Гипсовые вяжущие вещества.
Сырьем для производства гипсовых вяжущих веществ служат сульфатные горные породы, содержащие преимущественно минерал двуводный гипс.
При тепловой обработке природный гипс постепенно теряет часть химически связанной воды, а при температуре от 110 до 180°С становится полуводным гипсом. После тонкого измельчения этого продукта обжига получают гипсовое вяжущее вещество.
При тепловой обработке природного гипса в герметически закрытых аппаратах и, следовательно, при повышенном давлении пара химически связанная вода выделяется в капельно-жидком состоянии с образованием при температуре примерно 95 ... 100°С а-модификации полуводного гипса.<.P>
Обе модификации полуводного гипса отличаются между собой: модификация полугидрата отличается крупнокристаллическим строением.
Гипсовые вяжущие вещества условно разделяют на строительный, формовочный и высокопрочный гипсы.
Гипс строительный является продуктом обжига тонкоизмельченного двуводного гипса. На отдельных заводах после обжига гипс подвергают вторичному помолу. Он относится к мелкокристаллической разновидности гипсового вяжущего вещества, что увеличивает водопотребность при затворении строительного гипса водой до стандартной консистенции теста. В отвердевшем состоянии обладает невысокой прочностью — 2 ... 16 МПа. Но прочность на сжатие уменьшается с увлажнением образцов.
Гипс формовочный состоит также из полугидрата сульфата кальция, отличаясь от гипса строительного большей тонкостью помола.
Гипс высокопрочный является продуктом тонкого помола а-полугидрата, получаемого в результате тепловой обработки в условиях, в которых вода из гипса выделяется в капельно-жидком состоянии. Такие условия возможны в автоклаве в среде насыщенного пара при давлении 0,15 ... 0,3 МПа. Вместо автоклавов возможно использование в качестве тепловой среды водных растворов некоторых солей, например хлористого кальция.
Отличительной особенностью гипсовых вяжущих веществ является их низкий срок схватывания, что вызывает определенное неудобство при производстве строительных работ. По срокам схватывания они разделяются на быстро-, нормально- и медленнотвердеющие. Для продления сроков схватывания в гипсовое тесто нередко вводят добавки-замедлители, например кератиновый клей, сульфитно-дрожжевую бражку и др. Они адсорбируются частицами гипса, что затрудняет их 'растворение и начало схватывания.
Рассмотренные разновидности гипсовых вяжущих веществ применяют для различных целей. Строительный и формовочный с большим успехом используется при производстве гипсовых перегородочных панелей, сухой штукатурки, гипсолитных деталей, вентиляционных коробов, огнезащитных и звукопоглощающих изделий. Широкое использование всех этих изделий обусловливается относительной влажностью воздуха не более 60%, так как увлажнение гипсового изделия всегда связано с понижением прочности и ростом необратимых пластических деформаций (ползучести). Известны определенные меры повышения водостойкости гипса и изделий, например добавлением синтетических смол, пропиткой гидрофобными веществами, интенсивным уплотнением при формовании изделий. Особенно эффективным способом повышения водостойкости является переход к смешанным вяжущим веществам на основе гипса.
Гипс высокообжиговый (эстрихгипс). При температурах обжига (800 ... 950°С) помимо обезвоживания гипсового сырья происходит и частичная термическая диссоциация с образованием СаО, активизирующим химическое взаимодействие вяжущего с водой и ускоряющим процессы твердения. Начало схватывания наступает не ранее 2 ч, предел прочности при сжатии составляет 10 .,. 20 МПа, а водостойкость несколько выше, чем у гипсовых вяжущих и ангидритового цемента. Его применяют для изготовления декоративных и отделочных материалов, например искусственного «мрамора», штукатурных растворов, устройства бесшовных полов и подготовки под линолеум.
Твердение бетона при высоких температурах. Пропаривание и автоклавная обработка.
Твердение бетона при повышенных температурах повышает интенсивность роста прочности, то достижение заданной прочности может быть ускорено пропариванием бетона в специальных камерах. Когда пар находится при атмосферном давлении, т.е. его температура ниже 100° С, твердение можно считать разновидностью влажного ухода. Выдерживание бетона при высоком давлении (автоклавная обработка) является совершенно другой технологией и рассматривается в следующем разделе. Пропаривание успешно применялось для бетонов, приготовленных на различных портландцементах, но его нельзя применять для бетона на глиноземистом цементе из-за вредного воздействия жары и влаги на прочность этого цемента. Бетон с более низким В/Ц реагирует на пропаривание намного лучше тощих бетонов. Основная цель пропаривания заключается в получении достаточно-высокой прочности на ранней стадии, так как бетонные изделия могут приобрести прочность вскоре после бетонирования. Раскрывать форму или освобождать оснастку предварительного напряжения можно значительно раньше, чем при обычном влажном выдерживании, при этом требуется меньшая производственная площадь для хранения при выдерживании; все это дает экономические преимущества. На практике для многих случаев прочность бетона в более поздние сроки имеет меньшее значение. Из-за характера операций, входящих в процесс пропаривания, оно применяется главным образом для сборных деталей. Пропаривание при низком давлении обычно осуществляют в специальных камерах или тоннелях, через которые бетонные элементы подают на конвейерной ленте. Или же предварительно изготовленные детали покрывают передвижными кожухами или покрышками из пластика, под которые пар подается через гибкие шланги. Учитывая влияние температуры на ранних стадиях твердения на позднейшую прочность, должно быть найдено компромиссное решение между температурами, дающими высокую прочность на ранней стадии и на более поздней стадии твердения. На рис. 5.32 показаны значения прочности бетона, изготовленного на модифицированном цементе с ВЩ, равным 0,55; пропаривание производилось непосредственно после изготовления. Аналогичная проблема возникает при определении скорости повышения температуры в начале пропаривания. Установлено, что если температура 48,9°С достигается за период меньше 2—3 ч или температура 98,9° С — за период меньше 6—7 ч с момента перемешивания, то это отрицательно влияет на рост прочности после первых нескольких часов. Нельзя допускать такой быстрый подъем температуры. Быстрое твердение может привести к потере прочности на одну треть в более позднем возрасте по сравнению с влажным выдерживанием при комнатной температуре. Отрицательное действие быстрого подъема температуры заметнее при более высоком водоцементном отношении в смеси и оно более ощутимо при быстротвердеющем цементе по сравнению с обыкновенным портландцементом. Саул установил, что когда скорость подъема температуры бетона не превышает значений, указанных ранее, то его прочность немного отличается от прочности нормально выдержанного бетона и находится в зоне А на рис. 5.33. Прочность слишком быстро нагреваемого бетона лежит в зоне В. Так как температура в период твердения оказывает наибольшее влияние на прочность на поздних стадиях, временное прекращение про-паривания является полезным. Некоторые сведения о влиянии перерыва в пропаривании на прочность можно получить из рис. 5.34, составленного Саулем по данным Шийделлера и Чэмберлена. Примененный бетон был изготовлен на модифицированном цементе с В/Ц, равном 0,6. Жирная линия показывает рост прочности в бетоне, выдержанном во влажных условиях при комнатной температуре. Пунктиром обозначены данные для различных температур выдерживания в интервале между 37,8 и 85° С, цифры против каждой точки обозначают перерыв пропаривания в часах до того, как была резко повышена температура пропаривания. Из рис. 5.34 можно видеть, что для каждой температуры выдерживания существует часть кривой, показывающей нормальную степень роста прочности при твердении. Другими словами, после достаточного временного перерыва пропаривания быстрое нагревание не оказывает отрицательного действия. Это временное прекращение составляет примерно 2; 3,5 ибч соответственно для температур 37,8; 54,4; 73,9 и 85° С. Если, однако, бетон подвергать действию более высокой температуры с меньшим перерывом пропаривания, что неблагоприятно влияет на прочность, как показано правой частью каждой пунктирной кривой, эго воздействие более значительно по сравнению с более высокой температурой выдерживания. На рис. 5.34 показано также, что в течение нескольких часов непосредственно после изготовления рост прочности бетона выше, чем можно было предположить из вычислений зрелости. Это совпадает с более ранним наблюдением, что возраст бетона при высокой температуре является важной характеристикой. Практические режимы пропаривания выбираются как компромисс между требованиями прочности на ранней и поздней стадиях и обусловливаются также продолжительностью рабочей смены. Цикл пропаривания для данной бетонной смеси определяется экономическими соображениями. При типичном цикле пропаривание начинается через 3 ч после изготовления, температура поднимается на 4,4° С в час и достигает 54,4— 73,9° С, а затем продолжается в течение заданного периода времени. Бетон на легком заполнителе можно нагревать до 73,9—82,2° С. Указанные температуры являются температурами пара, но они не обязательно совпадают с температурой пропариваемого бетона. В течение первого часа или двух часов после помещения в камеру температура бетона ниже температуры среды, но позднее в результате тепловыделения при реакции гидратации температура бетона оказывается выше температуры окружающей среды. Можно максимально использовать тепло в камере пропаривания, если пар выпустить раньше и установить длительный период охлаждения. Таким образом, оптимальная программа пропаривания должна включать период медленного повышения температуры, выдержку при максимальной температуре и период охлаждения. Изменения температуры внутри бетона при пропаривании отличаются от изменений температуры на его поверхности. Повышение температуры в центре происходит медленно, соответственно скорость охлаждения также ниже. Таким образом, площадь под кривой «температура— время» примерно одинакова для внутренних точек и точек, расположенных ближе к поверхности бетонного блока, так что весь бетон имеет одинаковую зрелость. Это было продемонстрировано Росом. На рис. 5.35 показаны расчетные кривые «температура — время» для длинного бетонного блока, подверженного различным температурам на поверхности, при этом влияние теплоты гидратации не учитывалось. В прошлом можно было наблюдать, что, когда бетон выдерживался при высоких температурах, тепло при гидратации цемента выделялось так быстро, что повышение температуры наблюдалось даже в маленьких образцах. С другой стороны, при выдерживании при обычной температуре влияние теплоты гидратации было заметно только в массивных элементах. В дополнение к пропариванию применялись и другие способы высокотемпературной обработки бетона. В частности, электрические методы нагревания током, проходящим через арматуру или непосредственно через бетон, оказались успешными. Ток должен быть переменным, поскольку постоянный ток приводит к гидролизу цементной массы.
Основы технологии производства изделий из стройкерамики.
Сырьевыми материалами для производства керамических изделий являются каолины и глины, применяемые в чистом виде, а чаще – в смеси с добавками (отощающими, порообразующими, плавнями, пластификаторами) 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 Al2O3 2SiO2 2H2O и содержат значительное количество частиц меньше 0,01мм; после обжига сохраняют белый цвет.
Глины более разнообразны по минеральному составу, они больше загрязнены минеральными и органическими примесями. Глинистое вещество (с частицами меньше 0,005мм) состоит в основном из каолинита и родственных ему минералов – монтмориллонита Al2O3 4SiO2 nH2O, галлуазита Al2O3 2SiO2 4H2O.
Содержание таких частиц определяет пластичность и другие свойства глин. Высокопластичные глины содержат частицы размером менее 0,005мм 80 – 90 %.
В глинах могут быть примеси снижающие, температуру плавления: карбонат кальция, полевой шпат, Fe(OH)3, Fe2O3. Камневидные включения CaCO3 являются причиной появления «дутиков» и трещин в керамических изделиях, так как гидратация CaO, получившегося при обжиге керамических изделий, сопровождается увеличением его объема. Часто встречающаяся примесь оксида железа придает глине привычную красную окраску. 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 меньше 0,001мм достигает 85 – 90 %.
Трепелы и диатомиты, состоящие в основном из аморфного кремнезема, используют для изготовления теплоизоляционных изделий, строительного кирпича и камней.
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 – 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 %.
Гранулированный доменный шлак (с зернами до 2 мм) – эффективный отощитель глин при производстве кирпича. Роли отощителей выполняют так же золы ТЭС и выгорающие добавки.
Парообразующие материалы вводят в сырьевую массу для получения легких керамических изделий с повышенной пористостью и пониженной теплопроводностью. Для этого используют вещества, которые при обжиге диссоциируют с выделением газа, например CO2 (молотые мел, доломит), или выгорают.
Выгорающие добавки: древесные опилки, измельченный бурый уголь, отходы углеобогатительных фабрик, золы ТЭС и лигнин не только повышают пористость керамических изделий, но также способствуют равномерному спеканию керамического черепка.
Пластифицирующими добавками являются высокопластичные глины, бентониты, а также поверхностноактивные вещества – сульфитно-дрожжевая бражка и др.
Плавни добавляют в глину в тех случаях, когда необходимо понизить температуру ее спекания. К ним относят: полевые шпаты, железную руду, доломит, магнезит, тальк и т.п.
Для придания декоративного вида и стойкости к внешним воздействиям поверхность некоторых керамических изделий покрывают глазурью или ангобом. Слой глазури, нанесенный на поверхность керамического материала, закрепляют на ней обжигом при высокой температуре. Глазури – это стекла, которые могут быть прозрачными и непрозрачными (глухими), различного цвета. Главными сырьевыми компонентами глазури являются: кварцевый песок, каолин, полевой шпат, соли щелочных и щелочно-земельных металлов, оксиды свинца, борная кислота, бура и др. Их применяют в сыром виде, либо сплавленными – в виде фритты. Оксид свинца заменяют менее вредным оксидом стронция.
Ангоб готовят из белой или цветной глины и наносят тонким слоем на еще не обожженные изделия. При обжиге ангоб не плавится, поэтому поверхность получается матовой.
Механические свойства материалов. Прочность.
Механические свойства материалов это совокупность показателей, характеризующих сопротивление материала воз действующей на него нагрузке, его способность деформироваться при этом, а также особенности его поведения в процессе разрушения. В соответствии с этим мсм измеряют напряжениями, деформациями и определяются при механических испытаниях образцов различной формы.
Прочность - это способность материалов в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, сопротивляться внутренним напряжениям и деформациям, возникающим под влиянием механических, тепловых и других напряжений. Типичными прочностными характеристиками являются предел упругости, предел текучести и предел прочности при воздействии сжимающих, растягивающих или других видов усилий. Пределу упругости соответствует напряжение материала при максимальной величине упругой деформации; пределу текучести - постоянное напряжение при нарастании пластической деформации; пределу прочности - максимальное напряжение в момент разрушения материала. Эти характеристики прочности относятся к кратковременному действию приложенной нагрузки. При длительном воздействии нагрузки возрастает опасность для структуры материала и даже сравнительно малые напряжения могут вызвать ползучесть и заметное ухудшение структуры с потерей прочности. Поэтому нередко принято измерять длительную прочность материала, причем не только при статической, но и динамической нагрузках. Материал может резко терять свою прочность после приложения к нему вибрационной нагрузки, что обусловлено усталостью — накоплением неотрелаксированных напряжений и необратимых микродефектов в структуре. Соответствующая прочность называется усталостной, определяется испытанием образцов материала.
В целом, три упомянутые характеристики прочности — условные по двум причинам. Во-первых, они не учитывают фактора времени, что может отразаться в отношении хрупких материалов. Во-вторых, приборы, образцы, скорость приложения нагрузки на прессах и другие исходные данные методов испытания материала на прочность условны. Один и тот же материал может иметь различную величину показателя прочности в зависимости от размера образца, скорости приложения нагрузки и конструкции прибора, на котором испытывались образцы. Например, чем меньше размеры шарика и больше скорость приложения нагрузки, - тем выше величина предела прочности при сжатии.
Основные свойства органических вяжущих и классификация.
Органические вяжущие вещества представляют собой природные или искусственные твердые, вязкопластичные или жидкие (при комнатной температуре) продукты, способные изменять свои физико-механические свойства в зависимости от температуры. По химическому составу это либо сложные смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных серы, азота, кислорода (битумы и дегти), либо карбоцепные и гетероцепные соединения, состоящие в основном из атомов углерода в сочетании с атомами водорода, азота, серы, кислорода и кремния (полимеры).
Органические вяжущие вещества разделяют на три основные группы: битумы природные и нефтяные; дегти каменноугольные, сланцевые, торфяные и древесные; полимеры полимеризационные и поликонденсационные.
По классификации строительных материалов органические вяжущие вещества располагаются в группе безобжиговых материалов и характеризуются следующими общими признаками:
1. Химический состав их представлен органическими соединениями и все они относятся к продуктам химической переработки природного или синтетического сырья, в основном нефти, каменного угля, горючих сланцев, торфа, древесины, природных газов, нефтегаза, мономеров и т. п.
2. Для получения матрицы (в конгломерате) требуется, чтобы вяжущие вещества обладали заданной консистенцией, обеспечивающей образование тонкой пленки на поверхности заполнителя или наполнителя, что достигают разными способами -- нагреванием, растворением, эмульгированием и т. п. 3. Они имеют хорошую адгезию к заполнителям (наполнителям) и обладают способностью сцеплять их в монолит, образуя макро- и микроконгломераты, относящиеся, как и вяжущие, к группе безобжиговых материалов.
3. В той или иной мере они являются гидрофобными и придают водоотталкивающие свойства материалам.
4. Хорошо растворяются в органических растворителях -- бензоле, бензине, керосине, толуоле и других, за некоторым исключением, когда только набухают.
5. Многие органические вяжущие вещества имеют склонность к изменению своих первоначальных свойств под воздействием кислорода воздуха, ультрафиолетовых лучей, повышения температуры, солнечной радиации и некоторых других факторов. Практически все они способны гореть, некоторые из них токсичны.
При отверждении в присутствии минеральных заполнителей (наполнителей) органические вяжущие вещества образуют асфальтовые или полимерные конгломераты и подобно другим имеют заполняющую часть, вяжущее вещество, контактную зону и поры. При этом вяжущая часть в них может рассматриваться как своеобразный микроконгломерат, активно участвующий в формировании макроструктуры.