2.6. Асбестоцементные изделия

Асбестоцементные изделия получают из смеси портландцемента (80 –90 %), волокон асбеста и воды. К достоинствам этих изделий можно отнести их высокую механическую прочность при изгибе (до 420 кг/см²), высокую морозостойкость и малую теплопроводность. Одновременно им присущи такие недостатки, как хрупкость и пониженная прочность при насыщении водой.

Виды асбестоцементных изделий, применяемые в строительстве

1) Листы асбестоцементные волнистые периодического профиля (выпускают длиной 1750, 2000, 2500 мм, шириной 1090 мм и 1150 мм и толщиной 6÷8 мм), применяют для устройства покрытий и облицовки стен.

2) Листы асбестоцементные волнистые унифицированного профиля длиной 1750, 2000, 2500 мм, шириной 1125 мм и толщиной 7,5 мм.

3) Облицовочные асбестоцементные плиты (размером 1200х800 мм, 400х400 мм, 150х150 мм, толщиной 5 и 6 мм).

4) Асбестоцементные унифицированные стеновые панели (длиной 6 м и шириной до 3,3 м).

5) Асбестоцементные трубы напорные и безнапорные (для систем теплопровода и водопровода).

6) Асбестоцементные короба для устройства вентиляции производственных и вспомогательных зданий.

2.7. Металлы и металлические изделия

Из металлов в строительстве больше других применяются сталь и чугун.

Наиболее широко применяют низкоуглеродистые стали с содержанием углерода менее 0,25 %. Из них сооружают каркасы промышленных зданий, резервуары, трубопроводы, изготовляют арматуру для железобетона, а также профилированные изделия (уголки, двутавры, швеллеры, сталь полосовая).

Наиболее широко применяют в строительстве стали следующих марок:

Ст. 3.(а также Ст.0, Ст.4 и Ст.5) – обыкновенная и круглая – применяется для арматуры железобетонных конструкций.

Ст.5 – круглая горячекатаная периодического профиля – используется для изготовления листовых конструкций резервуаров и трубопроводов.

Серый чугун применяют для изготовления конструкций, работающих на сжатие, а также для отливки радиаторов, отопительных систем, канализационных труб.

Одним из существенных недостатков металлических конструкций является коррозия. Для защиты от коррозии в строительстве применяют лакокрасочные покрытия.

Алюминиевые сплавы в строительстве в виде прокатных профилей применяют для несущих конструкций промышленных зданий, а также в ограждающих конструкциях в виде алюминиевых панелей; при этом вес стен и покрытия уменьшается в 10 – 50 раз, затраты на ремонт зданий – в 2 – 3 раза.

2.8. Неорганические минеральные вяжущие материалы

Неорганическими вяжущими веществами называют порошкообразные материалы, которые при смешивании с водой образуют пластично-вязкую массу («вяжущее тесто»), которая со временем постепенно самопроизвольно затвердевает, превращаясь в прочное камневидное тело.

Переходя из тестообразного в камневидное состояние, вяжущее вещество скрепляет между собой зерна песка, гравия или щебня. Это свойство вяжущих используют для изготовления бетонов, силикатного кирпича, асбестоцементных и других необожженных искусственных материалов и для изготовления строительных растворов (кладочных, штукатурных и специальных).

Способность переходить из пластичного состояния в камневидное тело (затвердевать) отличает неорганические вяжущие от органических (дегтей, битумов, животного клея, смол) вяжущих, которые переводят в рабочее состояние нагреванием, расплавлением или растворением в органических жидкостях.

Неорганические вяжущие подразделяют на 3 группы:

1) Воздушные вяжущие,

2) Гидравлические вяжущие и

3) Вяжущие автоклавного твердения.

Воздушные вяжущие способны твердеть, повышать (набирать) прочность и длительное время сохранять прочность только на воздухе (в воде недостаточно стойки).

По химическому составу воздушные вяжущие делятся на 4 группы:

1. Известковые вяжущие, состоящие главным образом из оксида кальция (СаО).

2. Магнезиальные вяжущие, содержащие каустический магнезит МgO и каустический доломит МgO·СаСО₃ и затворяемые растворами солей МgCl₂ MgSO₄.

3. Гипсовые вяжущие, основой которых является сульфат кальция (СаSО₄).

4. Жидкое (растворимое) стекло – силикат натрия или калия (в виде водного раствора) Na₂O·n·SiO₂ или K₂O mSiO₂

Гидравлические вяжущие твердеют, набирают и длительное время сохраняет прочность не только на воздухе, но и в воде. По своему химическому составу гидравлические вяжущие отвечает системе СаО - SiO₂ - Al₂O₃ - Fe₂O₃. Их подразделяют на 3 группы:

1) гидравлическая известь и романцемент;

2) силикатные цементы (они на 75 % состоят их силикатов кальция); к ним относятся портландцемент и его разновидности;

3) алюминатные цементы (вяжущей основой которых являются алюминаты кальция); к ним относятся глиноземистый цемент и его разновидности.

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, известково-зольные, известково-шлаковые вяжущие и нефелиновый цемент.

2.8.1. Воздушные вяжущие

1. Воздушная известь – это вяжущее, получаемое умеренным обжигом, не доводимым до спекания, карбонатных пород (известняка, мела, ракушечника), содержащих до 8 % глинистых примесей по реакции

(2.4)

Обжиг ведут с удалением СО₂ , так как реакция является обратимой. В результате обжига получают продукт белого или серого цвета (главной составляющей которого является СаО и МgO) – негашеную известь (кипелку или комовую известь).

Превращение комовой извести в рабочее состояние достигается ее гашением или сухим помолом.

Негашеная молотая известь применяется с 1940 года в штукатурках, а также для изготовления строительных деталей.

2. Гашеная известь

Процесс гашения извести происходит быстро по реакции:

СаО + Н₂ О Са(ОН)₂ +15,5 ккал (реакция протекает с выделением тепла)

При этом увеличение объема достигает 3 3,5 раз и комья извести рассыпаются в мельчайший порошок, называемый гидратной (гашеной) известью или пушонкой.

Гасят известь на заводах в чашечных или барабанных гидраторах, внутри которых она перемешивается с водой лопастями (шнеком).

На стройках известь часто гасят не в пушонку, а в известковое тесто (воды при этом берется в 2 раза больше).

Процесс твердые извести.

Известковый раствор (известковое тесто, смешанное с песком или шлаком) на воздухе постепенно отвердевает под влиянием двух одновременно происходящих процессов:

1) перекристаллизация гидроокиси кальция Са(ОН)₂ при испарении воды (при этом мельчайшие кристаллы Са(ОН)₂ , сближаясь между собой, образуют прочный кристаллический сросток;

2) карбонизация – действие углекислоты (которая всегда содержится в воздухе в количестве ≈ 0,03 %) вызывает образование сростков карбоната кальция:

Са(ОН)₂ + СО₃^2- +2Н⁺ = СаСО₃ + 2Н₂О . (2.5)

В результате карбонизации образуется то же вещество, из которого получали известь.

3) При твердении извести происходит еще один процесс, вызывающий ее упрочнение в строительных растворах: в присутствии влаги происходит очень медленное взаимодействие Са(ОН)₂ с SiO₂. При этом образуются силикаты кальция (но для этого нужны многие десятилетия). Высшая прочность известковых растворов, обнаруживаемая в сооружениях трехсот-четырехсотлетней давности, объясняется образованием в них с течением времени именно силикатов кальция.

В сухой среде известь практически не карбонизируется, поэтому известковые составы нельзя наносить на сухую поверхность фасадов в жаркую сухую погоду.

Процесс твердения в системе известь – песок можно резко ускорить – для этого их нужно подвергнуть тепловлажностной обработке в автоклавах (при 175 – 200 °C), и уже через 10 ÷ 20 МПа (а после месяца твердения в обычных условиях δ_сж ≈ 0,4 ÷ 0,8 МПа).

Воздушную известь применяют для изготовления силикатного кирпича, штукатурных и кладочных растворов, красочных составов, плотных и ячеистых силикатных изделий. Для кладки фундаментов и в сырых помещениях воздушную известь применять нельзя.

Комовую известь превращают также в рабочее состояние путем сухого помола. Получаемый продукт называется молотой известью-кипелкой. При затворении его водой СаО растворяется до образования насыщенного раствора, и одновременно происходит гидратация СаО. Насыщенный раствор СаО быстро становится пресыщенным по отношению к Са(ОН)₂ (т.к растворимость Са(ОН)₂ меньше растворимости СаО). При этом температура известкового теста повышается, что способствует быстрому уплотнению смеси.

2. Магнезиальные вяжущие

Магнезиальными вяжущими являются тонкоизмельченный каустический магнезит (MgO) и каустический доломит (MgO·СаСО₃ ), которые получают умеренным обжигом (650 ÷ 670 °С) природных магнезитов (MgСО₃ ) и доломитов (СаСО₃ ·MgСО₃) :

(2.6)

В результате обжига образуется каустический магнезит (MgО), обладающий вяжущими свойствами. После обжига материал дробят и подвергают помолу.

В отличие от извести, гипса и гидравлических вяжущих магнезиальные вяжущие затворяют не водой, а водными растворами хлористого и сернокислого магния (MgCl₂ и MgSO₄), так как MgО в воде растворяется плохо и прочность магнезиального вяжущего, затворенного водой, будет низкой.

При затворении солями Mg получается магнезиальный цемент, который схватывается не ранее 20 минут и заканчивает не позднее 6 часов от начала затворения. Каустический магнезит в возрасте 28 суток обладает прочностью на сжатие (в растворе 1:3) _сж = 40 – 60 МПа.

Применяют магнезиальные вяжущие для изготовления:

1) ксилолита (смесь цемента с опилками); его используют для устройства полов (полы износоустойчивы и нетеплопроводны);

2) для производства фибролита (смесь цемента со стружкой – его используют как теплоизоляционный материал;

3) для изготовления искусственного мрамора (или плиток для облицовки).

Применять и хранить магнезиальные вяжущие можно только в сухих помещениях.

3. Гипсовые вяжущие вещества

Гипс – это полуводная сернокислая соль кальция CaSO₄·0,5H₂О. Cырьем для производства гипсовых вяжущих служат осадочные горные породы, называемые гипсом (гипс состоит из минерала CaSO₄·2H₂О), и ангидритом (ангидрит состоит из кристаллов CaSO₄).

Гипсовые вяжущие подразделяют на 2 групы:

а) низкообжиговые вяжущие

– Гипс строительный – получают термической обработкой с последующим помолом по реакции:

(2.7)

– Высокопрочный (или технический) гипс получают автоклавированием или кипячением по реакции:

(2.8)

Высокопрочный гипс отличается большей прочностью (в 3 – 4 раза выше прочности строительного гипса).

Твердение гипса происходит очень быстро (через 4 – 5 минут после затворения и заканчивается через 6 – 30 минут) и заключается в присоединении воды и образовании двуводного сульфата кальция по реакции:

(2.9)

Строительный и высокопрочный гипс являются быстросхватывающимися вяжущими (в результате появления двуводного гипса и перехода коллоидных частиц в кристаллы тесто загустевает, т.е. происходит его «схватывание». Затем кристаллы CaSO₄ ·2H₂О срастаются между собой, образуя прочный гипсовый камень).

Прочность гипса зависит от количества воды, взятой для его затворения, и от тонкости помола. Для получения подвижной и удобоукладываемой массы строительный гипс затворяют 50 – 70 % воды, а высокопрочной – 35 ÷ 45 % воды. Избыток воды, испаряясь в процессе твердения, приводит к повышению пористости, т.е. к снижению прочности.

Твердеет гипс только в сухих условиях, и после просушивания рост прочности прекращается. Для ускорения твердения гипс можно подвергать сушке, но при температуре не выше 65 – 70 °C.

В качестве замедлителей твердения гипса используют:

• водный раствор столярного клея;

• сульфитно-спиртовую барду.

В качестве ускорителей схватывания используют:

а) поваренную соль и

б) сульфат натрия, который увеличивают растворимость полуводного гипса;

в) молотый гипсовый камень, частицы которого являются центрами кристаллизации.

Гипсовые изделия неводостойки, поэтому их необходимо покрывать водонепроницаемыми обмазками или вводить в состав добавки извести, шлака, портландцемента или мылонафта. Применяют гипсовые вяжущие

1) для производства гипсовых и гипсобетонных изделий

2) для приготовления штукатурных растворов (с добавками глины и извести). При хранении активность гипса постепенно снижается.

б) высокообжиговые гипсовые вяжущие вещества.

К группе высокообжиговых гипсовых вяжущих относят

а) ангидритовое вяжущее (цемент) и

б) высокообжиговый гипс.

Ангидритовый цемент изготовляют обжигом природного гипса при температуре 600 – 700°

. (2.10)

В результате обжига получают безводный сульфат кальция , который затем подвергают помолу.

Ангидритовое вяжущее отличается медленным схватыванием. Его марки по прочности при сжатии могут достигать 100÷200(выпускается это вяжущее четырех марок: 50, 100, 150 и 200.

Применяют высокообжиговый гипс для изготовления:

1) строительных растворов и

2) низкомарочных бетонов, предназначенных только для службы в сухой среде.

Высокообжиговый гипс – получают обжигом природного гипса при температуре 800÷1000° С с последующим помолом.

По срокам схватывания и прочности высокообжиговый гипс подобен ангидритовому вяжущему и поэтому может применяться только в сухих условиях.

Выпускают этот гипс трех марок: 100,150,200. Твердеет он без катализаторов.

4. Растворимое жидкое стекло и кислотоупорный цемент

Так как растворимое стекло применяют обычно в жидком виде, то его часто называют «жидким стеклом». Жидкое стекло – вязкая жидкость темно-желтоватого или коричневого цвета. Состав его выражается формулой

R₂O·nSiO₂, (2.11)

где R – Nа или К (Калий), т.е. жидкое стекло – это натриевый силикат Nа₂О·nSiO₂ или калиевый силикат К₂O·nSiO₂. Жидкое стекло получают сплавлением при высокой температуре (1300 ÷ 1400 °) измельченых и тщательно смешанных между собой кварцевого песка, кальцинированной соды (Nа₂CO₃) и сульфата натрия (Nа₂ SO₄) или поташа (К₂СО₃). Получают стекло в стекловаренных печах (варка 7 – 10 часов).

При быстром охлаждении масса распадается на куски, называемые силикат-глыбой. Для получения жидкого стекла силикат-глыбы растворяют в автоклавах (Р = 3÷8 атм) до сиропообразной консистенции.

Жидкое стекло медленно твердеет на воздухе вследствие высыхания и выделения аморфного кремнезема под действием углекислого газа по реакции:

Na₂O·nSiO₂ + CO₂ =Na₂CO₃+nSiO₂ . (2.12)

Для ускорения твердения жидкое стекло нагревают и добавляют катализатор – кремнефтористый натрий Na₂SiF₆ в количестве 12 – 15 % от веса жидкого стекла.

Применяют жидкое стекло для приготовления:

1. кислотостойких растворов и бетонов;

2. жаростойких обмазок и бетонов (с температурой службы 900 °С);

3. для уплотнения грунтов;

4. для изготовления суперлегких заполнителей.

Кислотоупорный цемент состоит из тонкоизмельченных и тщательно перемешанных кремнефтористого натрия (Na₂SiF₆) и кварцевого песка (SiO₂), затворяемых на жидком стекле (Na₂O·nSiO₂).

Схватывается и твердеет кислотоупорный цемент при температуре выше 10 °С. Этот цемент и бетон на его основе (для которого крупный заполнитель берут тоже из кислотостойкой породы – кварцита или диабаза) стоек к кислотам (ко всем, кроме фосфорной кислоты, а также щелочей). Но он теряет прочность в воде.

Из него изготавливают:

а) резервуары на химических заводах;

б) ванны в травильных цехах;

в) кислотоупорные растворы, которые используют при футеровке кислотоупорными плитками (керамическими, стеклянными, диабазовыми) железобетонных и кирпичных конструкций на предприятиях химической промышленности.

Твердение кислотоупорного цемента основано на реакции между тонкомолотым песком и жидким стеклом, из которого выпадает гель кремнекислоты.

2.8.2. Гидравлические вяжущие вещества

Гидравлические вяжущие получают двумя способами:

1. обжигом горных пород или

2. смешиванием извести с активными минеральными добавками.

В результате такой обработки эти вяжущие получают гидравлические свойства.

Гидравлическая известь – это вяжущее, получаемое умеренным обжигом (при 900÷1000 ºС) мергелистых известняков, содержащих от 6 до 25% глинистых примесей (глина состоит из различных водных алюмосиликатов общей формулы .

Составные части гидравлической извести:

MgO, CaO, CaO·Al₂ – однокальциевый алюминат,

2СaO·SiO₂ – двухкальциевый силикат,

2CaO·Fe₂O₃ – двухкальциевый феррит.

При твердении гидравлической извести имеют место процессы:

1) воздушного твердения наличие СаО в составе извести приводит к образованию Ca(OН)₂, а далее образовавшаяся Ca(OH)₂ постепенно кристаллизируется и одновременно идет процесс карбонизации по реакции:

. (2.13)

2) Гидравлическое твердение извести происходит в результате гидратации силикатов, алюминатов и ферритов кальция.

В возрасте 28 суток гидравлическая известь имеет прочность на сжатие _сж. 1,7 МПа, а иногда, прочность на сжатие достигает 5 10 МПа.

По прочности гидравлическая известь значительно уступает портландцементу, но прочнее строительной извести.

Применяют гидравлическую известь для изготовления бетонов и растворов для работы в сухих в влажных условиях.

Допускается ее применение для кладки фундаментов ниже уровня грунтовых вод, но при условии предохранения от воздействия воды в течении 7÷14 дней.

Романцемент – продукт такого помола обожженных при 900 ˚С известковых или магнезиальных мергелей, содержащих более 20 % глинистых включений. В возрасте 28 сут. имеет прочность _сис = 25÷10 МПа.

Но первые 3÷5 дней твердение его надо ограждать от воздействия воды (т.к. это по сути сильно гидравлическая известь).

Силикатный цемент. Портландцемент

Цемент – это собирательное название группы гидравлических вяжущих, образовавшихся при высокой температурной обработке смеси сырьевых материалов, доведенной до спекания.

Изготавливают более 30 видов и разновидностей цемента. Цементы при твердении развивают прочность, характеризуемую маркой. Выпускаются цементы преимущественно марок 300, 400, 500 и 600, в отдельных случаях – более высоких марок.

С повышением марки возрастает эффективность применения цемента в бетонах и растворах за счет уменьшения его расхода.

Портландцемент – это гидравлическое вяжущее – продукт тонкого помола клинкера, получаемого спеканием при 1450 ˚С сырьевой смеси из известковых мергелей, углекислотной извести и глины.

Объемный вес кг/м³ кг/м³

(в рыхлом состоянии) (в уплотненном состоянии)

Сроки схватывания портландцемента – начало – не ранее 45 мин от

начала затворения;

конец – не позднее 12 час

от начала затворения.

Эти сроки обеспечивают транспортирование и применение растворных и бетонных смесей до момента потери пластичности и удобоукладываемости.

Для регулирования сроков схватывания портландцемента при помоле в его состав добавляют до 5% гипса.

С повышением температуры сроки схватывания портландцемента ускоряются, с понижением – замедляются, а при температуре ниже 0 ºС – прекращаются.

Водопотребность портландцемента – это количество воды, необходимое для его гидратации и придания цементному тесту определенной подвижности. Для процесса гидратации требуется около 15 % воды, но для обеспечения подвижности цементного теста воды берется значительно больше.

Лишняя вода образует в цементном растворе и бетоне поры (при испарении). Поэтому чем ниже водопотребность цемента, тем выше его качество.

Твердение портландцемента – сложный физико-химический процесс, в котором различают 3 периода:

1. гидролиз и гидратация С₃S;

2. коллоидация;

3. кристаллизация.

При твердении в течение длительного времени в воде цемент получается более прочным, чем при твердении на воздухе.

При схватывании и твердении портландцемента выделяется тепло (его количество приблизительно равно 1/10 части величины, характеризующей марку цемента, т.е. : цемент марки М300 выделяет за 7 суток с момента затворения 30 ккал/кг. Зимой это хорошо, а летом – плохо.

При длительном хранении теряется активность:

за 3 мес. – на 20%,

за 6 мес. – на 30%;

за 1 год – на 40%.

Особые виды портландцемента:

1) Пластифицированный (это портландцемент с добавкой ССБ в количестве 0,15÷0,25 вес.%)

Его применение обеспечивает повышение пластичности растворов и бетонов, уменьшает отношение воды к цементу по массе, что повышает прочность и уменьшает расход цемента на 8 – 10 %. Выпускают пластифицированный портландцемент следующих марок: М300, 400, 500, 600.

2) Гидрофобный портландцемент представляет собой обычный портландцемент с гидрофобной добавкой и добавкой гипса. В качестве гидрофобной добавки применяют мыло, нафт или олеиновую кислоту в количестве 0,06 – 0,3 %.

Этот цемент не боится увлажнения, не слеживается и долго не теряет активность. Выпускают гидрофобный портландцемент марок М 300, 400, 500, 600.

3) Быстротвердеющий портландцемент (уже через 24 часа твердения он имеет прочность на сжатие =20 МПа, а в возрасте 3 суток более 25 МПа).

Это обеспечивается: 1)повышенной добавкой гипса;

2) более тонким помолом клинкера;

3) подбором сырьевой смеси.

4) Сульфатостойкий портландцемент выпускают марок М 250, 300 (он содержит 5% С₃А. Этот портландцемент стоек к действию сульфатных грунтовых вод.

5) Портландцемент с умеренной экзотермией. Выпускают марок М 300, 400.

Этот цемент отличается повышенной стойкостью в сульфатных грунтовых водах.

6) Белый и цветной цементы – имеют декоративное назначение. Обычный цвет потрландцемента – зеленовато-серый (из-за примесей FeO и MnO). Белый цемент изготавливают из белых глин и чистых известняков, не содержащих этих оксидов. Обжиг его ведут на газе. Выпускают белый цемент трех марок: М 300, 400, 500.

Цветной цемент получают совместным помолом белого клинкера с охрой, железным суриком и другими пигментами.