (бетоны, древесина и др.) при изменении влажности изменяют свой объем и размеры.
Таблица 3
Относительные значения паро- и газопроницаемости
(за 1 принята проницаемость кнрпнча)
Материал
Объемная
масса, кг/м*
Пористость, %
Огносителы
паропрони-
цаемости
|ые значения
газопроницаемости
Кирпич глиняный
1800
31
1
1
Легкий бетон
1800
31
0,8
0,9
Кирпич трепельный
1100
58
2,2
4,2
Известняк
2000
23
0,7
1,2
Бетон на гравии
2200
15
0,25
0,1
23
--------------- page: 13 -----------
Усадкой (усушкой) называют уменьшение размеров материала'
при его высыхании. Она вызывается уменьшением толщины слоев
воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних,
капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала.
Набухание (разбухание) происходит при насыщении материала
водой. Полярные молекулы воды, проникая в промежутки между
частицами или волокнами, слагающими материал, как бы расклинивают их, при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц, исчезают внутренние мениски, а с ними и капиллярные силы.
Чередование высыхания и увлажнения пористого материала,,
часто встречающееся на практике, сопровождается попеременными
деформациями усадки и набухания. Такие многократные циклические воздействия нередко вызывают появление трещин, ускоряющих разрушение. В подобных условиях находится бетон в дорожных покрытиях, в наружных частях гидротехнических сооружений.
Высокопористые материалы (древесина, ячеистые бетоны), способные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой::
Вид материала
Древесина (поперек волокон)
Ячеистый бетон
Строительный раствор
Кирпич глиняный
Тяжелый бетон
Гранит
Усадка возникает и увеличивается, когда из материала удаляется вода, находящаяся в гидратных оболочках частиц и в мелких
порах. Испарение воды из крупных пор не ведет к сближению частиц материала и практически не вызывает объемных изменений.
Морозостойкость — свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание. Морозостойкость материала количественно оценивается маркой по морозостойкости. За марку материала по морозостойкости принимают
наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы материала без снижения
прочности на сжатие более 15%; после испытания образцы не должны иметь видимых повреждений — трещин, выкрашивания (потери
массы — не более 5%). От морозостойкости зависит долговечность
строительных материалов в конструкциях, подвергающихся действию атмосферных факторов и воды.
Марка по морозостойкости устанавливается проектом с учетом
вида конструкции, условий ее эксплуатации и климата. Климатические условия характеризуются среднемесячной температурой наибо->
лее холодного месяца и числом циклов попеременного замораживания и оттаивания по данным многолетних метеорологических на*
блюдений.
Легкие бетоны, кирпич, керамические камни для наружных стен
зданий обычно имеют морозостойкость Мрз 15, Мрз 25, Мрз 35. Однако бетон, применяемый в строительстве мостов и дорог, должен
24
иметь марку Мрз50, МрзЮО
•и Мрз200, а гидротехнический бетон — до Мрз500.
Рассмотрим причины
разрушения пористого материала под влиянием совместного действия на него
воды и мороза. Для примера
возьмем материал, находящийся в ограждающей конструкции. Осенью наружная
часть стены промерзает.
В это время происходит миграция (перемещение) пара
«от тепла к холоду», т. е. пар
стремится наружу, поскольку его давление при отрицательной температуре ниже, чем при положительной. Например, давление пара при +20°С составляет 2,33 кПа, а при—10°С оно равно
только 0,27 кПа. Стремясь выйти наружу, водяной пар попадает в зону низких температур и конденсируется в порах возле наружной грани стены. Таким образом, поры наружной промерзающей части
стены оводняются (рис. 6), причем вода прибывает сюда как снаружи (дождь с ветром), так и изнутри (миграция водяного пара).
При наступлении даже небольших морозов (от —5 до —8°С) вода
в крупных порах замерзает и при переходе в лед увеличивается в
объеме на 9% (плотность льда 0,918). Если коэффициент насыщения водой хотя бы части пор приблизится к 1, то в стенках пор
возникнут большие растягивающие напряжения. Разрушение начинается обычно в виде «шелушения» поверхности бетона, затем оно
распространяется вглубь.
Воздействие на бетон попеременного замораживания и оттаивания подобно многократному воздействию повторной растягивающей
нагрузки, вызывающей усталость материала.
Испытание морозостойкости материала в лаборатории проводят
на образцах установленной формы
и размеров (бетонные кубы, кирпич
и т. п.). Перед испытанием образцы
насыщают водой. После этого водонасыщенные образцы замораживают в холодильной камере при температуре от —15 до —20°С, чтобы замерзла вода в тонких порах. Извлеченные из холодильной камеры образцы оттаивают в воде с температурой 15—20°С, что обеспечивает
водонасыщенное состояние образцов.
Циклы зторожибония и атаикния
Рис. 7. Кривая изменения прочности бетона при попеременном замораживании и оттаивании
1 2
Рис. 6. Распределение температуры в наружной стене здания (а) и заполнение поры
водой (б), выделенной вблизи фасадной
грани:
I — адсорбированная вода; 2 — устье поры; 3—
дождевая вода; 4 — конденсат
25
--------------- page: 14 -----------
Для оценки морозостойкости все шире применяют физические
методы контроля и прежде всего импульсный ультразвуковой метод.
С его помощью можно проследить изменение прочности или модуля
упругости бетона в процессе циклического замораживания (рис. 7)
и определить марку бетона по морозостойкости в циклах замораживания и оттаивания, число которых соответствует допустимому снижению прочности (AR) или модуля упругости (ДЕ).
§ 2. Теплотехнические свойства
Теплопроводностью называют свойство материала передавать
тепло от одной поверхности к другой. Это свойство является главным как для большой группы теплоизоляционных материалов, так
и для материалов, применяемых для устройства наружных стен и
покрытий зданий.
О 250 500 750 1000 1250 1500 1750 W00 2250 2500
Одммная масса, ив/м3
Рис. 8. Зависимость теплопроводности неорганических материалов
от объемной массы:
1 — сухие материалы; 2 и 3 — воздушно-сухне материалы с разной влажностью; 4 — материалы, насыщенные водой
Тепловой поток проходит через твердый «каркас» и воздушные
ячейки пористого материала. Теплопроводность воздуха [А,=0,023
Вт/(м-°С)] меньше, чем у твердого вещества, из которого состоит
«каркас» строительного материала. Поэтому увеличение пористости
материала является основным способом уменьшения теплопроводности. Стремятся создавать в материале мелкие закрытые поры,
чтобы снизить количество тепла, передаваемого конвекцией и излучением.
На практике удобно судить о теплопроводности по объемной
массе материала (рис. 8). Известна формула В. П. Некрасова, связывающая теплопроводность X [Вт/(м-°С)] с объемной массой каменного материала \0б, выраженной по отношению к воде:
\= 1,16^0,0196 + 0,22т|б — 0,16.
26
Точное значение X определяют для данного материала экспериментально.
Влага, попадающая в поры материала, увеличивает его теплопроводность, так как теплопроводность воды (0,58 Вт/(м-°С) в
25 раз больше, чем теплопроводность воздуха. Замерзание воды в
порах с образованием льда еще более увеличивает X, так как коэффициент теплопроводности инея равен 0,1, а льда — 2,3 Вт/(м-°С),
т. е. в 4 раза больше, чем воды. При повышении температуры теплопроводность большинства материалов возрастает и лишь у немногих (металлов, магнезитовых огнеупоров) она уменьшается.
Теплоемкость определяется количеством тепла, которое необходимо сообщить 1 кг данного материала, чтобы повысить его температуру на 1°С. Теплоемкость неорганических строительных материалов (бетонов, кирпича, природных каменных материалов) изменяется в пределах от 0,75 до 0,92 кДж/(кг-°С). Теплоемкость сухих
органических материалов (например, древесины) — около
0,7 кДж/(кг-°С), вода имеет наибольшую теплоемкость —
1
теплоемкость возрастает.
Показатели теплоемкости разных материалов нужны для теплотехнических расчетов.
Огнеупорность — свойство материала выдерживать длительное
воздействие высокой температуры (от 1580°С и выше), не размягчаясь и не деформируясь. Огнеупорные материалы применяют для
внутренней футеровки промышленных печей.
Тугоплавкие материалы размягчаются при температуре выше
1350°С.
Огнестойкость — свойство материала сопротивляться действию
огня при пожаре в течение определенного времени. Она зависит от
сгораемости материала, т. е. от его способности воспламеняться и
гореть.
Несгораемые материалы — это бетон, кирпич, сталь и др. Однако необходимо учитывать, что некоторые несгораемые материалы
при пожаре растрескиваются (гранит) или сильно деформируются
(металлы) при температуре, начиная с 600°С. Поэтому конструкции
из подобных материалов нередко приходится защищать более огнестойкими материалами.
Трудносгораемые материалы под воздействием огня или высокой
температуры тлеют, но после прекращения действия огня их горение и тление прекращается (асфальтобетон, пропитанная антипиренами древесина, фибролит, некоторые пенопласты).
Сгораемые органические материалы, которые горят открытым
пламенем, необходимо защищать от возгорания. Широко используют конструктивные меры, исключающие непосредственное воздействие огня на материал в условиях пожара. Применяют защитные
вещества — антипирены.
Коэффициент линейного температурного расширения бетона и
стали 10-10_6СС-1, гранита —10-10~6OC_1, дерева —20-10_6°С_!.
При сезонном изменении температуры окружающей среды и мате-
27
--------------- page: 15 -----------
риала на 50°С относительная температурная деформация достигает
0,5-10-3 или 1-10"3, т. е. 0,5— 1 мм/м. Во избежание растрескивания сооружения большой протяженности разрезают деформационными швами.
Глава 4
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
§ 1. Деформативные свойства
Упругостью твердого тела называют его свойство самопроизвольно восстанавливать первоначальную форму и размеры после
прекращения действия внешней силы. Упругая деформация полностью исчезает после прекращения действия внешней силы, поэтому
ее принято называть обратимой.
Пластичностью твердого тела называют его свойство изменять
форму и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь, причем после прекращения действия силы тело не может самопроизвольно восстановить свои размеры и форму, и в теле остается некоторая остаточная деформация, называемая пластической деформацией.
Пластическую, или остаточную, деформацию, не исчезающую
после снятия нагрузки, называют необратимой.
Основными характеристиками деформативных свойств строительного материала являются: модуль упругости (Юнга), коэффициент Пуассона, модуль сдвига, объемный модуль упругости (модуль всестороннего сжатия), предельные деформации (растяжения,
сжатия и др.), ползучесть. Другие характеристики могут определяться для специальных условий нагружения.
Рассмотрим связь строения и деформативных свойств материала.
Внешние силы, приложенные к телу, вызывают изменение межатомных расстояний, отчего происходит изменение размеров деформируемого тела на величину А1 в направлении действия силы '(при
сжатии — укорочение, при растяжении — удлинение).
Относительная деформация е равна отношению абсолютной деформации А/ к первоначальному линейному размеру I тела:
е = Д///.
Деформация происходит вследствие удаления или сближения
атомов, причем смещения атомов пропорциональны деформации
тела.
На частицы, из которых состоит твердое тело, одновременно
действуют силы притяжения и силы отталкивания: кулоновская сила притяжения разноименных ионов и сила отталкивания электронных оболочек (рис. 9, а). Результирующая сила F, равная сумме
сил притяжения и отталкивания, изменяется в зависимости от межатомного расстояния. Ее изменение можно наглядно представить,
28
используя пружинную модель межатомных сил (рис. 9, б). Когда
твердое тело не нагружено, межатомное расстояние остается постоянным (хотя атомы совершают непрерывные колебания) и результирующая сила равна нулю. При превышении равновесного межатомного расстояния (растяжение стержня) атомы находятся под
действием сближающей силы. Наоборот, если расстояние между
Ри. 9. Схема сил взаимодействия между атомами:
а — межатомные силы в зависимости от расстояния между атомами; б — пружинная
модель; 1 — сила притяжения; сила отталкивания; 3 — результирующая сила
атомами уменьшается (сжатие стержня), то возникает отталкиваю-
dF
щая сила сжатой пружины (см. рис. 9, б). Наклон производной
в точке О связан с величиной модуля упругости и по существу закон Гука является приближенным соотношением, отражающим характер межатомных взаимодействий в диапазоне упругих деформаций.
Модуль упругости Е (модуль Юнга) связывает упругую деформацию е и одноосное напряжение а линейным соотношением, выражающим закон Гука
е = а/Е.
При одноосном растяжении (сжатии) напряжение определяется по формуле o — P/F, где Р — действующая сила; F — площадь
первоначального поперечного сечения элемента.
Модуль упругости представляет собой меру жесткости материала. Материалы с высокой энергией межатомных связей (они плавятся при высокой температуре) характеризуются и большим модулем упругости (табл.4).
Механические свойства материала характеризуются диаграммой
деформаций, построенной на основании результатов испытания в
координатах «напряжение — относительная деформация» (а—е).
29"
--------------- page: 16 -----------
Таблица 4
Зависимость модуля упругости Е от температуры плавления ?пл материала
Материал
£•10-*,
МПа
*пл'
°С
Материал
£-10-*.
МПа
t . °с
пл'
Карбид кремния
35,5
2800
Алюминий
7,0
660
Периклаз
24,6
2800
Свинец
1,5
327
Корунд
37,2
2050
Полистирол
0,3
300
Железо
21,1
1539
Каучук
0,007
300
Медь
11,2
1083
da
Модуль упругости определяет тангенс угла наклона производной-^-
к оси деформаций. На рис. 10 представлены кривые а—е для строительных материалов пластичных, хрупких и эластомеров.
Поликристаллические изотропные материалы (металлы, кристаллические полимеры и др.) сохраняют упругость при значительных напряжениях; для многих из них характерно пластическое разрушение, отмеченное площадкой текучести на диаграмме а—е
(рис. 10, а). При хрупком же разрушении пластические деформации невелики (рис. 10, б).
Нелинейное соотношение между напряжением и деформацией у
некоторых материалов проявляется при относительно невысоких напряжениях. Так, у материалов с конгломератным строением (бетонов различного вида) оно отчетливо наблюдается уже при напряжениях, больших 0,2 предела прочности.
Упругая деформация эластомеров (каучуков) может превышать
100%. Первоначально для распрямления цепей молекул эластомера требуется низкое напряжение. По мере распрямления цепей
молекул сопротивление дальнейшему деформированию возрастает,
так как увеличение деформаций вызывает разрыв связей уже выпрямленных молекул (рис. 10, в).
Таким образом, диаграммы деформаций позволяют определить
модуль упругости и установить его изменение в зависимости от
уровня напряженного состояния.
Рис. 10. Схемы диаграмм деформаций:
а — стали; б —бетона; в — эластомера
■30
Модуль упругости Е связан с другими упругими характеристиками материала посредством коэффициента Пуассона. Одноосное
растяжение (сжатие) аг вызовет деформацию по этой оси +ez и.
сжатие по боковым направлениям —е* и —еу, которые у изотропного материала равны между собой.
Коэффициент Пуассона, или коэффициент поперечного сжатия,
ц равен отношению:
t* = — е*/ег.
Если бы объем материала при одноосном упругом нагружений
оставался постоянным, то наибольшее теоретическое значение
ц.=0,5. Силы притяжения и отталкивания в материале различным
образом зависят от изменения межатомного расстояния, поэтому
значения коэффициента Пуассона реальных материалов сильно отличаются от теоретического и различаются между собой: у бетона — 0,17—0,2, полиэтилена — 0,4.
Объемный модуль упругости, или модуль всестороннего сжатия
(растяжения), К связан с модулем Юнга следующим соотношением:
К = £'/[3(1 — 2|х)].
Модуль сдвига связан с модулем Юнга посредством коэффициента Пуассона
G = E/[ 2(1 +ц)].
Поскольку ц = 0,2—0,3, G составляет 35—42% от Е. Используя
приведенную выше формулу для К, получим
G == 3/С (1 — 2[i)/[2(l -f [i)].
Экспериментально определив модуль Юнга и коэффициент Пуассона, можно вычислить модуль сдвига и объемный модуль упругости, пользуясь приведенными формулами (вывод этих формуя
дается в курсе сопротивления материалов).
§ 2. Прочность
Прочность — свойство материала сопротивляться разрушении?
под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами (стесненная усадка, неравномерное нагревание и т. п.).
Прочность материала оценивают пределом прочности (временным сопротивлением) R, определенным при данном виде деформации. Для хрупких материалов (природных каменных материалов,
бетонов, строительных растворов, кирпича и др.) основной прочностной характеристикой является предел прочности при сжатии.
Поскольку строительные материалы неоднородны, то предел прочности определяют как средний результат испытания серии образцов (обычно не менее трех образцов). Форма и размеры образцов,
состояние их опорных поверхностей, существенно влияют на результаты испытания. Например, у кубиков малых размеров предел
прочности при сжатии оказывается выше, чем у кубиков больших
3L
--------------- page: 17 -----------
размеров из того же материала. Призмы показывают меньшее сопротивление сжатию, чем кубы одинакового поперечного сечения.
Это объясняется тем, что при сжатии образца возникает его поперечное расширение. Силы трения, возникающие между опорными
транями образца и плитами пресса, удерживают части образца,
прилегающие к плитам, от поперечного расширения и, следовательно, от разрушения. Средние
же части образца, испытывая поперечное расширение, разрушаются в первую очередь. Поэтому
при испытании кубов из хрупких материалов (бетона, раствора, камня и др.) получается характерная форма разрушения: образуются две усеченные пирамидки, сложенные вершинами
(рис. 11). Если же хорошо смазать опорные грани куба (например, парафином) и тем самым
уменьшить силы трения, то под нагрузкой куб
вследствие свободного поперечного расширения
распадается на ряд слоев, разделенных вертикальными трещинами. При смазке прочность куба при сжатии составляет лишь около 50% прочности того же образца с несмазанными опорными
поверхностями.
На результаты испытания влияет скорость нагружения образца. Если нагрузка возрастает
быстрее, чем установлено стандартом, то результат испытания получается завышенным, так как
не успевают развиться пластические деформации.
Приведенные примеры говорят о том, что показатели прочности строительного материала,
используемые в качестве характеристик его качества, являются условными величинами, получаемыми по стандартным методикам, единым для
всей страны.
В зависимости от прочности строительные ма-
ми
ла по прочности является важнейшим показателем его качества. В нормативных документах марка указывается
в кгс/см2; например, марки портландцемента М400, М500, М550 и
М600. Чем выше марка, тем выше качество конструкционного
строительного материала. Единая шкала марок охватывает все
строительные материалы.
Предел прочности при осевом сжатии Rcж (МПа) равен частному от деления разрушающей силы Рразр на первоначальную площадь поперечного сечения образца (куба, цилиндра, призмы):
^сж ' Рразр IF.
В табл. 5 систематизированы характерные образцы, применяемые для определения предела прочности строительных материалов
при сжатии.
?Рис. 11. Схемы
разрушения хрупких материалов
при:
а — сжатии куба; б —
то же, со смазанными опорными граня-
•32
Таблица S
Схема стандартных методов определения прочности при сжатии
Образец
Эскиз
Расчетная
формула
Материал
Размер стандартного образца, см
Куб
Цилиндр
Призма
Составной образец
Половина образца-призмы ,
изготовленной
из цементно-песчаного раствора
Проба щебня
(гравия) в цилиндре
сеч
R =
Р
~а*
R =-
4 Р
it dl
Бетон
Раствор
Природный камень
Бетон
Природный
камень
Бетон
15x15x15
7,07 Х7.07 X
Х7.07
5x5x5;
10X10X10;
15X15X15;
20X20X20
d = 15; А = 30
d = А = 5; 7;
10; 15
а = 10; 15; 20;
h = 40; 60; 80
Древесина а = 2; А = 3
Кирпич
Цемент
Крупный заполнитель для
бетона
а = 12; Ь=
= 12,3; А = 14
а = 4;
S = 25 см3
d = 15; А = 15
Предел прочности при осевом растяжении Rv (МПа) используется в качестве прочностной характеристики стали, бетона, волокнистых и других материалов (табл. 6). В зависимости от соотношения Rp/RcHi можно условно разделить материалы на три группы:
1)
2)
камни, бетон, кирпич).
33
2—664
--------------- page: 18 -----------
Таблица 6
Схема стандартных методов определения прочности
при изгибе и растяжении
Материал
Размер
Образец
Схема испытаний
формула
стандартного
образца
Призма, кирпич в натуре
Призма
Испытание на изгиб
3 Р1
Р/2' Р[2
Щ | f/jr
/?И='
2 6/t2
ЯР.И =
Р1
Цемент
Кирпич
4x4x16
12x6,5x25
Бетон
Древесина
15x15x6»
2x2x30
Испытание на растяжение
Стержень (
восьмерка,
призма
Цилиндр
€
/?„ = •
4 Р
it d2
Р
я2
^р.р —
2Р
той
Бетон
Сталь
Бетон
5x5x50;
10X10X8»
— 1»
10 =5; />!»
15x15
Предел прочности при изгибе Ярв (МПа) определяют путем испытания образца материала в виде балочек на двух опорах. Их нагружают одной или двумя сосредоточенными силами до разрушения. Предел прочности условно вычисляют по той же формуле сопротивления материалов, что и напряжение при изгибе:
Яр.н = M/W,
где М — изгибающий момент; W — момент сопротивления.
34
В табл. .6 приведены схемы испытания и соответствующие им
расчетные .формулы. Эти формулы, строго говоря, справедливы в
пределах упругой работы материала и при одинаковом его сопротивлении сжатию и растяжению. Эти условия не выполняются в стадии разрушения материала. При испытании на изгиб кирпича, бетонных балочек разрушение начинается в нижней растянутой зоне,
так как эти материалы имеют значительно меньшую прочность при
растяжении, чем при сжатии. Поэтому по формулам вычисляют условное значение предела прочности при изгибе, являющееся стандартной прочностной характеристикой кирпича, строительного гипса, цемента, дорожного бетона.
Динамической (или ударной) прочностью называют свойство
материала сопротивляться разрушению при ударных нагрузках.
Она характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение стандартного образца, отнесенной к единице объема (Дж/сМ3)
или площади поперечного сечения образца (Дж/м2). Сопротивление
удару важно для материалов, используемых при устройстве фундаментов машин, полов промышленных зданий, дорожных покрытий
и т. п.
Коэффициент конструктивного качества (к. к. к.) материала
равен отношению показателя прочности R (МПа) к относительной
объемной массе Y (безразмерная величина):
к. к. к. = R/y.
Следовательно, это прочность, отнесенная к единице объемной массы. Лучшие конструкционные материалы имеют высокую прочность при малой собственной объемной массе.
Для некоторых материалов значения к. к. к. (Rply) приведены
ниже: для стеклопластика — 450:2 = 225 МПа, древесины (без пороков) — 100 : 0,5 = 200 МПа, стали высокопрочной — 1000 : 7,85 =
= 127 МПа, стали — 390 : 7,85 = 51 МПа.
Для каменных материалов значения к.к.к. (Rcmjy) составляют:
для легкого конструкционного бетона — 40 : 1,8 = 22,2 МПа, тяжелого бетона — 40 : 2,4= 16,6 МПа, легкого бетона— 10 : 0,8 = 12,5 МПа,
кирпича — 10 : 1,8 = 5,56 МПа.
Повышения к. к. к. можно добиться снижением объемной массы
материала или увеличением его прочности.
Теоретическая прочность однородного материала характеризуется напряжением, необходимым для разделения двух примыкающих
друг к другу слоев атомов. Теоретическую прочность аТеор получают
из условия, что в момент разрушения вся энергия упругой деформации, накопленная в объеме между двумя слоями атомов, переходит в поверхностную энергию двух бновь образовавшихся при
разрушении поверхностей. Согласно уравнению Орована— Келли *;
СТтеор = V ЕЭ/о, ,
где Е — модуль упругости; Э — поверхностная энергия твердого тела на 1 см2; а — межатомное расстояние (в среднем 2-10~8 см).
* Келли А. Высокопрочные материалы. М., 1976.
35
--------------- page: 19 -----------
Следовательно, теоретическая прочность материала тем вышег
чем больше его модуль упругости и поверхностная энергия и чей
меньше межатомное расстояние.
Согласно приведенному выражению прочность твердого тела
должна находиться между значениями Е/Ь и £/10. Например, теоретическая прочность стали 30 ООО МПа, в то время как прочность
обычной стали около 400 МПа, а специальной проволоки —
3000 МПа. Теоретическая прочность стекла при комнатной температуре — 14 000 МПа, прочность на растяжение тонких стеклянных
волокон (толщиной 3—5 мкм) — 3500—5000 МПа, а обыкновенного-
стекла — только 70—150 МПа. Следовательно, используется сравнительно небольшая доля потенциальной прочности материала:
прочность понижается благодаря наличию пор, трещин и дефектов
структуры материала.
§ 3. Влияние строения на прочность материала
Прочность материала одного и того же состава зависит от его
пористости. На рис. 12 представлен график прочности цементного
бетона, показывающий, что увеличение пористости с 12,4 до 15,2%-
снизило прочность при сжатии с 37,5 до 26 МПа. Подобная зависимость характерна и для других материалов (известняка, керамических материалов и пр.).
Реальные кристаллические материалы имеют большее или
меньшее количество точечных дефектов. Одни из них заключаются
в том, что некоторые атомы или ионы смещены в другие положения
и могут располагаться даже между узлами кристаллической решетки (дефекты Френкеля). Их нормальные места остаются свободными и затем замещаются другими ионами. Следовательно, в
узлах решетки могут быть свободные места (вакансии). Другого
рода дефекты возникнут в результате размещения посторонних атомов или ионов примеси в узлах решетки, где они заменяют основ-
новное вещество (примеси замещения), или между ними (примеси
внедрения).
Свойства кристаллических материалов зависят от дислокаций кристаллов.
Дислокация — это всегда одномерный (линейный) дефект кристаллической решетки, возникающий или в процессе образования
кристалла, или в результате последующих механических, тепловых и
других воздействий. Дислокации
бывают краевые, винтовые и смешанные — криволинейные.
На рис. 13 схематически изобра-
%
I# 30
г.
20
10
12
13 П 15
Пористость ктона, %
Рис. 12. Кривая зависимости проч
ности цементного бетона От пори
стости
36
жена краевая дислокация. Отклонение от идеального строения кристалла вызвано тем, что один слой атомов (он расположен на рисунке в экстраплоскости) по каким-то причинам оказался незавершенным. Кромка 1—1' «лишнего» слоя атомов образует линейный
дефект, называемый краевой дислокацией (она обозначена на
рис. 13 знаком _L). По обе стороны от кромки экстраплоскости
sssssssjty
/
/
/
1 /
—
•дг
-г-
г-
/
1
2
3
k
5
в
л
. А
' 2'
3'
5‘
6'
Рис. 13. Краевая дислокация в кристаллической решетке:
1 — экстраплоскость
Рис. 14. Схема пластического сдвига путем движения дислокации (по
П. И. Полухину)
атомы сдвинуты на угол, соответствующий теоретической прочности
кристалла на сдвиг. Стоит приложить внешнее усилие, значительно меньшее теоретической прочности данного кристалла, чтобы
осуществить сдвиг на одно межатомное расстояние в плоскости
А—А, нормальной к экстраплоскости (рис. 14).
Продолжая нагружать кристалл, перемещаем дислокацию из
одного ряда атомов в другой, пока не вытолкнем дислокацию на
грань кристалла. Механизм скольжения, основанный на движении
дислокаций, может быть сопоставлен с перемещением по полу ковра с предварительно созданной складкой (рис. 15). При таком способе требуется значительно меньшее усилие, чем в случае перемещения ковра как единого целого. Дислокационная теория рассматривает пластический сдвиг в кристаллических материалах как
скольжение путем движения дислокаций. Подвижность дислокаций
зависит от того, насколько легко межатомная связь может быть
разрушена и вновь восстановлена; ведь каждый раз, когда дислокация перемещается на один шаг (межатомное расстояние), должны рваться старые связи и устанавливаться новые. В этом отношении предпочтительнее связи, обеспечивающие одинаковое притяжение во всех направлениях: металлическая и ионная. Дисло- А _ А'
кации в ковалентных кристал- d-~ 'rawmmtmmmwmrsssi
лах при нормальной темпера- pHCi jg> Складка ковра в качестве мо-
туре малоподвижны, так как
37
--------------- page: 20 -----------
ковалентная связь является направленной, наиболее прочной и
жесткой.
Дислокации присутствуют почти во всех кристаллических материалах. Они значительно понижают прочность монокристаллов, но
зато придают пластичность поликристаллическим телам с металлической связью, делают металл ковким, затрудняют распространение трещин. По данным Ван Флека, теоретическая прочность железа на сдвиг около 7000 МПа, но практически кристалл очень чистого железа сдвигается при напряжении, меньшем в 1000 раз,—
около 7 МПа; для рядовых сталей (по Гордону) прочность на сдвиг
150—250 МПа, для высокопрочных 1500 МПа. Доказательством,
подтверждающим объяснение низкой прочности кристаллов движением дислокаций, являются результаты изучения механических
свойств «усов». Эти нитевидные кристаллы различных материалов,
выращенные без краевых дислокаций, способны претерпевать упругую деформацию до 5—6% без признаков пластического течения.
Бездислокационные «усы» способны выдержать напряжения сдвига, достигающие 5% от модуля сдвига; это на несколько порядков
больше, чем у обычных кристаллов. В реальности дислокаций убеждают и непосредственные наблюдения. Те места, где дислокации
выходят на поверхность, выявляются с помощью химического травления в виде серий «оспинок» — ямок травления. Снят кинофильм
о
Плотность дислокаций (т. е. число дислокаций, пересекающих
площадь в 1 см2) может быть весьма велика — до 107—10® (в отожженных металлах). При механических воздействиях дислокации перемещаются, взаимодействуют между собой и порождают новые
дислокации, в особенности в местах концентрации напряжений.
В результате этого их плотность возрастает до 1010—1013 (в сильно
наклепанных металлах). Когда дислокаций много (больше некоторой критической плотности), они переплетаются (словно спутанные нитки), тормозят перемещение друг друга, в результате материал упрочняется. Однако при дальнейшем деформировании материал может сделаться хрупким.
Вакансии в кристаллической решетке, межузельные (внедренные) атомы, дислокации играют важную роль в процессах диффузии, повышают химическую активность, что используется, в част-,
ности, в технологии быстротвердеющих цементов. Однако наличие
дислокаций и дефектов структуры в готовом материале снижает его
стойкость, так как деформированные межатомные связи (как и места концентрации напряжений) более уязвимы для химических и
физических воздействий среды. Следовательно, дислокации следует рассматривать как структурный фактор, регулирующий комплекс
наиболее важных свойств кристаллических материалов.
§ 4. Механическое разрушение
Различают хрупкое и пластическое разрушение твердых тел.
Хрупкое разрушение сопровождается малой предшествующей пластической деформацией, поэтому хрупкость определяют как свойст*.
38
во материала разрушаться «внезапно», не
претерпевая существенной деформации.
Хрупкость присуща не только кристаллическим, но и стеклообразным и даже полимерным материалам.
Разрушению пластичных (вязких) материалов предшествует изменение формы и
большая деформация.
Большинство материалов при понижении температуры охрупчиваются, у них происходит переход от пластического разрушения к хрупкому. Так ведут себя битумные
материалы, некоторые полимеры, металлы
и др.
Хрупкое разрушение происходит в результате образования и быстрого роста одной или нескольких трещин при возрастающей нагрузке.
Трещина (как и надрез) вызывает концентрацию напряжений около ее вершины
(рис. 16). В этом месте напряжение оказывается значительно большим, чем можно
ожидать из простого уменьшения площади
поперечного сечения.
Напряжение сгк на конце трещины зависит от номинального напряжения он, длины
(глубины) трещины / и радиуса кривизны в
= сгн (1 + 2 V1JF).
Коэффициент концентрации напряжений а„/<тн =1 + 2 VTjF ;
- может быть равен 100 и даже 1000, если радиус вершины трещины
соизмерим с радиусом атома, хотя глубина трещины лишь 0,1 и
10 мкм. Следовательно, местное напряжение может превысить
7000 МПа при номинальном (т. е. среднем по сечению) напряжении
35—100 МПа. Трещина как бы разрезает атомные цепочки, и значительная часть нагрузки, которую несли разрезанные атомные цепочки, приходится теперь на атомную связь у конца трещины. Перегруженная связь лопнет раньше других и положение ухудшится,
так как следующее звено будет еще больше перегружено. Таким
образом, трещина становится (по словам Гордона) тем инструментом, с помощью которого приложенная извне слабая сила рвет
прочные межатомные связи.
При распространении трещины материал вблизи трещины разгружается, и вследствие этого выделяется энергия упругой деформации. Объем, в котором выделяется энергия, изображается на
рис. 16 как половина объема цилиндра единичной высоты, численно
равного я1212. Выделенная энергия ил зависит от приложенного на-
Рнс. 16. Концентрация
напряжений в пластине
с трещиной (по Ван
Флеку):
/ — концентрация напряжений
вершине трещины г:
39
--------------- page: 21 -----------
пряжения о, модуля упругости Е и глубины трещины I (половину
длины внутренней трещины):
Образование двух новых поверхностей трещины требует затрат
энергии
Ua = 25,/,
где Эг — поверхностная энергия единицы площади поверхности.
Трещина будет самопроизвольно расти, если длина трещины превышает некоторую «критическую длину Гриффитса», при которой
освобождающаяся энергия упругой деформации больше энергии образующихся новых поверхностей, тогда
izlo2/E = 23„
откуда
а = (25,£/и0,/2.
Напряжение, необходимое для
разрушения растянутой пластины,
возрастает у материалов с высоким
модулем упругости и большей поверхностной энергией, оно уменьшается при наличии более глубоких пот-
верхностных трещин.
В данном материале для каждого напряжения существует своя критическая длина трещин. Трещины,
глубина которых превышает /кр, способны при данном а самопроизвольно расти со скоростью, приближающейся к скорости распространения
упругой волны (1,5—2 км/с).
Сжимающие усилия, в отличие
от растягивающих могут передаваться через трещины, не вызывая
концентрации напряжений. Поэтому
хрупкие материалы всегда оказываются значительно прочнее при сжатии, чем при растяжении.
Торможение трещин при помощи
создаваемых в материале внутренних поверхностей раздела используется в современных композиционных
материалах.
Механизм торможения трещины
по Куку — Гордону основан на том,
что при распространении трещины
кроме напряжений, перпендикуляр-
Рис. 17. Схема торможения
трешин (по Куку—Гордону)
< а)
Рис. )8. Влияние внутренних по-
j верхностей на торможение развития трещин:
: а — волокнистый материал, содержа*
, ш.ий внутренние поверхности; б — однородный материал (по Гордону)
40
ных трещине, достигающих максимума в ее вершине, возникает растяжение в направлении, параллельном трещине. Растягивающее напряжение, параллельное трещине, равно нулю в вершине трещины и достигает максимума впереди трещины на
расстоянии одного-двухатомных размеров от ее вершины. В растянутом материале отношение максимального напряжения, параллельного трещине, к максимальному напряжению, направленному
перпендикулярно ее поверхности, равно приблизительно 1/5. Если
прочность сцепления на поверхности раздела больше 1/5 прочности
материала, то поверхность не разрушится, трещина ее только пересечет и поведение материала не изменится, т. е. он останется
хрупким. Если же прочность сцепления меньше 1/5 прочности на
растяжение самого материала, то прежде чем трещина достигнет
поверхности раздела, последняя будет разрушена на небольшом
участке, и образуется ловушка, способная остановить трещину
(рис. 17).
Кончик трещины, который был очень малым, при встрече с поверхностью раздела становится очень большим, устраняется концентрация напряжений в вершине трещины и тенденция к ее распространению (рис. 18).
§ 5. Твердость, истираемость и износ
Твердостью называют свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Твердость минералов оценивают шкалой Мооса| представленной десятью минералами, из которых каждый последующий своим острым концом царапает все предыдущие. Эта шкала включает минералы в порядке
возрастающей твердости от 1 до 10:
Л. Тальк Mg3[Si40ioIOH]2 — легко царапается ногтем.
2.
3.
4.
ножом под небольшим нажимом.
5.
жимом.
6.
7.
8.
9.
10 Алмаз С
Твердость древесины, металлов, бетона и некоторых других
строительных материалов определяют, вдавливая в них стальной
; шарик или твердый наконечник (в виде конуса или пирамиды).
В результате испытания вычисляют число твердости НЕ = Р/F, где
F — площадь поверхности отпечатка.
"fr* От твердости материалов зависит их истираемость: чем выше
Твердость, тем меньше истираемость.
эапает стекло.
легко царапают стекло, применяются в качестве абразивных (истирающих и шлифующих) материалов.
41
--------------- page: 22 -----------
Истираемость оценивают потерей первоначальной массы образца материала, отнесенной к площади поверхности истирания F и
вычисляют по формуле (г/см2)
И = (m, — m2)/F,
где mi и т2 — масса образца до и после истирания.
Сопротивление материала истиранию определяют, пользуясь
стандартными методами: кругом истирания и абразивами (кварцевыми песком или наждаком). Это свойство важно для эксплуатации дорог, полов, ступеней лестниц и т. п.
Износом называют свойство материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов. Износ определяют на
образцах материалов, которые испытывают во вращающемся барабане со стальными шарами или без них. Показателем износа служит потеря массы пробы материала в результате проведенного
испытания (в % от первоначальной массы).
§ 6. Модели механических свойств строительных материалов
Для моделирования поведения упругого материала используют
пружину. Упругая деформация идеального подчиняющегося закону Гука твердого тела возникает тотчас после приложения силы и
не зависит от времени, как это показано на рис. 19. После снятия
нагрузки деформация становится равной нулю, следовательно," деформация упругого твердого тела постоянна и обратима.
Идеальная (ньютоновская) жидкость подчиняется уравнению
вязкого течения
евязк = ^/^1
где т — напряжение сдвига, Па; / — время, с; rj — вязкость, Па-с.
Деформация вязкого течения еВязк при постоянном напряжении
сдвига возрастает пропорционально времени (рис. 20, а). Поведение жидкости моделируют демпфером (рис. 20,6), в котором поршень
перемещается под действием приложенных сил, при этом жидкость
протекает через кольцевой зазор
между стенками цилиндра и поршнем.
Поведение материалов, сочетающих упругие и вязкие свойства, можно описать с помощью модели Максвелла, состоящей из пружины и
демпфера, соединенных последовательно (рис. 21,6), при постоянном
напряжении. В первый момент времени to сопротивление создается
упругим элементом и возникает
упругая деформация еупр, сохраняю-
42
о]
ё)
Время
Рис. 19. Модель идеального (подчиняющегося закону Гука) твердого тела:
а — график упругой деформации; 6 —
модель-пружина
щаяся неизменной при постоянном напряжении. В период времени
от /о до t\ деформация возрастает вследствие вязкого течения (оно
моделируется демпфером, присоединенном к пружине). В момент
времени ti при снятии нагрузки упругая составляющая деформации равна нулю, но вязкое смещение еВяэк сохраняется, так как оно
необратимо. Следовательно, общая деформация е асфальтобетона,
пластика и т. п. содержит упругую и вязкую составляющую:
в ==вуПр +евязк •
о)
0)
5)
Время
Рис. 20. Модель идеальной (ньютоновской) жидкости:
а — график деформации вязкого течения;
б — модель-демпфер
Время
Рис. 21. Сочетание упругих и вязких
свойств:
а — график упруговязкнх деформаций; б —
упругий и вязкий элементы расположены
последовательно (модель Максвелла)
В соответствии с законом Гука и приведенной выше формулой
для евязк получаем следующее уравнение упруговязкой деформации:
е = а/Е + ot/ri,
6 = 0(1 lE + t/rj).
-ч Соответствующий график приведен на рис. 21, а. Примером вязкого течения является след шин, вдавившихся в асфальтовое покрытие дороги. Он напоминает о повышенной склонности к вязкому
течению материала покрытия в жаркую погоду. При высокой температуре вязкое течение проявляется у стекла, металла и других
твердых материалов.
§ 7. Релаксация напряжений
Модели деформации твердых тел дают возможность получить
количественную характеристику скорости релаксационных явлений,
протекающих в полимерных и других строительных материалах.
Если быстро деформировать тело (например, полимер), сохраняя
Деформацию постоянной, то напряжение постепенно уменьшается.
Деформация вызывает перестройку внутренней структуры тела, и
требуется некоторый промежуток времени, пока все частицы тела
придут в равновесие в соответствии с новыми условиями.
43
--------------- page: 23 -----------
Элементарная модель релаксации
напряжений при постоянной деформации представляет собой последовательное соединение пружины и демпфера
(модель Максвелла). Для этой модели общая деформация е равна сумме
упругой и вязкой составляющих
(рис. 21)
Рис. 22. Релаксация напряже-
нии при постоянной деформа*
ции ЛуПр dt вяэк
Следовательно,
Поскольку еупР = а/Е, а евязк = — at/^,
da 1
получим
at Е
da
откуда
—0/71,
da
= —(Е/гц) dt.
Введем постоянную времени релаксации А,=т]/Е, тогда а = a0e~i/x,
где о — напряжение по прошествии времени t\ ао — первоначальное напряжение. Из формулы видно, что релаксация напряжения
следует экспоненциальному закону (рис. 22). Скорость релаксации
напряжения характеризуется временем релаксации — промежутком
времени, в течение которого напряжение уменьшается в е раз по
сравнению с первоначальным (где е — основание натуральных логарифмов).
Пример (по Ван Флеку). Для увеличения длины каучуковой ленты с 10 до
140 мм необходимо приложить напряжение 8,44 МПа. После выдержки ленты в
этом положении в течение 42 сут напряжение снизилось до 4,22 МПа. Определить:
1) постоянную времени релаксации; 2) действующее напряжение после выдержки в течение 90 сут.
Решение. 1. Согласно уравнению релаксации напряжений
1п а/а0 = — <Д;
1п[4,22/8,44] = —42Д, откуда Я.=61 сут.
2. аи«8,44е-»°/в1-1,92 МПа.
Другое решение п. 2 с учетом 48 дополнительных суток:
с+4»-4,22е-«/«|.. 1,92 МПа.
Глава 5
ДОЛГОВЕЧНОСТЬ И НАДЕЖНОСТЬ
§ 1. Долговечность
Долговечность — свойство изделия сохранять работоспособность
до предельного состояния с необходимыми перерывами на ремонт.
Предельное состояние определяется разрушением изделия, требованиями безопасности или экономическими соображениями. Долго-
44
вечность строительных изделий измеряют обычно сроком службы
■без потери эксплуатационных качеств в конкретных климатических
условиях и режиме эксплуатации. Например, для железобетонных
конструкций нормами предусмотрены три стёпени долговечности:
1
III — 20 лет.
§ 2. Надежность
Надежность представляет собой общее свойство, характеризующее проявление всех остальных свойств изделия в процессе экс-
.«плуатации. Надежность складывается из долговечности, безотказности, ремонтопригодности и сохраняемости. Эти свойства связаны
между собой.
Безотказностью называют свойство изделия сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации в течение некоторого времени без вынужденных перерывов на ремонт.
К показателям безотказности относят вероятность безотказной работы.
Отказом называют событие, при котором система, элемент или
изделие полностью или частично теряют работоспособность. Потеря
работоспособности вызывается такой неисправностью, при которой
хотя бы один из основных параметров выходит за пределы установленных допусков.
Ремонтопригодность — свойство изделия, характеризующее его
приспособленность к восстановлению исправности и сохранению заданной технической характеристики в результате предупреждения,
выявления и устранения отказов. Показателем ремонтопригодности
является среднее время ремонта на Один отказ данного вида, а также трудоемкость и стоимость устранения отказов.
Сохраняемость — свойство изделия сохранять обусловленные
эксплуатационные показатели в течение и после срока хранения и
транспортирования, установленного технической документацией.
Сохраняемость количественно оценивают временем хранения и
транспортирования до возникновения неисправности.
--------------- page: 24 -----------
РАЗДЕЛ II
ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Глава 6
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Горные породы являются главным источником для получения
строительных материалов.
Горные породы используют в промышленности строительных материалов как сырье для изготовления керамики, стекла, теплоизоляционных и других изделий, а также для производства неорганических вяжущих веществ — цементов, извести и строительного
гипса.
Сотни миллионов кубометров песка, гравия и щебня применяют
ежегодно в качестве заполнителей для бетонов и растворов.
Широко используют природные каменные материалы и изделия,
получаемые механической обработкой горных пород (раскалыванием, распиливанием, шлифованием, полированием, дроблением
и т. п.). Это плиты из гранита, мрамора, известняка и других горных пород для декоративной облицовки и защиты строительных
конструкций от коррозии,
СССР по запасам и разнообразию горных пород не имеет себе
равных. Изыскания, проведенные в больших масштабах за годы
Советской власти, дают полное представление о запасах и географическом размещении минерального сырья. Сырьевые запасы полностью обеспечивают возрастающие потребности строительства к
промышленности строительных материалов в минеральном сырье.
Под названием «горная порода» понимают природный минеральный агрегат более или менее определенного состава и строения,,
являющийся продуктом геологических процессов и образующий &
земной коре самостоятельные тела.
Под названием «минералы» понимают природные физически и
химически однородные тела, возникающие в земной коре в результате физико-химических процессов. С физико-химической точки
зрения каждый минерал отвечает определенному состоянию и составу среды, в которой он возникает. В большинстве случаев минералы — твердые тела, иногда — жидкие и газообразные. Всеп>
минералов в природе более 2000.
В зависимости от условий формирования горные породы делят
на три генетические группы *: 1) магматические породы, образо*
признаку) предложена М. В, Ломоносовым и разработана акад. Ф. Р. Левинсоном-Лессингом и акад. А. П. Карпинским.
46
вавшиеся в процессе кристаллизации сложного природного силикатного расплава — магмы; 2) осадочные, возникшие в поверхностных условиях из продуктов разрушения любых других пород и
.3) метаморфические, являющиеся продуктом перекристаллизации
и приспособления пород к изменившимся в пределах земной коры
•физико-химическим условиям.
Глава 7
МАГМАТИЧЕСКИЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
§ 1. Общая характеристика
Образование магматических пород тесно связано со сложнейшими проблемами происхождения магм и строения Земли. Согласно современным представлениям Земля имеет концентрически-зо-
нальное строение и состоит из ядра, промежуточной оболочки (или
мантии) и внешней оболочки — коры. Последняя, в свою очередь,
имеет три слоя: нижний — базальтовый, выше него — гранитный и
верхний — тонкий чехол осадочных пород (рис. 23). Базальтовый
слой коры состоит из пород основного состава. В пределах океанов
верхняя его часть доступна непосредственному изучению; мощность
базальтового слоя под океанами не превышает 5—б км, тогда как в
пределах континентов она достигает 40 км. Гранитный слой состоит преимущественно из пород кислого состава и различных метаморфических пород. Этот слой развит в пределах континентов и
континентальных склонов. Мощность его колеблется от 10 км в
пределах платформ до 30 км в складчатых областях. Общая мощ*
км
Рис. 23. Схема строения земной коры (по В. Е. Хайну, 1964):
1 — осадочный чехол; 2 —гранитный слой; 3 — базальтовый слой; 4 — верхняя мантия
•перндотитового состава; S — верхняя иантня эклогитового (граиито-пироксенового)
состава; 5—7, 10—12 и т. д.— средние мощности (в км)
4?
--------------- page: 25 -----------
ность земной коры на платформах составляет 30—40 км, в складчатых зонах достигает 30—70 км.
В зависимости от условий образования выделяют все основные
группы магматических пород — интрузивные и эффузивные. Интрузивные — это породы, образовавшиеся при застывании магмы на
разной глубине в земной коре. Эффузивные породы образовались
при вулканической деятельности, излиянии магмы из глубин и затвердевании на поверхности. В составе интрузивных пород в зависимости от глубины образования различают глубинные (абиссальные) и полуглубинные (гипабиссальные) породы.
§ 2. Главные породообразующие минералы
Основными породообразующими минералами магматических пород являются: 1) кварц (и его разновидности); 2) полевые шпаты;
3) железисто-магнезиальные силикаты.
Все эти минералы отличаются друг от друга по свойствам, поэтому преобладание в породе тех или иных минералов меняет ее
строительные свойства: прочность, стойкость, вязкость и способность к обработке (к полировке, шлифовке и т. п.).
Кварц, состоящий из двуокиси кремния (Si02) в кристаллической форме, является одним из самых прочных и стойких минералов. Он обладает: 1) исключительно высокой прочностью при сжатии (до 2000 МПа) и высокой для хрупких материалов прочностью при растяжении (около 100 МПа); 2) высокой твердостью,,
уступающей только твердости топаза, корунда и алмаза; 3) весьма
высокой кислотостойкостью и вообще химической стойкостью при
обычной температуре; из кислот на него действует фтористоводородная кислота и горячая фосфорная; едкие и углекислые щелочи,
вступают во взаимодействие с кварцем при повышенной температуре; 4) высокой огнеупорностью — плавится при температуре около 1700°С.
Благодаря высокой прочности и химической стойкости кварц остается почти неизменным при выветривании магматических пород, &
состав которых он входит (например, при разрушении гранитов).
Поэтому является также одним из самых важных минералов и в;
осадочных породах (в песчаниках и кварцевых песках).
Полевые шпаты — это самые- распространенные минералы в;
магматических породах (до 2/з от общей массы породы). Они представляют собой, так же как и кварц, светлые составные части пород (белые, розоватые, красные и т. п.).
Главной разновидностью полевых шпатов являются ортоклаз и
плагиоклазы.
Ортоклаз — КгО-АЬОз-бБЮг или K[AlSi30g] (по-гречески
«прямораскалывающийся») характеризуется следующими свойствами: угол между спайностями 90°, твердость 6—6,5, плотность
2,57 г/см3, плавится при 1170°С, полное расплавление при 1450°С..
48
Встречается в кислых (гранит) и средних (сиенит) по кислотности
магматических породах.
Плагиоклазы (по-гречески «косораскалывающиеся») образуют
изоморфный ряд от альбита — ЫагО'АЬОз-бБЮг или Na[AlSi3Os],
входящего в состав кислых пород, до анортита — Ca0-Al203-2Si0^
или Ca[Al2Si208], характерного для основных пород (габбро, базальт и др.).
По сравнению с кварцем полевые шпаты обладают значительно
меньшей прочностью (120— 170 МПа на сжатие) и стойкостью,
поэтому они реже встречаются в осадочных породах (главным образом, в виде полевошпатовых песков).
Выветривание полевых шпатов происходит под влиянием воды,
содержащей углекислоту. Результатом выветривания является новый минерал — каолинит (важнейшая часть самой распространенной осадочной породы — глины).
К цветным (темноокрашенным) минералам, встречающимся в
магматических породах, относятся железомагнезиальные и магнезиальные силикаты и некоторые алюмосиликаты.
В группе железо-магнезиальных силикатов наиболее распространены оливин, пироксены (например, авгит), амфиболы (роговая обманка). Среди магнезиальных силикатов встречаются вторичные минералы, чаще всего замещающие оливин — серпентин,,
хризотил-асбест.
В группе алюмосиликатов наиболее распространены слюды:
1) обыкновенные — мусковит (почти бесцветный), флогопит и биотит (темного цвета), 2) гидрослюды — гидромусковит, гидробиотит.
Твердость слюд 2—3.
Все вышеперечисленные минералы, за исключением мусковита
н гидромусковита, отличаются от кварца и полевых шпатов темной окраской (зеленого, темно-зеленого, иногда черного цвета).
Характерными свойствами цветных минералов (за исключением
слюд) являются высокая прочность и вязкость, а также повышенная плотность по сравнению с другими минералами, которые входят в состав магматических пород.
Увеличение содержания цветных минералов (за исключением
алюмосиликатов) придает породам высокую прочность, вязкость и
стойкость против выветривания.
Водные алюмосиликаты (слюды) являются нежелательной составной частью пород. Они понижают прочность пород, ускоряют
их выветривание и затрудняют шлифовку и полировку, так как в
результате совершенной спайности слюды весьма легко разделяются на очень тонкие пластинки. Слюды встречаются и в песках,,
где также считаются вредной примесью. Бетоны и строительные
растворы на песке с значительным содержанием слюды обладают
пониженной морозостойкостью.
Для специальных отделочных штукатурок в растворы иногда намеренно вводят слюду в целях достижения определенного художественного эффекта.
4»
--------------- page: 26 -----------
§ 3. Интрузивные абиссальные горные, породы
Магматические породы, образующиеся в различной геологической обстановке, отличаются специфическими признаками, к которым прежде всего относятся форма магматических тел и их взаимоотношения с вмещающими породами.
По классификации Р. Дэли интрузивные тела в зависимости от
их взаимоотношений с вмещающими породами делят на согласные
(рис. 24, а) и несогласные( рис. 24, б).
Особенности строения горных пород, зависящие от условий образования, выражаются в структурных и текстурных признаках.
Рис. 24. Схематическое изображение интрузивных тел
(черное):
а — согласных: 7 —лакколит; 2 — лополит; J — силлы; 4 —факолиты; б — несогласных: 1 — батолит; 2— шток. Точки — контактовый ореол метаморфических пород
60
Структура определяется степенью кристалличности и размерами зерен, а также формой и взаимными отношениями составных
частей породы.
При медленном остывании магмы в глубинных условиях возникают полнокристаллические структуры. По размерам зерен среди
кристаллических пород выделяют: крупнозернистые (средний размер зерен более 5 мм), среднезернистые (1—5 мм) и мелкозернистые (0,5—1 мм), а также равномернозернистые и неравномернозернистые
структуры (рис. 25).
Текстура — совокупность признаков, определяемых расположением и
распределением составных частей породы относительно друг друга в занимаемом ими пространстве. Подавляющее большинство магматических пород
характеризуется массивной текстурой.
Следствием медленного охлаждения магмы является ряд общих свойств
для разных глубинных горных пород:
весьма малая пористость и, следовательно, большая объемная масса и высокая прочность. Кроме того, в связи
с очень малой пористостью эти породы
обычно обладают весьма низким водо-
поглощением, морозостойки и сравнительно высокотеплопроводны. Обработка таких пород из-за их высокой
прочности затруднительна. Однако благодаря высокой плотности
они хорошо полируются и шлифуются.
Средние показатели важнейших строительных свойств таких пород: прочность при сжатии *— 100—300 МПа; объемная масса —
2600—3000 кг/м3; водопоглощение — меньше 1 % по объему; теплопроводность — около 3 Вт/ (м • °С).
Граниты обладают благоприятным для строительного камня минеральным составом, отличающимся высоким содержанием кварца
(25—30%), натриево-калиевых шпатов (35—40%) и плагиоклаза
(20—25%), обычно небольшим количеством слюды. (5—10%) и отсутствием сульфидов. Граниты имеют высокую механическую-прочность при сжатии— 120—250 МПа (иногда до 300 МПа). Сопротивление растяжению, как у всех каменных материалов, относительно невысокое и составляет лишь около 7зо—’До от сопротивления сжатию.
Необходимо отметить, что в каменных материалах вследствие
хрупкости сравнительно легко могут появиться тонкие (волосные)
местные трещинки — от взрывов при добыче, от ударов, резких ко-
лебаний температуры и т. п. Эти трещинки оказывают сравнительно
небольшое влияние на предел прочности при сжатии, но могут зна~
чительно понизить прочность на растяжение.
а)
Рис. 25. Типы структур
(схемы):
а — неравномернозернистая; б—*
равиомернозерннстая
51.
--------------- page: 27 -----------
Одним из важнейших свойств гранитов является также малая
пористость, не превышающая 1,5%, что обусловливает водопогло-
щение около 0,5% (по объему). Поэтому морозостойкость их высокая.
Огнестойкость гранита недостаточна, так как он растрескивается при температурах выше 600°С вследствие полиморфных превращений кварца.
Гранит, так же как и большинство других плотных магматических пород, обладает высоким сопротивлением истиранию.
Граниты весьма разнообразны по цвету, зависящему в основном
от окраски полевых шпатов, которые могут быть белыми, серыми,
желтыми, розовыми, красными. Различные сочетания отдельных
компонентов и изменение структуры обусловливают разнообразие
цветов, оттенков и декоративного рисунка гранитов, поэтому граниты являются прекрасным облицовочным декоративным материалом.
В связи с высокой прочностью на сжатие, морозостойкостью граниты применяют для защитной облицовки набережных, устоев мостов, цоколей зданий, а также в качестве щебня для высокопрочных
и морозостойких бетонов. Кроме этого, благодаря значительной
кислотостойкости граниты применяют в качестве кислотоупорной
облицовки.
Из всех изверженных пород граниты наиболее широко используют в строительстве, так как они являются самой распространенной
из глубинных магматических пород. Остальные глубинные породы
(сиениты, диориты, габбро и др.) встречаются и применяются значительно реже.
Сиениты. Горные породы группы сиенитов занимают около 2,6%
магматических пород. Породы эти окрашены в розовые, серые и
зеленоватые тона, что зависит от цвета полевых шпатов. Сиениты состоят из калиевых (50—70%) и натриевых полевых шпатов (10—
30%), цветных минералов (10—20%)- Если присутствует кварц
(10—15%), то породу называют кварцевым сиенитом. По физикомеханическим свойствам сиениты близки к гранитам, несколько уступая им в прочности из-за отсутствия кварца.
Гранодиориты менее распространены, чем граниты, и отличаются от них меньшим содержанием кварца (20—25%), повышенным
количеством цветных минералов (15—20%), в составе которых преобладает роговая обманка, поэтому эти породы темнее гранитов.
В гранодиоритах всегда присутствует полевой шпат (45—50%).
Гранодиориты по механической прочности уступают гранитам, что
связано с меньшим содержанием кварца. Подобно гранитам, они
находят в строительстве самое разнообразное применение — от бута и щебня до облицовочного и скульптурного камня.
Диориты и кварцевые диориты. Это породы серого цвета; состоят они из плагиоклаза (65—70%) и роговой обманки, иногда вместе
с пироксенами или биотитом, составляющими в сумме около 25—
30%. Структура породы равномернозернистая, средне- или мелкозернистая. Текстура массивная или пятнистая, что обусловлено на£2
личием обособлений (шлиров), обогащенных темноцветными минералами.
Кварцевые диориты характеризуются присутствием кварца в
количестве 5—20% и меньшим содержанием роговой обманки.
Структура и текстура аналогичны диоритам.
Физико-механические свойства диоритов характеризуются следующими, показателями:-объемной массой — 2,9 г/см3, пределом
прочности при сжатии 180—240 МПа. Наиболее прочны диориты с
мелко- и среднезернистой структурой, массивной текстурой и с повышенным содержанием роговой обманки. Разности, включающие
биотит, имеют пониженную прочность. Диориты и особенно кварцевые диориты превосходят по прочности граниты и сиениты.
Габброиды. Среди габброидов важнейшими являются габбро и
анортозиты.
Габбро — порода в свежем состоянии темно-серого или почти
черного цвета, что объясняется темной окраской плагиоклазов и
высоким содержанием цветных минералов. В результате вторичных
изменений плагиоклазы приобретают светло-серый и зеленоватосерый цвет. Типичное габбро состоит примерно из равного количества натриево-кальциевого полевого шпата и моноклинного пироксена.. В очень малых количествах в габбро могут присутствовать
оливин, ромбический пироксен, роговая обманка, биотит. Постоянными компонентами габброидов являются магнетит и титаномаг-
нетит.
Анортозиты представляют собой темноокрашенные породы, состоящие почти из одного натриево-кальциевого полевого шпата —
лабрадора. Эти породы благодаря иризирующему свойству (ириза-
ция — яркий цветной отлив на гранях или плоскостях спайности
лабрадора) применяют в строительстве в качестве облицовочного
камня.
Для пород группы габбро характерна объемная масса
2,99 г/см3, большая прочность (при сжатии 200—280 МПа) и достаточно высокая стойкость против выветривания.
Красивый вид и хорошая полируемость позволяют применять
наиболее декоративные разновидности габбровых пород и лабрадо-
ритов в качестве ценной облицовки. Так, темные и светлые лабрадо-
риты с синим оттенком использованы для облицовки Мавзолея
. В. И. Ленина, памятника неизвестному солдату и ряда других выдающихся сооружений.
Перидотиты — черные породы, иногда с зеленоватым оттенком,
обычно среднезернистой структуры. Текстура массивная, нередко
пятнистая или полосчатая. В составе перидотитов присутствует оливин в количестве 30—70% и пироксены 70—30%. Используются для
Получения щебня. Свойственная перидотитам эллипсоидальная
отдельность не позволяет использовать их в качестве штучного кам-
яя, а большая твердость камня вызывает большие расходы на разработку месторождений.
--------------- page: 28 -----------
§ 4. Интрузивные гипабиссальные горные породы
Гипабиссальная горная порода — магматическая порода, образовавшаяся при кристаллизации магмы на небольших глубинах и
занимающая по условиям залегания и структуре промежуточное
положение между глубинными (абиссальными) и излившимися
(эффузивными) породами. Гипабиссальные породы, так же как и абиссальные,
образуют согласные и несогласные тела
(рис. 26).
При кристаллизации магмы в приповерхностных условиях образуются полнокристаллические неравномернозернистые
и неполнокристаллические структуры.
В связи с тем, что скорость выделения
минералов из магматического расплава
при его кристаллизации различна, в гипабиссальных условиях не все минералы
успевают в одинаковой степени выкристаллизоваться и принять свойственную
им форму.
Среди неравномернозернистых структур выделяют порфировидные и порфировые структуры. Порфировидные структуры обусловлены наличием относительно
крупных кристаллов на фоне полнокристаллической основной массы породы.
Порфировые структуры характеризуются наличием хорошо образованных кристаллов — порфировых «вкрапленников»,
погруженных в стекловидную основную
массу породы.
Структура — существенный признак,
определяющий физико-механические
свойства породы. Наиболее прочными являются равномерносреднезернистые породы, тогда как породы такого же минерального состава, но крупнозернистой
порфировидной структуры быстрее разрушаются как при механическом воздействии, так и при резких колебаниях температур.
Из гипабиссальных интрузивных пород в строительстве наиболее широко применяют кварцевые и бескварцевые (полевошпатовые) порфиры. Кварцевые порфиры по своему минеральному составу близки к гранитам. Прочность, пористость, водопоглощение
у порфиров в общем сходны с показателями этих свойств, присущими гранитам. Но порфиры более хрупки и менее стойки вследствие наличия крупных вкраплений. Бескварцевые (полевошпато54
Рис. 26. Формы интузивных
тел:
а — внедрение интузивного тела
согласно границам вулканогенно-осадочной толщи; I — песчаники мелкозернистые; 2 —
песчаники крупнозернистые; 3 —
лава среднего состава; 4 — интрузия андезитовых порфири-
тов; б — дайка (пластинообраз-
иое магматическое тело) диоритовых порфирнтов, прорвавшая
толщу осадочных пород; 1 —
известняки; 2 — мергели; 3 — доломиты; 4 — органогенные песчаники; 5 —дайка диоритовых
порфнритов
вые) порфиры по своему составу близки к сиенитам, но в связи с
иным генезисом обладают худшими физико-механическими свойствами.
§ 5. Эффузивные горные породы
Эффузивные породы образовались в результате излияния магмы, ее охлаждения и застывания на поверхности земли, поэтому
в большинстве случаев они состоят из отдельных кристаллов, вкрапленных в основную мелкокристаллическую, скрытокристаллическую и даже стекловатую массу.
Выделяют следующие две группы эффузивных тел: 1) тела, связанные с излияниями магмы-потоки (рис. 27, а, б) и 2) тела,
возникшие в результате деятельности вулканов центрального типа — некки, купола (рис. 27, в).
Текстуры эффузивных пород, в отличие от интрузивных, неоднородны: 1) флюидальная текстура определяется характером течения
лавы; 2) пористая — наличием округлых или неправильных пустот,
возникших в результате выделения газов при охлаждении магмы;
3)
ми минералами — опалом, халцедоном и др.
Эффузивные породы в результате неравномерного распределения минеральных компонентов сравнительно легко разрушаются
при выветривании и под воздействием внешних условий, а также
обнаруживают анизотропность механических свойств.
Различают эффузивы: излившиеся плотные и излившиеся пористые.
К плотным эффузивным породам относят трахиты, липариты,
андезиты, базальты, диабазы.
Трахиты. По своему минеральному и химическому составу трахиты схожи с сиенитами, но более пористы. Поэтому предел прочности при.сжатии трахитов невысок (60—70 МПа), а морозостойкость ниже, чем у сиенитов. Трахиты легко обрабатываются, но не
полируются. Трахиты используют как кислотоупорный материал и
отчасти в качестве строительного камня.
Излившиеся аналоги гранитов представлены липаритами. Среди эффузивных пород кислого состава широко распространены вулканические стекла с полным отсутствием или небольшим количеством кристаллов.
В зависимости от содержания воды выделяют следующие разновидности вулканических стекол: обсидиан — темные, часто черные
породы со стеклянным блеском и характерным раковистым изломом, почти не содержащие воды; перлиты — вулканические стекла
с 3—4% воды; пехштейны — черные породы со смоляным блеском,
содержащие до 10% воды.
Начиная с 1955 г. в Советском Союзе стали использовать некоторые вулканические стекла,‘применяемые после термической обработки в виде «вспученного перлита», обладающего рядом ценных
свойств — малой объемной массой, большой пористостью, малыми
звуко- и теплопроводностью и т. д.
55
--------------- page: 29 -----------
Рис. 27. Формы эффузивных тел:
а схема лавовой данки на Этне; 6 — поток стекловатой лавы, вливающийся в озеро; в — центральный купол Везувия с лаврвым потоком (1892)
Андезиты — излившиеся аналоги диоритов — порода серого или
желтовато-серого цвета, порфировой структуры, с плотной основной
массой. Андезиты содержат плагиоклазы, роговую обманку, некоторые пироксены и биотит. Структура может быть неполнокристаллическая или стекловатая, текстура — массивная или пористая.
Физико-механические свойства сходны со свойствами базальтов.
Плотность андезитов —2,7—3,1 г/см3, предел прочности при сжатии — 140—250 МПа. Андезиты, содержащие в своем составе большое количество роговой обманки или пироксенов, отличаются более
высокими техническими качествами, чем биотитсодержащие разности. Андезиты применяют в качестве кислотостойкого материала —
облицовочных изделий, в виде щебня для кислотоупорного бетона.
Базальты — излившиеся аналоги габбро — породы черного цвета, очень плотные, скрытокристаллические или тонкозернистые,
иногда порфировые. Плотность базальтов — 2,7—3,3 г/см3; предел
прочности при сжатии колеблется в широких пределах—110—
500 МПа, в среднем — 200—250 МПа. Базальты ввиду большой
твердости и хрупкости трудно обрабатываются, но хорошо полируются. Применяют главным образом в качестве бутового камня и
щебня для бетонов. При наличии благоприятной отдельности (пластовой, призматической) применяют в дорожном строительстве (для
мощения улиц); особо плотные породы используют в гидротехническом строительстве. Базальты являются исходным материалом для
литых каменных изделий.
Диабазы — порода мелкозернистая, по составу аналогичная
габбро, но с типичной диабазовой микроструктурой (структура полнокристаллическая представлена кристаллами плагиоклаза, между
которыми располагаются зерна цветных минералов). Диабазы имеют черный цвет, выветренные — зеленовато-серый. Диабазы отличаются высокой твердостью, прочностью (300—400 МПа на сжатие) и
вязкостью, что связано с большим содержанием в их составе железомагнезиальных силикатов и свойственной этим породам структурой. Диабазы мало изнашиваются и в виде брусчатки применяются
для мощения дорог и улиц.
К пористым эффузивным породам относят пемзу, вулканические
туфы и пеплы, туфолавы.
Пемза представляет собой пористое вулканическое стекло, образовавшееся в результате выделения газов при быстром застывании кислых и средних лав. Цвет пемзы белый или серый. Пористость ее достигает 60%; стенки между порами сложены стеклом.
Твердость пемзы около 6, плотность 2—2,5 г/см3, объемная масса
0,3—0,9 г/см3 (пемза плавает в воде). Большая пористость пемзы
обусловливает хорошие теплоизоляционные свойства, а замкнутость большинства пор — достаточную морозостойкость. Пемза служит заполнителем в легких бетонах (пемзобетоне). Наличие в пемзе активного кремнезема позволяет использовать ее в виде гидравлической добавки к цементам и извести. В качестве абразивного
материала пемзу применяют для шлифовки металлов и дерева, полировки каменных изделий.
Месторождения пемзы относятся к вулканическим и встречаются
в областях распространения действующих и потухших вулканов.
Вулканический пепел — наиболее мелкие частицы лавы, обломки отдельных минералов, выброшенные при извержении вулкана.
Происхождение пепла объясняется размельчением лавы при вулканических взрывах. Размеры частичек пепла колеблются от 0,1 до
2
бавкой.
57
--------------- page: 30 -----------
Вулканические туфы — горные породы, образовавшиеся из твердых продуктов вулканических извержений: пепла, пемзы и других, впоследствии уплотненных и сцементированных; Цё'ментом ту^
фов является вулканический пепел, глинистое или кремнистое вещество, иногда с примесью продуктов разложения пепла.
Туфолава — горная порода, занимающая промежуточное положение между лавой и туфом. Образование туфолав связывают с
быстрым вспениванием лав при резком падении давления и связанным с этим дроблением вкрапленников и стекла без разрыва сплошности лавового потока. В состав вулканических туфов и туфолав
входят S1O2, АЬОз, РегОз и др.
Вулканические туфы и туфолавы хорошо сопротивляются выветриванию, мало теплопроводны и, несмотря на большую пористость,
морозостойки. Они легко обрабатываются, распиливается, пробиваются гвоздями, шлифуются, но не полируются.
Типичным представителем туфолав является артйкский туф,
добываемый в Армении (вблизи г. Ленинакана). При плотности около 2,6 г/м3 объемная масса породы, колеблется в пределах от 750 до 1400 кг/м3. Соответственно пористость ее составляет
70—46%. Теплопроводность артикского туфа меньше, чем обыкновенного кирпича, что позволяет уменьшать толщину наружных стен
зданий.
Прочность туфов находится в тех же примерно пределах, что и
у обыкновенного кирпича, т. е. от 5 до 15 (иногда до 30) МПа.
Туф и туфолавы используют в виде пиленого камня для кладки
стен жилых зданий, устройства перегородок и огнестойких перекрытий. Используются они также в качестве декоративного камня, чему благоприятствует наличие туфов разных цветов — лиловых, желтых, красных, черных и др. Применяются туфы и в виде щебня для
легких бетонов.
Глава 8
ОСАДОЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
§ 1. Общая характеристика
Осадочная порода находятся в термодинамических условиях,
характерных для поверхностной части земной коры, и образуется в
результате переотложения продуктов выветривания и разрушения
различных горных пород, химического и механического выпадения
осадка из воды, жизнедеятельности растений.
В результате воздействия агентов химического выветривания
происходит окисление минералов, их гидратация, а также разложение минералов сложного состава с образованием новых минеральных видов и выносом в растворенном состоянии различного рода
соединений. В качестве примера подобного рода процессов рассмотрим схему разложения полевых шпатов под воздействием во-
ды и растворенной в ней углекислоты.
58
На первом этапе химического выветривания полевые шпаты переходят в глинистые минералы типа гидрослюды
6К [ AlSi808] + 2СОа 4- п Н20 = 2КА12 [AlSiAol (ОН), х
X п НаО + 2КгС03 + 128Юг
При более глубоком разложении образуется другой глинистый минерал — каолинит
4К [AlSigOg] + 2COs + 4НгО = А1* [Si4O10] (ОН)8 + 2К2С03 + 8SiOa
Преобладающая часть продуктов выветривания выносится из
зоны выветривания и отлагается вдали от места разрушения материнских пород. Основными агентами переноса являются текучие воды, движущийся лед и ветер. Процессы переноса и отложения осадочного материала неразрывно связаны и составляют единую стадию осадкообразования — седиментогенез. При разрушении
материнских пород, а также при последующем переносе и отложении осадочного материала происходит его разделение (дифференциация) по размеру частиц, плотности и химическому составу.
В результате этого в бассейнах конечного стока отлагается не пестрая смесь всевозможных компонентов, а происходит их раздельное
накопление, что обусловливает формирование осадков определенного состава.
По классификации В. И. Лучнцкого, осадочные породы в зависимости от условий нх образования делят на следующие три основные группы: 1) обломочные породы, или механические осадки:
а) рыхлые (например, гравий, глины, пески), оставшиеся на месте
разрушения пород или перенесенные водой, а также льдом (ледниковые отложения) или ветром (эоловые отложения); б) сцементированные (песчаники, конгломераты, брекчии); 2) химические осадки (например, гипс и известковые туфы), образовавшиеся из продуктов разрушения пород, перенесенных водой в растворенном виде; 3) органогенные породы, образовавшиеся из остатков некоторых водорослей и животных (скелеты губок, кораллов, раковины й
панцири ракообразных и др.); к органогенным породам относятся
мел, большинство известняков, диатомиты.
Кроме обломочных рыхлых пород встречаются также породы
(конгломераты, брекчии, песчаники), зерна которых сцементированы различными природными «цементами». Эти цементы находились в растворенном или коллоидном состоянии в воде и выпали в
толще рыхлых осадков, сцементировав их зерна в сплошные горные
породы различной плотности.
Большинство осадочных пород имеет более пористое строение,
чем плотные магматические породы, а следовательно, и меньшую
прочность. Некоторые из них сравнительно легко растворяются (например, гипс) или распадаются в воде на мельчайшие нерастворимые частицы (например, глины).
В составе осадочных пород можно выделить две различные по
своему происхождению группы минералов: 1) реликтовые и 2) минералы осадочного происхождения. К первой группе относят мине-
59
--------------- page: 31 -----------
ралы магматические и метаморфические; обычно зерна З^их минералов окатаны, ко второй — минералы, образовавшиеся на месте в
осадке или в породе.
§ 2. Главные породообразующие минералы
Группа кремнезема. Наиболее распространенные минералы этой
группы — опал, халцедон и осадочный кварц.
Опал (SiOa-лНгО)—аморфный минерал, содержание воды в
нем колеблется от 2 до 14% и достигает иногда 34%. При нагревании часть воды теряется. Опал чаще всего бесцветен или молочно-
белый, но в зависимости от примесей может быть желтым, голубым
или черным. Плотность 1,9—2,5 г/см3, максимальная твердость 5—
6, хрупок.
Халцедон (БЮг) является волокнистой или скрытокристаллической разновидностью кварца. Цвет белый, серый, светло-желтый,
бурый, зеленый. Плотность 2,6 г/см3, твердость 6. Халцедон является продуктом кристаллизации опала, а также выпадает непосредственно из растворов, отлагаясь совместно с опалом и кварцем.
Кварц (БЮг). В осадочных породах присутствует кварц магматического происхождения и кварц осадочный. Осадочный кварц
отлагается непосредственно из растворов, а также образуётся в результате перекристаллизации опала и халцедона. Он широко распространен в кремнистых породах, заполняет трещины, поровые
пространства и другие полости в песчаниках и известняках.
Группа карбонатов. Минералы группы карбонатов имеют широкое распространение в осадочных породах. Наиболее важную роль
в них играют кальцит, доломит и магнезит.
Кальцит (СаСОз). Бесцветный или белый, при наличии механических примесей серый, желтый, розовый или голубоватый минерал.
Блеск стеклянный. Плотность 2,7 г/см3, твердость 3. Характерным
диагностическим признаком является растворимость с бурным вскипанием в 10%-ной соляной кислоте.
Разновидность карбоната кальция называется арагонитом.
В условиях земной поверхности арагонит неустойчив и переходит в
кальцит.
Доломит [CaMg(C03),2] —бесцветный, белый, часто с желтоватым или буроватым оттенком минерал. Блеск стеклянный. Плотность 2,8 г/см3, твердость 3—4. В 10%-ной соляной кислоте вскипает
только в порошке и при нагревании. Доломит обычно мелкозернист,
крупные кристаллы встречаются редко. Образуется он либо как
первичный химический осадок, либо в результате доломитизации
известняков. Минерал доломит слагает породу того же названия.
Применяется в качестве сырья для производства магнезиальных и
доломитовых вяжущих веществ, доломитовых огнеупорных материалов, а также в качестве строительного камня и щебня для бетона.
Магнезит (MgCOe) — бесцветный, белый, серый, желтый, коричневый минерал. Плотность 3,0 г/см3, твердость 3,5—4,5. Раство-
60
ряется в НС1 при нагревании. Применение магнезита основано на
высокой огнеупорности и вяжущих свойствах окиси магния. Магнезит, обожженный при 1500—1650°С, представляет собой высокоогнеупорный материал, применяющийся для изготовления магнезитового кирпича, а обожженный при 750—800°С дает окись магния
(каустический магнезит) и образует с растворами хлористого или
сернокислого магния магнезиальное вяжущее.
Группа глинистых минералов. Глинистые минералы играют в
составе осадочных пород исключительно важную роль. Они слагают глины, а также могут находиться в качестве примеси в песчаниках, алевролитах, известняках и многих других породах, существенно изменяя их физико-химические свойства. Минералы этой
группы относятся к водным алюмосиликатам. Наиболее широкое
распространение имеют каолинит, монтмориллонит и гидрослюды.
Каолинит — Al4[Si40io] (ОН)8 или АЬОз^БЮг^НгО. Белый,
иногда с буроватым или зеленоватым оттенком минерал. Плотность
его 2,6 г/см3, твердость 1. На ощупь жирный. Встречается в виде
мелоподобных плотных агрегатов. Каолинит образуется в результате разложения полевых шпатов, слюд и некоторых других силикатов в процессе их выветривания и переноса продуктов разрушения.
На земной поверхности устойчив в условиях кислой среды. Каолинит слагает каолиновые глины, входит в состав полиминеральных
глин, иногда присутствует в цементе обломочных пород.
Гидрослюды образуются при разложении слюд и некоторых других силикатов (например, полевых шпатов).
Гидрослюды используют в строительстве; например, вермикулит, обладающий свойством увеличиваться при нагревании в 20 и
более раз, применяется как пористый заполнитель легкого бетона.
Монтмориллонит образуется в условиях щелочной среды в морских осадках и в коре выветривания. Слагает бентонитовые глины,
иногда служит цементирующим материалом в песчаниках. Минералы группы монтмориллонита широко распространены в осадочных
породах, а в некоторых глинах играют роль главных породообразующих. Примеси глинистых минералов в известняках и песчаниках нежелательны, так как содержание уже 3—4% глины резко понижает их водостойкость и морозостойкость.
Группа сульфатов. Наиболее распространенными минералами
этой группы являются гипс и ангидрит.
Гипс CaS04‘2H20 представляет собой скопление белых или бесцветных кристаллов, иногда окрашенных механическими примесями в голубые, желтые или красные тона. Блеск стеклянный. Плотность 2,3 г/см3, твердость 2. Для гипса, развивающегося в пустотах
и трещинах, характерно волокнистое строение и шелковистый блеск.
Иногда гипс встречается в виде тонкозернистых и землистых агрегатов, а также слагает цемент песчаника. Гипс применяют в производстве вяжущих веществ: строительного и формовочного гипса
и др.
Ангидрит CaS04 — белый, серый, светло-розовый, светло-голубой минерал. Блеск стеклянный. Плотность 3 г/см3, твердость 3—
61
--------------- page: 32 -----------
3,5. Как правило, встречается в виде сплошных мелкозернистых
агрегатов; крупные кристаллы образуются редко, они обычно имеют таблитчатый, игольчатый или призматический облик.
Красиво окрашенные ангидрит и гипс иногда применяют как облицовочный материал для внутренних отделок,зданий, а после пропитки водостойкими эмульсиями и для наружных отделок. Ангидрит используют для производства вяжущих веществ. Гипс и ангидрит слагают породы того же названия, широко распространенные в
соленосных отложениях.
Органические остатки в осадочных породах. Осадочные породы нередко содержат органические остатки животного и растительного происхождения, сложенные кремнистым
или известковым веществом.
Наиболее важными по своим
строительным свойствам из групп
пород биохимического происхождения являются диатомиты, сложенные остатками диатомей. Диатомовые водоросли — мельчайшие одноклеточные растения, заключенные
в тонкий пористый панцирь, состоящий из опала. Встречаются преимущественно в кремнистых и глинисто-кремнистых породах.
Вулканогенный материал в осадочных породах представлен обломками вулканического стекла (вулканический пепел), размеры
которых колеблются от 0,01 до 1 мм и характеризуются остроугольными причудливо изогнутыми формами (рис. 28).
Структура осадочной породы определяется размером и формой
ее минеральных компонентов, текстура — их взаимным расположением и ориентировкой в пространстве. Структура и текстура характеризуют строение породы. Наиболее характерной особенностью
строения осадочных пород является их слоистость. В том случае,
когда слоистость отсутствует, текстуру называют беспорядочной,
так как частицы располагаются в ней без всякой ориентировки.
Беспорядочная текстура характерна для песков и грубообломочных
пород.
§ 3. Осадочные обломочные породы
Обломочными породами называют такие, в составе которых преобладает обломочный материал. Породы рассматриваемой группы
сложены преимущественно зернами устойчивых при выветривании
минералов и горных пород. В грубообломочных породах преобладают обломки крупнее 1 мм.
Грубообломочные рыхлые породы делят на несколько типов в
зависимости от размеров и формы обломочных частиц (табл. 7).
Рис. 28. Форма пирокластических
обломков вулканического стекла
(размер в мм)
62
Таблица 7
Классификация грубообломочных пород
Породы рыхлые
Размер
обломков, мм
с окатанными
обломками ;
>1000
Глыбы
1000—100
Валуны
10—1
Галька
Гравий
с угловатыми
обломками
с окатанными
обломками
Неоката.нные
глыбы
Неокатанные
валуны
I Щебень
Дресва
Глыбовые конгломераты
Валунные конгломераты
Конгломераты
Гравелиты
с угловатыми
обломками
Глыбовые
брекчии
Валунные
брекчии
Брекчии
Дресвяники
Песчаные породы состоят из обломочных зерен размером 0,1—
1 мм.
Алевритовые породы слагаются обломочными частицами размером 0,1—0,01 мм.
Рыхлые разности песчаных пород называют песками, алевритовых— алевритами; сцементированные породы — соответственно
песчаниками и алевролитами.
Термины «алеврит» и «алевролит» предложены А. Н. Завариц-
ким и являются в настоящее время общепринятыми.
Песчаные и алевритовые породы классифицируются по размерам и минеральному составу обломочных зерен (табл. 8).
Таблица 8
Классификация песчаных и алевритовых пород по
гранулометрическому состалу
Породы
Гранулометрические
группы
Размеры обломочных
верен, мм
. Песчаные
Алевритовые
Крупнозернистые
Среднезернистые
Мелкозернистые
Крупнозернистые
Мелкозернистые
1—0,5
0,5—0,25
0,25—0,1
0,1—0,05
0,05—0,01
Зависимость прочности пород от их гранулометрического состава показана на примере молодых песчаников долины верхнего Амура (табл. 9).
Наиболее распространены кальцитовый, опаловый, глинистый
природные цементы.
Обломочные породы с кремнистым (опаловым) цементом наиболее прочны и устойчивы против выветривания. Сравнительно высокой прочностью характеризуются породы с карбонатным цементом.
63
--------------- page: 33 -----------
Таблица 9
Изменение предела прочности песчаников при сжатии
в зависимости от их гранулометрического состава (по Н. С. Красиловой)
Прочность пород, МПа
Структура песчаников
в воэдушно-сухом
в водонасыщенпосле
состоянии
ном состоянии
замораживания
Г равелистая
50
40
25
.Мелкозернистая
но
60
75
Рыхлые обломочные породы — песок и гравий — применяют в
качестве заполнителей для бетона, в дорожном строительстве, для
железнодорожного балласта. Пески служат компонентом сырьевой
смеси в производстве стекла, керамических изделий и др. Песчаные породы широко используют при возведении намывных плотин,
дамб и др.
Большинство песчаников относятся к плотным, тяжелым и теплопроводным каменным материалам. Поэтому их применяют для
кладки фундаментов, стен неотапливаемых зданий, ступеней, тротуаров, в качестве бутового камня, для изготовления огнеупорного
кирпича — динаса. Алевритовые породы находят меньшее применение: лёсс используют для изготовления аглопорйта. Водостойкие
алевролиты употребляют как строительный камень.
Глинистые породы сложены более чем на 50% частицами мельче 0,01 мм, причем не менее 25% из них имеют размеры меньше
0,001 мм. Они характеризуются сложным минеральным составом.
Кроме этого, глинистые породы могут содержать обломочные зерна кварца, полевых шпатов, слюд, а также гидроокислы, карбонаты, сульфаты и прочие минералы. Наличие обломочной примеси оказывает существенное влияние на степень пластичности глины.
За основу минералогической классификации глинистых пород
принимается состав глинистых минералов.
Каолиновые глины сложены минералом каолинитом. Обычно эти
глины окрашены в светлые тона, жирные на ощупь, они малопластичны, огнеупорны. Их разновидность — сухарные глины.
Монтмориллонитовые глнны белого, светло-серого или желтовато-зеленоватого цвета, жирные на. ощупь. Имеется две разновидности монтмориллонитовых глин — бентониты и флоридины. Для
первых характерно увеличение в объеме при поглощении воды в
40 раз. Гидрослюдистая глина увеличивается в 9 раз и каолиновая
не более чем в 3 раза. Флоридиновые глины обладают высокой
адсорбционной способностью.
Полимиктовые глины характерны наличием двух или нескольких минералов, причем ни один из них не является преобладающим.
Они окрашены в бурые, коричневые, серые или зеленоватые тона.
Обычно содержат значительное количество песчаной и алевритовой
64
примеси и различные карбонаты, сульфаты, сульфиды, гидроокислы железа и т. п.
Глины находят большое применение. Каолиновые глины являются огнеупорными и их широко используют в керамической промышленности. Гидрослюдистые глины и глины полимиктового состава применяют для изготовления кирпича, грубой керамики и
других изделий. Глины являются также компонентом сырьевой смеси в производстве цемента. Глины используют как строительный
^ материал при возведении земляных плотин (экраны и пр.).
§ 4. Осадочные хемогенные породы
Хемогенные породы. Среди пород химического происхождения
наиболее важными в строительном деле являются карбонатные,
сульфатные и аллитовые породы.
В породах химического происхождения наиболее распространены такие минеральные образования, как оолиты и сферолиты.
Оолиты — минеральные образования округлой или эллипсоидной
формы, характеризующиеся концентрически-слоистым строением.
Размеры оолитов до 2 мм (рис. 29). Сферолиты представляют
собой кристаллические агрегаты, состоящие из тонких игольчатых
кристаллов, расположенных радиально вокруг центра кристаллизации.
Важным структурным признаком для группы химических и биохимических пород является форма и размер зерна. По размеру зерен различают структуры кристаллически-зернистые (размер зерен
более 0,01 мм) и скрытокристаллические (размер зерен менее
0,01 мм).
Карбонатные породы. Наиболее распространенными карбонатными породами являются известняки и доломиты. Известняк — порода, сложенная более чем на 50% кальцитом; доломит — порода,
состоящая более чем на 50% из доломита. В зависимости от количественного соотношения в породе кальцита и доломита наблюдаются постепенные переходы от чистых известняков к чистым доломитам (табл. 10).
Количество глинистой примеси в карбонатных породах может
колебаться в широких пределах. Порода, характеризующаяся приблизительно равным содержанием карбонатного и глинистого материала, называется мергелем. Переходные разности
карбонатно-глинистых пород показаны в
табл. 11.
Наличие примесей оказывает большое
влияние на физико-механические свойства карбонатных пород. Глинистое вещество при увлажнении понижает прочность
известняков. Кремнезем уменьшает растворимость известняков и повышает их
прочность. Доломитизированные извест- рис. 29. Оолиты (х40)
3—664
--------------- page: 34 -----------
Таблица 10
Классификация иэвестково-доломитовых пород (по С. Г. Вишнякову)
Порода
Содержание, %
СаСО,
CaMg(CO,),
Известняк
95—100
5—0
Известняк доломитистый
75—95
25—5
Известняк доломитовый
50—75
50—25
Доломит известковый
25—50
75—50
Доломит известковистый
10—25
90—75
Доломит
0—5
100—95
Таблица 11
Классификация карбоиатио-глииистых пород (по С. Г. Вишнякову)
Содержание
глинистого
материала. %
Известковый ряд
Доломитовый ряд
порода
СаСО,, %
порода
CaMg(CO,)lf %
0—5
Известняк
95—100
Доломит
95—100
5—25
Известняк
75—95
Доломит гли75—95
глинистый
нистый
25—50
Мергель
50—75
Мергель доломи50—75
товый
50—75
Мергель гли25—50
Мергель глинис25—50
нистый
тый доломитовый
75—95
Глина из5—25
Глина доломи5—25
вестковая
товая
95—100
Глина
0
1
сл
Глина
0—5
няки характеризуются меньшей растворимостью и большей прочностью по сравнению с известняками, не затронутыми процессами
доломитизации. Примеси гипса, ангидрита и других легкораствори-
мых солей весьма нежелательны.
Пористость плотных известняков не превышает десятых долей
процента, а рыхлых достигает 15—20%. Окраска известняков зависит от примесей и может быть различной: белой, желтоватой, бурой, серой, темно-серой до черной. Среди известняков, образовавшихся химическим путем, выделяют хемогенные известняки, состоящие из кальцита, отложившегося в осадок чисто химическим путем. Такими образованиями являются оолитовые известняки
(рис. 29), известковые туфы, а также некоторые микрозернистые
известняки.
По внешнему виду доломиты похожи на известняки. Цвет доломитов белый, желтовато-белый, светло-бурый. Для них характерны микрозернистые и кристаллически-зернистые структуры. По мак66
роскопическому строению М. С. Швецов выделил пять разновидностей доломитов: 1) микрозернистые; 2) с песчаниковидным изломом; 3) крупнозернистые; 4) мелкопористые и 5) доломитовая мука.
Благодаря широкому распространению, легкой добыче и обработке обыкновенные известняки, доломитизированные известняки
и доломиты применяют в строительстве чаще, чем другие породы.
Их используют в виде бутового камня для фундаментов, стен неотапливаемых зданий или жилых домов в районах с теплым климатом, а наиболее плотные породы применяют в виде плит и фасонных деталей для наружных облицовок зданий. Известняковый
щебень часто используют в качестве заполнителя для бетона. Наконец, известняки широко применяют как сырье для получения, вяжущих веществ — извести и цемента. Доломиты используют для получения вяжущих и огнеупорных материалов в цементной, стекольной, керамической и металлургической промышленности.
Сульфатные породы. Сульфатные породы состоят из сульфатных
соединений, выпадающих в осадок в случае увеличения их концентрации в природных водах. Гипсовые и ангидритовые породы, как
раньше упоминалось, слагаются одноименными минералами —
гипсом и ангидритом, которые в природных условиях в результате
гидратации и дегидратации переходят друг в друга. Ангидрит отличается от гипса большей твердостью. Обычно он имеет светлые
цвета — белый, зеленоватый, светло-серый, серовато-голубоватый.
Гипс и ангидрит служат сырьем для получения вяжущих веществ,
иногда их применяют в виде облицовочных изделий.
Аллитовые породы характеризуются высоким содержанием глинозема. В этой группе выделяют две главные породы: бокситы и
латериты.
Бокситы. Породообразующими минералами бокситов являются
гидроокислы алюминия (гиббсит и диаспор). Бокситы характеризуются большим разнообразием внешнего вида. Они могут быть
мягкими, рыхлыми, похожими на глину и плотными с раковистым
изломом. Пластичностью бокситы не обладают. Окраска обусловлена наличием гидроокислов железа. Чаще она бывает красная,
бурая, коричневая, зеленовато-серая. Используют для производства алюминия, искусственных абразивов, огнеупоров, в качестве
адсорбента при очистке нефтепродуктов.
Латериты состоят в основном из каолинита и гидроокислов железа, в меньшем количестве в них входят гидроокислы алюминия.
Цвет их красный, бурый или желтый. Высокая стойкость против
выветривания позволяет использовать их в качестве строительного
материала.
§ 5. Осадочные органогенные породы
К осадочным органогенным породам относятся биогенные кремнистые породы и органогенные известняки. В породах биогенного
происхождения выделяют структуры биоморфную (цельнораковинную) и органогенно-детритовую (порода сложена обломками рако-
3*
67
--------------- page: 35 -----------
вин). Значительно реже встречается органогенно-обломочная структура, которая возникает в том случае, когда обломки раковинок
вследствие переноса приобретают окатанную форму.
Кремнистые породы (силициты) сложены осадочным кремнеземом (опалом, халцедоном, кварцем). По морфологическому признаку выделяют пластовые и конкреционные кремнистые породы.
Главными разновидностями пластовых кремнистых пород являются диатомиты, радиоляриты, спонголиты, трепелы, опоки и яшмы.
Диатомиты — легкие светлые тонкопористые породы, состоящие из
опаловых скелетов диатомовых водорослей. Радиоляриты сложены
опаловыми скелетами радиолярий, по внешнему виду они не отличаются от диатомитов. Спонголиты состоят преимущественно из
опаловых спикул губок. Трепелы и опоки белые или серые, очень
легкие, похожи на каолиновую глину или мел и состоят из опала,
реже халцедона. Яшмы — массивные плотные неравномерно окрашенные породы с характерным раковистым изломом, состоят они
из халцедона или мелкозернистого кварца с постоянной примесью
тонкорассеянных гидроокислов железа.
Конкреционные кремнистые породы встречаются значительно
реже. Желваки или конкреции, сложенные осадочным кремнеземом, называются кремнями. Кремни могут быть рассеяны в различных породах — известняках, песчаниках, глинах.
Для кремнистых пород характерно водно-осадочное происхождение. Кремнезем, образовавшийся в результате химического выветривания магматических пород, а также при вулканических извержениях, поступал в водоемы (морские, реже озерные) и отлагался там благодаря коагуляции коллоидных растворов или в
результате жизнедеятельности организмов, потреблявших его для
построения скелетов.
Кремнистые породы находят разнообразное практическое применение. Яшмы используют как декоративный камень и в строительстве. Диатомиты, трепелы, опоки применяют для производства
теплоизоляционных материалов, в виде минеральных добавок к вяжущим веществам (воздушной извести, портландцементу).
Органогенные известняки могут быть сложены целыми раковинами или обломками раковин различных морских беспозвоночных,
а также остатками известковых водорослей. Органогенные известняки иногда слагают рифы. Рифостроящими организмами являются
преимущественно известковые водоросли, кораллы и др.
Разновидность органогенных известняков — мел. Это микро-
зернистая слабосцементированная порода белого цвета.
Известняки-ракушечники применяют в строительстве. Способность легко распиливаться, небольшая объемная масса (от 800 до
1800 кг/м3), малая теплопроводность — все это позволяет уменьшать толщину наружных стен зданий по сравнению с кирпичными, что снижает стоимость строительства.
В Молдавии, Одесской области, ряде районов Крыма, Азербайджана органогенные известняки-ракушечники являются распространенным материалом для кладки стен; наиболее же плотные разно68
видности известняков используют для кладки фундаментов, наружной (отчасти и внутренней) облицовки стен, а щебень применяют
как заполнитель для бетона.
Глава 9
МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
§ 1. Общая характеристика
Метаморфизмом называют преобразование горных пород, происходящее в недрах земной коры под влиянием высоких температур и давлений. В этих условиях может происходить перекристаллизация минералов без их плавления.
Главными факторами метаморфизма являются температура,
давление и химически активные вещества — растворы и газы, под
действием которых породы любого состава и генезиса (магматические, осадочные или уже ранее метаморфизованные) подвергаются
изменениям.
При формировании структурно-текстурных особенностей метаморфических пород велика роль направленного давления. При одностороннем давлении кристаллы деформируются в направлении,
перпендикулярном направлению наибольшего давления, и видоизмененные породы приобретают сланцевое строение (гнейс, глинистые сланцы и т. п.). Образуются специфические структуры с характерной закономерной ориентировкой минералов.
К химически активным веществам прежде всего относится вода
и углекислота, которые находятся в том или ином количестве почти во всех горных породах в виде так называемых «поровых» или
«межзерновых» метаморфогенных растворов и газов. Перемещаясь
из областей высоких давлений в зоны низких давлений (обычно
снизу вверх), такие растворы активно участвуют в преобразовании
минералов и пород, являются переносчиками химических элементов, тепла.
§ 2. Главные породообразующие минералы
Минералы, слагающие метаморфические породы, можно разделить на следующие группы: 1) минералы, широко распространенные как в метаморфических, так и в магматических породах (полевые шпаты, кварц, слюда, роговая обманка, большинство пирок-
сенов, оливин и др.); 2) типичные для осадочных пород минералы
(кальцит, доломит); 3) минералы, которые могут находиться в магматических породах в качестве вторичных, а также слагать типичные метаморфические породы (серпантин и др.); 4) специфические
метаморфические минералы, присутствие которых возможно только
в глубоко преобразованных метаморфических породах.
Процесс перекристаллизации породы в твердом состоянии называется кристаллобластезом, а структуры, возникающие в результате такого процесса,— кристаллобластовыми.
68
--------------- page: 36 -----------
Катакластические структуры возникают в породе под действием
направленного давления, вызывающего дробление породы, не сопровождающееся перекристаллизацией. Среди катакластических
структур, выделяемых по степени раздробленности породы, наиболее типичными являются брекчиевидная, цементная и милонитовая.
Брекчиевидная структура представляет собой начальную стадию дробления породы, характеризующуюся неравномерно раздробленным материалом, между различными по величине угловатыми обломками которого находится небольшое количество мелкообломочного материала.
Цементная структура характеризует более высокую стадию
дробления. Количество мелкообломочного и перетертого материала увеличивается, и он начинает цементировать разобщенные крупные обломки ненарушенной первичной породы.
Милонитовая структура свойственна наиболее высокой стадии
дробления породы: основная часть породы состоит из тонкопере-
тертого материала.
Для метаморфических пород текстурный признак особенно важен, так как он отчетливо отражает условия, при которых происходило их преобразование. Этот признак существен также и при оценке физико-механических свойств пород.
Сланцеватые текстуры характеризуют обширную группу регионально метаморфизованных пород, формировавшихся при наличии
направленного давления. В зависимости от ориентировки минеральных зерен среди сланцеватых текстур выделяются: параллельносланцеватая текстура и волнистая сланцеватость.
Линейная текстура свойственна породам, в составе которых имеются удлиненные игольчатые минералы, ориентированные взаимно
параллельно.
Очковая (линзовидная) текстура характеризуется наличием
крупных линзовидных зерен (агрегатов) кварца или полевого шпата, так называемых «очков», которые выделяются на фоне сланцеватой основной ткани породы. Такая текстура свойственна некоторым гнейсам.
§ 3. Основные разновидности метаморфических горных пород
Кристаллические сланцы имеют мелкозернистое строение с полностью утраченными первичными текстурами и структурами. Цвет
их от темно- до светло-серого. Основная часть породы состоит из
зерен кварца, биотита и мусковита.
Некоторые разновидности глинистых, кремнистых, слюдистых и
иных сланцев являются естественными кровельными материалами — кровельными сланцами. Эти сланцы легко раскалываются по
плоскостям сланцеватости на ровные и тонкие (2—8 мм) плоские
плитки. Они должны отвечать определенным требованиям: иметь
достаточную плотность и вязкость, твердость, малое водопоглоще-
ние, высокую водостойкость, стойкость против выветривания. Плотность кровельных сланцев — около 2,7—2,8, пористость — 0,3—3%,
70
предел «прочности .при, сжатии — 50—240 МПа. Большое значение
имеет также прочность на излом перпендикулярно сланцеватости.
Кровельные сланцы используют в производстве кровельных пли-
ток и некоторых строительных деталей (плит для внутренней облицовки помещений, лестничных ступеней, плит для пола, подоконных
досок и т. п.).
Гнейсы — породы метаморфического генезиса, образовавшиеся
при температуре 600—800°С и высоком давлении. Исходными являются глинистые и кварц-полевошпатовые породы. В состав гнейсов входят следующие минералы: кварц, биотит, роговая обманка,
полевые шпаты. Текстура — массивная, полосчатая, структура —■
разнозернистая.
Гнейсы по механическим и физическим свойствам в свежем виде не уступают гранитам, однако сопротивление на излом параллельно сланцеватости у них в 1,5—2 раза меньше, чем в перпендикулярном направлении. По плоскостям сланцеватости они раскалываются на плиты, легко расслаиваются при замерзании и
оттаивании. Гнейсы характеризуются предпочтительно слабым развитием сланцеватой или гнейсовой текстур, чечевицеобразным расположением слюдистых и грубой (но не тонкой) пластовой отдельностью.
Применяют гнейсы при бутовой кладке, для кладки фундаментов, в качестве материала для щебня и отчасти в виде плит для мощения дорог. Щебень из сильно сланцеватого гнейса не используют
для бетона и дорожного строительства, так как он получается непригодным по форме зерен.
Кварцитами называют мелкозернистые кварцевые или кремнистые песчаники, в которых и цементируемое вещество, и цемент
представлены минералами кремнезема, макроскопически неразличимыми между собой и сливающимися в сплошную плотную массу с
занозистым или раковистым изломом. Образование таких кварцитов связано с перекристаллизацией осадочных песчаников в процессе регионального метаморфизма. От них отличают кремнистые
песчаники, состоящие из обломочных зерен кварца, цементированных тонкозернистыми агрегатами кварца, халцедона и опала.
Кварцевые и кварцитовидные песчаники и кварциты содержат
95—99% Si02. Важным свойством их является высокая огнеупорность — до 1710—1770°С. Механическая прочность песчаников варьирует в очень широких пределах, а у кварцитов она более постоянная и высокая; предел прочности при сжатии у песчаников — 10—
371 МПа, у кварцитов — 100—455 МПа.
Кварциты в основном применяют в производстве динаса. Динас— кислый огнеупор, выдерживающий под нагрузкой температуру до 1550—1650°С без деформаций. Его изготавливают из кварцитов и кварцевых песчаников, содержащих не менее 95—97% Si02
на известковой, известково-железистой или иной связке.
В строительстве кварциты используют в качестве стенового камня, подферменных камней в мостах, бута, щебня и брусчатки, а
кварциты с красивой и неизменяющейся окраской — для облицов-
71
--------------- page: 37 -----------
ки зданий. Кварциты, применяемые в качестве кислотоупорного
материала, должны обладать высокой кислотоупорностью и малой
пористостью.
Кварциты практически распространены по всему Советскому
Союзу, но разрабатывают их в экономически освоенных районах.
Мрамор — мелко-, средне- и крупнозернистая плотная карбонатная порода, состоящая главным образом из кальцита и представляющая собой перекристаллизованный известняк. Прочность на
сжатие — 100—300 МПа, но легко поддается обработке. Вследствие малой пористости хорошо полируется.
Мрамор широко применяют для внутренней отделки, стен зданий, ступеней лестниц и т. п. В виде песка и мелкого щебня (крошки) его используют для цветных штукатурок, облицовочного декоративного бетона и т. п. В условиях сульфатной коррозии для наружных облицовок мрамор не применяют.
Добывают мрамор на Урале, в Крыму, Карелии, Средней Азии,
ка Дальнем Востоке, в Армении, Азербайджане, Грузии и других
районах Советского Союза.
Глава 10
ОБРАБОТКА И КЛАССИФИКАЦИЯ
ПРИРОДНЫХ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ
§ 1. Обработка природных каменных материалов
Природные каменные материалы и изделия получают из горных
пород путем механической обработки (дробления, распиливания,
раскалывания и т. п.), после которой почти полностью сохраняется структура и свойства исходной породы.
По виду обработки природные каменные материалы можно разделить на следующие основные виды: грубообработанные каменные материалы (бутовый камень, валунный камень, щебень, гравий
и песок); изделия и профилированные детали из природного камня; штучный камень и блоки правильной формы (для кладки стен
и др.); плиты с различно обработанной поверхностью (облицовочные для стен, чистого пола и др.); профилированные детали (ступени, подоконники, пояски, наличники, капители колонн и т. п.);
изделия для дорожного строительства (бортовой камень, брусчатка, шашка для мощения).
По способу изготовления природные каменные материалы и изделия можно разделить на: пиленые (стеновые камни и блоки, облицовочные плиты и плиты для пола) и колотые (бортовые камни,
камни тесаные, брусчатки, шашка для мощения и др.).
Используя ударную и абразивную обработку, природному камню придают ту или иную фактуру — различный характер поверхности.
Ударная обработка заключается в окалывании поверхности камня с помощью камнетесного инструмента со сменными наконечни72
ками: для тески пользуются широким долотом — скарпелью, скалывание неровностей производят спицей — остроконечным долотом,
для чистой обработки лицевой поверхности применяют бучарду со
средней или мелкой насечкой.
Ударная обработка дает возможность получить следующие фактуры (рис. 30): фактуру скалы с буграми и впадинами, как при
естественном расколе породы; рифленую■ с правильным чередованием гребней и впадин глубиной до 2 мм; бороздчатую — с параллельными прерывистыми бороздками глубиной 0,5—1 мм; точечную — шероховатую с точечными углублениями 0,5—2 мм.
Рис. 30. Виды фактур камня:
а — бугристая фактура скалы; 6 — рифленая; в —■ бороздчатая; г — точечная
Абразивная обработка включает распиливание, фрезерование,
шлифовку и полировку.
Выпиливание штучных стеновых камней и блоков из пористых
пород производят камнерезными машинами. Режущими элементами машин являются дисковые пилы. Быстровращающиеся стальные
диски имеют на ободе резцы, армированные твердыми сплавами
или алмазами.
Распиливание блоков из мрамора, известняка и других пород
ведут при помощи рамных пил, армированных твердосплавными
вставками или снабженных алмазными резцами. Алмазные резцы
увеличивают скорость резания в 5—10 раз и снижают расход электроэнергии в 2—2,5 раза по сравнению с резцами карборундовыми
или из твердых сплавов. Кроме того» алмазные резцы позволяют
73
--------------- page: 38 -----------
значительно увеличить выход готовой продукции. Ширина пропила сокращается примерно в 3 раза, а расход сырья — на 12—18%.
Алмазными резцами можно изготовлять тонкие плиты толщиной
всего 5—10 мм, поэтому из 1 м3 камня получают 40—45 м2 плит,
что обусловливает их низкую себестоимость. К тому же обеспечивается высокая чистота поверхности резания.
Для получения профилированных изделий (ступеней, поясков,
карнизов и т. п.) на камнеобрабатывающих заводах применяют
камнефрезерные и универсальные профилирующие машины.
Шлифовку и полировку производят на шлифовально-полировальных станках с вращающимися дисками, которые перемещают
по поверхности изделия. Шлифуют с применением зернового абразива: корунда, карборунда или мелких пылевидных алмазов, применение которых, как и при распиливании, увеличивает производительность оборудования. После шлифовки камень имеет гладкую
матовую поверхность.
Полировка осуществляется войлочными полировальными дисками с использованием мастик и тонких полирующих порошков из
окислов металлов (хрома, олова, железа и др.) или азотнокислого
олова. После полировки поверхность плотного камня становится
зеркально гладкой.
Абразивная обработка дает фактуры: пиленую — с тонкими
штрихами и бороздками глубиной до 2 мм; шлифованную — равномерно шероховатую с глубиной рельефа до 0,5 мм; лощеную— гладкую бархатисто-матовую с выявленным рисунком камня, зеркальную — гладкую с зеркальным блеском.
Для обработки некоторых видов горных пород применяют термический метод, основанный на воздействии струи газа с высокой
температурой. Она достигается сжиганием бензина в воздушной
струе. При обработке бензовоздушными термоотбойниками камень
нагревается неравномерно и возникающие термические напряжения вызывают скалывание верхнего слоя. В некоторых случаях с
помощью термической обработки оплавляется поверхностный слой
камня, что позволяет получить своеобразную «глазурованную»
фактуру и изменить естественный цвет породы.
§ 2. Классификация природных каменных материалов
по техническим свойствам
Объемная масса. По показателям объемной массы природные
камни делятся на легкие и тяжелые. Легкие камни объемной массой не более 1800 кг/м3 имеют пористое строение (вулканический
туф, пемза, известняк-ракушечник) и поэтому применяются преимущественно в виде штучного камня и блоков для стен зданий
и щебня для легких бетонов.
Тяжелые камни объемной массой более 1800 кг/м3 плотного
строения (из гранита, сиенита, диорита и т. п.) служат облицовкой
и используются в виде плит пола, материалов и изделий для гидротехнического и дорожного строительства.
74
Прочность. По пределу прочности при сжатии образцов в воздушно-сухом состоянии природные каменные материалы делят на
марки: 4, 7, 10, 15, 25, 35, 75, 100, 125, 150, 200, 300, 400, 500, 600,
800 и 1000. Марки с 4 до 200 свойственны легким камням различной
пористости.
Морозостойкость. По числу циклов попеременного замораживания и оттаивания, выдержанных образцами в условиях стандартного испытания, природные каменные материалы разделяют на
марки по морозостойкости: МрзЮ, Мрз15, Мрз35, МрзЮО, Мрз150,
Мрз200, МрзЗОО и Мрз500. Высокую морозостойкость имеют плотные камни с равномерно-зернистой структурой. Камни с неравномерным порфировым строением быстрее растрескиваются при резких изменениях температуры вследствие различия коэффициентов
температурного расширения мелкокристаллической массы и крупных вкрапленников. Свежедобытые известняки, доломиты, песчаники, туфы легко разрушаются от мороза вследствие того, что их
поры заполнены «горной влагой» и коэффициент насыщения пор
водой близок к 1. После естественной просушки они оказываются
достаточно морозостойкими и более прочными.
Водостойкость. Коэффициент размягчения камня, применяемого для гидротехнических сооружений и фундаментов, должен быть
не менее 0,8, для наружных стен зданий — не менее 0,6.
Истираемость и износ. Эти свойства природного каменного материала имеют важное значение при устройстве дорожных покрытий, полов, лестниц и т. п. Мелкокристаллические материалы при
истирании становятся слишком скользкими, поэтому для лестниц,
полов и дорожных покрытий следует применять среднезернистые
материалы, которые при истирании остаются немного шероховатыми. При выкрашивании крупных зерен в процессе истирания в камне образуются выбоины.
Огнестойкость зависит от минерального состава камня. Некоторые материалы при повышенной температуре разлагаются (гипс
при 100°С, известняк при 900°С), другие (например, гранит, порфиры) растрескиваются при .пожаре вследствие различного теплового расширения составляющих их минералов.
Глава 11
ВИДЫ И ПРИМЕНЕНИЕ ПРИРОДНЫХ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ
§ 1. Грубообработанные каменные материалы
Бутовый камень (бут) — куски камня неправильной формы,
размером не более 50 см по наибольшему измерению. Бутовый камень может быть рваный (неправильной формы) и постелистый.
Для получения рваного бута и щебня разработку пород осуществляют преимущественно взрывным способом. Плитняковый бут получают из пород пластового залегания. Крупные отдельности та-
75
--------------- page: 39 -----------
кой породы, ограниченные трещинами, отделяют экскаватором с
последующей развалкой кусков до требуемых размеров камне-
колъным инструментом.
Бутовый камень получают разработкой местных осадочных и
изверженных пород, отвечающих проектным требованиям в отношении прочности, морозостойкости и водостойкости. Бут из осадочных пород (известняков, доломитов, песчаников) не должен содержать примесей глины, рыхлых прослоек и включений пирита.
Из бута возводят плотины и другие гидротехнические сооружения, его применяют для подпорных стенок, кладки фундаментов и
стен неотапливаемых зданий. Большое количество бутового камня
перерабатывается в щебень.
Щебень — куски камня размером 5—70 мм (для гидротехнического строительства до 150 мм). Получают его дроблением бутового камня. Для обеспечения нужного зернового состава щебня процесс дробления осуществляют в несколько стадий. Встречается и
природный щебень, называемый дресвой.
Гравий состоит из окатанных зерен тех же размеров, что и у
щебня. Его получают просеиванием рыхлых осадочных пород, в необходимых случаях применяют промывку для удаления вредных
примесей (глины, пыли).
Песок состоит из зерен различных минералов (кварца, полевого
шпата, слюды и др.) с размерами 0,14—5 мм. Применяют природные и искусственные (дробленые) пески.
Щебень, гравий и песок используют в качестве заполнителей
для бетонов.
§ 2. Штучные камни и блоки для стен
Стеновые камни получают из туфов и пористых известняков путем выпиливания механизированным способом из массива горной
породы или распиловки блоков — заготовок. Камни применяют для
кладки наружных и внутренних стен и перегородок.
Основные размеры стеновых камней: 390X190X188, 490Х
X 240X188, 390X190X288 мм. Каждый такой камень заменяет в
кладке 8—12 кирпичей. Целесообразно изготовлять и применять
стеновые блоки объемом не менее 0,1 м3 из туфа, известняка, доломита, песчаника или пористого андезита (рис. 31). Укрупнениекам-
76
Рис. 31. Блоки:
о — колотый; б — тесаный; а — пиленый
ней уменьшает затраты труда, позволяет перейти к индустриальным методам строительства. Стены из мелкопористого природного
камня не требуют наружной штукатурки или облицовки.
Для наружных стен применяют камни объемной массой не более 2100 кг/м3. Несущие стены кладут из камня М35—400, а для
заполнения каркаса многоэтажных зданий и в малоэтажном строительстве пригоден камень М4—25. Внутренние стены, фундаменты,
■стены подвалов выполняют из камня объемной массой не более
2300 кг/м3. Водопоглощение камня должно быть не более 30%, морозостойкость — не менее Мрз15.
§ 3. Камни и плиты для облицовки
Для облицовки гидротехнических сооружений, набережных, устоев мостов, цокольной части монументальных зданий применяют
камни и плиты из гранита и других изверженных пород, которым
свойственна высокая морозостойкость, прочность и твердость. Камни для облицовки могут быть плитообразные (толщиной 15—25 см)
я утолщенные пирамидального вида (толщиной 30 см и более).
Наружная облицовка зданий может выполняться из атмосферо-
■стойких осадочных пород (известняков, доломитов, песчаников,
туфов), которые легче поддаются обработке и экономнее гранитных пород. Для внутренней облицовки общественных зданий и сооружений (например, станций метрополитена) широко используют
плиты, получаемые из хорошо распиливающихся пород: мрамора,
ангидрида,гипса.
Плиты для наружной облицовки имеют толщину 4—8, для внутренней— 1,2 — 4 см. Применение алмазных резцов позволяет изготовлять тонкие (5—10 мм) экономичные плиты, стоимость которых в 2—4 раза ниже, чем обычных. Тонкие плиты находят широкое применение, особенно для внутренней облицовки.
Специальные облицовки применяют для защиты от коррозии и
действия высоких температур. Для защиты от растворов кислот
(кроме плавиковой и кремнефтористоводородной) используют андезит, гранит, сиенит, диабаз, кварцит, кремнистый песчаник и другие кислотостойкие породы. Щебень из этих пород служит заполнителем в кислотоупорном бетоне. В жароупорном бетоне используют
заполнители из таких пород (хромита, базальта, диабаза, туфа),
которые не содержат кварца.
Цокольные плиты, а также детали карнизов, поясков и других
выступающих частей сооружений изготовляют из стойких пород.
Эти изделия не должны иметь волосных трещин, им придается такая форма, чтобы на них не задерживалась вода от дождя и тающего снега.
Плиты для полов и каменных ступеней внутренних лестниц
должны иметь высокие износостойкость и декоративные свойства,
соответствующие архитектуре интерьера.
77
--------------- page: 40 -----------
§ 4. Камни для гидротехнических сооружений
Природные каменные материалы применяют в больших количествах для сооружения плотин, причалов, молов, пирсов, шлюзов.
В зоне переменного уровня воды условия службы материала особенно неблагоприятны: камень испытывает многократное замораживание и оттаивание в насыщенном водой состоянии. Защитную
облицовку в этой зоне устраивают из плотных изверженных пород,
имеющих водопоглощение не более 1%, марку по прочности — не
ниже 800—1000 и по морозостойкости — Мрз150 — МрзЗОО в зависимости от класса сооружения, климатических и Других условий
эксплуатации. Соответствующим требованиям должны удовлетворять и материалы для каменных набросных плотин. Внутренние
части набросок можно сделать из камня, полученного из осадочных
пород М300—600 с коэффициентом размягчения не менее 0,7—0,8.
Каменные материалы проверяют на влияние веществ, растворенных в воде (морской,грунтовой, речной, болотной).
§ 5. Дорожные каменные материалы
Бортовые камни, отделяющие проезжую часть дороги от тротуара, изготовляют из плотных изверженных пород (гранита, диабаза
и т. п.), отличающихся высокой морозо- и износостойкостью и
прочностью. Бортовые камни бывают прямые и лекальные, высокие— до 40 см и низкие — до 30 см. Эти камни применяют вместо
бетонных при соответствующем технико-экономическом обосновании.
Брусчатка для мощения дорог имеет форму бруска, слегка суживающегося книзу. Брусчатку изготовляют механизированным
способом из однородных мелко- и среднезернистых пород (диабаза
и др.). Из таких же пород изготовляют шашку для мозаиковой
мостовой (приближающуюся по форме к кубу) и шашку для мощения (в виде усеченной пирамиды).
Тротуарные плиты изготовляют из гнейсов и подобных ему слоистых горных пород. Они имеют форму прямоугольной или квадратной плиты со стороной 20—80 см с ровной поверхностью лица
и постели толщиной не менее 4 см и не более 15 см.
§ 6. Каменные кислотоупорные и литые изделия
Некоторые магматические и метаморфические (кварциты) горные породы используют для футеровки разнообразных установок и
аппаратов, подвергающихся действию кислот, щелочей, солей и
агрессивных газов, а также испытывающих влияние высоких и резко меняющихся температур и давлений. Кислотоупорные породы
идут на изготовление тесаных плит, кирпичей, брусков и фасонных изделий, а в дробленном и размолотом виде служат в качестве
заполнителей и наполнителей в кислотоупорном бетоне, являются
составными частями кислотоупорных цементов.
78
В соответствии с назначением применяемые горные породы
должны удовлетворять определенным требованиям, а именно:
1) быть кислотоупорными, т. е. хорошо сопротивляться воздействию различных кислот и других реагентов; это свойство оценивается по растворимости порошка породы в концентрированных
кислотах (соляной, серной) при нагревании; 2) иметь высокую огнеупорность; 3) обладать достаточным сопротивлением сжатию и
изгибу, а также вязкостью; 4) выдерживать резкие колебания температур.
Из изверженных горных пород кислотоупорными являются главным образом кислые мелкокристаллические, к которым относятся
бештаунит, андезиты, граниты и некоторые туфы, а из метаморфических — кварциты.
Применение кислотоупорного штучного камня ограничено его
высокой стоимостью, обусловленной трудностью добычи и обработ-
кй, а также малым выходом готовой продукции из горной массы.
Полноценным заменителем камня служит значительно более дешевый кислотоупорный бетон. Со штучным тесаным камнем соперничает также искусственный литой камень (базальтовый, диабазовый).
При камнелитейном производстве, минуя трудоемкую и дорогостоящую механическую обработку, путем плавления и отливки
камню придают необходимую форму, сохраняя или даже улучшая
при этом его первоначальные свойства. Для этой цели применяют
магматические породы, преимущественно базальты и диабазы.
Производство литого камня состоит из расплавления, отливки в
формы, кристаллизации и охлаждения. Плавление исходного камня, раздробленного до кусков размерами 50—150 мм, производится в пламенных или дуговых электропечах при температурах
1350—1450°С. Полученный однородный расплав застывает в виде
стекловидной хрупкой массы. Чтобы избежать этого, форму с расплавом помещают в специальную обжигательную печь для отжига,
где отливку выдерживают при температуре 900—1000°С в течение
определенного времени. Цель обработки — получить изделие с кристаллической структурой и снять внутренние напряжения, возникшие при отливке. Лишь затем отливка медленно охлаждается и в
случае, если требуется изделие точных размеров, подвергается
механической обработке.
Отливки из расплавленных горных пород характеризуются высокими показателями механической прочности, плотностью, морозостойкостью и кислотоупорностью, нередко лучшими, чем у исходной породы.
Из плавленых пород получают разнообразные изделия: плиты
для полов и тротуаров, лестничные ступени, плиты для облицовки
стен, электроизоляторы, разнообразные детали для аппаратуры в
химической промышленности, кислотоупорные трубы и желоба, шары для шаровых мельниц и т. п. Литой базальт иногда применяется
как заменитель металла.
79
--------------- page: 41 -----------
§ 7. Предохранение каменных материалов от разрушения
Основные причины разрушения природных каменных материалов в сооружениях: замерзание воды в порах и трещинах, вызывающее внутренние напряжения; частое изменение температуры и
влажности, вызывающее появление в материале микротрещин; растворяющее действие воды и понижение прочности при водонасы-
щении; химическая коррозия, происходящая под действием газов,
содержащихся в атмосфере (S02, С02 и др.), и веществ, растворенных в грунтовой или морской воде.
Конструктивную защиту открытых частей сооружений (цоколей, карнизов, поясков, столбов, парапетов) сводят к приданию им
такой формы, которая облегчает отвод воды. Этому же способствует гладкая полированная поверхность облицовки и профилированных деталей. Стойкость пористых каменных материалов, которые
не полируются, повышают путем пропитки поверхностного слоя
уплотняющими составами и нанесения на лицевую поверхность гид-
рофобизующих (водоотталкивающих) составов. Кремнефториза-
цию (или флюатирование) применяют для повышения стойкости
наружной облицовки и других материалов, полученных из карбонатных пород. При пропитывании известняка раствором флюата
(соли кремнефтористоводородной кислоты) происходит химическая
реакция
2СаС03 + MgSiFe = 2CaF2 + MgF2 + SiОг + 2C02 f
Полученные нерастворимые в воде вещества CaF2, MgF2 и Si02
отлагаются в порах и уплотняют лицевой слой камня. В результате
этого уменьшается его водопоглощение и возрастает морозостойкость; облицовка из камня меньше загрязняется пылью.
Некарбонатные пористые каменные материалы предварительно
обрабатывают водными растворами кальциевых солей (например,
СаС12), а после этого пропитывают флюатами.
Каменные материалы из песчаников обрабатывают, применяя
вначале раствор калийного мыла, а затем раствор уксуснокислого
глинозема. В результате химического взаимодействия этих веществ
в порах и на поверхности камня образуется алюминиевая соль жирной кислоты, практически не растворимая в воде.
Гидрофобизация, т. е. пропитка гидрофобными составами (например, кремнийорганическими жидкостями), понижает проникновение влаги в пористый камень, в частности, при капиллярном подсосе.
Начинают применять для защиты камня от коррозии пленкообразующие полимерные материалы — прозрачные и окрашенные.
РАЗДЕЛ 111
КЕРАМИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ
Глава 12
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Керамическими называют каменные изделия, получаемые из
минерального сырья путем формования и обжига его при высоких
температурах.
Термин «керамика» происходит (по П. П. Будникову) от слова
«керамейя», которым в Древней Греции называли искусство изготовления изделий из глины. И теперь в керамической технологии
используют главным образом глины, но наряду с ними применяют
и другие виды минерального сырья, например чистые окислы
(окисная техническая керамика). Керамические материалы являются самыми древними из всех искусственных каменных материалов. Черепки грубых горшечных изделий находят на месте поселений каменного века. Возраст глиняного кирпича как строительного
материала — около 5000 лет.
В современном строительстве керамические изделия применяют
почти во всех конструктивных элементах зданий, облицовочные и
другие материалы используют в сборном домостроении. Богатство
эстетических возможностей керамики обеспечили ей видное место
в отделке фасадов зданий и внутренних помещений. Керамические пористые заполнители — это основа прогрессивных легких бетонов. Санитарно-технические изделия, посуду из фарфора и фаянса широко используют в быту. Специальная керамика необходима
для химической и металлургической промышленности (кислотоупорные и огнеупорные изделия), для электропромышленности и
радиоэлектроники (электроизоляторы, полупроводники и др.), ее
применяют в ракетной и других отраслях новой техники.
Советская наука в области керамики получила развитие в работах А. И. Августиника, Д. С. Белянкина, П. П. Будникова, П. А. Зе-
мятченского и др.
Керамические строительные изделия в зависимости от их структуры разделяют на две основные группы: пористые и плотные. Пористые керамические изделия поглощают более 5% воды (по массе), в среднем их водопоглощение составляет 8—20% по массе или
14—36% по объему. Пористую структуру имеют стеновые, кровельные и облицовочные материалы, а также стенки дренажных труб
и др. Плотные керамические изделия поглощают менее 5% воды,
чаще всего 1—4% по массе или 2—8% по объему. Плотную структуру имеют плитки для пола, дорожный кирпич, стенки канализационных труб и др.
81
--------------- page: 42 -----------
По назначению керамические материалы и изделия делят на
следующие виды: стеновые изделия (кирпич, камни пустотелые и
панели из них); кровельные изделия (черепица); изделия для перекрытий; изделия для облицовки фасадов (лицевой кирпич, малогабаритные и другие плитки, наборные панно, архитектурно-худо-
жественные детали); изделия для внутренней облицовки стен (глазурованные плитки и фасонные детали к ним — карнизы, уголки,
пояски); заполнители для легких бетонов (керамзит, аглопорит);
теплоизоляционные изделия (перлитокерамика, ячеистая керамика,
диатомитовые и др.); санитарно-техническйе изделия (умывальные столы, ванны, унитазы); плитка для пола; дорожный кирпич;
кислотоупорные изделия (кирпич, плитки, трубы и фасонные части
к ним); огнеупоры; изделия для подземных коммуникаций (канализационные и дренажные трубы).
Приведенная классификация показывает широкое распространение керамических материалов и изделий в строительстве. Не все
они одинаковы по своему значению для индустриального строительства. Быстро развивается производство материалов и изделий индустриального применения (пористые заполнители для бетона, фасадная керамика, теплоизоляционные изделия). Стеновые керамические изделия еще сохраняют видное место в строительстве. Не
развивается и даже сокращается производство керамических изделий, успешно заменяемых более эффективными материалами (дорожный кирпич, черепица и др.).
Глава 13
СЫРЬЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
§ 1. Глинистые материалы
Важнейшими сырьевыми материалами для производства керамических изделий являются каолины и глины, применяемые в чистом виде, а чаще — в смеси с добавками (отощающими, порообра-
зующими, плавнями, пластификаторами и др.). Под каолинами и
глинами понимают природные водные алюмосиликаты с различными примесями, способные при замешивании с водой образовывать пластичное тесто, которое после обжига необратимо переходит в камнеподобное состояние.
Каолины. Каолины состоят почти исключительно из минерала
каолинита (Al203-2Si02-2H20) и содержат значительное количество частиц меньше 0,01 мм; после обжига сохраняют белый или
почти белый цвет.
Глины. Резкого разграничения между каолинами и глинами
провести нельзя. Некоторые глины (например, огнеупорные) близки к каолинам по составу и свойствам. Все же глины более разнообразны по минеральному составу, они больше загрязнены минеральными и органическими примесями. Глинистое вещество (с час82
тицами меньше 0,005 мм) состоит преимущественно из каолинита
и родственных ему минералов — монтмориллонита (Al203-4Si02X
ХпН20), галлуазита (Al203-2Si02-4H20) и др. Тонкодисперсные
водные силикаты глинозема находятся в кристаллической и отчасти коллоидальной формах. Возможно присутствие в глинах минеральных коллоидов в виде несвязанных А120з и Si02 с переменным
количеством воды, а также коллоидальных органических веществ,
например гумуса.
Содержание тонких частиц определяет пластичность и другие
свойства глин. Высокопластичные глины содержат частицы размером менее 0,005 мм 80—90% и частицы менее 0,001 мм — 60% и
более, в то время как в умеренно пластичных глинах находится
лишь 30—60% частиц размером до 0,005 мм. Более крупные зерна
пыли (до 0,14 мм) слюды и песка (0,14—5 мм) снижают пластичность глин. В глинах могут быть примеси, снижающие температуру
плавления (их называют плавнями). Это углекислый кальций, полевой шпат, Fe(OH)3, Fe203 и др. Камневидные включения СаС03
являются причиной появления «дутиков» и трещин в керамических
изделиях, так как гидратация СаО, получившейся при обжиге
керамических изделий, сопровождается увеличением ее кажущегося объема. Часто встречающаяся примесь окиси железа придает
глине привычную красную окраску, водная окись железа сообщает
буро-желтый цвет. Вообще же окраски глин весьма разнообразны:
от белой, коричневой, зеленой, серой до черной. Окраска глин зависит от примесей как минерального, так и органического происхождения, богатых углеродом.
Бентонитами называют высокодисперсные глинистые породы с
преобладающим содержанием монтмориллонита. Содержание в
них частиц размером меньше 0,001 мм достигает 85—90%.
§ 2. 0тощающие материалы
Отощающие добавки вводятся в состав керамической массы для
понижения пластичности и уменьшения воздушной и огневой усадки глин. В качестве отощающих добавок используют шамот, дегидратированную глину, песок, золу ТЭС, гранулированный шлак.
Шамот — это зернистый керамический материал (с зернами
0,14—2 мм), получаемый измельчением глины, предварительно
обожженной при той же температуре, при которой обжигаются изделия. Его можно получить, измельчая отходы обожженного кирпича. Шамот улучшает сушильные и обжиговые свойства глин, поэтому его применяют для получения высококачественных изделий —
лицевого кирпича, огнеупоров и т. д.
Дегидратированная глина при температуре 700—750°С, добавляемая в количестве 30—50%, улучшает сушильные свойства сырца и внешний вид кирпича.
Песок (с зернами 0,5—2 мм) добавляют в количестве 10—25%,
при большей добавке песка снижается прочность и морозостойкость керамических изделий.
83,
--------------- page: 43 -----------
Гранулированный шлак (с зернами до 2 мм) является эффективным отощителем глин при производстве кирпича.
Роль отощителей выполняют также золы ТЭС и выгорающие
добавки.
§ 3. Выгорающие и пластифицирующие добавки
Выгорающие добавки: древесные опилки (бурые угли, отходы
углеобогатительных фабрик, золы ТЭС и лигнин) не только повышают пористость стеновых керамических изделий, но также способствуют равномерному спеканию керамического черепка. Благодаря
этому снижается процент недожога. Большого эффекта добиваются,
сочетая различные добавки. Например, лигнин (отход производства древесного спирта) комбинируют с опилками или углем, повышая трещиностойкость изделий в период сушки и обжига.
Пластифицирующими добавками являются высокопластичные
глины, бентониты, а также поверхностно-активные вещества—■
сульфитно-дрожжевая бражка (СДБ) и др.
§ 4. Глазури и ангобы
Глазури представляют собой стекла, используемые для поверхностного покрытия керамических изделий. Главными сырьевыми
компонентами глазури являются: кварцевый песок, коалин, полевой шпат, соли щелочных и щелочноземельных металлов, окислы
свинца, борная‘кислота, бура и др. Их применяют либо в сыром
виде, либо сплавленными — в виде фритты. Окислы свинца заменяют менее вредной окисью стронция.
Ангоб приготовляют из белой или цветной глины и наносят тонким слоем на поверхность еще не обожженного изделия. При обжиге ангоб не плавится, поэтому цветная поверхность получается
матовой. Ангоб по своим свойствам должен быть близок к основному черепку.
Глава 14
СВОЙСТВА ГЛИН КАК СЫРЬЯ ДЛЯ КЕРАМИЧЕСКИХ
ИЗДЕЛИЙ
§ 1. Пластичность и связующая способность глин
Глина, замешанная с определенным количеством воды, образует глиняное тесто, обладающее связностью и пластичностью. При
смачивании сухой глины ощущается характерный запах увлажняемой земли и выделение тепла. Молекулы воды (диполи) втягиваются между чешуйчатыми частицами каолинита и расклинивают
их (рис. 32), вызывая набухание глины. Тонкие слои воды между
пластинчатыми частицами глинистых минералов обусловливают
характерные свойства глиняного теста. Это подтверждает следую«4
щий опыт. Расплющим между двумя чистыми стеклянными пластинками каплю воды и теперь почувствуем, как нелегко оторвать
пластинки друг от друга (рис. 33). Однако сопротивляясь отрыву,
пластинки легко скользят при сдвиге, причем слой воды играет
роль смазки, облегчающей скольжение, поэтому глина, смешанная
с водой, дает легко формующуюся пластичную массу.
Пластичностью глины называют ее свойство во влажном состоянии принимать под
влиянием внешнего воздействия желаемую
форму без образования разрывов и трещин
Рис. 32. Схема расклинивающего действия адсорбируемой воды:
1 — слипшиеся глинистые частицы с отрицательными зарядами
на концах; 2 — дипольная молекула воды (по М. И. Роговому)
Рис. 33. Схема опыта, показывающего особые
свойства тонких слоев
воды, находящихся между поверхностями твердых тел
и сохранять полученную форму при последующих сушке и обжиге.
Поскольку глиняное тесто представляет собой пластично-вяз-
кую систему, к нему применимо уравнение Бингама — Шведова.
Исходя из этого уравнения предложено характеризовать пластичность физическим показателем пластичности Ф(с-1), который представляет отношение предельного напряжения сдвига То к пластической вязкости п:
Ф = V7)-
Тело не будет пластичным, если Ф = 0.
Это возможно в двух случаях: 1) когда
система текучая и То = 0 или 2) когда тело
хрупкое и Т1 >'оо. Кривые зависимости
показателя Ф от влажности глины позволяют установить оптимальную влажность, при которой проявляется наибольшая пластичность.
Техническим показателем пластичности является число пластичности
Ял = Гт-Гр,
где WT и Wp — влажности, соответствующие пределам текучести и раскатывания
глиняного жгута, % ( рис. 34).
Рис. 34. Изменение дефор-
мативных свойств глины в
зависимости от ее влажности (по М. И. Роговому):
область состояния: А — хрупкого; Б — пластического; В — вязкотекучего
85
--------------- page: 44 -----------
Для производства строительных керамических изделий обычно
применяют умеренно пластичные глины с числом пластичности
Ял-7—15. Малопластичные глины с Пл<Л плохо формуются, а глины с #л>15 растрескиваются при сушке и требуют отощения.
Связующая способность глины проявляется в возможности связывания зерен непластичных материалов (песка, шамота и др.), а
также в образовании при высыхании достаточно прочного изделия— сырца. Связующую способность глиняных строительных растворов используют при кладке печей, труб.
§ 2. Способность глины отвердевать при высыхании
Особенностью глиняного теста является способность отвердевать при высыхании на воздухе. Прочность высушенной глины
обусловлена действием ван-дер-ваальсовых сил и цементацией зерен минералов ионами примесей. Силы капиллярного давления
стягивают частицы глины, препятствуя их разъеданию, вследствие
этого происходит воздушная усадка. При насыщении водой мениска
исчезают, прекращается действие капиллярных сил, частицы свободно перемещаются в избытке воды, и глина размокает.
§ 3. Усадка глины
Усадка — это уменьшение линейных размеров и объема глиняного сырца при его сушке (воздушная усадка) и обжиге (огневая
усадка глин). Усадку выражают в процентах от первоначального'
размера изделия.
Воздушная усадка происходит в процессе испарения воды и»
сырца вследствие уменьшения толщины водных оболочек вокруг
частиц глины, возникновения в порах сырца менисков и сил капиллярного давления, стремящихся сблизить частицы. В конце сушки
возрастает роль осмотических явлений и межмолекулярного притяжения, усиливающих воздушную усадку. Для различных глин линейная воздушная усадка колеблется от 2—3 до 10—12% в зависимости от содержания тонких фракций. Для уменьшения усадочных
напряжений к жирным глинам добавляют отощители. Поверхностно-активные вещества (СДБ и др.), введенные в глиняную массу в-
количестве 0,05—0,2%, улучшают смачивание частиц глины водой,
позволяя сократить формовочную влажность и снизить воздушную
усадку. Другой способ снижения чувствительности глин к сушке
предусматривает введение в глину 1—1,5% битумных и дегтевых
веществ или орошение поверхности глиняного бруса, выходящего
из ленточного пресса пленкообразующим составом (например, битумной эмульсией).
Огневая усадка получается из-за того, что в процессе обжига
легкоплавкие составляющие глины расплавляются и частицы глины в местах их контакта сближаются. Огневая усадка может быть
2—8% в зависимости от вида глины.
86
Полная усадка, равная алгебраической сумме воздушной и огневой усадок, колеблется в пределах от 5 до 18%. Соответственно
увеличивают размеры форм, чтобы получить готовое изделие нужных размеров.
§ 4. Переход при обжиге в камневидное состояние
В процессе высокотемпературного обжига глина претерпевает
глубокие физико-химические изменения. Сначала испаряется свободная вода, затем выгорают органические вещества. При температурах 700—800°С происходит разложение безводного метакаолинита А1гОз-25Ю2, который образовался ранее (при 450—600°С)
вследствие дегидратации каолинита. Аморфная двуокись кремния
и окись алюминия при повышении температуры (900°С и выше)
вновь соединяются, образуя искусственный минерал муллит
ЗАЬОз^БЮг. Муллит придает обожженному керамическому изделию водостойкость, прочность, термическую стойкость. С его образованием глина необратимо переходит в камневидное состояние.
Вместе с образованием муллита расплавляются легкоплавкие составляющие глины, цементируя и упрочняя материал.
Обжиг кирпича и других пористых изделий обычно заканчивается при температуре 950—1000°С. Дальнейшее повышение температуры резко интенсифицирует образование и накопление жидкой
■фазы — силикатного расплава, который не только цементирует
частицы глины, но и уплотняет керамический материал. В результате получают изделия с плотным керамическим черепком, отличающимся малым водопоглощением (менее 5%).
Кварц присутствует в глине в виде кварцевого песка, его часто
добавляют для отощения высокопластичных глин. Кварц претерпевает полиморфные превращения, сопровождающиеся объемными
изменениями. Наиболее часто встречающийся в природе р-кварц
при 573°С обратимо переходит в а-кварц с увеличением объема на
0,82%; эта форма устойчива до 1050°С. Поэтому при охлаждении
керамических изделий, обожженных до 1000°С, а-кварц снова переходит в p-кварц с соответствующим уменьшением в объеме. При
температуре выше 1050°С а-кварц переходит в а-кристобалит, который в свою очередь в интервале температур 1400—1450°С переходит в а-тридимит с объемным изменением 0,6%. Кварц плавится
при 1723°С. Изменения объема зерен кварца, происходящие в процессе обжига, влияют на прочность и растрескивание керамического изделия.
§ 5. Слекаемость глины
Спекаемостью глин называют их свойство уплотняться при обжиге и образовывать камнеподобный черепок. На рис. 35 видно,
что с повышением температуры обжига возрастает степень спекания и уменьшается водопоглощение до точки С, так как при температуре tc отмечаются признаки пережога — оплавление или вспучивание материала.
87
--------------- page: 45 -----------
Интервал спекания равен tc — tA, где
U — температура начала спекания. Легкоплавкие глины (для производства кирпича, керамзита) имеют интервал спекания 50—100°С, у огнеупорных глин он достигает 400°С.
Рис. 35. Зависимость изменения водопоглощения
керамического материала от тёмпературы обжига
§ 6. Огнеупорность глины
Огнеупорностью называют свойство глины противостоять действию высоких температур, не расплавляясь.
§ 7. Цвет глины
Цвет глины после обжига имеет существенное значение для облицовочных керамических изделий (лицевые кирпич и керамические камни, терракотовая плитка), а также для тонкой керамики.
Для получения белого черепка обжиг ведут в восстановительной
среде (при наличии свободных СО и Нг в газах) и при определенных температурах, чтобы окись железа перевести в закись. Не желательны в глине крупные зерна пирита (FeSj) и окислов железа,
образующие на черепке после обжига черные точки. Выделение свободной окиси железа при нагревании между 450 и 800°С придает
изделию красноватое или желтоватое окрашивание. Окислы титана
вызывают глубокую синеватую окраску черепка.
Глава 15
ОБЩАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
§ 1. Обработка глиняной массы
Производство керамических изделий включает четыре этапа:
карьерные работы, механическую обработку глиняной массы, формование изделий, их сушку и обжиг.
Карьерные работы включают добычу, транспортирование и хранение промежуточного запаса глины.
Вылеживание замоченной глины и ее вымораживание в течение
годичного срока на открытом воздухе разрушает природную структуру глины, она диспергируется на элементарные частицы, что повышает пластичность и формовочные свойства керамической массы.
Механическая обработка глины осуществляется с помощью глинообрабатывающих машин и имеет цель: выделение либо измель-
88
чение каменистых включений, гомогенизацию керамической массы
и получение нужных формовочных свойств. Выделение каменистых
включений из глины осуществляют, пропуская глину через винтовые камневыделительные вальцы или применяя другие специализированные машины. Практически полного выделения камней из
глины можно добиться гидравлическим обогащением: глину распускают в глиноболтушках, а затем шликер пропускают через сито,
на котором отделяются камни размером более 0,5 мм; обезвоживание шликера осуществляют в мощных распылительных сушилках.
Измельчение глины производят после выделения каменистых включений. Если в глине их нет, то после доставки на завод
ее сразу подвергают грубому дроблению, а уже потом тонкому измельчению.
После тонкого измельчения глину надо промять, чтобы получить
глиняную массу с нужной формовочной влажностью. На кирпичных заводах глину проминают в открытых лопастных глиномялках
с водяным орошением и паровым увлажнением глиняной массы.
Паровое увлажнение увеличивает производительность ленточных
прессов и снижает потребляемую ими мощность на 15—20% по
сравнению с водяным орошением глины.
§ 2. Формование керамических изделий
Стеновые керамические изделия изготовляют способами пластического формования и полусухого прессования. Из жидких глиняных масс (шликеров) изготовляют некоторые виды облицовочной
плитки, санитарно-технические и другие изделия из фаянса и фарфора.
Способ пластического формования. Изделия стеновой керамики
формуют из пластичных глиняных масс на ленточных шнековых
прессах, которые могут быть вакуумные и безвакуумные (рис. 36).
В корпусе этого пресса вращается шнек — вал с винтовыми лопастями. Глиняная масса, поступающая через воронку и питающий
Рис. 36. Схема устройства ленточного пресса:
/_ мундштук; 2 — головка пресса; 3 — цилиндр пресса; 4 — лопасти шнека; Л—воронка
8Э
--------------- page: 46 -----------
валик, перемещается шнеком к сужающейся переходной головке и
мундштуку. В этом месте глиняная масса уплотняется, выравниваются давления и скорости по сечению глиняного бруса. Мундштук
ленточного пресса для производства обыкновенного кирпича имеет
прямоугольное сечение. Для формования пустотелых кирпича и керамических камней в мундштуке пресса устанавливают пустотообразующий сердечник, состоящий из скобы с прикрепленными к ней
стержнями — пустотообразователями. Применяются также фасонные вставки в виде узкой щели — для формования черепицы, кольцевые— для керамических труб.
Из мундштука пресса выходит глиняный брус, который разрезают автоматическим резательным аппаратом, получая изделия заданного размера. Отбор сырца от пресса и укладку его на транспортные средства выполняют автоматы. Плотный вакуумирован-
ный сырец устанавливается рядами на печную вагонетку и поступает в туннельную сушилку в штабеле (без полок). Вакуумирова-
ние глины извлекает из нее воздух, снижает необходимую формовочную влажность на 3—4% и вследствие этого улучшает ее формовочные и прочностные свойства. Прочность сырца возрастает в
2—3 раза, т. е. примерно в 1,5 раза упрочняется высушенное изделие, прочность обожженного изделия увеличивается до 2 раз, его
водопоглощение снижается на 10—15%.
Способ полусухого прессования. Керамические изделия формуются способом полусухого прессования из шахты с влажностью 8—
10%, уплотняемой прессованием под значительным давлением —
15—40 МПа. Керамические пресс-порошки должны иметь определенный зерновой состав и влажность. Их готовят шликерным и сушильно-помольным способами.
При сушильно-помольной подготовке глины предусматриваются
следующие операции: 1) дробление глины на дезинтеграторных
вальцах; 2) сушка глины в сушильных барабанах; 3) помол высушенной глины в корзинчатых дезинтеграторах; 4) отсеивание крупных зерен на ситах; 5) увлажнение порошка, прошедшего через
сито, паром до равномерной влажности 8—10%, необходимой для
прессования.
Для полусухого способа производства целесообразно применять
глины с небольшой естественной влажностью, не требующие сушки
перед помолом. Способ полусухого прессования применяют в производстве обыкновенного и пустотелого глиняного кирпича, фасадных плиток.
Главное преимущество полусухого прессования перед пластическим формованием — сокращение затрат энергии. На искусственную сушку 1000 шт. сырца пластического формования с влажностью 18—22% расходуется до 100 кг условного топлива.
Способ литья. Рассмотрим особенности способа литья применительно к производству тонких (толщиной 2 мм) глазурованных мозаичных плиток, которые служат для облицовки фасадов. Плитки
наклеивают «лицом» на бумагу и получают «ковер», который потом укладывают (бумагой вниз) на дно формы стеновой панели.
90
Плитки прочно сцепляются с бетоном, уложенным в форму. После
удаления бумаги с фасадной грани готовой панели обнажается
красивая и долговечная керамическая облицовка.
Плитки изготовляют способом литья на автоматизированных
конвейерных линиях. По конвейеру движутся пористые керамические поддоны, на которые наливные аппараты последовательно наносят шликеры разделительного, плиточного и глазурного слоев.
Разделительный слой обеспечивает хорошее сцепление плитки с
поддоном в сыром состоянии и легкое отделение от него после обжига. Двигаясь по конвейеру, керамическая масса быстро подсыхает на пористом поддоне и поступает сначала на зачистное, а затем
на режущее устройство, состоящее из вращающихся дисков и разрезающее подсохшую трехслойную массу на плитки заданного размера. Поддон с отлитой массой проходит конвейер за 22—30 мин,
после чего он автоматически передается в тепловые установки.
Полный цикл производственного процесса (вместе с обжигом) занимает около 2 ч.
§ 3. Сушка сырца
Формовочная влажность стеновых керамических изделий, изготовляемых способом пластичного формования, обычно составляет
18—22%, хотя уже появились ленточные прессы для формования
ЧЧЧЧЧЧЧЧЧччЧЧЧЧчччччччч^
1~
кЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧчЧЧ^
[ЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ\ЧЧ\\ЧХЧ
Пнл—-ш
|\ЧЧЧЧЧЧЧЧЧчччччЧЧЧЧЧ\Ч
Рнс. 37. Схема туннельной сушилки::
1 — подача теплоносителя; 2 — вагонетки с сырцом; 3 — отбор теплоносителя; 4 —
центральный канал для подачи теплоносителя в сушилку;-*
—*— движение газов
сырца из масс влажностью 14—16%*. Сырец полусухого прессования имеет влажность 8—10%. Перед обжигом изделие надо высушить до содержания влаги *-:е более 5% во избежание неравномерной усадки и растрескивания при обжиге.
*
мики. М., 1974.
--------------- page: 47 -----------
Сушку сырца проводят в туннельных и камерных сушилках.
Туннельные сушилки на кирпичных заводах работают по принципу противотока (рис. 37). Сырец на вагонетках движется по туннелю навстречу потоку горячего воздуха или дымовых газов. Длительность сушки кирпича-сырца в туннельных сушилках составляет
16—36 ч при начальной температуре теплоносителя 120— 150°С.
Камерные сушилки Представляют собой систему камер, каждая
камера обогревается горячим воздухом или горячими газами, отходящими из печей. В стены камер встроены лопастные реверсивные
вентиляторы, создающие интенсивную циркуляцию теплоносителя
внутри камеры.
После сушки керамические изделия, имеющие влажность не более 5%, поступают в печь.
§ 4. Обжиг изделий
Обжиг завершает изготовление керамических изделий. В процессе обжига формируется их структура, определяющая технические свойства изделия. По данным М. И. Рогового, суммарные затраты на обжиг достигают 35—40%, а потери от брака составляют
около 10% себестоимости товарной продукции.
Обжиг керамических изделий осуществляют в туннельных печах с автоматическим управлением (хотя на действующих кирпичных заводах еще работает значительное количество кольцевых печей). Туннельная печь представляет собой длинный канал, выложенный внутри огнеупорной футеровкой. Вагонетки с изделиями, составляющие сплошной поезд, перемещаются в печи и постоянно
проходят зоны подогрева, обжига и охлаждения: при подаче новой вагонетки с сырцом в зону подогрева из зоны охлаждения выходит вагонетка с обожженными изделиями. Следовательно, процесс обжига керамических изделий можно условно разделить на
три последовательных этапа: 1) постепенное удаление влаги из
сырца, 2) обжиг сырца, 3) постепенное охлаждение обожженных
изделий. Максимальная температура обжига кирпича и других стеновых керамических изделий (950—1000°С) необходима для спекания керамической массы. Спекание происходит вследствие цементирующего действия расплава эвтектик (жидкостное спекание), реакций в твердой фазе и кристаллизации новообразований.
При избыточном количестве расплава, что характерно для пережога, изделия теряют свою форму, оплавляются с поверхности. Недожог обусловлен незавершенностью процесса спекания. Он проявляется в характерных признаках: «алый» цвет кирпича, снижение
прочности, сильное уменьшение водостойкости и морозостойкости и др.
В туннельных печах щелевого типа достигается равномерность
обжига, а следовательно, высокое качество и однородность продукции.
92
Глава 16
СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
§ I. Пористость и водопоглощение
Пористость керамического черепка (у пористых изделий) обычно составляет 10—40%, она возрастает при введении в керамическую массу выгорающих, пенообразующих и других добавок. Стремясь снизить объемную массу и теплопроводность, прибегают к
созданию пустот в кирпиче и керамических камнях.
Водопоглощение характеризует пористость керамического черепка. Пористые керамические изделия имеют водопоглощение
6—20% по массе, т. е. 12—14% по объему. У плотных же изделий
водопоглощение гораздо меньше: 1—5% по массе (2—10% по
объему).
§ 2. Теплопроводность
Теплопроводность абсолютно плотного керамического черепка
большая— 1,16 Вт/(м-°С). Воздушные поры и пустоты, создаваемые в керамических изделиях, снижают объемную массу и значительно уменьшают теплопроводность. Облегчение стеновых керамических изделий с 1800 до 700 кг/м3 понижает теплопроводность
-с 0,8 до 0,21 Вт/(м-°С). Соответственно уменьшается толщина наружной стены и материалоемкость ограждающих конструкций.
§ 3. Прочность]
Прочность керамических материалов зависит от фазового состава керамического черепка и пористости. Марка стенового керамического изделия (кирпича и др.) по прочности обозначает предел
прочности при сжатии (в кгс/см2), однако при установлении марки
кирпича наряду с прочностью при сжатии учитывают показатель
прочности при изгибе, поскольку кирпич в кладке подвергается изгибу. Изделия с пористым черепком выпускаются М75—300, а
плотные изделия (дорожный кирпич и др.)—более высоких марок — 400—1000.
Между прочностью керамического черепка Rcm и его коэффициентом плотности knn прослеживается зависимость (по М. И. Роговому):
Rem = Rokn* >
где R0 — предел прочности при сжатии абсолютно плотного черепка, k — коэффициент плотности, &пл = \/р; У и р — соответственно
объемная масса и плотность керамического черепка.
§ 4. Морозостойкость
Марка по морозостойкости обозначает число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживает изделие
в условиях стандартного испытания без каких-либо признаков ви93
--------------- page: 48 -----------
димых повреждений (расслоение, шелушение, растрескивание, выкрашивание). Согласно исследованиям А. С. Беркмана и
И. Г. Мельниковой керамический материал морозостоек, если в нем
объем резервных пор Кр достаточен для компенсации прироста
объема замерзающей воды в опасных порах (их объем Роп). Это
условие выразили в виде формулы для вычисления структурной
характеристики материала G (в %):
G = —^— 100.
Von ^р
К резервным относятся крупные поры (диаметром больше
200 мкм), в которых капиллярное давление недостаточно для удержания воды. Опасные поры (диаметром 200 мкм и менее) удерживают воду, замерзающую при температуре от —15 до —20°С.
Обыкновенный глиняный кирпич морозостоек при 9%, а
пустотелые изделия — при G>6%.
§ 5. Паропроницаемость
Паропроницаемость стеновых керамических изделий способствует естественной вентиляции помещений. Малая паропроницаемость нередко служит причиной отпотевания внутренней поверхности стен помещений с повышенной влажностью воздуха. Паропроницаемость зависит от пористости и характера пор. Например, коэффициент паропроницаемости фасадных плиток полусухого прессования с водопоглощеннем 8,5; 6,5 и 0,25% соответственно равен
0,155; 0,0525 и 0,029 г/(м-ч-Па). Неодинаковая паропроницаемость
слоев, из которых состоит наружная стена, вызывает накопление
влаги. Так, фасадная облицовка стен глазурованными плитками
может привести к накоплению влаги в контактном слое стена —
плитка, последующее замерзание влаги вызывает отслоение облицовки.
Глава 17
СТЕНОВЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ
По объемной массе в сухом состоянии стеновые изделия делят
на четыре класса:
Класс
А
Б
в
Г
Объемная масса, кг/м*
700—1000
1000—1300
1300—1450
Более 1450
§ 1. Глиняный строительный кирпич
Кирпич глиняный обыкновенный (сплошной) имеет форму прямоугольного параллелепипеда размерами 250x120x65 мм с прямыми ребрами, четкими гранями и ровными лицевыми поверхностями. Искривление ребер и граней кирпича не должно превышать
3
пускается с круглыми или щелевыми пустотами, чтобы масса одного
кирпича была не более 4 кг.
Отклонения от размеров не должны превышать установленных
величин.
Кирпич .не должен иметь механических повреждений и сквозных
трещин. На отдельных кирличах допускаются отбитости ребер и
углов размером по длине ребра не более 15 мм в количестве не
выше двух на одном кирпиче. На отдельных кирпичах может быть
допущена одна сквозная трещина протяженностью не более 30 мм
по ширине кирпича. Кирпич должен быть нормально обожжен.
Кирпич «недожог» и «пережог» является браком. После обжига
кирпич должен соответствовать цвету эталона нормально обожженного кирпича. Не допускаются известковые включения (дутики),
вызывающие разрушение кирпича.
В зависимости от предела прочности на сжатие кирпич делят
на марки 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300. Объемная масса обыкновенного глиняного кирпича— 1600—1900 кг/м3, его теплопроводность— 0,7—0,82 Вт/(м-°С). Водопоглощение кирпича выше М150
должно быть не менее 6%, кирпича других марок не менее 8%. Это
требование обеспечивает определенную пористость кирпича, иначе
он станет слишком теплопроводен и будет плохо сцепляться со
строительным раствором. Морозостойкость кирпича — не менее
15 циклов попеременного замораживания и оттаивания; предусмотрены и более высокие марки по морозостойкости Мрз 25,
Мрз 35, Мрз 50.
Кирпич применяют преимущественно для кладки стен зданий,
изготовления стеновых панелей, кладки печей и дымовых труб.
§ 2. Эффективные стеновые керамические изделия
Наружные стены из обыкновенного глиняного кирпича имеют
надлежащее термическое сопротивление при сравнительно большой
толщине: 2—2,5 кирпича или 52—64 см. Стены получаются тяжелыми— масса 1 м2 стены составляет 800—1100 кг, такие стены нередко обладают излишней прочностью, которая не используется.
Пустотелые кирпичи и керамические камни выгоднее в производстве по сравнению со сплошным кирпичом и эффективнее особенно в наружных стенах зданий. Производство пустотелых стеновых изделий требует меньших затрат сырья и топлива, а поскольку
ускоряются сушка и обжиг тонкостенных изделий, то соответственно повышается производительность сушилок и печей. Применение
пустотелых керамических изделий позволяет уменьшить толщину
95
--------------- page: 49 -----------
наружных стен, снизить материалоемкость ограждающих конструкций на 20—30%, сократить транспортные расходы и нагрузки на
основание. Экономическая эффективность применения пустотелой
керамики возрастает по мере снижения ее объемной массы. Например, стоимость 1 м2 стены толщиной 52 см из пустотелого кирпича
на 15—25% ниже, чем стены из сплошного кирпича толщиной 64 см.
Основные характеристики стеновых керамических изделий, сопоставленные в табл. 12, говорят о технико-экономических преимуществах пустотелых изделий перед обыкновенным кирпичом: снижается объемная масса и теплопроводность при сохранении марок
по прочности М75, М200, М250 и по морозостойкости Мрз15, Мрз35,
Мрз50.
Таблица 12
Основные показатели стеновых керамических изделий
Наименование
Кирпич
ГЛИНЯНЫЙ
обыкновенный
Кнрпнч
ГЛИНЯНЫЙ
пустотелый
пластического
прессования
Кирпич
строительный
легковесный
Камни керамические
пустотелые
Основные размеры, мм
Предел прочности,
МПа:
250X120X65
250X120 X 65
250x120x65
250 X 120 X138 и др.
при сжатии
7,5—30
7,5—25
7,5—20
7,5—25
при изгибе
Водопоглощение, %
не менее:
1,4—4,4
1,4—3
1.4—3,4
1,4—3
для марок выше 150
6
6
8
6
для остальных марок
8
8
8
6
Морозостойкость,
число циклов
15—50
15—50
15—35
15—50
Объемная масса,
кг/м3
1600—1900
1200—1450
700—1450
1000—1450
Масса единицы изделия, кг
3,5—3,6
2—3
1,5—3
До 6
Пустотность, %
—
13—33
—
25—37
Число отверстий
—
18—60
—
7—38
Размер пустот, мм
—
53—12
16—12
12—90
Толщина стенок, мм
Теплопроводность,
Вт/(м-°С)
—
12
15
12
0,7—0,82
0,7
0,175—0,465
0,465—0,58
Кирпич глиняный пустотелый изготовляют со сквозными или
неоквозными (пятистенный) пустотами, расположенными перпендикулярно постели. Сырьем для его получения служат легкоплавкие глины или глино-трепельные смеси с выгорающими добавками
или без них.
Кирпич строительный легкий имеет те же размеры, что и
обыкновенный кирпич, но значительно легче последнего — объем96
ная масса легкого кирпича 700—1450 кг/м3. Его изготовляют из
глины, диатомита и трепела с обязательным введением выгорающих добавок. Относительно малая теплопроводность (табл. 12)
этого кирпича дает возможность выполнять наружные стены толщиной 38—52 см.
Рис. 38. Виды керамических стеновых изделий:
а — обыкновенный кирпич; б — дырчатый кирпич; в — щелевой камень; г — сотовый камень;
д — щелевой камень для панелей
Пустотелые керамические камни (рис. 38) изготовляют из легкоплавких глин с числом пластичности Пл = 15—25. Многопустотные камни формуют только на вакуумных прессах. Размеры камней больше, чем кирпича, поэтому их применение повышает производительность труда при кладке стен, а также приводит к уменьшению количества швов. Несмотря на большую пустотность (25—
37%), марки керамических камней (М75—250) почти такие же, как
у сплошного кирпича (табл. 12), отсутствует только МЗОО. Поэтому
керамические камни применяют для каркасных и несущих стен.
§ 3. Сборные изделия из кирпича и керамических камней
Крупные стеновые панели, изготовленные на заводе из кирпича
или керамических камней, применяются в сборном домостроении.
Кирпичные панели наружных стен выпускают трех-, двух- и однослойные. Трехслойная панель состоит из двух кирпичных наружных
слоев, каждый толщиной 65 мм, в середине укладывают слой утеплителя толщиной 100 мм (минераловатные плиты и т. п.). Общая
толщина трехслойной панели вместе с внутренней и наружной облицовкой— 280 мм. Двухслойная панель состоит из одного слоя
кирпича на ребро (его толщина 120 мм) и слоя утеплителя (тол4—664
97
--------------- page: 50 -----------
щиной 120 мм). Однослойные панели изготовляют из крупных многопустотных или из мелких щелевых камней.
Керамические панели армируют сварными каркасами по периметру панели и оконных проемов. Применяют цементный раствор
не ниже М75 с консистенцией по погружению стандартного конуса
9—11 см. Панели формуют в горизонтальном или вертикальном
положениях. Тепловая обработка позволяет получить готовые панели через 10—14 ч.
Монтаж стен из керамических панелей занимает на 40% меньше времени, чем кирпичная кладка, а суммарные трудовые затраты
сокращаются против кладки из кирпича примерно в 2 раза. Применение слоистых кирпичных панелей с утеплителем сокращает
расход кирпича на 1 м2 жилой площади с 270—300 шт. (при стенах
обычной кладки) до 90—110 шт. В результате надземная часть
здания получается легче в 1,5—2 раза, а стоимость строительства
снижается на 10—15%.
Для облицовки керамических панелей обычно используют коврово-мозаичные и другие керамические изделия.
Глава 18
КЕРАМИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ ДЛЯ НАРУЖНОЙ
И ВНУТРЕННЕЙ ОБЛИЦОВКИ ЗДАНИЙ
§ 1. Керамические изделия для облицовки фасадов
Фасадные керамические изделия применяют для облицовки фасадных поверхностей стеновых панелей, блоков, цоколей зданий,
лоджий, для отделки архитектурных элементов фасада зданий —
поясов, карнизов и создания декоративных панно.
Для отделки сборных конструкций на заводах используют коврово-мозаичные плитки размером 48x48 и 22x22 мм толщиной
2—4 мм, плитки типа «кабанчик» размером 120x65x7, облицовку
типа «брекчия» — ковры, набранные из плиточного боя.
Коврово-мозаичные плитки выпускают с естественно окрашенным черепком (такие изделия называют терракотовыми) и глазурованные. Глазури могут быть глухими и прозрачными, белыми и
окрашенными, блестящими и матовыми. Наши заводы выпускают
глазурованные плитки, покрытые глухими блестящими глазурями.
Плитки типа «кабанчик» изготовляют неглазурованными и глазурованными. Их используют для отделки панелей (наклеенными
на бумажные ковры), а также для облицовки кирпичных стен.
Ковры типа «брекчия» применяют для облицовки фасадов и в
виде акцентных вставок. Бой плиток в таком ковре должен составлять не более 60% от общей его площади.
Для облицовки готовых кирпичных и бетонных стен применяют
крупноразмерные и цокольные плитки.
98
Крупноразмерные плитки размером 250x140x10 мм изготовляют неглазурованными и глазурованными. Действует полностью автоматизированная поточная линия для прессования, сушки, глазурования и обжига таких плиток.
Цокольные глазурованные плитки размером 150X75X7 мм являются изделиями штучного применения, их используют для облицовки цоколей зданий и подземных переходов. Эти плитки имеют
спекшийся черепок, их водопоглощение не более 5%.
Лицевые кирпич и керамические камни применяют для облицовки фасадов зданий, возводимых из штучных изделий (кирпича,
камня).
Лицевой кирпич и камни из красножгущихся глин изготовляют
по той же технологии, что и обычные стеновые кирпич и камни,
соблюдая строгие требования к однородности сырья, ровности цвета обожженного изделия и правильности его формы.
Лицевой кирпич и камни световых тонов изготовляют из светло-
жгущихся тугоплавких глин с добавкой около 45% шамота из
тех же глин. Подбирая состав керамической массы и регулируя
режим обжига, можно получить кирпич белого, кремового, коричневого цветов.
Двухслойный кирпич' формуют из местных красных глин и лишь
лицевой состав 3—5 мм — из белых неокрашенных или окрашенных
глин. Малый расход привозных светложгущихся глин (6—7% объема кирпича) обусловливает экономичное производство лицевого
кирпича из местного сырья.
Ангобированный кирпич имеет лицевую поверхность, покрытую
ангобом. Ангоб изготовляют из белой глины (около 80%), стеклянного боя (15—20%) с добавкой минеральных красителей (5—7%).
Ангоб наносят на отформованные изделия в виде суспензии — шликера.
Глазурованный кирпич применяют для акцентных вставок, придающих фасаду зданий большую архитектурную выразительность.
Разработан способ производства этого кирпича с однократным
обжигом. По этому способу сырец после сушки поступает на глазу-
ровочный конвейер, на нем осуществляется очистка лицевой поверхности от загрязнений, глазурование пульверизацией под давлением и подсушка глазурного слоя. После этого кирпич поступает
в туннельную печь для обжига.
Керамические облицовки относятся к числу наиболее экономичных, о чем свидетельствует сопоставление коэффициентов приведения /гпр[коп/(м2-год)]:
kav = "д + 3’
где С0 — стоимость отделки, включающая стоимость материала и
отделочных работ (первоначальные затраты), руб/м2; Д— долговечность отделки, годы; Э — среднегодовые эксплуатационно-ремонтные затраты, руб., отнесенные к 1 м2 отделанной поверхности.
4*
99
--------------- page: 51 -----------
Сравнительные данные для наиболее применяемых облицовок
приведены в табл. 13.
Таблица 13
Сравнительные данные приведенной стоимости
различных видов облицовок (по М. И. Роговому)
Вид отделки
*пр'
коп/м2*г
Долговечность, лет
Керамическая облицовка:
ковровая керамика неглазурованная
7,6
50
то же, глазурованная
14,4
50
неглазурованная плитка типа «кабанчик»
10,1
50
Отделка дробленым камнем
7,8
25
То же, цветным бетоном
12
10
Облицовка стеклянной мозаикой
14
50
То же, стеклянной крошкой
15
25
§ 2. Плитки для внутренней облицовки стен
Для внутренней облицовки стен выпускают разнообразные по
форме плитки: квадратные (150x150), прямоугольные с прямыми
кромками (150x100 и 150x75 мм).
Плитки, изготовленные методом литья, выпускают квадратными 50x50 мм и прямоугольными 25X100 мм и других размеров
толщиной 2—3 мм. Для производства плиток используют легкоплавкие или огнеупорные глины с добавкой кварцевого песка и
плавней (фаянсовые плитки). При обжиге плитки получаются пористыми, лицевая поверхность их покрывается глазурью. Слон глазури придает керамическим плиткам водонепроницаемость и стойкость против воздействия слабых растворов кислот и щелочей.
Выпускают плитки плоские, рельефные, орнаментированные,
покрытые глазурями. Плитки могут иметь цветной рисунок, наносимый методом шелкографии. Этот метод заключается в снятии
копии рисунка тушью, изготовления с нее негатива, а затем диапозитива, светокопирования диапозитивов на сетки-трафареты и
перенесение рисунка на обожженные глазурованные плитки. Плитки с рисунком подсушивают и для закрепления красок обжигают
в электрической печи при температуре 700—780° (рис. 39).
Глазурованные плитки применяют для облицовки стен кухонь
и санитарных узлов жилых зданий, школ, детских садов, больниц и
поликлиник, торговых предприятий, помещений с повышенной
влажностью (бани, прачечные), а также для облицовки внутренних
стен лабораторных помещений. Цветные и многоцветные глазурованные плитки используют для облицовки станций метрополитена.
iOO
Рис. 39. Плитки керамические для полов, орнаментированные
методом шелкографии
§ 3. Плитки для полов
Керамические плитки для полов изготовляют из тугоплавких и
огнеупорных каолиновых глин с добавкой отощающих веществ,
плавней и, если требуется, Окрашивающих примесей. Отощителем
служит тонкомолотый шамот и кварцевый песок. Производство
плиток осуществляется из массы, подготовленной полусухим, пластическим или шликерным способами. Обжигают плитки до спекания. Полы из керамических плиток практически водонепроницаемы,
характеризуются малой истираемостью; не дают пыли, легко моются, стойки к действию кислот и щелочей. Плитки изготовляют квадратные, прямоугольные, шестигранные, восьмигранные, треугольные, длиной граней 50—150 мм, толщиной 10—13 мм. Недостатком
плиток является большая теплопроводность (полы «холодные»),
не позволяющая применять их в жилых помещениях. Кроме того,
устройство пола из плиток является трудоемкой работой. Трудоемкость устройства чистого пола уменьшается при применении мозаичной плитки.
Мозаичные плитки выпускают квадратной или прямоугольной
формы, размером 23 и 48 мм при толщине 6—8 мм. Плитки на заво101
--------------- page: 52 -----------
де наклеивают лицевой стороной на крафт-бумагу с раскладкой по
определенному рисунку, получая «ковры» размером 398X598 мм.
Толщина шва между плитками 2 мм. На уложенную по основанию
пола пластичную растворную смесь укладывают (плитками вниз)
набранный «ковер». После затвердевания раствора бумага размачивается водой, и клей смывается.
Плитки применяют для полов в помещениях с влажным режимом и повышенной интенсивностью движения (бани, ванные комнаты, кухни, вестибюли, коридоры, станции метрополитена, промышленные здания и т. п.). При изготовлении индустриальных
изделий в заводских условиях их используют для облицовки пола
лестничных площадок и маршей.
Глава 19
КЕРАМИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
§ 1. Кровельные керамические изделия
Глиняная черепица является одним из старейших долговечных
и огнестойких кровельных материалов. Однако черепица неинду-
стриальна, трудоемка и поэтому ее производство не развивается.
Выпускают черепицу пазовую ленточную, пазовую штампованную,
плоскую ленточную, волнистую ленточную, S-образную ленточную
и коньковую желобчатую. Обжигают черепицу при температуре
950—1000°С. Черепица должна выдерживать разрушающую нагрузку 70—1000 Н (в зависимости от типа черепицы), морозостойкость— не менее 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии.
Пустотелые керамические изделия для перекрытий включают:
1) камни для армокерамических балок объемной массой не более
1300 кг/м3; 2) камни для часторебристых перекрытий объемной
массой не более 1000 кг/м3; 3) камни для накатов объемной массой
до 1000 кг/м3.
§ 2. Дренажные и канализационные трубы
Дренажные трубы изготовляют из кирпичных высокопластичных глин. Трубы малого диаметра формуют в горизонтальном ленточном прессе, а большого — в вертикальных прессах. После сушки
трубы обжигают при температуре 950—1000°С.
Промышленность выпускает гладкие неглазурованные трубы
без раструбов или глазурованные с раструбом и перфорацией на
стенках. Водопоглощение черепка— не более 15%, морозостойкость— не ниже 15 циклов. Применяют трубы при мелиоративных
работах, а также при осушении грунтового основания под зданиями и сооружениями.
Канализационные трубы изготовляют из пластичных огнеупорных или тугоплавких глин. Формуют их в вертикальных трубных
102
прессах, обжигают при температуре 1250—1300°С до спекания.
Поверхность труб снаружи и внутри покрывают кислотостойкой
глазурью. Канализационные трубы должны выдерживать гидростатическое давление не менее 0,2 МПа. Водопоглощение черепка
труб: не более 9% для I сорта и 11% для II сорта. Длина канализационных труб 800—1200 мм, внутренний диаметр 150—600 мм.
Эти трубы на одном конце имеют раструб. Канализационные трубы
применяют для отвода сточных кислых и щелочных вод.
§ 3. Санитарно-технические изделия
Ванны, раковины и другое оборудование санитарно-технических узлов жилых и производственных помещений изготовляют из
фаянса, полуфарфора и фарфора. Сырьем для производства этих
трех разновидностей керамических материалов, обладающих различной пористостью, являются беложгущиеся глины, каолины,
кварц и полевой шпат, взятые в различных соотношениях (табл. 14).
Таблица 14
Состав масс для изделий санитарно-технической керамики (%)
Сырьевые материалы
Фаянс
Полуфарфор
Санитарно-технический фарфор
Глинистые материалы
Кварц
Полевой шпат
45—50
35—45
2—5
48—50
40—45
7—12
45—50
30—35
18—22
Из фаянса преимущественно методом литья изготовляют унитазы, умывальники, смывные бачки и др. Для производства крупных
изделий (ванн, моек и пр.) используют шамотный фаянс, в который вместо кварца вводят шамот (10—15%). Водопоглощение у
фаянса 10—12%, предел прочности при сжатии — обычно до
100 МПа. Поверхность фаянсовых изделий покрывают глазурью,
что придает им водонепроницаемость.
По сравнению с фаянсом полуфарфор имеет более спекшийся
черепок (водопоглощение 3—5%) и его прочность выше (#Сж =
= 150—200 МПа).
Фарфор отличается еще большей плотностью (водопоглощение
0,2—0,5%)и прочностью (до 500 МПа), что позволяет изготовлять
из него тонкостенные изделия.
§ 4. Кислотоупорные керамические изделия
К кислотоупорным керамическим изделиям относят: 1) кислотоупорный кирпич М150—250, кислотостойкостью не менее 92—96%,
водопоглощением не более 8—12%, термостойкостью не менее
ЮЗ
--------------- page: 53 -----------
2
М300, кислотостойкостью 96—98%, водопоглощением не более
6—9%, теплостойкостью не менее 2—8 теплосмен; 3) трубы и фасонные части к ним М300—400, кислотостойкостью не ниже 97—
98 %, водопоглощением не более 3—5 %.
Кислотоупорные изделия изготовляют из глин, не содержащих
примесей, понижающих химическую стойкость (карбонаты, гипс,
серный колчедан и т. п.) и спекающиеся при температуре около
1200°С.
Кислотостойкость изделий характеризует их нерастворимость в
кислотах (за исключением HF) и щелочах. Кислотоупорные кирпич
и плитки служат для футеровки башен и резервуаров на химических заводах, а также печей для обжига серного колчедана, для
устройства полов в цехах с агрессивными средами и т. д. Керамические кислотоупорные трубы применяют для перекачки неорганических и органических кислот и газов при разрежении или давлении до 0,3 МПа.
§ 5. Дорожный кирпич
Дорожный (клинкерный) кирпич вырабатывают из тугоплавких
глин, обжигая их до спекания. Дорожный кирпич имеет размер
220X110X65 или 220X110X75 мм, М400, М600 и Ml000, водопоглощение 2—6%, морозостойкость 30—100 циклов попеременного
замораживания и оттаивания. Этот кирпич можно применять для
мощения дорог и тротуаров, устройства полов промышленных зданий, кладки канализационных коллекторов.
§ 6. Огнеупорные изделия
Огнеупорными называют изделия, применяемые для строительства промышленных печей, топок и аппаратов, работающих при
высоких температурах. Огнеупорные изделия классифицируют по
огнеупорности, пористости, химико-минеральному составу и способу изготовления. Изделия огнеупорные характеризуются огнеупорностью 1580—1770°С, высокоогнеупорные—1770—2000°С, высшей огнеупорности — более 2000°С.
В зависимости от пористости (в %) огнеупорные изделия подразделяются на следующие группы: особоплотные — пористость менее 3, высокоплотные — 3—10, плотные—10—20, обычные — 20—
30, легковесные и теплоизоляционные — 45—85.
Наибольшее распространение в строительстве и промышленности строительных материалов получили кремнеземистые и алюмо-
силикатные огнеупорные изделия.
Кремнеземистые огнеупоры применяют двух типов: кварцевое
стекло и динасовые.
Кварцевое стекло изготовляют отливкой из расплавленного
кварца, оно содержит S1O2 не менее 99%. Обладает хорошей термостойкостью и кислотостойкостью; при 1100°С расстекловывается
104
и крошится. Кварцевая керамика используется для футеровки котлов большой мощности, изготовлении штампов горячего прессования, труб для подачи расплавленного алюминия и других целей.
Кварцевое стекло идет на производство химической аппаратуры.
Динасовые (тридимито-кристобалитовые) огнеупоры изготовляют обжигом при температуре выше 870°С кварцевого сырья (измельченных кварцитов, песка, маршалита) на известковой или другой связке; содержат S1O2 не менее 93%. Огнеупорность 1600—
1770°С. Из динаса выполняется кладка сводов сталеплавильных,
стекловаренных и коксовых печей.
Алюмосиликатные огнеупоры подразделяют на три группы: по-
лукислые, шамотные и высокоглиноземистые.
Полукислые огнеупоры отличаются повышенным содержанием
кремнезема — более 65% и содержанием глинозема менее 28%.
Изготовляют их обжигом кварцевых пород на глинистой или каолиновой связке или глин и каолинов с большим содержанием кварцевого песка. Огнеупорность их— 1380—1400°С. Применяют для
футеровки шахтных и туннельных печей, вагранок и т. д.
Шамотные огнеупоры изготовляют обжигом смеси шамота (порошка обожженной и размолотой огнеупорной глины) и огнеупорной глины или каолинов. Они содержат 30—45% А1203 и отличаются термической стойкостью, шлакоустойчивостью, прочностью
(М100—125). Огнеупорность шамотных материалов—1250—
1400°С. Применяют их для кладки и футеровки печей в местах, где
они непосредственно соприкасаются с расплавленным металлом,
шлаком, стеклом, а также для футеровки вращающихся печей для
обжига цементного клинкера, облицовки топок паровых котлов,
дымоходов и пр.
Высокоглиноземистые огнеупоры получают из материалов (боксита, корунда), содержащих более 45% глинозема. Огнеупорность
их зависит от содержания глинозема и технологии и составляет
1450—1725°С. Изделия, изготовленные из высокоглиноземистого
сырья на глиняной или иной связке, обладают высокой термостойкостью при содержании А120з 45—60%. Применяют их.в стекольной промышленности, для кладки доменных печей и др.
Легковесные огнеупоры имеют объемную массу 1,3—0,4 г/см3 и
общую пористость соответственно 45—85%. Обладают высокой огнеупорностью, малой теплопроводностью и достаточной прочностью, позволяющими успешно применять их для футеровки промышленных печей разного назначения. При этом значительно
(в 2—4 раза) сокращается продолжительность разогрева или холостого хода печей, в 2—3 раза уменьшается толщина ограждающих стен и на 20—70% снижаются удельные расходы топлива на
термические процессы. В связи с этим производство легковесных
огнеупоров непрерывно расширяется.
Для высокотемпературной теплоизоляции различных промышленных печей и тепловых агрегатов используют алюмосиликатные
и другие волокна, обладающие высокой прочностью, термической
стойкостью и малой теплопроводностью.
--------------- page: 54 -----------
РАЗДЕЛ IV
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА
Глава 20
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Неорганическими вяжущими веществами называют порошкообразные материалы, которые при смешивании с водой образуют
пластично-вязкое тесто, способное со временем самопроизвольно
затвердевать в результате физико-химических процессов. Переходя
из тестообразного в камневидное состояние, вяжущее вещество
скрепляет между собой камни либо зерна песка, гравия, щебня.
Это свойство вяжущих используют для изготовления: бетонов, силикатного кирпича, асбестоцементных и других необожженных искусственных материалов; строительных растворов — кладочных,
штукатурных и специальных.
Вяжущие вещества по составу делят на две большие группы:
1) неорганические (известь, цемент, строительный гипс, жидкое
стекло и др.), которые затворяют водой (реже водными растворами
солей) и 2) органические (битумы, дегти, животный клей, полимеры), которые переводят в рабочее состояние ч нагреванием, расплавлением или растворением в органических жидкостях; им посвящен самостоятельный раздел.
Неорганические вяжущие вещества включают воздушные, гидравлические и вяжущие автоклавного твердения.
Воздушные вяжущие способны затвердевать и длительное время сохранять прочность только на воздухе. По химическому составу они делятся на четыре группы: 1) известковые вяжущие, состоящие главным образом из окиси кальция СаО; 2) магнезиальное вяжущее, содержащее каустический магнезит MgO; 3) гипсовые вяжущие, основой которых является сернокислый кальций; 4) жидкое
стекло — силикат натрия или калия (в виде водного раствора).
Гидравлические вяжущие твердеют и длительное время сохраняют прочность (или даже повышают ее) не только на воздухе, но
и в воде. По своему химическому составу гидравлические вяжущие
вещества представляют собой сложную систему, состоящую в основном из соединений четырех окислов: СаО—Si02—AI2O3—Fe203.
Эти соединения образуют три основные группы гидравлических
вяжущих: 1) силикатные цементы, состоящие преимущественно
(на 75%) из силикатов кальция; к ним относится портландцемент
и его разновидности — главные вяжущие современного строительства; 2) алюминатные цементы, вяжущей основой которых являются алюминаты кальция; главным из них является глиноземистый
106
цемент и его разновидности; 3) гидравлическая известь и роман-
цемент.
Вяжущие автоклавного твердения — это вещества, способные
при автоклавном синтезе, происходящем в среде насыщенного водяного пара, затвердевать с образованием прочного цементного камня. В эту группу входят: известково-кремнеземистые, известковозольные, известково-шлаковые вяжущие, нефелиновый цемент
и др.
Глава 21
ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА СИСТЕМЫ
СаО — S1O2 — AI2O3— FeiOj
К вяжущим данной системы принадлежат воздушная и гидравлическая известь, романцемент, портландцемент и его разновидности. Свойства указанных вяжущих веществ зависят от гидравлического модуля и температуры обжига сырья. Гидравлический модуль т выражает содержание основного окисла СаО по отношению
к суммарному количеству кислотных окислов:
т==
% SiOj + % А1203 + % F&A
Для каждого вяжущего вещества характерен свой гидравлический модуль. Поскольку воздушная известь изготовляется из известняков лишь с небольшой примесью глинистого вещества, у нее
самый больший гидравлический модуль (более 9); у гидравлической извести т=\,7—9; у романцемента т< 1,7. Портландцемент,
получаемый из тщательно составленной искусственной смеси известнякового и глинистого компонента, характеризуется гидравлическим модулем (1,9—2,4) примерно таким же, как у романцемента, Однако показатели прочности портландцемента во много раз
превосходят прочность романцемента. Объясняется это тем, что
при получении романцемента (и гидравлической извести) обжиг
сырья производится не до спекания (при температуре около 1000°С)
и в этих условиях образуются низкоосновные силикаты и алюминаты кальция, обладающие в гидратированном виде невысокой
прочностью. В технологии портландцемента обжиг сырьевой смеси
доводится до частичного плавления при ~ 1450°С и только при наличии жидкой фазы (расплава) происходит синтез трехкальциевого силиката, обусловливающего высокие показатели прочности и
гидравлические свойства. Усиление гидравлических свойств при переходе от воздушной к гидравлической извести и романцементу
вследствие уменьшения гидравлического модуля с 9 до 2 при одинаковой практически температуре обжига 1000°С видно из рис. 40.
В точке же 3 кривой б количественное изменение температуры
обжига сырья (с 1000 до 1450°С) привело к скачкообразному увеличению прочности и появлению качественно нового вяжущего —
портландцемента.
107
--------------- page: 55 -----------
Проследим изменение техническйх свойств рассматриваемых
вяжущих.
Воздушная известь не обладает гидравлическими свойствами,
ее прочность при сжатии после 28 сут твердения невелика — около
0,4 МПа.
Гидравлическую известь получают обжигом в шахтных печах не
до спекания (900—1100°С) мергелистых известняков с содержанием глины 6—20%. Полученную известь размалывают и применяют
в виде порошка либо гасят
в пушонку. В процессе обжига мергелистых известняков после разложения угле-
кислого кальция (900°С)
часть образующейся СаО
остается в свободном состоянии, а часть соединяется
с окислами ЭЮг, А120з и
РегОз, входящими в состав
глинистых минералов. При
этом образуются низкоосновные силикаты (2CaO-SiC>2),
алюминаты (СаО-АЬОз) и
ферриты (СаО-РегОз) кальция, которые и придают извести гидравлические свойства. Гидравлическая известь начинает твердеть в
воздухе (первые 7 сут) и
продолжает твердеть и увеличивать свою прочность в воде. Предел прочности при сжатии после 28 сут комбинированного хранения (7 сут во влажном воздухе
и 21 сут в воде) 2—5 МПа и выше. Гидравлическую известь применяют для изготовления строительных растворов, бетонов низких марок и бетонных камней. Ее хранят в закрытых помещениях, при
перевозке предохраняют от увлажнения.
Романцемент— гидравлическое вяжущее вещество, получаемое
тонким помолом обожженных не до спекания (900°С) известняковых или магнезиальных мергелей, содержащих более 20% глины.
Образующиеся при обжиге низкоосновные силикаты и алюминаты
кальция придают романцементу свойство твердеть и сохранять
прочность в воде. Романцемент выпускают трех марок: М25, М50
п Ml00. Он должен выдерживать испытание на равномерность изменения объема. Применяется для изготовления строительных растворов, бетонов, бетонных камней.
Портландцемент, подробно рассматриваемый ниже, обладает
способностью твердеть и увеличивать свою прочность в воде, его
марки М400, М500, М550 и М600 значительно превосходят показатели прочности всех других вяжущих веществ, относящихся к данной химической системе.
§.
I
*
(Si
Рис. 40. Зависимость марки вяжущего вещества (кривая б) от гидравлического модуля и температуры обжига (кривая а):
1, ]' — воздушная известь: 2, Т — гидравлическая
известь; 3, 3' — романцемент; 4. 4' — портландцемент
Глава 22
ВОЗДУШНАЯ ИЗВЕСТЬ
§ 1. Получение и гашение
Известь (как и гипс) —древнейшее вяжущее вещество. Ее применяли за несколько тысяч лет до нашей эры.
Воздушная известь — продукт умеренного обжига кальциевомагниевых карбонатных горных пород: мела, известняка, доломи-
тизированного известняка, доломита с содержанием глины не более 6%.
Основной составляющей известняка является карбонат кальция
(СаСОз). Обжигают известняк при температуре 900—1200°С до
возможно более полного удаления СО2 по реакции СаСОз = СаО+
+ СО2. Продукт обжига содержит кроме СаО (основной составной
части) также и некоторое количество окиси магния, образовавшейся в результате термической диссоциации карбоната магния:
MgC03 = MgO + СО2.
Чем выше содержание основных окислов (CaO-f MgO) в извести, тем пластичнее известковое тесто и тем выше ее сорт. Содержание непогасившихся частиц,к которым относятся частицы недожога и пережога, снижает качество извести. Недожогом называют
оставшиеся зерна сырья — известняка, которые отощают известковое тесто, ухудшают его пластичность и пескоемкость. Пережог
представляет собой остеклованную трудногасящуюся окись кальция, уплотненную при высокой температуре. Частицы пережога
гидратируются очень медленно с увеличением своего объема, что
может вызвать растрескивание штукатурки, известковых изделий.
Обжиг известняка чаще всего производят в шахтных печах, в
которые известняк поступает в виде кусков размером 8—20 см;
обжиг мелких кусков известняка может производиться во вращающихся печах. При обжиге известняка удаляется углекислый газ,
составляющий 44% от массы СаСОз, поэтому комовая негашенная
известь получается в виде пористых кусков, активно взаимодействующих с водой.
Гашение воздушной извести заключается в гидратации окиси
кальция при действии воды на комовую негашенную известь:
Са0 + Н20 = Са(0Н)2. Гашение сопровождается разогревом массы
вследствие выделения значительного количества тепла — 950
кДж/кг. В процессе гашения куски негашенной извести самопроизвольно диспергируются, распадаясь на тонкие частицы Са(ОНЬ
размером в несколько микронов (тоньше, чем у цемента). Воздушная известь является единственным вяжущим веществом, которое
превращается в тонкодисперсное состояние химическим диспергированием. Громадная удельная поверхность частиц Са(ОН)г обусловливает большую водоудерживающую способность и пластичность известкового теста. После отстаивания известковое тесто
содержит около 50% твердых частиц Са(ОН)г и 50% воды. Каж-
109
--------------- page: 56 -----------
дая частица окружена тонким слоем адсорбированной воды, играющей роль своеобразной гидродинамической смазки. Высокая пластичность известкового теста в смеси с песком — это то свойство,
которое так ценится при изготовлении строительных растворов.
Гашение комовой извести в тесто на специализированных растворных заводах производят в известегасильных машинах. Механизированное гашение ускоряет процесс, повышает качество известкового теста. На небольших стройках комовую известь сначала
гасят в творилах, и известковое тесто через сетку сливают в известегасильную яму, в которой завершается гашение. Известковое
тесто выдерживают в яме не менее двух недель. Нельзя применять
известковое тесто, в котором осталась непогасившаяся известь,
так как ее гашение в штукатурке и кладке вызовет растрескивание
затвердевшего известкового раствора.
В зависимости от количества воды, добавляемой к комовой
извести, можно получить известковое тесто или гидратную известь
(пушонку). Гашение извести в пушонку осуществляют в гидрато-
рах непрерывного действия, в которых выделяющееся тепло и водяные пары используются для превращения комовой извести в тончайший рыхлый порошок объемной массой 400—450 кг/м3. При гашении в пушонку известь увеличивается в объеме в 2—3,5 раза;
в большей степени «распушнвается» высокоактивная известь с высоким содержанием СаО.
§ 2. Твердение гашеной извести
Известь применяется на строительстве в виде строительных растворов, т. е. в смеси с песком и другими заполнителями. На воздухе
известковый раствор постепенно отвердевает под влиянием двух
одновременно протекающих процессов: 1) высыхание раствора,
сближение кристаллов Са(ОН)2 и их срастание; 2) карбонизация
извести под действием углекислого газа, который в небольшом
количестве содержится в воздухе: Са(0Н)2+С02=СаС0з + Н20.
Образующийся карбонат кальция срастается с кристаллами
Са(ОН)2 и упрочняет известковый раствор. При карбонизации выделяется вода, поэтому штукатурку и стены, в которых применены
известковые растворы, подвергают сушке. Известковые растворы
твердеют медленно, сушка ускоряет процесс их твердения.
§ 3. Молотая негашеная известь
И. В. Смирнов предложил применять для изготовления искусственных безобжиговых камней и строительных растворов воздушную
известь в тонко размолотом виде без предварительного гашения.
Строительные растворы и бетоны, приготовленные на молотой негашеной извести, быстро схватываются и отвердевают вследствие
гидратационного твердения негашеной извести. При правильно
подобранном водоизвестковом отношении (0,9—1,5) кристаллы
гидроокиси кальция, получившиеся при гидратации окиси кальция
110
непосредственно в материале (СаО-НгО), срастаются между собой
и быстро образуют прочный кристаллический сросток. Саморазо-
гревание материала (раствора или бетона) со своей стороны способствует ускорению твердения и росту прочности раствора, что
особенно важно при зимних работах (каменной кладке, штукатурке и др.).
Во избежание чрезмерного разогрева нужно позаботиться об
отводе излишнего экзотермического тепла. При этом никаких трещин от гашения извести не образуется, а воздушная известь ведет
себя как быстросхватывающееся и быстротвердеющее вяжущее
вещество.
В молотую негашеную известь и гидратную известь (пушонку)
разрешается вводить тонкомолотые минеральные добавки: доменные и топливные шлаки, золы, известняк. Продукт совместного
помола негашеной извести и карбонатной породы называют карбонатной известью. Молотую негашеную известь обычно используют
сразу после помола, так как вследствие поглощения влаги из воздуха она теряет свои вяжущие свойства.
§ 4. Виды и применение воздушной извести
В зависимости от содержания окиси магния воздушная известь
разделяется на кальциевую (Mg0^5%), магнезиальную (MgO =
= 5—20%) и высокомагнезиальную или доломитовую (MgO=*
= 20-40%).
Наиболее важными показателями качества извести являются:
активность — процентное содержание окислов, способных гаситься,
количество непогасившихся зерен (недожог и пережог); время
гашения.
В зависимости от времени гашения извести всех сортов различают: быстрогасящуюся известь с временем гашения до 8 мин,
среднегасящуюся — ее время гашения не превышает 25 мин и мед-
ленногасящуюся с временем гашения не менее 25 мин.
Строительные растворы на воздушной извести имеют невысокую прочность. Так, известковые растворы через 28 сут воздушного
твердения имеют предел прочности при сжатии: на гашеной извес-
Таблица 15
Важнейшие показатели качества кальциевой воздушной извести
(негашеной комовой или молотой)
Сорта
Наименование
1-й
2-й
З-й
Содержание активных (CaO+MgO) в
90
80
70
пересчете на сухие вещества, не менее, /о
Содержание непогасившихся зерен в
негашеной комовой извести, не более, %
7
11
14
111
--------------- page: 57 -----------
ти — 0,4—1,0 МПа, на молотой негашеной извести — до 5 МПа.
Поэтому сорт воздушной извести устанавливают не по прочности,
а по характеристикам ее состава (табл. 15). Чем меньше глинистых и других примесей в исходном известняке, тем выше активность
извести, быстрее происходит ее гашение и больше выход известкового теста.
Большое количество извести идет на изготовление силикатного
кирпича и силикатных бетонов: ячеистых, легких, тяжелых, а также используется в смешанных вяжущих.
§ 5. Известково-шлаковые и известково-луццолановые вяжущие
Получение известково-шлаковых вяжущих основано на способности тонкоизмельченных гранулированных доменных шлаков
твердеть при добавке извести. Обычно шлак размалывают совместно с воздушной известью, содержание которой в вяжущем составляет 20—30%. При помоле добавляют до 3—5% гипса для улучшения процессов твердения. Известь, реагируя с низкоосновными
алюминатами и силикатами шлака, способствует образованию высокоосновных гидроалюминатов и гидросиликатов кальция. Добавляемый гипс реагирует в водном растворе с алюминатами кальция,
образуя гидросульфоалюминат кальция. В результате обоих этих
процессов возрастает прочность вяжущего.
Известково-шлаковые вяжущие схватываются и твердеют медленно, но при тепловлажностной обработке твердение ускоряется.
Они стойки в пресной воде, ио имеют низкую морозостойкость.
Известково-шлаковые вяжущие применяют в бетонах невысоких
марок и в строительных растворах.
Известково-пуццолановые вяжущие изготовляют путем совместного помола трепелов, диатомитов и других активных минеральных добавок t известью. При твердении во влажных условиях или
в воде образуются низкоосновные гидросиликаты кальция. На воздухе в сухих условиях гидросиликаты способны дегидратироваться,
при этом прочность изделия может сильно снижаться. Прочность
этих вяжущих невысока, и они применяются там же, где и известково-шлаковые вяжущие.
§ 6. Безотходное производство воздушной извести
В ЧССР (на заводе Чебин) освоена технология производства
комовой и порошкообразной извести, обеспечивающая полное использование карбонатного сырья (автор системы НИИстроймате-
риалов, г. Брно).
Производство порошкообразной негашеной извести осуществляется в кооперации с обычным производством комовой негашеной
извести в шахтных печах (на данном предприятии две печи, работающие на коксе по пересыпному способу). Шахтные печи используют дробленый известняк местного карьера с размером кусков
7—18 см. Более мелкие куски известняка (менее 7 см) подвергают-
112
ся дальнейшему измельчению в молотковой дробилке, а затем путем воздушной сепарации продукт разделяется на две фракции:
более грубая фракция 0,2—2,5 мм перерабатывается на известь, а
тонкая (менее 0,2 мм) используется для известкования кислых
почв. При воздушной сепарации из тонкой фракции удаляется глинистое вещество и периклаз, т. е. происходит обогащение окисью
кальция известняка, идущего на обжиг. В результате порошкообразная негашеная известь имеет высокую активность.
Производство негашеной извести включает: 1) предварительный
прогрев порошка известняка до 700—800°С газами, отходящими
из вращающейся печи; 2) обжиг подогретого порошка в короткой
вращающейся печи;. 3) охлаждение по выходе из печи в слоевом
холодильнике. Несмотря на высокий расход тепла, производство
себя оправдывает из-за комплексного полного использования
сырья.
Г лава 23
ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ
§ 1. Общая характеристика портландцемента
Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, в составе которого преобладают силикаты кальция (70—80%).
Портландцемент — продукт тонкого измельчения клинкера с добавкой гипса (3—5%). Клинкер представляет собой зернистый материал («горошек»), полученный обжигом до спекания (при 1450°С)
сырьевой смеси, состоящей в основном из углекислого кальция
(известняки различного вида) и алюмосиликатов (глины, мергеля,
доменного шлака и др.). Небольшая добавка гипса регулирует сроки схватывания портландцемента.
Для производства портландцемента имеются неограниченные
сырьевые ресурсы в виде побочных продуктов промышленности
(шлаков, зол, шламов) и распространенных карбонатных и глинистых горных пород. Автоматизация производственных процессов и
переход к производству цемента на заводах-автоматах значительно
снижают потребление энергии и трудоемкость, позволяют значительно увеличить выпуск цемента в соответствии с гигантским масштабом строительства в нашей стране.
Изобретение портландцемента (1824) связано с именами Егора
Герасимовича Челиева — начальника мастерских военно-рабочей
бригады и Джозефа Аспдина — каменщика из английского города
Лидса.
§ 2. Клинкер
Качество клинкера определяет все свойства портландцемента,
добавки же, вводимые в цемент, лишь регулируют его свойства.
Качество клинкера зависит от его химического и минерального соU3
--------------- page: 58 -----------
става, тщательности подготовки сырьевой смеси, условий проведения ее обжига и режима охлаждения получившегося клинкера.
Клинкер обычно получают в виде спекшихся гранул размером
10—40 мм, имеющих сложную микроструктуру, так как клинкер
включает ряд кристаллических фаз и некоторое количество стекловидной фазы.
Химический состав клинкера выражают содержанием окислов
(% по массе). Главными окислами являются: окись кальция СаО—
63—66%. двуокись кремния Si02— 21—24%, окись алюминия
АЬОз — 4—8% и окись железа
Fe203 — 2—4%, суммарное количество которых составляет
95—97%. В небольших количествах в виде различных соединений могут входить окись магния MgO, серный ангидрид
SO3, щелочи NasO и КгО, двуокись титана ТЮг, окись хрома
СГ2О3, фосфорный ангидрид
Р2О5. В процессе обжига, доводимого до спекания, главные
окислы образуют силикаты,
алюминаты и алюмоферрит
кальция в виде минералов
кристаллической структуры, а
некоторая часть их выходит в
стекловидную фазу.
Минеральный состав клинкера. Основными минералами клинкера являются: алит, белит, трехкальциевый алюминат и алюмоферрит кальция.
Алит ЗСаО-БЮг (или C3S*)—самый важный минерал клинкера, определяющий быстроту твердения, прочность и другие свойства портландцемента; содержится в клинкере в количестве 45—
60%. Алит представляет собой твердый раствор трехкальциевого
силиката и небольшого количества (2—4%) MgO, AI2O3, Р2О5,
Сг203 и других примесей, которые могут существенно влиять на
структуру и свойства. Согласно Регур и Гинье, в интервале между
нормальной температурой и 1100°С трехкальциевый силикат кристаллизуется в шести полиморфных формах. Алит в клинкере фиксируется в виде тригональной модификации. На микрофотографии
(рис. 41) кристаллы алита обычно имеют шестиугольную или прямоугольную форму. Предпочтительнее правильно сформировавшиеся кристаллы вытянутой формы размером 3—20 мкм, благоприятствующие повышению марки цемента.
Белит 2Ca0-Si02 (или C2S*) —второй по важности и содержанию (20—30%) силикатный минерал клинкера. Он медленно твер*
AI2O3—A, Fe203—F.
114
СхА и CtgA F
Рис. 41. Микрофотография протравленного шлифа портландцементного клинкера
деет, но достигает высокой прочности при длительном твердении
портландцемента. В интервале между нормальной температурой и
1500°С существует пять кристаллических форм двухкальциевого
силиката. Белит в клинкере представляет собой твердый раствор
Р-двухкальциевого силиката (P-C2S) и небольшого количества
(1—3%) А1203, Fe203, MgO, Сг203 и др. Когда горячий клинкер,
вышедший из печи, постепенно охлаждается, при температуре
ниже 525°С p-C2S может перейти в у-Сг5, и этот переход сопровождается увеличением базального расстояния, т. е. «разрыхлением»
молекулярной структуры белита. Действительно, плотность P-C2S
равна 3,28 г/см3, a yC?S — 2,97 г/см3, поэтому полиморфный переход вызывает приращение абсолютного объема белита примерно
на 10%, в результате гранулы клинкера рассыпаются в порошок.
Казалось бы самопроизвольная диспергация облегчает измельчение клинкера, но, к сожалению, порошок Y-C2S при температурах
до 100°С практически не взаимодействует с водой, т. е. не обладает
вяжущими свойствами. Следовательно, необходимо воспрепятствовать переходу белита в у-форму. Стабилизации p-C2S способствуют
некоторые примеси (AI2O3, Fe203, MgO, Сг203 и др.), внедряющиеся в кристаллическую решетку в количестве 1—3%- Своеобразной
«закалке» белита служит достаточно быстрое охлаждение клинкера в холодильных устройствах, располагаемых при выходе клинкера из печи. Регулируя скорость охлаждения клинкера, получают
белит в виде округлых плотных кристаллов (см. рис. 41) размером
20—50 мкм.
Содержание минералов-силикатов в клинкере портландцемента
в сумме около 75%, поэтому гидратация алита и белита в основном
определяет технические свойства портландцемента. Остальные
25% составляет промежуточное вещество, заполняющее объем между кристаллами алита и белита (см. рис. 41). Промежуточное вещество состоит из кристаллов трехкальциевого алюмината (С3А),
алюмоферрита кальция (C4AF), стекла и второстепенных минералов (12Са0-7А1203 и др.).
Трехкальциевый алюминат в клинкере содержится в количестве
4—12% и при благоприятных условиях обжига получается в виде
кубических кристаллов размером до 10—15 мкм; образует твердые
растворы сложного состава. Плотность СзА — 3,04 г/см3, он очень
быстро гидратируется и твердеет, но имеет небольшую прочность.
Является причиной сульфатной коррозии бетона, поэтому в сульфатостойком портландцементе содержание СзА ограничено 5%.
Четырехкальциевый алюмоферрит в клинкере содержится в количестве 10—20%. Алюмоферритная фаза промежуточного вещества клинкера представляет собой твердый раствор алюмоферритов
кальция разного состава, в клинкерах обычных портландцементов
ее состав близок к 4СаО- АЬОз - Fe203. Плотность C4AF — 3,77 г/см3.
По скорости гидратации минерал занимает как бы промежуточное
положение между алитом и белитом, поэтому он не оказывает определяющего влияния на скорость твердения и тепловыделение портландцемента.
115
--------------- page: 59 -----------
Клинкерное стекло присутствует в промежуточном веществе в
количестве 5—15%, оно состоит в основном из СаО, AI2O3, РегОз,
MgO, К2О, Na20.
Окись магния входит в состав алюмоферритной фазы и клинкерного стекла, а также присутствует в свободном состоянии в виде
кристаллов медленно гидратирующего минерала периклаза. Гидратация MgO длится долго, возможно несколько лет, и переход в
Mg (ОН) 2 сопровождается увеличением объема твердой фазы в уже
затвердевшем цементном камне. При содержании окиси магния
более 5% это явление может явиться причиной неравномерного
изменения объема цемента при твердении и растрескивании бетона.
Свободная окись кальция СаОСВоб находится в свежеобожжен-
ном клинкере в виде зерен; ее содержание не должно превосходить
1%. При более высоком содержании СаОСВОб снижается качество
цемента и может проявиться неравномерное изменение его объема
при твердении, связанное с переходом СаО в Са(ОН)г.
Щелочи (Na20, К2О) входят в алюмоферритную фазу клинкера,
а также присутствуют в цементе в виде сульфатов. Содержание
щелочей в портландцементе ограничивается в случае применения
заполнителя (песка, гравия), содержащего реакционноспособные
опаловидные модификации двуокиси кремния, из-за опасности растрескивания бетона в конструкции.
§ 3. Принципы производства
Сырьевые материалы. Сырьевыми материалами для производства клинкера служат известняки с высоким содержанием углекислого кальция (мел, плотный известняк, мергели и др.) и глинистые
породы (глины, глинистые сланцы), содержащие ЭЮг, А1203 и
Fe203. В среднем на 1 т цемента расходуется около 1,5 т минерального сырья; примерное соотношение между карбонатным и глинистым составляющими сырьевой смеси 3:1 (т. е. берется около 75%
известняка и 25% глины). В сырьевую смесь вводят добавки, корректирующие химический состав, регулирующие температуру спекания смеси и кристаллизацию минералов клинкера. Например,
количество БЮг повышают, добавляя в сырьевую смесь трепел,
опоку. Добавление колчеданных огарков увеличивает содержание
Fe203.
Для производства портландцемента все шире используют побочные продукты промышленности. Весьма ценным сырьем являются
доменные шлаки, содержащие необходимые для получения клинкера составные части (СаО, S1O2, АЪ03, Fe203). Нефелиновый шлам,
получающийся при производстве глинозема, содержит 25—30%
Si02 и 50—55% СаО; достаточно к нему добавить 15—20% известняка, чтобы получить сырьевую смесь. Использование нефелинового
шлама повышает производительность печей примерно на 20% и
снижает расход топлива на 20—25%.
Основной и наиболее эффективный вид топлива — природный
116
газ, обличающийся высокой теплотворной способностью. Сокращается применение мазута и твердого топлива, приготовляемого в
специальных установках для сушки и помола угля (антрацита,
каменного угля). Теплотворная способность твердого топлива ниже, чем газообразного; углевоздушные смеси подвержены взрывам;
зольность углей 10—20%, и зола, попадая в обжигаемую сырьевую
смесь, искажает расчетный минеральный состав клинкера. Стоимость топлива составляет до 25% себестоимости готового цемента,
поэтому на цементных заводах много внимания уделяется его экономии.
Подготовка сырья. Производство портландцемента — сложный
технологический и энергоемкий процесс, включающий: 1) добычу
в карьере и доставку на завод сырьевых материалов, известняка
и глины; 2) приготовление сырьевой смеси; 3) обжиг сырьевой смеси до спекания — получение клинкера; 4) помол клинкера с добавкой гипса — получение портландцемента; 5) магазинирование готового продукта. Обеспечению заданного состава и качества клинкера подчинены все технологические операции.
Приготовление сырьевой смеси состоит в тонком измельчании
и смешении взятых в установленном соотношении компонентов, что
обеспечивает полноту прохождения химических реакций между ними и однородность клинкера. Приготовление сырьевой смеси осуществляется сухим, мокрым и комбинированным способами.
Сухой способ заключается в измельчении и тесном смешении
сухих (или предварительно высушенных) сырьевых материалов,
поэтому сырьевая смесь получается в виде минерального порошка,
называемого сырьевой мукой. Тонкое совместное измельчение известняка и глины осуществляют в трубных (шаровых) мельницах,
в которых совмещаются помол и сушка сырьевых материалов до
остаточной влажности 1—2%. На крупных предприятиях сырьевые
мельницы работают по замкнутому циклу (рис. 42): установка
производительностью до 100 т/ч включает сепараторы, отделяющие
крупную фракцию сырьевой муки и возвращающую ее в мельницу
для помола. Таким образом повышается тонкость помола сырьевой
смеси и качество обжигаемого из нее клинкера.
Сырьевую муку направляют в силосы, в них корректируется
состав сырья и создается запас, необходимый для бесперебойной
работы печей. При сухом способе производства затраты тепла на
обжиг клинкера в 1,5—2 раза меньше, чем при мокром способе.
Ввиду технико-экономических преимуществ сухой способ производства цемента у нас быстро развивается. Сухой способ наиболее
выгоден при использовании известняка и глины с невысокой влажностью (10—15%), однородного состава и физической структуры,
когда можно получить гомогенную сырьевую муку при сухом помоле.
Мокрый способ приготовления сырьевой смеси применяют, если
мягкое сырье имеет значительную влажность (мел, глины). Тонкое
измельчение и смешение исходных материалов осуществляется в
водной среде, поэтому сырьевая смесь получается в виде жидкоге-
117
--------------- page: 60 -----------
кучей массы — шлама с большим содержанием воды (35—45%).
Используется способность мягких горных пород (глины и мела)
легко распадаться в воде на мелкие частицы. Глина перерабатывается в водную суспензию в глиноболтушках. Иногда глина перерабатывается в шлам непосредственно в карьере, и далее полученный
шлам надлежащего состава перекачивается на завод.
Второй компонент сырьевой смеси — известняк после дробления
направляется на совместный помол с глиняным шламом в шаровую
мельницу через весовые дозаторы
непрерывного действия с автоматическим управлением, что позволяет выдерживать точное соотношение между компонентами сырьевой смеси (рис. 43). Совместное
измельчение известняка, глины и
корректирующих добавок (например, пиритных огарков, содержащих РегОз) обеспечивает тщательное смешение исходных материалов и получение однородной
сырьевой смеси. Помол сырья
производят до остатка на сите
№ 008 не более 8—10%, следовательно, более 90% частиц смеси
имеет размер менее 80 мкм.
Из трубных мельниц известково-глиняный шлам перекачивают насосами в вертикальные или горизонтальные резервуары (шламбассейны), в них корректируют и усредняют химический состав шлама. Контроль состава сырьевой смеси теперь
осуществляется с помощью автоматического рентгеноспектрометра
с ежечасным определением содержания CaO, Si02, Fe203 и А1203.
По данным анализа вычислительная машина рассчитывает дозировки сырьевых компонентов, исходя из получения сырьевой смеси заданного состава, а также сответствующий режим работы автоматических дозирующих устройств, что позволяет отказаться от корректирования при достаточном постоянстве состава смеси. Применение
разжижителей шлама (добавок СДБ и др.) позволяет снизить
влажность шлама, но не устраняет основной недостаток мокрого
способа производства цемента — высокую энергоемкость процесса
получения клинкера.
Применение «комбинированного способа» дает возможность на
20—30% снизить расход топлива по сравнению с мокрым способом.
Сущность этого способа заключается в том, что приготовленный
шлам до поступления в печь обезвоживается на специальных установках. Однако при этом возрастает расход электроэнергии, т. е.
энергоемкость производства в целом остается высокой.
Обжиг. Обжиг сырьевой смеси как при сухом, так и при мокром
способе производства осуществляется в основном во вращающихся
лечах. Шахтные печи применяют иногда только при сухом способе
Рис. 43. Схема помола сырьевых материалов по мокрому способу в открытом цикле:
/ — бункер известняка; 2 — бункер огарков; 3 — тарельчатый питатель и весоиз-
меритель; 4 — питатель глиняного шлама;
5 — ленточный транспортер; 6 — мельница;
7 — емкость перед насосом; 8— насос; 5 —
подача шлама в производство
--------------- page: 61 -----------
*
|
°
|
5з (барабан), сваренный из ли-
" § стовой стали с огнеупорной
«I
«Р
| х
&!
Л,|
£§
а °
g,i
с расходом тепла на обжиг
*
ll
2*
|
с
5
'I go,
s s'0,
I
s. | *
я “S
gil
<J и 8
^ 1“
^ Rg
й
а Iе0
виде шлама (мокрый спо-
§•«
I
стороны ее верхнего (холод-
й*
нижнего (горячего) конца
вдувается топливо (природ-
а|
угольная смесь), сгорающее
сч а
ь*|
Горячие газы поступают на-
а |
|ч
2
|
I
жется к нижнему концу, проходя различные температурные зоны.
Выдающийся советский ученый В. Н. Юнг, разработавший основы
теории обжига, условно разделил вращающуюся печь на шесть
температурных зой в зависимости от характера протекающих процессов. Рассмотрим эти процессы, начиная с поступления сырьевой
смеси в печь, т. е. идя с верхнего ее конца к нижнему.
В зоне испарения происходит высушивание поступившего сырья
при постепенном повышении температуры с 70—80°С (в конце этой
зоны), поэтому первую зону называют еще зоной сушки. Подсушенный материал комкуется, при перекатывании комья распадаются на
более мелкие гранулы.
В зоне подогрева, которая следует за сушкой сырья, при постепенном нагревании сырья с 200 до 700°С сгорают находящиеся в
нем органические примеси, из глинистых минералов удаляется
кристаллохимическая вода (при 450—500°С) и образуется каоли-
нитовый ангидрид Al203-2Si02 и другие подобные соединения.
Подготовительные зоны (испарения и подогрева) при мокром способе производства занимают 50—60% длины печи (считая от холодного конца), при сухом же способе подготовка сырья сокращается за счет зоны испарения.
В зоне кальцинирования (ее протяженность — 20—23% длины
печи) температура обжигаемого материала поднимается с 700 до
1100°С, здесь завершается процесс диссоциации углекислых солей
кальция и магния и появляется значительное количество свободной
окиси кальция. Термическая диссоциация СаСОз — это эндотермический процесс, идущий с большим поглощением тепла (1780 кДж
на 1 кг СаС03), поэтому потребление тепла в третьей зоне печи
наибольшее. В этой же зоне происходит распад дегидратированных
глинистых минералов на окислы SiCb, AI2O3, РегОз, которые вступают в химическое взаимодействие с СаО. В результате этих реакций, происходящих в твердом состоянии, образуются минералы
ЗСаО-АЬОз, СаО-АЬОз и частично 2Ca0-Si02.
В зоне экзотермических реакций (1100—1250°С) проходят твердофазовые реакции образования ЗСа0-А1г03; 4СаО-А120з-Ре20з
и белита. Эти экзотермические реакции сопровождаются выделением большого количества тепла (до 420 кДж на 1 кг клинкера) и
интенсивным повышением температуры материала (на 150—200°С)
на сравнительно коротком участке печи (5—7% ее длины).
В зоне спекания (1300—1450—1300°С) температура обжигаемого материала достигает наивысшего значения (1450°С), необходимого для частичного плавления материала и образования главного
минерала клинкера — алита. В начале спекания, начиная с 1300°С,
образуется расплав из относительно легкоплавких минералов
ЗСаО-А12Оз, 4Ca0-Al203-Fe203, а также MgO и легкоплавких примесей в количестве 20—30% объема обжигаемой массы. При повышении температуры до 1450°С в клинкерной жидкости растворяются 2Ca0-Si02 и СаО и из них в расплаве происходит процесс образования алита 3Ca0-Si02, проходящий почти до полного
связывания окиси кальция (в клинкере СаО0воб не более 0,5—1%).
121
--------------- page: 62 -----------
В расплаве (по Бутту и Тимашеву) сначала образуются тетраэдры
SiO^-, которые потом соединяются с ионами Са2+, образуя кристаллическую решетку трехкальциевого силиката. Алит плохо растворяется в расплаве и вследствие этого выделяется из него' в виде мелких кристаллов, что влечет растворение в расплаве новых порций
Рис. 45. Многокамерная мельница для помола клинкера:
1 — загрузочное устройство; 2 — перегородка с решетками; 3 — стальной корпус;
4 — стальные плитки; 5—выгрузочное устройство; 6 — двухступенчатый редуктор
2Ca0-Si02 и СаО. Процесс образования алита заканчивается за
15—20 мин пребывания материала в зоне спекания (ее протяженность 10—15% длины печи). Поскольку при вращении печи частично расплавленный материал непрерывно перекатывается, создаются условия для слипания мелких частичек в более крупные гранулы.
Понижение температуры с 1450 до 1300°С вызывает кристаллизацию из расплава ЗСаО-А^Оз, 4СаО-А^Оз-РегОз и MgO (в виде
периклаза), которая заканчивается в зоне охлаждения, следующей
за спеканием.
В зоне охлаждения температура клинкера понижается с 1300 до
1000°С; здесь полностью формируется его структура и состав, включающий алит — C3S, белит — C2S, С3А, C4AF, MgO (периклаз),
стекловидную фазу и второстепенные составляющие.
Цементный клинкер выходит из вращающейся печи в виде мелких камнеподобных зерен — гранул («горошка») темно-серого или
зеленовато-серого цвета. По выходе из печи клинкер интенсивно
охлаждается с 1000 до 100—200°С в барабанных, рекуператорных
и других холодильниках воздухом, идущим навстречу клинкеру
или просасываемым через слой горячего клинкера. После этого
клинкер выдерживается на складе 1—2 недели.
Помол. Помол клинкера в тонкий порошок производится преимущественно в трубных (шаровых) мельницах, работающих по
открытому или замкнутому циклу. Трубная мельница представляет
собой стальной барабан, облицованный внутри стальными броневыми плитами и разделенный дырчатыми перегородками на 2—4 ка122
меры (рис. 45). Крупнейшими помольными агрегатами являются
мельницы размером 3,95X11 м, производительностью 100 т/ч и размером 4,6X16,4 м, производительностью 135 т/ч.
Материал в трубных мельницах измельчается под действием
загруженных в барабан мелющих тел — стальных шаров (в камерах грубого помола) и цилиндров (в камерах тонкого помола).
При вращении мельницы мелющие тела поднимаются на некоторую высоту и падают, дробя и истирая зерна материала.
/
Рис. 46. Схема размола клинкера по замкнутому циклу.
а — с двумя мельницами: 1 — мельница грубого помола; 2 — элеватор; 3 —
центробежный сепаратор; 4 — мельница тонкого помола; б — с одной мельницей: J — элеватор; 2 — сепаратор; 3— мельница; 4—крупка; 5 — готовый
цемент
При работе по открытому циклу мельница работает «на проход», т. е. материал (клинкер и добавки) непрерывно поступает со
стороны камер грубого помола через полую ось, а измельченный
материал выходит из камеры тонкого помола и далее транспортируется в силосы. Замкнутый цикл помола включает помольный агрегат и центробежный сепаратор, отделяющий крупные зерна, возвращаемые на домол (рис. 46), в результате чего достигается
высокая тонкость помола. Помольные установки, работающие по
замкнутому циклу, дают возможность тонко измельчить клинкер
(до удельной поверхности 4000—5000 см2/г) и регулировать содержание в цементе частиц различного размера, что необходимо для
получения быстротвердеющего и других специальных портланд-
цементов. При помоле к клинкеру добавляют гипс (так, чтобы общее содержание SO3 в цементе было не более 3,5%), служащий для
замедления схватывания портландцемента.
Готовый портландцемент — очень тонкий порошок темно-серого
или зеленовато-серого цвета; по выходе из мельницы он имеет
высокую температуру (80—120°С) и направляется пневматическим
транспортом для хранения в силосы, которые обычно выполняются
в виде железобетонных банок диаметром 8—15 м и высотой 25—
■30 м. Большие силосы вмещают 4000—10 000 т цемента.
Цемент в силосах выдерживают до его охлаждения и гашения
остатков свободной окиси кальция, которое происходит под дейст-
123
--------------- page: 63 -----------
ffl я w
sg
S' с w
*
*
я f-
сг>£» Л я
5 ^ 4 V
a) S
u * * 39
£? -° S’
Bur
s = "3
<y jr »
as к V o
2u^
s к ?• 2
I я с
1 а 1 *
** 2s I
S'"-
w Я .»...,
к 5" я я
.. i‘“i-
>. л I I *
<§ S^ES
Я S ^ 4»
О %*
5 £»";?
» £ S S
>. v g i 2
Sal1*
2
g- u a. „
й О ... ^
; * h Я Я
5 woe;
а»си
0
С «
S I I
5 5-SS
*
а “..■§•
Ш « ^ o<u
к oi s n
§ gfSg-
S «S<I
2 s я M о
4
£ 14 s «V I
e-«gs i
О сг 4 a; e>
С n 3 1)N
rt о | 5 y-
5
О I . * pj
e( «ч- я { S
О =J 1
e s 5 S «
м x 5 *
S a £ - * 1
о £§g.S
&s:fp
Slssg
2? »S‘S
и E&3S
^ i - 5 1
U, я <-» oo
.. e i
• з ^
ё
O- s5..§ .
S I 1 =
«ч!<
0
e з г»
1
-S£i
-ggg
аЧ у s
u I i s
Л I го 4
«к a*
3
* •* I я
» 2 1 5
Я 2
S’" s
Я j4 о
и 'g • - с
я О я
ES|
1
N<0 Н
вием влаги воздуха. Из силосов цемент погружается в автоцементовозы, в вагоны-цементовозы или крытые железнодорожные вагоны.
. Часть цемента поступает на отвешивающие и упаковывающие машины и поставляется в мешках (по 50 кг цемента).
Схема производства портландцемента представлена на рис. 47.
§ 4. Теория твердения
Теория твердения портландцемента развивается на базе основополагающих работ Ле-Шателье, Михаэлиса, А. А. Байкова *,
П. А. Ребиндера ** и других выдающихся ученых. Большой вклад
в науку о вяжущих веществах внесли П. И. Боженов, П. П. Будников, Ю. М. Бутт, А. В. Волженский, В. А. Воробьев, С. И. Дружинин, В. А. Кинд, О. П. Мчеделов-Петросян, В. Н. Юнг и др.
Цементное тесто, приготовленное путем смешивания цемента с
водой, имеет три периода твердения. Вначале, в течение 1—3 ч после затворения цемента водой, оно пластично и легко формуется.
Потом наступает схватывание, заканчивающееся через 5—10 ч после затворения; в это время цементное тесто загустевает, утрачивая
подвижность, но его механическая прочность еще невелика. Переход загустевшего цементного теста в твердое состояние означает
конец схватывания и начало твердения, которое характерно заметным возрастанием прочности. Твердение бетона *** при благоприятных условиях длится годами — вплоть до полной гидратации ****
цемента.
Химические реакции. Сразу после затворения цемента водой
начинаются химические реакции. Уже в начальной стадии процесса гидратации цемента происходит быстрое взаимодействие алита
с водой с образованием гидросиликата кальция и гидроокиси:
2
После затворения гидрат окиси кальция образуется из алита,
так как белит гидратируется медленнее алита и при его взаимодействии с водой выделяется меньше Са(ОН)г, что видно из уравнения
химической реакции
2
*
рой Социалистического Труда, известный ученый, педагог и общественный деятель.
** Петр Александрович Ребиндер (1898—1972)—академик АН СССР, Герой
Социалистического Труда, выдающийся ученый, основоположник физико-химической механики, известный педагог и общественный деятель.
*** Развитию теории твердения способствуют периодически проводимые
международные конгрессы по химии цемента. VI Конгресс проходил
в Москве (1974), что явилось признанием ведущего положения СССР в производстве цемента и большого вклада советских ученых в науку о цементе.
**** терМИН «гидратация» объединяет процессы взаимодействия цемента с
водой, происходящие при его схватывании и твердении.
125
--------------- page: 64 -----------
Гидросиликат кальция 3Ca0-2Si02-3H20 образуется при полной гидратации чистого трехкальциевого силиката в равновесии с
насыщенным раствором гидроокиси кальция. Молярное соотношение Ca0/Si02 в гидросиликатах, образующихся в цементном тесте,
может изменяться в зависимости от состава материала, условий
твердения и других обстоятельств. Поэтому применяется термин
CSH для всех полукристаллических и аморфных гидратов кальциевых силикатов.
Основной алюмосодержащей фазой в портландцементе является трехкальциевый алюминат ЗСаО-А1203. Он представляет и самую активную фазу среди клинкерных минералов. Немедленно
после соприкосновения ЗСаО-АЬОз с водой на поверхности непрореагировавших частиц образуется рыхлый слой метастабильных
(неустойчивых) гидратов 4Са0-А1203- 19Н20 и 2СаО* А120з-8Н20
в виде тонких гексагональных пластинок, образующих по терминологии Кондо и Даймона «структуру карточного домика». Рыхлая
структура гидроалюмииатов ухудшает морозостойкость, а также
стойкость против химической коррозии. Это одна из причин ограничения количества трехкальциевого алюмината в специальных
портландцементах, применяемых для морозостойких бетонов.
Стабильная форма — шестиводный гидроалюминат
ЗСаО-А120з-6Н20, кристаллизующийся в кубической форме, образуется в результате быстро протекающей химической реакции:
ЗСаО • А1203 + 6Н20 = ЗСаО • Д1203 • 6Н20
Для замедления схватывания при помоле клинкера добавляют
небольшое количество природного гипса (3—5% от массы цемента). Сульфат кальция играет роль химически активной составляющей цемента, реагирующей с трехкальциевым алюминатом и связывающей его в гидросульфоалюминат кальция (минерал эттрингит)
в начале гидратации портландцемента:
ЗСаО • А1203 3(CaS04-2H20) V 26Нг0 = ЗСаО- Al20s-3CaS04.32H20
1
Портландцемент
(эттрингит)
В насыщенном растворе Са(ОН)2 эттрингит сначала выделяется
в коллоидном тонкодисперсном состоянии, осаждаясь на поверхности частиц ЗСаО-АЬОз, замедляет их гидратацию и оттягивает начало схватывания цемента. Кристаллизация Са(ОН)2 из пересыщенного раствора понижает концентрацию гидроокиси кальция в
растворе, и эттрингит уже образуется в виде длинных иглоподобных
кристаллов. Кристаллы эттрингита и обусловливают раннюю прочность затвердевшего цемента. Эттрингит, содержащий 31—32 молекулы кристаллизационной воды, занимает примерно вдвое больший объем по сравнению с суммой объемов реагирующих веществ
(СзА и сульфат кальция). Заполняя поры цементного камня, эттрингит повышает его механическую прочность и стойкость. Струк126
тура затвердевшего цемента улучшается еще и потому, что предотвращается образование в нем слабых мест в виде рыхлых гндроа-
‘люминатов каЛьция. Эттрингит взаимодействует с ЗСа0-А1г03,
моносульфата кальция:
2
+ 22НгО = 3 (ЗСаО • А1203 • CaS04 • 18НаО)
В результате введения в портландцемент сульфата гидроалюминаты кальция заменяются гидросульфоалюминатом.
Четырехкальциевый алюмоферрит при взаимодействии с водой
расщепляется на гидроалюминат и гидроферрит:
4СаО • А1203 • Fe203 4- т Н20 = ЗСаО • А1203 • 6Н20 +
+ СаО • Fe203 ■ п НаО
Гидроалюминат связывается добавкой природного гипса, как
указано выше, а гидроферрит входит в состав цементного геля.
Свойства и формирование структуры цементного теста. Путем
тщательного смешения цементного порошка с водой получают це-
метное тесто; оно представляет собой концентрированную водную
суспензию, обладающую характерными свойствами структурированных дисперсных систем: прочностью структуры, структурной
и пластической вязкостью, тиксотропией.
Цементное тесто до укладки бетонной смеси и начала схватывания имеет в основном коагуляционную структуру, в нем твердые
частицы суспензии связаны ван-дер-ваальсовыми силами и сцеплены вследствие переплетения гидратных оболочек, покрывающих
частицы.
Структура цементного теста разрушается при механических
воздействиях (перемешивание, вибрирование и т. п.), вследствие
этого резко падает предельное напряжение сдвига и тесто с предельно разрушенной структурой, подобно вязкой жидкости, заполняет форму. Переход теста в текучее состояние имеет тиксотропный
характер, т. е. после прекращения механических воздействий структурные связи в системе вновь восстанавливаются.
Структурно-механические свойства цементного теста возрастают по мере гидратации цемента. Например, предельное напряжение
сдвига цементного теста, по данным Е. Е. Сегаловой и др., измеренное после его изготовления, составило 0,01 МПа; к началу схватывания оно возросло до 0,15 МПа (т. е. в 15 раз), а к концу схватывания
достигло 0,5 МПа (увеличилось в 50 раз). Следовательно, цементное тесто отличается способностью быстро изменять реологические
свойства в течение 1—2 ч.
Формирование структуры цементного теста и прочности происходит следующим образом. Первыми элементами структуры, образующимися после смешивания цемента с водой, являются эттрин-
гит, гидрат окиси кальция и иглы геля CSH, растущие из частиц.
12?
--------------- page: 65 -----------
клинкера. Присутствие эттрингита в виде коротких гексагональных
призм обнаружено уже через 2 мин после затворения цемента водой, а спустя несколько часов появляются зародыши кристаллов
Са(ОН)2. Частицы геля гидросиликата, имеющие первоначально
игольчатую форму, продолжая расти, ветвятся, становятся древовидными. Образование дендритных форм является одной из причин
соединения частиц геля гидросиликата в агрегаты, имеющие характерную форму
«снопов пшеницы* или в виде плотно агломерированных листков. Тонкие слои
геля получаются и между
кристаллами Са (ОН)2, образуя с ними сросток, упрочняющий цементное тесто.
На рис. 48 схематично
показано развитие структуры цементного теста. Первичная структура представляет собой малопрочный
пространственный каркас из
дисперсных частиц продуктов гидратации, связанных
ван-дер-ваальсовыми силами; переплетение гидратных
оболочек, образованных на
частицах адсорбированной
водой, тоже удерживает частицы друг около друга. Хотя прочность первичной
структуры невелика, подвижность твердых частиц
все же снижается, и цементное тесто загустевает. К концу периода схватывания формируется
основная структура цементного теста, которое превращается в цементный камень.
Структура цементного камня в значительной степени определяется механизмом его гидратации. В результате взаимодействия
цемента с водой образуются «внутренние» продукты гидратации в
пространстве, первоначально занятом цементными зернами, и
«внешние» продукты гидратации, заполняющие пространство, первоначально занятое водой.
Количество внутреннего гидросиликата кальция намного больше, чем внешнего CSH. Щутренний гидросиликат получается в результате топохимической гидратации алита и белита, т. е. путем
непосредственного присоединения воды к твердой фазе. Внутренний гидросиликат имеет тонкую и плотную структуру; отношение
Ca0/Si02 может быть от 0,5 до больших величин по Тейлору.
Рис. 48. Процесс гидратации цемента и развитие структуры цементного теста во времени (по Лохеру и Рихартцу):
I — Са(ОН)2; 2 — эттрингнт; За — гндросиликаты
кальция, длинные волокна; 36— то же, короткие
волокна; 4— ЗСаО-АЬОз'СаБО^ 12НаО; 5 —
4Са0-А120а*13Н20; 6 — кривая изменения объема
пор; 1 — неустойчивая структура; II — формирование основной структуры; III — конденсация
структуры и получение устойчивой структуры
128
/,7нкн
1мкм
Рис. 49. Основные структурообразующие фазы цементного камня (твердение
портландцементного теста в воде при 20°С, В/Ц=0,35, в течение 28 сут) по
А. Ф. Щурову:
i — Х6000 и 2 —Х10 000 —гель С—S—Н; 3 —X2400 и 4 — Х6000 — портландит Ca(OH)j,
сросшийся с гелем С—S—Н
Внешние продукты гидратации образуются через растворение
вне зерен цемента и состоят из небольшого количества внешнего
гидросиликата, крупных кристаллов Са(ОН)2 и эттрингита.
На рис. 49 можно видеть основные фазы портландцементного
камня.
Частицы геля гидросиликата (кристаллиты) представляют собой субмикрокристаллические тонкие пластинки («фольгу») из
5—664
129
--------------- page: 66 -----------
двух-трех структурных слоев; толщина каждого слоя — около 6 А,
а диаметр частицы — менее 100 А. Следовательно, твердая фаза
в гидратированном цементе находится в состоянии весьма сильного раздробления. Удельная поверхность портландцемента составляет 0,3—0,45 м2/г; в процессе гидратации происходит диспергация
цемента и удельная поверхность твердой фазы возрастает в 100—
200 раз. Например, удельная поверхность* цементного камня, изготовленного с водоцементным отношением 0,6, после 512 сут твердения при 100%-ной влажности была равна 782 м2/г (при гидратации 91% цемента). Клеящая способность цементного теста зависит
от дисперсности твердой фазы: она повышается по мере гидратации
цемента, т. е. при превращении все большего количества цемента
в гель. Однако удельная поверхность самого геля гидросиликата
значительно уменьшается при высушивании, что видно из опытных
данных. Цементный камень, изготовленный из раствора с
В/Ц = 0,4, имел в возрасте 514 сут (при гидратации 86% цемента)
удельную поверхность (м2/г): 708 — при 100%-ной, 330 — при
50%-ной и 189 — при 12%-ной относительной влажности. Укрупнение частиц новообразований при сильном высушивании не только
снижает клеящую способность гидратированного цемента, но и повышает его хрупкость. Все эти исследования говорят о необходимости ухода за бетоном, предотвращающего его раннее высушивание, а также о создании соответствующих влажностных условий
при тепловой обработке железобетонных конструкций.
§ 5. Структура цементного камня
В.
тоне, состоящем из гелевых и кристаллических продуктов гидратации цемента и многочисленных включений в виде негидратирован-
ных зерен клинкера. Основная масса новообразований при
взаимодействии цемента с водой получается в виде гелевидной
массы, состоящей в основном из субмикрокристаллических частичек
гидросиликата кальция. Гелеподобная масса пронизана относительно крупными кристаллами гидрата окиси кальция. Такое своеобразное «комбинированное» строение предопределяет специфические свойства цементного камня, резко отличающиеся от свойств
других материалов — металлов, стекла, гранита и т. п. Например, с
наличием гелевой составляющей связана усадка при твердении
на воздухе и набухание в воде, особенности работы под нагрузкой и другие свойства.
Цементный камень включает: 1) продукты гидратации цемента:
а)
дающие свойствами коллоидов; б) относительно крупные кристаллы Са(ОН)2, эттрингита; 2) аепрореагировавшие зерна клинкера,
*
она измерена по способу рассеяния рентгеновских лучей под малыми углами.
** Термин «новообразования» объединяет все продукты гидратации цемента.
130
содержание которых уменьшается по мере гидратации цемента;
3) поры: а) поры геля, относящиеся к микропорам (менее 1000 А),
б) капиллярные поры, являющиеся макропорами (от 1000 А до
10 мкм), расположенные между агрегатами частиц геля; в) воздушные поры и пустоты (от 50 мкм до 2 мм) — полости, заполненные
воздухом: засосанным в цементное тесто вследствие вакуума, вызванного контракцией: вовлеченным в тесто при изготовлении или
укладке, а также при добавлении специальных воздухововлекающих веществ; оставшихся в тесте вследствие его недоуплотнения.
Классификация пор геля по размерам дана Кондо и Даймоном
(размер пор в данной классификации характеризуется половиной
гидравлического радиуса): 1) очень тонкие поры, пронизывающие
частицы геля: межкристаллитные — размером менее 6 А, а внутри-
кристаллитные — 6—16А; 2) поры между частицами геля более
крупные— 16—1000 А. Все эти поры структурно присущи цементному гелю, т. е. в геле всегда есть поры, поскольку он является дисперсной системой, состоящей из частиц коллоидного уровня и их
агрегатов, разделенных поровым пространством. В зависимости от
состава цемента, начального количества воды и технологии пористость геля может составлять 28—40% объема геля, причем около
Vi—Уз пористости (т. е. 7—12%) приходится на долю контракци-
онного объема. Контракция (стяжение) — это явление уменьшения
абсолютного объема системы (цемент + вода) в процессе гидратации. Для примера рассмотрим систему (табл. 16):
ЗСаО • А1а08 + 6НгО = ЗСаО • А1203 • 6Н20
Таблица 16
Изменение абсолютных объемов системы С3А - вода
Наименование
3 CaO Al.O,
+
е н,о
3 СаО-А 1,0,.6 Н.о
Молекулярная масса М
Плотность, р
Объем, М/р
270,20
3,04
88,88
108.09
1
108,09
378,28
2,52
150,11
196,97 |
со-
150,11 СМ3,
I
Абсолютный объем реагирующих веществ-
ставил 196,97 см3, а объем гидроалюмината — только
следовательно, контракция в данном примере составила 46,86 см
Поскольку контракция почти не уменьшает внешний объем сист(
мы, ее следствием является образование в гидратированном цементе контракционного объема. В цементном камне и бетоне возникав!
вакуум, под влиянием которого эти поры заполняются водой или
воздухом в зависимости от среды, в которой находится материал
Контракция для обычных портландцементов после 28—29 сут твер
13
5*
--------------- page: 67 -----------
CjA *10% гипса
J-
C,AF
ГГ
’‘Р
C2S
7
„ !Ч 23
Время, сут
Рис. 50. Уменьшение абсолютного объема
прн твердении в системах «клинкерный минерал— вода» (мл на 100 г минерала)
Рис. 51. Упрощенная модель геля
CSH (ио Кондо и Даймону):
} — частица геля; 2, 4 — узкий проход;
3 — пора между частицами геля; 5 — внут-
рикристаллитная пора; € — междуслоевая
вода; 7 — межкристаллитная пора
дения составляет 6—8 л на
100 кг цемента, т. е. в 1 м3 бетона с расходом вяжущего
300 кг/м3 образуется около
18—24 л внутренних конт-
ракционных пор.
Каждому минералу цемента свойственна контракция; она начинается после
смешения с водой и достигает максимума при полной
гидратации. На рис. 50 сопоставлена контракция, происходящая при гидратации
главных клинкерных минералов. Самая большая контракция происходит при гидратации трехкальциевого
алюмината (23,79%), она
может быть причиной внутренних напряжений в цементном камне. Двуводный
гипс, добавляемый при помоле клинкера, выравнивает контракцию, так как в химической реакции образования эттрингита из СзА, гип
са и воды (см. выше) конг
ракция
6,14%.
v
составляет лишь
На рис. 51 изображена
упрощенная модель геля
CSH. Пористая структура
геля, как самого важного продукта гидратации цемента, оказывает
влияние на механические свойства, проницаемость и морозостойкость цементного камня; при этом следует учитывать особые физические свойства пор геля, обусловленные их малыми размерами.
Поры геля могут быть от нескольких ангстрем до 1000 А, следовательно, по классификации, данной в гл. I, они представляют собой микропоры. Вода, заполняющая поры геля (сокращенно «вода
геля»), имеет с твердой фазой адсорбционную связь, так как адсорбционный полимолекулярный слой воды (по Б. В. Дерягину)
имеет толщину до 0,15 мкм. Вода геля замерзает при низкой температуре (по некоторым данным —78°С) и не переходит в лед при
самых сильных морозах и, следовательно, поры геля не сказываются на морозостойкости цементного камня и бетона. Вода, адсорбированная в порах, уменьшает живое сечение и без того малых гелевых пор, поэтому водопроницаемость цементного геля весьма мала.
132
Часть воды затворения, не уместившейся в порах геля, располагается вне геля и образует капиллярные поры.
Капиллярные поры имеют большой эффективный диаметр (более .1000 А) и доступны для воды при обычных условиях насыщения.
При значительном объеме капиллярных пор, пронизывающих цементный камень, бетон имеет низкую морозостойкость и большую
проницаемость, плохо сопротивляется химической коррозии и не
защищает надежно стальную арматуру.
Вода является активным элементом структуры цементного кам-
,ня, участвующим в образовании гидратных соединений и в формировании пор. Пористость цементного камня зависит не только от
начального водоцементного отношения, но и от форм связи воды
с твердой фазой.
ципу интенсивности энергии связи, все формы связи воды в цементном камне можно разделить на три группы.
Химическая связь является наиболее сильной. Химически связанная вода удаляется при прокаливании, поэтому ее называют
еще «неиспаряемой» водой. Количество химически связанной воды W обычно выражают в % или долях от массы цемента.
Физико-химическая связь характерна для адсорбционно связанной воды, находящейся в порах цементного геля; эта связь нарушается при высушивании.
Физико-механическая связь — в данном случае капиллярное
давление обусловливает удержание воды в капиллярных порах цементного камня. Адсорбционно связанная и капиллярная вода,
удаляемая при высушивании, называется еще «испаряемой». Количество испаряемой, т. е. не связанной химически воды определяют, применяя в качестве сушащего агента лед при температуре
—78°С. Потери при прокаливании высушенной пробы цементного
камня определяют химически связанную (неиснаряемую) воду.
Цементный камень, являющийся минеральным клеем, скрепляющим зерна заполнителя, должен обладать достаточной собственной
прочностью и адгезией, т. е. хорошо сцепляться (срастаться) с зернами заполнителя. Эти свойства цементного камня зависят от качества и количества новообразований,-объема и характера пор.
Качество новообразований в цементном камне определяется их
составом и дисперсностью. Количество новообразований прямо
пропорционально степени гидратации цемента а, численно равной
отношению прореагировавшей с водой части цемента к общей массе цемента. Степень гидратации может определяться количественным рентгеновским методом или по содержанию связанной воды w,
не испаряемой при высушивании
а = W/Wmukc •
Количество связанной воды при полной гидратации портландцемента шмакс может колебаться от 0,25 до 0,3 (к массе цемента);
при м)Макс = 0,25, а=4w или w = 0,25а. Следовательно, если в 28-су-
точном возрасте цемент связал 15% воды (считая от массы цемен-
133
--------------- page: 68 -----------
та), то а=4-0,15 = 0,6. Это означает, что в бетоне с расходом
цемента 300 кг/м3 180 кг вяжущего (60%) вступило во взаимодействие с водой, а 120 кг (40%) еще сохранилось в виде клинкерного
фонда. Вообще же а может быть в пределах от 0 до 1 (при полной
гидратации цемента).
Степень гидратации имеет большое технико-экономическое значение. При увеличении степени гидратации цемента возрастает
объем новообразований, уменьшается пористость цементного камня
и улучшается качество пор. При этом повышается прочность и долговечность бетона. Поэтому нужно совершенствовать технологию
бетона, добиваясь наиболее полного использования вяжущего, что
эквивалентно его экономии.
Пористость цементного камня П0дщ слагается из гелевой ПГ,
капиллярной Якап и воздушной Явозд пористости:
Побщ ~ Яг Пкап -f- Явозд •
Пористость вычисляют по отношению к объему цементного камня Уц.к, равному сумме объемов воды затворения и абсолютному
объему зерен цемента:
В | ц
*= D -L ^
Ц.к
Рв
где рц и рв — соответственно плотности цемента и воды затворения.
Примем рв=1, пренебрегая изменением плотности воды затворения от температуры, тогда
т/ _ (1+рцВ/Ц)Ц
КЦ.К —
Рц
Пористость геля прямо пропорциональна количеству прореагировавшего цемента, которое равно аЦ, поэтому
Яг*=/е
1+РцВ/Ц
На основании физико-химических исследований коэффициент
k=0,29, при этом
Яг - 0,29 —^3
Ц-РцВ/Ц
В формулах для вычисления пористости а, В/Ц, рц, w и k — безразмерные величины; рд — относительная плотность цемента, взятая по отношению к плотности воды, равной 1; w — количество
воды, химически связанной цементом, кг, отнесенное к 1 кг цемента.
Коэффициент k = nг, когда
1+рцВ/Ц
Из пористости геля можно выделить контракционный объем
Яконтр, пользуясь формулой
^контР “ 0,09а ^r/m '
1 + РцВ/Ц
134
Пкап — 1
Таким образом, пористость геля и контракционный объем, составляющий часть гелевой пористости, прямо пропорциональны
степени гидратации цемента. «Лишняя» вода, не уместившаяся в
порах цементного геля, располагается между агрегатами частиц
геля и. образует капиллярные поры.
Капиллярную пористость Якап определяют с учетом того, что
цементный гель связывает химически и адсорбционно примерно
v одинаковые количества воды
(по 25% от массы цемента),
т, е. количество «лишней» воды, образующей капиллярные
поры, будет равно
~ (В/Ц — 0,5а) Рд
1 + РцВ/Ц ’
Из формулы видно, что цементный камень без капиллярных пор получится при (В/Ц—
0,5а) Qn=0, т. е. когда В/Ц =
= 0,5 и а~ 1, что возможно
лишь при весьма длительном
твердении цемента в благоприятных условиях. Фактически ко
времени ввода сооружения в
эксплуатацию степень гидратации не превышает 0,6—0,8 при
этих значениях а минимальная -д.„ ...
капиллярная пористость достигается при В/Ц <0,4.
Общая пористость плотно уложенного цементного камня (когда Явоэд=0) будет равна сумме гелевой и капиллярной пористости:
(В/Ц-0,21а) Рц
1 +РцВ/Ц
Рис. 52. Зависимость коэффициента плотности цементного камня от В/Ц и а:
1-‘
=0,9; 2-К
з-k _
-0,7; 4 —
-0,6; 5 — Ад.н=0.5: 6 ~~ *ц.к-0,4
Я общ
Коэффициент плотности цементного камня, характеризующий
степень заполнения его объема твердым веществом, будет равен
£д.к=1 —Я0бщ- Подставляя Я0бщ из предыдущей формулы, получим
^ц.к
1 +0,21арц
1+РцВ/Ц
Зависимость йц.и=/(В/Ц, а) представлена на рис. 52.
Пористость цементного камня уменьшается, а его плотность возрастает при снижении начального В/Ц и увеличении степени гидратации цемента. В первый момент после смешения цемента с
водой в цементном тесте будут только капиллярные поры и их объем равен объему воды затворения, поэтому
рцВ/Ц
Я,
общ
135
--------------- page: 69 -----------
В процессе гидратации общая пористость цементного камня
уменьшается на величину, зависимую от степени гидратации:
jj
обш ~ 1 + РцВ/Ц
Однако капиллярная пористость снижается быстрее, чем общая
пористость. Это явление чрезвычайно важно для улучшения пористости цементного камня и объясняется тем, что капиллярные поры
заполняются цементным гелем. Ведь плотность клинкерных зерен— 3,15 г/см3, а объемная масса геля (взятого вместе с порами
геля) —около 1,6—1,8 г/см3, следовательно, цементное зерно после
гидратации занимает объем вдвое больший.
Вследствие заполнения капиллярного пространства новообразованиями не только сокращается общая пористость, но взамен
крупных капиллярных пор возникают мелкие поры геля, более благоприятные для свойств цементного камня.
§ 6. Свойства цементного камня
Прочность цементного камня, приготовленного из данного портландцемента и выдержанного в определенных условиях, зависит
от пористости.
Прочность и пористость Яобщ связаны экспоненциальной зависимостью вида
ПсШ = П0ехр {—kR)t
где /70 — пористость при нулевой прочности, приблизительно равная 60%; k — коэффициент пропорциональности.
В полулогарифмических координатах
зависимость пористость — прочность может быть представлена в виде отрезка
прямой. Из рис. 53 видно, что потенциальная прочность цементного камня весьма
велика. Д. М. Рой и Г. Р. Гоуда использовали для изготовления цементного камня
с В/Ц = 0,093 горячее прессование (температура 250°С, давление 350 МПа). Полученный таким путем цементный камень
был очень плотным, его расчетная пористость — необычно малой (2,13—3,9%),
поэтому уже через 1 сут прочность при
сжатии составила 412 МПа, а к 3 месона
увеличилась до 655 МПа. Повышая давление прессования, была достигнута еще
более высокая прочность — 668 МПа, что
в 8—10 раз превосходит самые высокие
стандартные марки бетона (60—
80 МПа), следовательно, мы еще весьма
далеки от полного использования вяжу-
136
Рис. 53. Зависимость проч-
ности цементного камня при
сжатии от общей пористости:
/ — по Рой; 2 — по Брунауэру;
3 — по Вербену и Хельмуту
Таблица 17
Степень гидратации, в % от полной гидратации
клинкерных минералов (по Ю. М. Бутту и С. Д. Окорокову)
Минералы
Гидратация в течение
3 сут
7 сут
28 сут
3 мес
6 мес
C.S
36
46
69
93
94
C-S
7
11
11
29
30
С,А
82
82
84
91
93
QAF
70
71
74
89
91
щих свойств цемента. На практике применяют в основном бетонные
смеси с В/Ц-— 0,4—0,8, которые поддаются уплотнению вибрированием, поэтому пористость цементного камня в реальных бетонах составляет 30—50%, а его прочность (рис. 53) будет 20—100 МПа.
Скорость взаимодействия клинкерных минералов с водой можно
охарактеризовать увеличением степени их гидратации во времени
(табл. 17).
Наиболее быстро гидратирующимися минералами цементного
клинкера являются трехкальциевый алюминат и трехкальциевый
силикат; самая медленная гидратация происходит у двухкальциевого силиката.
На рис. 54 сопоставлены кривые нарастания прочности клинкерных минералов, затворенных водой. Трехкальциевый силикат быстро твердеет и приобретает вы-
г - ' -1 ' •
сокую прочность. Трехкальциевый алюминат отличается
очень быстрым нарастанием
прочности, но в дальнейшем
<5йа почти не изменяется.
Таким образом, увеличение
суммарного содержания трехкальциевого силиката и трехкальциевого алюмината в цементном клинкере необходимо
для получения быстротвердею-
щих портландцементов.
Влияние тонкости помола
цемента на прочность можно
проследить по рис. 55. Увеличение удельной поверхности и
прочности цемента в начальные сроки твердения (до Зсут)
объясняется повышением содержания в цементе частиц
размером меньше 5 мкм. Как
\,
1
V
* * ^ —
г;г
1
/
Время (tg) ткркния, сут
Рис. 54. Нарастание прочности клинкерных минералов во времени (логарифмический масштаб):
/ — СзЗ с 5% гипса; 2— CaS с 5% гипса; 3 —
СзА с 15% гипса; 4 — C<AF с 5% гипса (по
С. М. Рояку)
137
--------------- page: 70 -----------
Рис. 55. Зависимость прочности
портландцемента от удельной
поверхности:
1 — возраст образцов 1 сут; 2 —
28 сут
раз в мелкой фракции цемента скапливаются менее твердые минера'
лы —алит (C3S) и СзА, быстро реагирующий с водой. Полная гидратация мелких зерен этих минералов
происходит уже в течение первых
3 сут после затворения цемента водой (табл. 18) и дает соответствующий выигрыш в начальной прочности.
Прочность в последующие сроки
твердения (после 7 сут) обусловлена гидратацией внутренней части зерен более крупных фракций цемента.
Морозостойкость зависит от минерального состава клинкера, вещественного состава портландцемента
и капиллярной пористости цементного камня. Количество трехкальциевого алюмината ограничивают 5—
7%. Добавки осадочного происхождения (диатомит, трепел) увеличивают водопотребность бетонных смесей и понижают морозостойкость. Для повышения морозостойкости применяют добавки поверхностно-активных веществ.
В отличие от прочности морозостойкость цементного камня определяется не общей, а капиллярной пористостью. Капиллярные
поры понижают морозостойкость, поэтому их объем ограничивается в зависимости от марки бетона по морозостойкости.
Воздухостойкость — способность цементного камня сохранять
прочность в сухих условиях, при сильном нагреве солнечными лучами, а также в условиях попеременного увлажнения и высыхания.
Цементы, содержащие активные минеральные добавки осадочного происхождения, не только менее морозостойки, но и менее воздухостойки. Объясняется это главным образом дегидратацией (выветриванием) части воды из низкоосновных гидросиликатов кальция, которые образовались при взаимодействии аморфной двуокиси
Таблица 18
Глубина гидратации клинкерных минералов, мкм
(по Ю. М. Бутту и С. Д. Окорокову)
Минералы
Гидратация в течение
C3s
c2s
С3А
QAF
Ш
3 сут
3,5
0,6
10,7
7,7
7 сут
4,7
0,9
10,4
8,0
28 сут
7,9
1,0
П,2
8,4
3 мес
14.5
2,6
13.5
12,2
б мес
15,0
2,7
14,5
13,2
кремния с гидратом окиси кальция. Поэтому, например, пуццолано-
вый портландцемент рекомендуется применять во влажных условиях, для подводных и подземных конструкций.
Химическая стойкость. Коррозия вызывается воздействием агрессивных газов и жидкостей на составные части затвердевшего-
портландцемента, главным образом на Са(ОН)г и
ЗСаО-АЬОз-бНгО. Встречаются десятки веществ, могущих воздействовать на цементный камень и оказаться для него вредными.
Несмотря на разнообразие агрессивных веществ, основные причины коррозии можно разделить на три группы (по В. М. Москвину):
1) разложение составляющих цементного камня, растворение и
вымывание гидрата окиси кальция; 2) образование легкораствори-
, мых солей в результате взаимодействия гидроокиси кальция и других составных частей Цементного камня с агрессивными веществами и вымывание этих солей (кислотная, магнезиальная коррозия);
3) образование в порах новых соединений, занимающих больший
объем, чем исходные продукты реакции; это вызывает появление
внутренних напряжений в бетоне и его растрескивание (сульфо-
алюминатная коррозия).
Выщелачивание гидроокиси кальция происходит интенсивно
при действии мягких вод, содержащих мало растворенных веществ.
К ним относятся воды оборотного водоснабжения, конденсат, дождевые воды, воды горных рек и равнинных рек в половодье, болотная вода. Содержание гидрата окиси кальция в цементном камне
через 3 мес твердения составляет 10—15% (считая на СаО). После
его вымывания и в результате уменьшения концентрации СаО (менее 1,1 г/л) начинается разложение гидросиликатов и гидроалюминатов кальция. Выщелачивание Са(ОН)г в количестве 15—30% от
общего содержания в цементном камне вызывает понижение его
прочности на 40—50% и более. Выщелачивание можно заметить
по появлению белых подтеков на поверхности бетона.
Для ослабления коррозии выщелачивания ограничивают содержание трехкальциевого силиката в клинкере 50%. Главным средством борьбы с выщелачиванием гидрата окиси кальция является
введение активных минеральных добавок и применение плотного
бетона. Процесс выщелачивания гидрата окиси кальция замедляется, когда в поверхностном слое бетона образуется малорастворимый СаСОэ вследствие карбонизации Са(ОН)2 при взаимодействии
с СОг воздуха. Выдерживание на воздухе бетонных блоков и свай,
применяемых для сооружения оснований, а также портовых и других гидротехнических сооружений повышает их стойкость.
Углекислотная коррозия развивается при действии на цементный камень воды, содержащей свободную двуокись углерода в
виде слабой угольной кислоты. Избыточная (сверх равновесного
количества) двуокись углерода разрушает карбонатную пленку
бетона вследствие образования хорошо растворимого бикарбоната
кальция по реакции
СаС03 + (СО2)св0б + Н20 = Са(НС03)2
139
--------------- page: 71 -----------
Кислотная коррозия происходит при действии растворов любых
кислот, имеющих значения водородного показателя pH<7; исключение составляют поликремневая и кремнефтористоводородная
кислоты. Свободные кислоты встречаются в сточных водах промышленных предприятий, они могут проникать в почву и разрушать
бетонные фундаменты, коллекторы и другие подземные сооружения. Кислота образуется также из сернистого газа, выходящего из
топок. В атмосфере промышленных предприятий, кроме SO2, могут
содержаться ангидриды других кислот, а также хлор и хлористый
водород. При растворении его во влаге, адсорбированной на поверхности железобетонных конструкций, образуется соляная кислота.
Кислота вступает в химическое взаимодействие с гидратом
окиси кальция, при этом образуются растворимые соли (например,
СаС12) и соли, увеличивающиеся в объеме (CaS0*-2H20):
Са(ОН)2 + 2НС1 = СаС12 + 2Н20
Са(ОН)а + HaS04 = CaS04 • 2НгО
Кроме того, кислоты могут разрушать и силикаты кальция. Бетон на портландцементе защищают от непосредственного действия
кислот с помощью защитных слоев из кислотостойких материалоз.
Магнезиальная коррозия наступает при воздействии на гидрат
окиси кальция магнезиальных солей, которые встречаются в растворенном виде в грунтовых водах и всегда содержатся в большом
количестве в морской воде. Содержание солей в воде мирового океана составляет (в г/л): NaCl —27,2; MgCb — 3,8; MgSC>4—1,7;
CaS04—1,2. Разрушение цементного камня вследствие реакции
обмена протекает по следующим формулам:
Са(ОН), -f MgCl2 = СаС12 + Mg(OH)2
Са(ОН)2 + MgS04 + 2Н20 = CaS04 • 2НгО + Mg(OH),
В результате этих химических реакций образуется растворимая
соль (хлористый кальций или двуводный сульфат кальция), вымываемая из бетона. Гидрат окиси магния представляет бессвязную
массу, не растворимую в воде, поэтому реакция идет до полного
израсходования гидрата окиси кальция.
Коррозия под действием минеральных удобрений. Особенно
вредны для бетона аммиачные удобрения — аммиачная селитра и
сульфат аммония. Аммиачная селитра, состоящая в основном из
нитрата аммония NH4NO3, подвергается гидролизу и поэтому дает
в воде кислую реакцию. Нитрат аммония действует на гидрат окиси
кальция
Са(ОН)г + 2NH4N03 + 2Н20 = Ca(N03)2 • 4НгО + 2NH3
Образующийся нитрат кальция хорошо растворяется в воде и
вымывается из бетона.
Хлористый калий КС1 повышает растворимость Са(ОН)г и ускоряет коррозию.
Из числа фосфорных удобрений агрессивен суперфосфат, состоящий в основном из монокальциевого фосфата Са(Н2Р04)г и
140
гипса, но содержащий еще и некоторое количество свободной фосфорной кислоты.
Сульфоалюминатная коррозия возникает при действии на гидроалюминат цементного камня воды, содержащей сульфатных ионов
(S042”) более 250 мг/л:
ЗСаО • А1203 • 6Н20 + 3CaS04 + 25Н20 -
= ЗСаО • А1203 • 3CaS04 • 31Н20
Образование в порах цементного камня малорастворимого трехсульфатного гидросульфоалюмината кальция (эттрингита) сопровождается увеличением объема примерно в 2 раза. Развивающееся
в порах кристаллизационное давление приводит к растрескиванию
защитного слоя бетона. Вслед за этим происходит коррозия стальной арматуры, усиление растрескивания бетона и разрушение конструкции. С сульфоалюминатной коррозией всегда надо считаться
при строительстве морских сооружений. Вместе с тем могут оказаться агрессивными сточные воды промышленных предприятий, а
также грунтовые воды.
Если в воде содержится сульфат натрия, то вначале с ним реагирует гидрат окиси кальция
Са(ОН)3 + Na2S04 CaS04 + 2NaOH
В последующем идет образование гидросульфоалюмината кальция
вследствие взаимодействия получающегося сульфата кальция и
гидроалюмината.
Для борьбы с сульфоалюминатной коррозией применяется специальный сульфатостойкий портландцемент.
Коррозия под влиянием органических веществ. Органические
кислоты, как и неорганические, быстро разрушают цементный камень. Большой агрессивностью отличаются уксусная, молочная и
винная кислоты. Жирные насыщенные и ненасыщенные кислоты
(олеиновая, стеариновая, пальмитиновая и др.) разрушают цементный камень, так как при действии гидрата окиси кальция они омы-
ляются. Поэтому вредны и масла, содержащие кислоты жирного
ряда: льняное, хлопковое, а также рыбий жир. Нефть, нефтяные
продукты (керосин, бензин, мазут, нефтяные масла) не представляют опасности для бетона, если они не содержат нефтяных кислот
или соединений серы. Однако надо учитывать, что нефтепродукты
легко проникают через бетон. Продукты разгонки каменноугольного дегтя, содержащие фенол, могут агрессивно влиять на бетон.
Щелочная коррозия может происходить в двух формах: под действием концентрированных растворов щелочей на затвердевший цементный камень и под влиянием щелочей, имеющихся в самом цементе. Если бетон насыщается раствором щелочи (едкого натрия
или калия), а затем высыхает, то под влиянием углекислого газа в
порах бетона образуются сода и поташ, которые, кристаллизуясь,
расширяются в объеме и разрушают цементный камень. Сильнее
разрушается от действия сильных щелочей цемент с высоким содержанием алюминатов кальция.
141
--------------- page: 72 -----------
Коррозия, вызываемая щелочами цемента, происходит вследствие процессов, протекающих внутри бетона между его компонентами. В составе цементного клинкера всегда содержится разное количество щелочных соединений. В составе заполнителей для бетона,
в особенности в песке, встречаются реакционно способные модификации кремнезема: опал, халцедон, вулканическое стекло. Они
вступают при обычной температуре в разрушительные для бетона
реакции со щелочами цемента. В результате образуются набухающие студенистые отложения белого цвета на поверхности зерен ре-
акционноспособного заполнителя, появляется сеть трещин, поверхность бетона местами вспучивается и шелушится. Разрушение бетона может происходить через 10—15 лет после окончания
строительства.
§ 7. Технические характеристики портландцемента
и его применение
Характеристики портландцемента можно подразделить на две
группы: 1) минеральный и вещественный составы, тонкость помола,
которые определяют строительно-технические свойства; 2) нормальная густота, сроки схватывания, марка по прочности и другие технические свойства.
Минеральный состав выражает содержание в клинкере (в % по
массе) главных минералов. Применяются расчетный и прямые экспериментальные методы определения минерального состава клинкера. Минеральный состав рассчитывают на основании данных химического анализа, который определяет содержание окислов (в % по
массе).
Прямые экспериментальные методы определения минерального
состава клинкера включают: оптическую и электронную микроскопию, рентгеновский фазовый анализ, микрозондирование (лазерный и ионный микрозонды) и др.
Вещественный состав цемента выражает содержание в цементе
(в % по массе) основных компонентов: клинкера, гипса, минеральных добавок, пластифицирующих и гидрофобизующих добавок; он
приводится в паспорте на цемент.
Допускается введение в цемент при его помоле пластифицирующих или гидрофобизующих поверхностно-активных добавок в количестве не более 0,3% от массы цемента (по согласованию с потре*
бителем).
Тонкость помола цемента оценивается по стандарту путем просеивания предварительно высушенной пробы цемента через сито с
сеткой № 008 (размер ячейки в свету 0,08 мм); тонкость помола
должна быть такой, чтобы через указанное сито проходило не менее
85% массы просеиваемой пробы.
Наряду с ситовым анализом для оценки дисперсности цемента
проводят определение удельной поверхности с помощью специального прибора — поверхностемера. Даже обычный портландцемент М 400 измельчается довольно тонко: остаток на сите с сеткой
№ 008 не превышает 15%. т. е. 85% зерен цемента имеет размер
142
Менее 80 мкм, при этом его удельная поверхность составляет обычно 2500—3000 см2Д\
Плотность портландцемента (без минеральных добавок) составляет 3,05—3,15. Его объемная масса зависит от уплотнения и у рыхлого цемента составляет 1100 кг/м3, у сильно уплотненного — до
1600 кг/м3, в среднем — 1300 кг/м3.
Водопотребность цемента определяется количеством воды (в %
от массы цемента), которое необходимо для получения цементного
теста нормальной густоты. Нормальной густотой цементного теста
считают такую его подвижность, при которой цилиндр — пестик
прибора Вика, погруженный в кольцо, заполненное тестом, не доходит на 5—7 мм до пластинки, на которой установлено кольцо.
Водопотребность портландцемента в пределах от 22 до 28%. При
введении активных минеральных добавок осадочного происхождения (диатомита, трепела, опоки) водопотребность цемента повышается и может достигнуть 32—37%.
Сроки схватывания и равномерность изменения объема цемента
определяют в тесте нормальной густоты.
Сроки схватывания определяют с помощью прибора Вика путем
погружения иглы в тесто нормальной густоты. Началом схватывания считают время, прошедшее от начала затворения до того момента, когда игла не доходит до пластинки на 1—2 мм. Конец схватывания — время от начала затворения до того момента, когда игла
погружается в тесто не более чем на 1—2 мм. Начало схватывания
цемента должно наступать не ранее 45 мин, а конец схватывания —
не позднее 10 ч от начала затворения. Для получения нормальных
сроков схватывания при помоле клинкера на цементном заводе вводят добавку двуводного гипса в количестве до 3,5% (считая
на SO3). Замедление схватывания объясняется отложением на зернах цемента тонких пленок гидросульфоалюмината кальция, образовавшегося при взаимодействии введенного сульфата кальция с
трехкальциевым алюминатом. Эти пленки замедляют диффузию воды к цементным зернам, и скорость их гидратации уменьшается.
Замедлителями схватывания служат также фосфаты, нитраты
калия, натрия и аммония, сахар. Сахар образует с гидроокисью
кальция легко растворимый сахарат кальция, наличие которого увеличивает концентрацию ионов кальция. Поэтому процесс гидролиза
трехкальциевого силиката подавляется, а схватывание происходит
медленнее. При большой добавке сахара бетон не твердеет.
Ускорителями схватывания портландцемента являются карбонаты щелочных металлов и хлориды. Они образуют при взаимодействии с гидроокисью кальция, выделяющейся при гидролизе трехкальциевого силиката, труднорастворимые соединения.
Так действует, например, карбонат натрия
Са(ОН)2 + Na2C03 = СаС03 + 2NaOH
В результате химической реакции образуется малорастворимый
карбонат кальция, гидроокись кальция выводится из сферы реакции и процесс гидролиза трехкальциевого силиката ускоряется.
143
--------------- page: 73 -----------
При введении в бетонную смесь в
зычной дозировке 1—2% от массы цемента хлористый кальций мало влияет на сроки схватывания, но существенно повышает начальную прочность бетона, т. е. действует как ускоритель твердения.
При использовании в качестве противоморозной добавки хлористый
кальций может вводиться в больших количествах, тогда он ускоряет
схватывание, и бетонную смесь рекомендуется затворять на холоде,
чтобы избежать преждевременного загустевания.
Один из методов ускорения процессов схватывания и твердения
заключается во введении добавок, являющихся центрами кристаллизации, например, в виде заранее приготовленного измельченного
гидратированного цемента.
Равномерность изменения объема. Причиной неравномерного
изменения объема цементного камня являются местные деформации, вызываемые расширением свободной СаО и периклаза MgO
вследствие их гидратации. По стандарту изготовленные из теста
нормальной густоты образцы — лепешки через 24 ч предварительного твердения выдерживают в течение 3 ч в кипящей воде. Лепешки не должны деформироваться, не допускаются радиальные трещины.
Активность и марка портландцемента. Активность и марку цемента определяют испытанием стандартных образцов-призм размером 4X4X16 см, изготовленных из цементно-песчаной растворной
смеси* состава 1 :3 (по массе) и В/Ц=0,4, через 28 сут твердения
(первые сутки образцы твердеют в формах во влажном воздухе, а
затем 27 сут — в воде комнатной температуры). Образцы-призмы
сначала испытывают на изгиб, затем получившиеся половинки
призм — на сжатие.
Активностью называют предел прочности при осевом сжатии половинок балочек, испытанных в возрасте 28 сут. В зависимости от
активности с учетом предела прочности при изгибе портландцемента Подразделяют на марки М400, М500, М550 и М600. Требования
к отдельным маркам цементов по прочности при сжатии и изгибе
приведены в табл. 19. У быстротвердеющих портландцементов нормируется не только 28-суточная прочность, но и начальная, 3-суточ-
ная. Цемент, которому присвоен государственный Знак качества,
должен обладать стабильными показателями прочности-при сжатии!
коэффициент вариации прочности для цемента М300 и М400 — не
более 5%, М500, М550 и М600 — не более 3%.
Выделение тепла при твердении. Гидратация цемента сопровож-
дается выделением тепл&ч В тонких бетонных конструкциях тепло
Таблица 19
*
ности должны производиться только на песке, соответствующем ГОСТ 6139—78.
Песок нормальный для испытания цементов — это природный кварцевый песок
Привольского месторождения с зернами округлой формы размером 0,5—0,9 мм;
содержание в нем двуокиси кремния — не менее 98%, примесей глинистых, илистых и пылевидных частиц — не более 1%.
144
Xf)c-f>uc7pzc Ka.UijUp Аес/ qar/ca е*
ht/CC//'
Требования к маркам портландцемента и его разновидностей
(ГОСТ 10178—7в)
Предел прочности при
изгибе, кгс/см* {МПа),
Предел прочности
при сжатии, кгс/см*
Наименование
цемента
Марка
цемента
в возрасте, сут
(МПа), в возрасте, сут
3
28
3
28
Портландцемент
и портландцемент с
минеральными добавками
Быстротвердею-
щий портландце
мент
Шлакопортланд-
цемент
Быстротвердею-
щий шлаке
ландцемент
400
_
55(5,5)
500
— I
60(6,0)
550
— 1
62(6,2)
600
—
65(6,5)
400
40(4)
55(5,5)
500
45(4,5)
60(6,0)
300
45(4,5)
400
55(5,5)
500
60(6,0)
400
35(3,5)
55(5,5)
250(25)
280(28)
200(20)
400(40)
500(50)
550(55)
600(60)
400(40)
500(50)
300(30)
400(40)
500(50)
400(40)
гидратации быстро рассеивается и не вызывает существенного разогрева бетона. Однако тепловыделение внутренней части массивной конструкции может ловысить его температуру на 40°С и более
по отношению к температуре бетонной смеси при укладке. Снаружи
массив остывает быстрее, чем внутри, возникают температурные
напряжения, которые нередко являются причиной появления трещин в бетоне. Чтобы избежать растрескивания, стремятся использовать низкотермичные цементы, снижают расход цемента в бетоне,
а в случае необходимости применяют искусственное охлаждение
массива.
Не всегда тепловыделение, играет отрицательную роль. Например, при бетонировании конструкций в холодное время года по способу термоса выделяющееся тепло способствует поддержанию положительной температуры бетона, оно также полезно при изготовлении сборных железобетонных изделий методом горячего формования.
Термохимические свойства портландцемента зависят от минерального состава клинкера и тонкости помола. Данные о тепловыделении клинкерных минералов приведены в табл. 20 (по данным
С. Д. Окорокова и др.).
Из табл. 20 видно, что трехкальциевый алюминат и алит отличаются быстрым и высоким тепловыделением, наоборот, белит ма-
лотермичен и выделяет тепло очень медленно. Следовательно, снизить экзотермию портландцемента можно, уменьшая содержание
СзА и C3S и соответственно повышая количество C2S и C4AF. Уве-
145
--------------- page: 74 -----------
Таблица 20
Теплота гидратации клинкерных минералов, Дж/г
Минерал
Срок твердения через
3 сут
7 сут
28 сут
3 мес
6 мес
3CaOSiO,
406
461
486
519
566
2CaOSiOs
63
106
168
197
230
ЗСа0А1,03
591
662
876
930
1026
4СаО • А1203 • Fe303
176
252
377
, 415
личение тонкости помола портландцемента усиливает тепловыделение, особенно в начале твердения (в первые 1—7 сут). Поэтому для
бетонирования массивных конструкций применяют портландцемент
с ограниченным содержанием алита (40—50%) и трехкальциевого
алюмината (до 7%) и умеренной тонкостью помола (средняя удельная поверхность 2500—3000 см2/г).
Интенсивность роста прочности и тепловыделения портландцемента зависят от одних и тех же факторов — все мероприятия, ускоряющие гидратацию цемента, вызывают увеличение тепловыделения и возрастание прочности. Это позволяет использовать для
приближенной оценки тепловыделения эмпирические формулы,
связывающие тепловыделение и прочностную характеристику цемента, например, в следующем виде:
Q, = kRf,
где Qi — тепловыделение цемента за первые 7 сут, Дж/г; k — коэффициент; /?7 — 7-суточная активность цемента.
Правила приемки цементов установлены ГОСТ 22236—76. Цемент отгружают и принимают партиями. Размер партии устанавливают в пределах от 300 до 4000 т в зависимости от годовой мощности цементного завода. Завод производит паспортизацию цемента и
назначает его марку на основании данных текущего контроля производства. В паспорте указывается: полное название цемента, его
гарантированная марка, вид и количество добавки, нормальная густота цементного теста, средняя активность цемента при пропаривании. Для проверки качества отгружаемой продукции поставщик
производит физические и механические испытания цемента, определяя его прочность в возрасте 3 и 28 сут. По требованию потребителя поставщик сообщает потребителю результаты физико-механических и химических исиытаний цемента в 10-дневный срок после
их окончания.
Цемент отгружают навалом или в бумажных пятислойных или
шестислойных клапанных мешках; массу мешка указывают на упаковке.
При транспортировании и хранении цемент должен защищаться
от воздействия влаги и загрязнения. Цементы хранят раздельно по
видам и маркам, смешивание разных цементов не допускается.
146
Глава 24
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ ЦЕМЕНТА
Для получения портландцемента с заданными специальными
свойствами используют следующие основные пути: 1) регулирование минерального состава и структуры цементного клинкера, оказывающее решающее влияние на все строительно-технические свойства цемента; 2) введение минеральных и органических добавок, позволяющих направленно изменять свойства вяжущего, экономить
клинкер, уменьшать расход цемента в бетоне; 3) регулирование
тонкости помола и зернового состава цемента, влияющих на скорость твердения, активность, тепловыделение и другие свойства цемента.
§ 1. Быстротвердеющий портландцемент
Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) — портландцемент
с минеральными добавками, отличающийся повышенной прочностью через 3 сут твердения. Количество трехкальциевого силиката и трехкальциевого алюмината в клинкере — обычно не менее
60—65%. Помол БТЦ производится более тонко до удельной поверхности 3500—4000 см2/г (вместо 2800—3000 см2/г для обычного
портландцемента). Это ускоряет твердение цемента. БТЦ выпускают М400 и 500 с нормативными показателями прочности, указанными в табл. 19.
БТЦ применяется в производстве сборных железобетонных конструкций, а также при зимних бетонных работах. Следует иметь в
виду повышенное тепловыделение БТЦ, которое исключает его применение для массивных конструкций. БТЦ с повышенным содержанием трехкальциевого алюмината непригоден для бетона, подвергающегося сульфоалюминатной коррозии.
§ 2. Сульфатостойкий портландцемент
Сульфатостойкие цементы изготовляют на основе клинкера нормированного минерального состава и применяют для изготовления
бетонных и железобетонных конструкций, обладающих коррозионной стойкостью при воздействии сред, агрессивных по содержанию
в них сульфатов.
ГОСТ 22266—76 подразделяет эти цементы по вещественному
составу на следующие виды: сульфатостойкий портландцемент
М400, сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками М400 и М500, сульфатостойкий шлакопортландцемент М.300 и
М400, пуццолановый портландцемент М300 и М400.
Клинкер, применяемый для получения цементов, по расчетному
минеральному составу должен соответствовать требованиям, указанным в табл. 21.
Содержание добавок в цементах в зависимости от их вида нормируется требованиями табл.22.
147
--------------- page: 75 -----------
Минеральный состав клинкера. % по массе, не более Таблща 21
Наименование минера/
Содержание трехкальциевого силиката (3Ca0Si02)
Содержание трехкальциевого алюмината (ЗСа0А1203)
Сумма трехкальцневого
алюмината (ЗСа0-А120„) и
четырехкальциевого алюмо-
феррита (4СаО• А1203• Fe203)
Содержание окиси магния
№gO)
50
5
22
Клинкер для производства
сульфатостойкого
портландцемента
сульфатостойкого порт
ландцемента <
минеральными!
добавками
сульфатостойкого шла*
копортланд-
цемента
пуццолано-
вого портландцемента
5
22
Не нормируется
8
Не нормируется
Вещественный состав сульфатостойких цементов ТаблиНа Я
Наименование цемента
Содержание добавок, % от массы цемента
Гранулированный
доменный или элек-
тротермофосфорный
шлак
Осадочного
происхожде- Прочие (включил (кроме чая глиежи)
глиежа)
Сульфатостойкий портландцемент
Сульфатостойкий портландцемент
с минеральными добавками
Сульфатостойкий шлакопортланд-
цемент
Пуццолановый портлан^ цемент
Не
10—20
21—60
допускается
5 10 Не допускается
20-30 25-40
Сульфатостойкий портландцемент предназначается не только
для изготовления бетонов, подвергающихся действию сульфатной
коррозии, но и для бетонов повышенной морозостойкости. Сульфа-
тостойкость и морозостойкость обеспечиваются прежде всего пониженным содержанием трехкальциевого алюмината в клинкере (не
более 5%). Кроме того, при помоле никаких минеральных добавок,
кроме гипса, не вводится, однако возможно введение пластифицирующих или гидрофобизующих веществ, повышающих морозостойкость.
§ 3. Портландцементу о органическими добавками
В современной технологии бетона широко применяют поверхностно-активные вещества, вводимые в малых дозах (0,05—0,3%
от массы цемента) в бетонные и растворные смеси при их изготовлении и добавляемые в цемент при помоле клинкера.
1 ДЯ
Поверхностно-активные добавки пластифицируют бетонные и
растворные смеси, что позволяет улучшать их удобоукладывае-
мость, либо снижают количество воды затворения (сохраняя удо-
боукладываемость) и расход цемента на 10—20%. Оставляя же количество цемента неизменным, достигают снижения пористости бетона, повышения его морозостойкости и водонепроницаемости.
Типичные поверхностно-активные добавки можно разделить на
четыре группы: гидрофилизующие, гидрофобизующие, воздухововлекающие и комплексные.
К гидрофилизующим добавкам относится сульфитно-дрожжевая
бражка (СДБ), получаемая из сульфитных щелоков, образующихся при сульфитной варке целлюлозы. Поэтому СДБ представляет
собой в основном кальциевую соль лигносульфоновой кислоты —
лигносульфонат кальция. При адсорбции цементом лигносульфо-
нат кальция гидрофилизирует частицы цемента, т. е. улучшает
их смачивание водой. Одновременно ослабляются силы взаимного
сцепления между частицами вяжущего. В результате этого добавка
СДБ повышает пластичность цементного теста и подвижность бетонных смесей.
К гидрофобизующим добавкам относят мылонафт, асидол, асидол-мылонафт, синтетические жирные кислоты и их соли и кремнийорганические жидкости (ГКЖ-Ю, ГКЖ-И, ГКЖ-94).
Мылонафт представляет собой натриевое мыло нафтеновых кислот. Общая формула нафтеновых кислот СпНгп-t СООН, где п изменяется от 8 до 13. Источником получения нафтеновых кислот служат щелочные отходы, образующиеся при очистке продуктов перегонки нефти (бензина и др.) щелочью. Из них получают технические нафтеновые кислоты, известные под названием асидол и асидол-мылонафт. Синтетические жирные кислоты изготовляют путем
окисления парафина. Можно применять в качестве добавки как синтетические жирные кислоты, так и кубовые остатки, полученные
при производстве этих кислот.
Молекулы нафтеновых кислот и их солей состоят из полярной
группы (СООН или COONa) и углеводородного радикала. Эти молекулы адсорбируются на частицах цемента так, что их углеводородные радикалы обращены наружу. Они не смачиваются водой и
придают цементу гидрофобные свойства. Своеобразным «смазочным» действием тонких ориентированных пленок М. И. Хигерович
объясняет увеличение подвижности бетонных смесей. Жидкости
ГКЖ-Ю и ГКЖ-Н представляют собой водно-спиртовые растворы
метил- и этилсиликоната натрия, способные смешиваться с водой в
любых соотношениях. Кремнийорганическая жидкость ГКЖ-94 —
продукт гидролиза этилдихлорсилана; ГКЖ-94 обычно применяют
в виде водной эмульсии.
Из добавок микропенообразователей наиболее известны абиетат
натрия и омыленный древесный пек. Абиетат натрия получают путем омыления канифоли едким натром (поэтому его называют смолой нейтрализованной, воздухововлекающей — сокращенно СНВ).
Омыленный древесный пек представляет нейтрализованные ще-
149
--------------- page: 76 -----------
лочью смоляные кислоты древесного пека хвойных пород. Микропенообразователи образуют при перемешивании бетонной смеси пену,
вовлекая воздух, т. е. действуют как воздухововлекающие добавки.
Комплексные добавки, получившие широкое распространение,
обычно состоят из гидрофилизуюших и гидрофобизующих поверхностно-активных веществ. Они сочетают высокий пластифицирующий эффект с гидрофобизующим действием на цементы и бетоны.
Пластифицированный портландцемент изготовляют путем введения при помоле клинкера около 0,25% СДБ (считая на сухое вещество). Он отличается от обычного портландцемента способностью придавать растворным и бетонным смесям повышенную подвижность. Пластифицирующий эффект используется для
уменьшения водоцементного отношения и повышения плотности,
морозостойкости и водонепроницаемости бетона. Если же сохранить В/Ц, то можно снизить расход цемента (примерно на 10—
15%) без ухудшения качества бетона.
Гидрофобный портландцемент получают, вводя при помоле
клинкера 0,1—0,2% мылонафта, асидола, синтетических жирных
кислот, их кубовых остатков и других гидрофобизующих веществ.
Он обладает пониженной (по сравнению с обычным цементом) гигроскопичностью, лучше сохраняет свою активность при хранении и
перевозках. Гидрофобный портландцемент пластифицирует бетонные и растворные смеси, повышает морозостойкость и водонепроницаемость бетона.
§ 4. Портландцементу о минеральными добавками
Активными минеральными добавками называют природные или
искусственные вещества, которые при смешении в тонкоизмельчен-
ном виде с воздушной известью и затворении водой образуют тесто,
способное после твердения на воздухе продолжать твердеть и под
водой.
Активные минеральные добавки (называемые иначе гидравлическими добавками) содержат двуокись кремния в аморфном, а следовательно, в химически активном состоянии и способны поэтому
взаимодействовать с гидратом окиси кальция, образуя гидросиликаты кальция.
Активные минеральные добавки могут быть природными (естественными) и искусственными. В качестве природных активных добавок широко используют горные породы (диатомит, трепел, опоку,
горелые глинистые породы — глиежи), а также породы вулканического происхождения (вулканический пепел, туф, пемзу, витрофир,
трасс). Искусственные активные минеральные добавки представляют собой побочные продукты и отходы промышленности: быстроох-
лажденные (гранулированные) доменные шлаки; белитовый (нефелиновый) шлам — отход глиноземного производства, содержащий в своем составе до 80% минерала белита (двукальциевого
силиката); зола-унос — отход, получившийся при сжигании твер-
150
дого топлива в пылевидном состоянии и улавливаемый электрофильтрами и другими устройствами.
Использование отходов промышленности, в частности, для выпуска вяжущих веществ имеет большое народнохозяйственное значение.
Активная минеральная добавка химически связывает растворимый в воде гидрат окиси кальция, выделяющийся при твердении
портландцемента, при этом повышается плотность цементного камня, возрастает его сопротивление коррозии. Поэтому активные минеральные добавки применяют для повышения плотности, водостойкости и солестойкости бетонов и растворов. Некоторые из них
используются для приготовления жароупорных бетонов и растворов
на портландцементе.
Портландцемент с минеральной добавкой содержит активную
минеральную добавку в количестве 10—20% (от массы цемента),
имеет те же марки, что и портландцемент (табл. 19), и близок к нему по другим свойствам.
Пуццолановый портландцемент изготовляют путем совместного
помола клинкера и активной минеральной добавки с необходимым
количеством гипса. Добавок осадочного происхождения (диатомита, трепела, опоки) должно быть не менее 20 и не более 30%, а вулканических добавок (пемзы, туфа), а также глиежа или топливной
золы — не менее 25 и не более 40%. Активная минеральная добавка
вначале адсорбирует, а затем химически связывает гидрат окиси
кальция, образующийся при взаимодействии алита с водой;
ш Са(ОН)г -f- S1O2 (акт) ~h п НгО —у (0,8 — 1,5) СаО • Si02 • р НаО
В результате этого процесса, происходящего во влажных условиях и при положительной температуре, растворимый гидрат окиси
кальция связывается в практически нерастворимый гидросиликат
кальция. Вследствие этого значительно возрастает стойкость бетона
в отношении выщелачивания Са(ОН)2. Пуццолановый портландцемент следует применять для бетонов, постоянно находящихся во
влажных условиях (подводные и подземные части сооружений).
На воздухе бетон на пуццолановом портландцементе дает большую
усадку и в сухих условиях частично теряет прочность, что объясняется «выветриванием» воды из гидратных соединений. Кроме того,
бетоны на этом цементе имеют низкую морозостойкость и не годятся для сооружений, подвергающихся замораживанию и оттаиванию. Пуццолановый портландцемент твердеет в нормальных условиях медленнее, чем портландцемент. Поэтому его не следует применять при зимних бетонных работах.
Пуццолановый портландцемент обладает сравнительно небольшим тепловыделением и часто применяется для бетонов внутренних
частей массивных сооружений (плотин, шлюзов и т. п.).
Д1лакопортландцемент —^гидравлическое вяжущее вещество,
твердеющее в воде и на воздухе. Он получается путем совместного
тонкого помола клинкера и гранулированного доменного (или
электротермофосфорного) шлака с необходимым количеством гип-
151
--------------- page: 77 -----------
са. Допускается раздельный помол компонентов и их последующее
смешение. Количество доменного шлака в шлакопортландцементе
должно быть не менее 21 и не более 60% (от массы цемента). Допускается замена до 10% шлака трепелом или другой активной минеральной добавкой.
Доменные шлаки по своему химическому составу напоминают
цементный клинкер. В них преобладают окислы: 30—50% СаО;
28—30% Si02; 8—24% АЬ03; 1—3% МпО; 1—18% MgO, общее содержание которых достигает 90—95%. Гидравлическая активность
шлаков характеризуется модулями основности (М0) и активности
(Ма).
Модуль основности представляет отношение содержащихся в
шлаке основных окислов (в %) к сумме кислотных Окислов:
М % СаО + % %0
0 % SiOa + % А12Оэ
В зависимости от модуля основности различают основные шлаки, у которых М0^1, и кислые, имеющие М0<1. Более активные —:
основные шлаки.
Гидравлическая активность доменных шлаков возрастает при
увеличении модуля активности, определяемого по формуле
Ala = AlgCySiCV
Шлак, применяемый в качестве добавки к цементу, обязательно
подвергается быстрому охлаждению водой или паром. Эта операция называется грануляцией, так как в процессе быстрого охлаждения шлаковый расплав распадается на отдельные зерна (гранулы).
Быстрое охлаждение препятствует кристаллизации шлака, и он получается в стеклообразном и тонкозернистом химически активном
состоянии. Поэтому гранулированный шлак является активным
компонентом шлакопортландцемента, он взаимодействует с гидратом окиси кальция с образованием низкоосновных гидросиликата
(Ca0-Si02-2,5H20) и гидроалюмината (2СаО- АЬОз-вНгО) кальция. Процесс твердения шлакопортландцемента значительно ускоряется при тепловлажностной обработке, поэтому его эффективно
применять в сборных изделиях, изготовляемых с пропариванием. |
Незначительное содержание в цементном камне Са(ОН)2 повьь
шает стойкость шлакопортландцемента в мягких и сульфатных во<
дах по сравнению с портландцементом. Тепловыделение при твердении шлакопортландцемента в 2—2,5 меньше, чем у портландцемента, поэтому он является самым подходящим цементом для бетону
массивных конструкций. Шлакопортландцемент выгодно отличает-!
ся от пуццоланового портландцемента умеренной водопотреб-,
ностью, более высокой воздухостойкостыо и морозостойкостью.
Он успешно применяется как для надземных, так и подземных и
подводных частей сооружений. Стоимость его на 15—20% ниже
стоимости портландцемента.
Жаростойкость шлакопортландцемента значительно выше, чем
у портландцемента, поэтому он широко используется для изготовле-.
152
ния жаростойких бетонов. Однако шлакопортландцементу присущ
тот же недостаток, что и пуццолановому портландцементу — он
медленно набирает прочность в первое время твердения, в особенности при пониженных температурах. Этот недостаток устраняется
в быстротвердеющем шлакопортландцементе, который обладает более интенсивным нарастанием прочности, чем обычный шлакопортландцемент. Обычный шлакопортландцемент имеет марки: М300,
М400 и М500.
Быстротвердеющий шлакопортландцемент М400 за 3 сут твердения должен приобрести прочность при сжатии не менее 200 кгс/см2
(20 МПа), при изгибе — не менее 35 кгс/см2 (3,5 МПа). Этот вид
цемента эффективно применять в производстве бетонных и железобетонных изделий, изготовляемых с применением тепловлажностной обработки.
§ 5. Белый и цветные портландцементу
Клинкер белого цемента изготовляют из чистых известняков и
белых глин, почти не содержащих окислов железа и марганца, которые придают обычному портландцементу зеленовато-серый цвет.
Обжигают сырьевую смесь на беззольном (газовом) топливе. При
помоле клинкера предохраняют цемент от попадания в него частиц
железа.
В качестве эталона для определения степени белизны применяют молочное матовое стекло типа MC-I4 с коэффициентом отражения не менее 95%. Согласно ГОСТ 965—78 степень белизны, определяемая коэффициентом отражения (в %) абсолютной шкалы,
должна быть для белого портландцемента 1-го сорта — не ниже
80%, 2-го сорта — 75%, 3-го сорта —68%; цемент выпускают М400
и М500.
Цветные декоративные портландцементы получают, примешивая к белому цементу щелочестойкие пигменты (охру и др.).
§ 6. Тампонажный портландцемент
Тампонажный портландцемент изготовляют измельчением клинкера, гипса и добавок. Он предназначен для цементирования нефтяных и газовых скважин. Цемент для холодных скважин испытывают при температуре 22±2°С, для горячих скважин — при 75±
±3°С. Основная прочностная характеристика цемента — предел
прочности при изгибе образцов-балочек размером 4X4X16 см, изготовленных из цементного теста с В/Ц = 0,5. ГОСТ 1581—78 предусматривает выпуск специальных разновидностей тампонажного
портландцемента: утяжеленного, песчанистого, солестойкого, низкогигроскопичного.
§ 7. Глиноземистый цемент
Глиноземистый цемент — быстротвердеющее и высокопрочное
гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения клинкера, содержащего преимущественно низкооснов-
153
--------------- page: 78 -----------
ные алюминаны кальция. Однокальциевый алюминат СаО-АЬОзоп-г
ределяет быстрое твердение и другие свойства глиноземистого цемента. В сравнительно небольших количествах в нем также содерт
жатся другие алюминаты кальция, например СаО-2А12Оз. Влияние
на качество цемента оказывает алюмосиликат кальция — геленит
2СаО • А120з-Si02. Силикаты кальция представлены небольшим количеством белита.
Для получения клинкера глиноземистого цемента в качестве
главных компонентов сырьевой смеси берут известняк СаС03 и
породы, содержащие глинозем (А120з-пН20), например бокситы.
Сырьевую смесь подвергают спеканию (при температуре окола
1300°С) или плавлению (при 1400°С), при этом в результате химических реакций, проходящих между составными частями сырьевой
смеси, получают глиноземистый клинкер. Этот клинкер размалывается труднее, чем клинкер портландцемента: на операцию помола
затрачивается больше электроэнергии, мелющих тел и т. д. Кроме
того, сами бокситы представляют ценное сырье, используемое для
производства алюминия. Эти и другие обстоятельства повышают
стоимость глиноземистого цемента, ограничивают его выпуск.
Сырьевая база для выпуска глиноземистого цемента может быть
расширена путем использования некоторых отходов промышленности, содержащих в своем составе глинозем. В СССР разработан
способ производства глиноземистого цемента путем плавки в доменной печи бокситовой железной руды с добавкой известняка и
железного лома. При этом доменная печь одновременно выдает чугун и шлак, представляющий клинкер глиноземистого цемента.
Глиноземистый цемент обладает высокой прочностью только в
том случае, если он твердеет при умеренных температурах, не свыше 25°С. Поэтому глиноземистый цемент нельзя применять для бетонирования массивных конструкций из-за разогрева бетона, а также подвергать тепловлажностной обработке.
При обычных температурах (до 25°С) в процессе твердения глиноземистого цемента образуется высокопрочное вещество — двухкальциевый гидроалюминат
2 (СаО • А1а03) + 11Н20 = 2СаО • А1203 • 8Н20 + 2А1(ОН)3
Двухкальциевый гидроалюминат выделяется в виде пластинчатых гексагональных кристаллов, а гидроокись алюминия представляет гелевидную массу.
Если же температура бетона превысит 25—30°С, то наблюдается переход двухкальциевого гидроалюмината в кубический трехкальциевый гидроалюминат (ЗСа0-А120з-6Н20), который сопровождается возникновением внутренних напряжений в цементном
камне и понижением прочности бетона почти в два раза.
Замечательным свойством глиноземистого цемента является его
необычно быстрое твердение. Марки глиноземистого цемента, определяемые по результатам испытания образцов 3-суточного возраста
М400, М500 и М600. Как известно, портландцемент приобретает такую прочность только через 28 сут нормального твердения,
164
Таблица 23
Показатели прочности глиноземистого цемента
Марка глиноземистого цемента
Предел прочности прн сжатии, кгс/см2
(МПа), не менее
1 сут
3 сут
400
230(23)
400(40)
500
280(28)
500(50)
600
330(33)
600(60)
Из табл. 23 видно, что уже через 1 сут глиноземистый цемент приобретает высокую прочность.
При столь быстром твердении глиноземистый цемент обладает
нормальными сроками схватывания, почти такими же, как и портландцемент. Начало схватывания глиноземистого цемента должно
наступать не ранее 30 мин (у портландцемента не ранее 45 мин), а
конец — не позднее 12 ч от начала затворения.
Тепловыделение глиноземистого цемента при твердении примерно в 1,5 раза больше, чем у портландцемента.
В продуктах гидратации глиноземистого цемента не содержится
гидрата окиси кальция и трехкальциевого шестиводного гидроалюмината (если температура твердения не превышает 25°С), поэтому
бетон на глиноземистом цементе более стоек по сравнению с портландцементом против выщелачивания Са(ОН)2, а также в растворах сульфата кальция и магния (в частности, в морской воде). Однако затвердевший глиноземистый цемент разрушается в растворах кислот и щелочей, поэтому глиноземистый цемент нельзя смешивать с портландцементом и известью.
С учетом специфических свойств и высокой стоимости глиноземистый цемент предназначается для получения быстротвердею-
щих, а также жаростойких бетонов и растворов. Кроме того,
глиноземистый цемент используется для получения расширяющихся цементов.
§ 8. Расширяющиеся и безусадочные цементы
Расширяющиеся цементы относятся к числу смешанных,
иногда многокомпонентных цементов. Изучались различные расширяющиеся компоненты, однако наиболее эффективным оказался трехсульфатный гидросульфоалюминат кальция
3Ca0-Al203-3CaS04-31H20. Состав цемента дает возможность регулировать количество и скорость образования кристаллов гидросульфоалюмината кальция и избежать появления вредных напряжений, вызывающих растрескивание затвердевшего цементного
камня.
Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) является
быстросхватывающимся и быстротвердеющим гидравлическим вяжущим. Он получается путем тщательного смешивания глиноземи-
155
--------------- page: 79 -----------
стого цемента (■— 70%), гипса (~20%) и молотого специально;
изготовленного высокоосновного гидроалюмината кальция (10%).|
Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент — быстротвердею-
щее гидравлическое вяжущее, получаемое совместным тонким измельчанием высокоглиноземистых клинкера или шлака и природного двуводного гипса или тщательным смешиванием тех же материалов, измельченных раздельно. Гипсоглиноземистый цемент обладает свойством расширения при твердении в воде; при твердении
на воздухе он проявляет безусадочные свойства.
Расширяющийся портландцемент (РГТЦ) является гидравлическим вяжущим веществом, получаемым совместным тонким измельчением следующих компонентов (в % по массе): портландцемент-
ного клинкера — 58—63, глиноземистого шлака или клинкера —
5—7, гипса — 7—10, доменного гранулированного шлака или другой активной минеральной добавки — 23—28. РПЦ отличается
быстрым твердением в условиях кратковременного пропаривания,
высокой плотностью и водонепроницаемостью цементного камня и
способностью расширяться в водных условиях и на воздухе при
постоянном увлажнении в течение первых 3 сут.
Напрягающий цемент (разработан В. В. Михайловым), затворенный водой, сначала твердеет и набирает прочность, затем расширяется как твердое тело и напрягает железобетон. Самонапря-
женный железобетон применен в напорных трубах, в монолитных и
сборных резервуарах для воды, для цементно-бетонных покрытий
аэродромов, в спортивных и подземных сооружениях.
Глава 25
ГИПСОВЫЕ И ДРУГИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА
§ 1. Виды гипсовых вяжущих веществ
Гипсовые вяжущие вещества — это воздушные вяжущие, состоящие в основном из полуводного гипса или ангидрита и получаемые
тепловой обработкой сырья и помолом.
Сырьем для получения гипсовых вяжущих чаще всего служит
горная порода гипс, состоящая преимущественно из минерала гипса CaS04-2H20. Используют и ангидрит CaS04, отходы промышленности (фосфогипс — от переработки природных фосфатов в
суперфосфат, борогипс и др.).
Гипсовые вяжущие вещества подразделяются в зависимости от
температуры тепловой обработки на две группы: низкообжиговые
и высокообжиговые.
Низкообжиговые гипсовые вяжущие получают тепловой обработкой природного гипса при низких температурах (110—180°С).
Они состоят в основном из полуводного гипса, так как дегидратация сырья при указанных температурах приводит к превращению
двуводного гипса в полугидрит СаБО^-О.бНгО.
156
К низкообжиговым гипсовым вяжущим веществам относятся:
строительный, формовочный и высокопрочный гипс.
Строительный гипс изготовляют низкотемпературным обжигом
гипсовой породы (гипсового камня) в варочных котлах или печах.
В первом случае гипсовый камень сначала размалывают, а потом
в виде порошка нагревают в котлах. Имеются промышленные установки, в которых совмещены помол и обжиг. При обжиге в незамкнутом пространстве вода выделяется и удаляется в виде пара.
Строительный гипс состоит в основном из кристаллов р-модпфи-
кации СаБОгО.бЬЦО, содержит также некоторое количество ангидрита (CaS04) и частицы неразложившегося сырья (CaS04-2H20).
По срокам схватывания гипсовые вяжущие делят на три группы:
А — быстросхватывающиеся (2—15 мин)*, Б — нормально схватывающиеся (6—30 мин) и В — медленно схватывающиеся (начало
схватывания не ранее 20 мин). Предел прочности стандартных образцов, изготовленных из гипсового теста нормальной густоты, через 2 ч должен соответствовать данным, приведенным в табл. 24.
Таблица 24
Прочностные характеристики строительного гипса
Марки
Показатели прочности
Г-5
Г-6
Г-7
При
При
сжатии, МПа, не менее,
изгибе, МПа, не менее
5,0
2,5
6,0
3,0
7,0
3,5
Примечание. ГОСТ 125—79 разделяет все гипсовые вяжущие по прочности на 12 марок: от Г-2 До Г-25.
Высокопрочный гипс получают термической обработкой высокосортного гипсового камня в герметичных аппаратах под давлением
пара. Он состоит в основном из a-модификации полуводного сульфата кальция, более активной, чем (3-модификации. Поэтому прочность высокопрочного гипса при сжатии 15—25 МПа значительно
превышает прочность строительного гипса. Из него изготовляют
элементы стен и сборных перегородок, камни для стен.
Формовочный гипс состоит в основном из p-модификации полу-
гидрата. Он содержит незначительное количество примесей и тонко
размалывается. Применяют в керамической и фарфоро-фаянсовой
промышленности для изготовления форм.
Высокообжиговые гипсовые вяжущие вещества изготовляют путем обжига гипсового камня при высоких температурах 600—
900°С, поэтому они состоят преимущественно из ангидрида CaSO^,
который частично подвергается термической диссоциации с образованием СаО. Небольшое количество окиси кальция в составе вяжущего играет роль активизатора процесса химического взаимо* В скобках показаны начало и конец схватывания.
157
--------------- page: 80 -----------
действия ангидритового вяжущего с водой. Можно получить ангидритовое вяжущее и без обжига (по способу П. П. Будникова *)
помолом природного ангидрита с активизаторами твердения (известью, обожженным доломитом и т. п.).
Высокообжиговый гипс (в отличие от строительного гипса)
медленно схватывается и твердеет, но его водостойкость и прочность при сжатии выше—10—20 МПа. Поэтому его применяют
при устройстве бесшовных полов, в растворах для штукатурки и
кладки, для изготовления «искусственного мрамора».
§ 2. Твердение и применение гипсовых вяжущих веществ
При твердении строительного гипса происходит химическая реакция присоединения воды и образования двуводного сульфата
кальция:
CaS04 • 0,5 НгО + 1,5 НгО =CaS04 • 2Н20
При гидратации 1 кг p-полугидрата выделяется 133 кДж тепла.
Поскольку растворимость полугидрата в воде 8 г/л (считая на
CaSOO, а двугидрата —2 г/л, то вскоре после затворения строительного гипса водой создаются условия для образования в пересыщенном растворе зародышей кристаллов двугидрата. Схватывание (загустевание) гипсового теста начинается с образования
рыхлой пространственной коагуляционной структуры, в которой
кристаллики двугидрата связаны слабыми ван-дер-ваальсовыми
силами молекулярного сцепления. После схватывания происходит
твердение, обусловленное ростом кристаллов новой фазы, их
срастанием и образованием кристаллизационной структуры. Свеже-
изготовленные гипсовые изделия сушат (при температуре 60—
70°С), что повышает прочность контактов срастания кристаллов и
самих изделий вследствие удаления пленочной воды. Можно обойтись и без сушки, если уменьшить количество воды затворения за
счет введения в гипсовые растворы и бетоны пластифицирующих
добавок и применения интенсивного уплотнения.
Гипсовые вяжущие применяют для изготовления гипсовых деталей и гипсобетонных изделий — перегородочных панелей, сухой
штукатурки и т. п., а также для приготовления штукатурных растворов (внутренней штукатурки) и получения гипсоцементнопуццо-
лановых вяжущих (ГЦПВ). Нередко при применении быстросхва-
тывающегося гипса требуется замедлить схватывание. С этой
целью в воду затворения добавляют животный клей или СДБ, которые адсорбируются на частицах гипса и образуют адсорбционную пленку, затрудняющую растворение полугидрата и начало его
схватывания. В процессе твердения гипсовый раствор немного
увеличивается в объеме, что благоприятствует изготовлению архитектурных деталей способом литья.
*
Герой Социалистического Труда, выдающийся ученый в области химии и технологии силикатов, педагог и общественный деятель.
158
§ 3. Гипсоцементнопуц'долановые вяжущие
Гипсоцементнопуццолановые вяжущие (ГЦПВ), предложенные
А. В. Волженским, получают, смешивая полуводный гипс (50—
75%), портландцемент (15—25%) и активную минеральную добавку (10—25%) по массе — трепел, диатомит и т. п. Эти вяжущие
относят к числу гидравлических и применяют в заводском производстве санитарно-технических кабин, стеновых панелей и других
конструкций.
Активная минеральная добавка необходима для обеспечения
стабильности затвердевшего вяжущего. Портландцемент с гипсом
не рекомендуется смешивать, так как получается неустойчивый материал, деформирующийся и разрушающийся вследствие образования высокосульфатной формы гидросульфоалюмината кальция, кристаллизующегося с 31—32 молекулами воды'и значительным увеличением объема. Когда же свободной извести в жидкой фазе немного
(СаО связывается добавкой в гидросиликаты кальция), то получается низкоосновный гидросульфоалюминат кальция без заметного
увеличения объема. Добавка как бы ослабляет внутренние напряжения в цементном камне ГЦПВ и обеспечивает устойчивость его
во времени.
§ 4. Магнезиальные вяжущие вещества
Магнезиальные вяжущие вещества — каустический магнезит и
каустический доломит — тонкие порошки, главной составной частью
которых является окись магния. Магнезиальное вяжущее получают
путем умеренного обжига (при температуре 750—850°С) магнезита
(реже доломита): MgC03 = Mg0+С02.
Магнезиальное вяжущее чаще всего затворяют водным раствором хлористого магния (или других магнезиальных солей). Это ускоряет твердение и значительно повышает прочность, так как наряду с гидратацией окиси магния происходит образование гидрохлорида магния 3Mg0-MgCl2-6H20. При затворении же водой окись
магния гидратируется очень медленно.
Магнезиальное вяжущее относят к воздушным вяжущим веществам. Оно отличается высокой прочностью, достигающей при сжатии
600—1000 кгс/см2 (60—100 МПа), хорошо сцепляется с деревом,
поэтому его можно применять для изготовления фибролита и маг-
незиально-опилочных (ксилолитовых) полов — монолитных и плиточных.
§ 5. Жидкое стеклэ и кислотоупорный кварцевый цемент
Жидкое стекло представляет собой коллоидный водный раствор
силиката натрия или силиката калия, имеющий желтый или коричневый: цвет, плотность 1,3—1,5 при содержании воды 50—70%.
Состав щелочных силикатов выражается формулой R^O-mSiOz,
где R — это Na или К; т — модуль жидкого стекла: у натриевого
15&
--------------- page: 81 -----------
стекла m = 2,5—3, у калиевого т = 3—4. Это стекло варят из кварцевого песка и соды в стеклоплавильных печах, как обычное стекло, и когда расплав застывает, образуются твердые прозрачные куски. Жидкое стекло получают, растворяя раздробленные куски в воде при повышенной температуре и давлении 0,6—0,7 МПа.
Натриевое жидкое стекло применяют для изготовления кислотоупорных и Жароупорных бетонов, для уплотнения грунтов. Калиевое стекло, более дорогое, применяют преимущественно в силикатных красках.
Жидкое стекло относят к воздушным вяжущим веществам.
Силикаты натрия и калия в воде подвергаются гидролизу:
Na2Si03 + ЗН20 = 2NaOH + Si02 • 2НаО
Выделяющийся гель кремневой кислоты Si0l2-2H20 обладает вяжущими свойствами, а водный раствор имеет щелочную реакцию.
Для ускорения твердения жидкого стекла к нему добавляют кремнефтористый натрий Na2SiF6, ускоряющий выпадение геля кремневой кислоты и гидролиз жидкого стекла.
Кислотоупорный кварцевый цемент — это порошкообразный материал, получаемый путем совместного помола чистого кварцевого
песка и кремнефтористого натрия (возможно смешение раздельно
измельченных компонентов). Кварцевый песок можно заменить в
кислотоупорном цементе порошком бештаунита или андезита. Кислотоупорный цемент затворяют водным раствором жидкого стекла,
которое и является вяжущим веществом. Сам же порошок вяжущими свойствами не обладает.
Кислотоупорный цемент применяют для изготовления кислотостойки х растворов и бетонов, замазок. При этом берут кислотостойкие заполнители: кварцевый песок, гранит, андезит и т. п.
Глава 26
РАЗВИТИЕ ПРОИЗВОДСТВА ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ
Производство цемента в СССР за 1950—1975 гг. возросло в
12
предусмотрено увеличение производства цемента на 18,3% по сравнению с 1975 г. С 1962 г. СССР занимает первое место в мире по
объему производства цемента. Неуклонно возрастает средняя мар^
ка цемента и увеличивается выпуск цемента высоких марок. Средняя марка цемента составляла: в 1975 г. — 359, в 1977 г. — 405, в
1980 г. — 415 (по плану).
Существенно улучшается ассортимент цементов, производство
быстротвердеющих портландцемента и шлакопортландцемента.
Экономия от применения 1 т БТЦ М600 по сравнению с М400 составляет 2,5—3 руб. вследствие сокращения расхода цемента и
ускорения производственного цикла изготовления железобетонных
160
изделий. При этом заводская себестоимость железобетонных изделий при применении БТЦ снижается на 1,54—2,4 руб/м3.
Выпуск цемента М500 и выше возрастет с 22,8 до 30 млн. т
(в 1,3 раза), выпуск портландцемента М600 достигнет 1 млн. т.
Повышение марки на одну ступень (100) эквивалентно экономии
10—15% цемента в бетоне.
Введение гидрофобно-пластифицирующих добавок придает специальные свойства цементам и позволяет снизить расход цемента
на 1 м3 бетона на 10—15%; эти же добавки являются интенсифика-
торами процесса помола клинкера и снижают расход электроэнергии на помол.
Возрастет выпуск чисто клинкерного портландцемента, а ввод
минеральных добавок в цемент снизится с 23 до 18%.
Производство строительной извести увеличилось за период с
1940 до 1975 г. в 3 раза. Потребность в извести возрастет в связи
с развитием производства силикатного кирпича и силикатных бетонов автоклавного твердения. Экономически целесообразно повышение сортности извести и увеличение выпуска молотой и гидрат-
ной извести (пушонки), а также молотой извести с добавками.
Производство гипсовых вяжущих в 1975 г. составило 4,9 млн. т,
причем 98% падает на строительный гипс. Выпуск высокопрочного
гипса (он составляет около 2%) должен быть увеличен.
Потребуется существенно увеличить также производство местных бесклинкерных смешанных вяжущих: известково-шлаковых,
сульфатно-шлаковых, известково-зольных и других для применения в бетонах М200 и ниже, в ячеистых бетонах и строительных
растворах. Это даст значительную экономию топлива, электроэнергии и расхода цементов М300 и М400. Высокая экономическая эффективность капитальных вложений в производство местных вяжущих видна из данных табл. 25.
Таблица 25
Технико-экономические показатели производства различных
вяжущих для бетонов М200 (по Я. А. Рекитару)
Прочность на сжатие,
кгс/см*
У дельный
расход
Удель-
Вид вяжущего
нормальные условия
пропаривание
запарка
в автоклаве
топлива,
кДж/т
элек-
тро-
энер-
гии,
кВт-ч/т
Себестоимость,
%
капитальные
вложе-
ння, %
Портландцемент
Шлакопортландце-
400
300
400
300
420
375
8232
7602
85
77
100
82
100
79
Мент
Бесклинкерное шлаковое вяжущее
100—200
150—250
300—400
1512
53
45—50
33
6—664
--------------- page: 82 -----------
РАЗДЕЛ V
БЕТОНЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ НИХ
Глава 27
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ'
Бетон на неорганических вяжущих веществах представляет собой искусственный каменный материал, получаемый в результате
формования и твердения правильно подобранной бетонной смеси,
состоящей из вяжущего вещества, воды, заполнителей и специальных добавок.
Состав бетонной смеси должен обеспечить бетону к определенному сроку заданные свойства (прочность, морозостойкость, водонепроницаемость и др.).
По виду вяжущего выделяют бетоны: 1) цементные (наиболее
распространенные), 2) силикатные (на известково-кремнеземистом
вяжущем), 3) на гипсовом вяжущем, 4) на смешанных вяжущих.
(цементно-известковых, известково-шлаковых и т. п.), 5) на специальных вяжущих (неорганических и органических), применяемые
при наличии особых требований (жаростойкости, химической стой--
кости и др.).
По виду заполнителя различают бетоны: 1) на плотных заполнителях, 2) на пористых заполнителях, 3) на специальных заполнителях, удовлетворяющих специальным требованиям (защиты от излучений, жаростойкости, химической стойкости и т. п.).
В правильно подобранной бетонной смеси расход цемента составляет 8—15%, а заполнителей— 80—85% (по массе). Поэтому в
виде заполнителей применяют местные каменные материалы: песок,
гравий, щебень, а также побочные продукты промышленности (например, дробленые и гранулированные металлургические шлаки),
характеризующиеся сравнительно невысоким уровнем издержек
производства.
В зависимости от объемной массы различают бетоны: 1) особо
тяжелые — объемной массой более 2500 кг/м3, изготовляемые на
особо тяжелых заполнителях (из магнетита, барита, чугунного
скрапа и др.); эти бетоны применяют для специальных защитных
конструкций; 2) тяжелые — объемной массой 2200—2500 кг/м3 на,
песке, гравии или щебне из тяжелых горных пород; применяют во
всех несущих конструкциях; 3) облегченные — объемной массой
1800—2200 кг/м3; их применяют преимущественно в несущих конструкциях; 4) легкие — объемной массой 500—1800 кг/м3; к ним
относятся: а) легкие бетоны на пористых природных и искусственных заполнителях; б) ячеистые бетоны (газобетон и пенобетон) из.
смеси вяжущего, воды, тонкодисперсного кремнеземистого компо162
нента и порообразователя; в) крупнопористые (беспесчаные) бетоны на плотном или пористом крупном заполнителе без мелкого заполнителя; 5) особо легкие (ячеистые и на пористых заполнителях) — объемной массой менее 500 кг/м3, используемые в качестве
теплоизоляции.
Легкие бетоны менее теплопроводны по сравнению с тяжелыми,
поэтому их применяют преимущественно в наружных ограждающих
конструкциях. В несущих конструкциях используют более плотные
и прочные легкие бетоны (на пористых заполнителях и ячеистые)
объемной массой 1200—1800 кг/м3.
Следовательно, объемная масса бетонов изменяется в широких
пределах: от 300—500 до 2500—3600 кг/м3 и более. Поэтому и пористость бетонов может быть очень большой — 70—85% у ячеистых теплоизоляционных бетонов и незначительной — 8—10% у плотных гидротехнических бетонов.
Бетон является главным строительным материалом, который
применяют во всех областях строительства. Технико-экономическими преимуществами бетона и железобетона являются: низкий уровень затрат на изготовление конструкций в связи с применением
местного сырья, возможность применения в сборных и монолитных
конструкциях различного вида и назначения, полная механизация
и автоматизация приготовления бетона и производства сборных
конструкций. Бетонная смесь при надлежащей обработке позволяет
формовать изделия оптимальной формы с точки зрения строительной механики и архитектуры. Бетон долговечен и огнестоек, его
объемную массу, прочность и другие характеристики можно изменять в широких пределах и получать материал с заданными свойствами. Недостатком бетона, как любого каменного материала, является низкая прочность на растяжение, которая в 10—15 раз ниже
прочности на сжатие. Этот недостаток устраняется в железобетоне,
когда растягивающие напряжения воспринимает арматура. Близость коэффициентов температурного расширения и прочное сцепление обеспечивают совместную работу бетона и стальной арматуры в железобетоне, как единого целого. В силу этих преимуществ
бетоны различных видов и железобетонные конструкции из них
являются основой индустриального строительства,
Г лава 28
СВОЙСТВА БЕТОННОЙ СМЕСИ
§ 1. Реологические свойства бетонной смеси
Бетонной смесью называют рационально составленную и тщательно перемешанную смесь компонентов бетона до начала процессов схватывания и твердения. Состав бетонной смеси определяют,
исходя из требований к самой смеси и к бетону.
Состав бетонной смеси обозначают в виде расхода материалов
на 1 м3 уплотненной смеси, например: цемента (Ц) —300 кг; воды
6*
--------------- page: 83 -----------
(В) — 180 кг; мелкого заполнителя (песка) (П) —600 кг; крупного
заполнителя (К) (щебня или гравия) — 1200 кг; смеси — 2280 кг/м3.
При изготовлении бетонной смеси материалы дозируют по массе автоматическими дозаторами. Можно обозначить состав бетонной смеси в виде соотношения по массе (реже по объему, что менее
точно) между количествами цемента, мелкого и крупного заполнителя с обязательным указанием водоцементного отношения. Количество цемента принимают за единицу, поэтому соотношение по
массе между составными частями в приведенном выше примере
будет 1:2:4 при В/Ц=0,6 (в общем виде 1 :П:К при определенном В/Ц).
По своему строению бетонная смесь представляет единое физическое тело, в котором частицы вяжущего, вода и зерна заполнителя связаны внутренними силами
взаимодействия. Основной структурообразующей составляющей в
бетонной смеси является цементное тесто. По мере развития процесса гидратации цемента возрастает дисперсность частиц
твердой фазы и увеличивается
клеющая и связующая способность цементного теста.
Независимо от вида бетона бетонная смесь должна удовлетворять двум главным требованиям: 1) обладать хорошей удобоукла-
дываемостью, соответствующей применяемому способу уплотнения
и 2) сохранять при транспортировании и укладке однородность,
достигнутую при приготовлении.
При действии возрастающего усилия бетонная смесь вначале
претерпевает упругие деформации, когда же преодолена структурная прочность, она течет подобно вязкой жидкости. Поэтому бетонную смесь называют упруго-пластично-вязким телом, обладающим
свойствами твердого тела и истинной жидкости.
Реологическая модель бетонной смеси (рис. 56), отражающая ее
основные свойства, включает упругий элемент (пружину с модулем
упругости Е)\ сила трения между массой и столом характеризует
предельное напряжение сдвига (to, Па), а поршень, двигающийся в
вязкой жидкости, изображает вязкое сопротивление сдвигу (г] — динамическая вязкость, Па-с). При постепенном возрастании напряжения а вначале включается упругий элемент и при сг<То упругая
деформация равна а/£; после преодоления предельного напряжения
сдвига при напряжениях а>т0 бетонная смесь течет подобно вязкой
жидкости и неупругая деформация за время t равна [(а—То)^]/г].
Таким образом, реологическое уравнение, связывающее а и е,
включает упругую и неупругую составляющие полной деформации:
—/'МЛ-
Рис. 56. Реологическая модель бетонной смеси
Рассмотренная реологическая модель дает представление о физических свойствах бетонной смеси, проявляющихся при ее уплотнении. Если подвергать бетонную смесь механическим воздействиям
(например, вибрированию), то взаимодействие между твердыми
частицами цемента и заполнителя нарушается, и бетонная смесь
утрачивает структурную прочность, т. е. то приближается к нулю.
При этом бетонная смесь ведет себя как тяжелая вязкая жидкость,
хорошо заполняющая форму. Свойство бетонной смеси разжижаться при механических воздействиях и вновь загустевать в спокойном
состоянии называется тиксотропией.
§ 2. Технические свойства бетонной смеси
При изготовлении железобетонных изделий и бетонировании
монолитных конструкций самым важным свойством бетонной смеси является удобоукладываемость (или удобоформуемость), т. е.
способность заполнять форму при данном способе уплотнения, сохраняя свою однородность. Для оценки удобоукладываемости используют три показателя: 1) подвижность бетонной смеси, являющуюся характеристикой структурной прочности смеси; 2) жесткость
(Ж), являющуюся показателем динамической вязкости бетонной
смеси; 3) связность, характеризуемую водоотделением бетонной
смеси после ее отстаивания.
Л
J
1Ш11
=3 EEi
Рис. 57. Определение удобоукладываемости бетонной смеси:
а — прибор (конУс) для определения подвижности бетонной смеси^
/ — жесткая смесь; 2 — подвижная смесь; 3 — осадка конуса; б — общий вид прибора для определения жесткости бетонной смеси: 4 — схема испытания
165
--------------- page: 84 -----------
Технические свойства бетонной смеси, определяемые доступными практическими методами и выражаемые в условных единицах,
косвенно характеризуют ее реологические свойства.
Подвижность бетонной смеси характеризуют измеряемой осадкой (в см) конуса (ОК), отформованного из бетонной смеси, подлежащей испытанию (рис. 57,а). Конус № 1 применяют для бетонных смесей с наибольшей крупностью зерен заполнителя до 40 мм
включительно; конус № 2 (табл. 26) —для смесей с заполнителем
наибольшей крупностью 70 и 100 мм.
Таблица 26
Внутренние размеры, мм, конуса для определения
подвижности бетонной смеси
Размеры конуса
Конус Ml 1
Конус № 2
Диаметры оснований:
верхнего
100
150
нижнего
200
300
Высота
300
450
Подвижность бетонной смеси вычисляют как среднее двух определений, выполненных из одной пробы смеси.
Если осадка конуса равна нулю, то удобоукладываемость бетонной смеси характеризуется жесткостью.
Жесткость бетонной смеси характеризуют временем (в с) вибрирования, необходимым для выравнивания и уплотнения предварительно отформованного конуса бетонной смеси в приборе для
определения жесткости (рис. 57, б). Цилиндрическое кольцо прибора (его внутренний диаметр 240 мм, высота 200 мм) устанавливают и жестко закрепляют на лабораторной виброплощадке. В кольцо
вставляют и закрепляют стандартный конус, который заполняют
бетонной смесью в установленном порядке и после этого снимают.
Диск прибора с помощью штатива опускают на поверхность отформованного конуса бетонной смеси (рис. 57, б). Затем одновременно
включают виброплощадку и секундомер; вибрирование производят
до тех пор, пока не начнется выделение цементного теста из отверстий диска (диск диаметром 230 мм, шесть отверстий диаметром
5
ром 190 мм). Время виброуплотнения (в с) и характеризует жесткость бетонной смеси. Ее вычисляют как среднее двух определений,
выполненных из одной пробы смеси.
Применяют жесткие, подвижные и литые (текучие) бетонные
смеси (табл. 27).
Показатели удобоукладываемости бетонной смеси назначают
в зависимости от типа конструкции, ее размеров, густоты армирования и применяемого способа изготовления (табл. 28).
Связность бетонной смеси обусловливает однородность строения
и свойств бетона. Очень важно сохранить однородность бетонной
166
Таблица 27
Бетонная смесь
Показатель удобоукладаваемости
(по ГОСТ 10181-76)
Жесткость, с
Подвижность, см
13 и более
0
Особо жесткая
5—12
0
Жесткая
Менее 5
2—4
Малоподвижная
4—12
Подвижная
12 и более
Литая
Примечание. Классификация бетонных смесей приведена в
водством по подбору составов тяжелого бетона*. М., 1979, с. 14.
Удобоукладываемость бетонной смеси
Таблица 28
Конструкции и способ изготовления
Жесткость, с
(по ГОСТ 10181—76)
Сборные железобетонные, формуемые с
немедленной распалубкой
Цементно-бетонные дорожные и аэродромные покрытия
Массивные, слабо армированные
Железобетонные колонны, ригели, балки , плиты
Железобетонные с густо расположенной арматурой
Элементы для объемно-сборного домостроения
Железобетонные, сильно насыщенные
арматурой (стены АЭС и т. п.)
смеси при перевозке, укладке в
форму и уплотнении. При уплотнении подвижных бетонных смесей происходит сближение составляющих ее зерен, при этом
часть воды отжимается вверх.
Вода обтекает зерна заполнителя и стержни арматуры, образуя
капиллярные ходы, повышающие
водопроницаемость и понижающие морозостойкость бетона. Избыточная вода скапливается под
зернами крупного заполнителя,
образуя полости, ухудшающие
строение и свойства бетона.
На рис. 58 схематически показан
20—10
10—6
6—4
4 и менее
Менее 2
Подвижность» см
о
1—2
2—4
4—8
8—10
12—18
18—24
Рис. 58. Схема расслоения бетонной
смеси:
а — в процессе уплотнения; б — после уплотнения: 1 — направление, по которому
отжимается вода; 2 •— вода; 3 — мелкий
заполнитель; 4 — крупный заполнитель
167
--------------- page: 85 -----------
процесс расслоения бетонной смеси. Большое значение для предотвращения расслоения имеет правильное определение количества
мелкого заполнителя — песка, который заполняет крупные пустоты,
имеющиеся между зернами щебня (гравия), а также повышает
вязкость цементного теста.
Уменьшение количества воды затворения при применении пластифицирующих добавок и повышение водоудерживающей способности бетонной смеси путем правильного подбора зернового состава
заполнителей являются главными мерами борьбы с расслоением
подвижных бетонных смесей.
§ 3. Факторы, определяющие удобоукладываемость
бетонной смеси
Количество воды затворения является основным фактором, определяющим удобоукладываемость бетонной смеси. Вода затворения (В, кг/м3) распределяется между цементным тестом (Вц) и заполнителем (Взап) :В = ВЦ+В3ап. Количество воды в цементном тесте определяет его реологические свойства: предельное напряжение
сдвига и вязкость, а следовательно, и технические свойства бетонной смеси — подвижность и жесткость.
Адсорбционная способность (или водопотребность) заполнителя
Взап является его важной технологической характеристикой; она
возрастает с увеличением суммарной поверхности зерен заполнителя и поэтому велика у
мелких песков.
Для обеспечения требуемой
прочности бетона величина водоцементного отношения должна сохраняться постоянной, поэтому возрастание водопотреб-
ности вызывает перерасход цемента. При мелких песках он
достигает 15—25%, поэтому
мелкие пески следует применять после обогащения крупным природным или дробленым песком и с пластифицирующими добавками, снижающими водопотребность.
При определении состава
бетона учитывают, что количество воды (на 1 м3бетона), необходимое для получения из
данных материалов бетонной
смеси требуемой подвижности,
является более или менее постоянной величиной, если раса)
Рис. 59. Водопотребность В бетонной
смеси, приготовленной с применением
портландцемента, песка средней крупности и гравия наибольшей крупности:
а — подвижные смеси; б — жесткие смеси; / —
70 мм; 2 — 40 мм; 3— 20 мм; 4 — 10 мм
168
ход вяжущего находится в пре-
делах от 200 до 400 кг/м3. Поэтому количество воды затворения
определяют, исходя из требуемых
показателей удобоукладываемос-
ти, пользуясь таблицами и графиками, составленными на основании практических данных с учетом вида и крупности заполнителя (рис. 59).
Удобоукладываемость бетонной смеси зависит как от вязкости, так и от объема теста вяжущего вещества.
Объем цементного теста.
В подвижной бетонной смеси
плотной структуры цементное тесто заполняет пустоты в заполнителе и образует «смазочные» слои
на поверхности его зерен, снижающие внутреннее трение. Из
рис. 60 видно, что наименьший
расход теста вяжущего на заполнение пустот соответствует минимальной пустотности смеси мелкого и крупного заполнителей, а
на обмазку зерен расходуется
теста тем больше, чем выше доля
песка в смеси заполнителей, т. е.
чем больше поверхность зерен.
Следовательно, имеется оптимальное соотношение между пес-
"
Is 1
!§
Si
3
I
А
^ 1
■ 1
щебень)
Дтя мелкого заполнителя
V смеси зопмнителей
MffM+tt)
Рис. 60. Объем цементного теста Уц.т, расходуемый:
/ — на заполнение пустот между
зернами заполнителя; 2 — на обмазку зерен; 3 — интегральный; М
н К — соответственно масса мелкого и крупного заполнителей
Рис. 61, Структура бетонной смеси
(по Б. Г, Скрамтаеву);
а — жесткой; б — подвижной
nvwx XX
тором потребный объем теста вяжущего получается минимальным (см. кривую 3 на рис. 60)’.
Объем цементного раствора. На рис. 61 приведены типичные
структуры плотной бетонной смеси. Если в бетонной смеси заполнить цементным раствором только пустоты между зернами крупного заполнителя, то получится очень жесткая бетонная смесь (рис.
61, а). Для придания подвижности необходимо раздвинуть зерна
крупного заполнителя и окружить их оболочкой из растворной
смеси, которая играет роль смазки, скрепляющей после отвердевания зерна камневидной составляющей бетона (рис. 61, б). Следовательно, объем растворной части бетона следует принимать равным
„ „nvnnniu чяпплнителе, умноженному на коэффици-
cfli раоди/jw.. 4
1,5 — для подвижных смесей.
Пластификация бетонных смесей осуществляется с помощью химических веществ (см. гл. 24): гидрофилизующих — СДБ, гидро-
169
--------------- page: 86 -----------
фобизующих — мылонафт и др., микропенообразующих — омыленный древесный пек и т. п. и комплексных добавок. Разработаны
новые химические добавки — суперпластификаторы, весьма значительно повышающие подвижность бетонной смеси.
Суперпластификаторы в большинстве случаев представляют собой синтетические полимеры: производные меламиновой смолы или
нафталинсульфокислоты; другие добавки (СПД, ОП-7 и др.) получены на основе вторичных продуктов химического синтеза. Суперпластификаторы, вводимые в бетонную смесь в количестве 0,15—
1,2% от массы цемента, разжижают бетонную смесь в большей степени, чем обычные пластификаторы:
Количество добавки, %
0
0,2
0,5
0,8
Подвижность бетонной смеси, см
1
4
12
16
Пластифицирующий эффект сохраняется в течение 1—1,5 ч после введения добавки, а через 2—3 ч он уже невелик. В щелочной
среде эти добавки переходят в другие вещества, безвредные для бетона и не снижающие его прочности.
Суперпластификаторы позволяют применять литьевой способ
изготовления железобетонных изделий и бетонирования конструкций с использованием бетононасосов и трубного транспорта бетонной смеси. С другой стороны, эти добавки дают возможность существенно снизить В/Ц, сохраняя подвижность смеси, и изготовлять
высокопрочные бетоны.
Глава 29
СТРОЕНИЕ БЕТОНА
§ 1. Формирование структуры бетона
После уплотнения бетонной смеси в результате гидратации цемента формируется структура бетона. В начальный период, называемый периодом формирования структуры, происходит медленное
упрочнение свежеуложенной бетонной смеси, обусловленное образованием пересыщенного раствора новообразований и выделением
их из раствора. К концу периода формирования структуры количество новообразований возрастает, частицы продуктов реакций
сближаются и создаются условия для перехода коагуляционной
структуры в кристаллизационную, вызывающую резкое возрастание прочности.
По 11. А. Ребиндеру, сначала образуется как бы каркас кристаллизационной структуры с возникновением контактов срастания
между кристаллами новообразований, потом — обрастание кристалликов каркаса, вызывающее противоречивые явления: повышено
ние прочности и вместе с этим возникновение внутренних растягивающих напряжений в кристаллическом' сростке. Достигнув значительных величин, эти напряжения могут явиться причиной появления
микротрещин в цементном камне и внезапного понижения
(сброса) прочности. Поэтому экспериментальная кривая нарастания прочности бетона имеет пилообразный вид. Сбросы прочности
бетона, если они имеют место, не должны быть большими и не
должны отрицательно сказываться на проектной несущей способности конструкции.
Продолжительность периода формирования структуры, а также
пластическая прочность бетонной смеси зависят от ее состава, вида
вяжущего и химических добавок. Жесткие и малоподвижные бетонные смеси, изготовляемые с небольшим В/Ц, после уплотнения имеют короткий период формирования структуры. Применение быстро-
твердеющих цементов и добавок — ускорителей схватывания также
ускоряет формирование структуры. Это имеет важное значение для
технологии, в частности: при формовании изделий с немедленным
снятием бортовой опалубки, при бетонировании конструкций в
скользящей опалубке, для быстрой стабилизации ячеистой структуры газо- и пенобетона.
В случае надобности период формирования структуры можно
продлить путем введения в бетонную смесь при ее изготовлении
замедлителей схватывания. Они помогают сохранить удобоуклады-
ваемость бетонных смесей в случае перевозки на дальние расстояния и в жаркую погоду.
Наряду с химическими добавками широко используют температурный фактор.
§ 2. Понятие о макро- и микроструктуре бетона
Макроструктура определяет сложение бетона как искусственного конгломерата, подобно текстуре горных пород (рис. 62, а).
Объем уплотненной бетонной смеси (примем его равным 1) слагается из объемов: зерен заполнителя V3, цементного теста V4.T и
воздушных пор Vвозд, которые выразим в долях от 1, следовательно,
Vg-b Vц т + Vвозд = 1.
При хорошем уплотнении воздушная пористость близка к нулю
(У возд менее 2—3%), поэтому можно принять, что уплотненная
смесь состоит в основном из двух составных частей — зерен заполнителя и цементного теста: V3+ V4.T= 1.
Поскольку цементное тесто состоит из зерен цемента и воды,
уравнение, выражающее объем плотно уложенной бетонной смеси,
примет вид.
Уэ + Ц/Рц + В = 1,
где рц — плотность цемента, т/м3; Ц и В — соответственно количества цемента, т, и воды, м3, расходуемые на I м3 уплотненной бетонной смеси; ЦД>ц — абсолютный объем цемента.
171
--------------- page: 87 -----------
..ffr
■t:
it
k
6)
Рис. 62. Структура бетона:
a — макроструктура pa-
створной части бетона?
видны зерна песка, сцементированные вяжущим
(Х92); б — номограмма
.структур бетонов; в —
микроструктура цементного камня в бетоне:
крупные кристаллы эт-
трингита, мелкие частицы гндросиликата кальция (Х9690)
I:
Это уравнение называют уравнением абсолютных объемов, так
как в него входят абсолютные объемы заполнителя и цемента.
При расчете состава бетона оно служит для определения сум-
S
~ 1 — Ц/рц — в,
или
Зависимость структуры бетонов слитного строения от В/Ц расходов цемента и воды представлена в виде номограммы* (рис. 62,6).
По горизонтальной оси отложены значения В/Ц цементного теста, по
вертикальной оси — расходы воды в м3 на 1 м3 бетона. В коорди-
Номограмма состзвленз автором с л & &
172
натах (В/Ц, В) каждая наклонная прямая соответствует определенному расходу цемента (в т/м3), так как тангенс угла наклона прямой численно равен расходу цемента tga = B/(B/L[) =Ц. Номограмма имеет вид семейства кривых, встречающихся в начале осей
координат. Верхняя огибающая кривая соответствует цементному
тесту без заполнителя, и ее уравнение получается из уравнения абсолютных объемов при У3=0:
В =
В/Ц
(1/рц + В/Ц)
Каждая гиперболическая кривая соответствует определенной
объемной концентрации заполнителя в бетоне и отвечает уравнению
—
1/Рц+В/Ц
В =
Каждая точка номограммы, полученная при пересечении кривой
и наклонной прямой, соответствует бетону определенного состава.
Например, взятая на номограмме точка А определяет бетон с
В/Ц=0,6, расходами воды и цемента соответственно 0,18 м3/м3 и
0,3 т/м3; макроструктура бетона характеризуется содержанием заполнителя К3 = 0,72 и цементного теста Кц.т = 0,28 м3.
На номограмме выделена (пунктиром) область бетонов, наиболее широко применяемых в строительстве.
Микроструктура характеризует строение твердого вещества
(рис. 62, в), величину и характер пористости каждого из компонентов бетона (цементного камня и заполнителя), а также строение
пограничного (контактного) слоя между ними.
Заполнитель влияет на тесто вяжущего вещества в бетоне и
формирование структуры. На смачивание зерен плотного заполнителя тратится часть воды затворения, и структура цементного камня формируется при меньшем значении В/Ц, чем исходное; еще
-большее количество воды поглощает пористый заполнитель.
При укладке подвижных смесей может происходить внутреннее во-
доотделение, и вода скапливается под зернами
крупного заполнителя,
при этом ослабляется
связь между крупным
заполнителем и растворной частью бетона (рис.
63). Вдоль слабой зоны
развиваются внутренние
усадочные трещины.
Внутреннее расслоение
нарушает монолитность и Рис 63 Влияние
внутреннего водоотделения:
ОДНОРОДНОСТЬ ОеТОНа, ПрИ- а__на структуру бетона; б — на образование внут-
ВОДИТ К аНИЗОТООПИИ Мб- ренних трещин; / — крупный заполнитель; 2—слабая
* «,
ханических СВОЙСТВ. На-
173
--------------- page: 88 -----------
пример, прочность бетона на растяжение в вертикальном направлении (к поверхности бетона) оказалась в 1,7 меньше, чем в горизонтальном.
Вода, смачивающая зерна заполнителя, участвует в формировании контактного слоя.
Контакт между зернами заполнителя и цементным камнем влияет на совместную работу камневидной составляющей и минерального клея под нагрузкой, а также на монолитность и стойкость бетона. Ширина контактной зоны цементного камня колеблется от 30
до 60 мкм. По своему составу и свойствам контактная зона отличается от остального цементного камня. Сращивание зерна заполнителя с цементным камнем связано с миграцией гидрата окиси кальция, получающегося при гидролизе трехкальциевого силиката, к
поверхности зерна. В результате на поверхности заполнителя образуются кристаллы Са(ОН)г и СаС03. Возможно химическое взаимодействие некоторых видов заполнителя с продуктами гидратации
цемента даже при нормальных условиях твердения, усиливающееся
при тепловой обработке. Например, установлено, что на поверхности зерен карбонатного щебня (из известняка) образуются соединения типа карбоалюминатов, которые упрочняют сцепление. Некоторые природные и искусственные пористые заполнители (пемза,
керамзит) содержат свободную аморфную двуокись кремния, реагирующую с Са(ОН)г с образованием гидросиликатов. В условиях
автоклавной обработки даже зерна кварцевого песка вступают во
взаимодействие с Са(ОН)г.
Прочность сцепления между заполнителем и цементным камнем
зависит от природы заполнителя, его пористости, шероховатости и
чистоты поверхности зерен, а также от вида и активности цемента,
водоцементного отношения и условий твердения бетона. У бетонов
на плотных заполнителях она меньше прочности цементного камня
на растяжение.
Поры бетона по местоположению делят на следующие виды:
1) поры в цементном камне ЯЦ.К) подразделяемые на поры геля
Пг, капиллярные Як и образованные вовлеченным воздухом Явозд;
2) поры в заполнителе Я3; 3) межзерновые пустоты Ямз — пространство между зернами заполнителя, не заполненное цементным
тестом.
Общая пористость бетона (Пъ) может быть представлена в виде;
суммы составных ее частей:
Нь — Пр + Пк + Явозд + Яа + Я мз.
Пористость бетона прямо пропорциональна объему цементного'
камня в бетоне и, следовательно, равна произведению пористости
цементного камня на Уц.т. Этим путем получим формулы для вычисления пористости бетона, изготовленного на плотном заполнителе (Я3=0) при плотной укладке бетонной смеси (Ямз=0); воздушная пористость принята равной 2—6%.
174
Пористость
Общая
Капиллярная
Геля
Воздушная
Значения пористости в зависимости от В/Ц, степени гидратации портландцемента (а) и расхода
вяжущего (Ц, т/м8) в долях от объема бетона
Яб=[(В/Ц-0,5 а)4-0,29а]Ц+0,02
Як=(В/Ц-0,5<х)Ц
Яг=0,29яЦ
0,02—0,06
С помощью формул можно определить общую пористость бетона
и расчленить ее на группы. Для этого нужно экспериментально
определить степень гидратации цемента (количественным рентгеновским анализом либо при помощи автоматического прибора —
дериватографа или другим способом). Поэтому данный метод определения групповой пористости бетона называется экспериментально-расчетным.
Например, бетон, изготовленный на плотных заполнителях при расходе води
В=0,18 м8 н цемента Ц=0,3 т на I м* бетона с воздухововлекающей добавкой
(Пвоэд 2,5 %) и твердевший 28 сут в нормальных условиях (степень гидратации
а=0,7), будет иметь следующие характеристики пористости:
общая пористость
Лб = [<0,6-0,5 • 0,7) + 0,29 • 0,710,3 + 0,025 =0,161 <16,1%),
капиллярная
Пн = (0,6 —0,5 • 0,7) 0,3 = 0,075 (7,5%),
пористость геля
Яг = 0,29 ■ 0,7 • 0,3 = 0,061 (6,1%)»
в том числе контракциониый объем
VK = 0,09 • 0,7 • 0,3 = 0,019 (1,9%),
На рис, 64 представлены графики приведенных формул для единичного расхода цемента (Ц=1 т/м5). Общее количество воды, связанной в цементном камне бетона, равное 0,5 аЦ, возрастает в
прямой зависимости от степени гидратации цемента (рис. 64, а).
Связанная вода разделяется примерно поровну: половина ее связана цементом химически и примерно столько же (0,25 аЦ) — физико-химически в порах цементного геля.
Объем пор геля также увеличивается в прямой зависимости от
степени гидратации (рис. 64, б) и достигает максимума при а=1.
Из всей гелевой пористости (0,29 аЦ) можно выделить контракци-
онный объем, равный Яконтр=0,09 аЦ.
Объем капиллярных пор зависит не только от Ц и а, но и от начального ^З/Ц. Сразу после затворения и уплотнения бетонной смеси
объем капиллярных пор равен объему воды затворения; по мере
возрастания количества связанной воды капиллярная пористость
бетона уменьшается и становится наименьшей при полной гидратации цемента. Выше указывалось (см. разд. IV), что капиллярные
поры, образованные несвязанной водой затворения, скапливающейся между агрегатами частиц геля, имеют большой размер (более
175
--------------- page: 89 -----------
1000 А) и сообщаются с окружающей средой. Поэтому они
ухудшают морозостойкость бетона, увеличивают его проницаемость.
Можно определить плотный бетон как монолитный бетон с однородной структурой и с минимальным объемом капиллярных пор
(теоретически он должен быть равен нулю).
Капиллярная пористость бетона, изготовленного с начальным В/Ц^0,5, будет равна нулю при достижении степени гидратации а —2 В/Ц (табл. 24,
рис. 64,в). Бетоны с В/Ц>0,5
всегда имеют капиллярные поры,
если даже а= 1 (рис. 64,в). Вот
почему значение В/Ц принимают
не более 0,4—0,5, если бетон служит в суровых условиях (многократное замораживание при одновременном действии морской
воды и т. п.).
На рис. 64,г общая пористость
бетона представлена в виде суммы капиллярной и гелевой пористости. В бетоне с В/Ц<0,5
(например, В/Ц=0,4) общая пористость достигает наименьшего
значения при а=2 В/Ц (на ломаной АБВ); если же происходит
дальнейшая гидратация цемента,
то пористость бетона растет (линия Б В) вследствие увеличения
количества геля и прироста гелевой пористости.
Снижение водоцементного отношения путем увеличения расхода цемента неэффективно как по
экономическим, так и по техническим соображениям. При возрастании количества цемента
В/Ц уменьшается, но зато увеличивается объем цементного теста,
поэтому капиллярная пористость
,
на сильно возрастает. Гораздо
эффективнее уменьшать' количество воды без ухудшения удобо-
укладываемости путем применения пластифицирующих добавок.
Для уменьшения капиллярной пористости на 1% надо снизить расход воды на 10 л/м3 или увеличить расход цемента на 25—33 кг/м3
в зависимости от степени гидратации цемента.
Степень гидратации цемент
Рнс. 64. Графики, характеризующие распределение воды и изменение пористости бетона в зависимости от степени гидратации цемента а (для единичного расхода
цемента 1 т/м3)
170
Глава 30
ОСНОВНОЙ ЗАКОН ПРОЧНОСТИ БЕТОНА
§ 1. Физический смысл закона прочности бетона
Закон прочности бетона устанавливает зависимость прочности
от качества применяемых материалов и пористости бетона. Прочность вяжущего характеризуется его маркой (Rv), качество заполнителя коэффициентом А, а пористость косвенно определяется величиной водоцементного
отношения В/Ц. Зависимость прочности от В/Ц
является в сущности зависимостью прочности от
объема пор, образованных водой, не вступающей в химическое взаимодействие с цементом.
Исследованиями И. Г.
Малюги и Н. М. Беляева
было установлено, что
прочность плотно уложенного бетона прямо
пропорциональна прочности цемента и обратно
пропорциональна водоцементному отношению.
Теория прочности бетона
обоснована в трудах
Б. Г. Скрамтаева и
Н.
развитие в работах И. Н. Ахвердова, Ю. М. Баженова, О. Я. Берга,
И. А. Рыбьева и других советских ученых.
Кривая зависимости прочности бетона от количества воды за-
творения (при постоянном расходе цемента и способе уплотнения),
приведенная на рис. 65, характеризует физический смысл закона
прочности. Левая ветвь кривой принадлежит недоуплотненным бетонным смесям, слишком жестким для данного способа уплотнения.
При возрастании количества воды затворения, т. е. В/Ц, эти смеси
укладываются плотнее, и прочность бетона повышается. Наконец,
при оптимальном (для данного способа уплотнения) количестве
воды бетон имеет наибольшую плотность и прочность, что соответствует максимуму на кривой прочности. Дальнейшее увеличение
количества воды разжижает бетоннуГо смесь, повышает ее подвижность. Однако добавляемая вода лишь частично связывается вяжущим и поэтому образует в бетоне водяные полости: объем пор в
бетоне возрастает, а прочность бетона понижается соответственно
правой ветви кривой. Таким образом, для каждой смеси имеется
Количество Мы зтёорения, xejM5
Рис. 65. Общая кривая зависимости прочности
бетона от количества воды затворения (при определенном расходе цемента и способе уплотнения) :
а — область недоуплотненных жестких бетонных смесей; б — то же, наибольшей прочности и плотности
бетона; в — то же, подвижных бетонных смесей;
г — то же, литых смесей
177
--------------- page: 90 -----------
оптимальное значение количества воды, которое позволяет получить
при данном способе уплотнения бетон слитного строения с минимальной пористостью, а следовательно, с наибольшей прочностью.
§ 2. Формулы и графики, выражающие зависимость прочности
бетона от основных факторов
Для бетонов, различающихся по расходу цемента, получают ряд
кривых, подобных приведенным на рис. 66. Кривая объединяющая
точки с оптимальными частными значениями В/Ц, выражает общую
зависимость прочности бетона слитного строения от В/Ц. Она представляет гиперболу, отвечающую формуле Н. М. Беляева
где Rg — прочность бетона при сжатии; — активность цемента;
k и п — параметры, зависящие от вида и качества заполнителей;
для тяжелого бетона п=1,5, при щебне /г = 3,5, гравии k=4.
В действительности, как видно из рис. 66, имеется не одна кривая, выражающая зависимость /?б=/(В/Ц), а некоторая полоса,
объединяющая опытные данные с учетом колебания прочности бетона вследствие влияния других факторов (содержания цементного
теста, качества сцепления его с заполнителем, вида и прочности
заполнителя и др.). Обычно цементное тесто заполняет пустоты
между зернами заполнителя и лишь немного их раздвигает (на
величину двух-трех средних диаметров цементных зерен). При таком сближенном («контактном») расположении зерен заполнителя
его свойства будут оказывать заметное влияние на прочность бето-
Рис. 66. Обобщенный график изменения прочности бетона:
а — тяжелый бетон: б — легкий бетон (заполнитель — керамзит); т— объемная
концентрация цементного камня
178
№
1-ж
1
1
1
1
1
1
Y//
'Ж,
1
1
1
1
Ж,
А
1>
1
I
550
Ш
0,5 1 Ц
ЦементноНодное
2 2,5
отношение
3 15
Рис. 67. Зависимость прочности тяжелого бетона от Ц/В при разных марках цемента
на. Поэтому рекомендуется применять для тяжелых бетонов заполнитель с прочностью в 1,5—2 раза больше заданной марки бетона.
При большом содержании цементного теста зерна заполнителя раздвинуты на значительные расстояния, они почти не взаимодействуют друг с другом, поэтому решающее значение будет иметь прочность цементного камня и прочность сцепления его с заполнителем.
Гиперболическую формулу прочности бетона можно преобразовать в более простую формулу Скрамтаева — Бо-
ломея*, если выразить Re
в зависимости от цементноводного отношения. Зависимость прочности бетона от величины Ц/В в
общем виде выражается
довольно сложной кривой. Для практических
целей эту кривую заменяют двумя прямыми и соответственно получают
две формулы: для бетона
с Ц/В = 1,4—2,5 и высокопрочных бетонов с Ц/В>
>2,5 (рис. 67).
Общий вид зависимо-
мости прочности бетона от Ц/В и марки цемента
R0 = ЛЯц (Ц/В ± Ь).
Формулой прочности бетона можно пользоваться только применительно к плотно уложенным бетонам, которые изготовляют из
портландцемента, воды и заполнителей, удовлетворяющих требованиям стандартов.
Для обычных бетонов с Ц/В= 1,4—2,5 формула прочности принимает вид
R6 = ARn (Ц/В — 0,5).
При высококачественных заполнителях (щебень из плотных
изверженных горных пород, крупный песок с минимальным содержанием вредных примесей) А = 0,65; для рядовых заполнителей
Л = 0,6; при применении заполнителей пониженного качества
Л =0,55.
Для высокопрочных бетонов, изготовляемых с Ц/В>2,5, применяется формула
R6 = AlRa(}X/^ + 0,5).
В этой формуле для высококачественных заполнителей Ai = 0,43,
для рядовых Л< =0,4.
' * Борис Григорьевич Скрамтаев (1905—1966) — выдающийся ученый в области вяжущих веществ и б'етонов, известный педагог и общественный деятель.
179
--------------- page: 91 -----------
Можно получить график прочности бетона применительно к тому цементу и тем заполнителям, которые идут на приготовление
бетона. Для этого нужно пронести несложный опыт. Поскольку зависимость марки бетона от Ц/В (в пределах Ц/В=1,4—2,5) изображена отрезком прямой, то для получения графика требуется иметь
две точки, а для этого нужно приготовить и испытать два состава
бетона (например, с Ц/В = 1,4 и Ц/В = 2,5). Полученный график
дает возможность определить величину Ц/В, необходимую для любой заданной марки бетона, при этом определение Ц/В производится более точно, чем по формуле, в особенности, когда применяются
методы ускорения твердения бетона (пропаривание и Др.).
Формулы и графики используют в расчете состава бетона, который проверяют и уточняют с помощью пробного замеса..
Основной закон прочности является общим для материалов с
конгломератной структурой, он распространяется на тяжелые и
легкие бетоны, мелкозернистые бетоны и строительные растворы.
Только параметры А и Ь, входящие в формулу прочности, будут
иметь различные численные значения, зависящие от вида материала и заполнителя.
Глава 31
СВОЙСТВА БЕТОНА
§ 1. Плотность и объемная масса бетона
Плотность бетона определяют не менее чем на трех образцах
одного и того же возраста, изготовленных из одного замеса и твердевших в одинаковых условиях.
Плотности составных частей бетона близки (г/см3): гидратированного цемента — 2,6, кварцевого песка — 2,65, гранитного щебня — около 2,7, керамзитового гравия — 2,6, поэтому плотность бетона в среднем составляет
2,6—2,7 г/см3 (исключение составляет особо тяжелый бетон).
Главным регулятором объемной массы бетона является
заполнитель; воздух, находящийся в макропорах ячеистого
бетона, можно рассматривать'
Рис. 68. Зависимость объемной массы
бетона от объемной массы заполнителя:
/ — особо тяжелый бетон; 2 — тяжелый;
3 — облегченный; 4— легкий на пористых
заполнителях; 5 — ячеистый
180
как своеобразный «сверхлегкий» заполнитель (рис. 68). Применяя
различные виды заполнителя, можно получать объемную массу
бетона в соответствии с требованиями в пределах от 250 до
•5000 кг/м3 и более.
Радиоизотопный метод измерения объемной массы бетонной
смеси и бетона в конструкциях основан на ослаблении или рассеянии взаимодействующего с бетоном гамма-излучения (рис. 69).
Рис. 69. Схемы преобразователей для определения объемной массы бетонной смеси:
a — типа «энлна*; б — Г-образный; в — Т-обрэзныЙ; / — источник излучения; 2— детектор; 3 — регистрирующий прибор
§ 2. Проектные марки бетона
При проектировании бетонных и железобетонных конструкций
назначаются требуемые характеристики бетона, называемые проектными марками. Проектные марки назначаются по прочности, морозостойкости и водонепроницаемости.
За проектную марку бетона по прочности на сжатие М принимают сопротивление осевому сжатию R в кгс/см2 эталонных образцов-кубов, испытанных согласно требованиям ГОСТов.
Проектная марка на осевое сжатие (кубиковая прочность) является основной характеристикой бетона и указывается в проекте
во всех случаях.
За проектную марку бетона по прочности на осевое растяжение
Р принимают сопротивление осевому растяжению Rp в кгс/см2 контрольных образцов, испытанных в соответствии с ГОСТом. Эта марка назначается тогда, когда она имеет главенствующее значение.
Проектная марка бетона по морозостойкости характеризуется
числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы в условиях стандартного испытания. Назначается для бетона, подвергающегося многократному воздействию отрицательных температур.
Проектная марка бетона по водонепроницаемости В характеризуется односторонним гидростатическим давлением в кгс/см2, при
181
--------------- page: 92 -----------
котором образцы бетонале пропускают воду в условиях стандартного испытания. Назначается для бетона, к которому предъявляются требования по плотности и водонепроницаемости.
Проектную марку бетона по прочности на сжатие контролируют
путем испытания стандартных бетонных образцов: для монолитных
конструкций — в возрасте 28 сут, для сборных конструкций — в сроки, установленные для данного вида изделий стандартом или техническими условиями.
Проектную марку бетона монолитных конструкций разрешается
устанавливать при специальном обосновании в возрасте 90 или
180 сут в зависимости от сроков загружения, что позволяет экономить цемент.
Методы определения прочности бетона на сжатие и растяжение
регламентированы ГОСТ 10180—78, который соответствует международному стандарту ИСО 1920—76 и в котором учтены рекомендации СЭВ по стандартизации.
Прочность бетона определяют путем испытания образцов, форма и размеры которых указаны в табл. 29.
Таблица 29
Форма и размеры бетонных образцов
Вид испытания
Форма образца
Геометрические размеры образца,
мм
Определение прочности
на сжатие и на растяжение при раскалывании
Куб
Длина ребра: 70, 100; 150;
200; 300
Цилиндр
Диаметр d: 70, 100, 150,
200; 300
Высота h равна одному диаметру d или двум диаметрам
2d
Определение прочности
на осевое растяжение
Восьмерка (рис.
70, а)
Размер рабочего сечения
средней части:
100x100; 150x150; 200x200
Призма квадратного сечения
100x100x400;
150X150X600;
200X200X800
Цилиндр (рис.
70, в)
Диаметр d: 70, 100, 150;
200; 300
Высота h равна d или 2d
Определение прочности
на растяжение при изгибе
Призма квадратного сечения (рис.
70,6)
100X100X400;
150X150X600;
200X200X800
182
Рис. 70. Определение прочности бетона:
й — восьмерка; б — призма и устройство для испытания ее на
растяжение при иэгнбе: 1 — каток; 2 — качающийся цилиндрический шарнир; 3—шаровой шарнир; 4 —траверса; в —схема
испытаний иа растяжение при раскалывании: J — образец (куб
или цилиндр); 2—плита пресса; 3 — полуцилиндр
--------------- page: 93 -----------
Наименьший размер образца (ребра куба, диаметра цилиндра,
стороны поперечного сечения призмы) принимают в зависимости
от наибольшей крупности заполнителя в пробе бетонной смеси:
Амиб, заполнителя, мм
10 и
менее
20
40
70
100 и более
Н аименьший размер образца, мм
70
100
150
200
300
Образцы изготовляют сериями; серия, как правило, состоит из
грех образцов. Для изготовления контрольных образцов отбирают
пробу бетонной смеси из средней части замеса или порции смеси.
Бетонную смесь уплотняют в формах на лабораторной виброплощадке типа 435А (вертикальные колебания частотой 2900±
±100 кол./мин и амплитуда 0,5±0,05 мм). Изготовленные образцы
хранят не менее 24 ч в формах, покрытых влажной тканью, на воздухе с температурой 20±2°С, затем распалубленные образцы помещают в камеру «нормального твердения», в которой поддерживается относительная влажность воздуха не ниже 95% и температура
20±2°С.
Прочность бетона вычисляют для каждого образца по формулам:
на сжатие
R — k — k •
А — КМ „ Kw>
F
на осевое растяжение
н-а растяжение при раскалывании
^?р.р = kM —^г kw;
на растяжение при изгибе
Rp.n = k м — kw,
ab‘
где R — прочность бетона на сжатие; Rp — прочность бетона на осевое растяжение; Rpp — прочность бетона на растяжение при раскалывании; /?р И — прочность бетона на растяжение при изгибе; Р —
разрушающая нагрузка; F — средняя площадь рабочего сечения образца; a, b, I — соответственно ширина и высота призмы и
расстояние между опорами при испытании образцов на растяжение
при изгибе; kM — масштабный коэффициент прочности бетона; kw —
поправочный коэффициент, учитывающий влажность бетона образца; для всех видов бетона (кроме ячеистого) kw=\, для ячеистого
бетона kw принимают в зависимости от влажности:
184
Влажность по массе, %
0
5
10
15
20
25 и
более
Величина kw
0,8
0,9
| 1,0
| 1,05
| 1,10
1,15
Поскольку образцы могут быть разной формы и размера, показатели прочности приводят к кубиковой прочности базового образца размером 15X15X15 см умножением на масштабный коэффициент (табл. 30).
Таблица 30
Минимальные
значения масштабного коэффициента
Форма и размер образцов. мм
Тяжелый, силикатный, мелкозернистый и конструкционный бетон на пористых заполнителях, а также яче"^
тый бетон объемной массой
400 кг/м* и более
Выпиленные и выбуренные образцы ячеистого
бетона плотностью
400 кг/м3 и более
Кубы С ребром:
70
100
150
200
Цилиндры диаметром и вы
С0Т° 70X140 и 100 X200
150X300
200X400
300X600
70X70
ЮОХЮО
0,85
0,91
1,00
1,05
1,10
1,16
1,20
1,24
1,28
0,90
0,95
1,00
0,90
0,95
ЮОхЮО
Примечание. Для ячеистого бетона плотностью менее 400 кг/м3 масштабный коэффициент для образцов всех размеров и формы принимают равным 1.
Предел прочности при растяжении возрастает при повышении марки бетона по прочности при сжатии (рис. 71), однако увеличение сопротивления растяжению замедляется в
области высокопрочных бетонов. Поэтому прочность бетона
при растяжении составляет
1/10—1/17 предела прочности
при сжатии, а предел прочности при изгибе—1/6—1/10.
й
5
*1“
,?
?
1
^8-
Рис.
71
с
Ю 24 М чи ои
Предел прочности при сжатии, МПа
оетона uyn [/avii.mv
1 — осевое растяжение; 2 — растяжение при
изгибе
186
--------------- page: 94 -----------
§ з. Определение прочности бетона без разрушения
на основе достижений*1бетона РазРабатывают
чаются тем, что не
многократно воспроизведены^ к Гизи^гк^ТерИаЛа И МОгут быть
»еТОВа от„осят импульС1?ый, уль^ГГрезГГн
в)
I
<§■
Скорость распространения ультразвука, м/с
Р«с. я. Определение „р„,„„н
«лЛ?*™
//^^к'люченн^в^электрическую^^т^^^^
«-Рафик корреляционной свяэи
186
метрический. Созданная в СССР аппаратура дает возможность
контролировать прочность, плотность и однородность бетона в конструкциях и изделиях.
При электронно-акустических методах испытаний используют
связь между скоростью распространения упругих волн в бетоне и
его механическими свойствами. Скорость распространения продольных упругих волн v связана с модулем упругости Е и плотностью q
бетона приближенной зависимостью (верной при коэффициенте
Пуассона ц = 0,16—0,25)
v = 1,05 УЁТр.
Наиболее распространены импульсные ультразвуковые приборы
УКБ-1М, «бетон — транзистор» (рис. 72, а, б).
Скорость распространения ультразвука зависит от свойств заполнителя, влажности бетона и ряда других факторов. Поэтому
график (рис. 72, б) корреляционной связи «прочность бетона —
скорость распространения ультразвука» (Rб—и) строят для бетона
определенного состава на данном заполнителе: контрольные бетонные образцы или керны, высверленные из сооружения, прозвучи-
вают ультразвуком, а потом испытывают по стандарту для определения прочности.
Ультразвуковой метод позволяет выявлять качество бетона в
изделиях и конструкциях. Измеряя скорость распространения ультразвука в различных частях конструкции, можно оценить однородность бетона, не прибегая к испытанию бетонных образцов.
Однородность прочности. Бетон должен быть однородным — это
важнейшее техническое и экономическое требование. Для оценки
однородности бетона данной марки используют результаты контрольных испытаний бетонных образцов за определенный период
времени. Имеется в виду, что стандартные образцы твердели в
одинаковых условиях одно и то же время. Прочность бетонных
образцов будет колебаться, отклоняясь от среднего значения в большую и меньшую стороны. На прочности сказываются колебания в
качестве цемента и заполнителей, точность дозирования составляющих, тщательность приготовления бетонной смеси и другие факторы. Чем ближе частные результаты испытания образцов к среднему
значению, тем выше однородность бетона.
Коэффициент вариации прочности бетона v (%) вычисляют по
формуле
v = s/R • 100,
где s — среднее квадратичное отклонение частных результатов испытания от средней прочности R, определяемое по формуле
л = -I/O (R-W .
V п-1
Средняя же прочность равна
R = ZR/n,
137
--------------- page: 95 -----------
где R— предел прочности отдельного образца; п — число испытанных образцов.
В идеальном случае «для абсолютно однородного» бетона s = 0 и
и = 0. Определяют коэффициенты вариации прочности бетона: вну-
трисерийный для партии изделий (vn) и общий за анализируемый
период (uo) продолжительностью 1—2 мес. Неудовлетворительная однородность бетона характеризуется значениями ип>16% и
У(1>20%. На предприятиях с хорошо налаженной технологией значение vq не превышает?—10%.
От коэффициента вариации зависит требуемая марка бетона,
а следовательно, расход цемента в бетоне и его экономические показатели.
Нормативную кубиковую прочность бетона RH принимают по
СНиП II-21—75 равной:
= — 1,64о),
откуда проектная марка бетона М. равна:
При у = 0,07 величина М=1,12У?Н, а при у = 0,14 M=l,3Ra и
расход цемента в бетоне возрастет на 15—20%.
Для повышения однородности бетона необходимо применение
цемента и заполнителей гарантированного качества, повышение
уровня технологической дисциплины, автоматизация производства.
§ 4. Деформативные свойства бетона
Под нагрузкой бетон ведет себя иначе, чем сталь и другие упругие материалы.
Конгломератная структура бетона определяет его поведение при
возрастающей нагрузке осевого сжатия.
Область условно упругой работы бетона — от начала нагружения до напряжения сжатия /?°т, при котором по поверхности сцепления цементного камня с заполнителем образуются микротрещины.
Граница упругой работы бетона соответствует наибольшему сокращению времени прохождения ультразвукового импульса Af
(рис. 73). При дальнейшем нагружении микротрещины образуются
уже в цементном камне и возникают пластические — неупругие деформации бетона. Развитию пластических деформаций способствует также наличие гелевой составляющей в цементном камне. Верхняя граница области развития пластических деформаций Rl соответствует возрастанию величины коэффициента поперечной
деформации до 0,5, т. е. максимального значения, теоретически возможного для сплошного тела. При этом время прохождения ультразвукового импульса приближается к первоначальному значению
для ненагруженного бетона, принятому за условный нуль.
Особенности деформирования бетона под нагрузкой обобщенно
описываются реологической моделью (рис. 74). При нагружении
188
бетона сначала приходит в действие упругий элемент модели — пружина. Когда нагрузка преодолеет трение между пластинками, характеризующее предел упругости R0T, возникают пластические деформации, постепенно нарастающие по мере увеличения напряжения до значения /?* При этом бетон ведет себя как упруго-вязкопластическое тело.
Рис. 74. Упрощенная реологическая
модель бетона:
1 — пружина (упругий элемент); ,2 — пор*
шекь, движущийся в вязкой жидкости н
характеризующий неупругне свойства бетона; 3 — пластинчатый элемент сухого
трения
*М 0 -At
Сокщете Измени прв-
кажкиия дльтразВ^кокго
импульса
Рис. 73. Параметрические точки (границы) областей напряженного состояния бетона:
R°T — граница условно упругой работы бетона; Я* — верхняя граница области развития пластических деформаций; Я°т—
Я*— область микротрещинообразоваиия
Опыты подтвердили, что при небольших напряжениях и кратковременном нагружении для бетона характерна упругая деформация, подобная деформации пружины. Если напряжение превосходит
0,2 от предела прочности, то наблюдается заметная остаточная
(пластическая) деформация (рис.
75), и полную деформацию бетона можно представить как сумму
упругой и пластической деформации (епл + еупр). Поэтому диаграмма деформирования (зависимость напряжения о от относительной деформации е) не прямолинейна, для каждого напряжения существует свой модуль упругости. Условились за начальный
модуль упругости бетона при сжатии и растяжении принимать отношение нормального напряжения к относительной деформации
при величине напряжения не более 0,2 от предела прочности. Таким образом, начальный модуль
189
| .
Оштситьнт дмрормация 6=М/1
Рис. 75. Кривая «напряжение -
формация» бетона
де-
--------------- page: 96 -----------
Рис. 76. Графики зависимости модуля упругости бетона от его марки:
1 — тяжелый бетон; 2 — легкий бетон на пористом заполнителе; 3 — ячеистый бетон
упругости представляет собой тангенс угла наклона
касательной О А и, следовательно, Es=0,2R/eo,2r.
Для других точек кривой,
лежащих за указанной границей, модуль деформаций
является переменной величиной, равной отношению
соответствующего напряжения к полной деформации.
Например, для точки i модуль деформации £,= сг,/
/бполн-
Начальный модуль упругости возрастает при увеличении прочности бетона и,
как видно из рис. 76, зависит
от пористости бетона: увеличение пористости бетона сопровождается снижением модуля упругости. При одинаковой марке по прочности модуль упругости легкого бетона на пористом заполнителе
меньше в 1,7—2,5 раза тяжелого. Еще ниже модуль упругости
ячеистого бетона. Таким образом, упругими свойствами бетона
можно управлять, регулируя его структуру.
Модули упругости бетона при сжатии и растяжении принимают
равными между собой ■ Ест — £р=£б.
Коэффициент упругой поперечной деформации р, (коэффициент
Пуассона) бетона изменяется в довольно узких пределах — 0,13—
0,22 и в среднем равен 0,167.
Между модулями упругости продольной деформации £б и деформации сдвига G существует связь:
G = —^—,
2 (1+ F)
принимают 0 = 0,4£б-
Предельная относительная деформация бетонного бруса связана
с модулем деформации Ее и пределом прочности R при растяжении
(сжатии) соотношением еПред=Я/£б.
Модуль деформаций конструкционных легких бетонов на пористых заполнителях примерно вдвое меньше, чем у равнопрочных
тяжелых бетонов, поэтому предельная сжимаемость легкого бетона
примерно в 1,5—2 раза, а растяжимость в 2—4 раза выше по сравнению с тяжелым бетоном. Повышение предельной деформации
бетона увеличивает его трещиностойкость.
Ползучестью называют явление увеличения деформаций бетона
во времени при действии постоянной статической нагрузки (рис. 77).
Таким образом, полная относительная деформация бетона при длительном действии нагрузки слагается из его начальной («мгновенной») упругой деформации и пластической деформации ползучести.
190
Мерой ползучести служит величина с=еп/а, т. е. относительная
деформация ползучести, отнесенная к единице напряжения.
В области упругой работы бетона ползучесть е„ приблизительно
линейно зависит от упругой деформации ео и, следовательно, характеристика ползучести ф = еп/ео, т. е. равна отношению деформации
ползучести к начальной упругой деформации.
Ползучесть проявляется при
всех видах деформации. По сравнению с ползучестью при сжатии ползучесть при растяжении выше в
среднем в 1,5 раза (опыт С. В. Александровского и В. Я. Багрия), а при
сдвиге — в 2—2,5 раза (опыты Дьюка и Дэвиса).
Ползучесть бетона объясняют
пластическими свойствами влажного цементного геля, а также возникновением и развитием микротрещин при напряжениях, превосходящих R0т. Кроме того, при высоких
напряжениях проявляется пластическая деформация кристаллической
структуры.
Ползучесть зависит от вида цемента и заполнителей, состава бетона, его возраста, условий твердения
и влажности. Меньшая ползучесть Рис-18- Кривые релаксации напря-
наблюдается при применении высо- жений„в бетон“ом бРУс„е ПРИ со°б;
гг
комарочных цементов и плотного деформации (по С. В. Александ-
заполнителя — щебня из извержен-
НЫХ горных пород. Пористый запол- 1. г, 3, 4 — нагружение бетона в воз-
г
нитель усиливает ползучесть, поэто-
му легкие бетоны имеют большую
ползучесть по сравнению с тяжелыми. С увеличением В/Ц ползучесть бетона при прочих равных условиях возрастает, так как цементный гель становится менее вязким, а бетон — более пористым.
При одинаковом В/Ц большая ползучесть наблюдается у бетона
с более высоким содержанием цемента. В бетоне, нагруженном в
раннем возрасте, проявляется гораздо большая ползучесть, чем в
позднем возрасте.
На ползучести сказывается климат: замечено ее усиление в
теплом и сухом воздухе. Преждевременное высыхание бетона ухудшает структуру и увеличивает его ползучесть. Однако насыщение
водой затвердевшего бетона может также вызвать рост ползучести.
Ползучесть обусловливает релаксацию (уменьшение) напряжений в бетоне при сообщенных ему вынужденных деформациях.
На рис. 78 приведены кривые релаксации напряжений в бетонном
брусе, характеризующие постепенное снижение напряжений в бето-
100 200 ш Ш 500 800
рремя, сут.
Рис. 77. Развитие ползучести
бетона во времени
I
I
а
к
Г/ Vf
ГП //,
0 2 5 20 30 W
Возраст Ьетна к моменту нагружения, суш
191
--------------- page: 97 -----------
не при сообщенной ему постоянной единичной относительной деформации (по С. В. Александровскому).
Однако ползучесть и связанная с ней релаксация напряжений
может играть и отрицательную роль. Например, ползучесть бетона
приводит к потере натяжения в предварительно напряженных железобетонных конструкциях.
§ 5. Усадка и набухание бетона
При твердении на воздухе происходит усадка бетона, т. е. бетон
сжимается и линейные размеры бетонных элементов сокращаются.
Усадка слагается из влажностной, карбонизационной и контракци-
онной составляющих. Как показали исследования А. Е. Шейкина и
С. В. Александровского, испарение воды из цементного геля сопровождается сближением его частиц и является причиной влажностной усадки. В этом смысле усадку бетона можно назвать «укорочением» от высыхания. Карбонизация содержащегося в цементном
камне гидрата окиси кальция с переходом его в углекислый кальций также вызывает усадку, особенно заметную в ячеистых бетонах. Обычные измерения дают общую величину усадки бетона,
слагающуюся из влажностной и карбонизационной со-
ставляющих. Контракцион- Ч5\~
ная составляющая усадки,
вызванная уменьшением абсолютного объема системы
цемент — вода, невелика и
составляет всего около 10%
от влажностной усадки.
Время тВердения, сит'
0 30 во 90
Рис. 79. Кривые усадки:
1 — цементного камня; 2 — раствора; 3 — бетона
Щ
ПрвЗтитетеяпь опыта, сут
Рис. 80. Кривые деформации бетона (о) и
изменения его влажности (б), вызванные
попеременным высыханием и увлажнением
(восходящие ветви — усадка, нисходящие —
набухание) (по С. В. Александровскому)
192
Вследствие усадки бетона в железобетонных и бетонных конструкциях возникают усадочные напряжения, поэтому сооружения
большой протяженности разрезают усадочными швамн во избежание появления трещин. Ведь при усадке бетона 0,3 мм/м в сооружении длиной 30 м общая усадка составляет около 10 мм. Массивный
бетон высыхает снаружи, а внутри он еще долго остается влажным.
Неравномерная усадка вызывает растягивающие напряжения в наружных слоях конструкции и появление внутренних трещин на контакте с заполнителем и в самом цементном камне.
Для снижения усадочных напряжений и сохранения монолитности конструкций стремятся уменьшить усадку бетона. Наибольшую
усадку имеет цементный камень. Введение заполнителя уменьшает
количество вяжущего в единице объема материала, при этом образуется своеобразный каркас из зерен заполнителя, препятствующий
усадке. Поэтому усадка цементного раствора и бетона меньше, чем
цементного камня (рис. 79).
Бетон наружных частей гидротехнических сооружений, цемент-
но-бетонных дорог периодически увлажняется и высыхает. Колебания влажности бетона вызывают попеременные деформации усадки
и набухания (рис. 80), которые могут вызвать появление микротрещин и разрушение бетона.
§ 6. Морозостойкость бетона
Морозостойкость бетона определяют путем попеременного замораживания в холодильной камере при температуре от 15 до 20°С и
оттаивания в воде при температуре 15—20°С бетонных образцов-
кубов с размером ребра 10, 15 или 20 см (в зависимости от наибольшей крупности заполнителя). Образцы испытывают после 28 сут
выдерживания в камере нормального твердения или через 7 сут
после тепловой обработки. Контрольные образцы, предназначенные
для испытания на сжатие в эквивалентном возрасте, хранят в каме-
' ре нормального твердения.
Для установления морозостойкости бетона среднюю прочность
трех образцов одной серии, подвергавшихся замораживанию, сравнивают со средней прочностью трех контрольных образцов в эквивалентном возрасте. Эквивалентный возраст Тэ определяют по формулам ГОСТ 10060—76; например, для кубов с ребрами 10 и 15 см
при одном цикле испытания в сутки (4 + 20 ч)
Т3 — t 0,8п,
где t — продолжительность твердения образцов до испытания на
морозостойкость; п — число циклов испытания.
За марку бетона по морозостойкости принимают наибольшее
число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое
при испытании выдерживают образцы установленных размеров без
снижения прочности на сжатие более 15% по сравнению с прочностью образцов, испытанных в эквивалентном возрасте, а для дорожного бетона, кроме того, без потери массы более 5%.
7—664
193
--------------- page: 98 -----------
250
1
I"
t 100
ч
§ 50
t
€
\
\
а
V
• \
о
\ °
\\
\
\
;\
^ \
\ \
\
\ ч
V \ <
\ \
N
\
\
ч \
\
<3
ул
1
Капиллярная.
3 Ю
Нетона, ’/0
Рис. 81. Зависимость морозостойкости от капиллярной пористости
няемый в строительстве таких
прочным, но и морозостойким.
Морозостойкость бетона зависит
от качества примененных материалов и капиллярной пористости бетона. Объем капиллярных пор оказывает решающее влияние на водопроницаемость и морозостойкость бетона (рис. 81). Морозостойкость бетона значительно возрастает, когда
капиллярная пористость менее 7%.
Морозостойкость определяет
срок службы (долговечность) частей сооружения, подвергающихся
многократному замораживанию и
оттаиванию. К. ним относят наружные стены жилых и промышленных
зданий, покрытия зданий, сооружения промышленной гидротехники
(например, градирни), наружные
части гидросооружений, бетонные
покрытия дорог и др. Бетон, приме-
сооружений, должен быть не только
§ 7. Водопроницаемость бетона
По водонепроницаемости бетон делят на марки В2, В4, В6, В8
и В12, причем марка обозначает давление воды (кгс/см2), при котором образец-цилиндр высотой 15 см не пропускает воду в условиях
стандартного испытания.
Проектную марку бетона по водонепроницаемости назначают
для гидротехнического и других бетонов, к которым предъявляются
требования по плотности и водонепроницаемости. Марку принимают в зависимости от коэффициента фильтрации воды, определяемого по ГОСТ 19426—74. Коэффициенты фильтрации воды, соответствующие указанным маркам, приведены в табл. 31. Таблица 31
Значения коэффициентов фильтрации 6ф, см/с, соответствующие
проектным маркам бетона по мипяиппчип»»»"»-»
Испытание образцов
в состоянии
Марки
равновесной влажности
водонасыщенном
В2
В4
В6
В8
вю
Б12
(0,7-2)10-8
(2—7)10'»
(0,6—2)10-»
(1—6)10~10
(0,6—1)10_1° I
6 -10-11 и менее
(0,5—1)10-»
(1—5)10-w
(0,5—1)10-10
(1—5)10-и
(0,5— 1)10-п
5-10'1а и менее
194
С уменьшением объема капиллярных макропор снижается водопроницаемость и одновременно повышается морозостойкость бетона. Для уменьшения водопроницаемости в бетон при его изготовлении вводят уплотняющие (алюминат натрия) и гидрофобизующие
добавки. Нефтепродукты (бензин, керосин и др.) имеют меньшее,
чем у воды, поверхностное натяжение, поэтому они легче проникают
через обычный бетон. Для снижения фильтрации нефтепродуктов в
бетонную смесь можно вводить специальные добавки (хлорное железо to др.). Проницаемость бетона по отношению к воде и нефтепродуктам резко уменьшается, если вместо обычного портландцемента применяют расширяющийся.
§ 8. Теплофизические свойства бетона
Теплопроводность — наиболее важная теплофизическая характеристика бетона, в особенности применяемого в ограждающих конструкциях зданий.
Теплопроводность тяжелого бетона в воздушно-сухом состоянии
около 1,2 Вт/(м-°С), т. е. она в 2—4 раза больше, чем у легких
бетонов (на пористых заполнителях и ячеистых). Высокая теплопроводность является недостатком тяжелого бетона. Панели наружных стен из тяжелого бетона изготовляют с внутренним слоем
утеплителя.
Теплоемкость тяжелого бетона изменяется в узких пределах —
0,75—0,92 Вт/(кг-°С).
Коэффициент линейного температурного расширения бетона составляет около 10-10-6 °С-1, следовательно, при увеличении температуры на 50° расширение достигает примерно 0,5 мм/м. Во избежание растрескивания сооружения большой протяженности разрезают температурно-усадочными швами.
Крупный заполнитель и раствор, составляющие бетон, имеют
различный коэффициент температурного расширения и будут по-
разному деформироваться при изменении температуры.
Большие колебания температуры (более 80°) могут вызвать
внутреннее растрескивание бетона вследствие различного теплового расширения
крупного заполнителя и раствора. Характерные трещины распространяются по поверхности заполнителя, некоторые из них
образуются в растворе, а иногда и в слабых зернах заполнителя. Внутреннее растрескивание можно предотвратить, если
позаботиться о подборе составляющих
бетона с близкими коэффициентами температурного расширения.
Следует обратить внимание на различный характер деформаций сухого и
влажного бетона. Образец из сухого бетона при охлаждении укорачивается со-
мН
Рис. 82. Кривые температурных деформаций бетона:
J — сухого; 2 — насыщенного водой
7*
195
--------------- page: 99 -----------
гласно кривой 1 на рис. 82 и его температурная деформация определяется коэффициентом линейного температурного
расширения (КЛТР). Кривая 2 температурных деформаций
замерзающего влажного образца имеет аномальный характер. Давление воды, замерзающей при —7,5°С в крупных капиллярных
порах, вызывает удлинение образца, равное отрезку ВС. Второй
максимум на кривой 2 (точки Е) вызван замерзанием воды в более
мелких порах при сильном морозе (—47°С). Удлинение свидетельствует о том, что фазовый переход воды вызывает растягивающие
напряжения в бетоне. Уменьшение объема капиллярных пор позволяет снизить эти деформации и повысить морозостойкость бетона.
§ 9. Радиационная стойкость бетона
Радиационная стойкость характеризует способность материала
сохранять в течение эксплуатации свою структуру и свойства при
воздействии радиационных нагрузок. Бетон, применяемый для биологической защиты^ должен обладать радиационной стойкостью при
действии потока нейтронов и у-квантов.
Исследования В. Б. Дубровского показали, что облучение нейтронами влияет на заполнитель бетона. Кристаллические минералы, входящие в состав горных пород, используемых в качестве заполнителей (кварцевый песок, гранит и др.), под влиянием радиации изменяют свою структуру вплоть до полной аморфизации. Это
явление сопровождается объемными деформациями, которые вызывают внутренние напряжёния, а иногда и растрескивание бетона.
Глава 32
ОБЩИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ БЕТОНА
§ 1. Определение состава бетона
Марку цемента выбирают в зависимости от проектной марки
бетона по прочности. Чтобы получить бетон с минимальным расходом вяжущего, необходимо выяснить, какое должно быть при этом
соотношение RnlR<>. Расход цемента Ц (кг/м3) найдем, пользуясь
формулой прочности бетона:
ц-(т^ + ад)а
Зависимость расхода цемента от соотношения Re/Rn, представленная на рис. 83, показывает, что для бетонов низких и средних
марок минимальные расходы вяжущего соответствуют:
RblRn = 0.4 — 0,6 или Ra Я* 2R6.
Соотношение RoIRn, близкое к 1, допустимо по необходимости
для бетонов высоких марок (500, 600—800), когда Ro>Rn.
Правильное определение состава бетона имеет большое технико-экономическое значение. Задача состоит в определении эконо-
196
мически оптимального состава, обеспечивающего получение нужных реологических и технических свойств бетонной смеси (жесткости и подвижности) и проектных характеристик бетона — марок по
прочности, морозостойкости и водонепроницаемости.
Для расчета состава бетона устанавливают стандартные характеристики применяемых материалов.
Определение состава бетона производят
обычно расчетно-экспериментальным методом, который предусматривает предварительный расчет состава по формулам и последующую экспериментальную проверку и
уточнение состава с помощью пробного
замеса.
Расчет сводится к установлению количеств цемента, воды затворения, мелкого и
крупного заполнителей в кг на 1 м3 уплотненной бетонной смеси исходя из заданных
свойств смеси и прочности бетона. Для отыскания указанных выше четырех неизвестных величин используют следующие четыре основные зависимости.
1.
в зависимости от заданной жесткости или подвижности бетонной
смеси (например, пользуясь рис. 59).
Вычисляют цементно-водное отношение по формулам:
для обычного бетона (Ц/В = 1,4—2,5)
Ц/В = i^g/Л^ц + 0,5;
для высокопрочного бетона (Ц/В>2,5)
Ц/В = RjA.Rц - 0,5.
Далее находят водоцементное отношение В/Ц= 1/(Ц/В).
При расчете состава бетона для конструкций, не подвергающихся агрессивным воздействиям, принимают вычисленное водоцементное отношение, обеспечивающее требуемую прочность бетона.
Однако к гидротехническим и другим конструкциям могут предъявляться дополнительные требования (по морозостойкости, водонепроницаемости, стойкости против химической коррозии и т. п.). Поэтому расчет состава гидротехнического и дорожного бетонов
необходимо производить с учетом установленного нормами ограничения В/Ц.
2.
водоцементное отношение Ц=В/(В/Ц). Если расход цемента на
1 м3 бетона окажется меньше допускаемого по нормам, то количество его следует увеличить до требуемой нормы, сохранив прежнее
В/Ц. Расход воды при этом пересчитывают, исходя из увеличенного
расхода цемента. Минимальный расход вяжущего для бетонных
197
Рис. 83. Зависимость
расхода цемента в бетоне от соотношения марок
бетона и цемента
(при коэффициенте А—0,6 и
количестве воды затворения
170 кг/м8)
--------------- page: 100 -----------
конструкций — 200 кг/м3, для железобетонных — 220 кг/м3 и конструкций, работающих в агрессивных средах, — 250 кг/м3.
3.
дующих положений:
а) объем плотно уложенного бетона (принимают в расчете равным 1 м3 или 1000 дм3) без учета воздушных пустот слагается из
объема зерен мелкого и крупного заполнителей и объема цементного теста, заполняющего пустоты
между зернами заполнителей.
Уравнение, выражающее это положение и называемое уравнением абсолютных объемов, может
быть представлено в следующем
виде:
iL + B + — + —= 1000;
Рц
б)
крупного заполнителя должны
быть заполнены растворной частью с учетом некоторой раздвижки зерен, величина которой
определяется коэффициентом раздвижки kv
К
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
Водоцементное отношение В/ц
Рис. 84.
График для
Краэд
определения
ъразд-
ц
П
пуст
разд I
+ В=-^
Рц Рп
где Ц, В, П, К, — расходы соответственно цемента, воды, песка и
крупного заполнителя, кг/м3; дц, рш рк — плотности этих материалов; ук — насыпанная объемная масса крупного заполнителя;
Упуст.к — относительный объем пустот (пустотность) крупного заполнителя, определенный по формуле Кпуст.к=1— (Yk/qk); £разд —
коэффициент раздвижки для жестких бетонных смесей, /гразд=
= 1,05—1,15, в среднем 1,1, для подвижных смесей — по графику
(рис. 84) в зависимости от расхода цемента и В/Ц.
Решая совместно приведенные выше два уравнения, получаем
формулы для определения расходов (в кг/м3):
крупного заполнителя
1000
К =
^пуст. к ^разд
Тк
1
Рк
и песка
п-Гюоо— i!_B—-У Рп.
L
Таким образом получен расчетный состав бетона в виде расхода
(кг/м3) компонентов: Ц, В, П, К. Он может быть выражен в относительных единицах (по отношению к массе цемента):
1 : В/Ц : П/Ц : К/Ц.
198
Состав бетона проверяют и уточняют путем пробного замеса бетонной смеси, приготовляемой из производственных материалов.
Лабораторный состав бетона, полученный для сухих заполнителей, пересчитывают на рабочий состав с учетом влажности заполнителей, которая может меняться в процессе производства работ.
§ 2. Приготовление бетонной смеси
Бетонные смеси приготовляют в бетоносмесительных цехах
предприятий сборного железобетона или на центральных автоматизированных бетонных заводах.
Приготовление бетонной смеси должно обеспечить получение
однородной массы. Оно состоит из точного дозирования и смешива*
ния исходных материалов. Составляющие материалы дозируют по массе
(исключение допускается
для воды). Применяют
дозаторы с автоматическим и ручным управлением — последние для малых бетоносмесительных
установок. В автоматических дозаторах с центрального пульта управления осуществляется установка аппаратуры на требуемую массу. Допускаются отклонения при дозировании цемента и воды ±1%, для заполнителей— ±2%
массе).
Бетоносмесительные
машины циклического
действия подразделяют на
гравитационные и с принудительным смешиванием.
Для получения подвижных бетонных смесей
применяют гравитацион-
Рис. 85. Гравитационный бето--
носмеситель:
а — общий вид; б — схема конусного барабана; / — корпус; 2 —
обечайка; 3 и 4 — лопасти; В —
стрелки показывают перемещение
бетонной снеси
199
--------------- page: 101 -----------
Рис. 86. Схема циркуляции смеси в противоточном смесителе (план)
ные бетоносмесители, работающие по принципу свободного падения перемешиваемого материала. При вращении барабана смесителя (рис. 85) внутренние лопасти захватывают бетонную смесь,
поднимают ее, затем бетонная смесь свободно падает с некоторой
высоты и при этом перемешивается. Время перемешивания, необходимое для получения однородной бетонной смеси, зависит от емкости барабана и жесткости смеси и составляет: для смесителей емкостью до 500 дм3 — 1—1,5 мин; емкостью 1200 дм3 — около 2 мин
и емкостью 2400 дм3 — около 3 мин.
Жесткие и малоподвижные бетонные смеси лучше перемешивать
в смесителях принудительного действия. В этих смесителях бетонная смесь принудительно перемешивается в смесительной чаше или
в барабане при помощи смешивающих устройств: лопастей, лопаток, гребков и т. п. Широко применяют два типа бетоносмесителей
с принудительным перемешиванием: 1) противоточные с горизонтальной чашей, вращающейся в направлении, противоположном
вращению смешивающих устройств, размещенных в горизонтальной плоскости (рис. 86); перемешанная смесь выгружается через
люк в днище чаши; 2) роторные турбинного типа с горизонтальной
неподвижной чашей и вращающимся в центре ротором, на котором
насажены смешивающие устройства, расположенные в горизонтальной плоскости.
Для приготовления растворных и мелкозернистых бетонных смесей используют лопастные и шнековые смесители с
приводным горизонтальным
валом.
Для жестких мелкозернист
тых смесей с низкими В/Ц эф^
фективно виброперемешивание,
при котором частицы совершают колебательные движения.
Бетоносмесители непрерывного действия требуют меньших удельных затрат электроэнергии и имеют значительно
большую производительность
(30, 60, 120 мг/ч бетонной смеси) по сравнению с гравитационными смесителями циклического действия.
Автоматизация бетонных
заводов (рис. 87) основана на
примеиешш автоматических
дозаторов, а также на протрам-
'йтга. стадиями процесса перемешивания. Предусматривается оптимизация с помощью ЭВМ состава бетона и режима работы
соответственно программе, ба-
Рис. 87. Автоматизированный бетонный завод:
a — внешний вид; б — бетоносмеснтельное
. отделение (разрез): /-бункера (заполнителей, цемента); г — автоматический весовой дозатор для цемента; 3 — дозатор
для заполнителей; * — сборный бункер для
сухой смеси; 5 — поворотная воронка; 6 —
бетоносмеситель с наклоняющимся барабаном емкостью 2400 л; 7 дозатор воды?
8 — раздаточный бункер для бетона
--------------- page: 102 -----------
зирующейся на информации о качестве сырья и ходе технологического процесса.
Бетонный завод должен выдать на каждую партию бетонной
смеси паспорт, в котором указывается марка бетона, удобоуклады-
ваемость бетонной смеси и др.
§ 3. Уплотнение бетонной смеси
В результате уплотнения бетонная смесь заполняет форму, причем уплотненная бетонная смесь должна иметь однородное строение
и минимальный объем воздушных пустот; после уплотнения остается не более 2—3% воздуха (т. е. 20—30 дм3 на 1 м3 бетона).
Для получения плотного
бетона необходимо, чтобы
удобоукладываемость бетонной смеси соответствовала
принятому способу и интенсивности уплотнения. При
сильном механическом уплотнении (рис. 88) жесткие
бетонные смеси укладываются плотно. В результате
повышается прочность бетона (при сохранении одинакового расхода цемента).
Основным способом уплотнения бетонных смесей
является вибрирование. При вибрировании частые колебания, создаваемые вибратором, вызывают колебательные движения частиц
бетонной смеси. Силы внутреннего трения и сцепления между частицами уменьшаются, зерна заполнителей укладываются компактно, промежутки между ними заполняются цементным тестом, а пузырьки воздуха вытесняются наружу.
Плотность укладки бетонной смеси контролируют по величине
коэффициента уплотнения, который равен отношению фактической
объемной массы свежеуплотненного бетона к его расчетной объемной массе. Уплотнение считается «полным» при коэффициенте уплотнения 0,98—1.
Эффективность виброуплотнения зависит от продолжительности
и интенсивности вибрирования. Интенсивность виброуплотнения
характеризуют два параметра вынужденных колебаний: 1) амплитуда колебаний а (половина наибольшего перемещения частиц при
колебательном движении); 2) частота колебаний f (Гц) (число периодов колебаний в секунду).
Об
амплитудного значения ускорения w (см/с2), сообщаемого колеблющимся частицам 'при угловой скорости со (рад/с):
w = аш2 = а
Рис. 88. Влияние интенсивности уплотнения
на прочность бетона:
/ — сильное уплотнение; 2 — слабое уплотнение
202
Интенсивность вибрирования принято выражать в единицах
земного ускорения g, например интенсивность равна 2g, 4g, 8g. Эта
характеристика интенсивности показывает, во сколько раз ускорение, сообщаемое частицам при вибрировании, больше ускорения
силы тяжести.
Эффективность уплотнения бетонной смеси значительно возрастает при резонансных режимах виброуплотнения, при которых
частота вынужденных колебаний частиц смеси совпадает с частотой собственных колебаний вибратора. При этом достигается плотная укладка бетонной смеси за короткое время.
Интенсивность (см2/с3) виброуплотнения по В. Н. Шмигальско-
му характеризуется произведением скорости колебаний у = аш =
= a-2nf на ускорение:
U = vw — 8п3аа/3
или в общем виде
U = ka2f\
Для каждой бетонной смеси имеется своя оптимальная интенсивность вибрирования, которая достигается правильным сочетанием амплитуды и частоты колебаний.
На заводах сборных железобетонных изделий жесткие и малоподвижные бетонные смеси эффективно уплотнять на стационарных низкочастотных резонансных виброплощадках с амплитудой
0,7 мм и частотой 25—30 Гц; к тому же уровень шума при работе
низкочастотных виброплощадок сравнительно невысок. Для виброуплотнения подвижных и мелкозернистых бетонных смесей оптимальные амплитуды уменьшаются до 0,15—0,4 мм; соответственно
необходимой интенсивности увеличивается частота колебаний до
50—150 Гц.
При принятых параметрах вынужденных колебаний для каждой бетонной смеси имеется своя критическая продолжительность
виброуплотнения.
По Ю. Сторку, в начале виброуплотнения происходит разрушение свободной пространственной структуры бетонной смеси, насыпанной в форму, а затем смесь в виде сплошной разжиженной массы начинает вибрировать как одно целое. Возникновение связной
системы проявляется в выделении влаги на поверхности смеси
(рис. 89). Более продолжительное вибрирование приводит к расслоению смеси и снижению прочности бетона.
В зависимости от рода привода и движущей энергии различают
электромеханические, электромагнитные и пневматические вибраторы.
Применяют главным образом вибраторы, приводимые в действие электродвигателем; колебания создаются механическим путем
в результате вращения неуравновешенных грузов (эксцентриков
или дебалансов), которые могут быть расположены непосредственно на оси ротора двигателя либо соединены с ним при помощи гибкого вала. Рабочая часть вибратора выполняется в виде площадки
203
--------------- page: 103 -----------
(виброплощадки, переносные поверхностные вибраторы), или наконечника (штыка, булавы и т. п.).
Для формования сборных железобетонных изделий широко используют стационарные виброплощадки различной грузоподъемности.
Можно собирать виброплощадки необходимых размеров и нужной грузоподъемности (2, 4, 8, 12 и 24 т) из однотипных унифицированных виброблоков. Предусматривается изготовление виброплощадок с различными режимами работы: одночастотных с гармоническими вертикальными колебаниями, двухчастотных, виброударных и др. Схемы вибраторов представлены на рис. 90.
Рис. 89. Структура бетонной смеси:
а — рыхло насыпанной в форму; б — после внброуплотнения (по
Ю. Сторку)
При применении вибраторов наряду с обычными мерами по охране труда следует обращать особое внимание на технические мероприятия по устранению вредного действия вибрации на организм
человека.
Переносные вибраторы применяют при изготовлении изделий
(в особенности крупноразмерных) на стендах, а также для уплотнения монолитного бетона на строительной площадке.
Переносной поверхностный вибратор (рис. 90) применяют при
бетонировании плоских конструкций (плит, полов, дорожных покрытий), а внутренние вибраторы — при изготовлении сборных железобетонных конструкций в неподвижных формах и бетонировании монолитных конструкций.
Эксцентриковые внутренние вибраторы имеют частоту 5820—
5700 кол./мин.
Для уплотнения бетонных смесей, укладываемых в массивные
(например, гидротехнические) сооружения, применяют перемещаемые краном пакеты внутренних вибраторов. Они позволяют устранить ручной труд, применять малоподвижные бетонные смеси
(с осадкой конуса 0—2 см) и сильно увеличивать толщину слоя бетонирования. Этот способ уплотнения используют также для укладки камнебетона.
На практике часто используют комбинированные способы уплотнения бетонной смеси. Так, при формовании сборных железобетонных изделий из жестких и малоподвижных бетонных смесей
204
Внутренние вибраторы
205
Рис. 90. Основные схемы вибраторов (по В. Д. Мартынову)
--------------- page: 104 -----------
применяют вибрирование под нагрузкой (рис. 91). При величине
прессующего давления поверхности изделия 0,05—0,15 МПа можно
способом вибропрессования плотно уложить особо жесткие бетонные смеси с количеством воды затворения 120—130 кг/м3 и В/Ц=
= 0,3—0,35.
Виброштампование часто применяют для формования коробчатых и ребристых плит, лестничных маршей со ступеньками и других
профилированных изделий. Бетонная смесь, уложенная в форму,
формуется и уплотняется при помощи погружаемого в нее виброштампа.
5}
ifeap)
ШШУ
&
*')
Рис. 91. Виды пригрузов при формовании изделий
на виброплощадках:
а — безынерционный (пневматический): б — инерционный
(гравитационный): в — то же, подрессорный; г — вибрационный
Вибропрокат осуществляется на специальных вибропрокатных
станах. Этим способом изготовляют изделия из тяжелого и легкого
бетонов (например, вибропрокатные керамзитобетонные панели).
При центробежном способе формования для уплотнения бетонной смеси используют центробежную силу, возникающую при вращении формы с уложенной в нее бетонной смесью. Скорость вращения формы 400—900 об/мин. При этом бетонная смесь равномерно распределяется по стенкам формы и хорошо уплотняется. Часть
воды затворения (20—30%) отжимается к внутренней поверхности
изделия и тем самым понижается величина В/Ц. Это способствуем
уменьшению пористости и водопроницаемости бетона. Центробежное формование применяют дл# изготовления полых изделий: железобетонных труб, полых колонн, опор и др.
Вибровакуумирование используют для уплотнения подвижных
бетонных смесей. Оно позволяет извлечь из свежеуложенной бетонной смеси 10—20% от общего количества воды затворения и получить более плотный бетон. Вакуумирование осуществляют специ-
206
альным оборудованием (вакуум-щитами, вакуум-вкладышами
и т. п.). Основной его частью является вакуум-полость, в которой
создается разрежение порядка 75—85% от полного вакуума. Вакуум-щиты укладывают своей рабочей поверхностью, снабженной
фильтровальной тканью, на бетон. Фильтр предотвращает отсос
частиц цемента в процессе вакуумирования.
§ 4. Твердение бетона
Прочность бетона нарастает в результате физико-химических
процессов взаимодействия цемента с водой, которые нормально
проходят в теплых и влажных условиях. Взаимодействие цемента
с водой прекращается, если бетон высыхает или замерзает. Раннее
высыхание или замерзание бетона непоправимо ухудшает его
строение и свойства.
Бетон нуждается в уходе, создающем нормальные условия твердения, в особенности в начальный период после укладки (до 15—
28 сут). В теплое время года влагу в бетоне сохраняют путем поливки и укрытия. На поверхность свежеуложенного бетона наносят
битумную эмульсию или его укрывают полиэтиленовыми и другими
пленками.
Характер нарастания прочности бетонов, изготовленных на
портландцементе и твердевших в нормальных условиях (во влажном воздухе с температурой 18—22°С), показан рис. 92. Приближенно можно считать, что прочность бетона увеличивается прямо
пропорционально логарифму
времени твердения:
где I — время твердения, сут
(не менее трех суток); R2в —
марка бетона.
Эту формулу используют,
при ориентировочных расчетах
времени распалубки. Более
точно прочность бетона в промежуточные сроки твердения
определяется по опытной кривой нарастания прочности бетона, которая может быть построена по результатам испытания образцов 3-, 7-, 28-, 90-
суточного возраста.
Как видно из рис. 92, бетон
при нормальных условиях
твердения имеет низкую начальную прочность и только
через 7—14 сут приобретает
207
Рис. 92. Нарастание прочности бетонов
в нормальных условиях твердения
--------------- page: 105 -----------
60—80% марочной прочности. Для получения такой прочности надо было бы выдерживать изделия в формах в нормальных условиях не менее 7 сут, что потребовало бы громадного
количества форм, большого увеличения производственных площадей. Поэтому одной из главных задач в технологии бетона является
усовершенствование существующих и разработка новых методов
ускорения твердения бетона. Значительный вклад в решение этой
задачи внесли П. И. Боженов, А. В. Волженскнй, О. А. Гершберг,
С.
Широко применяют методы тепловой обработки бетона, которые дают возможность повысить температуру бетона прй обязательном сохранении его влажности. В результате увеличивается
скорость химических реакций взаимодействия цемента с водой и
значительно повышается начальная (суточная) прочность бетона.
На заводах сборного железобетона чаще всего применяют прогрев изделий при атмосферном давлении в паровоздушной среде с
температурой 80—85°С или выдерживание в среде насыщенного
пара при 100°С. Стремятся применять насыщенный пар, чтобы
исключить высыхание бетона и создать условия, благоприятствующие гидратации цемента.
Пропаривание при нормальном давлении осуществляют в пропарочных камерах периодического или непрерывного действия.
В первом случае отформованные изделия, находящиеся в формах
или на поддонах, загружают в камеру с крышкой, которая имеет
водяной затвор, препятствующий потере пара. В камеру подают
пар, и температура постепенно (со скоростью 15—20°С/ч) повышается до максимальной (80—100°С). При этом изделия прогреваются на всю толщину. Затем дается изотермическая выдержка, после
которой изделия медленно охлаждаются. Постепенный подъем температуры и постепенное
охлаждение обеспечивают более полную гидратацию цемента и предотвращают появление
трещин в изделиях. Продолжительность пропаривания зависит от химико-минералогиче-
ской характеристики цемента
и состава бетона: для изделий
из подвижных бетонных смесей— 4—8 ч. Режим пропаривания устанавливают после
опытной проверки.
Прочность пропаренного бетона (т. е. примерно через 1 сут
после изготовления) составляет около 65—75% от марки.
Следовательно, пропаривание
Рис. 93. Кривые нарастания прочности
бетона:
1 — нормально твердеющего; 2 — пропаренного прн нормальном давлении н температуре 85°С; 3 — пропаренного в автокДй-
ве прн давлении насыщенного пара 0,8 МПа
и температуре 175°С
при нормальном давлении ускоряет твердение бетона примерно в.
7—8 раз (рис. 93).
Различают туннельные (горизонтальные) и вертикальные камеры тепловой обработки непрерывного действия. Формы-вагонетки с
отформованными изделиями, в этих камерах последовательно проходят три зоны: подогрева, изотермической выдержки и охлаждения. В этих камерах процесс тепловой обработки изделий осуществляется с использованием принципа противотока. Как видно на
Рис. 94. Схема пропарочной камеры непрерывного действия с автоматическим регулированием процесса тепловой обработки:
/—датчики температуры; 2—программный регулятор, настроенный на поддержание заданной температуры в точках А и Б;
3 — электрический исполнительный механизм, приводящий в
действие устройство; 4 — устройство, регулирующее подачу пара; 5 —верхняя зона камеры; € — перфорированная труба; 7 —
автоматический регистратор температуры (по высоте камеры)
рис. 94, пар поступает в верхнюю зону камеры (зону изотермического прогрева) через перфорированную трубу. Холодные изделия
движутся вверх навстречу все более горячей паровоздушной среде.
После прохождения зоны изотермического прогрева изделия опус-
каются вниз и постепенно охлаждаются.
Для изделий из ячеистых бетонов весьма эффективно запаривание в автоклаве (рис. 95), осуществляемое насыщенным паром высокого давления (0,8—1,3 МПа) с температурой 175—193°С.
При электропрогреве бетона в качестве источника тепла используют электрическую энергию. Для прогрева бетона применяют
трехфазный переменный ток нормальной частоты (50 Гц). Постоянный ток не пригоден, так как он вызывает разложение (электролиз) воды. Распределение тока в уложенном бетоне осуществляется через металлические электроды, располагаемые или на поверхности бетона (пластинчатые, полосовые), или внутри него
(внутренние стержневые и струнные).
20»
--------------- page: 106 -----------
Значительный эффект дает применение кратковременного (в течение 5—10 мин) электроразогрева бетонной смеси до температуры
80—90°С в специальных бункерах током напряжением 380 В. Предварительно разогретую смесь укладывают в формы и уплотняют.
Выделение тепла при гидратации цемента способствует поддержанию повышенной температуры твердеющего бетона и ускорению
его твердения.
Способ предварительного электроразогрева смеси успешно применяют при зимних бетонных работах.
Обработка лучистой энергией эффективна для тонкостенных полых изделий. Излучатели инфракрасных лучей в виде нагревательных’ устройств, обогреваемых электрическим током или газом, помещают в пустоты изделий. Стенки изделия поглощают
лучистую энергию, которая аккумулируется
в бетоне в виде тепла.
Небольшие добавки (хлористого кальция, хлористого натрия, кальцинированной
соды, растворимого стекла) ускоряют процессы твердения цемента. Дозировка хлористого кальция составляет 1—2% от массы
цемента (считая на безводную соль). Увеличение добавки хлористого кальция может
привести к коррозии стальной арматуры, а
также к появлению высолов на поверхности
бетона. Добавка хлористого кальция в 2—4 раза увеличивает начальную прочность бетона (в возрасте до 3 сут), а прочность бетона в возрасте 28 сут остается примерно той же, что и без добавки.
При введении хлористого кальция надо учитывать, что он оказывает пластифицирующее действие на бетонную смесь и дает возможность на 5—6% уменьшить количество воды затворения, а соответственно и расход цемента при изготовлении бетона.
Комплексное использование методов ускорения твердения бето-
ла дает наибольший технико-экономический эффект.
§ 5. Контроль качества бетона
Производственный контроль качества бетона и определение
•прочности бетона в конструкциях осуществляют разрушающими и
неразрушающими методами (ультразвуковым, радиометрическим
и др.).
Метод отрыва со скалыванием предназначается для определения прочности бетона в конструкциях массивных и средней массивности. О прочности бетона судят по усилию, необходимому для вырывания из бетона специального стержня или разжимного конуса
(рис. 95).
Радиографический метод дефектоскопии основан на ослаблении
■у-лучей при прохождении через материал (рис. 96).
210
1
Рис. 95. Схема испытания бетона на отрыв со скалыванием
(вариант с разжимным конусом):
1 — бетон конструкции;
12 — вырываемый бетон;
3 — конус; 4 — рифленые
щеки
Метод упругого отскока заключается в том,
что специальный боек при помощи пружины
ударяет по концу металлического стержня —
ударника, прижатого другим концом к поверхности испытываемого бетона. В результате
удара боек отскакивает от ударника. Высота
отскока отмечается на шкале прибора при помощи специального указателя. Зависимость
между высотой отскока и прочностью бетона
устанавливают опытным путем.
Метод пластической деформации состоит в
том, что о прочности бетона судят по пластическим деформациям (отпечаткам), полученным от вдавливания в поверхность бетона
стальных шариков, дисков или штампов.
Статистический контроль прочности и однородности бетона осуществляют по ГОСТ
18105—72* путем изготовления и испытания
образцов. От каждой партии бетона отбирают
пробы в количестве, предусмотренном стандартом. Из каждой пробы изготовляют серию образцов, которая должна состоять, как правило, из трех контрольных образцов-проб.
Глава 33
ТЯЖЕЛЫЙ БЕТОН
§ 1. Материалы для изготовления тяжелого бетона
Цемент. Для тяжелого бетона применяют портландцемент и его
разновидности, а также глиноземистый цемент и другие вяжущие,
отвечающие требованиям соответствующих ГОСТов.
Марку цемента назначают в зависимости от проектной марки
бетона по прочности при сжатии:
Марка бетонов
М150
М200
М250
М300
М350
М400
М450
М500
М600
и выш
Марка цемента
М300
мзоо-
М400
М400
М400-
М500
М400-
М500
М500-
М600
М550-
М600
М600
М600
Если марка цемента выше той, которая рекомендуется для
данного бетона, то надо разбавить высокоактивный цемент тонкомолотой минеральной добавкой, чтобы избежать перерасхода высокомарочного цемента.
Для изготовления морозостойких бетонов, а также бетонов,
противостоящих сульфатной коррозии, рекомендуется применять
сульфатостойкий портландцемент.
211
Рис. 96. Схема радиографического метода
дефектоскопии бетона:
j — место изображения
дефекта на пленке; 2 —
дефект в изделии; 3 —
рентгеновская пленка;
4
5
6
--------------- page: 107 -----------
Мелкий заполнитель. В качестве мелкого заполнителя в тяжелом бетоне применяют песок, состоящий из зерен размером 0,14—
5 мм и имеющий плотность более 1,8 г/см3. Для приготовления тяжелых бетонов применяют природные пески, образовавшиеся в результате естественного разрушения горных пород, а также искусственные, полученные путем дробления твердых горных пород и из
отсевов.
Природные пески представляют рыхлую смесь зерен различных
минералов, входивших в состав изверженных (реже осадочных)
горных пород (кварца, полевого шпата, кальцита, слюды и др.).
Качество песка, применяемого для изготовления бетона, определяется минеральным составом, зерновым составом и содержанием вредных примесей.
Заполнитель должен состоять из зерен разного размера (разных фракций), при этом количество крупных, средних и мелких
зерен (т. е. зерновой состав заполнителя) устанавливается на основе проверенных рекомендаций таким образом, чтобы зерна меньшего размера располагались в пустотах между крупными. Чем компактнее расположены зерна заполнителей, тем меньше объем
пустот.
Зерновой состав песка определяют просеиванием высушенной
средней пробы (1000 г) через стандартный набор сит* с размерами отверстий 2,5 мм и с сетками № 125; 063; 0315 и 014 (последние
имеют квадратные ячейки размером соответственно 1,25; 0,63;
0,315; 0,14 мм). Мелкие частицы песка (пыль) имеют размер менее
0,14 мм и проходят через сетку № 014. Сначала вычисляют частный остаток на каждом сите щ (°/о), как отношение массы остатка
rrii к массе просеиваемой пробы т:
at = —1- 100.
т
Затем определяют полный остаток At (%) на каждом сите как
сумму частных остатков на данном сите и на всех ситах крупнее
данного: ,
At =а2В + •* * +лг.
Зерновой сос’Нав песка удобно представить графически, если по
горизонтали отложить размеры отверстий сит, а по вертикали —
полные остатки на ситах. На рис. 97 в виде заштрихованной области указаны допустимые пределы колебаний зернового состава
песков для бетона.
Для оценки крупности песка применяют безразмерный показатель— модуль крупности Мк, который вычисляют как отношение
суммы полных остатков на ситах, начиная с сита с отверстиями
*
и 5 мм для определения содержания зерен гравия. В песке природном и дробленом зерен гравия от 5 до 10 мм не более 10%, зерен крупнее 10 мм —не более
0,5% (по массе).
212
2,5 мм и кончая ситом с сеткой № 014, ко всей пробе, принятой за
100: , Л
м _ А2.5 + А1.25 + ^0.63 + 4),315 +
К ~ 100
Зерновой состав песка характеризуется также его удельной поверхностью, определяемой с помощью специального прибора —
пневматического поверхностемера.
В зависимости от
зернового состава песок разделяют на крупный, средний, мелкий и
очень мелкий. Для
каждой группы песка
показатели должны соответствовать величинам, указанным в
табл. 32. Для бетона
рекомендуется применять крупный, средний
и мелкий песок. Для
строительных растворов применяют и очень
мелкий песок. Если песок не удовлетворяет
по зерновому составу требованиям стандарта, то его необходимо
фракционировать, т. е. рассеивать на две фракции — крупную и
мелкую, получаемые разделением исходного песка по граничному
зерну, соответствующему размеру отверстий сит 1,25 или 0,63 мм,
а затем смешивать эти фракции в соотношении, установленном
ГОСТ 8736—77.
Мелкие частицы (пыль, иЛ, глина) увеличивают водопотребность бетонных смесей и расход цемента в бетоне. Поэтому содержание в песке зерен, проходящих через сито с сеткой № 014, должно быть не более 10% по массе, при этом количество пылевидных,
илистых и глинистых частиц, определяемых отмучиванием, не
должно превышать 3% в природном песке и 4% в дробленом (гли-
Таблица 32
Классификация песков по крупности
Группа песков
Полный остаток на сите с сеткой № 063, % по массе
Модуль крупности
Крупный
Более 45
Более 2,5
Средний
30—45
2,5—2
Мелкий
10—30
2—1,5
Очень мелкий
Менее 10
1,5—1
1
/мтг
W/л
,
1У/,
W
к
■■■
щ
.
/
г
Рознеры
контрольных сит,’мм
Рис. 97. График зернового состава песка:
заштрихована область песков, допускаемых для бетона
213
--------------- page: 108 -----------
ны не более 0,1—0,5%). Глина набухает при увлажнении и увели*
чивается в объеме при замерзании, снижая морозостойкость. Поэтому содержание глины в песке строго ограничивается, тем более
не должно быть комков глины и суглинка.
Песок очищают от мелких частиц путем промывки.
В природном песке и в гравии могут содержаться органические
примеси (например, продукты разложения остатков растений), в
частности органические гумусовые кислоты, которые понижают
прочность бетона и даже разрушают цемент. Наличие органических примесей
определяют колориметрическим (цветовым) методом. Песок считают пригодным
для бетона, если жидкость — 3%-ный
раствор NaOH над песком — не окрашивается или приобретает окраску светлее
эталона (эталон имеет светло-желтый
цвет).
В природном песке и гравии могут содержаться и неорганические примеси, которые тоже вызывают химическую коррозию цементного камня. К этой группе
примесей относятся сернокислые и сернистые соединения (например, пирит FeS2).
Слюда также относится к числу вредных примесей, так как ее листочки легко
расслаиваются по плоскостям спайности.
Аморфные модификации кремнезёма (опал, халцедон и др.)
иногда содержатся в заполнителе. Кремнезем вступает в химическую реакцию со щелочами, имеющимися в цементе (ЫагО, КгО);
при этом образуются вещества, вызывающие расширение и растрескивание бетона. .
Песок отличается от крупного заполнителя способностью сильно изменять объемную массу и объем при изменении влажности
(рис. 98) от 0 до 25%, что учитывается при объемной дозировке
(при приготовлении растворных и бетонных смесей) и приемке
песка.
Крупный заполнитель. В качестве крупного заполнителя для бетона применяют гравий, щебень и щебень из гравия с размером
зерен 5—70 мм. При бетонировании массивных конструкций можно
применять щебень крупностью до 150 мм.
Зерна гравия имеют окатанную форму и гладкую поверхность.
Обычно гравий содержит в том или ином количестве песок, а также вредные примеси — глину, пыль, слюду, гумусовые вещества
(органические примеси).
Щебень получают дроблением изверженных, метаморфических,
плотных и водостойких осадочных горных пород (плотных известняков, песчаников и др.). Зерна щебня имеют угловатую форму;
желательно, чтобы по форме они приближались к кубу. Более шероховатая, чем у гравия, поверхность зерен способствует лучшему
214
Рис. 98. Изменение объема
песка при увлажнении (кривые относятся к пескам различного зернового состава)
их сцеплению с цементным камнем, поэтому для бетона высокой
прочности (М500 и выше) обычно применяют щебень, а не гравий.
Качество крупного заполнителя определяется минеральным составом и свойствами исходной породы (ее прочностью и морозостойкостью), зерновым составом заполнителя, формой зерен и содержанием вредных примесей. Прочность исходной породы при
сжатии в насыщенном водой состоянии должна не менее чем в
1,5—2 раза превышать марку бетона.
В районах с развитой металлургической промышленностью экономически выгодно применять щебень, полученный в результате
дробления и рассева тяжелых отвальных или специально отлитых
доменных и мартеновских шлаков. Щебень из шлака должен иметь
устойчивую структуру. Распад шлака может вызываться гашением
зерен свободной извести. Основные доменные шлаки при медленном охлаждении могут распадаться вследствие перехода содержащегося в них двухкальциевого силиката из одной формы в другую:
P-C2S переходит в Y-C2S с увеличением объема. Возможен также
«железистый» или «марганцевистый» распад вследствие перехода
закисей этих металлов в окиси с увеличением объема.
Щебень из шлака должен удовлетворять общим требованиям в
отношении зернового состава. Не допускаются в нем посторонние
примеси топливных шлаков и зол, колошниковой пыли и т. д.
Применяют метод прямого определения прочности крупного заполнителя путем раздавливания в цилиндре. Показатель дробимо-
сти Др (%) вычисляют с погрешностью до 1% по формуле
Др =
где П\ — испытываемая проба щебня (гравия), кг; m2 — остаток
на контрольном сите после просеивания раздробленной в цилиндре
пробы щебня (гравия), кг.
В зависимости от дробимости при сжатии в цилиндре щебень
подразделяют на следующие марки по прочности: М1400, М1200,
М1000, М800, М600, М400, МЗОО и М200. Щебень Ml400 и Ml200
может содержать зерна слабых пород* в количестве не более 5%,
щебень Ml000, М800, М600, М400 —не более 10%, щебень МЗОО и
М200 —не более 15% (по массе). Содержание в гравии и щебне из
Гравйя зерен слабых пород не должно превышать 10% по массе.
Морозостойкость щебня и гравия должна обеспечивать получение проектной марки бетона по морозостойкости. Установлены следующие марки щебня и гравия по морозостойкости: Мрз15, Мрз25,
Мрз50, МрзЮО, Мрз150, Мрз200 и МрзЗОО. Марка обозначает число циклов попеременного замораживания и оттаивания, при котором потеря в массе пробы крупного заполнителя не превышает 5%
(для марок 15 и 25 циклов допускается потеря массы до 10%).
*
ном водой состоянии менее 20 МПа.
215
--------------- page: 109 -----------
Относительный объем пустот (пустотность) крупного заполните*-
ля VnycT.« определяют е точностью до 0,1% по формуле
у — 1
' ПУСТ. К ‘
Ъ
где ув — объемная насыпная масса крупного заполнителя; уо—
его объемная масса в куске.
Из формулы видно, что для уменьшения пустотности необходимо увеличение объемной насыпной массы путем правильного подбора зернового состава.
Зерновой состав крупного заполнителя устанавливают с учетом
наибольшего DHаИб и наименьшего Овши размеров зерен щебня ил»
гравия. Наибольший размер зерен при бетонировании железобетонных балок, колонн, рам должен быть не более 3Д наименьшего-
расстояния между стержнями арматуры, а для плит перекрытий
и покрытий —не более V2 толщины плиты.
Наименьшая крупность соответствует размеру отверстия самого мелкого из сит, через которое проходит не более 5% просеиваемой пробы; обычно наименьшая крупность равна 5 (3) мм.
В зависимости от крупности зерен щебень, гравий и щебень из
гравия подразделяют на четыре фракции: 5—10 мм, 10—20 ммг
20—40 мм и 40—70 мм. Щебень, гравий и щебень из гравия могут
поступать в виде смеси двух или большего числа фракций. По соглашению между поставщиком и потребителем может применяться
щебень фракций 3—10 мм, 10—15 мм (или 5—15), 15—20 мм. Зерновой состав каждой фракции или смеси фракций должен находиться в указанных ниже пределах.
Размер контрольных
сит
^наим
°’®^наим+£,наиб)
5(3) мм
10 мм
и более
для одной
фракции
для смеси
фракций
°наиб
1,25
Днаиб
Полный остаток на
ситах, % по массе
95—100
90—100
40—80
50—70
0—10
0
В зависимости от формы зерен ГОСТ 8267—75 устанавливает
три группы щебня из естественного камня: кубовидную, улучшенную и обычную. Содержание зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы в них не превышает соответственно 15, 25 и 35% по
массе. К пластинчатым и игловатым зернам относят такие, в кото-
рых толщина или ширина меньше длины в 3 и более раза.
Содержание пылевидных глинистых и илистых частиц в щебне
допускается в зависимости от вида исходной породы и марки щебня по прочности. Их допустимое количество не должно превышать
указанного в табл. 33.
Количество пылевидных, глинистых и илистых частиц, определяемое отмучиванием, в гравии и щебне из гравия допускается для
216
Таблица 33
Допускаемое содержание мелких частиц в щебне для бетона
Щебеиь из
Щебень из осадочных
пород марок
Наименование
и метаморфических пород
600—1200
■ 200—400
Содержание пылевидных и илистых
■частиц, определяемых отмучиванием,
% по массе, не более
В том числе содержание глины в комках, % по массе, не более
1
0,25
2
0,25
3
0,25
марок по дробимости Др г8, Др12 и Др16 не более 1 %, в том числе
содержание глины в комках — до 0,25%.
Содержание органических примесей в крупном заполнителе
проверяют, пользуясь той же методикой, которая применяется для
песка. Гравий и щебень из гравия при обработке водным раствором едкого натра не должны придавать раствору окраску темнее
эталона.
Водопотребность является важной технологической характеристикой заполнителя. Зерна заполнителя поглощают воду и адсорбируют ее на своей поверхности, поэтому необходимо регулировать
количество воды затворения с учетом «смачивания» заполнителя,
'чтобы получить нужную удобоукладываемость бетонной смеси.
Вода, применяемая для затворения бетонной смеси и поливки
бетона, не должна содержать вредных примесей, препятствующих
нормальному схватыванию и твердению вяжущего вещества. Для
затворения бетонной смеси применяют водопроводную питьевую
воду, а также природную воду (рек, естественных водоемов), имеющую водородный показатель pH не менее 4, содержащую не более
5000 мг/л минеральных солей, в том числе сульфатов не более
2700 мг/л (в пересчете на S04").
Морскую воду с содержанием солей не более 3,4% разрешается
применять для затворения и поливки бетона на портландцементе
при бетонировании массивных неармированных конструкций в тех
случаях, когда допускается появление выцветов (высолов) на поверхности сооружения.
Допускается применение оборотной воды и конденсата из камер пропаривания при содержании в них остатков смазки не более
0,1% по массе — после экспериментальной проверки в бетоне.
Не допускается применять болотные, а также сточные бытовые
и промышленные воды без их очистки.
§ 2. Применение тяжелого бетона
Тяжелый бетон является основным видом бетона для железобетонных конструкций.
217
--------------- page: 110 -----------
Проектные марки тяжелого бетона по прочности на сжатие!
М50, М75, Ml00, Ml50, М200, М250, М300, М350, РЛ400, М450,
М500, М600, М700, М800. Марки М250, М350 и М450 предусматри*
вают при условии, что это приводит к экономии цемента. Бетоны
высоких марок (М500—М800) нужны для предварительно напряженных железобетонных конструкций. При этом надо учесть, что
бетон на плотном заполнителе имеет меньшую усадку и ползучесть
по сравнению с легким бетоном на пористом заполнителе и ячеи»
стым бетоном. Поэтому и потери предварительного напряжения
арматуры при тяжелом бетоне меньше. Кроме того, он хорошо защищает стальную арматуру от коррозии, что особенно важно для
предварительно напряженных конструкций, работающих в агрессивных условиях.
Высокопрочный бетон М600—Ml ООО получают на основе высокопрочного портландцемента, промытого песка и щебня не ниже
Ml 200—Ml 400.
Малоподвижные и жесткие смеси приготовляют с низкими
В/Ц=0,27—0,45 в бетоносмесителях принудительного действия
(например, турбинных). Для плотной укладки этих смесей при
формовании изделий и конструкций используют интенсивное уплотнение: вибрирование с пригрузом, двойное вибрирование, сильное прессование. Значительно облегчают уплотнение суперпластификаторы, не понижающие прочности бетона.
Высокопрочные бетоны являются, как правило, и быстротвер-
деющими. Однако для ускоренного достижения отпускной прочности бетона в изделиях обычно требуется тепловая обработка, которая может проводиться по сокращенному режиму. Новые особо
быстротвердеющие цементы дают возможность обойтись без тепловой обработки, так как бетон достигает нужной прочности в «естественных» условиях твердения при температуре 20—2б°С. Применение высокопрочных бетонов взамен бетона М400 дает возможность уменьшить расход арматурной стали на 10—20% и сократить
объем бетона на 10—30%.
Проектные марки тяжелого бетона по прочности на осевое растяжение: Р10, Р15, Р20, Р25, РЗО, Р35, Р40. Высокое сопротивление
растяжению требуется от дорожного, аэродромного, гидротехнического и других специальных бетонов.
Тяжелый бетон хорошо сопротивляется поверхностному износу,
что важно для цементно-бетонных дорог и полов промышленных
зданий. Хорошие защитные свойства против радиоактивных излучений предопределяют его широкое применение в конструкциях
биологической защиты атомных реакторов.
Проектные марки тяжелого бетона по морозостойкости: Мрз50,
Мрз75, МрзЮО, Мрз150, Мрз200, МрзЗОО, Мрз400 и Мрз500.
Бетоны высокой морозостойкости применяют для тех частей сооружений, которые подвергаются многократному замораживанию
и оттаиванию во влажном состоянии. Это зона переменного уровня
гидротехнических сооружений, конструкции железобетонных градирен, цементно-бетонные покрытия дорог и аэродромов и т. п.
218
Морозостойкость зависит от качества исходных материалов, состава бетона и тщательности производства работ, которые и определяют структуру бетона *. Рекомендуется применять сульфатостойкий портландцемент, являющийся одновременно и морозостойким. В этом цементе содержится лишь небольшое количество
трехкальциевого алюмината (до 5%), снижающего морозостойкость. В него не вводят минеральные добавки (кромегипса).Заполнители должны быть чистые: промытый кварцевый песок, щебень из
плотных изверженных горных пород с водопоглощением не более
0,5% (по массе).
Решающее значение на морозостойкость оказывает структура
бетона и прежде всего капиллярная пористость. Поэтому важнейшим требованием к составу бетона является ограничение величины
В/Ц в зависимости от суровости работы бетона в той или иной зоне
сооружения: а) для бетона Мрз500 рекомендуется принимать В/Ц
не более 0,4; б) Мрз400 — не более 0,45; в) МрзЗОО — не более 0,5;
г) Мрз200 — не более 0,55.
Для повышения морозостойкости и водонепроницаемости бетона применяют добавки поверхностно-активных веществ.
Мелкозернистый (цементный) бетон применяют при изготовлении тонкостенных, в том числе армоцементных конструкций. Его
целесообразно использовать и для обычных железобетонных конструкций, когда на месте нет крупного заполнителя, а возить заполнитель далеко и дорого. Мелкозернистый бетон отличается от
обычного большим содержанием цементного камня, поэтому его
усадка и ползучесть несколько выше.
Главные недостатки тяжелого бетона — большая объемная масса и высокая теплопроводность.
Глава 34
ЛЕГКИЕ БЕТОНЫ
§ 1. Легкий бетон на пористых заполнителях
Материалы для изготовления легкого бетона. Для легкого бетона используют быстротвердеющий и обычный портландцементы, а
также шлакопортландцемент. Применяют в основном неорганические пористые заполнители. Для теплоизоляционных и некоторых
видов конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов используют и органические заполнители, приготовленные из древесины,
стеблей хлопчатника, костры, гранулы пенополистирола (стиропор-
бетон) и др.
Неорганические пористые заполнители отличаются большим
разнообразием, их подразделяют на природные и искусственные.
*
О. В. Кунцевич, В. М. Москвин, Н. А. Мощанский, В. В. Стольников, С. В. Шестоперов и др.
219
--------------- page: 111 -----------
Природные пористые заполнители получают путем частичного
дробления и рассева или только рассева горных пород (пемзы,
вулканического туфа, известняка-ракушечника и др.). Искусственные пористые заполнители являются продуктами термической обработки минерального сырья и разделяются на специально изготовленные и побочные продукты промышленности (топливные шлаки
и золы, отвальные металлургические шлаки и др.).
Керамзитовый гравий получают путем обжига гранул, приготовленных из вспучивающихся глин. Это легкий и прочный заполнитель объемной насыпной массой 250—800 кг/м3. В изломе гранула керамзита имеет структуру застывшей пены. Спекшаяся оболочка, покрывающая гранулу, придает ей высокую прочность. В
процессе обжига (до 1200°С) легкоплавкая глина переходит в пиро-
пластическое состояние и вспучивается вследствие выделения внутри каждой гранулы газообразных продуктов. Они образуются при
дегидратации слюдистых минералов и выгорании органических
примесей. Вспучиванию способствует выделение СОг в реакции
восстановления окиси железа до закиси, протекающей при обжиге
в восстановительной среде (содержащей СО) : Ре20з+С0 = С02 +
+ 2FeO.
Керамзит, обладающий высокой прочностью и легкостью, является основным видом пористого заполнителя.
Керамзитовый песок (зерна до 5 мм) получают при производстве керамзитового гравия (правда, в небольших количествах), а
также по методу кипящего слоя, обжигом глиняных гранул во
взвешенном состоянии. Кроме того, его можно получать дроблением зерен гравия размером более 40 мм и сваров.
Шлаковую пемзу изготовляют путем быстрого охлаждения расплава металлургических (обычно доменных) шлаков, приводящего
к вспучиванию. Куски шлаковой пемзы дробят и рассеивают, получая пористый щебень. Производство шлаковой пемзы развивается
в районах развитой металлургии. Здесь себестоимость шлаковой
пемзы ниже, чем керамзита.
Гранулированный металлургический шлак получают в виде
крупного песка с пористыми зернами размером 5—7 мм, иногда
до 10 мм.
Вспученный перлит изготовляют путем обжига водосодержащих
вулканических стеклообразных .пород (перлитов, обсидианов). При
температуре 950—1200°С вода выделяется и перлит увеличивается
в объеме в 10—20 раз. Вспученный перлит применяют для производства легких бетонов и теплоизоляционных изделий.
Вспученный вермикулит—пористый сыпучий материал, полученный путем обжига водосодержащих слюд. Этот заполнитель используют для изготовления теплоизоляционных легких бетонов.
Топливные отходы (топливные шлаки и золы) образуются в качестве побочного продукта при сжигании антрацита, каменного
угля, бурого угля и других видов твердого топлива. На основе золы
выпускают зольный гравий.
Топливные шлаки — пористые кусковые материалы, получаю220
щиеся в топке в результате спекания и вспучивания неорганических (в основном глинистых) примесей, содержащихся в угле.
Шлаки подвергаются частичному дроблению, рассеву и обогащению для удаления вредных примесей (несгоревшего угля, золы
и др.). На основе зол выпускают зольный и глинозольный гравий.
Аглопорит получают при обжиге глиносодержащего сырья
(с добавкой 8—10% топлива) на решетках агломерационных машин. Каменный уголь выгорает, а частицы сырья спекаются. Применяют местное сырье: легкоплавкие глинистые и лёссовые породы,,
а также отходы промышленности — золы, топливные шлаки и углесодержащие шахтные породы. Аглопорит выпускают в виде пористого песка, щебня и гравия.
Шунгизит изготовляют обжигом шунгитовых сланцевых пород.
Наивыгоднейшее сочетание показателей объемной массы, теплопроводности, прочности и расхода цемента для легких бетоноа
достигается при наибольшем насыщении бетона пористым заполнителем, что требует слитного (сближенного) размещения зерен заполнителя в объеме бетона. В этом случае в бетоне будет содержаться меньше цементного камня, являющегося самой тяжелой:
частью легкого бетона, а стальная арматура будет защищена от
коррозии. Наибольшее насыщение бетона пористым заполнителем
возможно только при правильном подборе зернового состава смеси мелкого и крупного пористых заполнителей, а также при использовании технологических факторов (интенсивного уплотнения, пластификаторов и др.).
Пористые заполнители, так же как и плотные, делят на крупные
(пористый гравий или щебень) с размером кусков 5—40 мм и мелкие (пористый песок), состоящие из частиц менее 5 мм. Пористый
песок рассеивают на две фракции — до 1,2 мм (мелкий песок) и
1,2—5 мм (крупный песок). Пористый щебень (гравий) следуег
разделять на фракции — 5—10, 10—20, 20—40 мм.
По объемной насыпной массе в сухом состоянии (кг/м3) пористые заполнители разделяют на марки 100, 150, 200, 250, 300, 350,.'
400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 и 1200.
Прочность пористого щебня (гравия) определяют по стандартной методике путем раздавливания зерен в стальном цилиндре.
Зерна большинства пористых заполнителей имеют шероховатую-
поверхность, поглощают значительное количество воды затворения,
поэтому легкобетонные смеси являются, как правило, недостаточно'
удобоукладываемыми, нуждаются в принудительном смешивании и
в интенсивном уплотнении (вибрировании под нагрузкой, вибропрокате, вибротрамбовании и др.), которое более эффективно при
применении пластифицирующих добавок.
Основы теории легких бетонов, включающие общий метод определения оптимального количества воды затворения для легкобетонной смеси, разработал Н. А. Попов*. Этот метод основан на
*
техники РСФСР, выдающийся ученый в области вяжущих веществ, строительных
растворов и бетонов, известный педагог и общественный деятель.
221
--------------- page: 112 -----------
*
1
/
1
%
/
1
1
\
1
1
\
/
ч
100
Расход
200
300
кг/м3
т
ар
0,7
0,6
и,о
0,ь
Вопт
100 200 300
Расход Воды, ке/м3
зависимости прочности легкого бетона и коэффициента выхода от расхода воды (рис. 99). Коэффициент
выхода р вычисляют по формуле
р =
Уц + VU + VK
где Voc, Vn, VM, VK —объемы: уплотненной бетонной смеси, цемента,
мелкого и крупного заполнителей;
Р —всегда меньше единицы (0,6—
0,8).
Кривая
от расхода
т
зависимости прочности
воды имеет две ветви.
Левая (восходящая) показывает,
что прочность бетона при повышении расхода воды постепенно возрастает. Это объясняется увеличением удобоукладываемости бетонной смеси и плотности бетона. Правая (нисходящая) ветвь кривой свидетельствует о том, что после достижения наибольшего уплотнения смеси (т. е. минимального коэффициента выхода) увеличение расхода воды приводит к возрастанию объема
пор, образованных несвязанной цементом водой, и к понижению
прочности бетона.
В легком бетоне отчетливо проявляется вредное влияние как
недостатка, так и избытка воды затворения.
Прочность легкого бетона R, по Н. А. Попову, зависит от марки
цемента, цементно-водного отношения, прочности пористого заполнителя и может быть приближенно определена по формуле, имеющей 6 определенных границах Ц/В такой же вид, как и для тяжелых бетонов:
Рис. 99.
легкого
выхода
в„„„
Зависимость прочности
бетона и коэффициента
от расхода воды затворения:
— оптимальное количество воды
где А% и Ьг — безразмерные параметры.
. Чем ниже прочность пористого заполнителя, тем меньше величины Аъ и £>2.
При оптимальном количестве воды затворения, подобранном
.для применяемых цемента и заполнителей, прочность легкого бетона зависит главным образом от марки и расхода цемента (формула Н. А. Попова):
R = kRn( Ц-Ц0),
где k и Ц0 — параметры, определяемые путем испытания образцов
бетона, изготовленных с оптимальным количеством воды, но с разными расходами цемента и твердевших в тех же условиях, что и
222
легкобетонные изделия (k — безразмерный, Ц0 имеет размерность
расхода цемента).
Теория легких бетонов развита в работах А. И. Ваганова,
К. С. Завриева, И. А. Иванова, М. 3. Симонова и др.
Свойства легкого бетона. В зависимости от предела прочности
при сжатии легкие бетоны на пористых заполнителях подразделяют на марки: М25, М 35, М50,
М75, М100, Ml50, М200, М250,
М300, М350, М400.
Для изготовления высокопрочных легких бетонов (имеющих объемную массу 1600—
1800 кг/м3) применяют более
прочный пористый заполнитель
(с объемной насыпной массой
600—800 кг/м3), а пористый
песок частично или полностью
заменяют плотным.
Наиболее важной наряду с
прочностью характеристикой
легкого бетона является объемная масса. В зависимости от
объемной массы и назначения
легкие бетоны делят на следующие группы: 1) теплоизоляционные с объемной массой до 500 кг/м3; 2) конструкционно-теплоизоляционные (для ограждающих конструкций — наружных стен,
покрытий зданий) с объемной массой 500—1400 кг/м3; 3) конструк-
, ционные с объемной массой 1400—1800 кг/м3.
Уменьшить объемную массу легких бетонов можно путем образования в цементном камне мелких замкнутых пор. Для поризации
цементного камня, являющегося самой тяжелой составной частью
легкого бетона, используют небольшие количества пенообразующих
или газообразующих веществ;. Мелкие и равномерно распределенные поры в цементном камне йезначительно понижают прочность,,
но зато существенно уменьшают объемную массу и теплопроводность легкого бетона.
Теплопроводность легких бетонов зависит в основном от объемной массы и влажности (рис. 100). Увеличение объемной влажности легкого бетона на 1% повышает теплопроводность на 0,016—
0,035 Вт/(м-°С).
В зависимости от теплопроводности легкого бетона толщина наружной стены может изменяться от 20 до 40 см.
Наружные ограждающие конструкции из легких бетонов подвергаются воздействию попеременного замораживания и оттаивания, увлажнения и высыхания. Поэтому легкие бетоны, применяемые для наружных стен, покрытий зданий, а также для конструкций мостов, гидротехнических сооружений, должны обладать определенной морозостойкостью.
Sf
<1
600 800 1000 1200 M0 1S00 1Ш
ОПьемная масса детоно8укг/м3
Рнс. 100. Зависимость теплопроводности
легких бетонов от объемной массы:
/ — керамзитобетон; 2 — перлитобетон; 3 —
шлакопемзобетон; 4— аглопоритобетон
k,
^ —
'М-
223-
--------------- page: 113 -----------
По морозостойкости легкие бетоны делят на марки: Мрз15,
Мрз25, Мрз35, Мрз50, Мрз75, МрзЮО, Мрз150, Мрз200, МрзЗОО,
Мрз400, МрзбОО. Для наружных стен обычно применяют бетоны с
морозостойкостью не менее 15—25 циклов попеременного замораживания и оттаивания.
Возможность получения легких бетонов с высокой морозостойкостью и малой водопроницаемостью значительно расширяет области их применения. Бетоны на пористых заполнителях уже успешно
используют в мостостроении, гидротехническом строительстве и да--
же в судостроении.
Водонепроницаемость плотных конструкционных легких бетонов
может быть высокой. Керамзитобетон с расходом цемента 300—
350 кг/м3 не пропускает воду даже при давлении 2МПа. Малая водопроницаемость плотных легких бетонов подтверждается долголетней эксплуатацией возведенных из них гидротехнических сооружений (например, в Армении и Грузии), а также испытанием напорных железобетонных труб. Характерно, что со временем водонепроницаемость легких бетонов повышается.
Легкий бетон является эффективным универсальным материалом и его применение в десятой пятилетке возрастет примерно в
2 раза.
§ 2. Крупнопористый бетон
В состав крупнопористого (беспесчаного) бетона входят гравий
или щебень крупностью 5—20 мм, портландцемент или шлакопорт-
ландцемент МЗОО—М400 и вода. За счет исключения песка из состава крупнопористого бетона его объемная масса уменьшается
примерно на 600—700 кг/м3 и составляет 1700—1900 кг/м3. Отсутствие песка и ограниченный расход цемента (70—150 кг/м3) позволяют получить пористый бетон с теплопроводностью 0,55—
0,8 Вт/(м-°С) и марками М15—М75. Крупнопористый бетон целесообразно применять в районах, богатых гравием. Из крупнопористого бетона возводят монолитные наружные стены зданий, изготовляют крупные стеновые блоки. Стены из крупнопористого бетона
оштукатуривают с двух сторон, чтобы устранить продувание.
Крупнопористый бетон на пористом заполнителе (керамзитовом
гравии и т. п.) имеет небольшую объемную массу (500—700 кг/м3)
и используется как теплоизоляционный материал.
§ 3. Гипсобетон
Гипсобетон изготовляют на основе строительного гипса, высокопрочного гипса или гипсоцементнопуццоланового вяжущего,
обеспечивающего получение водостойких изделий. Для уменьшения объемной массы стремятся применять пористые заполнители
(топливные шлаки, керамзитовый гравий, шлаковую пемзу и т. п.),
а также комбинированный заполнитель из кварцевого песка и древесных опилок. С этой же целью вводят порообразующие добавки,
.224
позволяющие снизить объемную массу гипсобетона. Для повышения прочности на изгиб и уменьшения хрупкости в состав гипсобетона вводят волокнистые наполнители (древесные волокна, измельченную бумажную массу и т. п.).
Крупноразмерные изделия изготовляют способом непрерывного
вибропроката на специальных станах. Отформованные затвердевшие изделия высушивают в сушильных камерах.
Объемная масса гипсобетонов в зависимости от применяемого
заполнителя и водогипсового отношения составляет 1000—
1600 кг/м3, а марки М25, М50.
Гипсобетон широко применяют для изготовления сплошных и
пустотелых плит перегородок. Плиты можно армировать штукатурной дранью, камышом и т. п. Стальная арматура (проволока)
должна быть защищена от коррозии специальной обмазкой (цементно-казеиновой, битумной или полимерной). На водостойком
гипсоцементнопуццолановом вяжущем изготовляют мелкие камни
и крупные блоки для внутренних и наружных стен жилых, сельскохозяйственных производственных зданий с относительной влажностью помещений до 75%.
§ 4. Ячеистый бетон
Ячеистый бетон является разновидностью легкого бетона, его
получают в результате затвердевания вспученной при помощи по-
рообразователя смеси вяжущего, кремнеземистого компонента и
воды. При вспучивании исходной смеси образуется характерная
«ячеистая» структура бетона с равномерно распределенными по
объему воздушными порами. Благодаря этому ячеистый бетон имеет небольшую объемную массу и малую теплопроводность.
Пористость ячеистого бетона сравнительно легко регулировать
в процессе, изготовления, в результате получают бетоны разной объемной массы и назначения. Ячеистые бетоны делят на три группы:
теплоизоляционные объемной массой в высушенном состоянии не
более 500 кг/м3; конструкционно-теплоизоляционные (для ограждающих конструкций) объемной массой 500—900 кг/3; конструкционные (для железобетона) объемной массой 900—1200 кг/м3.
Материалы для ячеистого бетона. Вяжущим для цементных ячеистых бетонов обычно служит портландцемент. Бесцементные ячеистые бетоны (газо- и пеносиликат) автоклавного твердения изготовляют, применяя молотую негашеную известь.
Вяжущее применяют совместно с кремнеземистым компонентом,
содержащим двуокись кремния.
Кремнеземистый компонент (молотый кварцевый песок, зола-
унос ТЭС и молотый гранулированный доменный шлак) уменьшает
расход вяжущего, усадку бетона и повышает качество ячеистого
бетона. Кварцевый песок обычно размалывают мокрым способом
и применяют в виде песчаного шлама. Измельчение увеличивает
удельную поверхность кремнеземистого компонента и повышает
его химическую активность. Встречается тонкодисперсный природный кварц — маршаллит с частицами 0,01—0,06 мм.
8—664
225
--------------- page: 114 -----------
Возрастает применение побочных продуктов промышленности
(золы-уноса, доменных шлаков, нефелинового шлама) для изготовления ячеистого бетона.
Соотношение между кремнеземистым компонентом и вяжущим
устанавливают опытным путем. При перемешивании материалов в
смесителе получают исходную смесь — тесто, состоящее из вяжущего, кремнеземистого компонента и воды.
Вспучивание теста вяжущего может осуществляться двумя способами: 1) химическим, когда в тесто вяжущего вводят газообразующую добавку и в смеси происходят химические реакции, сопровождающиеся выделением газа; 2) механическим, заключающимся
в том, что тесто вяжущего смешивают с отдельно приготовленной
устойчивой пеной.
В зависимости от способа изготовления ячеистые бетоны делят
на газобетон и пенобетон. У нас и за рубежом развивается производство преимущественно газобетона. Его технология более проста и позволяет получить материал пониженной, объемной массы
со стабильными свойствами. Пена же не отличается стабильностью,
что вызывает колебания объемной массы и прочности пенобетона.
Газобетон и газосиликат. Газобетон приготовляют из смеси
портландцемента (часто с добавкой воздушной извести или едкого
натра), кремнеземистого компонента и газообразователя.
По типу химических реакций газообразователи делят на следующие виды: вступающие в химическое взаимодействие с вяжущим или продуктами его гидратации (алюминиевая пудра); разлагающиеся с выделением газа (пергидроль Н2О2); взамодействую-
щие между собой и выделяющие газ в результате обменных реакций (например, молотый известняк и соляная кислота).
Чаще всего газообразователем служит алюминиевая пудра, которая, реагируя с гидратом окиси кальция, выделяет водород по
реакции
ЗСа(ОН)2 + 2А1 + 6Н20 = ЗН2 \ + ЗСаО • А1203 • 6НгО
Согласно уравнению химической реакции 1 кг алюминиевой
пудры выделит в нормальных условиях 1,245 м3 водорода. При повышении температуры объем газа возрастает и, например, при
40°С составит 1,425 м3. На практике расходуется большее количество алюминиевой пудры, так как она содержит менее 100% активного алюминия и, кроме того, часть газа теряется в процессе перемешивания и вспучивания раствора.
Это учитывается с помощью коэффициента газоудержания kп,
представляющего отношение объема газа, удержанного газобетонной смесью Ку, к теоретическому объему выделяемого газа Кт при
данной температуре:
kry = Ky/VT.
Коэффициент газоудержания обычно составляет 0,7—0,85; на
изготовление 1 м3 ячеистого бетона объемной массой 600—700 кг/м3
расходуется 0,4—0,5 кг алюминиевой пудры.
Алюминиевую пудру вводят в виде суспензии, для придания
22(5
пудре гидрофильных свойств ее обрабатывают водным раствором
поверхностно-активного вещества (СДБ, канифольного мыла и др.).
Литьевая технология предусматривает отливку изделий, как
правило, в отдельных формах из текучих смесей, содержащих до
50—60% воды от массы сухих компонентов (водотвердое отношение В/Т = 0,5—0,6). При изготовлении газобетона применяемые материалы — вяжущее, песчаный шлам и вода, дозируют и подают в
самоходный газобетоносмеситель, в котором их перемешивают 4—-
5 мин; затем в приготовленную смесь вливают водную суспензию
алюминиевой пудры и после последующего перемешивания теста с
алюминиевой пудрой газобетонную смесь заливают в металлические формы на определенную высоту с таким расчетом, чтобы после
вспучивания формы были заполнены доверху.
Избыток смеси («горбушку») после схватывания срезают проволочными струнами. Для ускорения газообразования, а т'акже
процессов схватывания и твердения применяют «горячие» смеси на
подогретой воде с температурой в момент заливки в формы около
40°С.
Тепловую обработку ячеистого бетона производят преимущественно в автоклавах в среде насыщенного водяного пара при
температуре 175—200°С и давлении 0,8—1,3 МПа. Автоклавы представляют собой герметически закрывающиеся цилиндры диаметром
до 3,6 м и длиной до 32 м. Во влажной среде и при повышенной
температуре кремнеземистый компонент проявляет химическую
активность и вступает в соединение с гидроокисью кальция с образованием гидросиликатов кальция' придающих ячеистому бетону
повышенную прочность и морозостойкость.
Автоклавную обработку производят по определенному режиму
с учетом типа и массивности изделий. Чтобы не появились трещины в изделиях, предусматривают плавный подъем и спуск температуры и давления (в течение 2—6 ч); время выдержки изделий при
максимальной температуре составляет 5—8 ч.
Вибрационная технология газобетона заключается в том, что во
время перемешивания в смесителе и вспучивания в форме смесь
подвергают вибрации. Тиксотропное разжижение, происходящее
вследствие ослабления связей между частицами, позволяет уменьшить количество воды затворения на 25—30% без ухудшения удо-
боформуемости смеси. В смеси, подвергающейся вибрированию, ускоряется газовыделение — вспучивание заканчивается в течение
5—7 мин вместо 15—20 мин при литьевой технологии. После прекращения вибрирования газобетонная смесь быстро (через 0,5—1,5 ч)
приобретает структурную прочность, позволяющую разрезать изделие на блоки, время автоклавной обработки также сокращается.
Разработаны новые технологические приемы изготовления ячеистого бетона из холодных смесей (с температурой около 20°С) с добавками поверхностно-активных веществ и малым количеством
воды. Такой газобетон на цементе после обычного пропаривания
при атмосферном давлении достигает прочности автоклавного бе-
8*
227
--------------- page: 115 -----------
тона, изготовленного по литьевой технологии, что дает большой
экономический эффект.
Принципы вибрационной технологии разработаны советскими
учеными.
Резательная технология изготовления изделий из ячеистого бетона предусматривает формование вначале большого массива
(объемом 10—12 м3, высотой до 2 м). После того как бетон наберет
структурную прочность, массив разрезают в горизонтальном и вертикальном направлениях на прямоугольные элементы, а затем подвергают тепловой обработке. Полученные элементы калибруют на
специальной фрезерной машине, а затем отделывают их фасадные
поверхности.
Из готовых элементов, имеющих точные размеры, собирают на
клею плоские или объемные конструкции, используя стяжную арматуру. Таким путем получают большие стеновые панели размером
на одну или две комнаты и высотой на этаж.
Газосиликат автоклавного твердения в отличие от газобетона
изготовляют на основе известково-кремнеземистого вяжущего, используя местные дешевые материалы — воздушную известь и песок, золу-унос и металлургические шлаки. Соотношение между известью и молотым песком колеблется от 1:3 до 1:4,5 (по массе),
при этом извести расходуется 120—180 кг на 1 м3 газосиликата.
Изделия из газосиликата приобретают нужную прочность и морозостойкость только после автоклавной обработки, обеспечивающей
химическое взаимодействие между известью и кремнеземистым
компонентом и образование нерастворимых в воде гидросиликатов
кальция.
Пенобетон и пеносиликат. Пенобетон приготовляют, смешивая
раздельно приготовленные растворную смесь и пену, образующую
воздушные ячейки. Растворную смесь получают из вяжущего (цемента или воздушной извести) кремнеземистого компонента и воды, как и в технологии газобетона.
Пену приготовляют в лопастных пеновзбивателях или центробежных насосах из водного раствора пенообразователей, содержащих поверхностно-активные вещества. Применяют гидролизованную кровь (ГК), клееканифольный, смолосапониновый, алюмосуль-
фонафтеновый и синтетические пенообразователи. Стабилизаторами пены служат добавки раствора животного клея, жидкого стекла
или сернокислого железа; минерализаторами же являются цемент
и известь.
Из бункера, перемещающегося вдоль фронта форм-вагонеток,
пенобетонная смесь поступает в формы. Для сокращения времени
выдержки и ускорения оборачиваемости форм добавляют хлористый кальций, поташ и другие вещества, ускоряющие структурооб-
разование.
Свойства .ячеистых бетонов. Прочность и объемная масса являются главными показателями качества ячеистого бетона. Объемная
масса, колеблющаяся от 300 до 1000 кг/м3, косвенно характеризует
пористость ячеистого бетона (соответственно 85—60%). Поэтому
228
зависимость свойств бетона от объемной массы, представленная на
рис. 101, выражает, в сущности, влияние пористости. Возрастание
объемной массы ячеистого бетона с 300 до 1200 кг/м3 сопровождается, как видно из рис. 101, закономерным увеличением его прочности и теплопроводности.
Марка ячеистого бетона по прочности обозначает предел прочности при сжатии базовых кубов с ребром 150 мм, имеющих среднюю влажность 10±2% (по массе). Контрольные образцы испытывают не ранее 12 ч после
тепловлажностной обработки, а при естественном твердении — через 28 суток выдерживания в нормальных
температурно - влажностных
условиях (влажность 90±
±5%, температура 20 ±
±2°С).
Установлены следующие
марки ячеистых бетонов по
прочности при сжатии: М15,
М25, М35, М50, М75, Ml00,
М150.
Водопоглощениг и морозостойкость зависят от величины и характера пористости ячеистого бетона и
плотности перегородок между макропорами (ячейками). Для снижения водо-
поглощения и повышения морозостойкости стремятся к созданию
ячеистой структуры с замкнутыми порами. Этому способствует вибрационная технология, так как при вибрации газобетонной смеси
разрушаются крупные ячейки, снижающие морозостойкость и однородность материала.
Установлены следующие марки ячеистого бетона по морозостойкости: Мрз15, Мрз25, Мрз35, Мрз50, Мрз75, МрзЮО. Для панелей
наружных стен применяют ячеистый бетон марок Мрз15, Мрз25 в
зависимости от влажности атмосферы в помещениях и климатических условий. Более высокая морозостойкость требуется от конструкционного ячеистого бетона, подвергающегося многократному
замораживанию и оттаиванию.
Теплопроводность ячеистого бетона зависит от объемной массы
и влажности.
Удельная теплоемкость ячеистого бетона составляет в среднем
0,84 кДж/(кг-°С).
Усадка зависит от состава ячеистого бетона, объемной массы и
условий твердения. Ячеистый бетон объемной массой 700—
800 кг/м3 в воздухе с 70—80%-ной относительной влажностью и
температурой 20°С имеет усадку 0,4—0,6 мм/м.
I
I
I
Рис. 101. Кривые, характеризующие изменение свойств ячеистого бетона в зависимости
от объемной массы:
/ — марка по прочности; 2 — водопоглощение по
объему; 3 — теплопроводность
229
--------------- page: 116 -----------
Применяют ячеистые бетоны для легких железобетонных конструкций и теплоизоляции. Широко распространены конструкционно-теплоизоляционные и теплоизоляционные ячеистые бетоны. Из
них изготовляют панели наружных стен и покрытий зданий, неар-
мированные стеновые и теплоизоляционные блоки, камни для стен.
Конструкции из ячеистых бетонов долговечны в зданиях с сухим и
нормальным режимами помещений при относительной влажности
воздуха 60—70%.
Для защиты от коррозии стальную арматуру покрывают цементно-битумной или цементно-полистирольной обмазкой,
§ 5. Технико-экономическая эффективность применения
легких бетонов
Конструкции из ячеистых бетонов отличаются высокими технико-экономическими показателями. Стены из ячеистого бетона в
1,3—2 раза легче стен из железобетонных слоистых и керамзитобетонных панелей, стоимость их также меньше. Удельные капиталовложения в строительство заводов ячеистого бетона на 30—40%
меньше, чем в строительство предприятий, выпускающих аналогичные конструкции из тяжелого и легкого бетона с пористым заполнителем. Поэтому применение ячеистого бетона постоянно расширяется. Эффективность ячеистого бетона возрастает при снижении
объемной массы и выпуске изделий полной заводской готовности.
Заводы переходят на массовое производство ячеистого бетона объемной массой 500—600 кг/м3.
Сравнительная оценка экономической эффективности материалов и конструкций дается на основе сопоставления «приведенных
затрат», определяемых с учетом капитальных вложений на производство продукции, себестоимости материала «в деле» (включая
затраты на транспорт и монтаж) и эксплуатационных расходов за
весь период службы конструкции (табл. 34).
Таблица 34
Экономическая эффективность, руб/м2 стены, легких бетонов
в наружных стенах промышленных зданий (по данным Я. А. Рекитара)
Вид конструкции
Стоимость
конструкции
в деле
Капитальные
вложения
Приведенные
затраты
Стена из глиняного кирпича толщи10,47
15,7
12,4
ной 38 см
То же, из силикатного кирпича
9,33
12,8
10,9
Керамзитобетонная панель толщиной
8,38
14,28
10,1
20 см
Газосиликатная панель толщиной 20 см
7,15
12,4
8,65
Асбестоцементная трехслойная панель
9,50
14,45
11,25
230
Легкий бетон на пористых заполнителях эффективнее тяжелого
бетона по показателю приведенных затрат: в наружных стенах —
на 12—25%, во внутренних несущих стенах — на 8—14%.
Конструкционные легкие бетоны с объемной массой 1700—
1800 кг/м3 и марками по прочности М200—М400 применяют в армированных конструкциях — легкобетонных фермах, пролетных
строениях мостов и др. Легкий железобетон при одинаковой прочности имеет массу на 25—30% меньше, чем тяжелый.
Высокие экономические показатели имеют силикатные ячеистые
бетоны автоклавного твердения, в особенности при использовании
для их изготовления промышленных отходов (шлаков и зол). Экономия приведенных затрат доходит до 18,7 руб/м3 бетона. Наиболее эффективны крупноразмерные изделия из автоклавных бетонов.
Однако даже применение ячеистобетонных камней взамен силикатного кирпича уменьшает массу стены в 3—4 раза, снижает затраты
труда на 25—30% и экономит капитальные вложения (до 15%).
Глава 35
СПЕЦИАЛЬНЫЕ БЕТОНЫ
§ 1. Гидротехнические бетоны
Гидротехнический бетон предназначается для конструкций, находящихся в воде или периодически соприкасающихся с водой, поэтому он должен обладать свойствами, необходимыми для длительной нормальной службы этих конструкций в данных климатических
и эксплуатационных условиях. Из гидротехнического бетона возводят плотины, шлюзы, гидростанции, набережные, сооружения промышленной гидротехники (градирни, отстойники и т. п.). Эти сооружения возводятся на долгий срок и их строительство требует огромного количества бетона.
Гидротехнический бетон должен иметь минимальную стоимость
и удовлетворять требованиям по прочности, долговечности, водостойкости, водонепроницаемости, морозостойкости, тепловыделению при твердении, усадке и трещиностойкости. Противоречивые на
первый взгляд требования высокого качества и низкой стоимости
можно выполнить, если выделить наружную зону массивного сооружения, подвергающуюся непосредственному влиянию среды, и
внутреннюю зону (рис. 102).
Бетон наружной зоны в зависимости от расположения в сооружении по отношению к уровню воды делят на бетон подводный (находящийся постоянно в воде), переменного уровня воды и надводный, находящийся выше уровня воды.
В самых суровых условиях служит бетон, расположенный в области переменного уровня воды, он многократно замерзает и оттаивает, находясь все время во влажном состоянии. Это же относится
к бетону водосливной грани плотины, морских сооружений (прича-
231
--------------- page: 117 -----------
лов, пирсов, молов и т. д.), градирен, служащих для охлаждения
оборотной воды на тепловых электростанциях, предприятиях металлургической и химической промышленности. Этот бетон должен
обладать высокой плотностью и морозостойкостью. Правильный
выбор цемента, применение морозостойких заполнителей, подбор
состава плотного бетона и тщательное производство бетонных работ обеспечивают получение долговечного бетона.
Рис. 102. Гидротехнический зональный бетой:
а — глухой плотины; б — водосливной плотины; 1 — подводный; 2 — переменного уровня; 3 —надводный; 4 — наружной зоны; 5 — внутренней зоны
Бетон внутренней зоны массивных конструкций защищен наружным бетоном от непосредственного воздействия среды. Главное
требование к этому бетону — минимальная величина тепловыделения при твердении, так как неравномерный разогрев массива может вызвать образование температурных трещин. Малое тепловыделение имеет шлакопортландцемент, поэтому его и применяют для
внутримассивного бетона наряду с пуццолановым портландцементом; эти цементы экономичнее портландцемента и к тому же хорошо противостоят выщелачиванию Са(ОН)2. Требования к физикомеханическим свойствам бетона внутренней зоны не столь высоки:
марки по прочности М100, М150, по водонепроницаемости В2, В4.
Марку бетона по водонепроницаемости назначают в зависимости от напорного градиента, равного отношению максимального напора (м) к толщине конструкции (м) или к толщине бетона наружной зоны конструкции (при наличии зональной разрезки):
Напорный градиент
До 5
5—10
10—12
12 и более
Марка бетона по водонепроницаемости
В4
В6
В8
В12
232
Для конструкций с напорным градиентом более 12 на основании
опытов могут назначаться марки по водонепроницаемости выше В12.
Стойкость бетона к воздействиям среды определяется комплексом его свойств: морозостойкостью, малым водопоглощением, небольшими деформациями усадки.
Марку бетона по морозостойкости назначают в зависимости от
климатических условий и числа расчетных циклов попеременного
замораживания и оттаивания в течение года.
Установлены следующие марки гидротехнического бетона по
морозостойкости: МрзЮО, Мрз150, Мрз200, МрзЗОО, Мрз400,
Мрз500.
Водопоглощение гидротехнического бетона характеризуется
величиной капиллярной всасываемости при погружении в воду образцов 28-суточного возраста, высушенных до постоянной массы
при температуре 105°С. Водопоглощение бетона зоны переменного
уровня воды не должно превышать 5% (от массы высушенных образцов), для бетонов других зон — не более 7%.
Линейная усадка бетона при относительной влажности воздуха
60% и температуре 18°С в возрасте 28 сут не превышает 0,3 мм/м,
в возрасте 180 сут — 0,7 мм/м. Предельно допустимые величины набухания установлены: в возрасте 28 сут — 0,1 мм/м, 180 сут —
0,3 мм/м (по сравнению с высушенными до постоянной массы при
60°С эталонными образцами).
Применяют гидротехнический бетон для возведения монолитных
сооружений и изготовления сборных железобетонных конструкций
и изделий. Сборные железобетонные конструкции используют для
устройства мостовых переходов через плотины и при сооружении
машинных зданий гидроэлектростанций. Такие конструкции целесообразно изготовлять на стендах вблизи строительной площадки
или непосредственно на специально оборудованных железнодорожных платформах. Требуется тщательное омоноличивание стыков
сборных элементов.
Сборный железобетон находит все более широкое применение в
строительстве каналов, судоходных шлюзов и др. Одежду каналов
часто выполняют из железобетонных плит заводского изготовления.
Железобетонные сваи используют при возведении причалов,
устройстве оснований и т. п.
Долговечность железобетонных свай значительно повышается
после пропитки битумом или полимером. Сваи, имеющие 100%-ную
марочную прочность, сначала высушивают сухим воздухом в течение суток, а затем пропитывают битумом при температуре 120—
170°С. Пропитку производят в автоклавах под давлением 1—
1,2 МПа или в ваннах при нормальном давлении. В зависимости от
плотности бетона и способа пропитки глубина пропитки колеблется
от 1 до 5 см. Пропитка битумом значительно улучшается, если поверхность изделия предварительно покрыть раствором ГКЖ-94.
В этом случае можно обойтись без предварительной сушки изделий.
В энергетическом и промышленном строительстве все шире при233
--------------- page: 118 -----------
меняют железобетонные трубы взамен металлических труб.
По сравнению с металлическими трубами бетонные и железобетонные трубы имеют ряд преимуществ: долговечны, дешевле металлических, на их изготовление требуется меньше металла.
§ 2. Дорожный бетон и бетонные покрытия полов
промышленных зданий
Дорожный бетон предназначен для оснований и покрытий автомобильных дорог и аэродромов. Покрытие работает на изгиб как
плита на упругом основании, поэтому основной прочностной характеристикой бетона является проектная марка на растяжение при
изгибе.
Крупный заполнитель (щебень, гравий, щебень из шлака) обязательно проверяют на износостойкость в полочном барабане; она
нормируется в соответствии с назначением бетона.
Бетон дорожных покрытий подвергается совместному действию
воды и мороза при одновременном влиянии солей, использующихся
для предотвращения обледенения и облегчения очистки дорог от
льда. Поэтому бетон однослойных покрытий и верхнего слоя двухслойных покрытий должен иметь необходимую морозостойкость: в
суровом климате — не ниже Мрз200, в умеренном — Мрз150; в мягком — МрзЮО.
Чтобы получить морозостойкий бетон, применяют портландцемент М500 с содержанием трехкальциевого алюмината не более
10%, гидрофобный и пластифицированный портландцемента, а
В/Ц бетона ограничивают пределом 0,5—0,55. Бетон оснований дорожных покрытий изготовляют на портландцементе М300 и М400 и
шлакопортландцементе. Начало схватывания цемента должно быть
не ранее 2 ч, поскольку дорожный бетон нередко приходится перевозить на большие расстояния.
Бетонные покрытия полов промышленных зданий могут быть
монолитными и сборными. Бетон для пола должен хорошо сопротивляться действию истирания. При прочности бетона выше величины, называемой «порогом выкрашивания» и равной 30—40 МПа,
зерна заполнителя почти не выкрашиваются и основным фактором,
влияющим на истираемость, в этом случае является твердость заполнителя. Используют твердые заполнители из гранитов, диоритов и других изверженных горных пород. Искусственные заполнители повышенной вязкости и износостойкости получают путем переплавки некоторых горных пород, а также из металлургических
шлаков.
Для повышения плотности и износостойкости верхнего слоя покрытия втрамбовывают в свежеуложенный бетон порошок, приготовленный из твердых материалов — корунда, карборунда и т. п.
Износостойкость бетонного пола сильно возрастает при покрытии
его, например, эпоксидными полимерами, которые защищают бетон
одновременно и от химической коррозии.
234
§ 3. Бетон для защиты от радиоактивных излучений
Бетон предназначается для конструкций биологической защиты
атомных электростанций, предприятий по производству и переработке изотопов и т. п.
Защитная конструкция энергетических ядерных реакторов может иметь различную форму, но чаще применяется цилиндрическая (рис. 103). Из активной зоны идет поток нейтронов и у-лучей.
Рис. 103. Вертикальный бетонный цилиндрический корпус реактора АЭС со сферической внутренней поверхностью (по
А. Н. Комаровскому):
1 — арматурные тросы, осуществляющие предварительное напряжение
бетонного корпуса; 2 — парогенераторы; 3 — тепловая защита; 4 — активная зона; 5 — загрузочные трубы; 6 — станционное оборудование;
7 — ребра (в которых закреплена, наружная спиральная предварительно напряженная арматура); 8 — газодувка
Нейтронный поток включает быстрые, промежуточные и тепловые
нейтроны. Поглощение нейтронов в графите, стали и бетоне сопровождается образованием захватного ^-излучения, которое учитывается в расчетах защиты (рис. 104).
Защитные свойства бетонов определяются в основном плотностью (объемной массой бетона )и содержанием связанной воды,
являющейся замедлителем нейтронов. Для биологической защиты
наряду с тяжелым бетоном применяют особо тяжелые бетоны с
объемной массой 2500—6000 кг/м3. Гидратные бетоны содержат повышенное количество связанной воды (более 3% по массе). В борсодержащих бетонах бор входит в состав вяжущего, заполнителей
или специальных добавок.
Материалы, применяемые для сооружения бетонной защиты,
должны обеспечить возможно большую объемную массу бетона и
235
--------------- page: 119 -----------
определенное содержание водорода — обычно в виде воды, связанной с вяжущим.
Цементы. Применяют портландцемент или шлакопортландце-
мент, который выделяет при гидратации немного тепла и поэтому
хорошо зарекомендовал себя в массивных защитных конструкциях.
В качестве заполнителей используют тяжелые природные или
искусственные материалы. Для особо тяжелого бетона применяют
в качестве заполнителя
близкие по своим свойствам железные руды —
магнетит (FeeC^) и гематит (РегОз) с содержанием железа не менее 60%.
Бурый железняк (лимонит) РегОз-пНгО позволяет значительно повысить содержание связанной воды в гидратном бетоне. Баритовые руды
(или барит), содержащие
около 80% сульфата бария (BaSC>4), применяют
в качестве мелкого и крупного заполнителя.
Металлический крупный заполнитель получают из отходов металлообрабатывающих заводов, мелким заполнителем служит
кварцевый или лимонитовый песок, а также чугунная дробь. Свинцовая дробь дорогая и ее применяют при малой толщине защиты
для заделки отверстий в конструкциях, когда требуется бетон с
повышенными защитными свойствами. Объемная масса бетона на
металлическом заполнителе достигает 6000 кг/м3.
Бетон должен иметь заданную марку по прочности и относительно низкий модуль упругости, что позволяет снизить величину
растягивающих напряжений во внешней зоне защиты, вызываемых
односторонним нагревом. Кроме того, бетон, расположенный у
активного корпуса реактора, должен обладать достаточной стойкостью к воздействию излучений, быть огнестойким и жаростойким
даже при температурах, возможных при аварийном режиме реактора. Для массивных конструкций желательна меньшая теплота
гидратации цемента и минимальная усадка бетона (для предотвращения температурных и усадочных трещин), а также небольшая
величина коэффициента температурного расширения.
Механические свойства особо тяжелых магнетитового, гематито-
вого, лимонитового и баритового бетонов близки. Особо тяжелый
бетон имет марки по прочности Ml00, М200 и М300, при этом марки
на осевое растяжение составляют Р10, Р20.
В качестве дополнительной характеристики бетона, которую
учитывают в расчете толщины защиты, подбирают количество связанной воды (£i), исходя из того, что она связывается цементом
или входит в состав заполнителя (лимонита, серпентина), ТребуеРис. 104. Схема защиты реактора (по А. Н. Комаровскому):
а — активная зона; б — графит; в — стальной корпус;
г — бетон
236
мое количество связанной воды вычисляют по формуле
Bi >Hy6/11,1,
где Н — необходимое содержание водорода в бетоне, % по массе;
Y6 — объемная масса бетона, т/м3; 11,1—содержание водорода в
воде, %.
В табл. 35 приведены примерные составы особо тяжелого бетона на разных заполнителях.
Таблица 35
Примерные составы и объемйая масса особо тяжелого бетона
Наименование
Расходы материалов, кг/м3, при изготовлении бетона
с железной
рудой
с металлическим заполнителем
(дробь, обрезки стали)
Цемент
Мелкий заполнитель
Крупный заполнитель
Вода
Объемная масса бетона
Защитные свойств,
ловинного ослабления
389
1365
1762
184
3700
а бетона характеризу
(bi/«), вычисляемой
Ь1/2 = 0.693Х,
395
2637
2637
170
5839
ются толщиной слоя ПО-
ПО формуле
где \ — длина релаксации, см, численно равная толщине слоя данного материала, ослабляющего поток излучения в е раз (т. е. в
2,718 раза).
§ 4. Жаростойкий бетон
Жаростойкий бетон предназначается для промышленных агрегатов (облицовки котлов, футеровки печей и т. п.) и строительных
конструкций, подверженных нагреванию (например, для дымовых
труб). При действии высокой температуры на цементный камень
происходит обезвоживание кристаллогидратов и разложение гидрата окиси кальция с образованием СаО. Окись кальция при воздействии влаги гидратируется с увеличением объема и вызывает
растрескивание бетона. Поэтому в жаростойкий бетон на портландцементе вводя!1 тонко измельченные материалы, содержащие активный кремнезем Si02, который реагирует с СаО при температуре
700—900°С и в результате химических реакций, протекающих в
твердом состоянии, связывает окись кальция.
Цементы. Жаростойкий бетон изготовляют на портландцементе
с активной минеральной добавкой (пемзы, золы, доменного гранулированного шЛака, шамота). Шлакопортландцемент уже содержит добавку доменного гранулированного шлака и может успешно
применяться при температурах до 700°С. Портландцемент и шлако-
портландцемент нельзя применять для жаростойкого бетона, под-
237
--------------- page: 120 -----------
Рис. 105. Изделия и конструкции
из жаростойкого бетона:
а — двухслойный блок (основной и теплоизоляционный слон); б — футеровка
печи нз сборных элементов; в — элемент дымового борова
238
вергающегося кислой коррозии (например, действию сернистого ангидрида в дымовых трубах). В этом
случае следует применить бетон на
жидком стекле. Он хорошо противостоит кислотной коррозии и сохраняет свою прочность при нагреве до
1000°С.
Глиноземистый цемент можно
применять без тонкомолотой добавки, поскольку при его твердении не
образуется гидрат окиси кальция.
Еще' большей огнеупорностью (не
ниже 1580°С) обладает высокоглиноземистый цемент с содержанием
глинозема 65—80%; в сочетании с
высокоогнеупорным заполнителем
его применяют при температурах до
1700°С.
Столь же высокой огнеупорности
позволяют достигнуть фосфатные и
алюмофосфатные связующие: фосфорная кислота (Н3Р04), алюмофосфаты АЦНгРО^з и, магнийфос-
фаты Alg(Н2РО4) 2. Жаростойкие бетоны на фосфатных связующих
можно применять при температурах
до 1700°С, они имеют небольшую огневую усадку, термически стойки, хорошо сопротивляются истиранию.
Заполнитель для жаростойкого
бетона должен быть не только стойким при высоких температурах, но и
обладать равномерным температурным расширением.
Бескварцевые изверженные горные породы как плотные (сиенит,
диорит, диабаз, габбро), так и пористые (пемза, вулканические туфы,
пеплы) можно использовать для жаростойкого бетона, применяемого
при температурах до 700°С.
Для бетона, работающего- при
температурах 700—900°С, целесообразно применять бой обычного глиняного кирпича и доменные отваль*
ные шлаки с модулем основности не
более 1, не подверженные распаду.
При более высоких температурах заполнителем служат огнеупорные материалы: кусковой шамот, хромитовая руда, бой шамотных, хроммагнезитовых и других огнеупорных изделий.
Легкий жаростойкий бетон на пористом заполнителе имеет объемную массу менее 2100 кг/м3, его теплопроводность в 1,5—2 раза
меньше, чем у тяжелого бетона. Применяют пористые заполнители,
выдерживающие действие высоких температур (700—1000°С): керамзит, вспученный перлит, вермикулит, вулканический туф.
Ячеистый жаростойкий бетон отличается небольшой массой
(500—1200 кг/м3) и малой теплопроводностью.
Сборные элементы и монолитные конструкции из жаростойкого
бетона широко применяют в различных отраслях промышленности:
энергетической, черной и цветной металлургии, в химической и
нефтеперерабатывающей, в производстве строительных материалов
(рис. 105); используют взамен полукислых и шамотных изделий,
предназначенных для температур 800—1400°С, а также вместо высокоогнеупорных изделий при температуре выше 1400°С.
Замена только 150 тыс. м3 огнеупорной кладки жаростойким бетоном и железобетоном дает экономию около 6 млн. руб. в год.
Большие работы по жаростойким бетонам проводятся под руководством Ю. П. Горлова, К. Д. Некрасова и др.
§ 5. Кислотоупорный бетон
Вяжущим для кислотоупорного бетона является растворимое
стекло, представляющее собой силикат натрия или калия; применяют его в виде водного коллоидного раствора с удельной массой 1,4.
Наполнителем служат кислотостойкие минеральные порошки, получаемые измельчением чистого кварцевого песка, андезита, базальта, диабаза и т. п. В качестве отвердителя используют кремнефтористый натрий (Na2SiF6), в качестве заполнителя — кварце-
•вый песок, щебень из гранита, кварцита, андезита и других стойких пород. Зерновой состав заполнителей должен обеспечить получение наиболее плотного бетона. Примерный его состав (кг/м3):
растворимого стекла — 300, кремнефтористого натрия — 40, наполнителя — 360, песка — 600, щебня — 1000 (общая масса 2300 кг/м3).
После укладки с вибрированием бетон выдерживают не менее
10 сут на воздухе (без поливки) при 15—20°С. После отвердевания
рекомендуется поверхность бетона «окислить», т. е. смочить раствором серной или соляной кислот. Кислотоупорный бетон хорошо
выдерживает действие концентрированных кислот; вода разрушает
его за 5—10 лет, щелочные растворы разрушают быстрее. Кислотоупорный бетон применяют в качестве защитных слоев (футеровок)
по железобетону и металлу.
§ 6. Бетонополимер
Бетонополимер представляет собой композиционный материал,
в котором силикатная матрица совмещена с органическим полимером.
239
--------------- page: 121 -----------
Технология изготовления бетонополимерных материалов и изделий включает следующие основные операции (рис. 106). Бетонные
или железобетонные изделия высушивают, помещают в закрытый
Рис. 106. Технологическая схема пропитки бетонных труб (радиационный способ полимеризации):
1 — камеры радиационной обработки (по Ю. М. Баженову); 2 — мостовой кран; 3 — монтажная площадка; 4 — защитная дверь в открытом положении; 5 ■— вакуум-насосы;
6 — емкость для мономера; 7 — фильтр для очистки мономера; 8 — баллоны с инертным
газом; 9 — камера сушки; 10 — тележка
контейнер (или камеру), где вакуумируют и пропитывают раствором мономера (метилметакрилата, стирола и т. п.), а потом мономеры полимеризуют в порах бетона. Для ускорения процесса полимеризации используют радиационный или термокаталитический
способы. При радиационном способе пропитанные мономером изделия подвергают у-излучению, которое получают от источника
Со60 или другим путем. При термокаталитическом способе в мономер вводят инициатор, а изделия подвергают термической обработке.
Изделия пропитывают полностью или только верхний слой конструкции, который подвергается наиболее агрессивным воздействиям.
Механические, физические и химические свойства бетонополи-
мера коренным образом отличаются от свойств исходного бетона,
подвергнутого пропитке. На основе бетонов N1300, М500 получают
пропитанные бетоны с прочностью при сжатии 120—300 МПа,
прочностью при растяжении — 12—20 МПа, в 3—4 раза возрастает
сопротивление истиранию. Модуль упругости увеличивается после
пропитки в 1,3—1,6 раза. Ползучесть бетонополимера во много раз
меньше ползучести обычного бетона.
Обращает внимание значительное снижение водопроницаемости
(примерно в 7 раз) и увеличение морозостойкости; пропитанные
бетоны выдерживают более 7000 циклов попеременного замораживания и оттаивания.
240
Пропитка полимерами удорожает бетон, поэтому к ней прибегают, когда она экономически оправдана (бетонополимерные трубы,
железобетонные конструкции, подвергающиеся интенсивной коррозии).
§ 7. Бетон, упрочненный волокнами
Армирование бетона, цементных и гипсовых растворов тонкими
неорганическими и органическими волокнами (из металла, стекла,
пропилена и др.) существенно улучшает прочностные и деформа-
тивные характеристики материала, повышает сопротивление образованию трещин. Например, использование коротких стальных волокон для дисперсного армирования цементных бетонов увеличивает прочность на растяжение в 2—3 раза, на изгиб — в 4—5 раз, на
сжатие — в 1,5—2 раза, ударную прочность в 10 и более раз, сопротивление истиранию в 2 раза.
Дисперсно-армированный бетон (фибробетон) представляет
собой композиционный материал, упрочненный волокнами. В нем невысокая прочность на растяжение и пластичность матрицы (бетона) сочетается с высокомодульным волокном, обладающим высокой прочностью на разрыв. Эффективность армирования короткими
волокнами зависит от ориентации волокон к действию растягивающих усилий и при перпендикулярной ориентации составляет 40—
50%, а при объемно-произвольной лишь около 20% по отношению
к параллельной ориентации. Волокна препятствуют развитию усадочных -трещин, их наличие повышает прочность сцеиления стержневой арматуры с бетоном примерно на 40%.
Волокна должны быть стойкими в щелочной среде цементного
раствора или бетона. В зависимости от конструкций применяют волокна: минеральные (стеклянные — из бесщелочного стекла, базальтовые, кварцевые и др.), металлические (преимущественно из
обычной или нержавеющей стали), синтетические (пропиленовые,
капроновые и др.).
Фибробетон стремятся использовать в сборных и монолитных
конструкциях, работающих на растяжение и изгиб й воспринимающих ударные, знакопеременные и вибрационные нагрузки. Имеется
опыт применения дисперсно-армированного бетона в бетонных
трубах, плитах-оболочках, в конструкциях туннелей, покрытиях дорог и взлетно-посадочных полос аэродромов и др.
Глава 36
ПРИМЕНЕНИЕ БЕТОНОВ В СБОРНЫХ
И МОНОЛИТНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
§ 1. Общие сведения о железобетоне
Железобетон — это строительный материал, в котором соединены в единое целое бетон и стальная арматура.
Бетон обладает особенностью, присущей большинству искусственных и природных каменных материалов: он хорошо работает
241
--------------- page: 122 -----------
на сжатие, но плохо сопротивляется растяжению. Так, прочность бетона при растяжении составляет всего лишь около ‘/ю—Vi7 его
прочности на сжатие. Поэтому растянутую зону конструкций армируют стальной арматурой, которая воспринимает растягивающие
напряжения. Совместной работе бетона и стальной арматуры способствует хорошее сцепление между ними и близость коэффициентов температурного расширения; бетон к тому же защищает арматуру от коррозии.
Железобетонные конструкции изготовляют с обычной и
предварительно напряженной
арматурой. Основная идея
предварительного напряжения
железобетонных конструкций
заключается в том, что при изготовлении бетон искусственно
обжимается. Благодаря этому
бетон растягивается только
тогда, когда будут преодолены
созданные обжатием сжимающие напряжения. Если они
превосходят растягивающие напряжения от нагрузки, то можно избежать образования трещин в бетоне.
Различают два основных вида железобетонных конструкций с
предварительно напряженной арматурой: конструкции с натяжением арматуры до бетонирования и конструкции с натяжением арматуры после бетонирования. В первом случае арматуру предварительно растягивают и концы ее закрепляют. После затвердевания
бетонной смеси концы арматуры освобождают (отрезают) и арматура, стремясь вернуться в первоначальное состояние, обжимает
бетон (рис. 107).
В конструкциях с натяжением арматуры после бетонирования
арматура, подлежащая натяжению, располагается в каналах, образованных в бетоне специальными пустотообразователями, и после
натяжения анкеруется на концах, а каналы заполняются (омоноли-
чиваются) раствором.
Наряду с силовым натяжением арматуры (обычно осуществляемым с помощью специальных домкратов) применяют способ электротермического натяжения.
Для предварительно напряженных конструкций применяют бетон высоких марок и высокопрочную арматурную сталь. Для улучшения сцепления с бетоном используют арматуру периодического
профиля (рис. 108).
Предварительно напряженные железобетонные конструкции более эффективны, чем обычные. В них более полно используется несущая способность арматуры и бетона, поэтому уменьшается масса
изделия. Вместе с тем предварительное обжатие препятствует образованию трещин в растянутой зоне.
2
Рис. 107. Бетонная балка, обжатая после
отпуска предварительно растянутой
стальной арматуры:
I — стержни арматуры; 2 — бетон, уложенный
и затвердевший после натяжений арматуры;
3 — эпюра сжимающих напряжений в бетоне
242
э)
ж)
Рис. 108. Виды арматуры:
а — гладкая стержневая: б —
гладкая проволочная; в—горя»
чекатаная периодического профиля; г, д—пряди из проволоки; е — холодносплющенная;
ж — сварная сетка
Железобетонные конструкции подразделяют на сборные и монолитные. Сборные железобетонные конструкции монтируют на
строительной площадке из отдельных элементов, изготовленных на
заводах и полигонах. Монолитные железобетонные конструкции бетонируют на месте строительства.
§ 2. Применение бетонов в сборных железобетонных
конструкциях
Основное направление промышленности сборного железобетона — производство унифицированных конструкций и деталей для
жилищного и промышленного строительства.
Для сборных железобетонных конструкций применяют все ос
новные виды бетона: тяжелый, легкий на пористых заполнителях и
ячеистый. Бетоны часто применяют в сочетании с материалами специального назначения (теплоизоляционными, звукоизоляционными,
гидроизоляционными и антикоррозионными), которые значительно
улучшают эксплуатационные качества сборных конструкций и повышают их долговечность.
Из сборного железобетона изготовляют все части здания: фундаменты, стены подвалов, наружные и внутренние стены, элементы
каркаса (рис. 109) и покрытий, междуэтажные перекрытия, лестницы и др.
243
--------------- page: 123 -----------
Рис. 109. Элементы каркаса:
I — колонна; 2— ригель
Наружные стены крупнопанельных зданий могут быть однослойными из легкого бетона (рис. 110, а) и трехслойными — из легкого
или тяжелого бетона с внутренним теплоизоляционным слоем (из
минераловатных плит, пеностекла и др.).
На междуэтажные перекрытия в крупнопанельных жилых домах расходуется значительная часть сборного железобетона (около
30%). Применение в междуэтажных перекрытиях легкого бетона
а)
Рис, 110. Керамзитобетонные сборные конструкции:
о —панель наружной стены; б — керамзитобетонная предварительно
напряженная панель перекрытия
244
снижает массу здания, при этом улучшается звукоизоляция
(рис. 110, б).
Высокий уровень индустриализации строительства достигается
при монтаже зданий из объемных элементов полной заводской готовности — блоков комнат и квартир (рис. 111).
Разработаны проекты многоэтажных промышленных зданий с
укрупненными сетками колонн 12x6 и 9x6 м, возводимых из сборного железобетона.
Тонкие предварительно напряженные пластины длиной 12—
30 м, изготовляемые методом непрерывного армирования, используют в висячих большепролетных конструкциях зданий и сооружений. Пластины можно искривлять
без трещин, создавая из них разнообразные покрытия.
Производство железобетонных
и бетонных сборных конструкций
включает следующие основные
операции: приготовление бетонной смеси, изготовление арматуры (арматурных каркасов, сеток,
гнутых стержней и т. п.), армирование изделий, формование изделий (укладка бетонной смеси и
ее уплотнение), твердение (обычно в условиях тепловлажностной
обработки)*.
Некоторые виды изделий (стеновые панели и блоки, лестничные площадки и марши и др.)
подвергают дополнительной операции: отделке лицевой поверхности декоративным бетоном или
раствором, облицовке керамическими или пластмассовыми плитами, обработке гидрофобизующими составами.
Производство сборных железобетонных конструкций может
быть организовано двумя принципиально отличными способами:
1)
нах; 2) стендовым в стационарных (неперемещаемых) формах.
При поточном способе все технологические операции (очистка и
смазка форм, армирование, формование, твердение, распалубка)
выполняются на специализированных постах, которые оборудованы
стационарными машинами и установками, образующими поточную
технологическую линию. Формы с изделиями последовательно перемещаются по технологической линии от поста к посту.
Поточный способ изготовления сборных железобетонных конструкций может быть поточно-агрегатным и конвейерным.
*
тонных изделий. М., 1971.
245
--------------- page: 124 -----------
При поточно-агрегатном способе (рис. 112) формы и формуемые
изделия перемещают от поста к посту краном с интервалом времени, зависящим от длительности операции на данном посту, которая может колебаться от нескольких минут (например, смазка
форм) до нескольких часов (твердение изделий в пропарочных камерах) . Поточно-агрегатный способ используют на заводах средней
мощности (с годовой производительностью около 60—100 тыс. м3
изделий), в особенности при выпуске изделий широкой номенклатуры.
Конвейерный способ (рис. 113) применяют на заводах большой
мощности при выпуске однотипных изделий. При этом способе технологическая линия работает по принципу пульсирующего конвейера, т. е. формы с изделиями перемещаются от поста к посту через
строго определенное время (например, через 15 мин), необходимое
для выполнения самой длительной операции.
При стендовом способе производства в отличие от поточно-агре-
гатного и конвейерного сборные конструкции изготовляют в
стационарных формах. Изделия в процессе их изготовления и до затвердевания бетона остаются на месте, в то время как технологическое оборудование для выполнения отдельных операций последовательно перемещается от одной формы к другой. Стендовый способ применяют при изготовлении изделий большого размера (ферм,
балок и т. п.) для промышленного, мостового и гидротехнического
строительства. Для формования изделий сложной конфигурации
(лестничных маршей, ребристых плит и т. п.) применяют матрицы,
т. е. железобетонные формы, воспроизводящие отпечаток ребристой
поверхности изделия.
При кассетном способе, являющемся разновидностью стендового, изделия изготовляют в вертикальных формах — кассетах, представляющих ряд отсеков, образованных стальными стенками.
В кассетной установке происходит формование изделий и их
твердение. Кассетная установка имеет специальные устройства для
обогрева изделий паром или электрическим током, что значительно ускоряет твердение бетона. Кассетный способ применяют для
массового производства плоских тонкостенных изделий (панели
внутренних и наружных стен и т. п.).
Метод комплексного строительства домов осуществляется домостроительными комбинатами (ДСК). Домостроительный комбинат
выпускает по единому графику комплекты деталей и узлов дома,
доставляет их к сборочной (строительной) площадке специализированным транспортом, минуя заводские и построечные склады; непосредственно с транспортных средств производит сборку (монтаж)
дома; выполняет силами специализированных бригад все отделочные работы.
Комбинат объединяет в своем составе следующие основные подразделения: производственные цехи, выпускающие комплекты домов; монтажные и специализированные участки, выполняющие работы по монтажу, инженерному оборудованию и отделке домов;
транспортные участки с закрепленными за ними транспортными и
247
--------------- page: 125 -----------
подъемными средствами; проектно-конструкторские бюро, обеспечивающие разработку необходимой рабочей, проектной и технической документации.
§ 3. Применение бетонов в монолитных железобетонных
конструкциях
Монолитные конструкции сооружают в основном из тяжелого и
легкого бетона на пористых заполнителях. Стены жилых зданий
возводят и из ячеистого бетона. В защитных монолитных конструкциях применяют специальные бетоны: особо тяжелый, жаростойкий, кислотоупорный и др.
Монолитные бетонные и железобетонные конструкции экономически целесообразны при использовании индустриальных методов
производства работ. Они предусматривают широкое применение
инвентарной металлической, деревянной, фанерной или деревометаллической опалубки. В зависимости от типа бетонируемых конструкций и их конфигурации используют различные виды опалубки: разборно-переставную, скользящую (поднимаемую домкратами), катучую (перемещаемую в горизонтальном направлении) и др.
Арматуру, как правило, изготовляют в арматурно-сварочных цехах или на заводе в виде укрупненных элементов — сварных сеток
и блоков-каркасов.
Предусматривается автоматизация' приготовления бетонной
смеси, комплексная механизация ее транспортировки и уплотнения.
Созданы бетонные заводы и установки периодического и непрерывного действия с программным управлением производительностью
15, 30, 60 и 120 м3/ч. Заводы оборудуют автоматическими дозаторами, гравитационными бетоносмесителями или смесителями принудительного действия.
Бетонную смесь транспортируют так, чтобы она не расслаивалась и не изменяла свой состав, вследствие попадания атмосферных
осадков или чрезмерного испарения воды при действии ветра и солнечных лучей.
Бетонную смесь перевозят автосамосвалами, при дальней же
перевозке используют автобетоносмесители. Сухие компоненты загружают в барабан автобетоносмесителя на центральной дозировочной установке, а приготовляют бетонную смесь за 5—10 мин до
прибытия к месту работ. В автобетоносмесителях перевозят и готовые бетонные смеси, что позволяет сохранить их однородность, используя повторное перемешивание.
Транспортирование бетонных смесей на строительной площадке
осуществляют кранами, транспортерами и по трубам с помощью
бетононасосов или пневмонагнетателей. Пневматический способ
отличается простотой и позволяет подавать бетонные смеси сжатым
воздухом по трубам на расстояние до 150 м.
Бетонирование монолитных конструкций производят непрерывно или с перерывами, т. е. участками или блоками. Непрерывную
укладку бетона осуществляют в том случае, когда требуется повышенная монолитность и однородность бетона и поэтому нежела-
249
--------------- page: 126 -----------
тельно наличие рабочих швов. Это относится к предварительно напряженным железобетонным конструкциям, фундаментам, воспринимающим динамические усилия от оборудования и т. п.
Конструкции большой протяженности или большой площади
(например, железобетонные перекрытия) бетонируют отдельными
участками, причем рабочие швы между ними предусматривают в
местах, где при эксплуатации возникают минимальные напряжения.
Массивные сооружения (плотины, шлюзы, массивные фундаменты и т. п.) в проекте разрезают рабочими швами на блоки. Объем блока устанавливают с учетом возникающих в бетоне температурных и усадочных напряжений.
Бетонную смесь подают так, чтобы не было расслоения, поэтому
бетонная смесь поступает к месту укладки по вертикальным «хоботам», виброжелобам и наклонным лоткам, при этом высота свободного падения смеси не должна превышать 2 м.
Бетонную смесь укладывают слоями, толщину которых устанавливают с учетом ее хорошего уплотнения вибраторами. При внутреннем вибрировании наибольшая толщина слоя составляет 1,25
длины рабочей части вибраторов, при поверхностном вибрировании
не превышает 12—25 см. Шаг перестановки внутренних вибраторов
не должен превышать полутора радиусов их действия.
Уход за бетоном начинают сразу после укладки и уплотнения
бетонной смеси и продолжается в течение всего периода выдерживания бетона до достижения им проектной прочности. Качество.бетона зависит от ухода за ним, целью которого является создание и
поддержание температурно-влажностных условий, благоприятных
для гидратации цемента. В летнее время поверхность свежеуложен-
ного бетона должна быть защищена от высыхания, а в первые часы
твердения и от дождя. Для этого открытые горизонтальные поверхности по окончании бетонирования засыпают слоем влагоемкого материала — песка, опилок, шлака или покрывают мешковиной. В сухую погоду покрытие поддерживают во влажном состоянии до достижения бетоном не менее 70% проектной прочности.
Вертикальные поверхности опалубка защищает от высыхания, деревянную опалубку периодически увлажняют. После снятия опалубки вертикальные поверхности бетонных сооружений поливают
водой.
В районах с сухим жарким климатом предусматривают выдерживание верхних горизонтальных поверхностей конструкций под
слоем воды (толщиной около 5 см), для чего устраивают верхние
водонепроницаемые бортики. При недостатке воды, а также при
бетонировании конструкций с большой поверхностью (покрытия автомобильных дорог и аэродромов, облицовка каналов) применяют
пленкообразующие составы, отражающие солнечные лучи. Уложенный бетон укрывают полиэтиленовыми или другими пленками. Такие покрытия сберегают влагу в бетоне и предотвращают значительные температурно-усадочные деформации и образование
трещин.
250
Распалубливание бетонных и железобетонных конструкций производят после достижения бетоном установленной прочности.
Несущую опалубку снимают, когда бетон наберет 70—100%
проектной прочности. Полная прочность бетона необходима в том
случае, когда фактическая нагрузка на распалубленную конструкцию будет превышать 70% от расчетной.
§ 4. Применение бетона в зимних условиях
В СССР были впервые разработаны методы круглогодичного
строительства, позволяющие получить бетон высокого качества в
холодное время года.
Применение бетона в зимних условиях при среднесуточной температуре ниже +5°С и минимальной суточной температуре ниже
0°С имеет ряд существенных особенностей. При
пониженной температуре
замедляется гидратация
цемента, поэтому прочность бетона нарастает
медленно. При температуре от —3 до —6°С вода
в бетоне замерзает, практически прекращаются
процессы гидратации вяжущего и твердения бетона. После оттаивания при
наличии жидкой воды эти
процессы возобновляются, и бетон продолжает
увеличивать свою прочность (рис. 114). Вода
в бетоне замерзает при
температуре ниже 0°С, так как она содержит в растворенном виде
гидрат окиси кальция и другие вещества.
Бетон, замороженный в раннем возрасте, т. е. вслед за укладкой, имеет после оттаивания и последующей выдержки рыхлую
структуру, низкую прочность и морозостойкость. Это объясняется
тем, что свежеуложенный бетон содержит много воды, которая при
замерзании расширяется, разрыхляет цементный камень и нарушает сцепление заполнителя с цементным камнем. Поэтому зимнему бетону нужно создать самые хорошие тепловые и влажные условия начального твердения. Они помогут бетону быстро, за 2—3 сут,
приобрести прочность около 8—12 МПа, позволяющую ему справиться с последующим замерзанием. К моменту замораживания
бетон М200, М300 должен приобрести не менее 40%, а бетон М400,
М500 — не ниже 30% марочной прочности.
Бетон железобетонных конструкций с предварительно напряженной арматурой выдерживают до приобретения им 70% проектной
251
I
I
1
Рис. 114. Влияние замораживания при температуре —5°С на дальнейшее нарастание прочности бетона на портландцементе:
1 — заморожен через 1 сут нормального твердения;
2—через 3 сут; 3—через 7 сут; 4—через 10 сут;
5 — нормальное хранение (по С. А. Миронову)
--------------- page: 127 -----------
прочности. Выдержка бетона до получения 100%-ной прочности
требуется в тех случаях, когда предъявляются специальные требования по морозостойкости, водо- и газопроницаемости.
Способ термоса является самым экономичным способом твердения бетона в зимнее время. По этому способу теплую бетонную
смесь укладывают в утепленную опалубку, после укладки и уплотнения смеси открытые поверхности бетона утепляют несгораемыми
теплоизоляционными материалами. Поддержанию положительной
температуры в бетоне способствует выделение тепла гидратации
цемента. Поэтому желательно применять для зимнего бетона быст-
ротвердеющий портландцемент, отличающийся не только быстротой твердения, но и высокой экзотермией.
Внутренний запас тепла в бетоне создают, применяя теплые бетонные смеси, приготовленные на подогретой до 60—90°С воде и
подогретых до 40—60°С заполнителях; цемент не подогревают. Бетонная смесь при выходе из бетоносмесителя должна иметь температуру не выше 35—45°С во избежание ее быстрого загустевания, а
смесь на глиноземистом цементе — не выше 25°С. Транспортируют
бетонную смесь в предварительно прогретых кузовах бетоновозов
и таре, укрывают смесь теплоизоляционным материалом.
Область применения экономичного способа термоса значительно расширяется, если его сочетать с электроразогревом бетонной
смеси перед ее укладкой в опалубку.
Электроразогрев бетонной смеси до температуры 70—80°С осуществляют в специально оборудованных для этого бункерах
(рис. 115, 116) и бадьях, а также в кузовах автомобилей; в процессе разогрева смеси емкость должна соединяться с проводом, идущим к защитному заземлению. Разогрев производят на огороженной площадке с соблюдением правил охраны труда.
Прогрев бетона с использованием пара, электрической энергии
или теплого воздуха применяют только при бетонировании тонких конструкций, когда методом термоса нельзя достигнуть «распалу-
бочной» прочности бетона в установленные сроки.
Обогрев бетона паром осуществляют, пропуская его между двойной опалубкой, окружающей бетон,
или по металлическим трубам, находящимся в бетоне, или по каналам, вырезанным в опалубке. Последний способ паропрогрева (в «капиллярной» опалубке) применяют
для колонн и стен. Паропрогрев
производят насыщенным паром, чтобы не допустить высушивания бетона. Предусматривают мероприятия
для удаления конденсата и предотвращения образования наледи. В
252
Рис. 115. Схема бункера для подо-
грева бетонной смеси электрическим током:
1 — отбойный брус; 2 — электроизоляция; 3 — защитная пластина; 4 — ила-
стинчатые электроды; б — затвор; 6 —
подключение нулевого провода
течение 2 сут прогрева паром
с температурой 60—80°С прочность бетона достигает 55—
65% от проектной марки. Однако всем способам паропрогрева свойственны общие недостатки: необходимость использования громоздкого и дорогого паросилового хозяйства,
коммуникаций и устройств для
осуществления паропрогрева,
низкий коэффициент полезного
действия этих устройств.
Использование электрического тока для прогрева бетона
позволяет избежать этих недостатков. Однако электропрогрев эффективен только при
строгом контроле за процессом
прогрева и осуществлением мероприятий по охране труда.
Электропрогрев бетона ар- Рис- 116- Ук-"адка разогретой бетонной
и
мированных конструкции осуществляют, пропуская через
бетон переменный ток напряжением не выше 127 В. Прогрев при
напряжениях 127 и 220 В допускается только на основании специально разработанного проекта производства работ. Неармирован-
цые бетонные конструкции могут прогреваться при напряжениях
до 380 В, так как исключается возможность короткого замыкания
на арматуру. Электропрогрев бетона производят с соблюдением
правил охраны труда. В частности, его прекращают в сырую погоду; допускаемое напряжение снижается до 60 В, если в данном
месте ведутся другие работы.
При использовании любого способа прогрева бетона температура бетонной смеси, уложенной в опалубку, перед прогревом должна быть не ниже +5°С. Нагревают бетон постепенно во избежание
высушивания и появления трещин со скоростью 8—15°С в 1 ч и доводят температуру до 60—80°С в зависимости от вида применяемого цемента и модуля поверхности. По мере твердения влажность
бетона снижается, электрическое сопротивление возрастает, поэтому напряжение приходится постепенно повышать. В течение 1,5—
2 сут прогрева бетон приобретает 50—60% проектной прочности.
Остывание монолитного бетона после прогрева тоже должно быть
постепенным — со скоростью 5—10°С в 1 ч.
Индукционный прогрев густоармированных монолитных конструкций избавляет от опасности замыкания электродов на арматуру, его применяют для каркасных конструкций, возводимых в металлической н неметаллической опалубке. Однако количество тепла, выделяемого в конструкции с металлической опалубкой, будет
253
--------------- page: 128 -----------
больше, так как здесь увеличивается площадь источников тепла.
При индукционном прогреве вокруг обогреваемой конструкции
укладывают индуктор — витки изолированного провода. У торцов
конструкции, соприкасающихся с холодным воздухом, витков больше, чтобы компенсировать потери тепла. Для сохранения тепла
поверхности укрывают теплоизоляционным материалом. Скорость
индукционного разогрева конструкций с модулем поверхности от 6
до 10 равна 5—10°С, а продолжительность прогрева зависит от требуемой прочности бетона.
Индукционный прогрев бетона выгодно отличается от электропрогрева: не нужно тратить металл на электроды, более равномерный прогрев бетона, поэтому качество бетона густоармированных
каркасных монолитных конструкций более высокое.
Обогрев инфракрасными лучами применяют при зимнем бетонировании монолитных железобетонных конструкций и при заделке
стыков раствором и бетоном. Для обогрева бетона применяют генераторы инфракрасного излучения в виде стержней и трубок, нагреваемых до 600—1000°С. Поверхность конструкции покрывают
влагонепроницаемой (например, полиамидной) пленкой, предотвращающей испарение воды из бетона. Синтетическая пленка хорошо
пропускает инфракрасные лучи (поглощение не превышает 5—
10%). Данный метод привлекает простотой генерирования инфракрасного излучения, возможностью направлять поток излучения
рефлекторами. Однако прогрев лучистой энергией действует на
слой бетона толщиной 15—20 см, поэтому он пригоден для сравнительно тонких монолитных конструкций. При бетонировании массивных и железобетонных конструкций инфракрасный прогрев можно использовать как своеобразную тепловую защиту в сочетании с
методом термоса.
Безобогревиый метод зимнего бетонирования (или метод «холодного» бетона) отличается простотой и дешевизной. Бетонную
смесь приготовляют на воде, в которой растворены соли, понижающие температуру ее замерзания и ускоряющие твердение бетона,
поэтому свежеуложенный бетон не замерзает даже при сильном
морозе, на холоде продолжаются, химические реакции гидратации
цемента, и бетон набирает прочность. Лучшими противоморозны-
Таблица 36
Количество противоморозных добавок, % от массы цемента
Температура твердения
бетона, °С
Количество добавок
NaCl+CaClB
к.со,
NaNO,
—5
2+0
5—6
4—6
— 10
3,5+1,5
6—8
6—8
— 15
3+4,5
а—ю
8—10
—20
10—12
—
—25
"
12—15
254
ми добавками являются хлористые соли натрия и кальция, которые
рекомендуется применять одновременно, а также поташ (К2СО3) и
нитрит натрия (NaNCh). Понижение температуры замерзания воды
затворения пропорционально концентрации растворенного вещества в растворе. Поэтому оптимальная добавка соли возрастает при
усилении морозов (табл. 36).
Раствор солей — электролитов усиливает коррозию стальной арматуры, поэтому бетоны с противоморозными добавками нельзя
применить в предварительно напряженных конструкциях.
Сильные электролиты NaCl и СаСЬ можно использовать только в конструкциях неармированных или армированных нерасчетной арматурой с защитным слоем не менее 5 см. Добавки же поташа и нитрита натрия можно использовать при бетонировании как
бетонных, так и обычных железобетонных монолитных конструкций. Хлористые соли и поташ сильно ускоряют схватывание бетонной смеси, поэтому нередко эти добавки сочетают с замедлителями схватывания портландцемента.
--------------- page: 129 -----------
РАЗДЕЛ VI
СТРОИТЕЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ
Глава 37
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Строительный раствор — это искусственный каменный материал,
полученный в результате затвердевания растворной смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды, мелкого заполнителя и добавок,
улучшающих свойства смеси и растворов. Крупный заполнитель отсутствует, так как раствор применяют в виде тонких слоев (шов
каменной кладкигштукатурка и т. п.).
Для изготовления строительных растворов чаще используют неорганические вяжущие вещества (цементы, воздушную известь и
строительный гипс). В дорожном строительстве и в специальных
работах (устройство стяжек, защитных антикоррозионных слоев)
находят применение растворы, основанные на битумных и полимерных вяжущих; в состав этих растворных смесей вода не
входит.
Строительные растворы разделяют в зависимости от вида вяжущего вещества, величины объемной массы и назначения.
По виду вяжущего различают растворы цементные, известковые, гипсовые и смешанные (цементно-известковые, цементно-глиняные, известково-гипсовые и др.).
По объемной массе различают: тяжелые растворы объемной
массой более 1500 кг/м3, изготовляемые обычно на кварцевом песке; легкие растворы объемной массой менее 1500 кг/м3, изготовляемые на пористом мелком заполнителе и с порообразующими добавками.
По назначению различают строительные растворы: кладочные — для каменной кладки стен, фундаментов, столбов, сводов
и др.; штукатурные — для оштукатуривания внутренних стен, потолков, фасадов зданий; монтажные — для заполнения швов между крупными элементами (панелями, блоками и т. п.) при монтаже
зданий и сооружений из готовых сборных конструкций и деталей;
специальные растворы (декоративные, гидроизоляционные, тампо-
нажныеидр.).
266
Глава 38
РАСТВОРНЫЕ СМЕСИ
§ 1. Материалы для изготовления растворных смесей
Вяжущие вещества. Применяют портландцемент и шлакопорт*
ландцемент, принимают марку цемента в 3—4 раза выше марки
раствора. Воздушную известь в виде известкового теста вводят в
смеситель при изготовлении растворной смеси; реже используют
молотую негашеную известь. Строительный гипс входит в состав
гипсовых и известково-гипсовых растворов.
Пески применяют природные — кварцевые, полевошпатовые, а
также искусственные дробленые — из плотных горных пород и из
пористых пород и искусственных материалов (пемзовые, керамзитовые, перлитовые и т. п.). Пористые пески служат для приготовления легких растворов. Если песок содержит крупные включения
(комья глины и др.), то его просеивают. Для кирпичной кладки
применяют растворы на песках с зернами не более 2 мм. Для растворов Ml00 и выше пески должны удовлетворять тем же требованиям в отношении содержания вредных примесей, что и пески для
изготовления бетона. Для растворов М50 и ниже допускается по
соглашению сторон согласно ГОСТ 8736—77 содержание пылевидных частиц (проходящих через сито с сеткой № 014) до 20% по
массе.
Пластифицирующие добавки. Чаще всего растворные смеси
укладывают тонким слоем на пористое основание, способное отсасывать воду (кирпич, бетоны легкие, ячеистые и т. п.). Чтобы сохранить удобоукладываемость растворных смесей при укладке на пористое основание, в них вводят неорганические и органические пластифицирующие добавки, повышающие способность растворной
смеси удерживать воду.
Неорганические дисперсные добавки состоят из мелких частиц,
хорошо удерживающих воду, (известь, глина, зола ТЭС, диатомит,
молотый доменный шлак и т. п.). Глина, используемая в качестве
пластифицирующей добавки, не должна содержать органических
примесей и легкорастворимых солей, вызывающих появление «выцветов» на фасадах зданий. Глину вводят в растворную смесь в
виде жидкого теста.
Органические поверхностно-активные пластифицирующие и воздухововлекающие добавки: омыленный древесный пек, канифольное мыло, мыленафт, СДБ и другие вводят в количестве 0,1—0,3%
от массы вяжущего. Они не только улучшают удобоукладываемость
растворных смесей, но также повышают морозостойкость, снижают
водопоглощение и усадку раствора.
В растворы, применяемые для зимней кладки и штукатурки, до~
бавляют ускорители твердения, понижающие температуру замерзания растворной смеси: хлористый кальций, поташ, хлористый
натрий, хлорную известь и др.
9-664
--------------- page: 130 -----------
§ 2. Свойства растворных смесей
Удобоукладываемость — это свойство растворной смеси легко
укладываться плотным и тонким слоем на пористое основание и не
расслаиваться при хранении, перевозке и перекачивании растворо-
насосами. Она зависит от подвижности и водоудерживающей способности смеси.
Подвижность растворных смесей характеризуется глубиной погружения металлического конуса стандартного прибора (массой
300 г). Подвижность назначают в зависимости от вида раствора и
отсасывающей способности основания. Для кирпичной кладки подвижность растворов составляет 9—13 см, для заполнения швов
между панелями и другими сборными элементами — 4—6 см, а для
вибрированной бутовой кладки — 1—3 см.
Водоудерживающая способность — это свойство растворной смеси сохранять воду при укладке на пористое основание, что необходимо для сохранения подвижности смеси, предотвращения расслоения и хорошего сцепления раствора с пористым основанием (кирпичом и т. п.). Водоудерживающую способность увеличивают
путем введения в растворную смесь неорганических дисперсных добавок и органических пластификаторов. Смесь с этими добавками
отдает воду пористому основанию постепенно, при этом он становится плотнее, хорошо сцепляется с кирпичом., отчего кладка становится прочнее.
Удобоукладываемую растворную смесь получают, если правильно назначен зерновой состав ее твердых составляющих, определяемый соотношением песка, вяжущего и дисперсной добавки. Тесто
вяжущего заполняет пустоты между зернами песка и равномерно
покрывает песчинки тонким слоем, уменьшая внутреннее трение.
С удобоукладываемой растворной смесью удобно работать (каменщики говорят — мягкая и не тянется за кельмой), в результате повышается производительность труда. От удобоукладываемости растворной смеси зависит качество каменной кладки. Правильно подобранная растворная смесь заполняет неровности, трещины, углубления в кирпиче или камне, поэтому получается большая
площадь контакта между раствором и кирпичом (камнем), в результате прочность и монолитность кладки возрастает. Увеличивается и долговечность наружных стен.
Глава 39
РАСТВОРЫ
§ 1. Кладочные, монтажные и штукатурные растворы
Основными свойствами растворов являются: прочность (марка)
к заданному сроку твердения, сцепление с основанием, морозостойкость и деформативные характеристики: усадка в процессе
258
твердения, влияющая на трещиностойкость, модуль упругости, коэффициент Пуассона.
Прочность при сжатии определяют испытанием образцов — кубиков с длиной ребра 7,07 см в возрасте, установленном в стандарте или технических условиях на данный вид раствора. Изготовление образцов из растворной смеси подвижностью менее 5 см производят в обычных формах с поддоном, а из
смеси с подвижностью
5 см и более — в формах без поддона, установленных на отсасывающем основании —
кирпиче (покрытом
смоченной водой газетной бумагой).
Прочность цементного раствора при отсутствии отсоса воды
определяется теми же
факторами, что и прочность бетона; зависимость предела прочности раствора при сжатии R2& от активности
цемента Яц и цементоводного отношения определяется формулой
Н. А. Попова
Ris — **'ц \“>/" ->“/•
Прочность раствора, уложенного на пористое основание (кирпич), удобно выразить в зависимости от расхода вяжущего вещества, а не от Ц/В, поскольку после отсоса воды основанием в растворе остается примерно одинаковое количество воды:
Ru=*kRa( Ц-0,05)+ 4.
Приведенная формула Н. А. Попова применима для цементно-
известковых растворов: Ц — расход цемента, т/м3 песка; коэффициент k зависит от качества песка: для крупного песка — 2,2, песка
средней крупности — 1,8, мелкого песка — 1,4.
Прочность смешанных растворов зависит от количества введенной в раствор извести или глины. Оптимальная добавка известкового или глиняного теста, позволяющая получить удобоукладывае-
мые растворные смеси и плотные растворы, соответствует максимуму на кривых прочности, приведенных на рис. 117 для растворных смесей разного состава — от «жирных» состава 1 :3 до
«тощих» состава 1:2:9; состав указан в объемных частях — цемент: тесто (известковое, глиняное): песок. На основании законо-
Рис. 117. Общий характер влияния (по. Н. А. Попову) дисперсных добавок (извести, глины) на
прочность растворов состава (цемент: песок по
объему):
J — 1:3; 2— 1:4: 3—1:5; 4 — 1 ; в; 5 — 1:9
ПА.Г? ГТТ/R
9*
259
--------------- page: 131 -----------
мерностей, управляющих прочностью растворов (они приведены
выше в виде формул и графиков), составлены таблицы рекомендуемых составов разных марок, которыми широко пользуются на практике.
Строительные растворы по прочности в 28-суточном возрасте
при сжатии делят на марки: М4, М10, М25, М50, М75, М100, М150,
М200 *. Растворы М4 и М10 изготовляют на местных вяжущих
(воздушной и гидравлической извести и Др.).
Для каменной кладки наружных стен зданий применяют главным образом цементные и смешанные растворы (цементно-известковые и цементно-глиняные) М10, М25 и М50 в зависимости от
влажностных условий и требуемой долговечности здания. В кладке
перемычек, простенков, карнизов, столбов марка может быть повышена до М100.
Виброкирпичные панели изготовляют с применением растворов.
М75, М100, М150, приготовленных на портландцементе и шлако-
портландцементе.
Монтажные растворы для заполнения горизонтальных швов при
монтаже стен из легкобетонных панелей должны иметь марку не
ниже М50, а для панелей из тяжелого бетона — не ниже М100.
Минимальные расходы цемента для растворов различного назначения 75—125 кг/м3 песка принимают для подземной кладки зданий в зависимости от относительной влажности воздуха в помещениях, а для кладки фундаментов— в соответствии с влажностью
грунтов.
Для кладки во влажных грунтах и ниже уровня грунтовых вод
применяют растворы на портландцементе с активными минеральными добавками или на шлакопортландцементе (с минимальным расходом цемента 125 кг/м3).
Понижение температуры замедляет рост прочности растворов:
Температура твердения, °С
1
5
10
15
20
25
Предел прочности при сжатии в 28-суточном возрасте, % от R2a при 15°С
55
72
88
100
106
110
Следовательно, при низких положительных температурах прочность раствора в возрасте 28 сут составляет 55—72% от марки.
Поэтому в зимнее время широко применяют растворы с химическими добавками (поташа, нитрита натрия и др.), понижающими
температуру замерзания раствора и ускоряющими набор его прочности. Зимой марку раствора для каменной кладки (без тепляков)
и монтажа крупнопанельных стен обычно повышают на одну ступень против марки при летних работах (например, М75 вместо
М50).
*
и бетонных конструкций, могут иметь и более высокие марки.
£60
Морозостойкость раствора характеризуется числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают
насыщенные водой стандартные образцы-кубики размером 7,07X7,
0,7X7,07 см (допускается снижение прочности образцов не более
25% и потеря массы не свыше 5%).
- Строительные растворы для каменной кладки наружных стен
и наружной штукатурки имеют марки по морозостойкости: МрзЮ,
Мрз15, Мрз25, Мрз35 и Мрз50, причем марка повышается для
влажных условий эксплуатации. В таких условиях растворы удовлетворяют и более высоким требованиям по морозостойкости:
МрзШО, Мрз150, Мрз200 и МрзЗОО. Морозостойкость растворов зависит от вида вяжущего вещества, водоцементного отношения, введенных добавок и условий твердения.
§ 2. Специальные растворы
Декоративные растворы предназначены для отделочных слоев
стеновых панелей и блоков, наружной и внутренней отделки зданий. Эти растворы изготовляют ка белом, цветном и обычном портландцементах; для цветных штукатурок внутри зданий применяют также строительный гипс и известь. Заполнителем
служит чистый кварцевый песок либо дробленые пески из белого
известняка, мрамора и т. п. Для лицевого отделочного слоя панелей наружных стен (из легкого бетона) применяют раствор М50,
для отделки железобетонных конструкций — М150 с морозостойкостью не ниже Мрз35.
Гидроизоляционные растворы для гидроизоляционных слоев и
штукатурок обычно изготовляют состава 1 : 2,5 или 1 : 3,5 (цемент:
песок по массе), применяя портландцемент, расширяющиеся цементы, сульфатостойкий портландцемент.
Инъекционные цементные растворы применяют для заполнения
каналов в предварительно напряженных конструкциях и уплотнения бетона. Марка раствора должна быть не ниже М300, поэтому
используют портландцемент М400—М500.
Тампонажные растворы предназначены для гидроизоляции скважин, шахтных стволов и туннелей путем закрытия водоносных грунтов, трещин и пустот в горных породах и заполнения закрепленного пространства. Вяжущим в этих растворах служит специальный
тампонажный портландцемент, а в агрессивных водах — сульфатостойкий портландцемент.
Рентгенозащитный раствор приготовляют на баритовом песке
(BaS04) (предельной крупностью 1,25 мм), применяя портландцемент или шлакопортландцемент. В него вводят добавки, содержащие легкие элементы: литий, бор и др.
--------------- page: 132 -----------
РАЗДЕЛ VII
ИСКУССТВЕННЫЕ КАМЕННЫЕ НЕОБОЖЖЕННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
Глава 40
АСБЕСТОЦЕМЕНТНЫЕ ИЗДЕЛИЯ
§ 1. Материалы для изготовления асбестоцемента
Асбестоцемент является цементным композиционным материалом, упрочненным асбестовым волокном.
Асбест. Применяют, главным образом, хризотил-асбест, отчасти амфиболовые асбесты. Волокна хризотил-асбеста в виде тонких
трубочек разной длины имеют внутренний диаметр 50 А, наружный
диаметр 360—430 А, толщину стенки 155—190 А. Для асбестоцемента применяют асбест 3—6-го сортов, в котором длина волокнистых частиц изменяется от 10 мм до нескольких сотых мм, а содержание их составляет 50—24% по массе. Остальные 50—76% приходятся на долю пылевидных и других неволокнистых частиц,
В некоторых случаях 10—15% асбеста заменяют базальтовой минеральной ватой или шлаковой ватой.
Цемент. В качестве вяжущего используют специальный «портландцемент для асбестоцементных изделий» М400 и М500, выпускаемый по ГОСТ 9835—77 из клинкера с содержанием 3Ca0-Si02
не менее 52%, ЗСа0-А1203—3—8%, CaOCBs£l%, MgO<5%, гипса
(в пересчете на SO3) — 1,5—3,5%. Тонкость помола цемента характеризуется удельной поверхностью 2200—3200 см2/г; начало схватывания — не ранее 1 ч 30 мин, конец — не позднее 10 ч от начала затворения. Применяют также песчанистый портландцемент с добавкой 38—45% молотого песка (при автоклавном твердении изделий),
а также белый портландцемент и цветные цементы.
Большая удельная поверхность асбестового волокна, достигающая 15—30 м2/г, обусловливает его высокую адсорбционную способность.
В приготовленной исходной массе волокна асбеста должны распределяться равномерно. Адсорбируя выделяющиеся при твердении
цемента продукты гидратации, асбест уменьшает их концентрацию
в растворе. Это ускоряет схватывание и твердение цемента, а цементный камень прочно связывается с волокнами асбеста. При
дальнейшем твердении прочность связи волокон асбеста с цементным камнем в асбестоцементных изделиях нарастает,
262
§ 2. Понятие об изготовлении асбестоцементных изделий
Производство асбестоцементных изделий включает следующие
операции: 1) расщепление (распушка) асбеста на тонкие волокна;
2)
из жидкой асбестоцементной массы тонкого полотна; 4) формование из него изделий: волнистых (кровельных) и плоских листов,
труб, вентиляционных коробов и др.; придание изделиям нужной
плотности и формы путем прессования, выгибания, резки (для обеспечения нужных размеров); 5) твердение изделий в пропарочных
камерах, водных бассейнах, в автоклавах и выдерживание их в
утепленных складках до приобретения нужной прочности.
Рис. 118. Асбестоцементные волнистые листы унифицированного профиля:
а — профиль листа; б — детали профиля
Распушку асбеста производят, обрабатывая его на бегунах, а
затем в голлендере. Голлендер представляет собой резервуар, внутри которого вращается барабан с ножами. В голлендоре смешивают цемент, воду и асбест. Из голлендера полученная масса идет в
ковшевую мешалку, а затем поступает в формовочную машину
(листоформовочную или трубоформовочную). Рабочая часть листо-
формовочной машины состоит из ванны с асбестоцементной суспензией и полого каркасного барабана, обтянутого металлической сеткой. При вращении барабана на металлической сетке отфильтровывается тонкий слой асбестоцемента, который снимает бесконечная
лента технического сукна и переносит на металлический форматный
барабан, навивающий концентрические слои асбестоцементной
смеси. Когда слой асбестоцемента на форматном барабане достигнет нужной толщины, его разрезают по образующей цилиндра.
Получаемый сырой асбестоцементный лист поступает на конвейер
для дальнейшей обработки: его разрезают по требуемым размерам, прессуют под давлением 30—40 МПа, а для получения профилированных листов волнируют. Асбестоцементные листы СВ и УВ
имеют одну пониженную волну 1 (рис. 118, б), которая при мон-
263
--------------- page: 133 -----------
таже кровли должна быть перекрыта волной нормальной высоты
соседнего листа.
Для изготовления труб применяют съемные форматные барабаны, диаметр которых соответствует внутреннему диаметру трубы.
Навивающиеся на сердечник слои асбестоцементной массы опрес-
совываются. Когда стенка трубы достигнет нужной толщины, форматный барабан (сердечник) снимают и устанавливают новый. Отформованную же трубу снимают с форматного барабана и отправляют в водные бассейны или пропарочные камеры. Твердение
изделий завершается в утепленных складах.
Кроме описанного выше «мокрого способа» формования асбестоцементных изделий применяют полусухой и сухой способы.
При полусухом способе изделия формуют из концентрированной (сметанообразной) массы с влажностью 30—35% на специальных машинах бесслойного формования изделий при сильном уплотнении.
При сухом способе формования производят распушку асбеста
и смешивание его с цементом и молотым песком в сухом состоянии.
Затем эту смесь, увлажненную до 14—16%, уплотняют на конвейерной линии под прессом или валками; изделия (плитки для полов и облицовки) твердеют в автоклавах при температуре 175°С.
§ 3. Механические свойства асбестоцемента
Механические свойства асбестоцемента зависят от содержания
асбестового волокна и его качества (длины и диаметра волокон),
активности цемента, плотности асбестоцемента, условий твердения
и др.
Асбест служит минеральной дисперсной арматурой, которая значительно повышает прочность цементного камня при растяжении.
Прочность при растяжении волокна распушенного асбеста около
700 МПа; по прочности он не уступает лучшим маркам арматурной
стали.
При обычном принятом в производстве асбестоцементных изделий содержании асбеста в асбестоцементе (около 15%) прочность
асбестоцемента выше прочности цементного камня: при растяжении
в 3—5 раз, при изгибе в 2—3 раза (табл. 37).
Таблица 37
Прочность и растяжимость асбестоцемента и цементного камня
(по данным И. И. Бернея)
Вид материала
Объемная
Предел прочности, МПв
Предельная
масса, г/см*
при растяжении
при изгибе
растяжимость
Х10*
Асбестоцемент в листах
Цементный камень
1,6—1,8
1,7—2
8,8—11,2
3,44—4,42
17,2—24,5
9,1—11,8
16—8
3—1,5
Примечание. Объемная масса асбестоцемента в иепрессованных изделиях 1.6—1.7 г/см3
прессованных 1,В г/см*.
264
' Прочность асбестоцемента обусловлена его плотностью, прочностью сцепления цементного камня с волокном, содержащим волокна, и степенью его распушки. Все эти факторы регулируют в технологическом процессе производства асбестоцементных изделий.
Согласно теории прочности асбестоцемента, развитой П. Н. Соколовым, между длиной волокна / и его диаметром d должно соблюдаться соотношение, определяемое зависимостью
{Ud) Крит = ^?а-р/^т0>
где Яар = 630 МПа — предел прочности при растяжении асбестового волокна; то — предел прочности при сдвиге волокна относительно матрицы (цементного камня).
Из приведенной зависимости следует, что, увеличивая связь асбестового волокна с матрицей, можно повысить использование коротких волн, у которых l/d невелико. Например, у непрессованных
листов то~4 МПа, а у прессованных т0 повышается до 6 МПа, поэтому (//й)Крит может быть снижено с 73 до 52. Если степень распушки асбеста будет излишней — l/d>(l/d)Kpит, то разрушение асбестоцемента произойдет вследствие разрыва волокна; при недостаточной распушке прочность волокон используется не полностью.
Положительной особенностью асбестоцемента является его высокая растяжимость (8—16) -10—превышающая растяжимость цементного камня в 6—10 раз.
Из приведенных данных видно, что конструктивные качества
асбестоцемента (особенно прочность при растяжении и изгибе) выше, чем у бетона. К недостаткам асбестоцемента относится хрупкость, склонность к короблению. Эти недостатки устраняют технологическими и конструктивными методами, применяя прессование и
автоклавную обработку, армирование крупноразмерных изделий
и др.
§ 4. Виды асбестоцементных изделий
Асбестоцементные изделия подразделяют согласно ГОСТ
22739—77 на листы, панели и плиты, трубы и фасонные детали
к ним.
Асбестоцементные листы в зависимости от назначения выпускают: кровельные, стеновые, облицовочные, для элементов строительных конструкций,электротехнические.
По форме различают листы: 1) плоские (прессованные и непрессованные), 2) профилированные (волнистые, двоякой кривизны и
фигурные).
Волнистые листы в зависимости от высоты волны бывают трех
видов: листы низкого профиля — при высоте волны до 30 мм, среднего профиля — при высоте волны 31—42 мм, высокого профиля —
от 43 мм и более. Листы изготовляют естественного серого цвета
и окрашенные или офактуренные, мелкоразмерные — длиной до
2000 мм и крупноразмерные — длиной 2000 мм и более.
Асбестоцементные волнистые листы унифицированного профи-
265
--------------- page: 134 -----------
ля УВ согласно ГОСТ 16233—77 имеют шестиволновый профиль
(рис. 118); ширина листа 1125 мм, длина 1750, 2000 или 2500 мм,
толщина 6,0 и 7,5 мм. Обозначение У В-7,5-1750 указывает толщину и длину листа в мм. Высота волны: перекрываемой — 45 мм, перекрывающей — 54 мм.
Назначение листов типа УВ зависит от их характеристик;
Для чердачных кровель жилых и общественных зданий и сооружений УВ-6-1750
Для свесов чердачных кровель и стеновых ограждений производственных зданий
Для стеновых ограждений зданий и
сооружений
Для кровель производственных зданий
Для доборных элементов кровель производственных зданий и сооружений
УВ-7,5-1750
УВ-7,5-2000
УВ-7,5-2500
Листы и детали кровли (коньковые, переходные, уголковые и
др.) должны быть морозостойкими — выдерживать следующее число циклов попеременного замораживания и оттаивания: листы
УВ-6 и детали — 25 циклов, листы УВ-7,5—50 циклов.
Листы типа УВ выпускают с государственным Знаком качества, высшего и первого сортов с физико-механическими показателями, указанными в табл. 38.
Таблица 38
Физико-механические показатели листов унифицированного профиля
Нормы для листов
Наименование
с государствен-
ним Знаком ка*
чества
высший сорт
первый сорт
УВ-6
1 УВ-7,5
УВ-6
УВ-7,5
УВ-6
УВ-7,5
Объемная масса, г/см3, не
менее
1,7
1,75
1,7
1,75
1,65
1,7
Сосредоточенная нагрузка от
штампа, Н, не менее
Предел прочности при изгибе, МПа, не менее
1617
2303
1470
2156
1470
2156
18,1
20,6
17,6
19,6
15,7
18,6
Ударная вязкость, кДж/м2,
не менее
1,6
1,8
1,5
1,6
1,4
1,5
Листы среднего профиля СВ имеют восьмиволновый или семиволновый профиль; высота волны 32—40 мм, ширина листов — 980
или 1130 мм, длина 1750, 2000 и 2500 мм, толщина 5,8 и 6 мм. Они
применяются для устройства кровель жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий и стеновых ограждений производственных
зданий.
Листы обыкновенного профиля ВО имеют шестиволновый профиль; высота волны 28 мм, ширина листов 686 мм, длина 1200 мм,
266
Таблица 39
Физико-механические показатели плоских листов
——
Нормы для листов
прессованных |
непрессованных
Наименование
ВЫСШИЙ
сорт (А)
первый
сорт (Б)
высший
сорт (А)
первый
сорт (Б)
Объемная масса, г/см3, не
1,8
1,75
1,6
1,5
менее
Предел прочности при из--
гибе, МПа, не менее
Морозостойкость: количество циклов попеременного
замораживания и оттаивания
(при сохранении 90% остаточной прочности)
24
50
23
25
18
25
17
25
толщина 5,5 мм. Предназначены для устройства кровель жилых и
общественных зданий.
Листы волнистые усиленного профиля: кровельные ВУ-К и стеновые ВУ-С имеют шестиволновый профиль; высота волны 50 мм,
ширина листов 1000 мм, длина 2800 мм, толщина 8 мм. Служат для
устройства кровель и стеновых ограждений производственных зданий и сооружений.
Асбестоцементные плоские листы согласно стандарту СТ СЭВ
827—77 выпускают толщиной 4, 5, 6, 8, 10 и 12 мм, шириной 800,
1200, 1500 мм и длиной 2000, 2500, 3200, 3600 мм.
Физико-механические показатели листов соответствуют требованиям, приведенным в табл. 39.
Панели и плиты подразделяют по назначению на кровельные
(покрытия, поднесные потолки), стеновые и перегородки. Их изготовляют преимущественно сборными (из отдельных элементов), ре-
же цельноформованными. По конструкции панели и плиты разделяют на неутепленные, утепленные и акустические. Плиты утепленные для покрытий промышленных зданий (рис. 119) изготовляют
двух типов: рядовые — АП
(основной тип) и краевые —
АПК (доборные).
Асбоцементные трубы
выпускают следующего назначения: водопроводные
(напорные и безнапорные),
газопроводные, канализационные, вентиляционные, об- ~
, ~ ’
садные и муфты. Трубы име- ная плита для покрытий промышленных
ют круглое либо прямоуголь-
Ное поперечное сечение. На- / — асбестоцементные фигурные листы; 2— алю-
__
„порные водопроводные тру-
267
--------------- page: 135 -----------
бы по максимальному рабочему давлению подразделяют на классы:
до 0,6 МПа —класс ВТ6, до 0,9 МПа — класс ВТ9, до 1,2 МПа —
класс ВТ12, до 1,5 МПа — класс ВТ15, до 1,8 МПа — класс ВТ18.
Муфты асбоцементные самоуплотняющиеся типа САМ предназначены для соединения асбоцементных труб. Соединение типа
САМ состоит из асбоцементной муфты с проточенными пазами и
двух резиновых манжет. Эффект самоуплотнения достигается благодаря давлению воды, которое передается на стенки цилиндрических углублений в манжетах и плотно прижимает их к уплотняемым поверхностям груб и муфт.
Газопроводные трубы по максимальному рабочему давлению
подразделяют на марки: ГАЗ-НД — для газопроводов низкого давления (до 0,005 МПа), ГАЗ-СД — для среднего давления
(до 0,3 МПа),
Глгва 41
АВТОКЛАВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
§ 1. Понятие об автоклавной технологии
Производство автоклавных строительных материалов базируется на гидротермальном синтезе гидросиликатов кальция, который
осуществляется в реакторе-автоклаве в среде насыщенного водяного пара давлением 0,8—1,3 МПа и температурой 175—200°С. Для
гидротермального синтеза можно использовать при надлежащем
обосновании иные параметры автоклавизации, применять обработку не только паром, но и паровоздушной или парогазовой смесью,
водой.
Силикатные автоклавные материалы — это бесцементные материалы и изделия (силикатные бетоны, силикатный кирпич, камни,
блоки), приготовленные из сырьевой смеси, содержащей известь
(гашеную или молотую негашеную), кварцевый песок и воду, которые образуют в процессе автоклавной обработки гидросиликаты
кальция:
Са(ОН)2 -{- SiOa -f- m Н20 = CaO • SiOa • n H20
В условиях автоклавной обработки можно получить различные
гидросиликаты кальция в зависимости от состава исходной смеси:
тоберморит 5Ca0-6Si0.2-5H20, слабо закристаллизованные гидросиликаты: (0,8—1,5) Ca0-Si02-H20—CSH(I) и (1,5—2)СаОХ
XSi02H20—CSH(II). В высокоизвестковых смесях синтезируется
гиллебрандит 2Ca0-Si02-H20.
Автоклав представляет собой горизонтально расположенный
стальной цилиндр с герметически закрывающимися с торцов крышками (рис. 120). Диаметр автоклава — 2,6—3,6 м, длина — 21—
30 м. Автоклав снабжен манометром, показывающим давление пара, и предохранительным клапаном, автоматически открывающим*
2G8
ся при повышении давления выше предельного. В нижней части
автоклава уложены рельсы, по которым передвигаются загруженные в автоклав “вагонетки с изделиями. Автоклав оборудован
устройствами для автоматического контроля и управления режимом автоклавной обработки. Для уменьшения теплопотерь автоклав покрыт слоем теплоизоляции.
После загрузки автоклав закрывают и в него постепенно впускают насыщенный пар. Высокая температура при наличии в бетоне воды в капельно-жидком состоянии создает благоприятные условия для химического взаимодействия между гидратом окиси
кальция и кремнеземом.
По П. И. Боженову * автоклавная обработка состоит из шести
этапов.
Первый этап— от начала впуска пара до установления в автоклаве температуры 100°С. На этой стадии нагревания наблюдается
большой температурный перепад между поверхностью и серединой
изделия, достигающий 30—50°С и могущий вызвать значительные
температурные напряжения и появление трещин.
Второй этап — от начала подъема давления пара до достижения максимального давления в автоклаве — сопровождается повышением температуры от 100°С до максимальной. Пар под давлением проникает в поры изделия и конденсируется в них, изделие прогревается во всем объеме, температурный перепад сокращается до
3—5°С.
Третий этап — выдержка изделий при постоянных давлении и
температуре; чем выше давление и температура, тем короче продолжительность автоклавизации. Иногда третья стадия может отсутствовать (так называемый «пиковый» режим).
Четвертый этап начинается с момента снижения давления пара
и температуры, которое необходимо проводить постепенно. На этом
этапе внутренние напряжения в изделиях возникают вследствие
разности температуры и давления в материале и в автоклаве.
*
269
--------------- page: 136 -----------
Пятый этап — остывание изделий от 100 до 18—20°С.
Шестой этап — вакуумирование (может добавляться). При ва-
куумировании давление водяного пара внутри изделий примерно на
0,02 МПа выше, чем в автоклаве, поэтому происходит подсушка
изделий и более быстрое их остывание.
Следовательно, прочность автоклавных материалов формируется в результате взаимодействия двух процессов: 1) структурообра-
зования, обусловленного синтезом гидросиликатов кальция и 2) деструктивного, обусловленного внутренними напряжениями.
Для снижения внутренних напряжений автоклавную обработку
проводят по определенному режиму, включающему постепенный
подъем давления пара в течение 1,5—2 ч, изотермическую выдержку изделий в автоклаве при температуре 175—200°С и давлении
0,8—1,3 МПа в течение 4—8 ч и снижение давления пара в течение
2—4 ч. После автоклавной обработки продолжительностью 8—14 ч
получают силикатные бетоны и силикатный кирпич.
§ 2. Силикатные бетоны
Силикатные бетоны, как и цементные, могут быть тяжелыми
(заполнитель — песок и щебень или песок и песчано-гравийная
смесь), легкими (заполнители пористые — керамзит, вспученный
перлит, аглопорит и др.) и ячеистыми.
В силикатном бетоне применяют известково-кремнеземистое вяжущее, в состав которого входят воздушная известь и тонкомолотый кварцевый песок (взамен песка применяют золу ТЭС, молотый
доменный шлак). Прочность известково-кремнеземистого вяжущего зависит от активности извести, соотношения СаО/БЮг, тонкости измельчения песка и параметров автоклавной обработки (температуры и давления насыщенного пара, длительности автоклавного твердения). Оптимальным будет такое
соотношение CaO/SiOj и такая тонкость
помола песка, при которых вся СаО будет связана в низкоосновные гидросиликаты кальция (рис. 121).
Изготовление бетонных и железобетонных изделий включает приготовление
известково-кремнеземистого вяжущего,
приготовление и гомогенизацию силикатнобетонной смеси, формование изделий,
автоклавную обработку. В процессе авто-
клавизации между всеми компонентами
бетона имеют место химические взаимодействия. Заполнитель (в особенности
кварцевый песок) участвует в синтезе
новообразований, подвергаясь изменениям на глубину до 15 мкм.
Тяжелый силикатный бетон объемной
массой 1800—2500 кг/м3 с марками по
270
7,5. 15 22,5 27,5
Сокржание молотого
песка, %
Рис. 121. Влияние тонкости
помола и содержания кварцевого песка на прочность
силикатного бетона:
J — удельная поверхность молотого песка 1500 см’/г; 2 —то же.
2500 см*/г; 3 — то же, 4500 сыг/г
(по данным О. А. Гершберга)
прочности 150—800 применяют для изготовления сборных бетонных
и железобетонных конструкций, в том числе предварительно напряженных.
§ 3. Силикатный кирпич
Силикатный кирпич изготовляется из жесткой смеси кварцевого
песка (92—94%), извести (6—8%, считая на активную СаО) и воды (7—9%) путем прессования под давлением (15—20 МПа) и последующего твердения в автоклаве.
Цвет силикатного кирпича светло-серый, но он может быть любого цвета путем введения в состав смеси щелочестойких пигментов. Выпускают кирпич двух видов: одинарный 250x120x65 мм и
модульный 250X120X88 мм. Модульный кирпич изготовляют с
пустотами, чтобы масса одного кирпича не превышала 4,3 кг.
В зависимости от предела прочности при сжатии и изгибе силикатный кирпич имеет марки: 100, 125, 150, 200 и 250.
Объемная масса силикатного кирпича (без пустот)—около
1900 кг/м3, т. е. он немного тяжелее обыкновенного глиняного кирпича. Водопоглощение лицевого силикатного кирпича не превышает
14%, а рядового— 16%. Марки по морозостойкости для лицевого
кирпича: Мрз25, Мрз35, Мрз50; для рядового — Мрз15.
Силикатный кирпич, как и глиняный, применяют для несущих
стен зданий. Не рекомендуется его применять для цоколей зданий
из-за недостаточной водостойкости. Для кладки труб и печей силикатный кирпич не используют, так как при высокой температуре
дегидратируется Са(ОН)д, разлагаются СаСОз и гидросиликаты
кальция, а зерна кварцевого песка при 600°С расширяются и вызывают растрескивание кирпича.
На производство силикатного кирпича расходуется меньше тепла, поскольку не требуется сушка и высокотемпературный обжиг,
лоэтому он на 30—40% дешевле глиняного кирпича.
--------------- page: 137 -----------
...
РАЗДЕЛ VIII
МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ СТЕКЛА
Глава 42
ИЗДЕЛИЯ ИЗ СТЕКЛА
§ 1. Химический состав стекла и его свойства
«Стеклом называют все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава, независимо от их химического состава и
температурной области затвердевания и обладающие в результате
постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым». Это общее определение стекла, данное комиссией по терминологии при Академии наук СССР,
охватывает наиболее характерные свойства, присущие любой стекловидной системе.
Для стекловидного состояния характерно наличие небольших
участков правильной упорядоченной структуры, отсутствие правильной пространственной решетки, изотропность свойств, отсутствие определенной температуры плавления.
Строительное стекло содержит (%): 75—80% SiOa, 10—15°/о
СаО, около 15% Na^O.
Химическая стойкость стекла зависит от его состава, более стойкими из силикатных стекол являются такие, в которых содержится
мало щелочных окислов. При замене ЫадО на двух-, трех- и четырехвалентные окислы химическая стойкость стекла повышается.
Основными оптическими свойствами стекла является: светопро-
пускание (прозрачность), светопреломление, отражение, рассеивание и др. Обычные силикатные стекла хорошо пропускают всю видимую часть спектра и практически не пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Изменяя химический состав стекла и его
окраску, можно регулировать светопропускание стекла (см. увио-
левое, отражательное, теплозащитное стекло). Показатель преломления строительного стекла (1,46—1,53) определяет светопропускание при разных углах падения света. Так, при изменении угла
падения света с 0° (перпендикулярно плоскости стекла) до 75° светопропускание стекла уменьшается с 92 до 50%.
Плотность обычного стекла 2500 кг/м3, наибольшую плотность
имеют стекла с повышенным содержанием окиси свинца (тяжелые
флинты) — до 6000 кг/м3. Модуль упругости стекол изменяется от
48 000 до 83 000 МПа, для кварцевого стекла — 71 400 МПа. Присутствие окислов СаО и Ва03 (до 12%) повышает модуль упругости.
272
Стекло обладает высокой прочностью на сжатие 700—1000 МПа
и малой прочностью при растяжении — 35—85 МПа, Прочность
закаленного стекла в 3—4, иногда в 10—15 раз больше, чем отожженного.
Твердость обычных силикатных стекол 5—7 по шкале Мооса.
Кварцевое стекло, а также боросиликатные малощелочные стекла
обладают большой твердостью.
Стекло плохо сопротивляется удару, т. е. оно хрупко: прочность
при ударном изгибе составляет около 0,2 МПа. У закаленных образцов она в 5—7 раз выше, чем у отожженных. Присутствие в
стекле борного ангидрида, окиси магния увеличивает сопротивление стекла удару.
Теплоемкость стекол определяется их химическим составом. При
комнатной температуре значения теплоемкости находятся в пределах от 0,63 до 1,05 кДж/(кг>°С).
На термическое расширение стекол также влияет химический
состав. Наиболее низкий коэффициент температурного расширения
у кварцевого стекла — 5,8-10-7 1/°С, у обычных строительных стекол — 9-10-® — 15-10-6 1/°С.
Теплопроводность обычного стекла при температуре до 100°С составляет 0,4—0,82 Вт/(м-°С). Наибольшую теплопроводность имеет кварцевое стекло— 1,340 Вт/(м-°С). Малой теплопроводностью
обладают стекла, содержащие большое количество щелочных окислов. Боросиликатные стекла имеют высокую термостойкость, наиболее термостойко кварцевое стекло.
Электропроводность стекол изменяется с изменением температуры. Наибольшее влияние на электропроводность оказывает содержание в них окиси лития; чем больше ее в составе стекла, тем
выше электропроводность. Понижают электропроводность окислы
двухвалентных металлов (больше всего ВаО), а также SiOa и В203.
Следует учитывать поверхностную проводимость стекла, которую
. обусловливает пленка, образующаяся на поверхности стекла в результате гидролиза силикатов. Эта пленка поглощает значительное
количество влаги и вызывает, повышенную активность стекла.
Стекло поддается механической обработке: его можно пилить
циркулярными пилами с алмазной набивкой, обтачивать победитовыми резцами, резать алмазом, шлифовать, полировать. В пластичном состоянии, при температуре 800—1000°С, стекло поддается формованию. Его можно выдувать, вытягивать в листы, трубки, волокна, можно сваривать.
§ 2. Понятие о получении стекла
Для изготовления стекла основным сырьем служат: кварцевый
песок, известняк, сода или сульфат натрия. Варка строительного
силикатного стекла производится в стекловаренных печах при температуре до 1500°С.
В процессе стекловарения при 800—900°С протекает стадия си-
ликатообразования. К концу следующей стадии стеклообразова-
273
--------------- page: 138 -----------
ния — 1150—1200°С масса становится прозрачной, но в ней еще
содержится много газовых пузырей. Дегазация заканчивается при
1400—1500°С, к ее концу стекломасса освобождается от газовых
включений, свилей и становится однородной. Для достижения нужной для формования рабочей вязкости температура массы снижается на 200—300°С.
Вязкость стекломассы зависит от химического состава: окислы
Si02, А1.20з, Zi02 повышают вязкость, Na20, CaO, L20, наоборот, ее
понижают.
Переход от жидкого состояния в стеклообразное является обратимым явлением. При длительном нахождении на воздухе и нагревании некоторых стекол обычная для них аморфная структура
может переходить в кристаллическую; это явление называют рас-
стекловыванием.
§ 3. Виды листового стекла
Листовое стекло используют для остекления оконных, и дверных проемов, витрин, наружной и внутренней отделки зданий. Наряду с обычными промышленностью вырабатываются специальные
виды листового стекла: теплопоглощающее, увиолевое, армированное, закаленное, декоративно-художественное и др. Листовое оконное стекло вырабатывают трех сортов и в зависимости от толщины— шести размеров: 2; 2,5; 3; 4; 5 и 6 мм. С увеличением толщины стекла несколько снижается светопропускание. Сорт листового
стекла определяется в зависимости от наличия дефектов, к которым относятся: полосность — неровности на поверхности; свиль —
узкие нитевидные полоски; пузыри — газовые включения и др.
Витринное стекло изготовляют полированным и неполированным. Размеры витринного стекла достигают 3,5X4,5 м при толщине
5—12 мм. В строительстве применяют также стекла, обладающие
повышенной прочностью. К ним относятся закаленное и армированное стекло. При получении стекла с заданными специальными
свойствами в процессе производства в него добавляют различные
окислы металлов или наносят на стекло покрытия в виде тонкой
пленки металла, окислов или краски. Добавки и покрытия придают
стеклу способность отражать свет или поглощать тепло, могут повысить электропроводность стекла или сообщить ему декоративные
свойства.
Отражающее стекло используют для уменьшения нагрева солнечными лучами и регулирования освещенности. Эти свойства достигаются путем покрытия, наносимого на стекло в вакуумной камере и образующего с ним единое целое. Стекло выпускают двух
типов — «под золото» и «под серебро». Стекло, покрытое хромом,
имеет снаружи серебристый оттенок, причем в дневное время оно
изнутри прозрачно. В сочетании с обычным стеклом может использоваться для изготовления стеклопакетов.
Стекло для облицовочных панелей в виде горизонтальных конструктивных элементов располагают между рядами окон многоэтаж-
274
ного здания. На внутреннюю поверхность толстого полированного
стекла наносят при нагревании непрозрачное покрытие из керамической эмали различного цвета, составляющей единое целое со
стеклом. Покрытие защищается со стороны помещения тонким слоем алюминия, наносимом в вакууме.
Закаленное стекло получают путем нагрева стекла до температуры закалки (540—650°С) и последующего быстрого равномерного охлаждения. Этим добиваются однородного распределения внутренних напряжений в стекле. Прочность при ударе и предел прочности при изгибе закаленного стекла в несколько раз выше, чем у
обычного. Листовое закаленное стекло находит применение для остекления витрин, изготовления стеклянных дверей, балконных и
лестничных ограждений и т. п.
Армированное стекло. Стекло армируют металлической сеткой
из отожженной, хромированной или никелированной стальной проволоки. Будучи запрессованной в стекло, металлическая сетка служит каркасом, удерживающим мелкие осколки стекла при его повреждении. Армированное стекло выпускают плоским и волнистым
(рис. 122, а). Волнистое армированное стекло используют в кровельных конструкциях.
Увиолевое стекло получают из шихты с минимальными примесями окислов железа, титана, хрома. Увиолевое стекло пропускает
25—75% ультрафиолетовых лучей, т. е. гораздо больше, чем обычное оконное стекло, поэтому его используют для остекления оранжерей, а также оконных проемов в детских учреждениях и лечебницах.
Электропроводящие прозрачные покрытия наносят на стекло в
основном с целью обогрева стекла и предотвращения запотевания.
Электропроводящая пленка (толщиной 0,5 мкм) может быть получена напылением солей металлического серебра и нагревом стекла
до температуры 500—700°С. После покрытия пленки тонким слоем
люминофора стекло можно использовать в качестве светящегося
элемента (с голубым, желтым, зеленым свечением). Кроме того, в
качестве источника тепла используют стеклопакеты с внутренним
слоем из электропроводящего стекла.
Теплопоглощающее (теплозащитное) стекло по своему составу
отличается от обычных стекол содержанием окислов железа, кобальта и никеля, благодаря чему приобретает слабый сине-зеленый
оттенок. Теплопоглощающее стекло задерживает 70—75% инфракрасных лучей, т. е. в 2—3 раза больше, чем обычное оконное стекло. Интенсивное поглощение лучистой энергии приводит к сильному
нагреванию и значительным температурным деформациям стекла.
Поэтому при остеклении следует предусматривать достаточный зазор между рамой и стеклом.
Щ При двойном остеклении теплозащитное стекло помещают с
;'Р внешней стороны, чтобы оно охлаждалось наружным воздухом, а
’ обычное стекло — изнутри.
^ ^ Стекло, устойчивое к радиоактивным излучениям, получают из
шихты специального состава. Для поглощения рентгеновских и 7-лу-
275
Л; .
--------------- page: 139 -----------
Рис. 122. Виды материалов и изделий из стекла:
а —волнистое армированное стекло; 6 — стеклянный блок; в —
стеклопрофилит коробчатого сечения; г—то же, швеллерного се*
чения; д — полимерные прокладки для крепления
чей используют оптические стекла с высоким содержанием свинца
и бора. Чтобы улучшить устойчивость стекла к излучению, в шихту добавляют 0,25—1,5% окиси церия.
Защитные свойства стекла можно приближенно оценивать по
их плотности. Например, тяжелое свинцовое стекло с объемной
массой 6200 кг/м3, содержащее 80% окиси свинца, по своей защитной способности в отношении у-излучения эквивалентно стали.
Стекла, поглощающие медленные нейтроны, должны содержать
один из следующих окислов: окись бора, окись лития, окись кадмия и др. Стекло, устойчивое к действию радиоактивных излучений,
применяют прн сооружении атомных электростанций (например,
для устройства защитных смотровых окон) и предприятий по изготовлению изотопов.
Термостойкое стекло (боросиликатное) содержит окись рубидия, окись лития и др. Термостойкие стекла имеют коэффициент
линейного температурного расширения около 2—4*10~6°С-1, т. е.
в 2—3 раза меньше, чем обычное стекло. Изделия из таких стекол
выдерживают перепады температур до 200°С. Их используют для
276
изготовления термостойких деталей аппаратуры (например, водомерных трубок).
Облицовочное стекло используют для достижения большой архитектурно-художественной выразительности зданий. Цветные плиты марблит изготовляют из непрозрачного («глушеного») стекла с
полированной лицевой поверхностью. Иногда текстура стекла имеет по-разному окрашенные зоны и прожилки, как у мрамора. Из отходов листового оконного стекла получают эмалированные плитки
размером 150Х150 и 150X75 мм.
В сборном строительстве для облицовки наружных стеновых панелей из легкого и тяжелого бетона начали применять ковровую
стеклянную мозаику. Ее набирают из мелких квадратных плиток
(чаще всего 20X20 мм), изготовляемых путем переработки цветной глушеной стекломассы.
§ 4. Изделия из стекла
Пустотелые стеклянные блоки обладают хорошей светорассеивающей способностью, а выполненные из них световые проемы и
перегородки имеют хорошие тепло- и звукоизоляционные свойства. Блоки состоят из двух отпрессованных половинок, которые свариваются между собой. Наиболее распространенные виды стеклянных блоков имеют на внутренней стороне рифления, придающие
блокам светорассеивающую способность (рис. 122, б). Светопро-
пускание — не менее 65%, светорассеивание — около 25%, коэффициент теплопроводности — 0,4 Вт/(м-°С).
Помимо обычных изготовляют цветные, двухкамерные (теплозащитные) и светонаправленные блоки.
Стеклобетонные конструкции представляют собой бетонную
обойму, внутри которой на растворе уложены стеклянные блоки.
Эти конструкции несгораемы и препятствуют распространению огня. В промышленном строительстве стеклянные блоки применяют
для устройства окон. В жилых и общественных зданиях пустотелые стеклянные блоки используют для заполнения наружных световых проемов, остекления лестничных клеток, а также для устройства светопрозрачных перекрытий и перегородок.
Стеклопакеты в индустриальном строительстве находят все большее применение. Они состоят из двух или трех листов стекла, между которыми образуется герметически замкнутая воздушная полость. Стеклопакетное остекление обладает хорошей тепло- и звукозащитной способностью, оно не запотевает и не нуждается в протирке внутренних поверхностей. В зависимости от назначения
стеклопакеты могут быть выполнены с применением оконного, закаленного, отражающего или других видов стекла.
Стеклянные трубы в ряде случаев (например, в условиях химической агрессии) могут оказаться эффективнее металлических. Они
обладают высокой химической стойкостью, гладкой поверхностью,
прозрачны и гигиеничны. Благодаря этим высоким качествам их
Широко используют в пищевой и химической промышленности. Ос277
--------------- page: 140 -----------
новными недостатками стеклянных труб следует считать хрупкость,
т. е. слабое сопротивление изгибу и ударам, а также невысокую
термостойкость (около 40°С). В последнее время на основе боросиликатных стекол получены термостойкие трубы с малым тепловым расширением.
Панели из профильного стекла (стеклопрофилит). Отечественной промышленностью освоен выпуск профилированных стеклянных изделий больших размеров. Подобные изделия имеют коробчатый, ковровый, ребристый и другие профили и используются для
монтажа светопропускающих перегородок и перекрытий
(рис. 122, в, г, д).
Глава 43
ИЗДЕЛИЯ ИЗ СИТАЛЛОВ
§ 1. Понятие о получении ситаллов
Ситаллы получают путем направленной кристаллизации стекол
или расплавов различных составов, протекающей во всем объеме
отформованного изделия. Микроструктура ситаллов характеризуется наличием мелких кристаллов, равномерно распределенных
в стекле. В большинстве случаев процесс кристаллизации доводится почти до конца, так что количество стеклофазы не превышает
нескольких процентов. Средний размер кристаллов в ситаллах —
1—2 мкм, в то время как толщина прослойки из стекла не превышает десятых долей микрона. Отдельные кристаллы сами по себе
обладают неодинаковыми свойствами в разных кристаллографических направлениях, однако благодаря их беспорядочной ориентации анизотропия в ситаллах отсутствует.
Для изготовления ситаллов используют те же исходные компоненты, что и для стекла, а также специальные добавки — катализаторы кристаллизации (соединения титана, лития, циркония и др.).
Однако при производстве ситаллов предъявляются повышенные требования в отношении чистоты сырья и соблюдения установленного
технологического режима.
Получение ситаллов включает следующие технологические операции. Шихта, содержащая катализатор, подвергается плавлению,
при этом катализатор кристаллизации растворяется в расплавленном стекле. Из расплава формуется изделие теми же методами, что
и при производстве стекла. Затем изделие охлаждается до температуры выделения микроскопических частиц катализатора, которая
обычно на 50°С превышает температуру отжига стекла. На этой
стадии производится выдержка в течение 1 ч для образования максимального количества частиц катализатора. На следующей стадии
термообработки изделие нагревают до температуры, соответствующей максимальной скорости образования и роста кристаллов ситал-
ла и выдерживают при этой температуре до возможно более полно278
го завершения кристаллизации. Наконец, ситалловое изделие охлаждают до комнатной температуры.
Регулируя режимы термообработки, можно изменить степень
кристаллизации, размеры кристаллов, что отражается на свойствах изделия.
§ 2. Свойства ситаллов и изделия из них
Ситаллы обладают благоприятным сочетанием многих важных
свойств: высокой механической прочностью, влаго- и газонепроницаемостью, термостойкостью, высокой температурой размягчения,
хорошими диэлектрическими свойствами, химической стойкостью.
Ситаллы выдерживают сравнение с рядом конструкционных материалов— легированными сталями, черными металлами, алюминием и превосходят по своим свойствам стекло.
Твердость некоторых ситаллов приближается к твердости закаленной стали и почти в 25 раз больше твердости шлифованного
оконного стекла.
Ситаллы обладают высокой стойкостью к действию сильных
кислот (кроме плавиковой) и щелочей. Значительная механическая прочность, а также химическая стойкость способствуют применению ситалловых изделий в химической и нефтехимической промышленности. Термостойкость изделий из ситалла равна 200—
700°С, а иногда достигает 1100СС.
Высокие термомеханические свойства предопределяют использование ситалловых изделий в специальных областях строительства. Они находят применение для изготовления деталей, сохраняющих стабильные размеры при изменениях температуры (например,
фундаменты особо точных станков). Трубы из ситалла применяют
для изготовления теплообменников.
Получены ситаллы, поглощающие медленные нейтроны, а также отличающиеся жаростойкостью и способностью герметически
паяться со сталью. Эти ситаллы используют при изготовлении
стержней в ядерных реакторах и для устройства биологической
защиты.
В СССР разработан эффективный и экономически выгодный способ получения ситаллов из огненно-жидких металлургических шлаков.- Для получения шлакоситаллов в расплавленный шлак вводят
корректирующие добавки и добавки-катализаторы, ускоряющие
кристаллизацию шлаков. В качестве кристаллизаторов используют
чаще всего Ti02, Р5О5, CaF2, сульфиды тяжелых металлов Fe и Мп
в количестве 4—5%. При охлаждении огненно-жидкого шлака происходит выделение тонкодисперсных частичек катализатора,
которые являются зародышами кристаллизации расплава. Отформованное из расплава изделие подвергают термообработке по определенному режиму.
Объемная масса шлакоситаллов 2500—2650 кг/м3, предел прочности при сжатии — 500—650 МПа, при изгибе — 90—130 МПа,
модуль упругости— 11-104 МПа, рабочая температура — до 750°С,
279
--------------- page: 141 -----------
температура размягчения — около 950°С, водопоглощение практически равно нулю.
По внешнему виду шлакоситалл представляет собой плотный,
тонкозернистый, непрозрачный материал. Практически можно получить шлакоситалл любого цвета путем использования в процессе изготовления изделий различных керамических красок. Из шла-
коситалла изготовляют дешевые и высококачественные изделия,
отличающиеся высокой долговечностью и используемые в жилищном и промышленном строительстве для устройства лестничных
ступеней, плиток для полов, подоконников, внутренних перегородок
и других деталей. Волнистый и плоский листовой шлакоситалл можно применять как кровельный и стеновой материал.
Шлакоситаллы применяют в гидротехническом строительстве
для облицовки ответственных частей гидросооружений, а также в
дорожном строительстве в качестве плиты для тротуаров, дорожных покрытий, бортовых камней. Листовой шлакоситалл можно использовать и как декоративно-отделочный материал для наружной
и внутренней облицовки различных сооружений.
Вспененный шлакоситалл (пеношлакоситалл) имеет ячеистую
структуру, как и пеностекло, но отличается от него своим строением. Пеношлакоситалл является эффективным теплоизоляционным
материалом, поскольку он обладает незначительным водопоглоще-
нием и малой гигроскопичностью. Его используют для утепления
стен и перекрытий, а также для звукоизоляции помещений. Изделия из пеношлакоситалла могут работать при температурах до
750°С, поэтому их применяют также для изоляции теплопроводов и
промышленных печей.
РАЗДЕЛ IX
МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ
Глава 44
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
СССР является великой лесной державой, занимающей первое
место в мире по величине лесных массивов. Особенно велики запасы древесины в Сибири, ценные породы деревьев имеются в Карельской АССР, Западной Украине, на Кавказе и Дальнем Востоке.
Велика роль леса в охране окружающей среды и оздоровлении воздушного бассейна. Поэтому в СССР постоянное внимание уделяется
восстановлению лесов в зонах промышленных разработок, а также
разведению лесов в защитных и водоохранных зонах.
В целях сохранения и приумножения лесных богатств СССР потребность в лесоматериалах удовлетворяется путем комплексной и
Глубокой переработки древесины. Наряду с такими традиционными материалами, как круглый лес, доски, брусья, шпалы и т. п.,
ясе шире применяют клееные деревянные конструкции и разнообразные изделия, получаемые из отходов лесообработки. Отходы от
переработки древесины (горбыль, рейки, стружки, опилки и т. п.)
составляют значительную долю (50—60%) заготовляемой древесины. Эти отходы, а также неделовую (дровяную) древесину превращают, используя хорошо освоенную технологию, в древесностружечные и древесноволокнистые плиты с ценными и разнообразными свойствами. На передовых деревообрабатывающих комбинатах
коэффициент использования древесного сырья доходит до 0,98.
Высокая прочность и упругость древесины сочетается с малой
объемной массой, а, следовательно, и с низкой теплопроводностью.
Древесина морозостойка, не растворяется в воде и органических
растворителях, способных растворить синтетические полимеры. Хорошо известна легкость обработки древесины, удобство скрепления
деревянных элементов с помощью клея, врубок, гвоздей и пр. Однако древесине присущ ряд особенностей, которые должны учитываться при обработке, хранении и эксплуатации лесоматериалов.
Качество древесины зависит от породы дерева, условий его роста и наличия тех или иных пороков (трещин, сучков и пр.). Поэтому прочность и другие характеристики древесины колеблются в
очень широких пределах. К тому же прочность сильно меняется
при изменении влажности, причем увлажнение сопровождается
разбуханием, а высушивание — значительной усушкой древесины.
Неравномерность усушки вызывает коробление и растрескивание
досок и других лесных материалов. Волокнистое анизотропное
строение древесины предопределяет и неодинаковые ее механиче281
--------------- page: 142 -----------
ские, теплотехнические и другие свойства в разных направлениях,
что учитывается при проектировании деревянных конструкций.
Недостатками древесины являются легкая возгораемость при
пожаре и гниение, происходящее под влиянием грибковых поражений.
Изготовление деревянных конструкций путем склеивания тонких элементов водостойкими полимерными клеями уменьшает
усушку, предотвращает коробление древесины. Для борьбы с гниением применяют пропитку дерева антисептиками; огнестойкость повышают, применяя антипирены.
Глава 45
СТРОЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ
§ 1. Макроструктура древесины
Древесиной называют освобожденную от коры ткань волокон,
которая содержится в стволе дерева. Ствол дерева состоит из клеток, имеющих разное назначение в растущем дереве, а следовательно, разную форму и величину.
Макроструктуру ствола (видимую невооруженным глазом) можно
рассмотреть на трех основных разрезах: поперечном (или торцовом)
и двух продольных — радиальном
(проходящем через ось ствола) и
тангенциальном (рис. 123).
На торцовом срезе видна кора,
камбий и древесина. Кора состоит
из наружной кожицы, пробкового
слоя под ней и внутреннего слоя —
луба. Под слоем луба у растущего
дерева находится тонкий камбиальный слой, состоящий из живых клеток, размножающихся, делением.
Древесина состоит из вытянутых веретенообразных клеток — ячеек,
стенки которых состоят в основном
из целлюлозы. Эти пустотелые ячейки образуют волокна, воспринимающие на себя механические нагрузки.
Вначале в листьях дерева из атмосферного углекислого газа и воды
Рис. 123. Строение древесины: под действием солнечного света об-
ци1льрнь1йгвр-вт0йиб ратдиаль™й;н7- разуется глюкоза, хорошо растворя-
кора; 2- луб; 3- камбий; 4-забо- ЮЩЭЯСЯ В ВОДе. В раСТВОреННОМ ВИ-
лонь; 5 —ядро; о — сердцевина; 7—
годовые слои; 8 —* сердцевинные лучи
282
дерева поступает к растущим клеткам камбия. В стенке клетки
молекулы глюкозы соединяются своими концами между собой:
—ОН + НО —О— + Н20
В результате происходящей реакции поликонденсации образуется
кислородная связь (—О—) и молекула воды, уходящая в сок дерева.
Кислородная связь объединяет кольца глюкозы в макромолекуле целлюлозы, состоящей из нескольких сотен глюкозных ячеек:
СН2ОН
о
н он н он
Следовательно, целлюлоза является природным линейным полимером, нитевидные цепи которого жестко связаны (сшиты) гидроксильными связями. Это объясняет отсутствие у древесины области высокоэластичного состояния, возникающего при нагревании
многих линейных полимеров.
Деление клеток камбия начинается весной и заканчивается
осенью. Поэтому древесина ствола состоит из ряда концентрических
годовых колец. В свою очередь каждое годовое кольцо включает
внутренний слой ранней (или весенней) древесины и внешний слой
поздней (или летней) древесины.
Древесина, образовавшаяся весной и в начале лета, состоит из
крупных тонкостенных клеток. Поздняя древесина, образовавшаяся летом и в начале осени, состоит из клеток меньшего размера и
имеет более темный цвет, большую плотность и прочность, чем
ранняя древесина. Поэтому механическая прочность древесины
возрастает при увеличении относительного содержания в ней поздней древесины.
На поперечном разрезе ствола дерева видны сердцевина, ядро
и заболонь (рис. 123).
Сердцевинная трубка представляет собой рыхлую первичную
ткань, которая состоит из тонкостенных клеток, имеет малую прочность и легко загнивает. Поэтому сердцевина не допускается в тонких досках и брусках, предназначенных для растянутых и изгибаемых элементов конструкций. Нежелательна сердцевина и в столярных изделиях, так как она постепенно выкрашивается.
Ядро, или спелая древесина,— внутренняя часть стволу дерева.
Ядро выделяется темным цветом (рис. 123), так как стенки клеток
древесины ядра постепенно изменяют свой состав: у хвойных пород они пропитываются смолой, а у лиственных — дубильными веществами; движение влаги по этим клеткам прекращается. Поэто-
283
--------------- page: 143 -----------
ну древесина ядровой части ствола обладает большей прочностью
и стойкостью к загниванию по сравнению с древесиной заболони.
Заболонь состоит из колец более молодой древесины, окружающих ядро (или спелую древесину). По живым клеткам заболони
растущего дерева перемещается влага с растворенными в ней питательными веществами. Древесина заболони имеет большую
влажность, легко загнивает, вследствие значительной усушки склонна к короблению.
Древесные породы делят на: 1) ядровые, имеющие ядро и заболонь (дуб, ясень, платан, сосна, лиственница, кедр и др.);
2)
по цвету от заболони) и заболонь (ель, пихта, осина, бук и др.);
3)
щественного различия между центральной и наружной частями древесины ствола (береза, клен, ольха, липа).
§ 2. Микроструктура древесины
Микроструктура древесины — это строение древесины, видимое
под микроскопом.
Клетки древесины классифицируют в зависимости от выполняемых ими функций.
~v'
1
Рис. 124. Микроструктура древесины хвойных пород:
/ — клетки (трахеиды) поздней древесины; 2 — клетки ранней дре*
весины; 3 — запасающие клетки сердцевинных лучей; 4 — поры в
стенках клеток
284
Механическая, или опорная, ткань древесины — наиболее прочная и стойкая к загниванию. В древесине хвойных пород опорную
ткань образуют трахеиды поздней древесины. Древесина хвойных
пород состоит главным образом из трахеид, на их долю приходится
90—95% общего объема древесины (рис. 124). Опорная ткань в
стволах лиственных пород состоит из веретенообразных толстостенных клеток, называемых «древесными волокнами».
Проводящие клетки — сосуды у
лиственных пород и трахеиды — у
хвойных. Сосуды представляют собой тонкостенные трубочки, расположенные одна над другой диаметром 0,04—0,3 мм, длиной около
100 мм и более. У большинства хвойных пород сосудов нет, так как соответствующую функцию у них выполняют трахеиды, сообщающиеся между собой с помощью микроскопических отверстий, указанных на
рис. 124. Следовательно, трахеиды
хвойных пород выполняют роль
опорной и проводящей ткани.
Сердцевинные лучи видны на поперечном разрезе ствола дуба, клена, бука и некоторых других лиственных пород в виде узких радиальных полосок. На тангенциальном
разрезе ствола сердцевинные лучи
представляются в виде темных
штрихов. У хвойных пород они очень
узки и видны только под микроскопом. В растущем дереве сердцевинные лучи служат для перемещения питательных веществ и сохранения запаса их на зиму. По отношению к объему всей древесины хвойные породы содержат 5—10%, а лиственные 10—35% сердцевинных лучей.
Древесина сравнительно легко раскалывается по сердцевинным лучам, по ним же проходят трещины, образующиеся при высыхании лесных материалов. Это объясняется тем, что сердцевинные лучи состоят из коротких тонкостенных клеток, слабо связанных между собой.
Стенка клетки (по Рёберту) состоит из нескольких слоев, различающихся по своему составу и толщине (рис. 125). Вакуоль I
ограничена внутренним очень тонким слоем 2, первичные волокна
(фибриллы) целлюлозы расположены в нем примерно вдоль ocil
клетки. Второй слой 3 гораздо толще внутреннего и состоит из
множества пучков фибрилл целлюлозы, расположенных по спирали. В межфибрилльном пространстве находится немного лигнина.
В среднем слое 4 фибриллы целлюлозы расположены более или
Рис. 125. Строение стенки клетки
древесины
285
--------------- page: 144 -----------
менее правильно, покрывая витками предыдущий слой. В межфиб*
рилльном пространстве расположен лигнин. Следующий слой 5 состоит из переплетающихся между собой фибрилл целлюлозы.
Межклеточный элемент 6 не содержит целлюлозы. Он субмикро-
скопической толщины и при делении клетки сначала образуется
как разделительная стенка между вновь возникающими клетками,
состоящая из протопектина совместно с лигнином.
Глава 46
ОСНОВНЫЕ ПОРОДЫ ДРЕВЕСИНЫ
§ 1. Хвойные породы
Сосна — ядровая порода, ядро у нее обычно буро-красного цвета, а заболонь желтого цвета. Древесина сосны мягкая (объемная
масса 470—540 кг/м3) и прочная, легко обрабатывается. Так называемая «рудовая» сосна, растущая на возвышенных местах, песчаных и супесчаных почвах имеет мелкослойную, плотную, смолистую древесину. У «мяндовой» сосны, растущей на низменных глинистых почвах, древесина крупнослойная, рыхлая с широкой заболонью и поэтому хуже, чем у «рудовой» сосны. Широкое распространение и хорошие свойства выдвигают сосну на первое место
среди хвойных пород. Сосна применяется в строительстве в виде
круглого леса и пиломатериалов, из нее изготовляют готовые строительные конструкции и столярные изделия, она используется для
производства фанеры и др.
Ель применяют в строительстве в большом количестве наравне
с сосной,, хотя по качеству она уступает сосне. Ель имеет спелую
древесину белого цвета с желтым оттенком, менее смолистую и более легкую, чем у сосны (объемная масса ели 440—500 кг/м3).
Вследствие большого количества твердых сучков ель трудно обрабатывать. Древесину ели широко используют не только в строительстве, она является основным сырьем целлюлозно-бумажной
промышленности.
Лиственница распространена в лесах Сибири и Дальнего Востока. Эта порода имеет ядро красновато-бурого цвета, ее заболонь
узкая и по окраске резко отличается от ядра. Древесина лиственницы плотная (объемная масса 630—790 кг/м3), твердая и прочная,
менее подвержена гниению, чем древесина сосны. Поэтому лиственница особенно ценится в гидротехническом строительстве и мостостроении; из нее изготовляют шпалы, рудничные стойки. В мебельном и фанерном производстве эта порода также занимает достойное место.
Кедр имеет мягкую и легкую древесину, ее механические свойства ниже, чем у сосны. Применяют в виде круглого леса и пиломатериалов, для столярных изделий и отделки мебели — в виде декоративной фанеры.
286
Пихта представляет собой древесину, сходную с древесиной ели,
но не имеющую смоляных ходов. Легко загнивает, поэтому ее не
применяют во влажных условиях эксплуатации. Пихту в значительных количествах используют в целлюлозно-бумажной промышленности.
§ 2. Лиственные породы
Дуб имеет древесину плотную (средней объемной массой около
720 кг/м3), очень прочную и твердую. Ядро темно-бурого цвета
резко отличается от желтоватой заболони. Многочисленные крупные сердцевинные лучи видны на всех разрезах и придают древесине дуба своеобразную текстуру. Дуб применяют в ответственных
конструкциях (шпонки, нагели и т. п.) в гидротехнических сооружениях, мостостроении. Дубовый паркет, мебель, столярные изделия, ножевая фанера для столярно-отделочных работ — характерные области применения дуба. Особенно ценится мореный дуб черного или темно-серого цвета.
Ясень имеет тяжелую (объемной массой 660—740 кг/м3) древесину, гибкую и вязкую, но менее прочную, чем у дуба. Благодаря
красивой текстуре ценится в мебельном производстве и столярноотделочных работах..
Ильмовые породы (ильм, вяз, карагач) имеют прочную, твердую
и гибкую древесину. Большей частью их используют в столярном
производстве для изготовления мебели и строганой фанеры.
Береза — заболонная порода, распространенная в наших лесах,
имеет тяжелую (около 650 кг/м3) древесину, но относительно легко
загнивает в сырых и плохо вентилируемых местах. В больших количествах используют для изготовления фанеры, в качестве столярных изделий и отделочных материалов, благодаря тому что ее
легко имитировать под ценные породы. Для отделочных работ особую ценность представляет карельская береза со своеобразной извилистой и узловатой текстурой.
Бук — спелодревесная порода, ее древесина (белая с краснова-
. тым оттенком) тяжелая (около 650 кг/м3) и твердая, легко раскалывается. Древесина бука, так же как и древесина березы, относительно легко загнивает. Применяют для производства паркета,
мебели, фанеры.
Граб имеет древесину, похожую на буковую, но более тяжелую.
Используют для тех же целей, что и бук.
Осина — заболонная порода, широко распространенная в наших
лесах. Ее древесина с зеленым оттенком легкая (420—500 кг/м3),
мягкая, склонная к загниванию, служит исходным сырьем для изготовления фанеры, древесных плит. В значительных количествах
применяют в спичечной, бумажной промышленности, для изготовления тары.
Ольха — заболонная порода с мягкой древесиной, склонной к
загниванию. Применяют в основном там же, где и березу.
.Пипа — спелодревесная мягкая порода, используется для изготовления фанеры, мебели, тары.
287
--------------- page: 145 -----------
Глава 47
СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ
§ 1. Физические свойства древесины
Плотность древесины изменяется незначительно, так как древесина всех деревьев состоит в основном из одного и того же вещества — целлюлозы. Поэтому среднюю плотность древесины можно
принять равной 1,54 г/см3.
Объемная масса древесины разных пород и даже древесины одной и той же породы колеблется в весьма широких пределах, поскольку строение и пористость растущего дерева зависят от почвы,
климата и других природных условий. Древесина может быть очень
легкой — y = 450 кг/м3 (кедр, пихта), легкой — у=460—600 кг/м3
(сосна, ель, осина), со средней объемной массой — у = 610—
750 кг/м3 (лиственница, дуб, береза), тяжелой — у — 760—900 кг/м3
(граб, железное дерево) и очень тяжелой —y>910 кг/м3 (самшит,
кизил). С увеличением влажности объемная масса древесины возрастает. Свежесрубленная древесина значительно тяжелее древесины воздушно-сухой, имеющей влажность 15% (табл. 40).
Пористость древесины хвойных пород колеблется от 46 до 81%,
лиственных — от 32 до 80%.
Влажность W выражают обычно в % по отношению к массе сухой древесины. В древесине различают гигроскопическую влагу,
связанную в стенках клеток, и капиллярную влагу, которая свободно заполняет полости клеток и межклеточное пространство.
Таблица 40
Объемная масса и пористость древесины некоторых хвойных
и лиственных пород
Объемная масса
древесины
в?
о в
Ч «1
и о
Порода
дерева
Район произрастания
прн
15%-ной
влажности
свеже-
срублен-
ной
Пористосл
Среднее чн
годовых сл
в 1 см
Сосна
Европейская часть
СССР
То же
530
860
53—70
6
Ель
460
790
62—75
12
Лиственница
Северо-европейская
часть СССР
680
840
46—73
10
Кедр
Западная Сибирь
440
880
60—80
5
Пихта
Урал
390
800
55—81
8
Дуб
Европейская часть
СССР
То же
720
1030
32—61
6
Береза
640
880
50—61
5
Бук
Кавказ
650
950
40—70
7
Осина
Европейская часть
СССР
500
760
62—80
5
288
Предел гигроскопической влажности (в среднем он составляет
около 30%) соответствует полному насыщению стенок клеток древесины водой. Полная влажность древесины, считая вместе гигроскопическую и капиллярную влагу, может значительно превышать
30%. Например, у свежесрубленного дерева она может колебаться
от 40 до 120%, а при выдерживании древесины в воде ее влажность
может возрасти до 200%. При длительном нахождении влажной
древесины на воздухе она постепенно высыхает и достигает равновесной влажности.
Температура Воздуха, °С
Рис. 126. Номограмма равновесной влажности древесины (2—28% — величины равновесной влажности древесины)
Равновесная влажность зависит от температуры и относительной влажности окружающего воздуха. Для определения равновесной влажности пользуются номограммой (рис. 126), где по оси абсцисс отложена температура воздуха от —20 до +100°С, по оси
ординат — относительная влажность воздуха от 0 до 100%. Каждая
из наклонных прямых линий представляет геометрическое место
точек, соответствующих одной и той же равновесной влажности
древесины.
Равновесная влажность комнатно-сухой древесины составляет
8—12%, поэтому до такой влажности высушивают паркетную клепку, древесину, идущую на изготовление столярных изделий, и т. п.
Воздушно-сухая древесина после продолжительной сушки на открытом воздухе имеет влажность 15—18%.
Показатели свойств (объемной массы, прочности), полученные
при испытании древесины различной влажности, для возможности
10—6Q4
--------------- page: 146 -----------
сопоставления приводят к стандартной влажности, равной 12%.
При необходимости численные характеристики древесины (например, предел прочности) пересчитывают к влажности 15%.
Усушка, разбухание и коробление. Колебания влажности волокон древесины влекут изменение размеров и формы досок, брусьев
и других изделий из древесины. При увлажнении сухой древесины
до достижения ею, предела гигроскопичности стенки древесных
клеток утолщаются, разбухают, что приводит к увеличению размеров и объема Деревянных изделий. Как видно из рис. 127, свободная влага, заполняющая полости клеток, на размерах древесины не отражается. Усушка древесины происходит за счет удаления связанной влаги
из стенок клеток, т. е. если влажность древесины становится меньше предела гигроскопичности, то усушка достигает максимального значения при полном удалении
влаги, содержащейся в клеточных стенках.
Вследствие неоднородности строения
древесина усыхает в различных направлениях неодинаково (рис. 127). Вдоль оси
ствола (вдоль волокон) максимальная линейная усушка сравнительно невелика —
около 0,1% (или 1 мм на 1 м), в радиальном направлении она составляет 3—6%
(3—6 см на 1 м), а в тангенциальном —
6—12% (6—12 см на 1 м).
При высушивании древесины от предела
гигроскопичности (который характеризуется влажностью около 30%) до воздушно-сухого состояния (соответствующего 15—18% влажности) усушка составит примерно половину своего максимального значения. При высушивании до комнатно-сухого состояния (т. е. до влажности 8—10%) получается
усушка, равная трем четвертям максимальной.
Объемную усушку У у вычисляют, не учитывая продольной усушки, с точностью до 0,1% по формуле
Уv = аЬ ~-°Ь° 100,
аЬ
где а и Ь — размеры поперечного сечения образца при данной начальной влажности, мм; а0 и Ь0 — то же, в абсолютно сухом состоянии.
Степень усушки древесины характеризуется коэффициентом
объемной усушки ky, который вычисляют на 1 % влажности с точностью до 0,01% по формуле
= Уу. шах/30.
В этой формуле среднее значение предела гигроскопичности
древесины различных пород принято равным 30%.
290
Влажность древесины,
Рис. 127. Влияние влажности древесины на разбухание:
/ — вдоль волокон; 2 — поперек волокон в радиальном
направлении; 3 —то же, в
тангенциальном направлении; 4 — объемное
Усушка и разбухание древесины — свойства 'отрицательные, они вызывают коробление и растрескивание лесных материалов.
Коробление деревянных изделий (рис. 128) является следствием: 1) разницы в усушке
древесины в тангенциальном и
радиальном направлениях и
2)
ния. Неравномерность усушки
и коробления вызывает появление внутренних напряжений в
древесине и растрескивание
пиломатериалов и бревен. Широкие доски коробятся больше,
чем узкие, поэтому для настилки пола и столярных изделий
применяют доски шириной
10—12 см.
Для предотвращения коробления и растрескивания деревянных изделий используют
древесину с той равновесной
влажностью, которая будет в
условиях эксплуатации. Например, для столярных изделий влажность древесины не должна превышать 8—10%, а для наружных
конструкций 15—18%. Чтобы защитить древесину от последующего увлажнения, ее покрывают красками, лаком или эмалями.
В круглом лесе и пиломатериалах трещины усушки образуются, в первую очередь, на торцах. Для уменьшения растрескивания
торцы бревен, брусьев, досок обмазывают смесью из извести, соли
и клея или другими составами.
Текстура — это рисунок древесины, зависящий от сочетания ее
видимых элементов: годовых слоев, сердцевинных лучей, сосудов
и др. Цвет и текстура древесины характерны для каждой породы
дерева. С возрастом интенсивность окраски заметно усиливается.
Породы умеренного климатического пояса имеют бледно окрашенную древесину, и появление синей, красной, зеленоватой полосатой
окрасок у этих пород указывает на поражение древесины микроорганизмами (гнилями). Многие древесные породы Прикарпатской
Украины, Закавказья, некоторых областей Дальнего Востока име-
• ют красивую текстуру и разнообразную окраску. Текстура дуба,
чинары, бука, груши и некоторых других пород высоко ценится в
отделочных и краснодеревных работах. Древесные породы тропического пояса могут иметь своеобразную окраску, например древесина эбенового дерева — черного цвета, бакаута — темно-оливкового.
10*
23*
--------------- page: 147 -----------
Блеск древесины зависит от плотности и степени обработки.
Блеск придается древесине путем полирования и покрытия лаками.
Древесина теряет блеск при загнивании.
Запах древесины зависит от содержания в ней смолистых, эфирных и дубильных веществ. Например, древесина лиственницы и
сосны пахнет скипидаром.
Теплопроводность сухой древесины незначительна: для сосны
поперек волокон — 0,17; вдоль волокон — 0,34 Вт/(м-°С). Теплопроводность древесины зависит от ее пористости, влажности и направления потока тепла. Теплозащитные свойства древесины широко
используют в строительстве.
Электропроводность древесины зависит от ее влажности. Древесина, используемая при электрической проводке (розетки, доски
и т. п.), должна быть сухой. Электросопротивление сухой древесины
в среднем — 75-1Q70m-cm, а сырой древесины — в десятки раз
меньше.
§ 2. Механические свойства древесины
Механические свойства древесины определяют путем испытания
малых чистых (без видимых пороков) образцов древесины. Минимальное количество образцов для проведения испытания вычисляют по формулам в зависимости от коэффициента вариации изучаемого свойства.
Показатели свойств древесины должны быть пересчитаны на
влажность 12% (в случае необходимости — на влажность 15%).
Как видно из рис. 129, прочность древесины понижается, когда ее
влажность возрастает от 0 до 30% (до предела гигроскопичности),
при этом в интервале влажности от 8 до 20% понижение прочности
прямо пропорционально приросту влажности:
R12 = Rw [1 + a (W — 12)],
где Rw — предел прочности образца с влажностью W в момент испытания; R\2 — то же, при влажности 12%; а — коэффициент снижения прочности древесины при увеличении ее влажности на 1%.
После того как древесина достигла предела гигроскопичности
(30%), дальнейшее увеличение влажности не влияет на ее прочность (рис. 129). Поэтому предел
прочности образца с влажностью,
равной и большей предела гигроскопичности, пересчитывают к влажности 12% по формуле
Rl2 ~ Rwki2t
где А: 12 — пересчетный коэффициент
для данной породы дерева.
Прочность древесины характеризуется пределами прочности при
сжатии, растяжении, статическом
!1«Ю|
" 80
Ь
§■§ 60\
ъЬ «о
%ЩгЯ\
£
20 кО ВО S0100120 W ISO ISO
Влажность, °/
Ряс. 129. Влияние влажности
прочность древесины
292
а)
Ф80
*)
в)
&
Рис. 130. Схема испытания древесины:
а— на прочность при сжатии: б — на прочность при изгибе; в — на
прочность при скалывании вдоль волокон; г — на твердость
изгибе, скалывании. Кроме того, могут определяться условный пре>
дел прочности при местном смятии и предел прочности при перерезании поперек волокон.
На рис. 130 представлены схемы основных испытаний древесины.
Прочность при сжатии определяют путем испытания образцов,
имеющих.форму параллелепипеда основанием 20X20 мм и длиной
вдоль волокон 30 мм (рис. 130,а). Определяют пределы прочности
древесины вдоль и поперек волокон. Прочность древесины при сжатии вдоль волокон в 4—6 раз больше, чем прочность поперек
волокон. Например, предел прочности при сжатии образцов воздушно-сухой сосны вдоль волокон — около 100 МПа, а поперек —
только 20—25 МПа.
Прочность при изгибе определяют путем испытания образцов па
схеме рис. 130,6. Предел прочности древесины при растяжении
вдоль волокон в среднем в 2,5 раза превосходит соответствующий
предел прочности при сжатии.
293
--------------- page: 148 -----------
Удельная прочность древесины при растяжении вдоль волокон
(Rply) примерно такая же, как у высокопрочной стали и стеклопластика (табл. 41).
Таблица 41
Удельная прочность при растяжении некоторых
строительных материалов
Материалы
Предел
прочности
при растяжении /?р, МПа
Относительная
объемная
масса 7
Удельная
прочность
R/Т. МПа
Древесина (сосна с 12%-ной влажностью)
Высокопрочная сталь
Стеклопластик
115
0,53
213
2000
400
7,85
2,0
255
200
Следовательно, древесина по своей удельной прочности конкурирует с современными конструкционными материалами. Однако
использовать высокую прочность древесины не так легко, поскольку сучки, трещины и другие пороки сильно снижают ее механические свойства. В этом отношении большие возможности дает применение древесины в клееных деревянных конструкциях.
Прочность при статическом изгибе древесины очень высокая:
она примерно в 1,8 раза превышает прочность при сжатии вдоль
волокон и составляет около 70% прочности при растяжении. Поэтому древесина (балки, настилы и т. п.) чаще всего работает на
изгиб (рис. 130,6).
К тому же дерево стойко к концентрации напряжений всиду
наличия внутренних поверхностей раздела между волокнами.
Прочность древесины при скалывании имеет большое значение
при устройстве врубок, клеевых швов и т. п. в деревянных конструкциях. Для определения предела прочности при скалывании используют специальные образцы и приспособления (рис. 130,в). Предел прочности при скалывании вдоль волокон для основных древесных пород составляет 6,0—13 МПа, а при скалывании поперек
волокон — в 3—4 раза выше. Кроме этих испытаний может проводиться определение предела прочности древесины при перерезании поперек волокон.
Статическая твердость (рис. 130,г) численно равна нагрузке,
которая необходима для вдавливания в образец древесины половины металлического шарика радиусом 5,64 мм (при этом площадь
отпечатка равна 1 см2). Твердость древесины по торцу на 15—50%
выше, чем в радиальном и тангенциальном направлениях. Мягкие
породы (сосна, ель, пихта, ольха) имеют торцовую твердость 35—
50 МПа, твердые породы (дуб, граб, береза, ясень, лиственница
и др.)—50—100 МПа, очень твердые (кизил, самшит)—более
100 МПа. Твердые породы труднее обрабатываются, но зато они
обладают повышенной износостойкостью и лучше удерживают
шурупы.
234
Твердость древесины понижается при увлажнении.
Ударную твердость Н(Дж/см2) вычисляют по формуле
Щр = 4mgh/(nd2),
где пг—масса стального шарика диаметром 2,5 мм, падающего нд
образец древесины; g — ускорение земного притяжения; h — высота
падения шарика (по стандарту равна 50 см); d— средний геомет*
рический диаметр отпечатка, вычисляемый по формуле d = Vd4rf2,
где d\ — диаметр отпечатка поперек волокон; dj — то же, вдоль
волокон.
Ударную и статическую твердость пересчитывают к влажности 12%.
Модуль упругости при статическом изгибе древесины с влаж-
нбстью W определяют, нагружая образец, покоящийся на двух
опорах, двумя сосредоточенными силами.
Модуль упругости вычисляют по формуле
Ev “ 3P/3/(646/i3/),
где Р — нагрузка; / — расстояние между рпорами (0,24 м); Ь в
h — ширина и толщина образца; f — прогиб образца в зоне чистого изгиба.
Модуль упругости Е& образца с влажностью 8—20% пересчитывают к влажности 12% по формуле
Ei2 = Ew/[l-a(W-12)}.
Пересчетный коэффициент а=0,01 на 1% влажности.
Модуль упругости образцов с влажностью, равной или большей
предела гигроскопичности, пересчитывают к влажности 12% по
формуле
Е{2 3 Ew& 12*
Пересчетный коэффициент /г!2 равен 1,25 для хвойных пород;
для различных лиственных пород он колеблется от 1,12 до 1,3.
Модуль упругости воздушно-сухой сосны и ели— 10 000—
15000 МПа, он возрастает с увеличением плотности древесины, а
увлажнение его снижается. Известно, что гнуть сырую древесину
легче, чем сухую. Еще больше облегчает гнутье древесины пропаривание— это удобный способ нагрева древесины без ее высушивания.
Особенностью древесины является ползучесть, проявляющаяся
особенно во влажных условиях. Следствием ползучести является
постепенное увеличение деформаций (прогибов балок, провисание
тесовых крыш и т. д.) при длительном действии нагрузки.
Факторы, влияющие на механические свойства древесины.
В табл. 42 сопоставлены объемная масса и показатели прочности
древесины хвойных и лиственных пород, произрастающих в СССР.
Общая тенденция состоит в том, что, чем плотнее древесина,
тем большую прочность она имеет. Плотность и прочность древеси-
295
--------------- page: 149 -----------
Таблица 42
Средние показатели механических свойств древесины
хвойных и лиственных пород (при 15%-ной влажности)
Порода дерева
к
2
&
S3
и
(J
•
к
w
§
4>
*
8
Предел прочности, МПа
при сжатви вдоль
волокон
if
0
И
1
1
ц
tJ§
Ч
в о
при св*
3
X
о
|в
II
«в
0.2
и &
лывании
я
S
А
|9
Я ч
К ®
§3.
“ (В
л в
Лиственница
680
52
97
129
11,5
12,5
Сосна
530
44
79
115
7
7.5
Ель
460
42
77,5
122
5
• lw
5
Кедр
440
35
64,5
78
5,5
6
Пихта
390
33
58,5
84
6
6,5
Дуб
720
52
94
129
8,5
10,5
Бук
650
46
94
129
10
13
Береза
640
45
100
120
8,5
11
Липа
540
39
68
116
7
8
Осина
500
37
77
111
6
8
ны пород возрастают, если лес растет на возвышенных местах
и песчаных почвах.
Повышение влажности до предела гигроскопичности (до 30%)
понижает механические свойства древесины. Высушивание же древесины на 1% (в пределах изменения влажности от 20 до 8%) повышает ее сопротивление сжатию и изгибу на 4%, растяжению —
на 1%.
Показатели прочности древесины в весьма большей степени зависят от того, под каким углом к волокнам направлена сила. Если
принять за 100% предел прочности древесины вдоль волокон, то
сопротивление сжатию поперек волокон составит 20—30%, а растяжению— всего лишь 2—3%.
Пороки древесины понижают ее прочность.
Пороками, называют недостатки отдельных участков древесины,
снижающие ее качество и ограничивающие возможности ее использования.
Дефектами называют пороки механического происхождения,
возникающие в древесине в процессе заготовки, транспортировки,
сортировки, штабелевки и обработки.
Ввиду наличия пороков прочность бруса или доски не может
быть оценена по результатам испытания малых чистых образцов.
Поэтому в отличие от других материалов, сорта лесоматериалов
устанавливают не по прочности образцов, а на основании оценки
характера, размеров и количества пороков.
296
Глава 48
ПОРОКИ ДРЕВЕСИНЫ
§ 1. Сучки и трещины
Сучки — части ветвей, заключенные в древесине. Они нарушают
однородность строения древесины, вызывают искривление волокон
и затрудняют механическую обработку. По состоянию древесины
различают сучки здоровые, загнившие, гнилые и табачные. По ста*
пени срастания сучки могут быть сросшиеся, частично сросшиеся,
несросшиеся и выпадающие несросшиеся. По взаимному расположению выделяют три разновидности сучков: разбросанные, группа•
вые и разветвленные (рис. 131). Кроме того, сучки классифицируют по положению в сортименте, форме разреза и степени зара*
стания.
Стандрат устанавливает правила измерения размеров сучков
и других пороков древесины.
Трещины представляют собой разрывы древесины вдоль волокон (рис. 132,Л). Они нарушают целостность лесоматериалов, снижают их механическую прочность и долговечность.
Метиковые трещины, — это радиально направленные трещины
в ядре или спелой древесине, отходящие от сердцевины (рис. 132,Б).
Они возникают в растущем дереве и увеличиваются в срубленном
дереве при его высыхании. Простые метиковые трещины состоят из
одной или двух трещин, расположенных на обоих торцах бревна в
одной плоскости. Сложные метиковые трещины состоят из одной
или нескольких трещин, расположенных на торцах бревна в разных
плоскостях.
1
Рис. 131. Разновидности сучков:
/ — круглый; 2 — овальный: S — продолговатый; 4 — оластевый; J — кро-
, «очный; в — ребровый; 1 — сшивные; i — групповые; 9 — разветвленные
£97
--------------- page: 150 -----------
Морозные трещины, образующиеся в растущем дереве, направлены радиально, проходят из заболони в ядро и имеют значительную протяженность по длине ствола дерева (рис. 132,Л, б).
Трещины усушки, возникающие в срубленном дереве по мере его
высыхания, то же направлены по радиусу торцового среза
(рис. 132,А, в). Они отличаются от метиковых и морозных трещин
меньшей глубиной и протяженностью (обычно не более 1 м).
Рис. 132. Трещины:
А — основные разновидности: / — пластевые; 2 — кромочные; 3 — торцовые; а — метнковые; б — морозные; 5 —усушки; г—-отлупные; Б — мети*
ковые трещины; 1 — простая; 2 н 3 — сложные
Отлупные трещины проходят между годичными слоями
(рис. 132, А, г); возникая в растущем дереве, увеличиваются в
срубленной древесине при ее высушивании.
В зависимости от глубины различают трещины: неглубокие
(глубиной не более ’/ю толщины изделия), глубокие (более
Vю толщины), но не имеющие второго выхода на боковую поверхность изделия), сквозные (имеющие два выхода на поверхность).
Сомкнутые трещины имеют ширину не более 0,2 мм, а разошедшиеся трещины — более 0,2 мм.
По расположению в изделии трещины могут быть боковыми,
пластевыми, кромочными, торцовыми.
§ 2. Пороки формы ствола
Сбежистость — это уменьшение диаметра круглых лесоматериалов от толстого к тонкому концу, превышающее нормальный сбег,
равный 1 см на 1 м длины бревна. Этот же порок наблюдается у
необрезных пиломатериалов в виде ненормального уменьшения ширины досок по длине, превышающего допустимый предел. Сбежистость увеличивает отходы при распиловке и лущении бревен,
Обусловливает появление радиального наклона волокон в пиломатериалах и шпоне, а следовательно, и снижение прочности этих
материалов.
898
Закомелистость проявляется в
виде резкого увеличения комлевой
(нижней) части ствола дерева. Различают округлую и ребристую закомелистость со звездчато-лопастной
формой поперечного сечения бревна.
Нарост — резкое местное утолщение ствола, имеющее различную
форму и размеры.
Кривизна — искривление продольной оси бревен, обусловленное
кривизной ствола дерева. Бывает
простая и сложная кривизна (рис.
133), характеризующаяся несколькими изгибами.
§ 3. Пороки строения древесины
Наклон волокон — непараллель-
ность волокон древесины (рис.134)
продольной оси изделий (бревен,
досок, брусьев и т. п.). Наклон увеличивает прочность древесины при
раскалывании, НО затрудняет ее ме- вое бревно? nTwi азиаченное' для раз*
ханическую обработку и снижает
прочность пиломатериалов при растяжении и изгибе вследствие перерезания волокон древесины.
Крень — ненормальное утолщение поздней древесины в годовых слоях; свойственна наклонно стоящим и покривленным деревьям.
Свилеватость — волнистое или беспорядочное расположение волокон древесины, чаще встречающееся у лиственных пород, преимущественно в комлевой части, ствола.
Завиток — местное резкое искривление годовых слоев под влиянием сучков и проростей.
Сердцевина — узкая центральная часть ствола, состоящая из
рыхлой древесной ткани; попадая в деревянные изделия, усиливает
их растрескивание.
Двойная сердцевина в виде двух сердцевин с самостоятельными системами годовых слоев увеличивает отходы при обработке
древесины, усиливает ее растрескивание.
Пасынок — отмершая вторая вершина или толстый сук, пронизывающие ствол под острым углом к его продольной оси. Ухудшает
однородность и механические свойства древесины.
Водослой — это участки ядра или спелой древесины, имеющие
ненормально темную окраску и возникающие в растущем дерево
вследствие повышенной влажности этих участков. Этот порок част^
является причиной растрескивания и гниения древесины, снижает'
ударную вязкость при изгибе.
Рис. 133. Кривизна:
I и 2 —поостая: 3 — сложная: 4 — kdh*
--------------- page: 151 -----------
Прорость в виде обросшего древесиной участка поверхности
ствола с омертвевшими тканями и отходящая от него радиальная
трещина возникает в растущем дереве при зарастании повреждений.
Рак — рана, возникающая на поверхности ствола растущего дерева вследствие жизнедеятельности грибков и бактерий.
Рис. 134. Наклон волокон:
а — тангенциальный (виден по трещинам); б — радиальный
(виден по годичным слоям)
Сухобокость возникает в местах повреждений (заруб, ожог,
ушиб и т. п.) и представляет собой омертвевший участок ствола.
Засмолок — участок древесины, обильно пропитанный смолой;
присущ только хвойным породам. Он снижает ударную вязкость
и водопроницаемость, затрудняет отделку — лакировку, окраску.
Смоляной кармашек в виде полости, заполненной смолой, встречается у хвойных пород, чаще всего у ели. Препятствует лицевой
отделке и склейке древесины.
Некоторые пороки (например, пятнистость, внутренняя заболонь и др..) не оказывают существенного влияния на механические
свойства древесины.
§ 4. Химические окраски и грибные поражения
Неестественные окраски возникают в срубленном дереве в результате химических и биохимических процессов, в большинстве
случаев вызывающих окисление дубильных веществ. Бывают свет-
800
окраски, они не влияют
на физико-механические
свойства древесины, но
могут портить внешний
вид облицовочных материалов.
Ядровая гниль, развивающаяся в растущем дереве под действием дереворазрушающих грибов,
существенно снижает механические свойства и
сортность древесины.
Наружная трухлявая
гниль то же возникает
вследствие поражения
древесины дереворазрушающими грибами, на
поверхности пораженной
древесины наблюдаются
тяжи грибницы и плодовые тела. Сама же пораженная древесина
распадается на части и растирается в порошок (рис. 135). Процесс
разрушения может развиваться не только в сырой, но и в относительно сухой древесине. Этот вид гнили резко снижает механические свойства древесины вплоть до полной ее непригодности. Пораженная древесина является источником грибной инфекции
для деревянных конструкций.
Такие же пороки, как плесень, грибные
окраски (побурение заболони), мало изменяют прочность древесины.
Причины гниения древесины и защита
от нее рассмотрены ниже. 4
§ 5. Повреждения насекомыми и прочие
пороки
Червоточиной называют ходы и отверстия, проделанные в древесине насекомыми.
Различают: 1) поверхностную червоточину,
проникающую в древесину на глубину не
более 3 мм (рис. 136); 2) неглубокую — глубиной не более 15 мм в круглых лесоматериалах и .не более 5 мм — в пиломатериалах; 3) сквозную, выходящую на две противоположные стороны материала.
В зависимости от размера отверстий различают некрупную червоточину с отверстиями не более 3 мм в диаметре и крупную —
с отверстиями более 3 мм.
Рис. 135. Поражение древесины дереворазрушающими грибами:
а — настоящим домовым; б — белым
301
--------------- page: 152 -----------
Поверхностная червоточина не влияет на механические свойства древесины, однако глубокая червоточина снижает эти свойства, так как нарушается целостность древесины.
Инородные включения — это присутствующие в древесине посторонние тела недревесного происхождения (песок, камни, гвозди
и т. п.). Подобные включения затрудняют обработку древесины,
могут явиться причиной аварий.
Механические повреждения (заруб, запил, скол, вырыв и т. п.)
являются следствием небрежного или неумелого применения механизмов и инструментов при заготовке и обработке древесины.
Они не только снижают механическую прочность, но и затрудняют
использование лесоматериалов по назначению.
Покоробленность—это искривление пиломатериала, возникающее при распиловке, сушке и хранении. Различают простую, сложную покоробленность и крыловатость. Поскольку покоробленность
изменяет форму пиломатериалов, то она затрудняет, их обработку
и использование по назначению*.
Глава 49
ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ДРЕВЕСИНЫ
И СПОСОБЫ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ
§ 1. Физическая и химическая стойкость древесины
Долговечность древесины различных пород в воздушных и водных условиях эксплуатации охарактеризована в табл. 43.
В сухих условиях и при надлежащем проветривании древесина
сохраняется долго (деревянные изделия, находившиеся в пирамидах— усыпальницах египетских фараонов, сохранились до наших
дней). Столь же долговечна древесина, постоянно находившаяся
в воде без доступа воздуха. Известны случаи сохранения подвод-
Таблица 43
Долговечность древесины в строительных конструкциях (по О. М. Иванову)
Порода
дерева
Долговечность по сравне-
нию с Долговечностью
Древесины дуба при
эксплуатации
воздухе
в пресной воде!
Дуб
Вяз
Лиственница
Сосна
Ель
302
Порода
дерева
Долговечность по сравнению с долговечностью
древесины дуба при
эксплуатации
на воздухе
1
0,6—0,9
0,4—0,85
0,4—0,85
0,4—0,67
в пресной воде
1
0,9
0,8
0,8
0,5
Бук
Ольха
Береза
Ива
Осина
0,1—0,6
0,2—0,4
0,15—0,4
0,3
0,2—0,4
0,7
Не применяется
То же
»
»
ных частей свай и мостов, построенных еще римлянами. Однако
попеременное увлажнение и высыхание деревянных элементов создает благоприятную среду для гниения древесины. На древесину
влияет и химический состав воды. В морской воде древесина сохраняется хуже, чем в речной. В строительстве гидротехнических сооружений применяют в основном сосну, обладающую стабильной
долговечностью в воздушных и водных условиях эксплуатации
(табл. 43). Дуб и лиственницу используют в конструкциях, которые
должны быть прочными и стойкими против гниения. В лесоматериалах для гидротехнических сооружений не допускается гнили. Древесина капитальных сооружений для предохранения от гниения и
повреждения древоточцами должна быть антисептирована.
Химическая стойкость древесины к действию кислот и щелочей
неодинакова для различных древесных пород. Разрушение древесины зависит от концентрации и длительности воздействия растворов. Слабо диссоциированные кислоты (уксусная, молочная и т. п.)
не разрушают древесину, так же как и слабощелочные растворы.
Сильные кислоты (серная, фосфорная и т. п.) дегидратируют древесину, вызывая явление, подобное обугливанию.
§ 2. Причины гниения древесины и с зсобы защиты
Гниение — разложение целлюлозы древесины, происходящее
вследствие деятельности дереворазрушающих грибов и микроорганизмов.
Поражающие древесину грибы отличаются большим разнообразием. Если плесень почти не изменяет механические свойства древесины и ее влияние ограничивается приданием древесине цветной
окраски, ухудшающей внешний вид, то дереворазрушающие грибы
могут сильно понизить качество древесины и даже делают ее непригодной.
Питательной средой для дереворазрушающих грибов является
растворимый сахар (глюкоза), являющийся продуктом разлагаемой ими целлюлозы. При содействии фермента, выделяемого грибом, нерастворимая в воде цюллюлоза гидратируется и переходит
в растворимое вещество — глюкозу:
(СбН10О5)„ + п Н20 -> п (СвН12Ов)
I
Целлюлоза
В теле гриба глюкоза окисляется кислородом воздуха, образуя
углекислый газ и воду. Следовательно, для жизнедеятельности
гриба необходимы влага и кислород воздуха. Вот почему легко загнивает древесина, находящаяся в условиях переменной влажности
(столбы, сваи, телеграфные столбы и т. п.). Споры различных
грибов почти всегда имеются на дереве, оставаясь пассивными до
тех пор, пока не наступят благоприятные условия. Болезнь дерева —■
гниение развивается при влажности более 18—20%, хотя споры
сохраняют жизнеспособность и в сухой древесине. При достаточной
влажности и положительной температуре споры прорастают и по-
303
--------------- page: 153 -----------
является грибница, сначала в виде ватообразного образования, а
затем в виде плотного тела на поверхности материала (то, что
обычно называют грибом). Плодовые тела выделяют огромное количество спор, которые переносятся ветром и насекомыми и являются основным источником заражения древесины.
Различают лесные, складские и домовые грибы.
Лесные грибы поражают растущее дерево и редко встречаются
в лесоматериалах, так как зараженные части ствола отделяются
при сортировке леса.
Складские грибы паразитируют на срубленной древесине в лесу
или на складах, пока древесина еще сохраняет свои соки. К числу
опасных складских грибов, вызывающих гниль, относятся гриб
складской, встречающийся в штабелях бревен и пиломатериалов,
а также гриб столбовой (или шпальный).
Домовые грибы поражают не только деревянные конструкции,
но и органические строительные материалы (древесноволокнистые
и древесностружечные плиты, камышит и т. п.).
Наиболее опасными из домовых грибов являются: так называемый настоящий домовой гриб, белый домовой гриб, пленчатый домовой гриб и др. Эти грибы поражают древесину как хвойных, так
и лиственных пород.
Способы предотвращения гниения имеют своей целью создание
условий, неблагоприятных для развития дереворазрушающих
грибов.
Поскольку грибы развиваются при определенной влажности, то
основным способом предотвращения гниения является применение
для деревянных конструкций, находящихся на воздухе, сухой древесины и предохранение ее от увлажнения в последующем. Достигается это прокладкой гидроизоляции между деревянными элементами и другими частями здания, применением соответствующих
красочных составов (лаков, эмалей, масляных красок). Большое
значение имеет создание условий для естественной вентиляции,
обеспечивающей постоянное проветривание деревянных конструкций и предотвращающей накопление влаги в древесине. Однако
нельзя предохранять древесину от увлажнения, когда деревянная
конструкция или ее часть подвергается в эксплуатационных условиях систематическому попеременному увлажнению и высыханию.
В этих случаях основным является химический способ борьбы с
гниением — введение в древесину антисептиков — веществ, ядовитых для грибов.
Антисептики, обладая токсичностью по отношению к грибам,
должны быть безвредными для людей и животных. Применяют антисептики, не понижающие прочности древесины и не вызывающие
коррозии металлических креплений. Кроме того, антисептики должны сохраняться в условиях эксплуатации. Для воздушных условий
обычно применяют антисептики, растворимые в воде. Антисептиро-
вание деревянных элементов, подвергающихся действию воды
(шпалы, столбы, сваи и т. п.), осуществляют не растворяющимися
маслянистыми веществами.
304
Водорастворимые антисептики — неорганические и некоторые
органические — применяют в виде водных растворов и антисептических паст. К этой группе антисептиков относятся соли и водорастворимые смолы.
Фтористый натрий (NaF) технический — белый порошок без
запаха, не изменяющий цвет древесины; рабочая концентрация раствора 2—3%, растворимость в воде при 16— 18°С составляет 4,5%.
Обладает высокой токсичностью по отношению к дереворастущим
грибам и насекомым, часто используют в комбинации с другими
антисептиками. При соединении с известью, цементом фтористый
натрий переходит в нерастворимый фтористый кальций и теряет
свою токсичность.
Кремнефтористый натрий (Na2SiF6)—порошок белого или серого цвета; его растворимость в горячей воде — около 2,4%. Применяют совместно с фтористым натрием в виде водного раствора,
а также в составе антисептических паст.
Хлористый цинк (ZnCl2) применяют в водном растворе 5%-ной
концентрации, так как вызывает коррозию металла.
Медный купорос (СиБО^бНгО) используют в виде 10%-ного
водного раствора. Может употребляться в составе комбинированных препаратов. Например, препарат ХМ-5 представляет собой
смесь медного купороса и натриевого хромпика.
Динитрофенолят натрия [C6H3(N02)20Na] имеет токсичность
выше токсичности фтористого натрия. Употребляется для пропитки
древесины (в концентрации 3—5%) и древесноволокнистых теплоизоляционных изделий (в концентрации 1—2%). Динитрофеноляг
натрия нелетуч, не корродирует металл и не гигроскопичен, в порошкообразном виде горюч и взрывоопасен. Не применяют для
пропитки древесины, подвергающейся нагреву свыше 50°С. Придает древесине оранжевую окраску.
Высокотоксичные антисептики, содержащие арсенаты металлов,
в виде жидкостей и паст хорошо защищают древесину от загнивания, не ухудшая ее свойства и не оказывая корродирующего влияния на металлические детали.
Ряд эффективных антисептических препаратов получают путем
сочетания соли (например, фтористого натрия) и водорастворимого органического антисептика (динитрофенола или др.).
Маслянистые антисептики не растворяются в воде, поэтому их
используют для консервации древесины, находящейся на открытом
воздухе, в воде или земле. Токсичность антисептиков этой группы
обусловливается наличием в них фенола и его производных. Эти
вещества содержатся в маслах, получаемых в результате переработки каменноугольного дегтя, который сам является одним из
продуктов процесса коксования каменного угля.
Антраценовое масло — продукт перегонки каменноугольного
дегтя (при 270—410СС), сильно токсичен, обладает специфичным
резким запахом, темно-бурого цвета.
Каменноугольное креозотовое масло получают при дистилляции
каменноугольного дегтя (при 250—280°С), применяют в подогретом
305
--------------- page: 154 -----------
до 50—60°С состоянии. Обладает сильным антисептирующим действием, не выщелачивается, не оказывает вредного действия на
древесину и металл. Является одним из лучших антисептиков для
шпал, деревянных столбов, опор, мостов.
Сланцевое масло применяют наравне с антраценовым маслом.
Древесина, пропитанная маслянистыми антисептиками, приобретает темный цвет, имеет резкий фенольный запах, не поддается окраске, увеличивает горючесть. Поэтому эти антисептики не
применяют для консервации деревянных конструкций и деталей,
находящихся внутри жилых помещений.
Некоторые антисептики (пентахлорфенол, нафтенат меди и др.)
переводятся в рабочее жидкотекучее состояние путем растворения
в органических растворителях (зеленом масле, керосине и т. п.).
Антисептические пасты состоят из трех частей: водорастворимого антисептика, связующего вещества, обеспечивающего прилипание пасты к поверхности древесины и наполнителя — торфяного
порошка.
Битумную пасту приготовляют путем добавления в расплавленный битум зеленого масла (в качестве растворителя), фтористого
натрия и торфяного порошка. Состав перемешивают до получения
однородной смеси. Битумные пасты водостойки, торфяной порошок
(вводимый в количестве 5—10%) облегчает диффузию фтористого
натрия из битуминозного связующего в древесину.
Силикатную пасту готовят из кремнефтористого натрия (15—
20%), жидкого стекла (около 72%), воды и добавки каменноугольного масла, придающей отвердевшей пасте эластичность. Эта паста, так же как и экстрактовая, не горюча, но и не водостойка.
Экстрактовая паста содержит фтористый натрий (25—40%),
экстракт сульфитных щелоков (26—28%), воду (30—40%) 'и торфяной порошок. Эту пасту после нанесения на деревянный элемент
надо покрывать гидроизоляционным слоем для защиты от вымывания.
Антисептические пасты применяют как обмазки для защиты от
гниения деревянных конструкций при повышенной влажности воздуха, а также для элементов, находящихся в грунтах с переменной
влажностью. Пасту, нанесенную на поверхность столбов или других элементов, соприкасающихся с землей, защищают гидроизоляцией (толем, рубероидом и т. п.).
Те места деревянной конструкции, которые повреждены дереворазрушающими грибами или насекомыми, обрабатывают сильно-
действующими антисептиками. Древесину, пораженную гнилью,
удаляют и сжигают во избежание заражения здоровой древесины.
Древесина может подвергаться стерилизации путем облучения
лучами Со-60 (кобальта) по определенному режиму. Применение
радиационных методов возможно только при строгом обеспечении
правил охраны .труда.
Усовершенствование установок, для стерилизации древесины горячим воздухом (при 100°С), который вызывает гибель грибов и
зов
насекомых, поможет сохранить деревянные конструкции, находящиеся в эксплуатации.
Способы антисепгирования древесины применяют в зависимости
от типа и условий службы конструкции.
Поверхностная обработка производится водными растворами
антисептиков, которые наносят на поверхность деревянных элементов кистями или распылителями за 2—3 раза. Глубина пропитки
древесины составляет в этом случае 1—2 мм (ее легко определить,
если раствор подкрасить, например, анилиновой краской). Большая глубина пропитки получается при погружении деревянных элементов в ванну с холодным или подогретым раствором антисептика.
Пропитка в горяче-холодных ваннах осуществляется в определенной последовательности; сначала подсушенную древесину погружают в горячий антисептик (с температурой 90—95°С) и выдерживают в нем несколько часов. За это время древесина нагревается
и воздух, находящийся* в ее порах, частично удаляется. Затем деревянные элементы переносят в ванну с «холодным» антисептиком
(20—40°С). При охлаждении воздух в порах сжимается и под действием создающегося вакуума антисептик засасывается в древесину.
Для пропитки применяют водорастворимые и маслянистые антисептики. Способ горяче-холодных ванн позволяет пропитать древесину сосны на всю толщину заболони.
Пропитка под давлением производится в автоклавах. Материал
загружают в автоклав, который герметически закрывают. Сначала
в автоклаве создается вакуум и материал выдерживают до удаления воздуха из древесины. Затем автоклав заполняют подогретым
антисептиком и повышают давление в нем до 0,6—0,8 МПа, после
чего давление снижают до нормального, выпускают оставшийся
антисептик и выгружают из автоклава антисептированный материал. Этим способом обрабатывают деревянные элементы, соприкасающиеся с землей, бетоном или каменной кладкой.
Пропитка в высокотемпературной ванне (разработанная
А. И. Фоломиным) объединяет процессы сушки и пропитки сырой
древесины. Материалы из хвойных или лиственных пород помещают в ванну с каменноугольным маслом (или другим равноценным
антисептиком), нагретым до температуры 160—170°С, при которой
из древесины быстро удаляется влага (в виде пара) и воздух. Это
значительно облегчает проникновение антисептика в древесину при
погружении ее в ванну с температурой антисептика около 100°С.
Сушка древесины в высокотемпературной жидкой среде позволяет
избежать трещин и добиться полной стерилизации древесины.
Диффузионная пропитка происходит, когда водорастворимый
антисептик, содержащийся в антисептической пасте, постепенно
растворяется и пропитывает древесину вследствие медленного диффузионного перемещения. Части деревянных конструкций, подвергающиеся периодическому увлажнению (концы деревянных балок
и прогонов, опорные части ферм и т. п.) покрывают слоем битумной, силикатной или экстрактовой пасты, содержащей NaF, Na2SiF6
и т. п.
30?
--------------- page: 155 -----------
§ 3. Защита древесины от возгорания
Существенным недостатком древесных материалов является их
легкая воспламеняемость. Температура воспламенения древесины
(соответствующая вспышке горючих газов) колеблется в пределах
от 250 до 300°С в зависимости от породы дерева. Горят продукты
термической деструкции древесины, образующиеся при нагревании
ее после удаления влаги, начиная с температуры 170°С. Интенсивное же выделение горючих газов происходит при 280°С. Однако
длительный нагрев древесины (от печей, дымоходов и т. п.) при
более низких температурах (120—150°С) то же может быть опасен
вследствие постепенного обугливания древесины с образованием
самовоспламеняющегося угля. При температуре выше 350°С газы,
выделяющиеся из древесины, воспламеняются даже при отсутствии
открытого пламени.
Для предупреждения возгорания деревянных элементов следует
предусматривать соответствующие конструктивные меры: необходимое удаление дерева от источников нагревания, устройство перегородок из несгораемых материалов (бетона, кирпича и т. п.), покрытие деревянных частей слоем малотеплопроводного минерального
материала (асбестового, пористой штукатуркой и т. п.). Для предохранения от огня поверхность деревянных конструкций покрывают огнезащитными красочными составами или пропитывают огнезащитными веществами — антисептиками.
Огнезащитные красочные составы состоят из связующего вещества (обычно жидкого стекла), наполнителя (кварцевого песка, мела или магнезита) и щелочестойкого пигмента (охры, мумии
и т. п.). Огнезащитное действие окраски проявляется в том, что при
пожаре краска пузырится, образующийся пористый слой замедляет нагревание древесины Если же горючие газы все же образуются
и прорывают красочное покрытие, то их воспламенение происходит
на некотором расстоянии от поверхности деревянного элемента.
Защитное действие антипиренов основано на том, что некоторые
из них при пожаре плавятся и древесина покрывается пленкой,
затрудняющей доступ кислорода. Другие антипирены при нагревании выделяют негорючие газы, снижающие концентрацию кислорода в газовой среде возле конструкции.
Антипиренами являются фосфорнокислые и сернокислые соли
аммония. Сернокислый аммоний при нагревании диссоциирует:
(NH4)2S04—>-2NH3 + H2SO4. Образовавшаяся сильная кислота дегидратирует поверхностный слой древесины, который защищает
внутреннюю необугленную древесину от сильного нагрева. Бура —
борнонатриевая соль ЫагВ+О?-ЮН20 при нагревании выделяет пары воды и плавится, образуя пленку на поверхности конструктивного элемента.
Растворы антипиренов применяют для поверхностной обработки и пропитки древесины, их используют для повышения огнестойкости древесных материалов и изделий.
308
Глава 50
СУШКА ДРЕВЕСИНЫ
§ I. Естественная сушка
Сушка не только повышает прочность древесины, но при проведении соответствующих конструктивных и защитных мероприятий
против гниения обеспечивает ее длительную сохранность. Сушка
может быть естественной (на складах) или искусственной, осуществляемой в сушилах, горячих жидкостях или в поле токов высокой
частоты.
Для высушивания древесных материалов нужно обеспечить испарение влаги с поверхности материала и создать условия для
быстрого передвижения влаги изнутри к поверхности изделия.
Естественная (или воздушная) сушка происходит на складах
лесоматериалов. Склад устраивают на ровной площадке, расположенной на сухом возвышенном месте и оборудованной водостоками. Доски укладывают в штабеля иа некотором расстоянии друг
от друга для создания равномерной вентиляции и защищают от
дождя, покрывая штабель навесом. Бревна укладывают в штабеля
на прокладки из жердей также на некотором расстоянии друг от
друга. Верхний ряд располагают с наклоном и покрывают гидроизоляционным материалом. Для предотвращения быстрого высыхания и растрескивания торцы досок и бревен промазывают жидким составом из извести, клея, поваренной соли. Штабеля
лесоматериалов размещают на складе, учитывая направление
господствующего ветра, на расстоянии 2—2,5 м друг от друга;
предусматривают проезды шириной 8—10 м.
Естественная сушка не требует специального оборудования,
однако она осуществляется медленно, зависит от погоды и может
быть только в определенное время года. В зависимости от породы
дерева и толщины естественная сушка досок занимает от 2—3 месяцев до 1—1,5 лет, воздушно-сухую древесину получают с минимальной влажностью 15%.
§ 2. Искусственная сушка
Искусственная сушка происходит во много раз быстрее и позволяет высушить древесину до 6—10%-ной влажности.
Сушила бывают непрерывного и периодического действия с естественной и принудительной циркуляцией воздуха; теплоносителем в сушилах является водяной пар и нагретый воздух. В начале
процесса сушки древесину прогревают на всю толщину паром или
влажным воздухом с температурой 70—80°С. Это позволяет избежать больших градиентов температуры по толщине материала во
время последующей интенсивной сушки, осуществляемой циркулирующим сухим воздухом с температурой 50—60°С.
Наиболее производительны и экономичны автоматизированные
сушила непрерывного действия с механизированной погрузкой и
309
--------------- page: 156 -----------
разгрузкой лесоматериалов. В столярном и мебельном производстве нередко применяют сушку древесины в камерных сушилах периодического действия: в них можно создать мягкий режим сушки
и избежать растрескивания древесины. Продолжительность камерной сушки сосновых и еловых досок толщиной 25—50 мм составляет 3—6 сут.
Скоростная сушка древесины в петролатуме длится всего 8—
12 ч. Петролатум — побочный продукт депарафинизации нефтяных
масел, состоящий из углеводородов и их производных, в воде не
растворяется и с водой не смешивается. При нагреве переходит в
состояние подвижной жидкости. Сушка осуществляется путем погружения пакета деревянных изделий в ванну с нагретым до 130°С
петролатумом. Из погруженной древесины быстро удаляется в атмосферу влага в виде пара. Одновременно древесина пропитывается петролатумом на глубину около 2 мм, при этом расход петрола-
тума на 1 м3 древесины составляет 8—20 кг. Ценно то, что при сушке в петролатуме древесина не коробится и не растрескивается.
Сушка древесины в поле токов высокой частоты разработана в
СССР, она основана на превращении энергии переменного электрического поля высокой частоты в тепловую энергию, вызывающую
нагрев древесины. Деревянные элементы помещают между сетчатыми электродами, к которым от генератора проведен ток высокой
частоты. Древесина быстро и равномерно нагревается. Поскольку
поверхность материала имеет более низкую температуру вследствие
испарения влаги, то находящаяся в древесине влага интенсивно
перемещается изнутри материала наружу. Это дает возможность
высушивать древесину очень быстро, не опасаясь ее растрескивания
и коробления. Электросушка древесины требует значительного расхода электроэнергии, поэтому ее применяют для высококачественных древесных материалов.
Глава 51
ЛЕСНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ
§ 1. Лесные материалы
Круглые лесоматериалы — отрезки стволов деревьев с обрубленными сучьями с корой или без коры. В зависимости от диаметра
ствола в верхнем отрубе различают: бревна (диаметр более 12 см),
подтоварник (диаметр 8—11 см) и жерди (диаметр 3—7 см). По
назначению бревна подразделяют на строительные и пиловочные.
Бревна строительные изготовляют преимущественно из сосны,
лиственницы, кедра, реже из ели и дуба. Они предназначены для
несущих строительных конструкций: свай, элементов свайных опор,
пролетных строений мостов, гидротехнических сооружений, опор
воздушных линий связи и т. п. Длина бревен 3—6,5 м с градацией
через 0,5 м. В зависимости от качества древесины и дефектов об310
работки круглые лесоматериалы разделяют на четыре сорта.
В строительстве применяют преимущественно бревна 2-го и 3-го
сортов.
Пиловочные бревна из стволов хвойных и лиственных пород используют для получения разнообразных пиломатериалов. Кряжи в
виде толстых обрезков ствола дерева (диаметром больше 200 мм)
являются сырьем для лущения в производстве фанеры и спичек.
В фанерном производстве используют преимущественно березовые, ольховые и осиновые кряжи.
Пиломатериалы изготовляют путем продольной распиловки пиловочных бревен. Бревна могут распиливаться по диаметру (пластины) или по двум взаимно перпендикулярным диаметрам (четвертина) (рис. 137).
Доски имеют толщину 100 мм и менее, причем их ширина в
3
Рис. 137- Виды лесных материалов:
/ — пиловочные строительные бревна; 2 —пластина; 3 — четвертины; 4, 5 — обрезные доскн; 6 — необрезная доска; 7 —горбыль;
в •— брус; 9 — доска, строганная с четырех сторон; 10 — шпунтован-
ные доскн с прямоугольным пазом и гребнем; 11 — шпунтованные
доски с треугольным пазом н гребнем; 12 — фальцованные доскн;
13 — плинтус; И — наличники
зи
--------------- page: 157 -----------
ные — с пропиленными кромками и необрезные, у которых кромки
не пропилены.
Бруски имеют толщину менее 100 мм, но в отличие от досок
ширина брусков меньше их трехкратной толщины.
Брусья имеют ширину и толщину выше 100 мм. Их подразделяют на четырехкантные, опиленные с четырех сторон, и двухкантные,
опиленные с двух противоположных сторон по параллельным плоскостям.
Пиломатериалы хвойных пород изготовляют длиной 1—6,5 м с
градацией через 0,25 м. Доски и бруски разделяют на пять сортов:
отборный 1, 2, 3 и 4-й. В столярном деле используют 1-й и 2-й сорта, в строительстве — все сорта.
Пиломатериалы лиственных пород изготовляют из древесины
твердых и мягких пород длиной 0,5—6,5 м с градацией через 0,5 м,
их разделяют на три сорта.
Шпалы изготовляют из сосны, ели, лиственницы, кедра, пихты
и бука путем обработки круглого леса на два или четыре канта.
Шпалы имеют длину 2,5—2,7 м для широкой колеи и 1,35—1,8 м —
для узкой колеи.
§ 2. Полуфабрикаты и изделия из древесины
Строганые и шпунтовые доски и бруски имеют на одной кромке
шпунт, а на другой — гребень для плотного соединения элементов.
Фрезерованные изделия: плинтусы и галтели применяют для
заделки углов между стенами и полом; поручни и наличники для
обшивки оконных и дверных коробок.
Паркет бывает обыкновенный (планочный) и щитовой. Паркетные планки (дощечки) изготовляют из твердых пород — дуба, бука, ясеня и др. Щитовой паркет имеет основание из досок или
брусьев, на которые наклеен паркет, набранный из отдельных планок. Паркетные доски состоят из реечного основания (которое позволяет избежать коробления), на которое наклеены паркетные
планки. На кромках паркетных досок имеется паз и гребень для
плотного соединения при настилке пола. Применение паркетных досок дает большие преимущества по сравнению с штучным паркетом.
Их изготовляют заводским механизированным способом, устройство чистого пола из паркетных досок производится значительно
быстрее.
Столярные изделия — оконные и дверные коробки с вмонтированными в них оконными переплетами и дверными полотнами. Эти
изделия изготовляют заводским путем и выпускают полностью отделанными.
§ 3. Индустриальные строительные детали из древесины
Деревянные детали и сборные конструкции заводского изготовления поступают на строительство в готовом виде, а на строительной площадке производится лишь их сборка. В число деревянных
312
деталей и сборных конструкций входят: балки междуэтажных и
чердачных перекрытий, щиты для наката перекрытий и перегородок, элементы сборных деревянных домов.
Дома заводского изготовления выпускают брусковые, каркаснообшивные. В каркасно-щитовых домах для заполнения каркаса используют панели из фибролита или из древесноволокнистых плит.
Наружные стены могут быть облицованы (например, асбоцементными цветными плитками). Каркасно-обшивной дом имеет каркас,
собираемый из брусьев (вертикальные стойки, нижняя и верхняя
обвязки). Каркас обшивают снаружи и внутри обрезными досками, пространство между которыми заполняют теплоизоляционным материалом. Балки пола и
стропила, выполняемые из досок
толщиной 50 мм, дополнительно
укрепляют каркас.
Дома заводского изготовления
выпускают одно- и двухэтажные,
их собирают на строительной
площадке из готовых элементов.
§ 4. Клееные деревянные
конструкции
Клееные изделия и конструкции выпускают домостроительные комбинаты в значительных
количествах.
Клееные деревянные строительные конструкции отличаются
меньшей массой, большей прочностью, водостойкостью, меньшей возгораемостью, чем обычные деревянные конструкции.
Они почти не подвержены усушке и короблению и могут изготовляться в виде балок, ферм, арок.
В клееных конструкциях отдельные слои древесины располагают
таким образом, чтобы ослабить
влияние анизотропности древесины, а также уменьшить местное
влияние трещин, сучков и других
ПОрОКОВ.
Склеиванием древесных заготовок из маломерного по длине и
сечению пиленого материала можно изготовить дверные полотна,
оконные и дверные коробки, щиты для полов, а также крупные
конструктивные элементы — балки (рис. 138, а, б); прогоны, фермы
(рис. 138, в, г я д) ; рамы (рис. 138, е), сваи, шпунты.
до moo
Й <12-
зо то
д) JL
Рис. 138. Клееные деревянные конструкции:
а — балка прямолинейная постоянного сечения; б — балка двускатная; в — балка
шпренгельная; г — металлодеревянная ферма треугольная; д — металлодеревянная
ферма с ннжннм поясом ломаного очертания; е — рама трехшарнирная
313
--------------- page: 158 -----------
РАЗДЕЛ X
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
Глава 52
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Теплоизоляционными называют неорганические и органические
малотеплопроводные материалы, предназначенные для тепловой
изоляции строительных конструкций, промышленного оборудования
и трубопроводов. Тепловая защита тепловых агрегатов, технической аппаратуры и трубопроводов позволяет экономить топливо,
сокращать потери тепла и интенсифицировать технологические процессы. На тепловых электростанциях потери тепла сокращаются
примерно в 20—25 раз, улучшаются условия труда обслуживающего персонала.
Применение теплоизоляционных материалов в строительстве
позволяет повысить степень индустриализации строительных работ.
В полносборном домостроении широко применяют облегченные
крупные панели с утеплителем. Это дает возможность снизить массу здания и затраты топлива. В северных районах нашей страны,
где стоимость перевозки в несколько раз превосходит стоимость
самого материала, строят здания из легких слоистых элементов,
состоящих из наружной прочной оболочки и внутреннего слоя пористого утеплителя. На Севере особенно важно повысить термическое сопротивление наружных ограждений: количество топлива,
расходуемое в течение 4—5 лет на отопление здания, почти равно
массе его наружных стен.
Согласно ГОСТ 4.201—79 теплоизоляционные материалы и изделия подразделяются на следующие группы: 1) по виду исходного
сырья: неорганические и органические; 2) по структуре, форме и
внешнему виду: а) неорганические: штучные волокнистые изделия
(минераловатные, стекловатные плиты и т. п.); штучные ячеистые
изделия (из ячеистых бетонов, пеностекла и т. п.); рулонные и
шнуровые материалы (маты, шнуры, жгуты и т. п.); рыхлые волокнистые материалы( минераловатная смесь и др.); сыпучие зернистые материалы (вспученный перлит, вермикулит и т. п.);
б) органические: штучные волокнистые изделия (плиты древесностружечные, фибролитовые и др.); штучные ячеистые изделия
(ячеистые пластмассы); 3) по сжимаемости: мягкие М — деформация свыше 30%; полужесткие ПЖ — деформация 6—30%; жесткие Ж — деформация не более 6%. Сжимаемость характеризуют
относительной деформацией материала при сжатии под действием
удельной нагрузки 0,002 МПа.
314
СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
§ 1. Строение и теплофизические свойства
Теплоизоляционные материалы имеют высокопористое строение,
они создаются из веществ, имеющих аморфное строение, так как
кристаллические вещества хорошо проводят тепло. Теплопроводность уменьшается в 10 и более раз, если использовать материалы,
получаемые путем быстрого охлаждения расплава, примером являются стеклянные и минеральные волокна.
Воздух наименее теплопроводен из всех сред, не считая безвоздушного пространства. Теплопроводность сухого воздуха, заключенного в мелких порах, составляет лишь 0,023 Вт/(м>°С). Однако
теплопроводность воздушных слоев значительно возрастает при
увеличении их толщины. Тепло через воздушный слой передается
теплопроводностью Ят, конвекцией Кк и излучением Я„, поэтому
эквивалентный коэффициент теплопроводности слоя Хэ можно
представить состоящим из трех слагаемых:
кэ — Хт + Кк -f-
На рис. 139 показано увеличение теплопроводности воздушного
слоя вследствие резкого возрастания теплопередачи конвекцией
и излучением по ме(>е увеличения размера воздушного слоя. Поэтому в технологии теплоизоляционных материалов стремятся по-
Рис 139 Зависимость теплопроводности от толщины воздушных
гии IOV. 315
--------------- page: 159 -----------
лучать поры в виде мелких ячеек либо тонких воздушных слоев,
разделяющих волокна.
В практике используют следующие основные способы создания
высокопористого строения материала.
Для получения материалов ячеистого строения (ячеистые бетоны, пеностекло, пористые пластмассы) используют способы газо-
выделения и пенообразования.
Способ же высокого водозатворения состоит в применении большого количества воды при получении формовочных масс (например, из трепела, диатомита); последующее испарение воды при сушке и обжиге отформованных изделий
способствует образованию воздушных
пор. Этот способ часто сочетается с
введением выгорающих .добавок (древесных опилок, измельченного низкосортного каменного угля, торфяной
крошки и др.).
Создание волокнистого каркаса —
основной способ образования пористости у волокнистых материалов
(минеральная вата, фибролит и т. п.).
Высокопористое строение закрепляется
главным образом путем тепловой обработки изделий, которая осуществляется в различных видах — путем обычного пропаривания или автоклавной
обработки, сушки и обжига.
Важное значение имеет равномерное распределение воздушных
пор в материале и характер пор. Желательно создавать мелкие,
равномерно распределенные поры — ячейки закрытого типа. В закрытых порах воздух находится в спокойном состоянии и лучше
выполняет роль теплоизолятора. В замкнутые поры не попадает
вода (при обычных условиях насыщения), что очень важно для сохранения стабильных теплофизических свойств и долговечности.
Стремление к замкнутой пористости отличает структуру теплоизоляционных материалов от структуры звукопоглощающих, которые
должны иметь определенное количество «сквозных» пор. Это принципиальное отличие необходимо иметь в виду, так как часто для
производства теплоизоляционных и звукопоглощающих изделий
используются одни и те же исходные материалы (например, минеральное волокно, древесная масса и др.).
Теплопроводность К связана с коэффициентом температуропроводности а, теплоемкостью с и объемной массой у материала следующим соотношением:
X — асу.
Объемная масса является главным аргументом, определяющим
теплопроводность. Теплоизоляционные материалы по объемной
массе (кг/м3) делят на: 1) особо легкие (ОЛ)—М15, М25, М35,
«'S'
4
gf ОА
Г
<
1
1
ши 1ии m w 5оо то т
Объемная мат, кг/м3
Рис. 140. Зависимость теплопроводности теплоизоляционных
материалов от объемной массы:
1 — неорганические материалы; 2 —
органические материалы
316
М50, М75, М100; 2) легкие (Л) — М125, М150, М175, М200, М250,
М300, М350 и 3) тяжелые (Т) — М400, М450, М500 и М600. Материал, имеющий объемную массу, не совпадающую с показателями
марок, относят к ближайшей большей марке. На рис. 140 представлен график зависимости теплопроводности материалов от объемной массы.
По теплопроводности теплоизоляционные материалы делят на
три класса: класс А — малотеплопроводные — с теплопроводностью
до 0,058 Вт/(м-°С); класс Б — среднетеплопроводные — 0,058—
0,116 Вт/(м-°С) и класс В — повышенной теплопроводности — не
более 0,18 Вт/(м-°С).
Теплопроводность пористых материалов резко возрастает при
увлажнении (см. рис. 8), так как теплопроводность воды, равная
0,58 Вт/(м-°С), в 25 раз больше теплопроводности воздуха. В определенных пределах теплопроводность повышается прямо пропорционально возрастанию объемной влажности (№<>, в %), что позволяет вычислить теплопроводность влажного материала Kw по следующей формуле:
^ — К ~Ь Wo,
где ко — теплопроводность сухого материала; б — приращение
теплопроводности на 1 % объемной влажности, которое составляет:
для неорганических материалов при положительной температуре —
0,002 Вт/(м-°С), при отрицательной температуре — 0,004 Вт/(м-°С);
для органических соответственно — 0,003 и 0,004 Вт/(м-°С).
Замерзание воды в порах материала с образованием льда увеличивает kw, так как теплопроводность льда равна 2,32 Вт/(м*°С),
т. е. в 4 раза больше теплопроводности воды.
Теплоизоляция тепловых агрегатов и теплопроводов работает
при повышенных температурах.
Теплопроводность fa при средней температуре материала можно вычислить, зная теплопроводность Я0 при 0°С и температурную
поправку р на 1°С повышения температуры:
. (1 + Р0-
У различных пористых материалов теплопроводность возрастает при повышении температуры с разной скоростью, поэтому и
температурный коэффициент р будет различный. Расчетные значения теплопроводности материала принимают по СНиП И-З—79.
Нормы проектирования. Строительная теплотехника.
У некоторых материалов (магнезитовых огнеупоров, металлов)
теплопроводность уменьшается при повышении температуры и,
следовательно, температурная поправка имеет отрицательный знак.
§ 2. Фиэико-мзханические свойства теплоизоляционных
материалов
Прочность теплоизоляционных материалов при сжатии сравнительно невелика — 0,2—2,5 МПа. Основной прочностной характеристикой волокнистых материалов (плит, скорлуп, сегментов) яв-
317
--------------- page: 160 -----------
ляется предел прочности при изгибе. У неорганических материалов
он составляет 0,15—0,5 МПа; у древесных плит — 0,4—2 МПа.
Гибкие теплоизоляционные материалы (минераловатные маты, войлок, асбестовый картон) испытывают на растяжение.
Прочность материала должна быть такова, чтобы обеспечивалась его сохранность при перевозке, складировании, монтаже и,
конечно, в эксплуатационных условиях.
Водопоглощение не только ухудшает теплоизоляционные свойства пористого материала, но также понижает его прочность и
долговечность. Материалы с закрытыми порами, например пеностекло, отличаются небольшим водопоглощением. Для снижения
водопоглощения при изготовлении материалов вводятся гидрофо-
бизующие добавки.
Температуростойкость—-способность материала выдерживать
длительный нагрев при определенной температуре.
Газо- и паропроницаемость учитывают при применении в ограждающих конструкциях. Она может иметь как положительное, так
и отрицательное значение. Например, желательно, чтобы теплоизоляция не препятствовала воздухообмену жилых помещений с окружающей средой, происходящему через наружные стены зданий.
Однако теплоизоляцию стен влажных производственных помещений часто защищают от увлажнения с помощью надежной гидроизоляции, устраиваемой с «теплой» стороны.
§ 3. Свойства, характеризующие долговечность
теплоизоляционных материалов
Огнестойкость — способность материала и конструкций выдерживать в течение определенного времени действие пожара. Она
связана со сгораемостью материала, т. е. его способностью воспламеняться и гореть. Сгораемые материалы можно применять только
при осуществлении мероприятий по защите от возгорания.
Морозостойкость должна учитываться как важное свойство
утеплителя ограждающих конструкций зданий и холодильников.
Химическая и биологическая стойкость. Большая пористость
теплоизоляционных материалов благоприятствует проникновению
в них агрессивных газов и паров, находящихся в окружающей среде. Стойкость теплоизоляции повышают, применяя защитные покрытия. Органические' теплоизоляционные материалы и связующие (клей, крахмал) должны обладать биологической стойкостью, т. е. сопротивляться действию микроорганизмов, домовых
грибов, насекомых (муравьев, термитов).
Большие работы в области теплоизоляционных материалов
выполнили К. Э. Горяйнов, Ю. П. Горлов, В. А. Китайцев
и др.
318
Глава 54
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ИЗДЕЛИЯ
§ 1. Виды неорганических теплоизоляционных изделий
Минеральная вата состоит из тонких стекловидных волокон
диаметром 5—15 мкм, получаемых из расплава легкоплавких горных пород (мергелей, доломитов и др.), металлургических и топливных шлаков. Расплав обычно получают в вагранке. Волокна
образуются при воздействии подаваемого под давлением пара или
воздуха на непрерывно вытекающую из вагранки струю расплава
(рис. 141,а) либо путем подачи расплава на валки или диск центрифуги (рис. 141,6). Полученное минеральное волокно собирается
в камере волокноосаждения на непрерывно движущейся сетке
(рис. 141,в). В эту камеру вводят органические или минеральные
связующие вещества.
Рис. 141. Схемы получения минерального волокна и изделий из
него:
о —“ дутьевой способ: / — вагранка; 2 —желоб; 3 ~ пароподводящая трубка; 4 — дутьевая головка; 5 — камера волокнообразовання; 6— отверстие;
7 — струя расплава; 8— раздув расплава минерального волокна; б — цен-
тробежно-валковый способ: / — струя расплава; 2 •— вращающиеся валки;
3
раловатных матов; / — вагранка; 2—дутьевые сопла; 3 — камера волок-
нообразованкя; 4—камера тепловой обработки; 5 — нож продольной резки;
5 —нож поперечной резня; 7—упаковка; 8 — минераловатный мат
319
--------------- page: 161 -----------
На основе минеральной ваты выпускают штучные, рулонные,
шнуровые изделия и сыпучие материалы.
Минераловатные твердые плиты, имеющие повышенную жесткость, изготовляют на синтетическом связующем (фенолоспирте,
растворе или дисперсии карбамидного полимера и др.). По технологии, разработанной в Уралниистромпроекте, предусматривается
изготовление твердых плит из гидромассы, т. е. «мокрым» способом. Помимо минерального волокна и раствора полимера в гидромассу вводят пенообразователь (клееканифольный или др.). Гидромассу приготовляют в скоростных турбулентных смесителях. Плиты
из массы жидкотекучей консистенции формуют в вакуум-прессах.
Отформованные плиты поступают в туннельные или камерные сушилки, где их подвергают тепловой обработке при 150—180°С.
Получают плиты объемной массой 180—200 кг/м3, теплопроводностью 0,047 Вт/(м*°С); водопоглощением не более 15%, толщиной
30—70 мм. При утеплении бесчердачных кровель твердыми минераловатными плитами гидроизоляционный слой устраивают, наклеивая рулонный гидроизоляционный материал непосредственно
на эти плиты. При жестких же плитах требуется устройство стяжки из цементного или асфальтового раствора между плитой и гидроизоляцией.
Минераловатные жесткие плиты, скорлупы и сегменты выпускают с синтетическим, битумным и неорганическим связующим (цементом, глиной, жидким стеклом и др.). Для повышения прочности
и снижения количества связующего в состав изделий вводят коротковолокнистый асбест. Плиты толщиной 40—100 мм выпускают объемной массой 100—400 кг/м3 и теплопроводностью 0,051—
0,135 Вт/(м-°С).
Минераловатные полужёсткие и мягкие плиты изготовляют с
синтетическим, битумным и крахмальным связующим. Изделия
(плиты, цилиндры, сегменты, маты) с синтетическим связующим
имеют меньшую объемную массу, более прочны и привлекательны
на вид по сравнению с изделиями на битумном связующем. Расход
фенолоспиртов составляет 10—15%, битума — 9—20% в полужест-
ких плитах и 3—5% по массе в мягких плитах. Объемная масса
плит — 35—250 кг/м3, теплопроводность — 0,041—0,07 Вт/(м-°С).
Минераловатные маты в рулонах выпускают следующих видов:
1) с синтетическим связующим (у —35—75 кг/м3), прошивные с металлическими, тканевыми, бумажными обкладками, с обкладками
из стеклохолста (у=100—200 кг/м3); 2) из штапельного стекловолокна (y = 25—50 кг/м3); 3) из непрерывного стекловолокна
(y = 80—20 кг/м3); 4) в виде холста из базальтового волокна
(V=15—20 кг/м3).
К сыпучим материалам относят: минеральную вату гранулиро-
ванную и минераловатную смесь с неорганическим вяжущим для
мастичной теплоизоляции.
Керамические теплоизоляционные изделия изготовляют путем
формования, сушки и обжига. По сравнению с другими теплоизоляционными материалами они имеют высокую прочность и тем-
320
пературостойкость до 900°С. В качестве сырья используют диатомит, трепел, огнеупорную глину, перлит. Большая пористость создается путем введения в формовочную массу пенообразователей,
выгорающих добавок.
Виды и характеристики керамических изделий приведены в
табл. 44.
Таблица 44
Физико-механические
свойства неорганических жестких, изделий
Изделия
Диатомитовые кирпич, скорлупы, сегменты
Изделия из ячеистой керамики — плиты, скорлупы
Перлитокерамические плиты,
кирпич, скорлупы
Перлитовые плиты, скорлупы, сегменты на цементе, жидком стекле
Вармикулитовые изделия на
цементе, жидком стекле
Вулкакитовые изделия
а Г7
£I
900
900
900
600
600
600
У
а
а
О *2
500
600
400
300
400
250
350
250
400
350
400
Предел прочности,
не менее, МПа
при
сжатии
при
изгибе
0,6
0,8
1,2
0,6
1
0,25
0,3
0,15
0,3
0,3
0,35
►О
<ао
л
ц
р
4> о)
НЯ
0,116
0,14
0,116
0,081
0,105
0,075
0,087
0,087
0,105
0,087
0,093
Теплоизоляционные легкие бетоны (слитного строения и крупнопористые) изготовляют из пористого заполнителя — вспученного
перлита, легкого керамзита или вермикулита, и минерального (реже органического) вяжущего.
Вулканитовые изделия изготовляются из смеси молотого диатомита или трепела (около 60%), воздушной извести (20%) и асбеста (20%). Отформованные изделия подвергают автоклавной обработке, которая ускоряет химическое взаимодействие между кремнеземистым компонентом и воздушной известью, приводящее к образованию гидросиликатов кальция.
' Совелит является у нас наиболее распространенным асбесто-
матнезиальным материалом. Сырьем для производства совелита
служат доломит (СаС£)3-МдСОз) и асбест (в количестве 15%). Доломит подвергают сложной переработке, которая включает обжиг,
гашение обожженного доломита, карбонизацию полученного доломитового молока с использованием газов, содержащих СО2. Конечным продуктом химической переработки доломита является четырехводный основной карбонат магния MgC03-Mg(0H)2,4H20,
который вместе с осажденным СаСОз.составляет основу совелита.
on
11—664
321
--------------- page: 162 -----------
Тепловая обработка совелитовых изделий состоит из двух стадий:
сушки и прокаливания, имеющего целью декарбонизацию магнезиальной составляющей. Благодаря прокаливанию снижается объемная масса и теплопроводность, а температуростойкость повышается. Совелит применяют для изоляции промышленного оборудования при температурах до 500°С.
Теплоизоляционные цементные ячеистые бетоны (газо- и пено-
бетоны) имеют объемную массу не более 500 кг/м3. Ячеистые бетоны применяют для изоляции трубопроводов, а также для утепления
строительных конструкций.
Ячеистое стекло (пеностекло) вырабатывают из стекольного
боя, либо используют те же сырьевые материалы, что и для производства других видов стекла: кварцевый песок, известняк, соду и
сульфат натрия. Могут использоваться горные породы: трахиты,
сиениты, нефелины, обсидианы. При спекании порошка стекольного
боя с газообразователями — коксом и известняком — выделяется углекислый газ, образующий поры. Газообразующими добавками могут служить также антрацит и мел или карбиды кальция и кремния. Имеются автоматические установки для непрерывного производства ячеистого стекла. При выходе из печи от непрерывно
движущегося бруса отрезаются блоки определенной длины, направляемые в печь отжига. Благодаря этому предотвращается возникновение внутренних напряжений, вызывающих растрескивание.
Ячеистое стекло имеет специфическое строение. В материале
стенок крупных пор содержатся мельчайшие микропоры. Двоякий
характер пористости обусловливает малую теплопроводность при
достаточно высокой прочности, водостойкости и морозостойкости.
Ячеистое стекло — несгораемый материал с высокой температуро-
стойкостью — 400°С, для бесщелочного — до 600°С. Ячеистое стекло
хорошо сцепляется с цементными материалами, его можно обрабатывать— пилить, шлифовать, сверлить. Ячеистое стекло применяют
для теплоизоляции тепловых сетей при их подземной бесканальной
прокладке. Оно находит применение для теплоизоляции стен, перекрытий, кровель, в конструкциях холодильников.
Крупнопористый керамзитобетон в виде плит используют для
утепления ограждающих конструкций. Его объемная масса 400—
500 кг/м3, марки по прочности при сжатии М4 — М10, теплопроводность 0,14—0,17 Вт/(м-°С).
. Стеклопор получают путем грануляции и вспучивания жидкого
стекла с минеральными добавками (мелом, молотым песком, золой
ТЭС и др.). Технологический процесс включает производство гра-
нулята — «стеклобисера» и его низкотемпературное (при 320—
360°С) вспучивание. Стеклопор выпускают трех марок: «СЛ» с
у=15—40 кг/м3, X=0,028—0,035 Вт/(м-°С); «Л» с у =*40—80 кг^м\
Я=0,032—0,04 Вт/(м.°С); «Т» с у=80—120 кг/м3; X=0,038—
0,05 Вт/(м-°С). Себестоимость стеклопора — 6—7 руб^м3, расход
жидкого стекла — 22—65 кг/м3. В сочетании с различными связующими стеклопор используют для изготовления штучной, мастичной
и заливочной теплоизоляции. Наиболее эффективно применение
322
стеклопора в наполненных пенопластах, так как введение его в пенопласт позволяет снизить расход полимера и значительно повысить огнестойкость теплоизоляционных изделий.
Монтажные асбестовые материалы выпускают в виде листов и
рулонов из асбестового волокна; иногда вводят наполнитель и небольшое количество склеивающих веществ (крахмала, казеина
и др.), получая асбестовую бумагу, картон, шнур.
Алюминиевую фольгу применяют в качестве отражательной изоляции в воздушных прослойках слоистых ограждающих конструкций зданий и для теплоизоляции промышленного оборудования и
трубопроводов при температурах до 300°С.
§ 2. Неорганические рыхлые материалы
Неорганические рыхлые материалы для мастичной теплоизоляции изготовляют из смеси волокнистых материалов (асбеста, минерального волокна) с неорганическими вяжущими, затворяемыми
водой. Их применяют для изоляции промышленного оборудования
и трубопроводов с учетом температуры у границ теплоизоляционного слоя.
Минераловатную смесь приготовляют из минеральной ваты, асбеста, тонкодисперсной глины и портландцемента. Объемная масса
изоляции в сухом состоянии— 400 кг/м3, теплопроводность -* не
более 0,028 Вт/м-°С).
Асбестодиатомитовый порошок представляет собой смесь асбеста (15%) и молотого диатомита или трепела (85%) иногда с добавками других веществ (отходов асбоцементных заводов, слюды).
Объемная масса теплоизоляции — 450—700 кг/м3, теплопроводность—0,093—0,21 Вт/(м-°С).
Совелитовый порошок — это смесь легкого основного углекислого магния и углекислого кальция с асбестом, применяемая при температурах до 500°С. Готовая совелитовая теплоизоляция имеет объемную массу 450 кг/м3 и теплопроводность — не более 0,098 Вт/(мХ
Х°С).
Асбестомагнезиальный порошок (ньювель) приготовляют в виде
смеси легкого основного углекислого магния с асбестом и применяют при температурах до 350°С.
Неорганические зернистые материалы для теплоизоляционных
засыпок. При температурах до 900°С применяют: вспученный перлит в виде пористого песка (зерна до 5 мм) с объемной массой
75—250 кг/м3 и теплопроводностью 0,04—0,058 Вт/(м*°С); вспученный вермикулит в виде смеси пластинчатых зерен крупностью не
более 15 мм, объемной массой 100—300 кг/м3 и теплопроводностью
0,075—0,104 Вт/(м-°С): измельченные и обожженные диатомиты
и трепелы с крупностью до 5 мм, объемной массой 400—700 кг/м3 и
теплопроводностью 0,11—0,18 Вт/(м-°С).
При температурах до 450—600°С применяют гранулированную
11*
323
--------------- page: 163 -----------
и стеклянную вату, дробленую пемзу и вулканический туф, топливные шлаки, получаемые при сжигании кускового топлива, топливные золы от сжигания пылевидного топлива, доменные гранулированные шлаки.
Глава 65
ОРГАНИЧЕСКИЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ И8ДЕЛИЯ
§ 1. Изделия на основе древесного волокна
Фибролит — плитный материал, изготовляемый из древесной
шерсти и неорганического вяжущего вещества. Древесную шерсть
(стружку длиной 200—500, шириной 2—5 и толщиной 0,3—0,5 мм)
получают на специальных станках, используя короткие бревна ели,
липы, осины или сосны. Вяжущим чаще всего служит портландцемент. Древесную шерсть предварительно смачивают на вибросите
раствором минерализатора — хлористого кальция при помощи дождевальной установки, а затем подают транспортером в смесительный барабан принудительного действия. Туда же поступает через
дозировочный шнек цемент. Перемешанную массу укладывают
ленточным транспортером в непрерывно передвигающиеся по рольгангу формы. Формы с массой последовательно проходят камеру
начеса, прессовочный вал, пост разделки на плиты. Скомплектованные в штабеля (по 10—12 шт.) плиты с пресса направляют в камеру твердения и сушки. Влажность цементно-фибролитовых плит
должна быть не более 20% по массе. Плиты выпускают объемной
массой 300—500 кг/м3, теплопроводностью 0,1—0,15 Вт/(м*°С), с
пределом прочности при изгибе 0,4—1,2 МПа. Толщина плит — 25,
50, 75, 100 мм.
Плиты применяют для теплоизоляции ограждающих конструкций зданий II и III классов, для устройства перегородок, каркасных стен и перекрытий в сухих условиях. Фибролит хорошо обрабатывается— его можно пилить, сверлить, в него можно вбивать
гвозди.
Арболитовые изделия изготовляют из портландцемента и органического коротковолокнистого сырья (древесных опилок, дробленой станочной стружки или щепы, сечки соломы или камыша, костры и др.), обработанного раствором минерализатора. Химическими добавками служат: хлористый кальций, растворимое стекло,
сернокислый глинозем. Применяют теплоизоляционный арболит
объемной массой до 500 кг/ма и конструкционно-теплоизоляционный объемной массой до 700 кг/м3. Прочность арболита при сжатии— 0,5—3,5 МПа, растяжение при изгибе — 0,4—1,0 МПа; теплопроводность— 0,1—0,126 Вт/(м-°С).
Древесностружечные плиты изготовляют путем горячего прессования массы, содержащей около 90% органического волокнистого
сырья (чаще всего применяют специально приготовленную древесную шерсть) и 8—10% синтетических смол (феноло-формальдегид-
324
ной или мочевино-формальдегидной). Объемная масса изоляционных плит — до 350 кг/м3, теплопроводность—до 0,093 Вт/(м-°С).
Для улучшения свойств плит в сырьевую массу добавляют гидро-
фобизующие вещества, антисептики и антипирены (см. разд. IX,
гл. 49).
Древесноволокнистые изоляционные плиты производят из,неделовой древесины, используют отходы лесопиления и деревообработки, а также бумажную макулатуру, солому, стебли кукурузы. Объемная масса — до 250 кг/м3, теплопроводность — до 0,07 Вт/(м-°С).
На основе растительного сырья изготовляют ряд местных материалов: камышит, соломит, торфяные изоляционные плиты и др.
§ 2. Теплоизоляционные пластмассы
Синтетические связующие широко применяют в жестких и гибких изделиях из минеральных и органических волокон, используют
также газонаполненные пластмассы — сотопласты и ячеистые.
Сотопласты изготовляют путем склейки гофрированных листов
бумаги, стеклянной или хлопчатобумажной ткани, пропитанных полимером. Они служат эффективным утеплителем в трехслойных
панелях. Теплоизоляционные свойства сотопласта повышаются
при заполнении ячеек крошкой из мипорьь
Ячеистые пластмассы подразделяются в зависимости от характера пор на пенопласты и поропласты. Пенопласты имеют преимущественно закрытые поры в виде ячеек, разделенных тонкими перегородками. К поропластам относятся ячеистые пластмассы с сообщающимися порами. Имеются материалы со смешанной структурой.
В ячеистых пластмассах поры занимают 90—98% объема материала, а на стенки приходится всего лишь 2—10%, поэтому ячеистые пластмассы очень легки и малотеплопроводны (теплопроводность 0,026—0,058 Вт/(м-°С)). В то же время они водостойки, не загнивают; жесткие пено- й поропласты достаточно прочны, гибки и
эластичны. Особенностью теплоизоляционных пластмасс является
ограниченная температуростойкость. Большинство из них горючи,
поэтому необходимо предусматривать конструктивные меры защиты пористых пластмасс от непосредственного действия огня.
Ячеистые пластмассы в виде плит и скорлуп применяют для
утепления стен и покрытий, теплоизоляции промышленного оборудования и трубопроводов при температурах до 60°С.
Теплоизоляционный слой пенопласта толщиной 5—6 см, имеющий массу около 2—3 кг/м3, эквивалентен слою 14—16 см из минеральной' ваты или ячеистого бетона. Поэтому масса 1 м2 трехслойной панели, утепленной ячеистой пластмассой, снижается на 20—
50 кг.
Пористые пластмассы можно пилить, резать обычными способами, а также проволокой, нагреваемой электрическим током. Они
хорошо склеиваются с бетоном, асбоцементом, металлом, древеси325
--------------- page: 164 -----------
ной. Это значительно упрощает изготовление крупных панелей ограждающих конструкций.
Пенополистирол — жесткий пластик, изготовляемый из полистирола с порообразователем. Применяют прессовый и беспрессо-
вый методы производства пенополистирола.
Пенополивинилхлорид выпускают жесткий и эластичный. Жесткий пенополивинилхлорид — теплоизоляционный материал, незначительно изменяющий свои свойства при изменении температуры от
+ 60 до —60°С. Он менее горюч по Сравнению с пенополистиролом.
Мипору изготовляют путем вспенивания мочевино-формальде-
гидной смолы, отверждения отлитых из пеномассы блоков и их последующей сушки. Мипора наиболее легкий (10—20 кг/м3) и наименее теплопроводный из всех теплоизоляционных материалов —
=0,026—0,03 Вт/(м*°С).
Пенополиуретан получают в результате химических реакций,
протекающих при смешении исходных компонентов (полиэфира, диизоцианата, воды, катализаторов и эмульгаторов). Изготовляют
жесткий и эластичный полиуретан как непрерывным, так и периодическим методом. Жесткий пенополиуретан применяют в виде
плит и скорлуп с учетом его горючести. Эластичный пенополиуретан служит для герметизации стыков панелей.
Разработаны рецептуры заливочных композиций, которые могут
вспениваться даже на холоде.
Пенопласты на основе феноло-формальдегидных полимеров выпускают на основе чистого полимера (ФФ), с введением в него
стеклянного волокна (ФС) или каучука (ФК), а также каучука и
газообразОвателя в виде алюминиевой пудры (ФК-А).
Пенопласты получают по беспрессовому методу из готовой смеси компонентов путем вспенивания смеси при нагреве и последующего охлаждения. Регулируя рецептуру исходной смеси и технологические условия, можно получить пенопласты с каучуком, выдерживающие длительное время действие высоких температур (200—
250°С). Эти полимеры устойчивы к влиянию вибрации.
Глава 56
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ
В КОНСТРУКЦИЯХ
§ 1. Теплоизоляция промышленного оборудования
и трубопроводов
Изоляционные конструкции из жестких изделий — плит, скорлуп, сегментов могут выполняться из одного материала или из двух
разных материалов, укладываемых послойно (рис. 142). В верхнем
слое могут применяться менее температуростойкие материалы.
Производя^я двухслойные изделия, сочетающие огнеупорный
и теплоизоляционный слои.
326
На рис. 142 приведены различные типы тепловой изоляции трубопроводов. Оберточные
изоляционные конструкции применяют в тех
случаях, когда трубы
подвержены вибрации
или частым сотрясениям. Используют асбестовую бумагу и картон,
различные виды шнура
(асбестовый, стекловатный, минераловатный шнур) и жгуты.
Мастичные конструкции выполняют путем нанесения на
изолируемую поверх- ~ой Изоляционный слой; 2 — наружное защитное покры-
нплтт. ТРП 7ТПИЧОЛЯ11ИОН- тие; 3 — комплектное нзделне; б — изоляция трубопрово-
НОСТЬ теплоиаилмциип дов минераловатиымн матамн в оболочках: /-маты;
НОГО материала в плас-
тичном состоянии в виде мастики. Мастику
приготовляют на месте работ путем затворения порошкообразного
материала водой до рабочей густоты. Мастику наносят послойно
вручную, поэтому работы по мастичной изоляции трудоемки и
продолжаются в 2—4 раза дольше монтажа изоляции из готовых
изделий.
Бесканальная прокладка может выполняться с применением
гидрозащитной оболочки трубопровода и без нее. Взамен гидрозащитной оболочки теплопровод окружен пористым слоем, который
образуется путем его обсыпки гравием (с размером зерен 3—
15 мм) или обкладки скорлупами (сегментами) из крупнопористого
бетона (рис. 143).
Рис. 142. Минераловатные изделия полной заводской готовности:
а — олрырнт гЛопной изоляции тоубопровода: / — основ-
Рис. 143. Теплоизоляция при бесканальной прокладке тепловых сетей:
в — засыпной вариант; б —сборный вариант; / —труба; 2 — теплоизоляция; 3 —гравийный слой; 4 —песок; 5 — дренажная труба; 6 — ан-
Гикоррознонное покрытие; 7 — скорлупы на крупнопористого бетона
--------------- page: 165 -----------
§ 2. Теплоизоляция ограждающих конотрукций зданий
Навесные панели стен выполняют в основном трехслойными.
Некоторые типы слоистых панелей представлены на рис. 144. Наибольшее снижение массы 1 м2 панели достигается при использовании в качестве утеплителя пористых пластмасс, являющихся эффективной теплоизоляцией. Например, трехслойные панели с утеплителем из пенопласта (или сотопласта) при толщине 15—20 -см
имели следующую массу (в кг на 1 м^ панели): асбестоцементные — 20, алюминиевые — 25, стеклопластиковые — 50.
г)
г -г
п
4°
-г /~"
*
--г
'j
Гч
—j
«л
Рис. 144. Типы трехслойных панелей наружных стен:
а — облицовка из плоских железобетонных плит; б — то же, из ребристых
железобетонных плит; в — облицовка из конструктивно-отделочных листовых материалов (алюмннневых листов, асбестоцемента, стеклопластика);
г —то же, с воздушным промежутком; / — наружная облицовка; I — внутренняя облицовка; 3 — утеплитель; 4 — паронзоляцня
Теплоизоляционные материалы широко применяют для утепления покрытий зданий (рис. 145).
Показателем технико-экономической эффективности теплоизо-
; ляционного материала являются приведенные затраты на единицу
термического сопротивления (в руб.), вычисляемые по формуле
П = пл
где П1 — приведенные затраты на I м3 теплоизоляционного мате*-
риала, руб.; К — теплопроводность, Вт/(м-°С),
Ф
Рис. 145. Ограждающие конструкции покрытий
промышленных зданий:
а — утепленный профилированный настИЛ;' б — «монопанель»; / — металлический профилированный настил; I —
утеплитель; 3 — рубероидный ковер на битумной мастике в три слоя; 4 — слой пленочной полимерной гидроизоляции
328
Наиболее эффективными являются минераловатные изделия на
синтетическом связующем, маты и плиты из стекловолокна, древесноволокнистые плиты, фибролит, так как для их производства используется дешевое сырье.
Индустриализация монтажных работ состоит в применении
сборных теплоизоляционных конструкций — цилиндров, скорлуп и
др., заменяющих мастичную и набивную теплоизоляцию. Изоляция
вулканитовыми или минераловатными изделиями не только снижает стоимость теплоизоляции, но и уменьшает затраты с учетом эксплуатации на 12,5—32%.
Перспективен метод предварительной изоляции технологического оборудования до установки его на место. Он позволяет механизировать работы, повышает производительность труда изолировщиков в 1,3—1,5 раза, улучшает качество работ и снижает стоимость изоляции в среднем на 10—15%,
--------------- page: 166 -----------
РАЗДЕЛ XI
АКУСТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Глава 57
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Акустическая обработка помещений промышленных, жилых и
общественных зданий проводится для защиты человека от шума.
Городской шум возрастает в среднем на 1 дБ в год. Повышенный
шум в помещениях относится к категории санитарно-гигиенических
вредностей: если шум превышает нормативные требования на 15—
20 дБ, то снижается на 10—20% производительность труда.
Уменьшение шума за счет использования акустических материалов сохраняет здоровье и силы человека, создает для него необходимые удобства и способствует повышению производительности
труда.
Выбор подходящего акустического материала зависит от вида
шума, его уровня и частотной характеристики.
Воздушным шумом называют шум от работы оборудования, музыкальных инструментов, телевизора и т. д., распространяющийся
в виде звуковых волн в воздухе.
Ударный шум возникает при ударе по конструкции, вибрации
оборудования, передвижке мебели и т. п.
Изоляция от воздушного шума определяется звукоизолирующей
способностью конструкции R и показывает на сколько (в дБ) снижается уровень звукового давления после прохождения звука через
конструкцию. Звукоизолирующая способность
/?= ioig-L,
X
где х — коэффициент звукопроницаемости.
Изоляцию от ударного шума определяют по приведенному уровню звукового давления в помещении под перекрытием Ln.
Нормальное ухо человека воспринимает звуковые колебания
частотой в пределах от 16 до 20 000 Гц, причем особо чувствительными являются частоты от 1500 до 3000 Гц.
Интенсивность (Вт/м2) звука определяется звуковой энергией,
проходящей за 1 с через площадку в 1 м2, параллельную фронту
волны.
Уровень звукового давления L (дБ) определяют по формуле
L = 10 lg///0,
где I — интенсивность данного звука, /0 — пороговый уровень интенсивности звука (порог слышимости), соответствующий звуковому давлению 2- 10~5Н/м3, /®= 10_12Вт/м2.
330
Требуемое снижение октавных уровней звукового давления
ALTp(aB) определяют согласно СНиП II-12—77 по формуле
AZ.jp — i ^доп»
где ЬД0а — допустимый октавный уровень звукового Давления в расчетной точке, принимаемый для жилых и общественных зданий по
СНиП II-12—77, а для производственных предприятий согласно
ГОСТ 12.1.003—76.
Предельные (максимально допустимые) уровни шума устанавливаются в зависимости от назначения помещения и частотной характеристики звука. Примерные значения уровней шума для производственных помещений с речевой связью — 80—85 дБ, административных помещений — 38—71 дБ, больниц — 13—51 дБ.
Шум может измеряться несколькими приборами. Из последовательно соединенных приборов образуется «измерительный тракт»,
включающий шумомер, анализатор, самописец и др.
Встречаются шумы различного вида и уровня, поэтому применяют акустические материалы различного назначения.
Звукопоглощающие материалы и конструкции служат для снижения энергии отраженных звуковых волн, т. е. для снижения шума
в помещениях.
Принято среди звукопоглощающих выделять декоративно-акустические материалы, необходимые для создания акустического комфорта и отделки интерьера.
Звукоизоляционные материалы применяют в основном для ослабления ударного звука, хотя часто (например, в междуэтажном
„ перекрытии) эти же материалы помогают изоляции воздушного
шума,
Глава 58
ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
§ 1. Свойства звукопоглощающих материалов
Коэффициент звукопоглощения. Основной акустической характеристикой звукопоглощающих материалов является коэффициент
звукопоглощения а, равный отношению количества поглощенной
звуковой энергии Ев0гл к общему количеству звуковой энергии
ЕийД, падающей на материал в единицу времени:
а. г* ^дагл/^лад •
Все строительные материалы обладают способностью в той или
иной степени поглощать звук, поэтому для них а>0, а наибольшее
значение а= 1. Звукопоглощающими материалами принято называть такие, у которых коэффициент звукопоглощения на средних
частотах более 0,2.
Коэффициент звукопоглощения зависит от пористости материала,
331
--------------- page: 167 -----------
Сквозная пористость. Из рис. 146 видно, что
коэффициент звукопоглощения сильно’ повышается при возрастании пористости, поэтому
звукопоглощающие материалы стремятся
выпускать с пористостью 40—90%. В этом отношении есть сходство их с теплоизоляционными материалами. Однако требования к характеру пористости различны. Если в теплоизоляционном материале предпочитают замкнутые
воздушные поры, то эффективность звукопоглощающего материала возрастает при наличии сквозных пор или специально предусмотренной перфорации. Звукопоглощение пористых материалов обусловлено потерями энергии звуковых волн благодаря вязкому трению
в порах и переходу части механической энергии в тепловую.
Сопротивление продуванию является специфической характеристикой, позволяющей установить влияние структуры материала на коэффициент звукопоглощения. Влияние сопротивления продуванию на коэффициент звукопоглощения при постоянной толщине слоя показано на рис. 147. При низких частотах
целесообразно иметь меньшее удельное сопротивление продуванию,
т. е. следует применять рыхлый и толстый материал с крупными
сквозными порами.
Более эффективной является звукопоглощающая конструкция в
виде сравнительно тонкого слоя пористого материала, установленного с относом для создания воздушного промежутка.
Помимо специальных акустических требований, звукопоглощающие материалы должны удовлетворять санитарно-гигиениче-
Рис. 147. Коэффициент звукопоглощения звукоизоляционных материалов:
а — в зависимости от вида материала: / — жесткий пенополиуретан
(V-70 кг/м'); ? —мягкий пенополиуретан (¥“35 кг/м*); 3 — минераловатные маты (¥-75 кг/м*, толщина 40 мм); 4 — плнта сАкмигран» (у™
—J50 кг/м*); о-в зависимости от толщины мннераловатиых матов
(¥-75 кг/м*); / — 60 мм; 1 — 40 мм; J —20 мм
332
Рис. 146. Зависимость
коэффициента звукопоглощения от пористости материала:
1 — стекловата; 2 — акустическая штукатурка
ским и общим строительно-техническим требованиям огнестойкости, механической прочности, долговечности и экономичности. Звукопоглощающие материалы не должны выделять летучие вещества,
требования же к их декоративным качествам зависят от назначения
помещения.
§ 2. Виды звукопоглощающих материалов
Наибольшее значение из числа материалов с волокнистой структурой имеют минераловатные плиты, изготовляемые из минерального, стеклянного или асбестового волокна. В качестве связующего используют полимеры (преимущественно феноло-формаль-
дегидный и мочевино-формальдегидный), битумную эмульсию,
кр ахм ально-бентонитовое связующее.
Звукоизоляционные минераловатные плиты отличаются от теплоизоляционных более жестким скелетом и сквозной пористостью.
Плитам придают желобчатую, ноздреватую или трещиноватую декоративную фактуру; перфорация плит делается примерно на
*/а толщины материала. Например, декоративно-акустические плиты «Акмигран» изготовляют из гранулированной минеральной ваты (76—80%), крахмала (10—12%) и бентонитовой глины (10—
15%). Плиты имеют красивый вид и являются эффективным звукопоглощающим материалом с коэффициентом звукопоглощения
0,8—0,9 при среднем и высоком диапазонах частот.
Древесноволокнистые плиты, изготовляемые из древесной массы по обычной технологии, применяют в качестве звукопоглощающей облицовки. Для повышения огнестойкости необходимо вводить
в состав массы добавки антипиренов. Перфорация плит делается
обычно на */» толщины в виде круглых отверстий или пазов; плиты
окрашиваются.
Акустический фибролит получают из древесной шерсти и минерального вяжущего вещества (портландцемента или гипса) с объемной массой 350—600 кг/м3.
Рулоны и маты изготовляют из минерального и органического
волокна (синтетического, хлопкового волокна и т. п.), небольшого
количества связующего (синтетической бмолы, битума, крахмала)
или прошивают нитками, тонкой проволокой. Для защиты от пыли
и повышения механической прочности маты и плиты покрывают
тонкими пленками (например, полиамидной) и декоративной стеклотканью. Их объемная масса 50—200 кг/м3.
Акустические бетоны и растворы изготовляют из пористых заполнителей, отличающихся небольшой объемной массой (вспученный перлит, вермикулит, легкие виды керамзита, природной и шлаковой пемзы). Используют также крошку глиняного кирпича и каолиновую. крошку из отходов керамической промышленности.
Вяжущим служит цветной, белый или обычный портландцемент.
Акустические бетоны применяют в виде плит или шумоглушащих
блоков.
333
--------------- page: 168 -----------
Рис. .1,48. Слоистые звукопоглощающие
изделия:
а — общий вид трехслойной плиты: I — основной слой из звукопоглощающего материала;
I
лункаМй; 3 — перфорированный экран; 4 — от-
вйрстия перфорации; б — звуко- и виброизо-
ЛяционНая панель из эластомера, состоящая
из плит с больший числом кольцевых пазов;
/и 1 — вертикальное и горизонтальное сечения панели
Керамические блоки и плиты могут изготовляться из кирпичной крошки на жидком стекле. Блоки применяют для глушения шума промышленных установок при температуре до
500°С, а плиты — для глушения
шума в вентиляционных каналах.
Ячеистые неорганические
материалы: ячеистый бетон, пеностекло, пеноперлитокерамика
отличаются высокой огнестойкостью, небольшой массой и достаточной прочностью. При
обычных температурных условиях хорошее звукопоглощение
достигается при использовании
поропластов, т. е. ячеистых
пластмасс, имеющих сообщающиеся между собой поры.
Например, пористый полиуретан толщиной 50 мм имеет коэффициент звукопоглощения
0,9 при частоте 500 Гц.
Звукопоглощающие изделия
из пористого материала с перфорированным покрытием нашли широкое применение. Сравнительная простота сочетается
с возможностью получить наи-
чучшую частотную характеристику звукопоглощения для любых конкретных условий. Можно подобрать диаметр отверстий перфораций, процент перфорации, толщины экрана, воздушного зазора и слоя пористого материала так, чтобы получить при данных частотах
высокий коэффициент звукопоглощения. Основным элементом
изделия является пористый материал с объемной Массой не
более 100—140 кг/м3 в виде минераловатных плйт, рулонов,
акустических беТонных плит
или полиуретанового пороплас-
та. Для защиты от увлажнения
334
рулоны, маты или мягкие плиты обертывают в ткань, пропитанную
гидрофобным составом. Применяют также защитные тонкие синтетические пленки. Перфорированные покрытия делаются из слоистого пластика, дуралюмина, оцинкованной листовой стали, асбестоцементных листов, гипсовых акустических плит.
Жесткие древесноволокнистые плиты со щелевой перфорацией
успешно применяют при обеспечении необходимой огнестойкости с
помощью добавок, вводимых при изготовлении, или противопожарной пропитки. Воздушный промежуток создается путем применения
каркаса, устроенного из проволоки диаметром 1—2 мм, либо из деревянных реек, пропитанных огнезащитным составом, по которым
прокладывается металлическая сетка.
Слоистые звукопоглощающие изделия (рис. 148) могут изготовляться в виде трехслойных плит, состоящих из перфорированного
экрана 3 толщиной около 0,5 мм, основного слоя из звукопоглощающего рыхлого материала 1 толщиной 37—55 мм и расположенного
между ними промежуточного слоя 2 толщиной 6 мм из уплотненного волокнистого материала с отштампованными с двух сторон лунками в виде усеченных конусов; все слои склеены между собой.
Экран можно изготовлять из стеклопластика; площадь перфорации составляет около 15% площади экрана. Промежуточный и основной слои состоят из прессованной стеклянной ваты на синтетическом связующем. Плита имеет общую толщину около 58 мм, она
крепится к конструктивным элементам с помощью крепежных деталей. Такие плиты трудносгораемы, биостойки, легко моются, хорошо сопротивляются случайным ударам.
§ 3. Применение звукопоглощающих материалов
Звукопоглощающие облицовки часто устраивают из слоя однородного пористого материала, который монтируется непосредственно на ограждающей конструкции либо на некотором расстоянии
для создания воздушного зазора. Применяют готовые штучные изделия в виде плит, панелей, блоков, а также рулонов и матов.
Акустическая обработка признается целесообразной, если ожидаемое снижение уровня шума не менее 3 дБ.
Снижение уровня шума можно определить по формуле
AL = 101g(l + -^-),
где S — эквивалентная площадь звукопоглощения необработанного помещения; AS — добавочное поглощение после акустической
обработки.
Штучные звукопоглотители в виде отдельных щитов, кубов,
призм, конусов, шаров подвешивают к потолкам шумных помещений. Они могут быть использованы не только для акустической обработки помещения, но и для декоративного решения интерьера в
соответствии с требованиями эстетики.
335
--------------- page: 169 -----------
Перфорированные стенки штучных поглотителей делают из алюминиевой фольги, алюминиевых листов, а также йз прозрачных материалов (например, органического стекла), что имеет важное значение при естественном освещении помещений. Штучные поглотители заполняют или облицовывают изнутри пористыми материалами.
Объемные многорезонансные штучные поглотители устраивают
в виде набора полых кубов разного размера. Каждый из них представляет резонирующий воздушный объем, ограниченный перфорированными гранями, с высоким поглощением на частотах, близких
к собственной частоте. Многорезонансная система имеет широкую рабочую полосу частот.
Клиновые поглотители. Облицовка из них
при правильном устройстве практически полностью поглощает звуковые волны, падающие
на внутреннюю поверхность стен. Звукопоглощающему материалу придается форма: клина,
конуса или пирамиды. Клиновые поглотители
набивного’ типа имеют проволочный или деревянный каркас, обтянутый марлей или другой
тканью, пропитанной огнезащитным составом.
Заполнение производится рыхлым волокнистым материалом; капроновым волокном, шлаковой или стеклянной ватой, асбестовым шнуром. Клинья требуемой формы могут делаться
без каркаса из жестких минераловатных плит
лист: 2 ФотсекиТ 3НЫ- и других плиточных материалов,
ткань, закрывающая от-
верстия
ковых волн и получить безэховые помещения.
Акустические подвесные потолки, в частности, из профилированных алюминиевых листов, асбестовых перфорированных листов и
звукопоглощающих материалов типа «Акмигран» или «Акминит»
получили большое распространение. По акустическим и декоративным свойствам они не уступают лучшим иностранным материалам.
Резонаторный звукопоглотитель представляет воздушную поп
лость, соединенную отверстием (горлом) с окружающим воздухом.
Он является колебательной системой, на частотах резонанса кото-
рой резко; возрастает скорость’движения воздуха в горло. Горло резонатора закрывается фрикционным материалом (рис. 149). В качестве фрикционного материала обычно используют стеклоткань,
марлю и т. п. Предпочтительнее огнестойкие материалы.
Один или несколько слоев ткани подклеивают к- перфорированному экрану. Перфорированный экран делают -из винипластовых
листов, оцинкованной кровельной стали, огнестойких жестких древесноволокнистых плит и.фанеры, гипсовой, сухой штукатурки. Перфорация может быть в виде круглых; отверстий и щелевая.
Для обеспечения звукопоглощения в широком диапазоне частот
применяют многослойные резонаторные звукопоглотители, состоящие из 2—3 параллельных экранов с воздушными промежутками.
Рис. 149. Резонатор-
ная звукопоглощающая конструкция:
836
Резонирующие панели используют в области низких частот (ниже 200 Гц) в виде щитов, имеющих каркас, на котором крепится
мембрана из листов фанеры, древесноволокнистых плит или плотной непродуваемой ткани. Щиты монтируют на потолке и стенах с
относом.. Воздушный промежуток заполляют волокнистым материалом, либо делают прокладки из пористого материала по периметру
щита. Щиты изготовляют плоскими, полуцилиндрическими или в
виде складчатых конструкций.
Глава 69
ЗВУКОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
§ 1. Свойства звукоизоляционных материалов
Динамический модуль упругости является основной характеристикой прокладочных звукоизоляционных материалов. Уменьшение
модуля упругости сильно снижает скорость распространения звука. Скорость распространения продольной волны составляет (м/с):
в стали — 5050, граните — 3950, железобетоне — 4100, кирпиче —
3350, дереве — 1500, пробке — 500, резине — 30. Поэтому для звукоизоляционных прокладок применяют пористые материалы, обладающие небольшим модулем упругости.
Прокладочный материал часто находится под действием сжимающих сил. Относительная сжимаемость (%) под нагрузкой е характеризует деформативные свойства:
е = у- 100,
где ДI — уменьшение первоначальной толщины I под нагрузкой.
Повышению звукоизоляционных качеств прокладочных материалов способствует увеличение внутреннего трения, которое характеризуется коэффициентом потерь или коэффициентом внутреннего
трения. Коэффициент потерь определяют резонансным методом на
виброметре.
Оптимальное сочетание всех характеристик получают при применении пористо-волокнистых, резиновых и резиноподобных материалов с губчатой структурой.
§ 2. Виды звукоизоляционных материалов
Стекловолокнистые изделия изготовляют из непрерывного стеклянного волокна, имеющего диаметр' 10—30 мкм (стеклянная вата,
стекловолокнистые маты и полосы), которые прошиваются или проклеиваются. Из штапельного стеклянного волокна длиной 20—
40 см и толщиной 8—20 мкм получают плиты на полимерных связующих.
Маты и плиты выпускают с объемной массой 30-—250 кг/м3 толщиной 10, 30, 40, 50>мм. Повышение тонкости стеклянного волокна
увеличивает звукоизоляционные свойства материалов.
337
--------------- page: 170 -----------
Минераловатные изделия изготовляют в виде мягких и полужест-
ких плит с объемной массой 50—150 кг/м3, используя связующее на
основе полимеров: феноло-формальдегидного, мочевино-формальде-
гидного, а также поливинилацетатную эмульсию.
Асбестовые изделия выпускают в виде матов из асбестового волокна с добавкой вяжущего вещества (например, цемента, жидкого
стекла). Асбестовые плиты имеют толщину от 15 до 40 мм, а асбестовые маты — до 80 мм.
Древесноволокнистые плиты для звукоизоляции применяют с
объемной массой 150—250 кг/м3.
Прокладки с губчатой структурой — это упругие материалы с
малым модулем упругости, имеющие большую сквозную пористость. Их изготовляют из пористой резины, эластичных полимеров:
полиуретановых смол (поролоны), полихлорвинила обычного
(ПХВ) и эластичного (ПХВЭ). Объемная масса губчатой резины —
100—750 кг/м3, поролонов — 30—75 кг/м3, ПХВ — 60—350 кг/м3 в
зависимости от марки.
Звукоизоляционные мягкие покрытия полов значительно улучшают изоляционные свойства перекрытий. Безосновный линолеум
лишь незначительно улучшает звукоизоляцию перекрытия от ударного шума. Более эффективны двухслойные покрытия, в особенности линолеум на слое пенополиуретана или ворсовая нейлоновая
ткань на губчатой резине.
§ 3. Применение звукоизоляционных материалов
Звукоизоляционные материалы применяют в виде слоев, полосовых и штучных прокладок.
Звукоизоляция перекрытия значительно улучшается при устройстве звукоизоляции по типу «плавающего пола».
Плавающий пол отделяется от несущей конструкции перекрытия
и стен прокладками из звукоизоляционного материала (рис. 150),
не имея с ними жестких контактов.
Рис. 150. «Плавающий пол» с цементно-песчаной прослойкой:
/ — железобетонная плита перекрытия; f — плинтус (прибивается только к стенке); покрытие пола; 4 —цементно*
песчаная прослойка толщиной 50 мм; 5 —арматурная про*
волочная сетка; 6 — гидроизоляция; 7 — упругий слой (маты
из минерального или стеклянного волокна)
*38
С помощью упругих прокладок из
звукоизоляционных материалов звук
изолируют по внутренним стенам и перегородкам. Прокладки устанавливают
в местах примыкания и сопряжения
ограждающих конструкций и перекрытий (рис. 151).
Машины, инженерное и бытовое
оборудование помещений вызывают
вибрацию строительных конструкций.
Для уменьшения шума от вибрации
необходим комплекс мероприятий. Виброизоляция фундаментов машин достигается установкой амортизаторов (в
виде пружин и упругих прокладок),
располагаемых между фундаментами и
полом. Хорошая виброизоляция получается тогда, когда частота собственных колебаний установки на амортизаторах будет по меньшей мере в 3—
4 раза меньше частоты вынужденных
колебаний.
Для изоляции трубопроводов от строительных конструкций осуществляется их подвеска к потолку или прокладка по стойкам,
которые должны опираться на несущую конструкцию через звукоизоляционные прокладки (рис. 152). В местах прохода через стены
и перекрытия трубопровод тщательно изолируется минеральной
ватой или другим подходящим изоляционным материалом, который
предотвращает образование акустических мостиков.
Рис. 152. Изоляция трубопровода:
а — крепление на кронштейнах; б — крепление к перекрытию; в — проход
через стену; / — деревянный башмак; 2—металлические пластинки
280X120X10 мм; 3 — резиновые прокладки длиной 120 мм; 4 — шлаковата
Рис. 151. Схема применения
звукоизоляционных материалов
в сопряжениях внутренних стен
и междуэтажных перекрытий:
J — полосовые ненагруженные прокладки; 2 — панель внутренней не*
сущей стены; 3 — нагруженные прокладки; 4 — панель перекрытия
--------------- page: 171 -----------
РАЗДЕЛ X»
ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА
И МАТЕРИАЛЫ ИЗ НИХ
Глава 60
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Битумы применялись в качестве строительного материала еще в
глубокой древности. За 3000 лет до нашей эры в Вавилоне и Ассирии, расположенных в междуречье Тигра и Евфрата, природный
битум использовали в качестве цементирующего и водоизолирующего материала.
Органические вяжущие вещества делят на две основные группы:
битумные и дегтевые.
К битумным материалам относятся следующие.
Природные битумы — вязкие жидкости или твердообразные вещества, состоящие из смеси углеводов и их неметаллических производных. Природные битумы получились в результате естественного
процесса окислительной полимеризации нефти. Природные битумы
встречаются в местах нефтяных месторождений, образуя линзы, а
иногда и асфальтовые озера. Однако природные битумы в чистом
виде встречаются редко, чаще они пронизывают осадочные горные
породы.
Асфальтовые породы — пористые горные породы (известняки,
доломиты, песчаники, глины, пески), пропитанные битумом. Из этих
пород извлекают битум или их размалывают и применяют в виде
асфальтового порошка.
Нефтяные (искусственные) битумы, получаемые переработкой
нефтяного сырья, в зависимости от технологии производства могут
быть: остаточные, получаемые из гудрона путем дальнейшего глубокого отбора из него масел; окисленные, получаемые окислением
гудрона в специальных аппаратах (продувка воздухом); крекинговые, получаемые переработкой остатков, образующихся при крекинге нефти.
Гудрон — остаток после отгонки из мазута масляных фракций;
он является основным сырьем для получения нефтяных битумов,
используется в виде связующего вещества в дорожном строительстве.
К дегтевым материалам относят различные виды дегтя и пеки.
Наиболее широкое применение органические вяжущие вещества
получили в гидротехническом, дорожном, промышленно-гражданском строительстве в виде кровельных, гидроизоляционных материалов, асфальтобетона, асфальтораствора, уплотняющих материалов. Органические вяжущие хорошо совмещаются с резиной и по-
340
лимерами, что позволяет значительно улучшить качество битумных
материалов в соответствии с требованиями современного строительства.
Возникла новая отрасль, производящая гидроизоляционные материалы (изол, бризол и др.) из вторичного резинового сырья.
Изготовление рулонных кровельных и гидроизоляционных материалов осуществляется на полностью механизированных поточных
линиях непрерывного действия.
Глава 61
БИТУМНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА
§ 1. Состав и отроение битумов
Битумы относятся к наиболее распространенным органическим
вяжущим веществам.
Элементарный состав битумов колеблется в пределах: углерода
70—80%, водорода 10—15%, серы 2—9%, кислорода 1—5%, азота
0—2%. Эти элементы находятся в битуме в виде углеводородов и
их соединений с серой, кислородом и азотом. Химический состав
битумов весьма сложен. Так, в них могут находиться предельные
углеводороды, от С9Н2о до СзоНвг. Все многообразные соединения,
образующие битум, можно свести в три группы: твердая часть, смолы и масла.
Твердая часть битума — это высокомолекулярные углеводороды
и их производные с молекулярной массой 1000—5000, плотностью
более 1, объединенные общим названием «асфальтены». В асфаль-
тенах содержатся карбены, растворимые только в ССЦ, и карбоиды,
не растворимые в маслах и летучих растворителях. В состав битумов могут входить также твердые углеводороды — парафины.
Смолы представляют собой аморфные вещества темно-коричневого цвета с молекулярной массой 500—1000, плотностью около 1.
Масляные фракции битумов состоят из различных углеводородов
с молекулярной массой 100—500, плотностью менее 1.
По своему строению битум представляет коллоидную систему, в
которой диспергированы асфальтены, а дисперсионной средой являются смолы и масла. Асфальтены битума, диспергированные в виде
частиц размером 18—20 мкм, являются ядрами, каждое из них
окружено оболочкой убывающей плотности — от тяжелых смол к
маслам.
Свойства битума, как дисперсной системы, определяются соотношением входящих в него составных частей: масел, смол и асфаль-
тенов. Повышение содержания асфальтенов и смол влечет за собой
возрастание твердости, температуры размягчения и хрупкости битума. Наоборот, масла, частично растворяющие смолы, делают битум
мягким и легкоплавким. Снижение молекулярной массы масел и
смол также повышает пластичность битума.
341
--------------- page: 172 -----------
Парафин, содержащийся в нефтяных битумах, ухудшает их свойства, повышает хрупкость при пониженных температурах. Поэтому
стремятся к тому, чтобы содержание парафина в битуме не превышало 5%.
Состав определил практические способы перевода твердых битумов в рабочее состояние: 1) нагревание до 140—170°С, размягчающее смолы и увеличивающее их растворимость в маслах; 2) растворение битума в органическом растворителе (зеленое нефтяное
масло, лакойль и др.) для придания рабочей консистенции без нагрева (холодные мастики и т. п.); 3) эмульгирование и получение
битумных эмульсий и паст.
§ 2. Свойства битумов
Физические свойства органических и неорганических вяжущих
веществ и материалов, изготовляемых на их основе, различны. Для
органических веществ в отличие от минеральных характерны гидро-
фобность, атмосферостойкость, растворимость в органических растворителях, повышенная деформативность, способность размягчаться при нагревании вплоть до полного расплавления. Эти свойства
обусловили применение органических вяжущих для производства
кровельных, гидроизоляционных и антикоррозионных материалов,
а также их широкое распространение в гидротехническом и дорожном строительстве.
Плотность битумов в зависимости от группового состава колеблется в пределах от 0,8 до 1,3 г/см3. Теплопроводность характерна
для аморфных веществ и составляет 0,5—0,6 Вт/(м*°С); теплоемкость — 1,8—1,97 кДж/кг-°С. Коэффициент объемного теплового
расширения при 25°С находится в пределах от 5-10-4 до 8- 10~4°С-1,
причем более вязкие битумы имеют больший коэффициент расширения; при пониженных температурах — около 2>10-4°С-1. Устойчивость при нагревании характеризуется: 1) потерей массы при нагревании пробы битума при 160°С в течение 5 ч (не более 1%) и
2)
Водостойкость характеризуется содержанием водорастворимых
соединений (в битуме не более 0,2—0,3% по массе). Электроизоляционные свойства используют при устройстве изоляции электрокабелей.
Физико-химические свойства. Поверхностное натяжение битумов
при температуре 20—25°С составляет 25—35 эрг/см2. От содержания
поверхностно-активных полярных компонентов в органическом вя-
жущем зависит смачивающая способность вяжущего и его сцепление с каменными материалами (порошкообразными наполнителями, мелким и крупным заполнителем). Прочные хемосорбционные
связи битум образует с наполнителем из известняка, доломита с
большим количеством адсорбционных центров в виде катионов
Са2+ и Mg2+.
Старение — процесс медленного изменения состава и свойств
битума, сопровождающийся повышением хрупкости и снижением
342
гидрофобности. Ускоряется под действием солнечного света и кислорода воздуха вследствие возрастания количества твердых хрупких составляющих за счет уменьшения содержания смолистых веществ и масел.
Реологические свойства битума зависят от группового состава
и строения. Жидкие битумы, имеющие структуру типа золь, ведут
себя как жидкости, течение которых подчиняется закону Ньютона.
Твердые битумы, имеющие структуру типа гель, относятся к вязко-
упругим материалам, так как при приложении к ним нагрузки одновременно возникает упругая (обратимая) и пластическая (необратимая) составляющие деформации. Для описания процесса деформирования вязко-упругих тел используют реологическую модель
Максвелла и др. (см. разд. 1).
Химические свойства. Наиболее важным свойством является химическая стойкость битумов и битумных материалов к действию
агрессивных веществ, вызывающих коррозию цементных бетонов,
металлов и других строительных материалов. По данным Н. А. Мо-
щанского, битумные материалы хорошо сопротивляются действию
щелочей (с концентрацией до 45%), фосфорной кислоты (до 85%),
а также серной (с концентрацией до 50%), соляной (до 25%) и
уксусной (до 10%) кислот. Менее стойки битумы в атмосфере, содержащей окислы азота, а также при действии концентрированных
растворов кислот (особенно окисляющих). Битум растворяется в
органических растворителях. Благодаря своей химической стойкости
и экономичности битумные материалы широко применяют для химической защиты железобетонных конструкций, стальных труб и др.
Физико-механические свойства. Марку битума определяют твердостью, температурой размягчения и растяжимостью.
, Твердость находят по глубине проникания в битум иглы (в десятых долях миллиметра).
Температуру размягчения определяют на приборе «кольцо и
шар», помещаемом в сосуд с водой; она соответствует той температуре нагреваемой воды, при которой металлический шарик под
действием собственной массы проходит через кольцо, заполненное
испытуемым битумом.
Растяжимость характеризуется абсолютным удлинением (см)
образца битума («восьмерки») при температуре 25°С, определяемым на приборе — дуктилометре.
Марку битума выбирают в зависимости от назначения. По назначению различают битумы строительные, кровельные и дорожные. Основные требования, предъявляемые к строительным и кровельным битумам, приведены в табл. 45.
Строительные битумы применяют для изготовления асфальтовых бетонов и растворов, приклеивающих и изоляционных мастик,
покрытия и восстановления рулонных кровель.
Кровельные битумы используют для изготовления кровельных
рулонных и гидроизоляционных материалов. Легкоплавким битумом марки БНК 45/180 пропитывают основу (кровельный картон);
а тугоплавкие битумы служат для покровного слоя.
343
--------------- page: 173 -----------
Таблица 45
Физико-механические свойства нефтяных битумов
Марка битума
Температура размягчения, не ннже, °С
Глубина проникания
иглы при 25°С,10-‘мм,
Растяжимость при 25°С,
не менее, см
Строительные битумы (по ГОСТ 6617—
-76)
БН 50/50
50
41—60 '
40
БН 70/30
70
21—40
3
БН 90/10
90
5—20
1
Кровельные битумы (по ГОСТ 9548—74)
БНК. 45/180
40—45
140—220
Не нормируется
БНК 90/40
85—95
35—45
»
БНК 90/30
85—95
25—35
л
Глава 62
ДЕГТЕВЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА
§ 1. Состав дегтей и лека
Деготь представляет собой густую вязкую массу черно-коричневого цвета, образующуюся при нагревании без доступа воздуха
твердых видов топлива (каменного и бурого углей, горючего сланца, торфа, древесины). В строительстве применяют главным образом каменноугольные дегти, получаемые в коксохимическом производстве. При переработке 1 т угля получают 700—750 кг кокса,
300—350 м3 коксового газа, 12—15 л бензола, до 3 кг аммиака и
30—40 кг сырой каменноугольной смолы (сырого дегтя).
Дегтевые вяжущие вещества подразделяются на следующие
виды:
1)
вичный, получаемый при полукоксовании, заканчивающемся при
500—600°С; представляет собой вязкую темно-бурую жидкость
плотностью 0,85—1 г/см3, состоящую из насыщенных и ненасыщент
ных углеводородов и фенола: часто служит для получения отогнан-
його дегтя; б) высокотемпературный деготь, получаемый при коксовании (которое заканчивается при 1000-^1300°С) в виде черной
вязкой жидкости, либо вязкотвердого продукта плотностью 1,12—
1,23 г/см3 и температурой размягчения до 40—70°С; ■
2)
результате фракционирования сырой низкотемпературной смолы с
344
выделением из нее лигроиновой и керосиновой фракций (до 30% от
массы смолы); по своей вязкости и свойствам близок к высокотемпературному. дегтю;
3)
сырой каменноугольной смолы с выделением из нее: легких масел
(кипящих до 180°С), фенольной фракции (180—210°С), нафталиновой фракции (210—230®С), антраценового масла (до 360°С); пек —
аморфная хрупкая масса черного цвета с характерным раковистым
изломом плотностью 1,25—1,28 г/см3; состоит из высокомолекулярных углеводородов и их производных, а также свободного углерода
(от 8 до 30%);
4)
выми маслами (антраценовым или др.) или обезвоженными сырыми дегтями; широко применяются в строительстве, так как, изменяя
соотношение между пеком и растворителем (антраценовым маслом), можно получать составленные дегти требуемой вязкости и
.температуры размягчения.
В состав дегтевых вяжущих веществ входят в основном углеводороды ароматического ряда — производные бензола и их соединения с кислородом, азотом и серой.
Состав каменноугольного дегтя характеризуется содержанием
следующих групп веществ: 1) твердые (углистые и неплавкие вещества), нерастворимые в органических растворителях, называемые свободным углеродом; 2) дегтевые смолы твердые неплавкие
(подобные асфальтенам в битуме) и вязко-пластичные плавкие
смолы, растворимые в бензоле и хлороформе; 3) жидкие дегтевые
масла, состоящие в основном из жидких углеводородов.
Следовательно, дегтевые вяжущие представляют собой сложные
дисперсные системы, свойства которых будут определяться соотношением между твердой составляющей, смолами и маслами.
§ 2. Свойства дегтей
Средняя плотность каменноугольных дегтей— 1,25 г/см3.
Вязкость дегтей повышается с увеличением количества свободного углерода и твердых смол за счет уменьшения масляной части
дегтя.
Температура размягчения дегтей высоких марок обычно ниже,
чем тугоплавких битумов.
Атмосферостойкость дегтевых материалов (толя, толь-кожи
и др.) ниже по сравнению с битумными материалами (рубероидом,
пергамином и др.). Это объясняется тем, что дегти стареют быстрее, чем нефтяные битумы. В дегтях. содержится большое количество непредельных углеводородов, которые подвергаются окислительной полимеризации при контакте с кислородом и водой, воздействии ультрафиолетовых лучей солнечного света. Испарение масел и частичное вымывание водой фенолов ускоряет старение,—
дегтевые материалы становятся хрупкими и теряют водоотталкивающие свойства.
345
--------------- page: 174 -----------
Биостойкость материалов на основе дегтевых вяжущих выше по
сравнению с битумными материалами. Стойкость против гниения
объясняется высокой токсичностью содержащегося в дегтях фенола
(карболовой кислоты).
Глава 63
МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ БИТУМОВ И ДЕГТЕЙ
§ 1. Кровельные и гидроизоляционные материалы
Рулонные материалы. Кровлю из рулонных материалов делают
из нескольких слоев, составляющих кровельный ковер. В низ ковра
укладывают подкладочные материалы (беспокровные), а верхний
слой устраивают из покровных материалов, имеющих покровный
слой из тугоплавкого битума (дегтя) и посыпку: крупнозернистую
(К), мелкозернистую (М) или пылевидную (П). Допускается выпуск кровельного рубероида с чешуйчатой посыпкой (РКЧ).
Выпускают основные и безосновные рулонные материалы. Основные материалы изготовляют путем обработки основы (кровельного картона, асбестовой бумаги, стеклоткани и др.) битумами,
дегтями и их смесями. Безосновные получают в виде полотнищ определенной толщины, применяя прокатку смесей, составленных из
органического вяжущего (чаще битума), наполнителя (минерального порошка или измельченной резины) и добавок (антисептика,
пластификатора).
Рубероид изготовляют, пропитывая кровельный картон легкоплавким битумом с последующим покрытием с одной или с обеих
сторон тугоплавким нефтяным битумом с наполнителем и посыпкой. Кровельный картон получают из тряпья, бумажной макулатуры и древесной целлюлозы. Крупнозернистая цветная посыпка не
только повышает атмосферостойкость рубероида, но и придает ему
привлекательный вид. В зависимости от назначения (кровельный —
К, подкладочный — П), вида посыпки и массы 1 м2 основы (кровельного картона) рубероид делят на марки РКК-500А, РКК-400А,
РКК-400Б, РКК-400В, РКМ-350Б, РКМ-400В, РПМ-300А,
РПМ-ЗООБ, РПМ-300В, РПП-350Б, РПП-350В, РПП-300А,
РПП-ЗООБ, РПП-300В. На нижнюю поверхность кровельного рубероида, образующего верхний слой кровельного ковра,
и на обе стороны подкладочного рубероида наносят мелкозернистую или пылевидную посыпку, предотвращающую слипание материала в рулонах. Рубероид подвержен гниению — в этом его большой недостаток, поэтому освоено производство антисептированного
рубероида.
Для районов с холодным климатом выпускают рубероид
РЭМ-350 с эластичным покровным слоем битума, модифицированным полимерами. Добавка полимера снижает температуру хрупкости покровного битума до —50°С. Долговечность кровли увеличива-
346
ется в 1,5—2 раза, рубероид с эластичным покровным слоем обладает повышенной погодоустойчивостью.
Наплавляемый рубероид является новым кровельным материалом. Его главное преимущество в том, что при устройстве кровли
наклейка осуществляется без применения кровельной мастики —
расплавлением утолщенного нижнего покрывного слоя (пламенем
горелки или другим способом). В результате производительность
труда повышается на 50%, удешевляются кровельные работы,
улучшаются условия труда.
Пергамин — рулонный беспокровный материал, получаемый
пропиткой кровельного картона расплавленным нефтяным битумом
с температурой размягчения не ниже 40°С. Служит подкладочным
материалом под рубероид и используется для пароизоляции.
Стеклорубероид и стекловойлок — рулонные материалы, получаемые путем двустороннего нанесения битумного (битуморезинового или битумополимерного) вяжущего на стекловолокнистый
холст или на стекловойлок и покрытия с одной или двух сторон
сплошным слоем посыпки.
В зависимости от вида посыпки и назначения стеклорубероид
выпускают следующих марок: С-РК (с крупнозернистой посыпкой), С-РЧ (с чешуйчатой посыпкой) и С-РМ (с пылевидной и
мелкозернистой посыпкой). Применяют стеклорубероид для верхнего и нижних слоев кровельного ковра и для оклеечной гидроизоляции. Сочетание биостойкой основы и пропитки с повышенными
физико-механическими свойствами позволило получить стеклорубероид долговечностью около 30 лет.
Асфальтовые армированные маты получают путем покрытия
предварительно пропитанной стеклоткани с обеих сторон гидроизоляционной битумной мастикой. Используют для оклеечной гидроизоляции и уплотнения деформационных швов.
Толь — рулонный материал, изготовляемый пропиткой и покрытием кровельного картона дегтями с посыпкой песком или минеральной крошкой. Толь с крупнозернистой посыпкой применяют
для верхнего слоя плоских кровель, а толь с песочной посыпкой —
для кровель временных сооружений, гидроизоляции фундаментов
и других частей сооружений.
Толь-кожу и толь гидроизоляционный выпускают без покровного слоя и посыпки. Применяют в качестве подкладочного материала под толь при устройстве многослойных кровель, а также для
паро- и гидроизоляции.
Дегтебитумные материалы получают пропиткой картона дегтем
(предотвращающим гниение картона) и покрытием с двух сторон
битумом и посыпкой. Их используют для устройства многослойных
плоских кровель.
Гидроизол — рулонный беспокровный гидроизоляционный материал, полученный путем пропитки асбестового картона нефтяным
битумом. Он предназначается для устройства гидроизоляционного
слоя в подземных и гидротехнических сооружениях, а также для
защитного противокоррозионного покрытия. Гидроизол выпускают
347
--------------- page: 175 -----------
• Таблица 46
Фнзико-механические свойства гидроиэола
Свойства
ГИ-К
Водонепроницаемость под давлением столба воды
5 см при выдерживании не менее, суток
Водопоглощение за 24 ч, не более, % по массе
Разрывной груз при растяжении полоски шириной
50 мм, не менее, Н
30
20
6
10
350
300
двух марок ГИ-Г и ГИ-К со следующими характеристиками свойств
(табл. 46).
Фольгоизол — рулонный двухслойный материал, состоящий из
тонкой рифленой или гладкой алюминиевой фольги, покрытой с
нижней стороны защитным битумно-резиновым составом. Он предназначен для устройства кровель и парогидроизоляции зданий и
сооружений, герметизации стыков. Рулон имеет длину 10 м, ширину 1 м. Внешняя поверхность фольгоизола может быть окрашена в
различные цвета атмосферостойкими лаками. Фольгоизол—долговечный материал, не требующий ухода в течение всего периода его
эксплуатации.
Металлоизол — гидроизоляционный материал из алюминиевой
фольги, покрытой с обеих сторон битумной мастикой. Металлоизол
выпускают двух марок, отличающихся толщиной алюминиевой
фольги. Он имеет высокую прочность на разрыв и долговечность.
Применяют металлоизол для гидроизоляции подземных и гидротехнических сооружений.
Изол и бризол не имеют специальной основы, ее роль выполняют волокна асбеста, вводимые в битумно-резиновое вяжущее.
Бризол изготовляют, прокатывая массу, полученную смешиванием нефтяного битума, дробленой резины (от изношенных автопокрышек), асбестового волокна и пластификатора. Бризол стоек к
серной кислоте при концентрации до 40% и в соляной кислоте при
концентрации до 20% и температуре до 60°С. Его применяют для
защиты от коррозии подземных металлических конструкций и трубопроводов. Приклеивают к поверхности битумно-резиновой мастикой.
Изол — безосновный рулонный гидроизоляционный и кровельный материал, изготовляемый прокаткой резинобитумной композиции, полученной термомеханической обработкой девулканизиро*
ванной резины, нефтяного битума, минерального наполнителя, антисептика и пластификатора. Изол долговечнее рубероида более
чем в 2 раза, эластичен, биостоек, незначительно поглощает влагу.
Его выпускают в рулонах шириной 800 и 1000 мм, толщиной 2 мм,
общей площадью полотна 10—15 м2. Изол применяют для гидроизоляции гидротехнических сооружений, бассейнов, резервуаров;
348
подвалов, антикоррозионной защиты трубопроводов, для покрытия
двух- и трехслойных пологих и плоских кровель. Приклеивают изол
холодной или горячей мастикой под тем же названием.
Кровельные и гидроизоляционные материалы должны отвечать
установленным требованиям по водонепроницаемости, водопогло-
щению, теплостойкости и механической прочности. Водонепроницаемость испытывают при гидростатическом давлении, установленном для каждого материала. Например, при испытании стеклорубе-
ройда под гидростатическим давлением 0,07 МПа в течение 10 мин
на поверхности образцов не должно появляться признаков проникания воды. Водопоглощение должно быть минимальным — для
стеклорубероида — не более 0,5%. Теплостойкость характеризуется
температурой, которая не вызывает сползания посыпки и появления вздутий и других дефектов покровного слоя. Теплостойкость
битумных материалов (рубероида, стеклорубероида) — не менее
80°С, толя — 45°С, дегтебитумных материалов — не ниже 70°С. Механическая прочность характеризуется разрывным грузом при растяжении полоски материала шириной 50 мм. Для рубероида этот
показатель не менее 320—340 Н, стеклорубероида — не ниже
300 Н.
Листовые материалы и штучные изделия. Листы битумные фасонные, предназначенные для лицевых покрытий кровли, выпускают марок ЛБ-500 и ЛБ-600 с температурой размягчения пропиточной массы не ниже 60°С.
Армированные плиты изготовляют прессованием горячей мастики или горячей асфальтовой смеси, применяя армирование стеклотканью или металлической сеткой.
Н еармированные плиты изготовляют из тех же смесей, но без
армирования. Плиты применяют для устройства гидроизоляции и
заполнения деформационных швов.
§ 2. Мастики
Мастика представляет собой смесь нефтяного битума или дегтя
(отогнанного и составленного) с минеральным наполнителем. Для
получения мастик применяют: а) пылевидные наполнители (измельченный известняк, доломит, мел, цемент, золы твердых видов
топлива); б) волокнистые наполнители (асбест, минеральную вату
и Др.).
Наполнители адсорбируют на своей поверхности масла, при
этом повышается теплостойкость и твердость мастики. Кроме того, уменьшается расход битума или дегтя; волокнистые наполнители, армируя материал, увеличивают его сопротивление изгибу.
Мастики подразделяют; а) по виду связующего — на битумные,
битумно-резиновые, битумно-полимерные;
б)
рительным подогревом до 160°С — для битумных мастик и до
130°С — для дегтевых мастик, и холодные, содержащие растворитель, используемые без подогрева при температуре воздуха не ни-
349
--------------- page: 176 -----------
же 5°С и с подогревом до 60—70°С при температурах воздуха ниже 5°С;
в)
ные, гидроизоляционные асфальтовые и антикоррозионные.
Приклеивающие мастики применяют для склеивания рулонных
материалов при устройстве многослойных кровельных покрытий и
оклеечноЙ гидроизоляции. Битумные кровельные материалы (рубероид, пергамин) приклеивают битумной мастикой, а дегтевые
(толь, толь-кожа) — дегтевой.
Марку приклеивающей мастики устанавливают по показателю
теплостойкости. Теплостойкость мастики характеризуется предельной температурой, при которой слой мастики толщиной 2 мм, склеивающий два образца пергамина, не вытекает из шва при выдерживании образца в течение 5 ч на уклоне кровли в 45°.
Марки приклеивающих горячих мастик приведены в табл. 47.
Таблица 4
Приклеивающие мастики
Вид мастики
Компоненты
Марка
Теплостойкость, “С
Гибкость *
— диаметр
стержня,
мм
Битумные
Нефтяной битум, наМБК-Г-65
65
15
полнитель, антисептик
МБК-Г-75
75
20
МБ К-Г-85
85
30
МБК-Г-90
90
35
Дегтевые
Каменноугольные дег-
МДК-Г-50
50
25
ти, наполнитель
МДК-Г-60
60
30
МДК-Г-70
70
40
* При изгибе мастикн, нанесенной на образец беспокровного рулонного материала слоем
толщиной 1 мм, не должно появляться трещин (температура испытания 18±2°С).
Выбор марки мастики производят в зависимости от максимальной температуры воздуха и уклона кровли.
Гидроизоляционные асфальтовые мастики применяют для устройства литой и штукатурной гидроизоляции и в качестве вяжущего для изготовления плит и других штучных изделий.
Горячие битумно-минеральные мастики изготовляют из битума
с количеством минерального наполнителя 30—64% в зависимости
от назначения и предъявляемых требований. Их применяют для
заливочной гидроизоляции швов гидротехнических сооружений
(рис. 153).
Холодные асфальтовые мастики (хамаст) получают,' смешивая
битумно-известковую пасту с минеральным наполнителем без нагрева компонентов. Их 1уэименяют для штукатурной гидроизоляции
(рис. 154) и заполнения деформационных швов.
350
Рис. 153. Уплотнение деформационных
швов плотины:
а — поперечныП разрез; 6 — горизонтальны!!
разрез; 1 — наружное контурное уплотнение;
2
ив), выполненное нз горячей битумной мастики или асфальтового раствора; 3 — смотровой
колодец
Рис. 154. Гидроизоляция холодной асфальтовой мастиной подземной части
здания при отрывающем напоре
(по С. П. Попченко):
I — слой гидроизоляции 10—15 мм; 2—цементная стяжка; 3 — красочное покрытие
Гидрофобный газоасфальт изготовляют на основе битумно-известковой пасты с добавкой 10—50% портландцемента и алюминиевой пудры в качестве газообразователя. Используют в конструкциях комплексных кровельных панелей и теплогидроизоляции трубопроводов.
Антикоррозионные битумные мастики служат для защиты
строительных конструкций и трубопроводов от агрессивных воздействий. Они представляют смесь расплавленных тугоплавких битумов с наполнителем. Применяют для защиты от действия разбавленных растворов кислот и щелочей, окислов азота, сернистого газа, аммиака и паров кислот при температуре до 60°С.
Битумно-резиновые мастики для изоляции подземных стальных
трубопроводов представляют сплав из битума, порошка резины и
351
--------------- page: 177 -----------
некоторых добавок. Их применяют как в горячем, так и в холодном
состоянии — с растворителем.
Битумно-полимерные мастики содержат добавку каучука йли
синтетической смолы, придающей эластичность на морозе и теплостойкость.
§ 3. Эмульсии и паоты
Битумные и дегтевые эмульсии представляют собой дисперсные
системы, в которых вода является средой и в ней битум или деготь
диспергированы в виде частиц размером около 1 мкм. Устойчивость
эмульсии обеспечивается путем введения в нее эмульгаторов — поверхностно-активных веществ, уменьшающих поверхностное натяжение на поверхности раздела битум (деготь) — вода; Эмульгаторами служат мыла (нафтеновых, сульфонафтеновых, смоляных органических кислот), сульфитно-дрожжевая бражка. К твердым
эмульгаторам относятся тонкие порошки глин, извести, цемента,
каменного угля, сажи. Твердые эмульгаторы, как и водороствори-
мые, адсорбируются на поверхности частиц (глобул) битума или
дегтя, образуя защитный слой, препятствующий слипанию частиц,
диспергированных в воде. Эмульсии приготовляют в специальных
машинах диспергаторах, гомогенизаторах, установках с использованием ультразвуковых колебаний. Приготовление эмульсии включает: разогрев битума (дегтя) до 50—120°С, приготовление эмульгатора, диспергирование вяжущего в воде с добавлением водного
раствора эмульгатора. Содержание битума (дегтя) в обычных
эмульсиях — 50—60%, в пастах 60—70%. Количество водорастворимых эмульгаторов в эмульсии обычно не превышает 3%, твердых
эмульгаторов 5—15% в зависимости от вида эмульгатора и дисперсности битумной (дегтевой) фазы.
Пасты, являющиеся высококонцентрированными эмульсиями и
эмульсиями с твердыми эмульгаторами, разбавляют водой до получения нужной вязкости. Эмульсии применяют для грунтовки основания под гидроизоляцию, приклеивания рулонных и штучных
битумных и дегтевых материалов, для устройства гидро- и пароизоляционного покрытий и в качестве вяжущего вещества при изготовлении асфальтовых (дегтевых) растворов и бетонов. При взаимодействии эмульсии с каменным материалом (щебнем и песком)
происходит ее распад вследствие адсорбции эмульгатора, поглоще-_
ния и испарения воды; при этом битум (деготь) обволакивает и
связывает между собой зерна заполнителя.
§ 4. Лакокрасочные покрытия
Битумно-смоляные лаки представляют растворы битумов и органических масел в органических растворителях. При добавлении
алюминиевой пудры получают теплостойкую краску, идущую для
окраски санитарно-технического оборудования.
352
§ 5. Асфальтовые бетоны и растворы
Для приготовления асфальтовых растворов и бетонов применяют асфальтовое вяжущее,, представляющее смесь нефтяного битума
с тонкомолотыми минеральными порошками (известняка, доломита, мела, асбеста, шлака). Минеральный наполнитель не только
уменьшает расход битума, но и повышает температуру размягчения
бетона.
Прочность асфальтового вяжущего обусловлена соотношением
компонентов Б/Н и пористостью после уплотнения и отвердевания.
При оптимальном соотношении Б/Н весь битум адсорбирован в виде тонких непрерывных пленок на поверхности частиц тонкомолотого наполнителя, поэтому асфальтовое вяжущее имеет наибольшую
прочность. 1
Мелким заполнителем в растворе и бетоне служат чистые природные и искусственные пески с содержанием пылевато-глинистых
частиц не более 3% по массе.
Щебень изготовляют из прочных и морозостойких изверженных,
осадочных и метаморфических горных пород, а также из металлургических шлаков. Из осадочных предпочитают карбонатные
породы (известняки, доломиты), хорошо сцепляющиеся с битумом.
Щебень должен выдерживать без разрушения не менее 50 циклов
попеременного замораживания и оттаивания.
Асфальтовые бетоны подразделяют по назначению на гидротехнические, дорожные и аэродромные, для устройства полов в промышленных цехах и складских помещениях, плоской кровли, стяжек. Гидротехнические асфальтовые бетоны используют для устройства экранов и в уплотняющих конструкциях швов сооружений,
в качестве гидроизоляционных слоев при строительстве каналов,
шлюзов, ирригационных сооружений. Специальные виды плотного,
бетона, изготовленные на химически стойких заполнителях применяют для создания кислото- и щелочестойких покрытий. Имеются
декоративные асфальтовые бетоны (цветные и офактуренные), из
которых выполняются разделительные полосы на дорогах, переходы, полы вестибюлей гражданских зданий.
Основные свойства асфальтового ‘бетона зависят от примененного асфальтового вяжущего, состава и пористости*.
Пористость асфальтового бетона обычно колеблется от 5 до 7%.
Плотные бетоны (с пористостью не более 5%) практически водонепроницаемы. Пористость ухудшает долговечность асфальтового бетона в связи с возрастанием водопоглощения, снижением морозостойкости и увеличением химической коррозии. Наиболее агрессивными слоями по отношению к битуму, которые могут содержаться
в воде, являются сульфаты натрия и магния.
Биохимическая стойкость характеризует сопротивление «органическому выветриванию» под влиянием бактерий, вызывающих
разложение сложных органических веществ, составляющих битум.
*
И. А. Рыбьевым на основе теории искусственных строительных конгломератов.
12—664
353
--------------- page: 178 -----------
Для повышения биостойкости в состав битумного вяжущего вводят
антисептики.
Состав асфальтового раствора должен быть такой, чтобы пустоты в песке были полностью заполнены асфальтовым вяжущим с избытком (10—15%) для обволакивания песчинок.
Асфальтовый бетон можно представить как смесь асфальтового
раствора и крупного заполнителя — щебня. Количество асфальтового раствора берут с расчетом заполнения пустот в щебне и небольшого избытка (10—15%) для получения плотного бетона. Примерные составы асфальтовых растворов и бетонов см. в табл. 48.
Таблица 48
Примерные составы асфальтовых растворов и бетонов
Наименование
Состав, % по массе
Битум
Пек
Камен-
но-
уголь-
ная
смола
Напол*
нктель
Песок
Щебень
Асбест
Асфальтовый раствор
18
20
55
7
Пекосмоляной раствор
—
15
4
И
62
8
Асфальтобетон
7
—
—
3
30
60
Пекобетон
—
8—12
2—3
5—10
40—35
45—40
—
В отличие от цементного бетона на показатели прочности асфальтового бетона сильно влияет температура. Например, если
предел прочности при сжатии асфальтобетона при 20°С—2,2—
2,4 МПа, то при 50°С — только 0,8—1,2 МПа. Зато асфальтовые бетоны и растворы лучше, чем цементные, противостоят коррозии.
Асфальтовые бетоны укладывают в горячем или холодном состоянии. Наиболее распространены горячие асфальтобетонные смеси, имеющие при укладке температуру 140—170°С. Для их приготовления предварительно высушенные и подогретые до 180—200°С
минеральные составляющие бетона (тонкомолотый наполнитель,
песок и щебень) загружают в смеситель, в котором их перемешивают с расплавленным битумом (температурой 150—170°С). Готовые
горячие смеси привозят на специальных машинах и после укладки
уплотняют катками. После остывания, через 1—2 ч, асфальтобетон
отвердевает, приобретая плотность и прочность.
Асфальтовые бетоны, укладываемые в холодном состоянии, приготовляют на жидких битумах и битумной эмульсии. Жидкий битум
подогревают до 110—120°С и смешивают с высушенными и подогретыми до той же температуры заполнителями. Асфальтобетонную
смесь охлаждают до 60°С, развозят на места и укладывают при
температуре окружающей среды не ниже 5°С. Бетон готовят и на
битумной эмульсии, смешивая вяжущие и заполнители без подогрева. В дегтебетон в качестве вяжущего вещества входит деготь (или
пек). Водостойкость, износ и долговечность дегтебетона ниже, чем
асфальтового бетона.
РАЗДЕЛ XIII
МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ ПЛАСТИЧЕСКИХ МАСС
Глава 64
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Пластическими массами называют материалы, содержащие в
качестве важнейшей составной части высокомолекулярные соединения — полимеры и обладающие пластичностью на определенном
этапе производства, которая полностью или частично теряется после отверждения полимера.
Молекулы высокомолекулярных соединений состоят из нескольких тысяч или даже сотен тысяч атомов. Чаще всего макромолекулы таких соединений построены путем многократного повторения
определенных структурных единиц. Степенью полимеризации называют число структурных единиц, содержащихся в одной макромолекуле.
Высокомолекулярные соединения встречаются в природе. К ним
принадлежит ряд природных веществ: природный каучук, целлюлоза, шелк, Шерсть, янтарь и др. Однако для строительных материалов широко применяют искусственные полимеры, полученные путем
синтеза из низкомолекулярных веществ. Некоторые строительные
материалы (например, нитролаки) изготовляют в результате модифицирования природных высокомолекулярных соединений.
Пластмассы получают обычно из связующего вещества и наполнителя, вводя в состав исходной массы те или иные специальные
добавки — пластификаторы, отвердители, стабилизаторы и красители.
Связующим веществом в пластмассах служат различные полимеры — синтетические смолы и каучуки, производные целлюлозы.
Выбор связующего вещества в значительной мере определяет технические свойства изделий из пластмасс: их теплостойкость, способность сопротивляться воздействию растворов кислот, щелочей
и других агрессивных веществ, а также характеристики прочности
и деформативности. Связующее вещество — это обычно самый дорогой компонент пластмассы.
Для производства полимеров имеются огромные запасы сырья.
Исходными материалами для их получения являются природный
газ и так называемый «попутный» газ, сопровождающий выходы
нефти. В газообразных продуктах переработки нефти содержится
этилен, пропилен и другие газы, перерабатываемые на предприятиях в полимеры.
Сырьем для полимеров служит также каменноугольный деготь,
получаемый при коксовании угля и содержащий фенол и другие
компоненты.
12*
--------------- page: 179 -----------
В производстве синтетических материалов применяют также
азот и кислород, получаемые из воздуха, воду и ряд других широко
распространенных веществ.
Наполнители представляют собой разнообразные неорганические и органические порошки и волокна. В виде наполнителей слоистых пластмасс широко применяют также бумагу, ткани, древесный шпон и другие листовые материалы. Наполнители значительно
уменьшают потребность в дорогом полимере и тем самым намного
удешевляют изделия из пластмасс. Кроме того, наполнители улучшают ряд свойств изделий — повышают теплостойкость и твердость, а волокна ткани и листовые материалы сильно повышают
сопротивление растяжению и изгибу, действуя подобно арматуре в
железобетоне.
Пластификаторы — это вещества, добавляемые к полимеру для -
повышения его высокоэластичности и уменьшения хрупкости. В виде пластификаторов могут использоваться некоторые низкомолекулярные высококипящие жидкости. Молекулы жидкости, проникая
между звеньями цепей полимера, увеличивают расстояние и ослабляют связи между ними. Это и приводит к уменьшению вязкости
полимера.
При изготовлении пластмасс в их состав вводят и другие добавки. Вещества, являющиеся инициаторами реакции полимеризации,
ускоряют процесс отверждения пластмасс и их поэтому называют
отвердителями. Добавки — стабилизаторы способствуют сохранению структуры и свойств пластмасс во времени, предотвращая их
раннее старение при воздействии солнечного света, кислорода воздуха, нагрева и других неблагоприятных влияний,
Глава 65
СВЯЗУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА И НАПОЛНИТЕЛИ
§ 1. Полимеры
Классификация и строение полимеров. В основу классификации
положены состав, методы получения и внутреннее строение полимеров.
По составу основной цепи макромолекул полимеры делят на три
группы:
1)
жат лишь атомы углерода (полиэтилен, полиизобутилен и т, п.):
I I I I
—С—С—С—С—
fill
2)
рых входят кроме атомов углерода атомы кислорода, серы, азота, |
356
фосфора (эпоксидные, полиуретановые, полиэфирные полимеры ,
и т. п.):
I I
—С—0-С—о—
3)
цепях которых содержатся атомы кремния, алюминия, титана и некоторых других элементов, не входящих в состав органических соединений; типичны кремнийорганические соединения:
R R R
I I I
—si—О—si—о—si-
ii d d
Синтетические полимеры делят в зависимости от метода получения на полимеризационные и поликонденсационные.
Полимеризационные полимеры (полиэтилен, полиизобутилен,
полистирол, полиметилметакрилат и т. п.) получают преимущественно методами полимеризации. Полимеризации могут подвергаться только такие мономеры, в молекулах которых содержатся кратные связи (или циклические группировки). За счет этих связей
(или за счет раскрытия цикла) у молекул исходного вещества образуются свободные валентности, которыми они соединяются между собой в макромолекулы. Поскольку в процессе полимеризации
не отщепляются атомы и атомные группы, химический состав полимера и мономера одинаков.
Процесс полимеризации проходит с помощью инициаторов, катализаторов, воздействия ядерных излучений, нагрева. В качестве
возбудителей реакции полимеризации (инициаторов) применяют
некоторые перекиси (перекись бензоила; перекись водорода, персульфаты и т. п.) или катализаторы типа BF3, А1С1з и др.
Полимеризация присоединения (или цепная полимеризация) состоит из трех стадий: инициирования, роста цепи и обрыва цепи.
Поликонденсационные полимеры (фенолоальдегидные, мочевиноальдегидные, эпоксидные, полиэфирные, полиамидные и т. п.)
получают методами поликонденсации. При поликонденсации макромолекулы образуются в результате химического взаимодействия
между функциональными группами, находящимися в молекулах
исходных веществ; это взаимодействие сопровождается отщеплением молекул побочных продуктов: воды, хлористого водорода, аммиака и др. В связи с этим химический состав получаемого полимера отличается от состава исходных низкомолекулярных веществ.
По внутреннему строению различают линейные и пространственные (с поперечными связями и сетчатые) полимеры.
Линейные полимеры состоят из длинных нитевидных макромолекул, связанных между собой слабыми силами межмолекулярного
367
--------------- page: 180 -----------
взаимодействия. Однако наличие в структурных единицах составляющих полимер полярных группировок атомов усиливает взаимодействие между цепями. В полимерах, содержащих гидроксильные
группы (целлюлоза), иминогруппы NH (нейлон), цепи могут связываться водородной связью. Возникновение и развитие прочных
химических связей между цепями означает переход к полимерам с
пространственным каркасом.
В пространственных полимерах прочные химические связи между цепями приводят к образованию единого пространственного каркаса. Пространственные структуры гораздо хуже деформируются,
чем структуры из линейных молекул. При образовании сплошной
пространственной структуры полимер приобретает свойства твердого упругого тела (типа эбонита).
Различие во внутреннем строении линейных полимеров и полимеров с жестким пространственным каркасом отчетливо проявляется при нагревании.
Линейные полимеры при нагреве размягчаются и переходят в
вязкоупругое (каучукоподобное) состояние, поскольку межмолеку-
лярные силы и водородные связи между их цепями преодолевают-,
ся при сравнительно умеренном повышении температуры.
Термопластичными (термопластами) называют полимеры, способные обратимо размягчаться при нагреве и отвердевать при охлаждении, сохраняя основные свойства.
■ В полимерах с жестким каркасом ковалентные связи между цепями имеют прочность того же порядка, что и прочность связей
внутри цепей. Для разрыва таких связей тепловым движением требуется высокая температура, которая может вызвать разрыв связей
не только между цепями, но и внутри цепей. Разрыв наименее прочных связей, существующих внутри цепей, является началом деструкции (химического разложения) полимера. Такой процесс необратим.
Термореактивными (или реактопластами) называют полимеры,
которые, будучи отверждены, не переходят при нагреве в пластичное состояние. Следовательно, термореактивные полимеры при повышении температуры ведут себя подобно древесине: при высокотемпературном нагреве они претерпевают деструкцию и загораются.
Хотя большинство полимеров относят к аморфным веществам,
от аморфных тел полимеры отличаются наличием некоторой кристалличности, подтверждаемой рентгеновскими исследованиями.
В аморфных полимерах цепи полимера располагаются в основном
беспорядочно, однако наблюдается известная упорядоченность расположения отдельных участков смежных цепей, а также объединение цепей в «пачки», содержащие некоторое число цепей. Доля
кристаллизованного объема может достигать 80%. Кристаллические полимеры особенно ценны для изготовления изделий, работающих при температурах, близких к температуре плавления полимера.
358
Влияние температуры на физическое состояние линейных поли-
меров. Физическое состояние линейного полимера зависит от тем-'
пературы. При относительно низких температурах (не превышающих температуру стеклования tCT) полимер находится в «стеклообразном» упруго-твердом состоянии (рис. 155). При повышении
температуры он сначала переходит в высокоэластичное (каучукоподобное) состояние, а при достижении температуры текучести
(/тек) переходит в вязкотекучее состояние.
В температурном интервале между температурами стеклования
и текучести тепловое движение отдельных звеньев цепи становится
достаточным для преодоления
связи их со смежными звеньями соседних макромолекул.
Это обусловливает гибкость цепей и переход полимера в высокоэластичное состояние, которое свойственно только высокомолекулярным веществам с ,
большими молекулами. Не все
линейные полимеры могут при
нагревании переходить в высокоэластичное состояние. Полимеры С достаточно прочными Рис- 155. Температурная зависимость десвязями между цепями, имею- форма"еЛ (Гв ГСеевуГ"
щими жесткую структуру, не
обладают этой способностью.
К ним относится, например, целлюлоза: деструкция подобных полимеров начинается прежде достижения температуры текучести.
Находясь в высокоэластичном состоянии, полимер способен
сильно деформироваться при действии сравнительно слабых внешних сил.
Полимеры с низкой температурой стеклования (полиэтилен, ка-
учуки и некоторые каучукоподобные материалы) сохраняют свою
эластичность даже при сильных морозах.
Текучесть линейных полимеров проявляется при достижении
температуры 200—300°С, когда тепловое движение достаточно для
преодоления относительно слабых связей между цепями, приобретающих способность к диффузионному перемещению.
Температурный интервал между температурами текучести и
стеклования, в котором полимер находится в высокоэластичном состоянии, возрастает по мере увеличения степени полимеризации,
т. е. средней молекулярной массы. При малой степени полимеризации этот интервал становится настолько малым, что практически
вещество из стеклообразного состояния при нагревании непосредственно переходит в вязкотекучее (пластичное) состояние.
Полимеризационные полимеры. Полиэтилен (—СНг—СНг—’)п
пдлучают путем полимеризации этилена: 1) при высоком давлении.
120—250 МПа; 2) при среднем давлении 3—7 МПа в углеводородных растворителях с окиснометаллическими катализаторами;
359-
--------------- page: 181 -----------
3)
0,6 МПа) с участием металлорганических катализаторов.
Полиэтилен представляет соб.ой твердый белый роговидный
продукт. Его выпускают в виде гранул размером 3—5 мм или в виде белого порошка.
Технические свойства полиэтилена зависят от молекулярной
массы, разветвленности цепи и степени кристалличности. Поэтому
на свойства полиэтилена влияет метод его производства. Полиэтилен низкого давления имеет в основном кристаллическую структуру (рис 156), ему свойственны жесткость и твердость. Наоборот,
полиэтилен высокого давления
обладает в тонких пленках
большой гибкостью, так как на
40—45% состоит из аморфной
фазы, представляющей недостаточно упорядоченные участки молекул.
Полиэтилен один из самых
легких полимеров — его плотность меньше плотности воды
(0,92—0,97). В сочетании с высоким пределом прочности при
растяжении (12—32 МПа) это
дает высокий коэффициент конструктивного качества. Высокие прочностные свойства полиэтилена благоприятно сочетаются с незначительным водопо-
глощением (0,03—0,04%), высокой химической стойкостью и
морозостойкостью. Хорошая
морозостойкость полиэтилена
обусловлена низкой температурой стеклования аморфной фазы (—80°С по В. А. Кирееву).
Следует учитывать особенности полиэтилена, свойственные всем
линейным полимерам: сравнительно низкий модуль упругости
(150—800 МПа), малую твердость, ограниченную теплостойкость
(108—130°С), большой коэффициент теплового расширения. Для
замедления процессов окисления и старения в полиэтилен вводят
стабилизаторы. Хорошие результаты получаются при введении в
полиэтилен 2% сажи (по В. А. Воробьеву).
Полиэтилен применяют для изготовления гидроизоляционных
материалов, труб, предметов санитарно-технического оборудования.
Поливинилхлорид (ПВХ) является продуктом полимеризации
винилхлорида. Мономер (СНг = СНС1) в нормальных условиях
представляет собой бесцветный газ, обладающий эфирным запахом. Винилхлорид (хлорвинил) получают из ацетилена или из
дихлорэтана.
Рис. 156. Кристаллический полиэтилен
^расположение цепей образует ромбическую элементарную ячейку)
360
Применяют блочный (полимеризация в массе), суспензионный
и эмульсионный методы полимеризации винилхлорида. Поливинилхлорид выделяют из эмульсий сушкой или коагуляцией.
Поливинилхлорид представляет собой белый (иногда желтоватый) Порошок аморфного строения, лишенный запаха и вкуса. Температурный предел эксплуатации полимера 60°С. Плотность поливинилхлорида 1,38—1,4 (примерно в 1,4 раза больше, чем полиэтилена) . Это свидетельствует о высокой плотности упаковки цепей
поливинилхлорида, которая обусловливает значительную прочность полимера при растяжении (50—60 МПа) и изгибе (80—
120МПа), а также сравнительно большую твердость (по Бринеллю
15—16).
Высокие механические свойства поливинилхлорида определили
главные области его применения в строительстве. Этот полимер используют в основном для производства разнообразных материалов
для чистых полов: однослойного безосновного линолеума, линолеу-
мов на тканевой и теплой основах, многослойных линолеумов, плиток для полов. Из поливинилхлорида изготовляют гидроизоляционные и отделочные декоративные материалы.
Ценным свойством поливинилхлорида является стойкость к действию кислот, щелочей, спирта, бензина, смазочных масел. Поэтому
его широко применяют для производства труб, используемых в системах водоснабжения, канализации и технологических трубопроводах. Из него изготовляют плинтусы, поручни, ячеистые теплоизоляционные материалы.
Недостатками поливинилхлорида является резкое понижение
прочности при повышении температуры, а также ползучесть при
длительном действии нагрузки.
Перхлорвинил получают хлорированием поливинилхлорида в
хлорбензоле до содержания 60—80% хлора. Перхлорвиниловые составы хорошо зарекомендовали себя в качестве фасадных красок.
Устойчивость перхлорвинила к агрессивным средам (кислотам, щелочам и др.) благоприятствует их долговечности. Температура размягчения перхлорвинила 85—100°С.
Полистирол является одним из наиболее применяемых полимеров. Его получают путем полимеризации мономера — стирола
С6НбСН = СН2. Стирол (винилбензол) получают из этилена и бензола. В противоположность мономеру полистирол лишен запаха и
вкуса, физиологически безвреден. При обычной температуре полистирол представляет собой твердый прозрачный материал, похожий
на стекло, пропускающий до 90% видимой части спектра. Выпускают полистирол в виде гранул (6—10 мм), мелкого или крупнозернистого порошка, а также в виде бисера (при суспензионном методе производства) с влажностью до 0,2%.
Полистирол, применяемый в строительстве, имеет аморфное
строение, хотя при определенных условиях производства получают
полимер с ббльшим содержанием кристаллической фазы (до 50%).
Степень полимеризации колеблется от 500 до 2000, что соответствует молекулярной массе полимера от 50000 до 200 000.
S61
--------------- page: 182 -----------
' Полистирол легок (его плотность 1,04-— 1,06) и малотеплопроводен (теплопроводность 0,09—0,15 Вт/(м-°С). Поэтому он в больших количествах идет для производства пенополистирола.
Обладая высокими механическими свойствами (/?Р=35—
60 МПа, /?ож = 80—JJ0 МПа), полистирол водостоек, хорошо сопротивляется действию концентрированных кислот (кроме азотной и
ледяной уксусной кислот), противостоит растворам щелочей (с концентрацией до 40%). В силу этих свойств полистирольные облицовочные плитки долговечны, их применяют (взамен керамических
плиток) для облицовки стен вацн^к комнат, санузлов, кухонь, лабораторных помещений и т. п. Плитки изготовляют методом литья
под давлением с применением литьевых машин. Из полистирола
делают также трубки для электропроводки. Однако полистирольные пленки уступают полиэтиленовым и поливинилхлоридным
пленкам, они более хрупки.
К недостаткам полистирола, ограничивающим его применение,
относятся: невысокая теплостойкость, хрупкость, проявляющаяся
при ударной нагрузке.
Для повышения теплостойкости и вязкости полистирола применяют различные способы модификации полимера: совмещение с
каучуками, сополимеризацию с другими мономерами и др. Сополимеры стирола с дивинилбензолом, вследствие сшивки последним
полистирольных цепей, имеют трехмерную структуру и повышенную теплостойкость (не ниже 110°С).
Полиметилметакрилат, называемый также органическим стеклом, является продуктом полимеризации метилового эфира метакри-
ловой кислоты. Метилметакрилат синтезируют в виде бесцветной
прозрачной жидкости, подвергая сложной химической переработке исходные сырьевые продукты (нефтяные углеводороды, природный газ и др.). Полимеризация мономера ведется блочным
(т. е. в массе), эмульсионным и суспензионным методами. При
блочном методе тщательно перемешанную смесь метилметакрила-
та, инициатора (перекись бензоила) и пластификатора (дибутил-
фталата) заливают в форму из силикатного полированного стекла.
По окончании полимеризации (она длится 18—40 ч при 40—13Q°C)
из форм вынимают готовые листы полиметилметакрилата (органического стекла). Эмульсионную полимеризацию используют для
получения литьевых и прессовочных порошков. Суспензионная полимеризация дает гранулированный полимер — «бисер», более
жесткий и упругий материал, который затем перерабатывается в
изделия в виде прозрачных или окрашенных листов, блоков, трубок и т. п. Полиметилметакрилат имеет аморфное строение, его
плотность 1,18 г/см3.
Особенностью органического стекла является его исключительная прозрачность, бесцветность, способность пропускать ультрафиолетовые лучи, светостойкость й атмосферостойкость. Органическое стекло пропускает 73,5% ультрафиолетовых лучей, обычное
силикатное — лишь 0,6%, зеркальное силикатное — 3%, а кварцевое стекло—100%. Поэтому органическое стекло применяют для
862
остекления окон больниц, витрин, теплиц, парников, фонарей про-
изводственных помещений, декоративных ограждений и т. п. При
температуре вЫше 90°С полимер становится эластичным и хорошо
формуется. Полиметилметакрилат легко обрабатывается резанием,
шлифовкой. Техническое органическое стекло имеет высокую прочность: при сжатии 120—160 МПа, при растяжении 60—80 МПа,
при изгибе 80—140 МПа. Ударная вязкость органического стекла
почти не снижается в интервале температур от 60 до 183°С. Однако недостаточная абразивостойкость и теплостойкость (80°С) ограничивают применение органического стекла. Этот полимер не стоек
в растворах кислот и щелочей, легко растворяется в органических
растворителях (ацетон и т. п.), при соприкосновении с огнем горит
ярким пламенем.
Политетрафторэтилен (—CF2 —CF2—)„ — продукт полимеризации тетрафторэтилена, осуществляемой блочным и суспензионным
методами в растворителях. Плотность полимера 2,14—2,35 г/см3.
Он обладает наиболее высокой химической стойкостью, выдерживает действие высокой температуры (до 200°С), является одним из
лучших диэлектриков. В строительстве применяют уплотняющие
прокладки из политетрафторэтилена в особо коррозионных средах.
Поливинилацетат получают в результате полимеризации винил-
ацетата (сложного эфира уксусной кислоты и винилового спирта).
Поливинилацетатные смолы бесцветны, эластичны, светостойки, хорошо прилипают к поверхности различных материалов. Поэтому
их используют для изготовления эмульсионных красок, клеев, мастик. Водные дисперсии полимера применяют для устройства бесшовных полов, а также вводят в цементные бетоны и растворы с
целью увеличения их водонепроницаемости и химической стой*
кости.
Полиизобутилен (—СН2— С (СНз) 2—) п — продукт полимеризации изобутилена СН2=С(СНз)2, получаемого из продуктов переработки нефти. Полимер представляет собой эластичный каучукоподобный материал с молекулярной массой 300 000—500 000. В отличие от каучуков полиизобутилен не способен к реакции вулканизации («сшивке» молекул). Полиизобутилен практически бесцветен,
не обладает запахом и физиологически безвреден. Этот полимер обладает ценными свойствами. Он легок, как и полиэтилен (его плотность 0,91—0,93 г/см3), но значительно эластичнее. Полиизобутилен
способен выдержать относительное удлинение 1000—2000%. Он
водостоек, на него не действуют кислоты, щелочи, соли галоидов,
полярные растворители. Но полиизобутилен растворяется в ароматических углеводородах (бензоле, толуоле и т. п.) и минеральных
маслах, набухает в жирах и растительных маслах. Высокая морозостойкость обусловлена низкой температурой стеклования
(—75°С). Полиизобутилен в сочетании с наполнителями (сажей,
графитом, тальком) применяют в разнообразных герметизирующих материалах, служащих для уплотнения горизонтальных и вертикальных швов в панельных зданиях. Из него изготовляют липкие
ленты, линолеумные клеи, гидроизоляционные материалы. Поли369
--------------- page: 183 -----------
изобутилен хорошо совмещается с битумом, повышая его эластичность на холоду.
Индено-кумароновый полимер получают в результате полимеризации ароматических соединений: кумарона, индена, стирола и
их гомологов, находящихся в сыром бензоле и фенольной фракции
каменноугольного дегтя. Полимер применяют для лаков, из него
изготовляют плитки для пола.
Поликонденсационные полимеры. Феноло-альдегидные полимеры получают в результате реакции поликонденсации фенолов (фенола, резорцина, крезола и др) с альдегидами (формальдегидом,
фурфуролом, лигнином и т. п.).
Феноло-формальдегидный полимер первый получил широкое
применение в технике. Этот полимер изготовляют из фенола и формальдегида. Фенол СбШОН получают из каменноугольного дегтя
и синтетическим путем, а формальдегид СН20 — путем окисления
метилового спирта или метана. Формальдегид — газ; его используют в виде водного раствора, называемого формалином.
Фенол вступает в реакцию с формальдегидом при нагревании
в водных растворах кислот или щелочей в присутствии катализаторов.
Новолачные (новолаки) полимеры с линейным строением молекул и термопластичными свойствами получают при избытке фенола
и конденсации в кислой среде.
Резольные термореактивные полимеры с трехмерным строением
молекул образуются при избытке формальдегида и конденсации
в щелочной среде.
Феноло-формальдегидные полимеры при нормальной температуре— твердые хрупкие вещества светлого или темно-коричневого
цвета, с плотностью 1,2—1,27 г/см3. Эти полимеры хорошо совмещаются с наполнителями — древесной стружкой, бумагой, тканью,
стеклянным волокном, при этом получаются пластики более прочные и менее хрупкие, чем сами полимеры. Поэтому феноло-формальдегидные полимеры широко применяют в качестве связующего
при изготовлении древесностружечных плит, бумажнослоистых
пластиков, стеклопластиков и разнообразных изделий из минеральной ваты. Эти же полимеры используют для получения клеев, бакелитового лака, водостойкой фанеры. Из твердых резольных полимеров приготовляют пресс-порошки и фаолит, из которых производят
трубы, листы, плитки и электротехнические изделия (здесь используются высокие диэлектрические свойства полимера). Широкому распространению феноло-формальдегидных полимеров в технике способствует их относительная дешевизна.
Карбамидные (мочевино-формальдегидные или амино-формаль-
дегидные) полимеры изготовляют из мочевины и формальдегида.
Мочевина (карбамид) CO(NH2b в чистом виде представляет собой крупные бесцветные призматические кристаллы, хорошо растворяющиеся в воде и хлороформе. Мочевину получают из аммиака
и углекислого газа. Карбамидные полимеры бесцветны, хорошо
окрашиваются в различные цвета. Эти полимеры сравнительно де364
шевы. Применяют их для изготовления теплоизоляционных материалов (ячеистых пластмасс и сотопластов), слоистых и волокнистых пластиков и клеев.
Кремнийорганические полимеры представляют собой особую
группу полимеров. Методы получения кремиийорганических полимеров были разработаны в СССР в 1935—1939 гг. К. А. Андриановым *.
Особенностью строения макромолекулы полимера является наличие кремнийкислородной (силоксановой) связи. В строительстве
наиболее широко применяются кремнийорганические полимеры
типа (/?— радикал, например, С2Н5):
R R
I I
—Si—О—Si—
L R
R X
В кремнийорганическом полимере молекулы построены из кремнеземистого скелета с органическими ответвлениями (радикалами).
Поэтому такой полимер выгодно сочетает лучшие свойства силикатных материалов (высокую теплостойкость) и обычных синтетических полимеров (эластичность и др.). Кремнийорганические полимеры получают из низкомолекулярных кремнийорганических
соединений — алкил (арил) хлорсиланов и др.
Низкомолекулярные кремнийорганические полимеры в виде
жидкостей (ГКЖ-Ю, ГКЖ-11, ГКЖ-94) используют в качестве водоотталкивающих фасадных красок; эти же жидкости добавляют
в бетон с целью придания ему гидрофобных свойств.
Высотомолекулярные полимеры линейной структуры являются
синтетическими каучуками, которые применяют в виде различных
герметизирующих и изоляционных паст и клеев.
^Высокомолекулярные полимеры сшитой структуры обладают
жесткостью и теплостойкостью. Обычные органические полимеры
неустойчивы уже при температуре 100—140°С, а кремнийорганические выдерживают без разрушения температуру 300—500°С. Поэтому на основе этих полимеров изготовляют жароупорные лаки и
эмали. Их же используют в производстве пенопластов и клеев, а
в виде связующих и пропиточных составов — при изготовлении
слоистых и волокнистых пластиков.
Эпоксидные полимеры получили свое название в виду наличия
=С—С=
в их молекуле эпоксигруппы \^/ . Промышленное произ-
*
рой Социалистического Труда, выдающийся советский ученый, впервые в мире
получил кремнийорганические полимеры, создал новое направление в этой области химии.
365
--------------- page: 184 -----------
водство полиэпоксидов было начато сравнительно недавно, в
1948 г. Основным сырьем для эпоксидных полимеров является
эпихлоргидрин, получаемый из глицерина и пропилена. В большинстве случаев эти полимеры представляют собой жидкости различной вязкости.
Эпоксидные смолы характеризуются высокой химической стойкостью, за исключением сильных окислителей и влажного хлора.
Материалы на их основе (клеи, краски, мастики, растворы и бетоны) отличаются высокой прочностью и универсальной клеящей способностью к бетону, металлу, керамике, дереву, стеклу и др. Эти
замечательные свойства у них сочетаются с относительно высокой
теплостойкостью (100—150°С). В качестве отвердителей эпоксидных смол применяют: при холодном отверждении — гексаметилен-
диамин (ГМД), полиэтиленполиамин; при горячем отверждении —
мела мин, фталевый ангидрид, карбамидные и другие смолы.
Полиэфиры — это группа полимеров, получаемых в результате
поликонденсации многоосновных кислот со спиртами. Широкое
применение получил, например, глифталевый полимер. Его готовят
из глицерина и фталевого ангидрида. Глицерин — простейший трехатомный спирт СзН5(ОН)3. Получают его синтезом из продуктов
нефтепереработки. Фталевый ангидрид СбН^СОЬО является продуктом окисления нафталина, выделяемого из каменноугольного
дегтя. Распространенность сырья и относительная дешевизна позволяют применять полиэфирные полимеры для изготовления стеклопластиков, светопрозрачных и цветных покрытий, санитарно-технических изделий, клеев, фасадных красок и лаков. Полиэфирные
полимеры стойки к влажному хлору и концентрированным растворам окисляющих кислот, разрушающим фурановые и эпоксидные
полимеры. Однако при длительном воздействии воды прочность
полиэфирного полимера понижается (до 40%), уменьшается и его
адгезионная способность.
Полиамидные полимеры, получаемые в результате реакции поликонденсации двухосновных кислот и диаминов, сходны с полиэфирными. Их применяют, например, в виде влагоизолирующих
пленок.
Полиуретаны готовят из изоцианатов и многоатомных спиртов,
содержащих две и более гидроксильные группы. Линейные полиуретаны применяют для изготовления волокон, пленок, листовых
материалов, которые выдерживают высокую влажность и температуру до 110°С.
Полиуретановые каучуки синтезируют из диизоцианатов и полиэфиров, причем в зависимости от вида полиэфира получают мягкие эластичные и жесткие материалы, а из них прекрасные звуко-
и теплоизоляционные пластмассы.
Полимеры, получаемые путем модификации природных высокомолекулярных веществ (целлюлозы и белков), имеют определенное
значение для строительства. Из ацетилцеллюлозы вырабатывают
прочные и водостойкие лаки для окрашивания древесины и металла.
366
§ 2. Каучуки и резины
Синтетические каучуки являются продуктами полимеризации
и сополимеризации ненасыщенных углеводородов. Для получения
синтетических каучуков в качестве мономеров применяют: изопрен,
бутадиен (дивинил), хлорпрен, изобутилен и др. Реакция полимеризации начинается с мономера, содержащего две двойные связи,
из которых одна расходуется, а оставшаяся двойная связь переходит в центр звена:
ГН R Н Н1
1111
ГН R Н Н1
1 1 1 1
п
1111
С=С—С=С
1 1
1 1 1 1
С—С=С—С
1 1
—
_н Н _
_н н_
п
где R — радикал; может представлять собой СНз (изопрен), Н (бутадиен), С1 (хлорпрен); связь С~С, в отличие от одиночной, не
может поворачиваться, поэтому центр мономерного звена является
жестким, но гибкость между звеньями сохраняется.
В зависимости от исходных мономеров выпускают многочисленные разновидности каучуков: изопреновый, бутадиеновый, хлорпре-
новый, бутадиен-стирольный и др.
С. В. Лебедев впервые разработал способ получения синтетического каучука *. Натрий-бутадиеновый (СКВ) каучук, разработанный в СССР, был первым в мире синтетическим каучуком. В настоящее время выпускают новые виды бутадиенового каучука с
улучшенными свойствами: полидивиниловый (СК.Д) и сополимеры
дивинила — бутадиен-стирольный (СКС) и бутадиен-нитрильный
(СКН). По эластическим свойствам они близки к натуральному
каучуку и превосходят его по теплостойкости и сопротивлению истиранию.
Полиизопреновые каучуки (СК.И) по своему химическому составу и структуре молекул как бы воспроизводят натуральный каучук,
этим объясняется аналогия в свойствах полиизопрена и натурального каучука: высокие прочности и эластичность при статических
и динамических нагрузках, высокая стойкость к нагреванию и окислению. В группу изопреновый синтетических каучуков входит бу-
тилкаучук, представляющий продукт сополимеризации изобутилена и изопрена (1—1,5%). Бутилкаучук (СК.И-3) выделяется высокой морозостойкостью и водостойкостью, эластичностью и
стойкостью к действию кислорода, озона, сильных. кислот.
Хлорпреновые каучуки получают эмульсионной полимеризацией
хлорпрена, который является хлорзамещенным производным бутадиена. Хлорпреновые каучуки выпускают различных марок под об-
*
выдающийся советский ученый, разработал способ получения каучука из бутадиена полимеризацией в присутствии натрия. Под руководством С. В. Лебедева был
построен первый в СССР завод синтетического каучука.
367
--------------- page: 185 -----------
щим наименованием «наирит». Хлорпреновые каучуки выделяются
особыми техническими свойствами: высокой клейкостью (в сыром
виде), устойчивостью к действию света, озон"а, кислорода и стойкостью к растворам кислот и щелочей; они также выдерживают действие масел и бензина. Хлорпреновый каучук, практически газонепроницаем (по этому свойству уступает только дивинилнитриль-
ному), он не горит, хотя и обугливается.
Синтетические каучуки применяют для изготовления клеев и
мастик (служат для приклеивания линолеума, плиток пола и т. п.).
Каучуки необходимы в производстве разнообразных герметизирующих материалов. В качестве компонентов герметиков широко
используют бутилкаучуки и хлорпреновые каучуки. Синтетические
каучуки служат также для модификации других полимеров с целью
придания им упругих свойств.
С развитием производства полимерных материалов синтетические каучуки найдут применение в различных полимербетонах.
Резина представляет собой вулканизированный каучук и обычно содержит наполнители (сажу, мел и др.). Вулканизация каучука— это процесс, при котором в результате взаимодействия каучука
с серой или другими веществами (либо под влиянием радиации)
образуется значительное число новых связей между цепями (цепи
«сшиваются»), что приводит к повышению жесткости и теплостойкости, снижению растворимости и набухания в органических растворителях.
Резину используют в качестве материала для чистых полов, отходы резины (в виде дробленой отработанной резины — резиновой
крошки) являются компонентом битуморезиновых материалов
(бризола, битуморезиновой мастики и др.).
Молекулы каучука, хотя и имеют линейную структуру, но не
вытянуты в линию, а имеют изгибы и петли, могут смыкаться своими концами. Растягивание каучука вызывает упорядоченность
расположения цепей и выделение соответствующего количества
теплоты. Рентгеновским методом обнаруживают кристалличность
растянутого каучука, исчезающую после снятия нагрузки. После
растяжения до удлинения в несколько сотен процентов каучуки
полностью восстанавливают свою форму. Согласно кинетической
теории упругости каучука при растяжении происходит распрямление и сближение цепей, однако внутреннее тепловое движение молекул и, в частности, вращение отдельных звеньев цепей противодействует таким изменениям и по прекращении действия внешней
силы каучук возвращается в первоначальное состояние.
Высокоэластическая деформация каучука, достигающая 1000%
и более, является обратимой деформацией, зависящей от времени,
поскольку она вызывает перемещение молекул и атомов. Деформацию линейных полимеров определяют сочетанием упругих, вязко-
упругих и вязких свойств. Для анализа деформаций этих материалов в температурном интервале, охватывающем все три состояния
полимеров, может быть полезна модель, включающая три элемента: 1—упругий 3 (рис. 157,а), 2 — вязкоупругий 1 и 3 и 3 — вяз-
368
кий 3. Полная деформация е этой модели равна сумме деформаций
каждого последовательно расположенного элемента:
е = е, -Ь еа -f е3.
Поскольку каждый элемент модели функционирует раздельно^
он характеризуется своими значениями Е и т|, поэтому
е = ст/Е, + о/Е2 (1 —
Рис. 157. Деформация полимеров:
модель деформации (вязкоупругости); 6 — реологическая кривая развн»
тия деформации во времени; / и 2 —демпфер (вязкий элемент); 3 — пружина
(упругий элемент)
На рис. 157,6 представлено развитие деформации во времени.
После прекращения действия напряжения, начиная с, момента времени 11, упругая ei и вязкоупругая е2 составляющие деформации
становятся равными нулю, а вязкая деформация ез необратима.
§ 3. Наполнители
Наполнителями служат неорганические и органические материалы: порошки, волокна, ткани, бумага, древесный шпон и др.
Различают ненаполненные пластмассы, пластмассы с порошкообразным или волокнистым наполнителями, слоистые пластмассы
(текстолит, бумопласт и т. п.), а также газонаполненные пластмассы (ячеистые и сотопласты). Наибольшее повышение механических
свойств достигается при использовании волокнистого и слоистого
наполнителей.
В табл. 49 сопоставлены свойства чистого полиэфирного полимера со свойствами пластмассы на его основе и стали. Волокнистый
наполнитель увеличил модуль упругости материала примерно в
10 раз и повысил сопротивление растяжению в 20 раз по сравнению
с чистым полимером. Полимеры в чистом виде плохо сопротивляются ударным воздействиям: лишь 7% составляет их ударная вяз-
369
--------------- page: 186 -----------
Таблица 49
Физико-механические свойства полиэфирной смолы в чистом виде
и со стеклянным наполнителем в виде волокна
(по В. А. Кирееву)
Предел прочности, МПа
Ударная
вязкость,
% к стали
Материал
Плотность,
г/см’
Rcm
^изг
Модуль
упругости, МПа
Чистый полимер
1,3
42
150
90
7
2000—
5000
Полимер со стеклянным волокном
(70%)
1,9
840
490
1050
156
30 000—
38 000
Сталь
7,8
390—
840
350—
420
420—
460
100
210 000
кость по отношению к стали. Введение наполнителя исправляет
этот недостаток. Удельные показатели прочности волокнистого
стеклопластика, отнесенные к единице плотности, выше, чем у стали и сплава алюминия.
Упрочняющее действие наполнителя объясняется взаимодействием молекул полимера с поверхностью волокон или зерен наполнителя. При адсорбции молекул полимера на поверхности частиц
наполнителя происходит ориентация молекул полимера, повышается упорядоченность их расположения. Тонкие слои ориентированных молекул, располагающиеся между частицами наполнителя,
обладают повышенной механической прочностью. Важное значение'
имеют поверхностные явления на границе полимер — наполнитель.
Для увеличения их сцепления волокна наполнителя нередко подвергают специальной обработке — аппретированию. Волокна являются препятствием для развития трещин, возникающих в материале, поэтому волокнистые и слоистые наполнители превращают
хрупкий полимер в вязкий пластик, прекрасно сопротивляющийся
удару.
Волокнистым наполнителем является тонкое стеклянное волокно, используемое для конструкционных стеклопластиков. Широкое
применение получили древесные волокна, используемые в массовом
производстве древесных плит различного вида.
Глава 66
ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ НЕСУЩИХ
И ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ
§ 1. Полимербетоны и полимерцементные бетоны
Полимербетоны изготовляют преимущественно на основе термореактивных полимеров: полиэфирных, эпоксидных, феноло-фор-
мальдегидных, фурановых и др. Заполнители выбираются в зави'370
симости от вида агрессивной среды. Для кислых сред изготовляют
полимербетоны на кислотостойких заполнителях <— кварцевом песке и щебне из кварцита, базальта или гранита. Используют также
бой кислотоупорного кирпича, кокс, антрацит, гра'фит.
В зависимости от назначения и объемной массы различают:
1)
1800—2500 кг/м3, в котором применяют плотные минеральные заполнители (кварцевый песок, гранитный щебень и т. п.); 2) конструкционно-теплоизоляционный легкий бетон объемной массой
900—1200 кг/м3 с минеральным пористым заполнителем (керамзитом и т. п.); теплоизоляционный особо легкий бетон объемной массой до 500 кг/м3, в котором применяют высокопористые заполнители (из пенопласта, пробки, древесины, вспученного перлита и т. п.).
Механические свойства полимербетона значительно повышаются при армировании его стальной и стеклопластиковой арматурой.
Изготовляют изделия и готовые конструкции из стале- и стекло-
полимербетона — элементы шахтной крепи, опоры контактной сети, шпалы, коллекторные кольца и др. Разработаны комбинированные несущие конструкции, в сжатой зоне которых расположен
цементный железобетон, а в растянутой — армополимербетон. При
таком сочетании существенно повышается трещиностойкость растянутой зоны, поскольку предельная растяжимость полимербетона
примерно в 10 раз, а прочность при растяжении в 5 раз выше, чем
у цементного бетона.
Для сталеполимербетона применяют связующие вещества на
основе фурфуролацетонового мономера, эпоксидного полимера
и др.
Фурфурол — желтоватая маслянистая жидкость с характерным
запахом, темнеющая на воздухе. По химическому составу фурфурол представляет простейший альдегид фуранового ряда (С5Н402).
Его получают путем гидролиза (при 150—180°С) разбавленными
кислотами природного сырья: отходов сельского хозяйства (лузги
семян подсолнуха, соломы, кукурузных кочерыжек и т. п.) или древесины.
Высокой химической стойкостью обладает полимербетон, изготовляемый на основе фурфуролацетонового мономера (ФАМ) и
кислого отвердителя — бензосульфокислоты (БСК).
Для уменьшения хрупкости полимербетона применяют волокнистые наполнители — асбест, стекловолокно и др. Полимербетоны
отличаются от обычного цементного бетона не только химической
стойкостью, но и высокими показателями прочности, в особенности
при растяжении (7—20 МПа) и изгибе (16—40 МПа). Прочность
при сжатии достигает 60—120 МПа. Прочность склеивания с сухой
бетонной поверхностью при сдвиге — 3—5 МПа, сцепление со
стальной арматурой — около 6 МПа.
Полимербетоны применяют с учетом их теплостойкости, составляющей 100—200°С в зависимости от вида связующего вещества.
Отрицательным свойством полимербетонов является их большая
ползучесть, а также старение, усиливающееся при действии попе-
371
--------------- page: 187 -----------
ременного нагревания и увлажнения. Кроме того, необходимо
соблюдение специальных правил охраны труда при работе с полимерами и кислыми отвердителями, могущими вызвать ожоги.
В частности, необходима хорошая вентиляция, обеспечение рабочих защитными очками, резиновыми рукавицами, спецодеждой.
Полимерцементные бетоны и растворы содержат добавку синтетической смолы или каучука (от 0,2 до 5—12%). Добавки вводят
в виде эмульсий или суспензий, что обеспечивает более равномерное распределение небольшого количества полимера в объеме материала. Обычно применяют водные дисперсии поливинилацетата,
полистирола, поливинилхлорида, латексы, а также кремнийоргани-
ческие соединения. В результате уменьшается водопоглощение и
водопроницаемость, увеличивается прочность бетона на растяжение
и изгиб (в 2—3 раза), при этом возрастает растяжимость.
Полимерцементные материалы применяют в виде красок, клеев,
обмазок (например, для защиты арматуры); полимерцементные
растворы и бетоны используются в виде защитных слоев резервуаров, труб, а также для устройства полов.
§ 2. Пластмассы, упрочненные волокнами
Для несущих и ограждающих конструкций применяют большую
группу полимерных композиционных материалов, упрочненных волокнами. К волокнистым композитам принадлежат стеклопластики,
древесностружечные (ДСП) и древесноволокнистые плиты (ДВП)
и некоторые другие листовые, плитные и рулонные материалы.
Полимерный волокнистый материал состоит из двух основных
компонентов: упрочняющих волокон (или ткани) и связующего
(матрицы) —полимера или каучука. Сочетание в одном материале
двух разнородных компонентов — волокна (стеклянного, асбестового, древесного или др.) и полимера дает легкий композиционный
материал с высокой прочностью при растяжении и изгибе. В этом
убедимся, анализируя прочность волокнистого композита с помощью простой модели*, представляющей собой выделенный из
композита параллелепипед длиной, равной единице, армированный
волокнами, расположенными параллельно.
Содержание волокна Ув и матрицы VM дано в долях от объема
композита, принятого за единицу, следовательно,
VB + V„=1, = 1 — V в.
Наполнение композита волокном обычно составляет 20—90%,
т. е. VB = 0,2—0,9.
Осевое растягивающее усилие Р, воспринимаемое композитом,
распределяется между двумя компонентами — волокном (Рв) И
матрицей (Рм)"
Р = РВ + Рк.
*
ти композитов, рассматриваемую в специальных курсах.
372
Переходя к напряжениям, получим распределение напряжения
в композите (при £=1)
<7к = + М1 — Ув)-
В пределах упругой работы материала согласно закону Гука
ок — sB£BV в ~Ь еыЕа (1 VB).
Композит работает как единый материал, т. е. отсутствует проскальзывание волокна относительно матрицы, поэтому относительные деформации композита ек, волокна ев и матрицы ем равны
между собой:
ек = ев = ем = 6 •
Учитывая условие цельности композита, получим уравнение
прочности волокнистого композита RK в следующей форме:
= [£вУв + £„(1-Ув)]е.
Следовательно, модуль упругости композита Ек в рассмотренном случае формируется по правилу смесей:
EK = EBVB + EM(1-VB).
Графическую интерпретацию уравнения прочности композита
рассмотрим применительно к стеклопластику, принимая модуль
упругости стекловолокна £в = 60 000 МПа и полимерной матрицы
£м=2000 МПа, т. е. соотношение Ев : £м=30:1. На рис. 158 показано возрастание прочности композита при увеличении наполнения
его волокном. В стеклопластике содержание волокна доводят до
80—90%, армируя его не отдельными волокнами, а стеклотканью.
Из рис. 158, а также из соотношения Рв/Рм — (EJEM) VB/(l—VB) видно, что усилие, воспринимаемое волокнами, возрастает по мере
увеличения содержания волокна и его модуля упругости. Соответственно уменьшается доля нагрузки, передаваемой на менее прочную матрицу.
Прочность волокна при
растяжении и модуль упругости зависят от толщины волокна, как это видно из рис.
159. Высокопрочное стеклянное волокно с большим модулем упругости имеет диаметр 3—7 мкм. Модуль
упругости стеклопластика,
армированного таким волокном, составляет 18 000—
35000 МПа, он в 10—20 раз
выше, чем у полимера. Следовательно, конструкцион-
ные полимерные композиционные материалы имеют модуль упругости примерно
как у цементного бетона.
373
Рис. 158. График зависимости прочности
при растяжении волокнистого композита:
/ — от объемной концентрации волокна; 1 — доля
прочности, вносимая матрицей
--------------- page: 188 -----------
Композиционные материалы часто называют материалами будущего за их легкость, сочетающуюся с высокими модулем упругости и сопротивлением растяжению. Прогресс в этой области связан с применением тонкого «суперволокна» из материалов, у которых модуль упругости примерно на порядок выше, чем у стекла.
Проводятся работы по получению непрерывистых волокон бора,
карбида кремния, углерода, а также бездефектных кристаллов —
Рис. 159. Графики зависимости прочности на растяжение минеральных волокон от их диаметра:
а — стеклянное волокно; б— монокристаллы (усы): кремния — белые кружки; окиси
цинка — черные
«усов» окиси алюминия (сапфира), нитрида кремния и др. Стоимость этих волокон высокая, и они в первую очередь будут применяться в самолетостроении и в тех областях техники, где стоимость
материала имеет второстепенное значение. Однако исторические
аналогии (например, с алюминием) говорят о том, что через 10—
15 лет стоимость новых материалов снизится и по мере освоения производства они станут доступными для строительной техники.
Стеклопластики — это листовые материалы из стеклянных волокон или тканей, связанных полимером. Связующим веществом
в стеклопластиках обычно служат феноло-формальдегидные, полиэфирные и эпоксидные полимеры. Выпускают три разновидности
стеклопластиков: на основе ориентированных волокон, рубленых
волокон и тканей или матов.
Стеклопластики с ориентированными волокнами (типа СВАМ —
стекловолокнистого анизотропного материала) обладают большей .,
прочностью (при растяжении до 1000 МПа), легкостью (их плотность 1,8—2 г/см3), что в сочетании с химической стойкостью делает их эффективным материалом для строительных конструкций,
емкостей и труб.
374
Стеклопластики с рубленым стеклянным волокном изготовляют
в виде волнистых или плоских листов на полиэфирном связующем, обладающем светопрозрачностью. Эти изделия применяют для
устройства кровель, ограждений балконов, лоджий и перегородок.
Стеклопластики, изготовляемые на основе стеклянной ткани
(стеклотекстолиты), получают горячим прессованием полотнищ
ткани, пропитанной термореактивным полимером, при высоком давлении и температуре. Стеклотекстолит идет для наружных слоев
трехслойных стеновых панелей (внутренний слой панели из теплоизоляционного материала). Этот же материал применяют для устройства оболочек и других строительных конструкций.
Стеклопластики получают также прессованием пастообразной
массы из полиэфирного полимера, стекловолокна, асбеста и порошкообразного наполнителя. Из этого материала формуют оконные
и дверные блоки, фурнитуру, санитарно-технические изделия.
Древесностружечные плиты изготовляют путем горячего прессования специально приготовленных древесных стружек с термореактивными жидкими полимерами (карбамидными или феноло-
формальдегидными). Расход полимера составляет 8—12% (по массе). Стружку получают на специальных стружечных станках,
используя сырье в виде отходов деревообработки, фанерного и мебельного производства, а также неделовую древесину. Средний
слой трехслойных плит состоит из относительно толстых стружек
(толщина до 1 мм), наружные слои выполняются из тонких стружек (толщиной до 0,2 мм), которые повышают прочность изделий.
В качестве декоративной отделки, защищающей плиты от увлажнения и истирания, применяют полимерные пленочные материалы,
бумагу, пропитанную смолами. Нередко поверхность плит (предварительно отшлифованную) покрывают водостойкими фенольными
или эпоксидными лаками.
Выпускают древесностружечные плиты различной объемной
массой: очень высокой 0,81—1,0, высокой 0,66—0,8, средней 0,51 —
0,65, малой 0,36—0,5, очень малой 0,35 г/см3. Плиты средней и высокой объемной массы применяют как конструкционный и отделочный материал. Плиты малой объемной массы служат тепло- и звукоизоляционным материалом. Для придания плитам биостойкости
в полимерно-стружечную массу добавляют антисептики (фтористый и кремнефтористый натрий, буру и др.). В качестве антипиренов используют добавку сульфата аммония и диаммонийфосфат.
С целью уменьшения набухания плит во влажном воздухе в исходную массу вводят гидрофобизующие вещества (парафиновую
эмульсию, раствор кремнийорганического полимера и др.). Размеры плит: длина — 1800—3500 мм, Ширина— 1220—1750 мм, толщина — 4—100 мм.
Древесноволокнистые плиты изготовляют путем горячего прессования волокнистой массы, состоящей из древесных волокон, воды, наполнителей, полимера и специальных дрб^рок (антисептиков,
антипиренов, гидрофобизующих веществ). ДрёВбСныё волокна по-
375
--------------- page: 189 -----------
лучают из отходов деревообрабатывающих производств и неделовой древесины. Древесину на рубильных машинах перерабатывают
в щепу, которую проваривают в 1—2%-ном растворе едкого натра
для нейтрализации смолистых и сахаристых веществ. Затем щепу
размельчают в дефибраторах и других машинах до состояния тонких волокон. После дополнительной обработки паром (при температуре 150°С и давлении 0,6—1 МПа) волокна смешивают с водой
и указанными добавками. При изготовлении сверхтвердых плит в
смесь вводят феноло-формальдегидный полимер. Приготовленная
масса передается на отливочную машину, имеющую бесконечную
металлическую сетку и вакуумную установку. Здесь масса обезвоживается, уплотняется, разрезается на плиты, которые и направляются в роликовую сушилку, если формуются высокопористые
изоляционные плиты. Для получения твердых плит необходимо
прессование массы, которое осуществляется на гидравлических
многоэтажных прессах при температуре 150—165°С под давлением
1—5 МПа. Горячее прессование ускоряет отверждение термореактивного полимерного связующего; изменяя давление прессования,
можно получить плиты разной объемной массы и с различными физико-механическими свойствами.
Выпускают плиты пяти видов: 1) сверхтвердые объемной массой y^950 кг/м3 с пределом прочности при изгибе 7?Иэ^50 МПа;
2)
Y^400 кг/м3, 7?из^15 МПа; 4) изоляционно-отделочные у=250—
350 кг/м3, 7?из^2 МПа; 5) изоляционные v Д° 250 кг/м3,
Лиз>1,2 МПа.
Плиты имеют длину 1200—3600 мм и ширину 1000—1800 мм.
Твердые плиты имеют толщину 3—8 мм, а изоляционные 8—25 мм.
Твердые плиты применяют для устройства перегородок, подшивки потолков, настилки полов, для изготовления дверных полотен
и встроенной мебели.
Отделочные плиты облицовывают синтетической пленкой с прокладкой текстурной бумаги под цвет и текстуру древесины ценных
пород. Их также выпускают с матовой поверхностью, окрашенными
водоэмульсионными поливинилацетатными красками. Такие плиты
служат облицовкой стен и потолков. Плиты, окрашенные эмалями,
имеют глянцевую поверхность и они более водостойки. Эти плиты
применяют для облицовки стен в медицинских учреждениях, продуктовых магазинах и т. п.
Крупноразмерность, красивый внешний вид и невысокая стоимость предопределяют высокую технико-экономическую эффективность плит.
Изоляционные древесноволокнистые плиты находят широкое
применение в виде тепло- и звукоизоляционного материала. Производство древесноволокнистых и древесностружечных плит быстро
увеличивается, чему способствуют обширные ресурсы разнообразного органического сырья в виде отходов деревообработки, бумажной макулатуры, неделовой древесины; сырьем могут служить так*
же стебли тростника, солома, льняная костра и т. п.
376
§ 3. Фанера
Фанера представляет собой листовой материал, скленный из
трех и более слоев лущеного шпона. Наружные слои шпона в фанере называют «рубашками», а внутренние — «серединками». Лицевая «рубашка» имеет меньше пороков древесины (сучков и др.) и
дефектов обработки, чем оборотная «рубашка» и «серединки». При
нечетном числе слоев шпона уменьшается коробление фанеры.
Обычно фанеру склеивают из листов шпона, расположенных так,
чтобы волокна смежных листов шпона были взаимно перпендикулярны. Однако в диагональной фанере волокна «рубашек» направлены под углом 45° к волокнам «серединок». Выпускают также фанеру с направлением волокон шпона в соседних слоях под
углом 30 или 60°.
Лущеный шпон. Короткие (до 2 м) бревна — «чураки» пропаривают или выдерживают в бассейнах с горячей водой, чтобы придать
древесине пластичность. Затем на лущфгьных станках с поверхности чурака, вращающегося вокруг своей оси, снимается тонкая непрерывная стружка — шпон; строганый шпон применяют только
для производства декоративной фанеры. Клееную фанеру изготовляют из березы, бука, ольхи, клена, ясеня, дуба, сосны, ели, кедра,
лиственницы.
Пакеты шпона, набранные по заданной схеме из определенным
образом промазанных клеем листов, поступают в гидравлический
пресс, плиты которого обогреваются паром. Отверждение полимерного клея происходит при температуре 120—160°С и удельном давлении прессования 1,4—2,0 МПа в течение 20—30 мин.
В зависимости от вида примененного клея и его водостойкости
различают фанеру повышенной водостойкости (марка ФСФ на фе-
ноло-формальдегидном клее), средней водостойкости (марки ФК и
и ФБА соответственно на карбамидном и альбумино-казеиновом
клеях) и ограниченной водостойкости (марки ФБ на казеиновом
клее).
Бакелизированную фанеру получают из березового лущеного
шпона, пропитанного и склеенного феноло-формальдегидными полимерами. В зависимости от примененного пропиточного и склеивающего состава выпускают: 1) бакелизированную фанеру, склеенную и пропитанную спиртовым раствором полимера (ФБС),
2)
лимера, а «рубашки» пропитаны и склеены спиртовым раствором
полимера (ФБСВ); 3) фанеру, изготовленную на водорастворимом
полимере (ФБВ). Толщина бакелизированной фанеры 5—18 мм.
Обращают на себя внимание высокие конструктивные качества
бакелизированной фанеры: ее предел прочности при растяжении
60—80 МПа, при этом она почти так же легка, как и древесина.
Декоративную клееную фанеру изготовляют из березового,
ольхового или липового шпона и облицовывают с одной, или двух
сторон строганым шпоном из ценных пород дерева (дуба, груши
и т. п.) с красивой текстурой, либо полимерными пленками.
377
--------------- page: 190 -----------
Фанерные плиты представляют собой многослойные изделия из
шпона, склеенного полимерными клеями; их толщина 8—30 мм и
35—78 мм.
Столярные плиты — это реечные щиты, оклеенные с обеих сторон
березовым или другим шпоном. Толщина плит 16—50 мм. Их применяют для дверей, перегородок и встроенной мебели.
Древеснослоистые пластики — это листы или плиты, изготовленные из лущеного шпона, пропитанного и склеенного резольным фе-
ноло-формальдегидным полимером. Отличаются от фанеры большей объемной массой (1,25—1,33 г/см3) и обладают высокими
механическими свойствами: предел прочности при растяжении
вдоль волокон «рубашки» 140—260 МПа, при изгибе 150—280 МПа,
удельная ударная вязкость 3—8 МПа. Эти пластики стойки к действию масел, растворителей, моющих средств. Применяют в строительных конструкциях, от которых требуется химическая стойкость,
немагнитность, высокое сопротивление истиранию.
§ 4. Декоративно-облицовочные изделия
Изделия из полимерных материалов в виде крупноразмерных
листов, декоративных пленок и плиток позволяют исключить оштукатуривание, окраску и другие «мокрые» процессы внутренней отделки. Это не только ускоряет отделочные работы, но и значительно
снижает их трудоемкость и стоимость.
Рулонные отделочные материалы изготовляют однослойные и
многослойные, без подосновы и на бумажной, картонной, тканевой
подоснове. Для изготовления рулонных отделочных материалов
применяют поливинилхлорид, глифталевый полимер, полиметилме-
такрилат, пленки, армированные волокнами.
Декоративные беэосновные самоклеящиеся поливинилхлоридные пленки приготовляют из пасты, содержащей кроме полимера
пигмент, пластификатор, стабилизатор и другие добавки. Рисунок
на пленке печатают на многокрасочной машине глубокой печати
специальными красками. Рисунок воспроизводит древесину, камень,
ткани и т. п. Пленки стойки к моющим средствам, растворам щелочей и разбавленных кислот. Они атмосферо- и морозостойки.
Декоративные поливинилхлоридные панели («полидекор») с
текстурой, имитирующей различные древесные породы, представляют собой материал, используемый для отделки стен, потолков.
Линкруст состоит из бумажной подосновы, покрытой слоем пасты, состоящей из глифталевого полимера (связующее), олифы,
парафина и наполнителей (древесной муки, сепарированного мела).
Для наклейки линкруста применяют казеиновый клей или мастики
(кумароновую, канифольную).
Моющиеся влагостойкие обои — рулонный отделочный материал
на бумажной основе, которая покрыта тонким слоем водной дисперсии поливинилацетата, поливинилхлорида, полиметилметакри-
лата или кремнийорганического полимера. Обои с рифленой поверхностью выпускают с имитацией под штукатурку, древесину,
378
ткань и т. п. Ширина обоев 500—750 мм, длина 7—12 м. Достоинством обоев, покрытых дисперсиями полимеров, является воздухопроницаемость. Эти обои можно протирать влажной тряпкой и
мыть с мылом. Наклеивают их так же, как и обычные бумажные
обои.
Облицовочные полистирольные плитки — тонкие квадратной или
прямоугольной формы с гладкой наружной и рифленой тыльной
поверхностью. Плитки изготовляют методом литья под давлением
на литьевых автоматических машинах. Полимерная композиция
включает кроме полимера еще наполнитель (тальк, каолин), пигмент, а иногда и модифицирующие добавки. Толщина плиток —
1,25—1,5 мм, поэтому масса 1 м2 плиток составляет лишь 1,5—
1,7 кг. К поверхности стен плитки приклеивают полимерными или
каучуковыми мастиками. Плитки имеют красивые расцветки, гигиеничны, водо- и химически стойки. Плитки применяют для облицовки стен санузлов и торговых помещений. Однако полистирольные плитки горючи, поэтому их нельзя использовать возле открытого огня (например, около газовых плит).
Отделочные полистирольные панели («полиформ») изготовляют
из ударопрочного полистирола с добавлением вспенивающего компонента толщиной 8—10 мм. Панели крепят при помощи шурупов и
гвоздей, используют для внутренней облицовки потолков, стен, а
также для устройства передвижных перегородок и элементов интерьера.
Бумажнослоистые пластики изготовляют из нескольких слоев
специальной бумаги, пропитанных феноло-формальдегидным или
карбамидным полимером. Пластик выпускают в виде листов длиной 1000—3000 мм, шириной 600—1600 мм, толщиной 1—5 мм. Бумажнослоистые пластики разнообразны по цвету и рисунку, хорошо обрабатываются, — их можно пилить, сверлить, фрезеровать.
Пластик толщиной до 1,6 мм крепят битумно-каучуковыми и другими мастиками, эпоксидными и резорцино-формальдегидными
клеями. Более толстые листы пластика крепят механическим способом.
§ 5. Материалы для полов
В табл. 50 даны сравнительные показатели полов из древесины
и синтетических материалов.
Паркетные и дощатые полы требуют много древесного сырья,
они дороги и трудоемки. Поэтому полы в жилых зданиях выполняют в основном из синтетических материалов.
Линолеум выпускают безосновный и на теплозвукоизоляционной
основе (тканевой, войлочной, вспененной). Независимо от основы
динолеум может состоять из двух или большего количества слоев.
Верхний лицевой полимерный слой содержит меньше наполнителей,
более стоек к истиранию, эластичен и декоративно оформлен. Последующий слой более жесткий, содержит меньше полимера и больше наполнителей, чем лицевой слой. Наполнителями служат тонкие минеральные порошки (мел, тальк и др.).
--------------- page: 191 -----------
Таблица 50
Сравнительные показатели устройства 1 м3 пола
(по В. М. Хрулеву)
Материал пола
Себестоимость, руб.
Трудовые
затраты,
чел-дн
Приведенные
затраты, руб.
Эксплуатационные затраты, руб/год
Паркет
Дощатые полы
Безоснбвный поливинилхлоридный линолеум
ПВХ-линолеум на тепло-
звукоизоляционной основе
7,00
4,65
3,70
3,60
0,51
0,49
0,22
0,12
9,90
7,80
6,50
5,70
0,19
0,26
0,24
0,21
Линолеум на тканевой основе получают путем нанесения пасты,
содержащей полимер, пластификатор, наполнитель, краситель и
другие добавки, на джутовую или иную ткань. Затем ткань со слоем нанесенной пасты проходит через термокамеру, в которой происходит полимеризация и превращение пасты в упругий и эластичный материал. Войлочную основу линолеума пропитывают антисептиками для придания биостойкости.
Линолеум-релин (резиновый линолеум) состоит из двух слоев —
нижнего (подкладочного), изготовленного из бывшей в употреблении дробленой резины с битумом, и верхнего (лицевого) — из
смеси синтетического каучука (резины) с наполнителем и пигментом.
Двухслойный линолеум выпускают и другого типа: лицевым
слоем служит обычный линолеум, а подкладочным — ячеистая
(вспененная) пластмасса, придающая покрытию пола высокие тепло- и звукоизоляционные свойства.
Около половины общего выпуска рулонных полимерных материалов для пола приходится на долю поливинилхлоридного линолеума. Чистые полы из этого линолеума гигиеничны, биостойки и
огнестойки. Низкая себестоимость и незначительные эксплуатационные расходы являются их преимуществом перед паркетными и дощатыми полами (табл. 50). Выпускается также глифталевый
(алкидный) и коллоксилиновый (нитроцеллюлозный) линолеумы
коричневого и красного цветов. Из-за повышенной возгораемости
коллоксилиновый линолеум не применяют в детских учреждениях,
театрах и т. п.
Линолеум изготовляют с гладкой и рельефной поверхностью,
придавая ей разные цвета и рисунок. Длина рулонов 12 м, ширина
1,4—1,6 м, толщина 2—4 мм. Укладывают линолеум по ровному
основанию, наклеивают с использованием горячих и холодных
мастик.
Ковровые синтетические материалы для пола имеют основу из
полиуретана (или другого полимера), а для верха ковра применяют
380
синтетические волокна, из которых изготовляют тканые и нетканые
покрытия. Например, ворсолин состоит из двух слоев: основой его
служит поливинилхлоридная пленка, а покрытие выполнено из ворсовой пряжн.
Для устройства чистых полов могут применяться водостойкие
сверхтвердые древесностружечные плиты с объемной массой не менее 950 кг/м3, имеющие высокую прочность при изгибе (не ниже
50 МПа). Однако при сборке пола даже из крупноразмерных листов
все же получаются швы. Но из полимерных материалов можно
устраивать чистые монолитные полы, вовсе не имеющие швов. Для
этой цели применяют мастики, состоящие из связующего полимерного вещества, наполнителей, специальных добавок и красителей.
Бесшовные полы устраивают, применяя состав на основе водоразбавляемой поливинилацетатной эмульсии. Водную дисперсию
полимера, воду, наполнитель (молотый песок, зола и т. п.), пигмент
(охра, крон, редоксайд) загружают в растворомешалку. Полученную после 4—5 мин перемешивания однородную мастику наносят
на подготовленное основание пистолетом-распылителем в 2—3 слоя,
причем каждый последующий слой наносят после высыхания предыдущего.
Полиэфирные составы для бесшовных полов приготовляют, используя перекисные инициаторы и наполнители в виде стеклянного
волокна, белой сажи и др. Благодаря химической стойкости, сопротивлению ударам и истиранию полимерные полы применяют, в первую очередь, в зданиях с химически агрессивными средами. Однако
полиэфирные полы недостаточно водостойки.
Полимербетонные полы толщиной ,20—50 мм не только химически стойки, но и способны выдержать тяжелые нагрузки, возникающие при работе внутрицехового транспорта. Полимерным связующим в бетоне являются феноло-формальдегидные, фурановые,
эпоксидные или полиэфирные смолы с модификаторами, пластификаторами, отвердителями, стабилизаторами и другими добавками.
В состав бетонной смеси помимо связующего входят порошкообразный наполнитель и заполнители (песок, щебень или гравий). По-
лимербетонную смесь укладывают на хорошо подготовленное основание и уплотняют выброрейками или катками, потом поверхность
пола заглаживают.
Лолимерцементные составы имеют в качестве связующей основы каучуковые латексы и портландцемент (реже глиноземистый
цемент). Заполнителем служит песок с зернами до 3 мм. Кроме
латексов для полимерцементных составов применяют поливинил-
ацетатную эмульсию.
Плитки для пола размером 300X300, 200X200 и 150x150 мм
изготовляют из поливинилхлорида, инденкумаронового полимера
или резины. Износостойкие и химически стойкие плитки получают
также из фенолоальдегидных прессовочных порошков, состоящих
из полимера, наполнителя и добавок.
381
--------------- page: 192 -----------
Глава 67
ТРУБЫ, САНИТАРНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ
И ПОГОНАЖНЫЕ ИЗДЕЛИЯ, СИНТЕТИЧЕСКИЕ КЛЕИ
§ 1. Трубы
Термопластичные трубы получают из поливинилхлорида, полиэтилена и полипропилена экструзионным способом, прессованием,
сваркой или склеиванием из листовых заготовок. Например, трубы
из органического стекла получают непрерывным свертыванием
листов-заготовок с одновременной сваркой шва. Пластмассовые
трубы легки (в 3—6 раз легче стальных), обладают высокой коррозионной стойкостью. Благодаря низкому коэффициенту трения
внутренней поверхности пропускная способность труб увеличивается на 30—40% (по сравнению с железобетонными или стальными).
Трубы легко резать, сверлить, сваривать..
Их используют при сооружении канализационных и водопроводных сетей, вентиляционных сетей, вентиляционных систем. Прозрачные трубы из органического стекла не имеют запаха, гигиеничны, наибольшее применение находят в парфюмерном производстве
и медицинской промышленности.
Стеклопластиковые трубы изготовляют из полиэфирных полимеров, стекложгута, стеклоткани центробежным методом, намоткой
на сердечник пропитанной стеклоткани и стеклолент. Стеклопластиковые трубы значительно прочнее других полимерных труб, они
выдерживают рабочие температуры до 150°С. Применяют их в основном при строительстве химических предприятий и в нефтяной
промышленности.
§ 2. Санитарно-технические и погонажные изделия
Для получения санитарно-технических изделий применяют по-
лиметилметакрилат, ударопрочный полистирол, полипропилен, полиамиды, стеклопластики. Из пластмасс изготовляют ванны, мойки,
сифоны, смывные бачки, детали вентиляторов, отдельные детали в
кранах-смесителях и т. д. Все эти изделия отличаются малой массой (пластмассовая ванна примерно в 10 раз легче эмалированной),
коррозионной стойкостью. Изделия из пластмасс обходятся дешевле фаянсовых и чугунных.
Цветные длинномерные элементы для отделки зданий, называемые погонажными изделиями, — плинтусы, поручни лестничных
перил, наличники, нащельники, защитные уголки для лестничных
перил, проступи и т. п. изготовляют на основе поливинилхлорида,
полиэтилена, полистирола, органического стекла. Такие профильнопогонажные изделия имеют гладкую поверхность, окрашиваются в
различные цвета. Изделия долговечны и обходятся не дороже деревянных.
382
§ 3. Синтетические клеи
Клеи из синтетических материалов обладают высокой клеящей
способностью и водостойкостью, они не загнивают. Разработаны
универсальные составы, которые в отличие от природных клеев хорошо склеивают различные материалы: древесину, пластмассы, металлы, керамику, стекло, природные камни. Синтетические клеи дают возможность просто и быстро осуществлять сборку строительных
элементов. При этом прочность, например, клееных деревянных конструкций выше прочности конструкций, скрепляемых на гвоздях,
болтах или при помощи врубок.
Рис. 160. Монтаж предварительно напряженных железобетонных конструкций моста с клеевыми соединениями на эпоксидном составе
Применение синтетических клеев способствовало развитию производства индустриальных деревянных клееных конструкций. Используют синтетические клеи и для склеивания бетонных элементов.
Синтетические клеи применяют в виде жидкостей, порошков и
пленок.
Клеи изготовляют из синтетических смол, каучуков и производных целлюлозы. Для регулирования свойств в клеи вводят растворители, наполнители, пластификаторы и отвердители. Применяют
клеи горячего и холодного отверждения, широко распространенные
в строительстве (рис. 160).
Глава 68
ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ, КРОВЕЛЬНЫЕ
И ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
§ 1. Гидроизоляционные материалы
Гидроизоляционные пленочные материалы изготовляют из поливинилхлорида, полиэтилена; ацетилцеллюлозы, синтетического каучука и других полимеров. Толщина пленочных материалов зависит
383
--------------- page: 193 -----------
от их назначения: для устройства противофнльтра-
ционных завес используют
полиэтиленовую пленку
толщиной 0,2 мм; гидроизоляцию тоннелей и других сооружений против
действия агрессивных вод
выполняют из огнестойкой
поливинилхлоридной или
полиэтиленовой пленок
толщиной 1,5—2 мм. Пленку выпускают в виде рулонов с прочностью при
растяжении 15—17,5 МПа.
Она обладает стойкостью
против действия природных вод, нейтральных солевых, щелочных и кислотных растворов с содержанием этих веществ
до 5%.
На рис. 161 схематически показан вариант устройства гидроизоляции
тоннеля. На основу в определенных точках прикрепляют ленточки из
пленки (или «подтяжки»),
которые затем горячим
воздухом приваривают к
пленочному полотну. После этого сваривают внахлестку кромки полотен.
Разработан бестраншейный способ устройства
вертикальных пленочных
противофильтрационных
завес на оросительных каналах, дамбах (рис. 162).
Пленочные материалы используют также в конструкциях плоских
крыш.
Рис. 161. Схема устройства пленочной
гидроизоляции тоннеля
А-А
ilililil.i.iiiii'1'iiiililili
ёВз-
Рис. 162. Схема устройства экрана:
1 — тягач; 2— рабочий орган (шнек-кассета); 3 —
дамба (валик); 4 — пленочный вкран; 5 — разрыхлен’
ный грунт; 6 — путь фнльтрацнн; 7 — стык двух полотнищ пленки
§ 2. Кровельные материалы
Волнистые и плоские кровельные листы изготовляют из стеклопластиков на полиэфирных полимерах. Толщина листов 0,8—
1,5 мм, предел прочности при растяжении 220—230 МПа, а при изгибе— 350—400 МПа. Кровля из стеклопластиков легка, прочна,
384
красива и прозрачна, пропускает много естественного света, однако следует учитывать ее горючесть.
Рулонные материалы из пластмасс имеют толщину 1,2—2,5 мм,
их основой служит крафт-бумага или кровельный картон (как при
изготовлении рубероида), а также хлопчатобумажная или стеклянная ткань.
§ 3. Герметизирующие материалы
Герметизирующие материалы (герметики) применяют для уплотнения швов между элементами сборных конструкций (панелями
и блоками наружных стен и т. п.). Они должны обеспечить эластичность, необходимую для восприятия температурных и усадочных деформаций, и не допускать проникания влаги через швы.
В настоящее время для заполнения и
уплотнения швов служат герметизирующие
мастики (нетвердеющие и твердеющие) и
эластичные уплотняющие прокладки.
Герметизирующую мастику наносят в
пластичном состоянии специальным инструментом (рис. 163), который может иметь
сменные наконечники, приспособленные к
конфигурации шва. Поэтому мастика хорошо заполняет не только сам шов, но и места
пересечений вертикальных и горизонтальных швов, являющиеся уязвимым местом
сборной конструкции. Мастика хорошо прилипает к бетону и сохраняет адгезию к бетону при положительных
и отрицательных температурах; она не должна сползать или стекать
при повышении температуры (до 60°С). Широко применяют мастики на основе полисульфидных каучуков — тиоколов и резинобитумного вяжущего.
Тиоколовые мастики приготовляют перед началом работ путем
тщательного смешения тиоколовой пасты, вулканизирующей добавки, ускорителя вулканизации и разжижителя. В результате
процесса вулканизации смесь отверждается непосредственно в шве
и получается эластичный, резиноподобный уплотнитель черного
цвета.
-Нетвердеющую мастику изготовляют из полиизобутилена, мяг-
чителя (нейтрального масла) и тонкодисперсного минерального наполнителя— мела, известняка или другого порошкообразного материала. Для нагнетания мастики применяют шприц со сменными
патронами. Сменные патроны могут быть металлическими и картонными, иногда их изготовляют из стеклопластиковых труб. Термошкаф для подогрева патронов оборудован электронагревателями.
Мастика изол представляет собой сложную смесь, составленную
из резиновой крошки (полученной измельчением отработанной ре-
Рис. 163. Нанесение герметизирующей мастики
пневматическим шприцем
13-664
385
--------------- page: 194 -----------
зины), битума, кумароновой смолы, волокнистого наполнителя
(асбеста) и антисептика (антраценового масла). Эту мастику при~
меняют как в горячем состоянии (подогретой до температуры 80—
100°С), так и в холодном виде — с добавкой растворителя (бензина, лигроина, зеленого масла и т. п.). Холодная мастика изол используется для обмазки и приклейки пороизола.
Эластичные прокладки выпускают в виде иористых или плотных
жгутов на основе резины, полиуретана, синтетических каучуков.
Пороизол — эластичные пористые жгуты, изготовляемые из крошки отработанной резины, мягчителя, порообразователя и антисептика. Применяют для герметизации вертикальных и горизонталь-,
ных швов панелей наружных стен, а также для герметизации зазо-,
ров между оконными коробками и примыкающими к ним панелями.
Пороизол выпускают в виде полос прямоугольного сечения размером 30X40 и 40X40 мм или жгутов диаметром 10—60 мм.
Гврнит—пористая эластичная прокладка в виде жгута с водонепроницаемой пленкой на поверхности. Его изготовляют на основе
негорючего полихлорпренового каучука, хорошо сопротивляющегося атмосферным воздействиям. Прокладки из гернита выпускают
длиной 3 м и диаметром 20, 40 и 60 мм. Плотная наружная оболочка обеспечивает водонепроницаемость гернита: его водопоглоще-
ние за 48 ч не превышает 0,4%. Гернит более долговечен, чем пороизол, к тому же он обладает и большим относительным удлинением.
Для герметизации швов применяют прокладки сплошного и по-,
логого сечения. Внутри полой прокладки можно создать вакуум; такую прокладку устанавливают в шов, конец ее обрезают, и воздух/
заполняя полость прокладки, плотно прижимает ее стенки к кром-;
кам панели, что обеспечивает хорошую герметизацию шва. Необхо-,
дим постоянный контроль за операциями подготовки швов к герметизации и за качеством самой герметизации. Кромки панелей в местах укладки герметики должны быть очищены от раствора и
загрязнений, нужно проверять степень обжатая упругих прокладок
(гернита, пороизола и т. п.) в швах по всей длине прокладок, а
также плотность приклеивания прокладок к бетонным кромкам панелей.
При герметизации стыков следует тщательно соблюдать правила охраны труда. При использовании мастик с горячими компонентами (растворителями и др.) предусматривают меры пожарной
безопасности: при приготовлении мастик и в местах, где ведутся
работы, нельзя курить и пользоваться открытым огнем. Руки защищают резиновыми перчатками и специальной мыльной пастой, которую наносят до начала работ.
РАЗДЕЛ XIV
ЛАКОКРАСОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Глава 69
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Лакокрасочными материалами называют вязкожидкие составы,
наносимые на поверхность конструкции тонким слоем, который через несколько часов отвердевает и образует пленку, прочно сцепляющуюся с основанием. Схема лакокрасочного покрытия показана на рис. 164.
К лакокрасочным материалам относят: 1) грунтовки и шпаклевки, служащие для подготовки поверхности к окраске; нанося их,
получают однородные и ровные поверхности; 2) красочные составы (краски), применяемые в вязкожидком или пастообразном виде,
образующие покрытие нужного цвета; 3) связующие вещества и
пигменты, из которых изготовляют красочные составы; 4) лаки,
создающие пленку, отличающуюся блеском; 5) растворители и раз-
жижители лаков и красок; 6) пластификаторы, отвердители полимерных красок и другие специальные добавки.
Лакокрасочные -материалы применяют для архитектурной отделки фасадов зданий, они придают помещениям красивый вид,
создают в них необходимые санитарно-гигиенические условия. Нередко лакокрасочные материалы помогают предохранить материал
конструкции от разрушительных воздействий среды. Отделочный
слой фасада здания первый встречает действие дождя, ветра, агрессивных газов, содержащихся в воздухе, изменения температуры
среды. Придавая лакокрасочному покрытию водоотталкивающие
свойства и эластичность, можно значительно увеличить срок безремонтной службы самой отделки, повысить долговечность конструкции и улучшить эксплуатационные качества зданий. Все шире применяют лакокрасочные материалы специального назначения. Одни
из них являются химически
стойкими, ими покрывают
- металлические и железобетонные конструкции для предохранения от коррозии, другие необходимы для защиты
древесины (антисептические
и огнезащитные краски для
дерева). Имеются жароупорные лаки, которыми окрашивают промышленное оборудование. Санитарно-техни-
Рис. 164. Схема лакокрасочного покрытия:
i — основа (бетон); 2 — раковины, заполненные
цементным раствором; 3 — грунтовка; 4 —шпаклевка; 5 — слои красочного состава (два и более); 6 — слой лака (бесцветного)
13»
387
--------------- page: 195 -----------
ческое оборудование, металлические трубопроводы тоже нуждаются
в защитной окраске.
Лакокрасочная промышленность выпускает в основном готовые
материалы, перед их употреблением добавляют лишь растворители
или разбавители.
Сборные конструкции и детали должны поступать с заводов на
строительство с полной готовностью, т. е. в окончательно отделанном виде. Для этого на заводах сборных строительных конструкций предусматривается конвейерная линия отделки элементов.
Глава 70
ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ КРАСОЧНОГО СОСТАВА
§ 1. Связующие (пленкообразующие) вещества
Связующими веществами в красочных составах служат следующие материалы: полимеры— в полимерных красках, лаках, эмалях; каучуки — в каучуковых красках; производные целлюлозы —
в нитролаках; олифы — в масляных красках; клеи — животный и
казеиновый — в клеевых красках; неорганические вяжущие вещества — в цементных, известковых, силикатных красках.
Полимеры применяют в красках и лаках вместе с растворителем, а также в сочетании с олифой или цементом (полимерцемент-
ные красочные составы).
Применение синтетических полимеров значительно сократило
расход растительных масел на приготовление строительных красок
и дало возможность выпускать новые виды долговечных и экономичных красочных составов. Хотя некоторые полимерные краски и
лаки еще дороги, все же стоимость окраски 1 м2 поверхности полимерными составами, отнесенная к 1 году эксплуатации, часто бывает ниже стоимости отделки другими строительными красками
(известковыми и др.). Широкое применение полимерных лаков и
эмалей привело к почти полному отказу от импорта дорогих природных смол (шеллака, копалла, даммара), ввозимых из Индии
и других стран. Прежде же основным сырьем лакокрасочной
промышленности являлись природные смолы и растительные
масла.
Связующее вещество является главным компонентом красочного состава, который определяет консистенцию краски, прочность,
твердость и долговечность образующейся пленки. Связующее выбирают, учитывая и прочность его сцепления (адгезию) с основанием
после отвердевания. Защитные свойства лакокрасочного покрытия
по отношению к металлу, бетону или другому материалу зависят
как от связующего, так и от примененного пигмента. Например,
алюминиевый пигмент замедляет коррозию стали, в то время как
малярная сажа ее ускоряет.
388
§ 2. Пигменты
Пигменты представляют собой тонкие цветные порошки, не растворимые в связующем веществе и растворителе. От них зависит
не только цвет, но и долговечность лакокрасочного покрытия. Подобно заполнителю в строительных растворах и бетонах, пигмент
уменьшает усадочные деформации пленки при ее твердении («высыхании») и при колебаниях влажности окружающей среды. Искусственные пигменты с большой красящей способностью разбавляют белым тонкодисперсным наполнителем, что удешевляет красочный состав. Наполнителями служат мел, молотый известняк или
гипс, порошки сернокислого бария или талька, не снижающие ат-
мосферостойкоСти покры'гия.
Неорганические пигменты почти полностью состоят из окислов
и солей металлов различного цвета.
Красочные составы, выпускаемые заводами, а также приготовляемые на месте строительных работ, содержат чаще всего неорганические пигменты.
Органические пигменты — это сажа малярная, графит и синтетические красящие вещества *, обладающие высокой красящей способностью. К ним относятся: пигменты желтый и оранжевый светопрочные, пигмент алый, пигмент голубой.
Пигменты бывают природные (мел, охра, мумия, сурик железный, киноварь) и искусственные. К искусственным пигментам, получаемым путем химической переработки сырья, относят белила,
кроны, ультрамарин, лазурь малярную и др.
Белые пигменты. К ним относят белила, мел, известь.
Титановые белила представляют собой тонкий порошок двуокиси титана ТЮг. Их считают лучшими из современных белил: они
светостойки, обладают хорошей кроющей способностью, не ядовиты. Применяют для изготовления масляных, эмалевых и других
наружных и внутренних красок по металлу, дереву, штукатурке.
Цинковые белила — в основном окись цинка ZnO — светостойки, не ядовиты, но так же, как и свинцовые белила, недостаточно
стойки к действию щелочей.
Свинцовые белила — белый порошок основного углекислого
свинца 2РС03-РЬ(0Н)2. Применяют их редко вследствие токсичности. Темнеют при действии сероводорода, сернистого газа и других сернистых соединений. Поэтому свинцовые белила нельзя, например, смешивать с ультрамарином.
Литопоновые белила, состоящие из осажденных сернокислого
цинка и сернокислого бария, на свету желтеют. Поэтому их применяют в смеси с голубым пигментом для внутренних покрасок.
Мел широко используют как пигмент и наполнитель для разбе-
ливания цветных пигментов. Чаще всего входит в состав клеевых
окрасок помещений, силикатных красок, побелок потолков.
*
на базе которых получено большинство органических красителей.
389
--------------- page: 196 -----------
Известь воздушную применяют главным образом для побелки
фасадов зданий.
Алюминиевый пигмент имеет пластинчатую форму частиц, благодаря которой получают плотное красочное покрытие, имеющее
«панцирное» строение. Алюминиевая масляная окраска металлических конструкций предохраняет их от коррозии, поскольку образующаяся пленка водостойка, практически непроницаема для ультрафиолетовых солнечных лучей и долговечна.
Желтые пигменты — кроны и охры.
Крон цинковый (хромовокислый цинк) применяют в основном
для антикоррозионных окрасок металлических покрытий.
Кроны свинцовые (соединения хромовокислого и сернокислого
свинца) —это пигменты, имеющие цвет от лимонного до оранжевого. Желтые кроны изменяют свой цвет под действием раствора щелочей (краснеют). Свинцовые кроны токсичны, работа с ними требует соблюдения требований охраны труда.
Охры, называемые иногда земляными красками, состоят из гидрата окиси железа с примесью глины. Цвет охры может быть от
светло-желтого и золотистого до темно-желтого в зависимости от
содержания окиси железа и примесей. Прокаленная охра приобретает коричневый или красный цвета.
Коричневые пигменты. Эта группа пигментов включает умбру и
ряд смешанных пигментов, получаемых из железного сурика и мумии с добавкой измельченной перекиси марганца и окиси хрома.
Умбра, так же как и охра, относится к числу земляных красок.
Это тонкий порошок глины, окрашенный в природных условиях
Fe203, Мп02 и другими примесями в различные оттенки коричневого цвета.
Зеленые пигменты — окись хрома, зелень цинковая и другие
смешанные пигменты.
Окись хрома Сг203 обладает многими достоинствами: устойчива
к действию щелочей, кислот и повышенных температур. Для получения зеленовато-синих оттенков добавляют ультрамарин.
Зелень цинковую получают смешением кронов с малярной лазурью и наполнителем (BaSC^). Она устойчива к действию щелочей.
Синие пигменты: ультрамарин и лазурь малярная.
Ультрамарин получают сплавлением каолина с содой и серой
(или Na2S04 и углем). Наибольшее распространение нашел синий
ультрамарин, служащий пигментом в строительных красках, применяемый также для окраски бумаги и в быту («синька» используется для подсинивания белья, льна). Состав ультрамарина приближенно выражается формулой Na4Al3Si3S20i2. Хотя он стоек к воде, мылу и слабым щелочам, кислоты обесцвечивают ультрамарин, разлагая.его с выделением сероводорода и кремниевой кислоты.
Лазурь малярная представляет собой интенсивно синюю соль
трехвалентного железа состава Fe4[Fe(CN6)]3. В воде и кислотах
лазурь практически нерастворима, но щелочи ее разлагают с выде390
лением Fe(OH)3. Поэтому при нанесении на бетон или свежую штукатурку эта краска теряет свой цвет.
Красные пигменты. Из этой группы пигментов наиболее широко
применяют сурик железный, мумию, сурик свинцовый.
Сурик железный — тонкий порошок окиси железа кирпичнокрасного цвета.
Мумия искусственная — пигмент, имеющий различные оттенки
в зависимости от соотношения составных частей — окиси железа и
сернокислого кальция.
Мумия природная — тонкий минеральный порошок, окрашенный
в естественных условиях окислами железа в красный цвет.
Сурик свинцовый — порошок красно-оранжевого цвета, содержащий в основном перекись свинца РЬ0-РЬг03.
Редоксайд — красный железоокисный пигмент, стойкий к щелочной среде.
Черные и серые пигменты — сажа малярная, перекись марганца, тонкомолотый графит.
Сажа малярная представляет порошок почти чистого углерода.
Пигменты, содержащие углерод в свободном состоянии (к ним относится сажа), образуют с железом гальваническую пару, ускоряющую коррозию стали.
Перекись марганца Мп02 (пиролюзит), получаемая из марганцевой руды, свето- и щелочестойкий, сравнительно дешевый пигмент.
Графит содержит 70—95% углерода, в измельченном виде применяется как серый пигмент.
Основные свойства пигментов. Дисперсность пигмента влияет
на все его основные свойства. Чем мельче частицы пигмента, тем
выше его укрывистость и красящая способность (до достижения
оптимальной степени дисперсности). Полифракционный состав
пигмента позволяет получить плотное красочное покрытие при минимальном расходе связующего вещества.
Укрывистость характеризует расход красочного состава (по
массе) на единицу окрашиваемой поверхности.
Красящая способность — это свойство пигмента передавать свой
цвет белому пигменту.
Маслоемкость характеризуется количеством (в г) олифы, необходимым для превращения 100 г пигмента в пастообразное состояние.
Светостойкость — свойство сохранять свой цвет при действии
ультрафиолетовых лучей. Большинство природных пигментов (охра, сурик железный и др.)—светостойки. Литопоновые белила
желтеют на свету, некоторые органические пигменты обесцвечиваются.
Атмосферостойкость — свойство длительное время противостоять воздействию атмосферных факторов: воды, кислорода воздуха,
сернистых, и других газов, попеременному увлажнению и высыханию, замораживанию и оттаиванию.
391
--------------- page: 197 -----------
Химическая стойкость к действию щелочей и кислот. Ряд пигментов изменяет свой цвет или обесцвечивается при соприкосновении с щелочными растворами. Например, малярная лазурь в щелочной среде обесцвечивается, свинцовый желтый крон краснеет.
Подобные пигменты не применяют для изготовления красочных
составов, наносимых на поверхность свежего бетона или цементно-
известковой штукатурки. Щелочестойкими являются почти все природные пигменты (охры, мумия, умбра, перекись марганца), а также
многие искусственные пигменты (титановые белила, окись хрома,
органические пигменты «алый» и «оранжевый»).
Для изготовления специальных кислотостойких красок применяют только кислотостойкие пигменты (графит, титановые белила,
окись хрома).
Безвредность для здоровья работающих является важным требованием к пигменту. Пигменты, содержащие соединения свинца
(свинцовые белила, крон и сурик свинцовые), токсичны и при их
применении необходимо соблюдать установленные правила охраны
труда.
§ 3. Растворители и разбавители
Растворители применяют при изготовлении полимерных и каучуковых красок, лаков, эмалей и некоторых других красочных составов. Способностью растворять полимеры, каучук и масла обладают большей частью углеводородные продукты: ацетон, скипидар,
бензол, лаковый керосин или уайт-спирит, сольвент-нафта, комбинированный растворитель Р-4.
Разбавители не растворяют пленкообразующие вещества и служат лишь для уменьшения вязкости красочного состава, т. е. их
добавляют для придания краске удобонаносимости. Роль разбавителя выполняет олифа, добавляемая в густотертую масляную краску, или вода, вводимая в водоэмульсионный красочный состав.
Глава 71
ПОЛИМЕРНЫЕ КРАСОЧНЫЕ СОСТАВЫ
§ 1. Полимерные краски
Полимерная краска представляет собой суспензию пигмента в
растворе полимера или перхлорвиниловой смолы. К числу хорошо
зарекомендовавших себя фасадных красок принадлежат кремнийорганические эмали (типа КО-174), перхлорвиниловая краска,
эпоксидно-полиамидная композиция. Вследствие высокой атмосфе-
ростойкости краски отделка фасада здания сохраняется 10—12 лет
и более, ее можно очищать от пыли, промывая водой. Кремнийорганические покрытия непроницаемы для капельно-жидкой воды,
392
но пропускают водяной пар из помещения наружу. Такие покрытия
не препятствуют естественной вентиляции помещений, но в то же
время защищают наружные стены зданий от увлажнения. Полимерные краски широко применяют для отделки стеновых панелей
и блоков полной заводской готовности, а также для окраски и восстановления фасадов построенных зданий. Затраты на отделку единицы поверхности полимерными красками, отнесенные к одному
году эксплуатации, ниже по сравнению с другими красочными составами.
Каучуковые краски получают путем диспергирования хлоркау-
чука в летучем растворителе. Поскольку каучуковые краски химически стойки и обладают высокой водостойкостью, то их применяют
для защиты от коррозии металлических и железобетонных конструкций. Положительным свойством хлоркаучуковых и кумароно-
каучуковых красок является высокая эластичность пленки, благодаря чему защитное покрытие следует за деформациями конструкции и сохраняется без трещин.
Эфироцеллюлозные краски представляют собой пигментированные дисперсии нитро- или этилцеллюлозы в летучих растворителях.
Нитролаки часто применяют взамен масляных красок, причем эти
лаки высыхают значительно быстрее масляных красочных составов.
Как видно, полимерная краска содержит органический раство*
ритель в таком количестве (30—50% по массе), которое необходимо для придания составу малярной консистенции. После нанесения
Покрытия растворитель испаряется (улетучивается) и на окрашиваемой поверхности образуется атмосферостойкая пленка. Дисперсия полимера в летучем растворителе должна смачивать материал,
тогда она проникает в поры материала (бетона, кирпича и т. п.),
обеспечивая прочное сцепление образующейся пленки с основанием.
Полимерные краски быстро высыхают, однако при этом безвозвратно теряются ценные продукты — летучие органические растворители. Большинство растворителей горит, их пары огнеопасны
и взрывоопасны. Накапливаясь в закрытых помещениях, пары
растворителей вредно влияют на здоровье людей и могут быть причиной пожара, поэтому должны соблюдаться установленные меры
охраны труда и противопожарной безопасности.
Более безопасными и экономичными являются эмульсионные
красочные составы тоже на основе полимеров, но не содержащие
летучих растворителей или содержащие их в небольших количе-.
стЬах.
§ 2. Полимерные эмульсионные (латексные) краски
Эмульсионной краской называют систему из двух несмеШиваю-
щихся жидкостей, в которой частицы (глобулы) одной жидкости
(дисперсная фаза) распределены в другой жидкости (дисперсная
393
--------------- page: 198 -----------
среда или внешняя фаза). Устойчивость эмульсии обеспечивается
лишь при введении эмульгатора, такого поверхностно-активного
вещества, которое, адсорбируясь на частицах дисперсной фазы, понижает поверхностное натяжение и образует оболочки вокруг частиц, препятствующие их слипанию.
Эмульсионные красочные составы типа «полимер в воде» содержат полимер, диспергированный в воде, в виде мельчайших глобул.
Кроме пленкообразующего вещества (синтетической смолы или
каучука) и воды красочный состав содержит эмульгатор, пигмент
и добавки, улучшающие свойства краски. Эмульсионные краски
обычно поставляют в виде пасты (чтобы не возить лишнюю воду),
которую уже на месте применения разбавляют водой до малярной
консистенции. Воду из нанесенной на поверхность эмульсионной
краски частично впитывает пористое основание (бетон, штукатурка
и т. п.), а оставшаяся в покрытии вода испаряется. В результате
этого эмульсия распадается и через 1—2 ч образуется прочное
гладкое матовое покрытие, свето- и водостойкое. Благодаря своей
пористости покрытие газопроницаемо. Поэтому эмульсионными
красками нередко окрашивают непросохшие поверхности штукатурки или бетона, так как влага из материала подложки может
испаряться через поры покрытия. Эмульсионные краски не токсичны, пожаро- и взрывобезопасны. Их применяют для наружных и
внутренних малярных работ.
Поливинилацетатная краска представляет собой пигментированную водную дисперсию поливинилацетата, пластифицированную дибутилфталатом; применяют для окраски по бетону, штукатурке, дереву, для отделки древесноволокнистых плит и деталей из
гипсобетона.
Бутадиенстирольную краску используют преимущественно для
высококачественной окраски внутри зданий. Для этой же цели применяют эмульсионную краску марки СЭМ, состоящую из глифта-
левого лака, воды, эмульгатора и специальных добавок.
Акрилатные краски, отличающиеся высокой атмосферостойко-
стью, применяют для долговечной окраски фасадов зданий, а также для отделки влажных помещений. Их выпускают белого, оранжевого и других цветов.
Водостойкие эмульсионные красочные покрытия можно промывать водой с мылом.
§ 3. Полимерцементные краски
Полимерцементные краски изготовляют на основе водной дисперсии полимера и белого портландцемента, в них обычно вводят
пигмент и наполнитель (известковую муку, тальк и т. п.). Для
получения полимерцементных красок часто используют поливинил-
ацетатную дисперсию.
Полимерцементные составы применяют для заводской отделки
крупных панелей и блоков, а также для окраски фасадов зданий
(по бетону, штукатурке, кирпичу).
394
Глава 72
ЛАКИ И ЭМАЛЕВЫЕ КРАСКИ
§ 1. Лаки
Лаками называют красочные составы, полученные диспергированием пленкообразующего вещества (природной или синтетической смолы, битума, олифы) в летучем растворителе. Кроме двух
главных компонентов лак обычно содержит пластификатор, отвер-
дитель и другие специальные добавки, улучшающие качество лакового покрытия.
Битумный (асфальтовый) лак — коллоидный раствор битума в
летучем растворителе. Битумные лаки образуют водостойкие пленки черного цвета, применяют их для антикоррозионного покрытия
металлических деталей санитарно-технического оборудования, канализационных и газовых труб. Ими же покрывают «черные» скобяные изделия — петли, дверные ручки и т. п.
Битумно-масляные лаки используют для окраски металлических
конструкций и деталей (перил, оград и т. П.) Вводимые в состав
лака растительные масла улучшают свойства покрытия — сохраняют эластичность на морозе и не так быстро стареют, как-покрытие из безмасляного битумного лака.
Спиртовые лаки и политуры — растворы синтетических или
природных смол в спирте, имеющие коричневый, желтый или другой цвет. Их используют для полировки деревянных деталей, мебели, для покрытия изделий из стекла и металла.
Нитролаки — растворы производных целлюлозы в органических
растворителях, обычно содержащие пластификатор. Нитролак быстро высыхает, дает блестящую пленку коричневого или желтого
цвета, его широко применяют для окраски мебели и деревянных
деталей. Этилцеллюлозный лак бесцветен, им лакируют неокрашенные и окрашенные изделия и детали из дерева. Нитролаки огнеопасны; высыхая, выделяют вредные для здоровья пары растворителя. Поэтому необходима осторожность и соблюдение установленных правил охраны труда.
Смоляные лаки находят широкое применение сообразно свойствам синтетической смолы, диспергированной в органическом растворителе. Лаки на основе мочевино-формальдегидной и полиэфирной смол используют для окраски паркетных полов, для отделки
фанеры, столярных изделий, древесностружечных плит. Окраска
перхлорвиниловым лаком защищает материал строительных конструкций от коррозии. Для лакировки деталей из цветных металлов и дерева применяют алкидный лак.
Масляно-смоляные лаки выпускают разного назначения. Одни
из них используют для лакировки мебели и деревянных полов, другие предназначены для наружных малярных работ. Лакировка
масляной окраски усиливает антикоррозионные свойства покрытия.
395
--------------- page: 199 -----------
§ 2. Строительные эмалевые краски
Эмалевой краской (или, сокращенно, эмалью) называют композицию из лака и пигмента. Пленкообразующими веществами в эмалевых красках служат полимеры — глифталевые, перхлорвинило-
вые, алкидностирольные синтетические смолы, эфиры, целлюлозы.
Строительные эмали из глифталевых смол распространены для
внутренних отделочных работ по штукатурке, дереву, их же применяют для заводской отделки асбестоцементных листов, древесноволокнистых плит. Нитроглифталевые и пентафталевые эмали применяют как для внутренних, так и для наружных малярных работ.
Перхлорвиниловые эмалевые краски водостойки; их применяют
преимущественно для наружной отделки.
Битумную эмалевую краску получают, вводя в битумно-масляный лак алюминиевый пигмент (алюминиевую пудру). Эти эмали
стойки к действию воды; применяют их для окраски санитарнотехнического оборудования, стальных оконных рам, решеток.
§ 3. Лакокргсочные защитные покрытия
Лакокрасочные материалы применяют для защиты строительных конструкций и сооружений от воздействия воды и влажной атмосферы, содержащей агрессивные газы.
Химически стойкие красочные составы приготовляют на основе
перхлорвиниловых, эпоксидных и фуриловых смол. Используют
также резольную феноло-формальдегидную смолу (бакелитовый
лак), нефтяной битум и каменноугольный пек.
Покрытие обычно состоит из грунтовки, шпаклевки и покровных слоев красочного состава (лака, эмалевой или эмульсионной
краски).
Перхлорвиниловые лаки и эмали выпускают в широком ассортименте в виде дисперсии ПХВ смолы в растворителе Р-4. Химически стойкие эмали (ХСЭ) отличаются кислотостойкостью: для получения плотного покрытия наносят несколько слоев эмали (до 6—
10 слоев).
Эпоксидные лакокрасочные материалы (эмали, лаки, шпаклевки) получают на основе эпоксидных смол и их смесей с другими
смолами (компаунды). Используют известные органические растворители — ацетон, толуол, а также специальные растворители.
Эпоксидные лаки и эмали отличаются высокой стойкостью к щелочам, солям, маслам и к большинству растворителей. Они нашли
широкое применение для защиты различных сооружений (резервуаров, отстойников, вытяжных труб), а также металлических конструкций и оборудования.
Бакелитовый лак — раствор резольной феноло-формальдегид-
ной смолы. Для ускорения отверждения бакелитовые лаки подвергают тепловой обработке. Они стойки к кислотам, солям и к ряду
органических растворителей (ацетону, анилину и др.) при температурах до 120°С, но разрушаются в растворах щелочей и при воздей396
ствии влажного хлора и окислителей (азотной и крепкой серной
кислот). Бакелитовые лаки применяют для защиты от коррозии
промышленной аппаратуры и сооружений.
Фуриловые лаки — это спирто-ацетоновые растворы фуриловых
и феноло-формальдегидных смол. Используют их для защиты бетонных и стальных поверхностей против кислых и щелочных сред.
Кремнийорганические (силиконовые) лаки и эмали получают
на основе кремнийорганических смол, модифицированных другими
смолами. Они отличаются повышенной теплостойкостью (до 200—
300°С), могут выдерживать кратковременное действие высоких температур (до 500°С). Поэтому силиконовые полимеры применяют в термостойких покрытиях для окраски дымовых труб, печей, вентиляторов и т. п.
По Вейгелю, при нагреве силиконовых смол выше определенной
температуры (например, метилсиликонов свыше 260—300°С) происходит постепенное отделение и окисление алкильных и арильных
групп. Если пленки пигментированы, то образующиеся высокоактивные силиконовые группы могут вступать в реакцию с пигментом.
Этим объясняется, что пигментированные силиконовые пленки часто не разрушаются даже при t=350—500°С, причем сохраняется их
адгезия к подложке, тогда как непигментированные пленки разрушаются и отклеиваются. Силиконовые краски наносятся кистью,
распылением, окунанием или валиком. Некоторые из них высыхают
при комнатной температуре, другие — при нагревании до 260°С.
На основе кремнийорганических смол получают также эмали
КО-174 общего назначения. Они представляют собой суспензию
пигментов и наполнителей в кремнийорганическом лаке (с добавлением растворителя). Эмали выпускают разных цветов, их используют в качестве защитных декоративных покрытий.
Лакокрасочная защита строительных конструкций привлекает
сравнительной простотой выполнения покрытия, возможностью легко возобновить защиту, относительной экономичностью по сравнению с другими видами защиты (оклеечная изоляция, футеровка).
Все шире начали применять сложные компаунды, которые получают сочетанием различных полимеров или совмещением их с
другими продуктами (например, с битумом). В компаундах используют положительные свойства компонентов, что позволяет достигнуть почти универсальной стойкости (исключая действие сильных
окислителей).
Получают распространение покрытия, армированные волокнами
или тканями (хлопчатобумажной, синтетической или стеклотканью
в зависимости от среды). Для создания более надежной защиты
прибегают к утолщенным покрытиям — обмазкам.
§ 4. Обмазки и замазки
Для защиты стальной арматуры от коррозии, особенно опасной
в ячеистых бетонах, применяют защитные покрытия в виде обмазок. Хорошо себя зарекомендовали смеси, приготовленные на осно-
397
--------------- page: 200 -----------
ве растворов химически стойких синтетических смол и портланд*
цемента.
Цементно-полистирольную обмазку приготовляют из портланд*
цемента, полистирольного клея и молотого песка. Полистирольный
клей получают растворением полистирола в скипидаре в соотношении 1 :4 (по массе). Обмазка высыхает на воздухе при 20°С примерно за 30 мин.
Цементно-перхлорвиниловая обмазка состоит из перхлорвини-
лового лака и портландцемента, взятых в соотношении 1:1. Сушка
обмазки продолжается 4 ч. Арматура покрывается обмазкой, имеющей сметанообразную консистенцию, малярными средствами, либо
погружением. Обмазка может использоваться в сочетании с ингибиторами коррозии арматуры (нитритом натрия и др.).
Применяют и другие виды обмазок: цементно-казеиновую смесь,
цементно-битумную мастику и глино-битумную пасту.
Замазки применяют преимущественно в качестве вяжущих при
выполнении облицовочных и футеровочных работ. Кроме того, их
используют как покрытия для защиты от коррозии металлической
промышленной аппаратуры.
Арзамит-замазку приготовляют на основе раствора резольной
феноло-формальдегидной смолы с добавкой отвердителя и наполнителя (молотого кварцевого песка, сернокислого бария, графитового порошка и т. п.). Она водостойка, хорошо противостоит действию кислых и нейтральных сред. Обладает сравнительно высокой
прочностью при растяжении от 3 до 5 МПа в зависимости от марки.
Рекомендуется применять замазку при температуре 18—20°С.
Фаизол-замазку изготовляют на фурфурол-ацетоновом мономере (ФА) с добавлением бензосульфокислоты (БСК). Наполнителем служат графит, андезит, кокс в виде порошка. Фаизол-замазки
стойки к действию воды, щелочей, органических растворителей
(кроме ацетона) и кислот (за исключением окисляющих).
Замазки токсичны, поэтому работы с замазками следует выполнять при строгом соблюдении установленных правил охраны
труда.
Глава 73
ОЛИФЫ И МАСЛЯНЫЕ КРАСКИ
§ 1. Олифы
Олифами называют связующие вещества в масляных красочных
составах. Применяют натуральные и полунатуральные олифы.
Натуральные олифы получают путем специальной обработки
растительных масел: льняного, конопляного и некоторых других.
Высыхающие масла представляют собой смесь сложных эфиров и
жирных кислот, содержащих двойные и тройные связи. Наличие
кратных связей предопределяет способность масел отвердевать в
398
тонком слое на воздухе вследствие окислительной полимеризации.
•Чтобы ускорить процесс отвердевания («высыхания»), масло подвергают термической обработке при температуре около 150°С с добавлением в него 2—4% сиккативов. Сиккативами служат окислители, растворяющиеся в нагретом масле, — марганцевые, кобальтовые соли жирных или нафтеновых кислот. Получаемая таким образом олифа быстро высыхает в тонком слое (за 12—24 ч). Термин
высыхание олифы — условный, он характеризует переход олифы из
жидкого в твердое состояние, обусловленный химическими процессами окисления и полимеризации.
Полунатуральные олифы получают путем растворения сильно
уплотненного масла в летучем органическом растворителе. Для
производства полунатуральных олиф можно применять невысыхающие и полувысыхающие пищевые масла (хлопковое, подсолнечное, соевое, касторовое), не пригодные для натуральных олиф. Такие масла сначала сильно уплотняются, превращаясь з густовязкое
вещество в результате специальной обработки. Чаще всего применяется оксидация, осуществляемая в присутствии сиккативов, путем
продувания воздуха при 130—150°С. Происходящая в этом процессе окислительная полимеризация масла дает возможность изготовлять оксидированные олифы (оксоли). Полученная густая масса
доводится до малярной консистенции на заводе добавлением примерно равного (по массе) количества растворителя. Полунатуральные олифы высыхают вследствие испарения растворителя, а также
взаимодействия масла с кислородом воздуха.
Реже применяют уплотнение масла путем его варки в атмосфере нейтрального газа в вакууме при температуре около 300°С.
Полунатуральные олифы уступают натуральным по показателям прочности и атмосферостойкости пленки, поэтому их применяют преимущественно для внутренних малярных работ.
Глифталевая олифа представляет собой раствор синтетической
глифталевой смолы в летучем органическом растворителе с добавкой около 35% растительного масла. Эта олифа по своей атмосферостойкости почти не уступает натуральной олифе.
Искусственные безмасляные олифы получают в виде раствора
алюминиевых и кальциевых солей оксикарбоновых рислот в летучем растворителе («карбоноль», «нафтеноль» и др.). Подобные
олифы дают малярное покрытие низкого качества и применяются
редко.
Качество олиф характеризуется цветом, прозрачностью, скоростью высыхания, долговечностью и прочностью пленки.
§ 2. Масляные краски
Масляные краски выпускают в виде однородных суспензий, в
которых каждая частица пигмента окружена адсорбированным на
ее поверхности связующим веществом — олифой. На заводах масляные краски изготовляют путем тщательного растирания олифы
с пигментом и наполнителем в специальных машинах.
399
--------------- page: 201 -----------
Выпускают густотертые и жидкотертые масляные краски. Густотертые краски — в виде паст — доводят до рабочей вязкости добав*
лением олифы на месте работ. Жидкотертые краски выпускают го*
товыми к употреблению с содержанием 40—50% олифы. К таким
краскам относятся, например, титановые и цинковые белила.
Масляные краски применяют с учетом вида олифы и пигмента,
входящих в их состав. Краски на натуральной олифе используют
для защитной окраски стальных конструкций мостов и гидротехни-
ческих сооружений, стальных опор и т. п., а также для окраски
оконных переплетов, полов и других деревянных элементов, предохраняющей дерево от увлажнения. Нижние части стен больничных и школьных помещений, подвергающиеся частой промывке,
окрашивают масляной краской. Матовое покрытие получают, применяя водоэмульсионные масляные составы, к тому же более дешевые, чем масляная краска.
Глава 74
КРАСОЧНЫЕ СОСТАВЫ НА ОСНОВЕ НЕОРГАНИЧЕСКИХ
ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ И КЛЕЯ ИЗ ПРИРОДНОГО СЫРЬЯ
§ 1. Цементные краски
В цементных красках связующим веществом является белый
портландцемент; пигменты должны быть щелочестойкими. Для увеличения водоудерживающей способности красочного состава в него
вводят известь-пушонку и хлористый кальций. Для повышения ат-
мосферостойкости в краску добавляют гидрофобизующие вещества— мылонафт, стеарат кальция. Примерный состав цементной
краски (% по массе): цемент — 75, известь-пушонка—15, пигмент — 6, хлористый кальций — 3, гидрофобизующая добавка ^ 1—■
1,5. Цементные краски применяют для наружных малярных работ
и внутренней окраски влажных производственных помещений по
бетону, кирпичу, штукатурке (окрашиваемую поверхность предварительно увлажняют).
§ 2. Известковые краски
В известковых красках связующим веществом служит гашеная
известь. Известковое «молоко» должно иметь подходящую малярную консистенцию. Пигменты применяют только щелочестойкие
(охры и т. п.). Для сохранения влаги в нанесенном составе, нужной
для успешной карбонизации извести, в состав вводят водоудерживающие добавки: поваренную соль, хлористый кальций или алюминиевые квасцы. Доступность и дешевизна обусловили все еще
довольно широкое применение известковых составов для окраски
фасадов, хотя из-за слабой атмосферостойкости эти покрытия приходится часто возобновлять.
400
§ 3. Силикатные краски
В силикатных красках связующим веществом является силикат
калия (КгО-тБЮг) в виде водного коллоидного раствора,
В красочный состав входят, кроме связующего, минеральный
щелочестойкий пигмент (охра, железный сурик и др.) и кремнеземистый наполнитель (молотый кварцевый песок, диатомит или
трепел), повышающий водостойкость пленки.
Силикат калия, являющийся пленкообразующим веществом, в
воде подвергается гидролизу:
K2Si03 + ЗН20 = 2КОН + Si02 • 2НгО
Дигидрат кремнезема сам обладает вяжущими свойствами, а
едкая щелочь связывается диатомитом или трепелом:
2КОН + m Si02 = КаО • m Si02 + H20
и пленка силикатной краски становится малорастворимой в воде.
Силикатными красками окрашивают деревянные конструкции
для защиты от возгорания. Они же используются для окраски фасадов и внутри помещений. Атмосферостойкость наружного покрытия повышается при нанесении силикатной краски на основания,
содержащие свободную гидроокись кальция (свежая цементная
или цементно-известковая штукатурка или бетон),
§ 4. Клеевые краски
Клеевые красочные составы приготовляют, используя клеи из
природного сырья: мездровый, костяной или казеиновый; они-то и
являются связующим веществом. Следовательно, клеевая краска
представляет собой суспензию пигмента и наполнителя (мела) в
коллоидном водном растворе клея. Красочное покрытие отвердевает по мере высыхания клеевого состава. Прежде клеевые краски
были распространены во внутренних малярных работах по сухой
штукатурке и дереву. Однако клеевые составы не водостойки, для
них используют природное сырье (например, казеин получают из
молока). Теперь клеевые краски успешно заменяют синтетическими красочными составами.
--------------- page: 202 -----------
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Баженов Ю, М. Технология бетона. М., 1978.
Волженский А. В., Бурое Ю. С., Колокольчиков В. С. Минеральные вяжущие вещества. М., 1979.
Воробьев В. А. Лабораторный практикум по общему курсу строительных
материалов. М., 1978.
Воробьев В. А., Андрианов Р. А. Технология полимеров. М., 1980.
Гершберг О. А. Технология бетонных и железобетонных изделий. М., 1971.
Горчаков Г. И. Специальные строительные материалы для теплоэнергетического строительства. М., 1972.
Г орчаков Г. И., Мурадов Э. Г. Основы стандартизации и контроля качества
продукции. М., 1977.
Горяйнов К. Э., Коровникова В. В. Технология производства полимерных и
теплоизоляционных материалов. М., 1975.
Иванов И. А. Технология легких бетонов на искусственных пористых заполнителях. М., 1974.
Ратинов В. Б., Иванов Ф. М. Химия в строительстве. М., 1977.
Роговой М. И. Технология искусственных пористых заполнителей и керамики. М., 1974.
Рыбьев И. А. Строительные материалы на основе вяжущих веществ. М., 1978.
Полухин П. И. Технология металлов и сварка. М., 1977,
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Аглопорит 221
Автоклав 269
Активные минеральные добавки 139,
150
Алит 114
Алюминиевая пудра 226
Ангидрит 61 ■
Андезит 56
Антипирены 308
Антисептики 304
Асбест 262 .
Асбестоцементные изделия 263—268
Асфальт природный 340
Асфальтены 341
Асфальтобетон 353
Асфальтовые растворы 354
Базальт 55, 57
Белит 114
Бетон гидротехнический 231
—
—
—
—
—
—
—
—
—
Бетонополимер 240
Биотит 49
Битум 340, 341—344
Блоки стеклянные 277
Бумажнослонстый пластик 379
Вата минеральная 319
Вермикулит вспученный 220
Вода для затворения бетона 217
Водопоглощение 21
Водопроницаемость 22
Водостойкость 22
Вулканит 321
Вяжущие гипсовые 156
—
—
—
—
—
Габбро 53
Г азобетон 226
Г азосиликат 226, 228
Геленит 154
Герметизирующие материалы 385
Гернит 386
Гидроизол 347
Гипс природный 67, 156
—
Гипсобетон 224
Глазурь 84
Глина 64, 82
Глифталевые смолы 396
Гнейс 71
Гравий 214
Гранит 51, 52
Грибы домовые 304
Деготь 344—346
Дегтебетон 354
Диабаз 57
Диатомит 68
Диорит 52
Дислокации 36
Доломит 60
Железобетон 242
Жесткость бетонной смеси 166
Жидкое стекло 159
Закон прочности бетона 177
Замедлители схватывания 143
Заполнители 212, 214
—
Защита от коррозии 140, 141
403
--------------- page: 203 -----------
Известняк 65, 109, 116
Известь воздушная 107, 109
—
—
Изол 385
Интрузивные горные породы 50, 54
Кальций хлористый 210, 254
Кальцит 60
Каменное литье 79
Камень бутовый 75
—
—
—
Каолин 82
Каолинит 61
Карбамидный полимер 364
Кварц 48, 60
Кварцит 71
Керамзит 220
Керамика отделочная 98—102
—
—
Кирпич глиняный 95—97
—
Клеи 383
Клинкер цементный 113—116
Конструкции асбестоцементные 267
—
Контракция 131—132
Коррозия 139—142
Краски известковые 400
—
—
—
—
—
Кремнийорганические полимеры 365
Лабрадорит 53
Лаки 395
Линолеум 379
Лесные материалы 310
—
Магнезит 60, 61
Магний хлористый 159
Масло антраценовое 305
Мастики 349
Мел 68
Мергель 65
Модели деформаций 42
—
Морозостойкость 24, 193
Мрамор 72
Мусковит 49
Муллит 87
Наполнители 369
Натрий кремнефтористый 160
Огнестойкость 27
Огнеупорные материалы 104, 105
Олифа 398
Отвердители 356
Пек 345
Пемза вулканическая 57
—
Пенобетон 228
Пеносиликат 228
Пеностекло 322
Пергамин 347
Перлит вспученный 220
Песок 63, 64, 76 v
Песчаник 63, 64
Пигменты 389
Подвижность 165—166
Пластификаторы 169, 170
Плиты асбестоцементные 267
—
—
—
Плитки керамические 100, 101
—
—
Поверхностно-активные вещества 149
Погонажные изделия 382
Полевые шпаты 48
Поливинилацетат 363
Поливинилхлорид 360
Полиметилметакрилат 362
Полимерцемент 372
404
Полистирол 361
Полиэтилен 359
Пористость 16
Пороизол 386
Ракушечник 68
Растворы кладочные 258—261
—
рубероид 346
Сиенит 52
Сиккатив 399
Ситалл 279
Сланец 70
Слюда 49
Совелих 321
Сотопласты 325
Старение 345
Стекло 272
—
—
—
—
—
—
—
Стеклопластик 374
Текстура 51
Толь 347
Трепел 68
Трубы асбестоцементные 267
—
—
«-* пластмассовые {582
—
Туф вулканический 58
•— известковый 66
Удобоукладываемость 165
Усадка 86, 87, 192
Ускорители твердения 144
Усушка 290
Фанера 377
Фарфор 103
Фаяис 103
Феноло-формальдегидиые полимеры
364
Фибробетон 241
Фибролит 324
Целлюлоза 283
Цемент напрягающий 156
—
—
-— портландский 113, 151
—
—
—
—
—
■— сульфатостойкий 147—148
—
расширяющийся 156
Черепица 102
Шамот 83
Шлак доменный 152
Шлакоситалл 279
Шлакопортландцемент 151
Щебень 214—217
Эмульсии битумные 352
Эпоксидные смолы 365
Эттрингит 126, 127
Ячеистые пластмассы 325
--------------- page: 204 -----------
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие
Введение
РАЗДЕЛ I
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Глава 1. Общие сведения
§ 1. Работа строительных материалов в конструкции, их классификация
§ 2. Классификация и стандартизация свойств
§ 3. Связь строения и свойств
§ 4. Связь состава и свойств
Глава 2. Параметры состояния и структурные характеристики строи-<
тельных материалов
§ 1. Параметры состояния
§ 2. Структурные характеристики
Глава 3. Физические свойства строительных материалов
§ 1. Гидрофизические свойства
§ 2. Теплотехнические свойства
Глава 4. Механические свойства Строительных материалов
§ 1. Деформативные свойства
§ 2. Прочность
§ 3. Влияние строения на прочность материала
§ 4. Механическое разрушение
§ 5. Твердость, истираемость и износ
§ 6. Модели механических свойств строительных материалов
§ 7. Релаксация напряжений
Глава 5. Долговечность и надежность
§ Долговечность
§ 2. Надежность
РАЗДЕЛ II
ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Глава 6. Общие сведения
Глава 7. Магматические горные породы
§ 1. Общая характеристика
§ 2. Главные породообразующие минералы
§ 3. Интрузивные абиссальные горные породы
§ 4. Интрузивные гипабиссальные горные породы
§ 5. Эффузивные горные породы
Глава 8. Осадочные горные породы
§ 1. Общая характеристика
§ 2. Главные породообразующие минералы
§ 3. Осадочные обломочные породы
§ 4. Осадочные хемогенные породы
§ 5. Осадочные органогенные породы
Глава 9. Метаморфические горные породы
§ 1. Общая характеристика
§ 2. Главные породообразующие минералы
§ 3. Основные разновидности метаморфических горных пород
Глава 10. Обработка и классификация природных каменных материалов
§ 1. Обработка природных каменных материалов
§ 2. Классификация природных каменных материалов по техническим свойствам
Глава 11. Виды и применение природных каменных материалов
„ § 1. Грубообработанные каменные материалы
§ 2. Штучные камни и блоки для стен . . .
§ 3. Камни и плиты для облицовки ....
§ 4. Камни для гидротехнических сооружений
§ 5. Дорожные каменные материалы ....
§ 6. Каменные кислотоупорные и литые изделия . . .
§ 7. Предохранение каменных материалов от разрушения
РАЗДЕЛ III
КЕРАМИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ
75
75
76
77
78
78
78
80
81
82
82
83
84
86
Глава 12. Общие сведения ....... ..........
Глава 13. Сырьевые материалы
§ 1. Глинистые материалы
§ 2. Отощающие материалы
§ 3. Выгорающие и пластифицирующие добавки
§ 4. Глазури и ангобы'
Глава 14. Свойства глин как сырья для керамических изделий ....
§ 1. Пластичность • и связующая способность глии
’ § 2. Способность глины отвердевать при высыхании
' § 3. Усадка глины .
§ 4. Переход при обжиге в камневидное состояние
§ 5. Спекаемость глины
§ 6. Огнеупорность глины
§ 7. Цвет глины
Глава 15. Общая схема производства керамических изделий .... 88
‘ § 1. Обработка глиняной массы
" § 2. Формование керамических изделий
г § 3. Сушка сырца
§ 4. Обжиг изделий
Глава 16. Свойства керамических изделий
§ 1. Пористость и водопоглощение
§ 2. Теплопроводность
’ § 3. Прочность
' § 4. Морозостойкость
' § 5. Паропроницаемость
Глава 17. Стеновые керамические изделия
§ 1. Глиняный строительный кирпич
' § 2. Эффективные стеновые керамические изделия
' § 3. Сборные изделия из кирпича и керамических камней ... 97
Г л а в а 18. Керамические изделия, для наружной и внутренней облицовки
зданий
‘ § 1. Керамические изделия для облицовки фасадов
§ 2. Плитки для внутренней облицовки стен
§ 3. Плитки для полов
Глава 19. Керамические изделия специального назначения ..... 102
§ 1. Кровельные керамические изделия
' § 2. Дренажные и канализационные трубы
§ 3. Санитарно-технические изделия
' § 4. Кислотоупорные керамические изделия
§ 5. Дорожный кирпич
§ 6. Огнеупорные изделия
РАЗДЕЛ IV
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА
Глава 20. Общие сведения
Глава 21. Вяжущие вещества системы CaO—SI02—Al203—Fe203 . . .
Глава 22. Воздушная известь
§ 1. Получение и гашение
§ 2, Твердение гашеной извести
91
92
93
93
93
93
93
94
94
--------------- page: 205 -----------
§ 3. Молотая негашеная известь
§ 4. Виды и применение воздушной извести
§ 5. Известково-шлаковые и известково-пуццолановые вяжущие
§ 6. Безотходное производство воздушной извести
Глава 23. Портландцемент
§ 1. Общая характеристика портландцемента .......
§ 2. Клинкер
§ 3. Принципы производства . . . .
§ 4. Теория твердения
§ 5. Структура цементного камня
§ 6. Свойства цементного камня
§ 7. Технические характеристики портландцемента и его применение
Глава 24. Специальные виды цемента
§ 1. Быстротвердеющий портландцемент
§ 2. Сульфатостойкий портландцемент
§ 3. Портландцементы с органическими добавками .....
§ 4. Портландцементы с минеральными добавками
§ 5. Белый и цветные портландцементы
§ 6. Тампонажный портландцемент
§ 7. Глиноземистый цемент
§ 8. Расширяющиеся и безусадочные цементы
Глава 25. Гипсовые и другие вяжущие вещества
§ 1. Виды гипсовых вяжущих веществ
§ 2. Твердение и применение гипсовых вяжущих веществ . . .
'§ 3. Гипсоцементнопуццолановые вяжущие
§ 4. Магнезиальные вяжущие вещества
§ 5. Жидкое стекло и кислотоупорный кварцевый цемент ...
Глава 26. Развитие производства вяжущих веществ
РАЗДЕЛ V
БЕТОНЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ НИХ
Глава 27. Общие сведения
Глава 28. Свойства бетонной смеси
§ 1. Реологические свойства бетонной смеси
§ 2. Технические свойства бетонной смеси
§ 3. Факторы, определяющие удобоукладываемость бетонной
смеси
Глава 29. Строение бетона
§ 1. Формирование структуры бетона
§ 2. Понятие о макро- и микроструктуре бетона ......
Глава 30. Основной закон прочности бетона
§ 1. Физический смысл закона прочности бетона
§ 2. Формулы и графики, выражающие зависимость прочности
бетона от основных факторов
Глава 31. Свойства бетона
§ 1. Плотность и объемная масса бетона
§ 2. Проектные марки бетона
§ 3. Определение прочности бетона без разрушения
§ 4. Деформативные свойства бетона
§ 5. Усадка и набухание бетона
§ 6. Морозостойкость бетона
§ 7. Водопроницаемость бетона
§ 8. Теплофизические свойства бетона
§ 9. Радиационная стойкость бетона
Глава 32. Общие основы технологии бетона
§ 1. Определение состава бетона
§ 2. Приготовление бетонной смеси
| 3. Уплотнение бетонной смеси
§ 4. Твердение бетона
§ 5. Контроль качества бетона
408
легких
Глава 33. Тяжелый бетон
§ 1. Материалы для изготовления тяжелого бетона .
§ 2. Применение тяжелого бетона
Глава 34. Легкие бетоны
§ 1. Легкий бетон на пористых заполнителях . . .
§ 2. Крупнопористый бетон
§ 3. Гипсобетон
§ 4. Ячеистый бетон
§ 5. Технико-экономическая эффективность применения
бетонов
Глава 35. Специальные бетоны
§ 1. Гидротехнические бетоны
§ 2. Дорожный бетон и бетонные покрытия полов промышленных
зданий
§ 3. Бетон для защиты от радиоактивных излучений
§ 4. Жаростойкий бетон
§ 5. Кислотоупорный бетон
§ 6. Бетонополимер
§ 7. Бетон, упрочненный волокнами
Глава 36. Применение бетонов в сборных и монолитных конструкциях
§ 1. Общие сведения о железобетоне
§ 2. Применение бетонов в сборных железобетонных конструк
циях
§ 3. Применение бетонов в монолитных железобетонных кон
струкциях
§ 4. Применение бетона в зимних условиях
Р А 3 Д Е Л VI
СТРОИТЕЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ
ч
Глава 37. Общие сведения
Глава 38. Растворные смеси
§ 1. Материалы для изготовления растворных смесей
§ 2. Свойства растворных смесей
Глава 39. Растворы
§ 1, Кладочные, монтажные и штукатурные растворы
§ 2. Специальные растворы
РАЗДЕЛ VII
ИСКУССТВЕННЫЕ КАМЕННЫЕ НЕОБОЖЖЕННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
Глава 40. Асбестоцементные изделия
§ 1. Материалы для изготовления асбестоцемента . .
§ 2. Понятие об изготовлении асбестоцементных изделий
§ 3. Механические свойства асбестоцемента
§ 4. Виды асбестоцементных изделий .......
Глава 41. Автоклавные материалы
§ 1. Понятие об автоклавной технологии
§ 2. Силикатные бетоны
§ 3. Силикатный кирпич
РАЗДЕЛ VIII
МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ СТЕКЛА
Глава 42. Изделия из стекла
§ 1. Химический состав стекла и его свойства
§ 2. Понятие о получении стекла
§ 3. Виды листового стекла
§ 4. Изделия из стекла .........
Глава 43. Изделия из ситаллов
211
211
217
219
219
224
224
225
230
231
231
234
235
237
239
239
241
241
241
243
249
251
256
257
257
258
258
258
261
262
262
263
264
265
268
268
270
271
272
272
273
274
277
278
409
--------------- page: 206 -----------
§ 1. Понятие о получении ситаллов . .
§ 2. Свойства ситаллов и изделия из них
РАЗДЕЛ IX
МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ
Глава 44. Общие сведения
Глава 45. Строение древесины
§ 1. Макроструктура древесины
§ 2. Микроструктура древесину
Глава 46. Основные породы древесины
§ 1. Хвойные породы
§ 2. Лиственные породы
Глава 47. Свойства древесины
§ 1. Физические свойства древесины
§ 2. Механические свойства древесины
Глава 48. Пороки древесины . . .
§ I. Сучки и трещины
§ 2. Пороки формы ствола
§ 3, Пороки строения древесины
§ 4. Химические окраски и грибные поражения
§ 5. Повреждения насекомыми и прочие пороки
Глава 49. Долговечность древесины и способы ее повышенйя ....
§ 1. Физическая и химическая стойкость древесины
§ 2. Причины гниения древесины и способы защиты
§ 3. Защита древесины от возгорания
Глава 50. Сушка древесины
§ 1. Естественная сушка
§ 2. Искусственная сушка
Глава 51. Лесные материалы и изделия из древесины
§ 1. Лесные материалы
§ 2. Полуфабрикаты и изделия из древесины
§ 3. Индустриальные строительные детали из древесины . . .
§ 4. Клееные деревянные конструкции
РАЗДЕЛ X
, ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
Глава 52. Общие сведения
Глава 53. Строение и свойства теплоизоляционных материалов . . .
§ I. Строение и теплофизические свойства
§ 2. Физико-механические свойства теплоизоляционных материалов
§ 3. Свойства, характеризующие долговечность теплоизоляционных материалов
Глава 54. Неорганические теплоизоляционные материалы и изделия . .
§ 1. Виды неорганических теплоизоляционных изделий ....
§ 2. Неорганические рыхлые материалы
Глава 55. Органические теплоизоляционные изделия
§ 1. Изделия на основе древесного волокна
§ 2. Теплоизоляционные пластмассы
Глава 56. Применение теплоизоляционных изделий в конструкциях . .
§ 1. Теплоизоляция промышленного оборудования и трубопроводов
§ 2. Теплоизоляция ограждающих конструкций зданий ....
РАЗДЕЛ XI
АКУСТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Глава 57. Общие сведения
Глава 58. Звукопоглощающие материалы
§ 1. Свойства звукопоглощающих' материалов
410
*
, § 3. Применение звукопоглощающих материалов
Глава 59. Звукоизоляционные материалы
г § 1. Свойства звукоизоляционных материалов
г § 2. Виды звукоизоляционных материалов
< § 3. Применение звукоизоляционных материалов
РАЗДЕЛ. XII
ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА И МАТЕРИАЛЫ ИЗ НИХ
Г л а в а. 60. Общие сведения
Глава 61. Битумные вяжущие вещества
, § 1. Состав и строение битумов
. § 2. Свойства битумов
Глава 62. Дегтевые вяжущие вещества
„ § I. Состав дегтей и пека
§ 2. Свойства дегтей
Глава 63. Материалы на основе битумов и дегтей
§ 1. Кровельные и гидроизоляционные материалы
§ 2. Мастики
§ 3. Эмульсии и пасты
§ 4. Лакокрасочные покрытия
§ 5. Асфальтовые бетоны и растворы
РАЗДЕЛ XIII
МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ ПЛАСТИЧЕСКИХ МАСС
Глава 64. Общие сведения
Г л а ва 65. Связующие вещества и наполнители
§ 1. Полимеры
I § 2. Каучуки и резины
§ 3. Наполнители
Глава 66. Полимерные материалы для несущих и ограждающих конструкций
§ 1. Полимербетоны и полимерцементные бетоны
§ 2. Пластмассы, упрочненные волокнами
§ 3. Фанера
§ 4. Декоративно-облицовочные изделия
§ 5. Материалы для полов
Глава 67. Трубы, санитарно-технические и погонажные изделия, синтетические клеи
§ 1. Трубы
§ 2. Санитарно-технические и погонажные изделия
§ 3. Синтетические клеи
Глава 68. Гидроизоляционные, кровельные и герметизирующие материалы
§ 1. Гидроизоляционные материалы
§ 2. Кровельные материалы
§ 3. Герметизирующие материалы
РАЗДЕЛ XIV
ЛАКОКРАСОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Глава 69. Общие сведения
Г ла в а 70. Основные компоненты красочного состава
§ 1. Связующие (пленкообразующие) вещества
§ 2. Пигменты
§ 3. Растворители и разбавители
Глава 71. Полимерные красочные составы
§ 1. Полимерные краски
§ 2. Полимерные эмульсионные (латексные) краски
§ 3. Полимерцементные краски
333
335
337
337
337
338
340
341
341
342
344
344
345
346
346
349
352
352
353
355
356
356
367
369
370
370
372
377
378
379
382
382
382
383
383
383
384
385
387
388
388
389
392
392
392
393
394
411
--------------- page: 207 -----------
Глава 72. Лаки и эмалевые краски
§ 1. Лаки
§ 2. Строительные эмалевые краски
§ 3. Лакокрасочные защитные покрытии
§ 4. Обмазки и замазки
Глава 73. Олифы и масляные краски
§ 1. Олифы
§ 2. Масляные краски
Глава 74. Красочные составы на основе неорганических вяжущих веществ и клея из природного сырья
§ 1. Цементные краски
§ 2. Известковые краски
§ 3. Силикатные краски
§ 4. Клеевые краски
Предметный указатель
Список литературы
Григорий Иванович Горчаков
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Зав. редакцией В. Г. Акатова
Редактор Н. Н. Попова
Мл. редактор Г. К. Ионова
Художественный редактор В. П. Бабикова
Технический редактор А. К. Нестерова
Корректор Р, К. Косинова
ИБ № 2901
Изд. № Стр-364. Сдано в набор 23.07.80. Подп. к печати 17.12.80. Т-20564.
Формат 60Х90/и. Бум. тип. № 2. Гарнитура литературная. Печать высокая. Объем 26 уел. п. л. Уч.-изд. л. 28,21. Тираж 50 000 экз.
Зак. N« 664. Цена 1 р. 10 к.
Издательство €Высшая школа»,
Москва, К-51, Неглииная ул., д. 29/14
Ярославский полиграфкомбинат Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной
торговли, 150014, Ярославль, ул. Свободы, 97.