Дисциплина «В.2. Строительные материалы специального назначения» (ПК-8)

1. Общие сведения и классификация бетонов. Исходные материалы для тяжелого бетона: виды и требования к ним. Структура и свойства бетонной смеси. Их характеристика и регулирование.

 

Бетон – искусственный каменный материал, получаемый путем затвердевания рационально подобранной смеси минерального или органического вяжущего вещества, заполнителей, воды и добавок. Это один из самых массовых строительных материалов, обладающий комплексом ценных свойств, способностью приобретать любые формы в зданиях и сооружениях, сравнительно низкой стоимостью.

Классификация бетонов.Бетоны классифицируют по средней плотности, виду вяжущего вещества и назначению.

По плотности различают особо тяжелые бетоны с плотностью более 2500 кг/м³; тяжелые – 1800...2500 кг/м³; легкие – 500...1800 кг/м³; особо легкие – менее 500 кг/м³. Особо тяжелые бетоны получают на основе заполнителя из железной руды, барита, чугунного скрапа, свинцовой дроби; тяжелые – на основе заполнителя из плотных горных пород: гранитов, диабаза, песчаника и др. В легких бетонах используют природный или искусственный пористые заполнители, в том числе пемзу, керамзит, аглопорит и др. Особо легкие бетоны (теплоизоляционные) отличаются тем, что своеобразным заполнителем в них являются воздушные или газовые поры-ячейки.

По виду вяжущего бетоны делят на цементные (цементобетоны), гипсовые (гипсобетоны), силикатные, полимербетоны, асфальтобетоны и т.д.

По назначению бетоны бывают: общего назначения (для несущих и ограждающих конструкций); специального назначения (для защиты от радиации, для дорожных и аэродромных покрытий, жароупорные, кислотостойкие, гидроизоляционные, декоративные и др.).

 

2. Структура и свойства тяжелого бетона. Классы бетона по прочности на сжатие. Влияние активности цемента, качества заполнителей, В\Ц, времени и условий твердения на прочность бетона.

 

Структура тяжелого бетона. Структуру бетона изучают на различных уровнях. Макроструктуру наблюдают невооруженным глазом или при небольшом увеличении. В качестве структурных элементов здесь выделяют крупный заполнитель, песок, цементный камень, воздушные поры. Иногда удобно принимать макроструктуру, состоящую из двух элементов: крупного заполнителя и растворной части, в которой объединяются цементный камень и песок. Микроструктуру наблюдают при большом увеличении под микроскопом. Так изучают структуру цементного камня, которая состоит из непрореагировавших зерен цемента, дисперсных частиц наполнителя, новообразований и микропор различных размеров. Большое значение для свойств бетона имеет различный характер микроструктуры цементного камня в объемном (в порах между зернами заполнителя) и пленочном (на их поверхности) состояниях. В межзерновом пространстве и крупных порах чаще появляются новообразования в кристаллическом виде. В оболочке новообразований вблизи границы с поверхностью заполнителя (контактной зоне), где возможности роста кристаллов ограничены, преобладают гелеобразные субмикрокристаллические продукты гидратации с повышенной связностью. Поэтому прочность цементного камня в пленочном состоянии выше, чем в объемном, и контактные зоны в бетоне имеют повышенную прочность, что благоприятно сказывается на прочности бетона в целом.

Поскольку бетон является типичным композиционным материалом, то в зависимости от относительного содержания его структурных элементов, которые функционально играют роль упрочняющего и матричного компонентов, получают порфировый, контактный и законтактный типы структур. При порфировой макроструктуре зерна заполнителя разделены толстыми прослойками цементирующего вещества, т.е. для первых характерно «плавающее» расположение в материале. Если зерна заполнителя контактируют через тонкие прослойки цементирующего вещества при сохранении ее непрерывности и сплошности, то такую структуру называют контактной. При непосредственном контакте зерен, когда вяжущего вещества недостаточно для сохранения своей непрерывности и сплошности, говорят о законтактной структуре. С учетом изложенных выше представлений о пленочном и объемном состояниях цементного камня становится очевидным, что оптимальным типом структуры бетона является контактный тип, так как в таком бетоне значительная часть цементирующего вещества находится в пленочном состоянии, что определяет более эффективное использование вяжущего вещества. Законтактный тип структуры характеризуется пониженной прочностью и проницаемостью для агрессивных веществ. Аналогичные типы структур можно выделить и на уровне связующего вещества. С оптимизацией структуры бетона на всех уровнях связано одно из приоритетных направлений развития технологии этого материала.

Свойства тяжелого бетона. Основными свойствами бетона являются прочность, деформативные свойства, водонепроницаемость, морозостойкость, стойкость к химической и другим видам коррозии.

Прочность бетона характеризуют классами по прочности на сжатие, изгиб, растяжение. Основная характеристика прочности тяжелого бетона –это класс по прочности на сжатие, который определяется величиной гарантированной прочности на сжатие с обеспеченностью 95 % образцов бетона базового размера (кубов с ребром 15x15x15 см) в возрасте 28 суток после твердения в нормальных условиях (температура 15 – 20 °С, относительная влажность среды 90 – 100 %). Бетоны подразделяют на классы:  В 3,5; В 5; В 7,5; В 10; В 12,5; В 15; В 20; В 25; В 30; В 35; В 40; В 45; В 50; В 55; В 60.

На производстве контролируют среднюю прочность бетона на сжатие или марку бетона по прочности на сжатие. Соотношение между классом бетона по прочности на сжатие и его средней прочностью на сжатие выражается уравнением , где В – класс бетона по прочности на сжатие, МПа; R – средняя прочность на сжатие, МПа; 1,64 – значение коэффициента Стьюдента для обеспеченности (уровня доверительной вероятности) 95 %; v – коэффициент вариации прочности бетона на производстве (в долях единицы).

Для перехода от класса бетона к средней прочности, контролируемой на производстве, при нормативном коэффициенте вариации (13,5 %) используют формулу R = В / 0,778. Например, для класса В 5 получим среднюю прочность 6,43 МПа, а для класса В 40 – 51,4 МПа.

Средняя прочность бетона на сжатие на производстве характеризуется марками по прочности на сжатие (в десятых долях МПа) – М50, М75, М100, М150, М200, М250, М300, М350, М400, М450, М500, М600 и выше.

Для тяжелых бетонов, применяемых в строительстве дорог и аэродромов, устанавливаются классы и марки бетона по прочности при изгибе.

Прочность бетона зависит в основном от прочности (активности) цемента, качества заполнителей, водоцементного отношения В/Ц, времени и условий твердения. Прочность бетона повышается с увеличением прочности цемента, улучшением качества заполнителей, уменьшением водоцементного отношения.

Зависимость прочности бетона от водоцементного отношения вытекает из физической сущности формирования структуры цементного камня и бетона и отражает по существу зависимость прочности бетона от его пористости. Указанная зависимость выполняется лишь в определенных пределах. При очень низких В/Ц не удается получить удобоукладываемые бетонные смеси и их уплотнить, поэтому с уменьшением В/Ц ниже определенного предела, зависящего от эффективности уплотнения смеси, прочность бетона резко падает. Для определения состава бетона применяют зависимость прочности бетона от цементно-водного отношения Ц/В (обратной величины В/Ц), которая для уплотненных смесей в определенном диапазоне изменения Ц/В является прямолинейной.

Путем обобщения опытных данных получены две эмпирические формулы, отражающие зависимости прочности бетона от указанных выше факторов:

а) для обычного бетона при В/Ц ³ 0,4 (Ц/В£2,5) ;

б) высокопрочного бетона при В/Ц < 0,4 (Ц/В>2,5) ,

где – прочность бетона в возрасте 28 суток после твердения при нормальных условиях, МПа; А и А₁ – коэффициенты, зависящие от качества заполнителей; – активность цемента, МПа.

Со временем при благоприятных условиях твердения прочность бетона растет. Для ее ориентировочного определения в разном возрасте бетона используют формулу , где , – пределы прочности бетона на сжатие в возрасте п и 28 суток.

Эта формула дает удовлетворительные результаты при п > 3 суток для бетонов, приготовленных на рядовых портландцементах и твердеющих при температуре 15 – 20 °С во влажной среде.

Высыхание бетона приводит к прекращению твердения, поэтому для набора его прочности требуется достаточная влажность окружающей среды (или принятие мер по предотвращению испарения влаги из бетона). При понижении температуры окружающей среды прочность бетона нарастает медленнее, чем при нормальной. При замерзании бетона его твердение прекращается, при этом замерзание в раннем возрасте вызывает резкое снижение прочности после оттаивания, что недопустимо. Повышение температуры среды по сравнению с нормальной активизирует взаимодействие цемента с водой и рост прочности бетона. На этом основан способ ускорения твердения бетона с помощью тепловой обработки при условии сохранения влажности окружающей среды.

Среди деформативных свойств бетона выделяют усадку, деформации при кратковременном и длительном (ползучесть) нагружениях, температурные деформации. Усадка бетона – это уменьшение его объема за счет действия капиллярных и молекулярных сил, проявляющееся со временем при недостаточной влажности среды, способствующей высыханию бетона. При твердении в воде или во влажных условиях усадка резко уменьшается. Быстрое высыхание бетона, особенно в раннем возрасте, приводит к значительной и неравномерной усадке, что вызывает появление усадочных трещин и ухудшение всех качественных показателей материала.

Водонепроницаемость бетона зависит от его пористости и ее характера. Бетон мелкопористой структуры, тщательно уплотненный и затвердевший, обладает определенной водонепроницаемостью в слоях достаточной толщины. Для бетонов конструкций, к которым предъявляются требования ограничения проницаемости или повышенной плотности и коррозионной стойкости, назначают марки по водонепроницаемости. Марки тяжелого бетона по водонепроницаемости: W 2; W 4; W 6; W 8; W 10; W 12; W 16; W 18; W 20. Эта характеристика определяется специальными испытаниями и показывает, до какого давления воды (в десятых долях МПа) бетон является для нее непроницаемым.

Морозостойкость бетона зависит от его структуры и прежде всего количества капиллярных открытых пор. Капиллярная пористость бетона уменьшается, а его морозостойкость увеличивается при меньших значениях В/Ц и достаточном сроке твердения. Для бетонов конструкций, подвергающихся в процессе эксплуатации попеременному замораживанию и оттаиванию, назначают марки по морозостойкости: F 50; F 75; F 100; F 150; F 200; F 300; F 400; F 500; F 600; F 800; F 1000.

 

3. Специальные виды тяжелого бетона. Их основные свойства и области применения. Легкие бетоны на минеральных пористых и органических заполнителях и ячеистые бетоны. Основные свойства и области применения.

 

Высокопрочный модифицированный бетон. Отличается высокой прочностью на сжатие (60-80 МПа и выше), высокой плотностью, практически нулевым водопоглощением. Этот бетон получают на основе чистых заполнителей с хорошим зерновым составом (на фракционированном щебне из плотных и прочных горных пород, песке с пустотностью не выше
40 %) с добавками суперпластификатора и дисперсного наполнителя (например, микрокремнезема – SiO₂ в аморфной форме, имеющего ультратонкие частицы). Высокопрочный бетон применяют для ответственных сооружений (для высотных зданий, защитных сооружений и т.п.).

Бетон для дорожных и аэродромных покрытий. К этому бетону предъявляют требования высокой прочности на изгиб, коррозионной стойкости, малого водопоглощения. Получают на основе специальных цементов нормированного минерального состава (ПЦ-500-Н) с содержанием С₃А до 5 %, применением химических добавок (пластификаторов, воздухововлекающих и др.). При изготовлении бетона ограничивают водоцементное отношение(В/Ц должно быть не более 0,5 – 0,55).

Гидротехнический бетон.Должен иметь высокую прочность, долговечность и в то же время сравнительно низкую стоимость. С этой целью гидротехнические сооружения разделяют на разные (обычно три) зоны, для которых применяют свой бетон. Для подводной зоны используют бетон на пуццолановом портландцементе, который отличается водонепроницаемостью и сульфатостойкостью. Наиболее ответственную зону – зону переменного уровня воды – выполняют из высококачественного бетона на сульфатостойком портландцементе. Для надводной зоны применяют более дешевый вид бетона на шлакопортландцементе, белитовом портландцементе с меньшим тепловыделением. С целью улучшения свойств в гидротехнический бетон вводят различные добавки, в том числе микронаполнители (микрокремнезем и др.). Важным является правильное назначение В/Ц, от значений которого во многом зависят плотность, прочность и долговечность бетона.

Бетон для защиты от радиации.Для защиты от g-излучения используют особо тяжелый бетон на чугунном, свинцовом и другом сверхтяжелом заполнителе. Такие бетоны требуют тщательного подбора состава, соблюдения технологических режимов изготовления и твердения. Нейтронное излучение наиболее эффективно поглощается гидратными бетонами, имеющими повышенное содержание химически связанной воды. Для их приготовления чаще всего используют глиноземистый цемент, а в качестве заполнителей – лимонит и серпентин. В бетон вводят добавки, содержащие легкие элементы: литий, фтор и др. Особые требования, прежде всего по долговечности и прочности, предъявляются к бетонам для подземных хранилищ радиоактивных отходов и других захоронений. При их изготовлении обязательно вводят дисперсные наполнители (микрокремнезем и др.) в композиции с суперпластификатором.

Декоративный (архитектурный) бетонпредназначен для отделки зданий и сооружений. Применяются светлые, цветные и офактуренные (имитирующие природный камень и т.п.) бетоны. В качестве вяжущего используют белый портландцемент, цветные цементы, иногда используют обычный портландцемент с отбеливающей добавкой и (или) с добавкой пигмента. Мелким заполнителем обычно служит природный песок. Для получения бетонов светлых тонов применяют белые кварцевые пески (для стекольной промышленности). В качестве крупного заполнителя используют щебень из мрамора, гранита, известняка, доломита. Для получения цветного бетона на белом цементе в бетонную смесь добавляют различные минеральные и органические пигменты. Для достижения высокой прочности и долговечности архитектурного бетона в него вводят дисперсные наполнители (микрокремнезем и др.) в композиции с суперпластификатором и другие добавки.  

Жаростойкий бетон предназначен для изделий и конструкций, работающих в условиях длительного воздействия высоких температур (свыше 200 °С). Этот бетон изготовляют на портландцементе с активными минеральными (жаростойкими) добавками, глиноземистом цементе, жидком стекле с добавкой отвердителя – кремнефтористого натрия, а также жаростойких заполнителях (шамоте, магнезите, хромомагнезите и др.).

Бетоны химически стойкие предназначены для изделий и конструкций, работающих в условиях воздействия агрессивных сред: минеральных и органических кислот, солей и оснований, растворителей и нефтепродуктов. Их изготовляют на основе фурановых, фураноэпоксидных, карбамидных, акриловых синтетических смол (полимербетоны), жидкого стекла с добавкой отвердителя – кремнефтористого натрия (жидкостекольные бетоны), жидкого стекла с полимерной добавкой (полимерсиликатные бетоны), серы (серные композиты). Используют химически стойкие заполнители: базальт, андезит, диабаз и др.

Бетоны с компенсированной усадкой и напрягающие бетоны.Это бетоны на основе расширяющихся и напрягающих цементов, предназначенные для получения водонепроницаемых и самонапряженных (из напрягающего бетона) конструкций. Использование специальных цементов, а также соответствующих добавок обусловливает компенсацию усадки бетона и даже определенное остаточное расширение, что позволяет получить плотную структуру и, соответственно, высокую степень водо- и газонепроницаемости (марка по водонепроницаемости не ниже W 12). Кроме того, эти бетоны отличаются высокой морозостойкостью (марка от F 300 до F 1000 и более).

Мелкозернистый бетон характеризуется максимальной крупностью заполнителей до 10 мм. К таким бетонам относятся песчаные бетоны (пескобетоны). Ранее производство мелкозернистых бетонов сдерживалось необходимостью увеличения расхода воды и цемента вследствие большой удельной поверхности заполнителей. В настоящее время развитие технологии бетона позволяет за счет специальных мер ликвидировать этот недостаток и в полной мере ощутить достоинства таких бетонов, а именно: возможность создания однородной структуры, отказ от дорогостоящего крупного заполнителя, возможность получения качественной поверхности изделий при формовании методами прессования, вибропрессования, вибролитья, легкая транспортируемость, в том числе по трубопроводам, эффективность армирования дисперсной арматурой (фибробетоны) и др. Для снижения расхода воды и цемента следует применять крупные чистые пески с хорошим зерновым составом, химические добавки (суперпластификаторы), интенсивное уплотнение бетонной смеси.

Легкие и особо легкие бетоны

В современном строительстве наибольшее значение приобрело комплексное решение двух взаимосвязанных проблем: повышение теплозащитных свойств ограждающих конструкций и уменьшение материалоемкости строительства. Одним из путей решения этих проблем может быть применение для изготовления конструкций легких и особо легких бетонов. К этим бетонам относятся бетоны на пористых заполнителях, в том числе поризованные и крупнопористые, бетоны на легких органических заполнителях и ячеистые бетоны. Легкие и особо легкие бетоны используют для снижения массы несущих конструкций и в ограждающих конструкциях, поэтому для них наряду с прочностью очень важна плотность, которая характеризуется соответствующими марками.

Бетоны на пористых заполнителях.Дляих изготовления в качестве крупного заполнителя применяют легкие заполнители с пористой структурой – природные (пемза, вулканические туфы) и искусственные (керамзит, аглопорит, вспученные перлит и вермикулит).

Керамзит (керамзитовый гравий) получают путем обжига гра­нул, приготовленных из вспучивающихся глин. Это лег­кий и прочный заполнитель насыпной плотностью 250-800 кг/м³. В процессе об­жига (до 1200°С) легкоплавкая глина переходит в пиропластическое состояние и вспучивается вследствие выде­ления внутри каждой гранулы газообразных продуктов. В изломе гранула керамзита имеет структуру застывшей пены. Спекшаяся оболочка, покрывающая гранулу, придает ей высокую прочность.

Керамзитовый песок (зерна до 5 мм) получают при производстве керамзитового гравия (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 50 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 налажено в районах раз­витой металлургии. Здесь себестоимость шлаковой пем­зы ниже, чем керамзита.

Вспученный перлит изготовляют путем обжига водосодержащих вулканических стеклообразных пород (перлитов, обсидианов). При 950-1200 °С вода выделяется и перлит увеличивается в объеме в 10-20 раз.

Вспученный вермикулит – пористый сыпучий мате­риал, полученный путем термической обработки водосодержащих слюд. Этот заполнитель, как и вспученный перлит, используют для из­готовления теплоизоляционных легких бетонов.

Аглопорит получают при обжиге глиносодержащего сырья с добавкой 8-10 % твердого топлива (на решет­ках агломерационных машин). Каменный уголь выгорает, а частицы сырья спекаются.

По насыпной плотности в сухом состоянии (кг/м³) по­ристые заполнители разделяют на марки: 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100 и 1200.

 

Прочность легких пористых заполнителей невелика, обычно ниже прочности цементного раствора. Однако хорошее сцепление между ним и зернами пористого заполнителя (эффект «цементной обоймы») обеспечивает высокую прочность бетона в целом.

Пористые заполнители обладают значительным водопоглощением и при затворении бетонной смеси отсасывают часть воды. Поэтому по сравнению с тяжелым бетоном равноподвижные легкобетонные смеси требуют увеличения расхода воды. При этом в легком бетоне отчетливо проявляется вредное влияние как недостатка, так и избытка воды. Благодаря тому, что часть воды затворения аккумулируется пористым заполнителем, а затем отдается цементу по мере твердения бетона, твердение легкого бетона меньше зависит от влажностных условий, а усадочные деформации в цементном камне имеют меньшую величину. В результате легкий бетон на пористых заполнителях обладает высокой однородностью структуры и малой проницаемостью, что обеспечивает высокую прочность (10 – 40 МПа и выше) и долговечность конструкций и сооружений.

В качестве мелкого заполнителя используют обычно природный песок. Искусственные пористые пески, несмотря на значительно лучшие результаты, вследствие дефицитности и дороговизны применяют редко.

Основным показателем прочности легкого бетона яв­ляется класс бетона по прочности при сжатии; установ­лены следующие классы, МПа: В 2; В 2,5; В 3,5; В 5; В 7,5; В 10; В 12,5; В 15; В 17,5; В 20; В 22,5; В 25; В 30;        В 40; для теплоизоляционных бетонов предусмотрены, кроме того, классы: В 0,35; В 0,75; В 1.

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 в определен­ных границах Ц/В такой же вид, как и для тяжелых бе­тонов: , где А₂ и в₂ – безразмерные параметры.

Чем ниже прочность пористого заполнителя, тем меньше значения А₂ и в₂.

При оптимальном количестве воды затворения, подо­бранном для применяемых цемента и заполнителей, прочность легкого бетона зависит главным образом от активности R_ц и расхода цемента Ц (формула Н. А. Попова): , 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 легкобетонные изделия.

Наряду с прочностью важной характеристикой легкого бетона является плотность. В зависимости от плотности в сухом со­стоянии (кг/м³) легкие бетоны подразделяют на марки: D 200; D 300; D 400; D 500; D 600; D 700; D 800; D 900; D 1000; D 1100; D 1200; D 1300; D 1400; D 1500;   D 1600; D 1700; D 1800; D 1900; D 2000.

Теплопроводность легких бетонов зависит в основном от плотности и влажности и для марок D 600-D 1800 изменяется от 0,15 до 0,75 Вт/( м× °С). Увеличение объ­емной влажности легкого бетона на 1 % повышает его теплопроводность на 0,016-0,035 Вт/(м × °С).

По морозостойкости легкие бетоны делят на марки: F 25; F 35; F 50; F 75; F 100; F 150; F 200; F 300; F 400; F 500. Для наружных стен обычно применяют бетоны морозостойкостью не менее 25 циклов попеременного за­мораживания и оттаивания,  

Установлены следующие марки бетона на пористом заполнителе по водонепроницаемости: W 2; W 4; W 6; W 8; W 10; W 12. Характерно, что со временем водонепроницаемость легких бетонов повышается.

Возможность получения легких бетонов с высокой морозостойкостью и малой во­допроницаемостью значительно расширяет области их применения. Бетоны на пористых заполнителях успешно используют в мостостроении, гидротехническом строительстве.

Для обычных легких бетонов слитной структуры с природным песком в качестве мелкого заполнителя, в которых цементно-песчаный раствор полностью заполняет пустоты между зернами крупного пористого заполнителя, характерна достаточно большая плотность (1400 – 1800 кг/м³), что снижает эффективность их применения, прежде всего в ограждающих конструкциях. Более эффективными по сравнению с легкими бетонами слитной структуры как с точки зрения снижения плотности, так и возможности отказа от дефицитного мелкого пористого заполнителя являются поризованные легкие бетоны, в которых роль мелкого заполнителя выполняют мелкие замкнутые поры, получающиеся за счет поризации растворной части с помощью пено- или газообразующих добавок, а также крупнопористые легкие бетоны контактного омоноличивания, в которых не содержится песок и сохраняются крупные межзерновые пустоты. Эти бетоны могут выполнять как конструкционно-теплоизоляционные функции (при плотности 500 – 1400 кг/м³), так и теплоизоляционные функции (при плотности менее 500 кг/м³). Необходимо учитывать, что крупнопористые бетоны характеризуются высокой проницаемостью и требуют защиты от воздействий внешней среды. Поэтому их целесообразно применять, например, в качестве внутреннего теплоизоляционного слоя слоистых ограждающих конструкций и в других аналогичных случаях.

Легкие бетоны на органических заполнителяхявляются альтернативой бетонам на пористых минеральных заполнителях. Органическими заполнителями являются, например, вещества растительного происхождения: специально измельченная древесина (дробленка), а также отходы деревообработки и сельскохозяйственного производства – стружка, опилки, солома, льняная костра и т.п. В последнее время в качестве легкого заполнителя бетона все шире используют вспученные гранулы полистирола. Основная проблема при получении легких бетонов на органических заполнителях – плохое сцепление этих заполнителей с цементным камнем, а при применении растительных заполнителей – способность к выделению веществ, препятствующих твердению цемента (так называемых «цементных ядов»). Кроме того, органические заполнители при определенных условиях могут загнивать или подвергаться биоповреждениям.

В зависимости от вида органического заполнителя различают виды бетонов: арболит, опилкобетон, костробетон, полистиролбетон и т.п. Чаще всего эти бетоны получают на цементном вяжущем. В то же время известны материалы, аналогичные по принципам построения структуры рассматриваемым бетонам, на других видах вяжущих как минеральных – гипсовых, магнезиальных и др., так и органических – битумных, полимерных и др. Применение этих вяжущих часто решает указанные выше проблемы и позволяет относительно легко получать достаточно прочные материалы. Однако при этом возникают свои недостатки и особенности применения, связанные со свойствами данных вяжущих (например, малая водостойкость – для гипсовых и магнезиальных вяжущих, дороговизна – полимерных и т.д.).

Арболит – это бетон на цементном вяжущем и специально измельченной древесине – дробленке. Для получения заданных свойств в него вводят различные химические добавки: хлористый кальций, жидкое стекло и другие, способствующие минерализации древесного заполнителя и ускорению твердения цемента, а также добавки-антисептики, антипирены и т.д. Арболит в зависимости от средней плотности в сухом состоянии подразделяют на теплоизоляционный (r_о < 500 кг/м³) и конструкционно-теплоизоляционный (r_о = 500...850 кг/м³). По прочности на сжатие первая разновидность арболита имеет классы от В 0,35 до В 1,0, вторая – от В 1,5 до В 3,5. Наружная поверхность изделий из арболита, соприкасающаяся с атмосферной влагой, должна иметь отделочный фактурный слой, обеспечивающий защиту материала от увлажнения.

В настоящее время возрождается интерес к опилкобетону, получаемому на основе широко распространенных отходов деревообработки. Традиционный опилкобетон, в состав сырьевой смеси которого входят цемент, опилки, песок и вода, характеризуется сравнительно высокой плотностью (1000 – 1600 кг/м³) и низкой прочностью и не отвечает современным требованиям. Последние достижения в технологии производства этого материала, направленные на улучшение адгезии цементного камня к древесному заполнителю и блокированию «цементных ядов», позволяют снизить содержание песка в составе опилкобетона, увеличивающего его плотность, и получать легкие и достаточно прочные изделия (стеновые камни, блоки и др.) для малоэтажного строительства.

Ячеистые бетоны.Идея получения поризованных бетонов принадлежит пражскому инженеру Гофману, получившему в 1889 г. патент на изготовление бето­нов, пористая структура которых образовывалась за счет выделения углекислого газа при реакции соля­ной кислоты и гидрокарбоната на­трия (NaНСО₃). Ячеистые бетоны по плотности и назначению делят на теплоизоляционные с плотностью 300...600 кг/м³ и прочностью 0,4-1,2 МПа (иногда называемые поробетонами) и конструктивные с плотностью 600 – 1400 кг/м³ и прочностью 2,5-15 МПа (поризованные бетоны). Кроме того, в последнее время появились ультралегковесные поробетоны с пониженной средней плотностью (150...300 кг/м³). Пористая структура ячеистым бетонам может придаваться двумя основными путями: а) воздухововлечением, когда сырьевую смесь вяжущего, мелкого заполнителя и воды смешивают с отдельно приготовленной пеной или вводят добавку-пенообразователь непосредственно в специальный смеситель; после отвердевания получают так называемый пенобетон; б) газообразованием, когда в сырьевую смесь вводят добавку-газообразователь; в результате газовыделения смесь вспучивается, и после ее отвердевания получают так называемый газобетон. 

Ячеистые бетоны – это особо легкие бетоны с большим количеством (до 85 % и более от общего объема бетона) мелких и средних пор (ячеек) размером до 1-1,5 мм. По условиям твердения ячеистые бетоны могут быть автоклавные (твердеющие в автоклавах в среде насыщенного водяного пара под давлением 0,8 – 1 МПа и при температуре 170 – 190 °С) и неавтоклавные (твердеющие в результате тепловлажностной обработки или в естественных условиях). Автоклавные ячеистые бетоны обычно изготовляют на известково-песчаном или другом смешанном известковом вяжущем (газосиликат и пеносиликат). Для ячеистых бетонов неавтоклавного твердения применяют цементное вяжущее (портландцемент марки не ниже М400).

Кремнеземистый компонент ячеистых бетонов, в качестве которого могут выступать песок, зола и др., с целью повышения однородности структуры межпоровых перегородок, как правило, дополнительно измельчают. В качестве добавки-газообразователя при получении газобетонов обычно используют алюминиевую пудру, при взаимодействии которой со щелочью (известью) выделяется водород. В качестве добавок-пенообразователей используют синтетические или белковые ПАВ, способствующие получению устойчивых пен. В последние годы в связи с созда­нием эффективных пенообразовате­лей все большее распространение получают неавтоклавные пенобетоны, что обусловлено стремлением упростить изготовление этого мате­риала, сократить энергозатраты на производство и иметь возможность применять его в условиях строитель­ной площадки. При этом пенобетоны отличаются от газобетонов характером своей структуры – замкнутой пористостью с мелкими сферическими порами. Газобетон имеет крупные поры, поэтому он в большей степени, чем пенобетон, нуждается в защите от воздействий окружающей среды.

Плотность неавтоклавного газобетона обычно находится в пределах 400 – 900 кг/м³, а прочность на сжатие – 0,5 – 3,5 МПа. Газосиликат отличается более высокими строительно-техническими свойствами (при плотности 300 – 600 кг/м³ прочность на сжатие составляет 0,75 – 3,5 МПа). Плотность пенобетона (с использованием в качестве заполнителя мелкого песка естественной дисперсности) обычно находится в пределах 600 – 1000 кг/м³, а прочность на сжатие 0,5 – 3,5 МПа. Для получения пенобетонов с меньшей средней плотностью используют молотые пески. Иногда с целью снижения плотности и исключения операции помола пенобетон получают на цементном вяжущем без песка. Такой материал называют пеноцементом. Однако этот бетон обладает большой усадкой при высыхании, что снижает его качественные показатели. Получение ячеистых бетонов с пониженной средней плотностью и ультралегковесных поробетонов плотностью 150-300 кг/м³ возможно за счет использования пеногазовой технологии, при которой используется комбинированный порообразователь (газообразователь совместно с пенообразователем), а также ускорители твердения, редуцирующие, водопонижающие и другие добавки.

Пористая структура ячеистых бетонов позволяет легко пилить, сверлить, обрабатывать строительные изделия, появляется возможность модифицировать элементы на строительной площадке. Ячеистый бетон отличается хорошей гвоздимостью. За счет малой массы ячеистобетонных изделий исчезает потребность в автомобильном транспорте и кранах с большой грузоподъёмностью.

Поризованные бетоны отличаются высокой универсальностью, относительной простотой технологии, невысоким уровнем производственных затрат при изготовлении изделий. Это предопределено тем, что получение бетонов в широком диапазоне значений плотности возможно на одном и том же оборудовании с использованием в качестве заполнителя песка естественной дисперсности. Возможность исключения из технологии поризованных бетонов тепловой обработки обеспечивает реальность их эффективного применения в монолитном строительстве.

Наиболее распространённая продукция из ячеистого бетона – это стеновые блоки и камни различных размеров. Как минимум такое изделие по объёму заменяет двенадцать штук силикатного кирпича (при весе в три-четыре раза меньшем), а по теплозащитным свойствам для получения одинакового эффекта толщину стены можно уменьшить в пять-шесть раз. Ячеистобетонные блоки можно применять в несущих наружных сте­нах домов малой и средней (до 4-5) этажности, а также в ненесущих на­ружных стенах многоэтажных зда­ний при соблюдении приемлемой по конструктивным и экономическим соображениям толщины стен. Ячеистый бетон в конструкции наружных стен может удачно соче­таться с кирпичной облицовкой. Сочетание поризованного бетона прочностью 5 – 15 МПа как материала для несущих облегченных элементов малоэтажных зданий, ячеистых бетонов пониженной средней плотности и ультралегковесных поробетонов как материала для ограждающих конструкций позволяет обеспечивать современные требования к теплоэффективности жилых домов.

 

 

4. Железобетон. Понятие о преднапряженных железобетонных конструкциях.

 

Железобетон – это композиционный материал, в котором бетон (матрица) и стальная арматура образуют единую систему. Бетон имеет высокую прочность на сжатие, но низкую прочность на растяжение и изгиб. В железобетоне арматуру располагают так, чтобы она воспринимала растягивающие напряжения, а сжимающие напряжения передавались на бетон. Это обеспечивает хорошую работу композиционного материала в изгибаемой конструкции. Совместной работе бетона и арматуры способствует то, что бетон хорошо сцепляется со стальной арматурой; сталь и бетон имеют близкие температурные коэффициенты линейного расширения; стальная арматура в цементном бетоне не подвергается коррозии.

По виду армирования различают изделия с обычным армированием и предварительно напряженные. При обычном армировании в растянутой зоне изгибаемой конструкции возникают трещины, так как предельная растяжимость бетона в 5-6 раз меньше, чем стали. Это не признак того, что конструкция исчерпала свою несущую способность, но при этом возникает опасность коррозии арматуры вследствие нарушения защитного слоя бетона, и долговечность конструкции резко снижается. В предварительно напряженном железобетоне арматуру предварительно напрягают (растягивают), а после твердения бетона освобождают от натяжения. Стремлению арматуры сократиться препятствует бетон, при этом в нем возникают сжимающие напряжения (предварительное обжатие), а в арматуре сохраняются предварительные растягивающие напряжения. Эти напряжения в дальнейшем будут суммироваться с соответствующими напряжениями от эксплуатационных нагрузок. Хотя предварительное напряжение железобетона требует применения высокопрочных стали и бетона, в целом эффективность этого композиционного материала существенно повышается вследствие возможности раскрытия потенциальных ресурсов бетона и стали и резкого увеличения трещиностойкости и долговечности железобетонных конструкций.

 

 

5. Классификация и основные свойства строительных растворов. Сухие строительные смеси.

 

Строительный раствор – это искусственный каменный материал, получаемый затвердеванием рационально составленной смеси вяжущего, мелкого заполнителя, воды и добавок. Указанных свойств у растворов добиваются не увеличением расхода вяжущего, что неэффективно, а применением различных добавок. Среди них важнейшими являются тонкодисперсные минеральные вещества или наполнители (известь, зóлы, тонкомолотые шлаки, дисперсные отходы камнедробления и камнеобработки), которые значительно повышают пластичность и водоудерживающую способность растворов.

По виду вяжущего растворы делят: на цементные, известковые, гипсовые, смешанные (цементно-известковые, известково-гипсовые и т.п.).

По плотности различают тяжелые (обычные) растворы (плотность 1500 – 2200 кг/м³) и легкие растворы (плотность менее 1500 кг/м³). В легких растворах обычный песок заменяют шлаковым песком или другим мелким пористым заполнителем.

По назначению растворы бывают кладочные, монтажные, штукатурные, специальные (декоративные, теплоизоляционные и др.).

 Свойства растворов.Под удобоукладываемостью растворной смеси понимают ее способность укладываться на основание тонким однородным слоем. Она характеризуется подвижностью, которая определяется как глубина погружения металлического конуса массой 300 г в растворную смесь под действием собственного веса, выраженная в сантиметрах. Например, для кладочных растворов подвижность должна быть в пределах 9-13 см, монтажных растворов – 4-6 см и т.д. Как и в бетоне, подвижность растворной смеси определяется расходом воды. В то же время с целью достижения необходимой водоудерживающей способности в составе раствора необходимо достаточное количество тонкодисперсных наполнителей, которое может скомпенсировать относительно небольшой расход вяжущего. В настоящее время для специальных растворов с высокими требованиями по водоудерживающей способности (выравнивающие, приклеивающие составы и т.п.) используют высокоэффективные органические добавки, например эфиры целлюлозы и другие.

Основными свойствами раствора в затвердевшем состоянии являются прочность, сцепление раствора с основанием, морозостойкость и др.       Прочность строительного раствора определяется на образцах 70´70´70 мм, которые при подвижности смеси более 5 см изготавливаются в формах без дна, установленных на пористое основание – кирпич, покрытый смоченной водой бумагой. По среднему значению предела прочности на сжатие серии из трех образцов в возрасте 28 суток определяют марку раствора (М4, М10, М25, М50, М75, М100, М150, М200, М300).

Н.А. Попов предложил определять прочность строительных растворов (в МПа) в возрасте 28 суток по формуле , где R_ц – активность цемента, МПа; Ц – расход цемента в тоннах на 1 м³ песка; К – эмпирический коэффициент, зависящий от качества песка и минеральной добавки, а также тщательности смешивания раствора. В первом приближении для цементно-известковых растворов в случае крупного песка К = 2,2; среднего – К = 1,8; мелкого – К = 1,4.

В тощих растворах с мелкопористой структурой на их прочность заметно влияет объем воздушной фазы, поэтому прочность таких растворов можно определить по предложенной в 1896 г. формуле Фере , где К – коэффициент, учитывающий активность цемента, крупность песка и другие факторы и наиболее просто определяемый опытным путем; С_ц, В, V_воз – абсолютные объемы цемента

 (С_ц = Ц/r_ц), воды и воздуха.

На прочность растворов, особенно смешанных и состоящих из большого числа компонентов, сильно влияет качество перемешивания. Тщательное перемешивание обеспечивает при минимально необходимых расходах вяжущего и воды требуемую подвижность смеси и прочность раствора.

Сцепление раствора с основанием зависит от многих факторов и, как правило, возрастает в логарифмической зависимости от прочности раствора. Поэтому более эффективное улучшение адгезионных свойств раствора и повышение его сцепления с основанием достигаются за счет введения в состав раствора водорастворимых полимерных добавок (поливинилацетата, поливиниловых спиртов и др.).

По морозостойкости растворы делят на марки: F 10, F 15, F 25, F 35, F 50, F 75, F 100, F 150, F 200, F 300. Морозостойкость раствора в основном зависит от тех же факторов, что и морозостойкость бетона. Значительное повышение морозостойкости раствора достигается применением поверхностно-активных (воздухововлекающих) добавок.

Сухие строительные смеси (ССС) – это тщательно перемешанные композиции рационального состава, в которые в сухом виде входят вяжущие вещества, фракционированные заполнители, тонкодисперсные минеральные компоненты, химические добавки. Широкое применение в настоящее время сухих строительных смесей обусловлено расширением номенклатуры растворов, необходимостью обеспечения их качества в условиях их многокомпонентности и использования малых и сверхмалых количеств химических добавок (что практически невозможно при непосредственном приготовлении растворных смесей на строительной площадке).

Сухие строительные смеси подразделяются на простые (бездобавочные) и модифицированные. Наличие большого числа добавок, введенных в стро­го необходимом количестве, – одно из главных отличий модифицированной сухой смеси от товарного раствора, поз­воляющее регулировать в достаточно широком диапа­зоне как строительно-технологические, так и эксплуа­тационные свойства смесей. Использование модифицированных различными добавками сухих смесей позволяет реализовать тонкослойные технологии при выполнении плиточных и штукатурных работ, устройст­ве полов, при выравнивании стен и потолков.

Модификаторы, или добавки, вносимые в смесь в неболь­ших количествах (от 0,5 до 8 % общего объёма смеси), радикально изменяют физико-химические характеристики смеси. В ре­зультате она приобретает новые, улучшенные эксплуатаци­онные свойства.

Эти новые свойства сухим смесям придают в частности водорастворимые полимеры. В течение 20-30 минут строительный раствор сохраняет пластичность при оптимальном водоцементном отношении. Благодаря медленному высыханию, ис­ключается появление трещин. Увеличиваются эластичность и предел прочности при сжатии, растяжении и изгибе. Повы­шается фиксирующая способность на различных поверхно­стях (бетоне, стали, пористых материалах), в том числе и на таких, с которыми цементный раствор склеивается плохо (дерево, пластмасса). Компенсируются деформации, возни­кающие из-за неодинакового линейного расширения основы и покрытия. Слой штукатурки или клея удаётся сделать зна­чительно тоньше обычного. Всё это расширяет возможности строителей и реставраторов и поднимает качество отделоч­ных работ на значительно более высокий уровень.

Для дальнейшего улуч­шения свойств сухих смесей водорастворимые полимеры применяют в сочетании с редиспергируемыми порошками.

Редиспергируемые порошки – вторая группа модификато­ров сухих смесей. В водном растворе сухой смеси редиспергируемый порошок превращается в клеевую полимерную субстанцию, которая после высыхания оставляет эластич­ные мостики в порах наносимого на основу отделочного ма­териала и на его границе с основой. Эти мостики имеют прочность на разрыв более 5 МПа, что обеспечивает высо­кую адгезию с основой штукатурки, шпатлёвки или клея. Одновременно повышается эластичность при нанесении раствора на основу, а также влагостойкость и прочность на изгиб и истираемость.

Важной характеристикой редиспергируемого порошка яв­ляется минимальная температура плёнкообразования, ниже которой полимерные частички теряют эластичность. Чем ниже минимальная температура плёнкообразования, тем легче работать в холодное время года. Некоторые из редиспергируемых порошков дают возможность вести отделоч­ные работы зимой без потери качества.

Наряду с водорастворимыми полимерами и редиспергируемыми порошками применяют, хотя и значительно реже, другие добавки (пластификаторы, замедлители схватывания, гидрофобизаторы, пеногасители и т.д.).

Завод сухих смесей, который имеет несколько силосов для песка, позволяет выполнить раздельное дозирование мелкой, средней и крупной фракций в необходимом ко­личестве, но только в том случае, если песок перед загруз­кой будет высушен и разделен на фракции нужных разме­ров. При этом влажность песка и наполнителей не должна превышать 0,1 %.

Изготовляемые в настоящее время цементно-песчаные сухие смеси производятся на основе традиционно выпускаемого портландцемента марок ПЦ-400 или ПЦ-500, что не всегда экономически и технологически оправданно. Вместе с тем большинство регионов стра­ны располагает достаточными запасами местных мате­риалов для организации производства наполненных композитных вяжущих низких и средних марок и сухих строительных смесей на их основе.

 

6. Силикатные изделия автоклавного твердения. Силикатный кирпич и силикатный ячеистый бетон (газосиликат), их области применения.

 

К силикатным изделиям автоклавного твердения относят материалы, получаемые из сырьевой смеси известково-кремнеземистого вяжущего и минеральных заполнителей путем гидротермального синтеза гидросиликатов кальция, осуществляемого при повышенных значениях давления и температуры водяного пара.

Современная технология автоклавных материалов включает в себя получение разнообразных изделий различного назначения из известково-песчаных, известково-шлаковых и других сырьевых смесей. Наиболее распространены известково-песчаные (силикатные) материалы и изделия. За 8-12 ч автоклавной обработки при температуре 174 – 200 °С и давлении 0,8 – 1,6 МПа насыщенного водяного пара из уплотненной смеси извести и песка получают изделия с прочностью до 30-40 МПа. В автоклаве идет взаимодействие между гидроксидом кальция, кремнеземом SiO₂ и водой с образованием (синтезом) малорастворимых гидросиликатов кальция (ГСК). Иногда этот процесс называют гидросиликатным твердением извести. Эти цементирующие соединения отличаются высокой клеящей способностью и водостойкостью. Они связывают частицы заполнителя (зерна песка) в монолит. Таким образом, в силикатных изделиях песок играет двоякую роль – компонента вяжущего и заполнителя. Для повышения реакционной способности песка его часть размалывают (совместно с известью). Измельченную смесь извести и песка называют известково-песчаным вяжущим. К силикатным изделиям и материалам относятся силикатный кирпич и камни, а также силикатный бетон.

Силикатный кирпич и камни–это стеновые изделия, получаемые путем прессования известково-песчаной смеси (с влажностью 5-8 %) с последующим твердением в автоклаве. В сырьевой смеси содержание извести составляет от 6 до 10 % в пересчете на активный СаО.

Силикатный кирпич изготавливают двух видов: одинарный (размерами 250´120´65 мм) и утолщенный (размерами 250´120´88 мм). Размеры силикатных камней ─ 250´120´138 мм. Кирпич изготавливают полнотелым (только одинарный) и пустотелым, камни – только пустотелыми. В зависимости от назначения изделия выпускают рядовыми и лицевыми (с повышенными требованиями к внешнему виду).

В зависимости от средней плотности (структуры материала) полнотелые изделия подразделяются на пористые (с применением пористых заполнителей) со средней плотностью до 1500 кг/м³ и плотные со средней плотностью свыше 1500 кг/м³. По прочности силикатные кирпич и камни изготавливают марок: 75, 100, 125, 150, 175, 200, 300. Марка по прочности лицевого кирпича должна быть не менее 125, лицевых камней – 100. По морозостойкости кирпич и камни изготавливают марок: F 15, F 25, F 35, F 50. Марка по морозостойкости лицевых изделий должна быть не менее F 25. Водопоглощение изделий должно быть не менее 6 %.

Силикатный кирпич и камни применяют для кладки каменных и армокаменных стен и других конструкций в надземной части зданий с нормальным и влажным режимами эксплуатации. Вследствие ограниченной водостойкости силикатный кирпич и камни нельзя использовать для фундаментов и цоколей зданий ниже гидроизоляционного слоя. Эти изделия нельзя также применять для кладки печей и дымовых труб, они не выдерживают длительного воздействия высокой температуры.

Силикатный бетон представляет собой бесцементный (на известково-песчаном вяжущем) бетон автоклавного твердения. Плотные силикатные бетоны можно получить на обычных заполнителях (мелком – песке и крупном – щебне) путем уплотнения (обычно вибрированием) сырьевой смеси в формах. Более эффективным и востребованным видом силикатного бетона является ячеистый силикатный бетон (газосиликат), который отличается от плотного бетона значительно меньшей теплопроводностью, материалоемкостью и энергоемкостью. Из газосиликата изготавливают стеновые камни, плитную теплоизоляцию, а также армированные крупноразмерные изделия (перемычки, панели и плиты перекрытий и др.) с обязательной защитой арматуры от коррозии вследствие пониженной щелочности жидкой фазы в таких бетонах и их высокой пористости. На фасадную поверхность изделий из газосиликата обязательно наносят защитно-декоративные покрытия.

 

 

7. Общая характеристика органических вяжущих. Битумные и дегтевые вяжущие вещества. Полимеры. Модификация строительных материалов полимерами. Гидроизоляционные и кровельные материалы на основе битумных, дегтевых вяжущих и полимеров.

Конструкционные материалы на основе органических вяжущих веществ, как и предыдущие их группы на основе неорганических вяжущих, являются безобжиговыми композитами. К ним относятся асфальтовые бетоны и растворы, дегтебетоны, полимербетоны и другие композиции на основе битумных и дегтевых вяжущих, а также полимерных вяжущих. Связующее вещество (матрица) в этих материалах, как и в композитах на основе неорганических вяжущих, формируется путем взаимодействия между жидкой дисперсионной средой, в качестве которой выступает органическое вяжущее, и твердой дисперсной фазой – порошкообразным компонентом.

Органические вяжущие вещества представляют собой природные или искусственные твердые, вязкопластичные или жидкие (при обычной температуре) вещества, состоящие из химических соединений с атомами углерода, обладающие способностью отвердевать и сцепляться (иметь достаточную адгезию) с минеральными или органическими наполнителями и заполнителями, растворяться в органических растворителях. К органическим вяжущим относят битумные и дегтевые вяжущие (битумы, дегти и композиции на их основе – битумно-резиновые, битумно-полимерные и др.), часто называемые «черными» вяжущими, и полимерные вяжущие (олигомеры, полимеры и сополимеры). Эти вяжущие придают материалам водоотталкивающие свойства (гидрофобность) и водостойкость, эластичность, малую пористость. Поэтому органические вяжущие широко используются в изоляционных и кровельных материалах. Определенное количество их применяется в конструкционных материалах типа бетонов, растворов и изделий из них.

Битумы(от санскритского «гвитумен», т.е. смола) – органические вещества черного или темно-бурого цвета, состоящие из смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных, т.е. соединений углеводородов с серой, азотом или кислородом. При обычных температурах битумы могут находиться в твердом, вязком или жидком состоянии. Плотность битумов немного более 1 г/см³.

Различают природные и искусственные (нефтяные) битумы. Природные битумы встречаются в местах нефтяных месторождений, образуя линзы, а иногда и асфальтовые озера. Однако чаще они пронизывают осадочные (битуминозные) горные породы. Нефтяные битумы получают путем переработки нефти. При ее нагревании выделяют легкие фракции (бензин, лигроин, керосин), а затем масла (машинные и др.). В конечном итоге остается густой смолистый остаток – гудрон. Он является исходным сырьем для получения вязкого и твердого битума, но может использоваться и в качестве битумного вяжущего, особенно в случае использования высокосмолистых нефтей. В зависимости от способа получения нефтяные битумы бывают: окисленные, получаемые окислением гудрона (продувкой воздуха); остаточные, получаемые из гудрона путем дальнейшего глубокого отбора из него масел; крекинговые, получаемые окислением остатков, образующихся при крекинге нефти; битумы деасфальтизации, получаемые осаждением асфальтеносмолистой части гудрона пропаном; кислотные битумы, получаемые переработкой кислых гудронов.

Химический состав битумов. Элементарный состав (% по массе): углерод – 70-80, водород - 10-15, сера - 2-9, кислород – 1-5 и азот - 0-2. Эти элементы образуют предельные углеводороды различных рядов (ароматического, парафинового, нафтенового) от С₉Н₂₀ до С₃₀Н₆₂ с различной молекулярной массой (от 300 до 5000).

Большое значение имеет групповой состав битумов. Он включает: а) масла (35-60 %) с молекулярной массой 300 – 600, плотностью менее 1 г/см³; они выделяются растворением в легком бензине; б) смолы – вязкопластические вещества (20-40 %) с молекулярной массой 600 – 1000, плотностью около 1 г/см³; растворяются в бензоле, хлороформе; в) асфальтены – твердая часть битума (10-40 %) с молекулярной массой 1000 – 5000, плотностью более 1 г/см³; растворяются только в горячем бензоле и четыреххлористом углероде. В битумах встречаются парафины – твердые метановые углеводороды (до 6-8 %), снижающие пластичность битума и увеличивающие его хрупкость. 

По внутреннему строению битум представляет собой коллоидную систему, дисперсионной средой в которой является раствор смол в маслах, а дисперсной фазой – частицы асфальтенов (10-20 мкм), окруженные оболочками убывающей плотности от смол – к маслам. При изменении группового состава битума, в том числе под влиянием внешних факторов (температуры и др.), изменяются его свойства. При понижении содержания асфальтенов и смол (при повышении температуры – за счет частичного растворения смол в маслах) структура битума становится типа «золь», с малой плотностью и вязкостью. При повышении содержания асфальтенов и смол (при понижении температуры – за счет обратного перехода) структура битума становится типа «гель», с большей плотностью и вязкостью.

Физические свойства битумов: плотность в зависимости от группового состава – 0,8-1,3 г/см³; теплопроводность характерна для аморфных веществ и составляет 0,5-0,6 Вт/(м ^. К).

По структурно-механическим свойствам битумы являются типичными реологическими телами. Жидкие битумы при обычной температуре, а вязкие и твердые битумы при повышенных температурах ведут себя как ньютоновские и структурированные жидкости. Вязкие и твердые битумы при обычной температуре являются упруговязкими и упруговязко-пластичными телами, а при отрицательных температурах становятся упругохрупкими.

К физико-механическим (техническим) свойствам битумов относятся: глубина проникания иглы в битум, или твердость, и растяжимость, или пластичность (для твердых и вязких битумов), условная вязкость (для жидких битумов), а также температура размягчения.

Глубина проникания иглы (пенетрация) определяется (в десятых долях миллиметра – градусах) на приборе-пенетрометре при действии на иглу груза 100 г в течение 5 с при температуре 25 °С или при грузе 100 г в течение 60 с – при 0 °С.

Растяжимость (дуктильность) определяется на приборе-дуктилометре по длине нити в момент разрыва образца (в сантиметрах) при температура испытания 25 и 0 °С.

Условная вязкость жидких битумов характеризуется временем истечения 50 см³ битума через отверстие вискозиметра определенного диаметра при стандартных температурах.

Температура размягчения отражает переход битума из вязкопластического состояния в жидкое. Она определяется на приборе «кольцо и шар» («КиШ»). За температуру размягчения принимается температура, при которой металлический шарик, продавливая битум при нагревании, касается нижней полки прибора.

Важным свойством битума является адгезия – прилипание к поверхности минеральных и органических материалов. Оценивают адгезию по визуальному методу по пятибалльной шкале. Если после кипячения в дистиллированной воде пленка полностью сохраняется, то адгезия оценивается пятью баллами (прилипание отличное), если пленка полностью смещается с минеральных зерен и всплывает на поверхность воды, то прилипание оценивается одним баллом (прилипание плохое).

В зависимости от показателей основных свойств битумы делят на марки. Твердые и вязкие нефтяные битумы (БН) вырабатывают четырех марок: БН 60/90, БН 90/130, БН 130/200, БН 200/300 (цифры дроби – допустимые для данной марки пределы пенетрации при 25 °С).

Для обозначения марок битумов специального назначения вводится дополнительная буква (Д – дорожный, К – кровельный и т.д.).

Битумы нефтяные дорожные (БНД) имеют марки: БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200, БНД 200/300 (цифры дроби – допустимые для данной марки пределы пенетрации при 25 °С).

Для изготовления кровельных и гидроизоляционных материалов применяют битумы кровельные (БНК)  марок: БНК 45/180 (пропиточные), БНК 90/40 и БНК 90/30 (покровные). Здесь числитель дроби указывает среднее значение температуры размягчения, знаменатель – среднее значение пенетрации при температуре 25 °С.

Битумы строительные (БН) бывают марок БН 50/50, БН 70/30, БН 90/10. Здесь числитель – средняя температура размягчения, знаменатель – среднее значение пенетрации.

Жидкие битумы в зависимости от скорости загустевания подразделяются на среднегустеющие (СГ), получаемые разжижением дорожных битумов жидкими нефтепродуктами, и медленногустеющие (МГ и МГО), получаемые из остаточных или частично окисленных нефтепродуктов или их смесей. Тот или иной класс битума определяется количеством испарившегося разжижителя при выдерживании образца битума в термостате или вакуумтермостате при определенных температурах. В зависимости от условной вязкости среднегустеющие битумы имеют марки: СГ 40/70, СГ 70/130, СГ 130/200; медленногустеющие – МГ 40/70, МГ 70/130, МГ 130/200, МГО 40/70, МГО 70/130, МГО 130/200.

Отвердевание битумов может происходить в объемном и пленочном состояниях. В объемном состоянии отвердевание идет в результате охлаждения, образования сетчатой структуры из макромолекул и повышения его вязкости. Отвердеванию битума в пленочном состоянии способствует, кроме того, физико-химическое взаимодействие его макромолекул с поверхностью зерен заполнителя и особенно порошкообразного наполнителя (минерального порошка). В жидких битумах как фактор отвердевания существенно испарение легких фракций разжижителя или самого битума. Наиболее благоприятный комплекс эксплуатационных свойств конструкционных материалов на основе битумов достигается при максимально возможном пленочном состоянии битума и минимальном количестве его в объемном состоянии.

К добавкам, улучшающим свойства битумов, относятся добавки поверхностно-активных веществ, полимеров, а также измельченной резины из отслуживших автомобильных покрышек и т.п.

Полимерные добавки можно отнести к структурирующим, которые позволяют рас­ширить интервал работоспособности материала, так как с их введе­нием повышается тепло- и морозостойкость. Однако следует иметь в виду, что иногда полимерная добавка может ускорить старение композиции под влиянием атмосферных факторов, поэтому реко­мендуется выбирать атмосферостойкие полимеры. Кроме того, по­лимеры с битумами трудно совмещаются. В настоящее время изу­чено совмещение с битумом большинства известных полимеров, хотя пока еще мало из них реально используется в производстве битумных материалов.

Полимерные добавки улучшают упругие свойства, растяжимость, когезию органических вяжущих (битумов и дегтей). Наибольшее применение получили эпоксидные смолы, поливинилацетат, поли­стирол, синтетические каучук и латекс, натуральный латекс, обычно находящиеся в состоянии растворов или латексов (водных дисперсий) и ко­личество которых в горячем битуме или дегте составляет 1 – 6 % от массы вяжущего. Синтетические и натуральные каучуки использу­ются для модификации вязких и жидких битумов и дегтей.

При смешивании с битумами каучуки создают в битуме само­стоятельную решетку, способную воспринимать деформации битума. Для увеличения прочности битумно-полимерного материала можно частично или полностью завулканизировать каучук, при этом ка­учук сначала набухает в битуме, а затем частично растворяется. В последнем случае снижается температура хрупкости материала с одновременным повышением его теплостойкости.

Дивинилстирольные и изопренстирольные термоэластопласты являются наиболее технологичными добавками к битумам, так как при нагревании они расплавляются и при перемешивании быстро образуют гомогенную смесь. Эти сплавы превосходят битумно-каучуковые за счет их более равномерного распределения в битумах при перемешивании.

При получении сплавов битума с полимером или каучуком не­редко добавляются стабилизаторы, вулканизирующие реагенты, ускорители и другие дополнительные компоненты.

Из отходов промышленности чаще других используют атактический полипропилен, вторичные полиэтилены, различные кубовые остатки, например кубовые остатки ректификации стирола, регене­раты резины и др.

Дегтикаменноугольные, сланцевые, торфяные и древесные получают путем сухой (без доступа воздуха) перегонки соответствующих видов твердого топлива. Для строительных целей применяются дегтевые вяжущие, состоящие из отогнанного дегтя, который получают после отбора из сырых каменноугольных дегтей летучих фракций, и составленного дегтя, который изготовляют смешением горячего пека с дегтевыми маслами (антраценовым и др.) или обезвоженными сырыми дегтями.

Пек – твердое или вязкое аморфное вещество черного цвета. Это остаточный продукт перегонки каменноугольных дегтей при тем­пературе более 360 °С.

В состав дегтевых вяжущих входят в основном непредельные углеводороды ароматического ряда – производные бензола и их соединения с кислородом, азотом и серой. Поэтому атмосферостойкость материалов на основе дегтевых вяжущих ниже по сравнению с битумными материалами (дегти стареют быстрее, чем нефтяные битумы). В то же время биостойкость дегтевых материалов выше, что объясняется высокой токсичностью содержащегося в дегтях фенола (карболовой кислоты).

Полимерныминазывают материалы, в состав которых в качестве основного компонента входят высокомолекулярные органические вяжущие вещества (полимеры).

Благодаря способности в процессе переработки принимать требуемую форму и сохранять ее после снятия действующих усилий полимерные материалы называют также пластическими массами (пластмассами или пластиками). Пластмассы, применяемые в строительстве, представляют собой сложные композиции, состоящие из полимерного связующего, наполнителей, стабилизаторов, пластификаторов, отвердителей и других компонентов.

Полимеры(от греческого «поли» – много, «мерос» – часть, доля)– это высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из большого количества звеньев одинаковой структуры, взаимодействующих друг с другом посредством ковалентных связей с образованием макромолекул.

По составу основной цепи макромолекул полимеры разделяют на три группы: а) карбоцепные полимеры – макромолекулярные цепи полимера состоят лишь из атомов углерода; б) гетероцепные полимеры, в состав цепей которых входят кроме атомов углерода еще атомы кислорода или серы, азота, фосфора и т.п.; в) элементоорганические полимеры, в основные цепи которых могут входить атомы кремния, алюминия, титана и других элементов, имеющие кремнийкислородные, силоксановые связи.

Полимеры могут иметь линейное, разветвленное или сетчатое (трехмерное) строение, что определяет физико-механические и химические свойства полимеров. Макромолекулы полимеров линейного строения вытянуты в виде цепей, связанных между собой слабыми силами межмолекулярного взаимодействия (рис. 9а). Для разветвленных полимеров характерно наличие мономерных звеньев, ответвленных от основной цепи макромолекулы (рис. 9б). Сетчатые (трехмерные) структуры полимеров характеризуются тем, что прочные химические связи между цепями («сшивка» отдельных линейных или разветвленных цепей полимера) приводят к образованию единого пространственного каркаса (рис. 9в).

Полимеры с макромолекулами линейного или разветвленного строения плавятся при нагревании с изменением свойств и растворяются в соответствующем органическом растворителе, а при охлаждении вновь затвердевают. Такие полимеры, способные многократно размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении, называются термопластичными (термопласты). Напротив, полимеры с макромолекулами трехмерного строения имеют повышенную устойчивость к термическим и механическим воздействиям, не растворяются в растворителях, а лишь набухают. Такие полимеры не могут обратимо размягчаться при повторном нагревании и носят название термореактивных полимеров (реактопласты).

Высокомолекуляр­ные соединения характеризуются не только структурой молекул, но и моле­кулярной массой. Полимеры обычно имеют молекулярную массу свыше 5000 единиц; высокомолекуляр­ные соединения с меньшей молекулярной массой называют олигомерами. По мере увеличения молекулярной массы полимера растворимость его в органических раствори­телях снижается, несколько снижается эластичность, однако прочность зна­чительно возрастает.

Свойства многих полимеров неразрывно связаны с величиной молеку­лярной массы и межмолекулярных сил, которые слабее обычных валентных связей. При увеличении молекулярной массы полимера суммарный эффект межмолекулярных сил становится ощутимым, поскольку их источником яв­ляется каждый атом. В этой связи возрастающая роль межмолекулярных сил при повышении молекулярной массы качественно отличает полимеры от низкомолекулярных соединений.

---

Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 359; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!