Раздел 1. Основы строительного материаловедения

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ ЭКОНОМИКИ, УПРАВЛЕНИЯ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ И НЕДВИЖИМОСТИ

 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

(СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ)

 

 

Учебное пособие

 

для студентов заочного обучения по специальности 080502

«Экономика и управление на предприятии (по отраслям)»

 

Автор:

профессор, канд. техн. наук Н.А.Сканави

 

Москва, 2010

 

 

УДК 691

 

Сканави Н.А. Материаловедение (строительные материалы)

М.: МГСУ. 2010, 85 с.

 

В учебном пособии приведены основы строительного материаловедения и описание главнейших строительных материалов различного назначения. Дана взаимосвязь состава, строения, свойств, областей применения и особенностей технологических процессов производства материалов и изделий.

Учебное пособие предназначено для студентов заочной формы обучения по специальности «Экономика и управление на предприятии (по отраслям)». Учитывая специфику специальности, делаются акценты на экономические аспекты производства и применения материалов и изделий.

 

 

ISBN

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ
ВВЕДЕНИЕ

 

РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
Глава 1. Классификация строительных материалов и технологии их производства
1.1. Классификация строительных материалов и методический подход
к их изучению
1.2. Общие сведения о технологиях промышленности строительных материалов
1.3. Сырьевая база промышленности строительных материалов
Глава 2. Основные свойства строительных материалов
2.1. Связь состава, строения и свойств строительных материалов
2.2. Классификация и характеристика основных свойств строительных материалов
Вопросы для самоконтроля к разделу 1

 

РАЗДЕЛ 2. ПРИРОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Глава 3. Природные каменные материалы
3.1. Общие сведения о горных породах
3.2. Технические требования к каменным материалам
3.3. Добыча, обработка и виды изделий из природного камня
Глава 4.Материалы и изделия из древесины
4.1. Состав и строение древесины
4.2. Свойства древесины
4.3. Защита древесины от гниения и возгорания
4.4. Виды материалов, изделий и конструкций из древесины
Вопросы для самоконтроля к разделу 2

 

 

РАЗДЕЛ 3. МАТЕРИАЛЫ, ПОЛУЧАЕМЫЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ
Глава 5. Керамические материалы
5.1. Общие сведения
5.2. Сырье для производства керамических материалов
5.3. Основы технологии керамических изделий
5.4. Виды керамических материалов
Вопросы для самоконтроля.к главе 5

 

Глава 6. Неорганические вяжущие вещества
6.1. Общие сведения. Классификация
6.2. Воздушные вяжущие вещества
6.2.1. Гипсовые вяжущие вещества
6.2.2. Воздушная известь
6.3. Гидравлические вяжущие вещества
6.3.1. Портландцемент
6.3.2. Специальные виды портландцемента
6.3.3. Глиноземистый цемент
6.3.4. Расширяющиеся цементы
Вопросы для самоконтроля к главе 6

 

РАЗДЕЛ 4. МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ
ВЕЩЕСТВ
Глава 7. Бетоны
7.1. Общие сведения, классификация
7.2. Материалы для бетона
7.3. Свойства бетонной смеси
7.4. Основы технологии бетона
7.5. Свойства бетона
7.6. Разновидности бетона
Вопросы для самоконтроля к главе 7

 

РАЗДЕЛ 5. ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА И МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ
Глава 8. Битумные и дегтевые вяжущие и материалы на их основе
8.1. Общие сведения, классификация
8.2. Битумы
8.3. Дегти
Вопросы для самоконтроля к главе 8

 

Глава 9. Полимерные строительные материалы
9.1. Общие сведения
9.2. Состав пластмасс
9.3. Основы технологии строительных изделий из пластмасс
9.4. Основные свойства строительных пластмасс
9.5. Применение полимерных материалов и изделий
Вопросы для самоконтроля к главе 9

 

 

РАЗДЕЛ 6. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Глава 10. Теплоизоляционные материалы
10.1. Общие сведения, классификация
10.2. Способы создания высокопористого строения
10.3. Свойства теплоизоляционных материалов
10.4. Основные виды теплоизоляционных материалов и особенности применения
Вопросы для самоконтроля к главе 10

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Примеры вариантов контрольного задания
Методические указания к выполнению контрольного задания
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Учебное пособие «Материаловедение (строительные материалы)» для студентов заочного обучения по специальности «Экономика и управление на предприятии» написано в соответствии с Рабочей программой дисциплины и ориентировано на экономистов и менеджеров строительного профиля.

Программой дисциплины “Материаловедение (строительные материалы)” предусматривается изучение общих основ современного строительного материаловедения: номенклатуры, состава, строения, свойств, областей применения строительных материалов, а также основных принципов технологических процессов производства материалов.

Учитывая вероятные сферы деятельности выпускников, а также существенный удельный вес материалов в стоимости строительства, преподавание данной дисциплины будущим экономистам строительного комплекса является необходимым и актуальным.

В результате изучения дисциплины “Материаловедение (строительные материалы)” студенты должны знать материальную основу современного строительства - строительные материалы и изделия: их разновидности, состав, строение, свойства, основы производства, технически грамотное и экономически целесообразное применение.

 

Студенты должны уметь применять полученные знания на практике при оценке качества строительных материалов, при выборе материалов для различных условий эксплуатации, при решении вопросов ресурсосбережения, охраны окружающей среды, экономической эффективности и т.д.

Учебное пособие содержит теоретическую и практическую часть. Материал теоретической части сопровождается контрольными вопросами. Практическая часть включает примеры задач, решение которых требует от студентов активного владения материалом. В конце учебного пособия приводится список рекомендуемой литературы.

Учитывая специфические особенности заочной формы обучения и требования компактности изложения, некоторые сведения о материалах даются в табличной форме (основные свойства материалов, разновидности цементов, разновидности бетонов и проч.). Это отличается от традиционной формы изложения (когда сведения о материале могут быть «размыты» в тексте) и позволяет выявить именно те факторы, на которые следует обратить внимание при сравнении материалов, их характерные особенности, например, наглядно показать отличия различных видов цемента от традиционного портландцемента.

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Промышленность строительных материалов - отрасль производства, от которой зависит экономический потенциал страны. Необходимым условием роста любой отрасли промышленности является сопутствующий рост и развитие промышленности строительных материалов (сначала производятся строительные материалы, возводятся конструкции, потом в них монтируется то или иное оборудование и т.д.).

Затраты на материалы составляют более половины общей стоимости строительно-монтажных работ и около 1/3 капитальных вложений в хозяйство страны. Для нужд промышленности строительных материалов ежегодно добываются миллиарды тонн минерального сырья. Четверть всех железнодорожных и более половины речных перевозок приходится на минеральные материалы.

Технологии промышленности строительных материалов очень разнообразны: от простейших механических операций до сложных химических и физико-химических процессов. Соответственно и продукты этих технологий - строительные материалы и изделия отличаются огромным разнообразием.

РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Глава 1. КЛАССИФИКАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПРОИЗВОДСТВА

Глава 2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Вопросы для самоконтроля к разделу 1

1. Как классифицируются строительные материалы по условиям их работы в сооружении?

2. Какой методический подход рекомендуется при изучении строительных материалов?

3. Какие технологии применяются для получения строительных материалов? Их краткая характеристика.

4. Назовите основные источники сырья для промышленности строительных материалов.

5. Какие виды промышленных отходов используются для производства строительных материалов и в чем заключается эффективность их применения?

6. Как можно выразить состав материала? Как состав материала влияет на его свойства?

7. Что такое композиты?

8. В чем заключается взаимосвязь строения и свойств материала? Уровни изучения строения материала.

9. На какие основные группы делятся свойства строительных материалов? Дайте характеристику основных групп.

10. Назовите и охарактеризуйте параметры состояния и структурные характеристики материалов, приведите их определения, формулы, размерности.

11. Назовите основные гидрофизические (теплофизические, механические) свойства материалов, приведите их определения, формулы, размерности.

Состав и строение древесины

По составу древесина представляет собой целлюлозу (С₆Н₁₀О₅)_n, где n>2500. Макромолекулы природного полимера - целлюлозы имеют сложное строение, эластичны и сильно вытянуты.

Строение древесины изучают на макро- и микроуровне. Макроструктурой называют строение ствола дерева, видимое невооруженным глазом. Макроструктуру изучают на трех основных разрезах ствола: поперечном (торцевом) – он делается перпендикулярно оси ствола, радиальном, проходящем вдоль оси ствола через его сердцевину, и тангенциальном, проходящем по хорде вдоль ствола. На этих разрезах можно различить следующие части ствола: сердцевину (тонкая полая трубка в самом центре – клетки первого года жизни дерева), кору, луб, камбий, годичные кольца, заболонь, ядро, сердцевинные лучи.

Под защитой коры и лубяного слоя у растущего дерева располагается тонкий кольцевой слой живых клеток - камбий. Здесь происходит деление клеток древесины. Ежегодно с весны до осени камбий откладывает в сторону коры клетки луба и внутрь ствола - клетки древесины.

Каждое годичное кольцо состоит из слоя ранней древесины, образовавшейся весной и в начале лета, и поздней, которая образуется к концу лета. Ранняя древесина состоит из крупных тонкостенных клеток и на срезе выглядит светлой. Поздняя древесина имеет мелкие толстостенные клетки; она менее пориста, обладает большей прочностью и имеет темный цвет.

Ядро - это внутренняя часть ствола, примыкающая к сердцевине, состоящая из отмерших клеток, пропитанных у хвойных пород смолой, а у лиственных - дубильными веществами. Эта часть ствола становится более твердой и менее склонной к загниванию. Более молодая древесина ближе к коре называется заболонью. Она состоит из живых клеток, по которым перемещаются питательные вещества и влага от корней к кроне. Эта часть древесины имеет большую влажность, малую прочность, легко загнивает, склонна к короблению.

Сердцевинные лучи состоят из клеток, вытянутых в поперечном направлении, и служат для создания запаса влаги и питательных веществ на зимнее время. Древесина легко раскалывается и растрескивается по сердцевинным лучам.

Микроструктуру древесины изучают под микроскопом. Основную массу древесины составляют клетки веретенообразной формы, вытянутые вдоль ствола. Исключение составляют клетки сердцевинных лучей. Поперечный размер клеток древесины 0,01...0,1 мм, длина 0,5-10 мм. Крупные сосуды (разросшиеся клетки) у лиственных пород могут достигать длины 2...3 м Оболочки клеток имеют сложное строение. У хвойных пород имеются межклеточные пространства, заполненные смолой - смоляные ходы.

 

Свойства древесины

Состав и строение древесины определяют ее свойства. К положительным свойствам древесины относятся малая средняя плотность (400-500 кг/м³), малая теплопроводность (например, у сосны теплопроводность поперек волокон составляет 0,17, вдоль -0,35 Вт/(м.⁰C), высокая прочность (R_сж=35-70 МПа; R_изг= 80-120 МПа). Пористость древесины составляет 50-75%, удельная прочность (по изгибу) достигает 200-230 МПа. Древесина химически стойка, обладает замечательной декоративностью, долговечностью и очень технологична.

К отрицательным свойствам древесины, ограничивающим ее применение, относятся анизотропия свойств – разные свойства по разным направлениям (следствие волокнистого строения), высокая гигроскопичность, склонность к короблению и растрескиванию, загниваемость, возгораемость, наличие пороков. Эти недостатки частично или полностью устраняются техническими мероприятиями.

Пороками называют недостатки древесины, появляющиеся во время роста дерева и хранения пиломатериалов на складе. Степень влияния пороков на пригодность древесины зависит от их вида, места расположения, размеров, а также от назначения древесной продукции. Один и тот же порок в некоторых видах продукции делает древесину непригодной, а в других понижает ее сортность или не имеет существенного значения.

Пороки древесины делят на несколько групп:

- пороки формы ствола (сбежистость – значительное уменьшение диаметра по длине ствола; закомелистость – резкое увеличение диаметра нижней комлевой части ствола; кривизна);

- пороки строения древесины (наклон волокон – косослой вызывает резкое снижение прочности древесины; свилеватость – расположение волокон в виде волн или завитков; крень – смещение сердцевины; двойная сердцевина);

- сучки – части ветвей, заключенные в древесине (сросшиеся и выпадающие сучки, разветвленные или лапчатые – наиболее опасные; здоровые);

- трещины (метик, морозные трещины, трещины усушки идут по сердцевинным лучам, отлуп – по годовым кольцам);

- грибные поражения и химические окраски – вызываются грибами, использующими древесину в качестве питательной среды, или микроорганизмами;

- повреждения насекомыми – червоточины;

- покоробленности – нарушение формы пиломатериалов при изменении влажности древесины (поперечная, продольная и винтообразная покоробленность – крыловатость).

 

Вопросы для самоконтроля к разделу 2

1. Как получают природные каменные материалы?

2. Что такое минерал, горная порода?

3. Как классифицируются горные породы?

4. Охарактеризуйте группу магматических (осадочных, метаморфических) горных пород.

5. Как происхождение горных пород влияет на их строение и свойства?

6. Каковы технические требования к каменным материалам?

7. Назовите и охарактеризуйте основные виды изделий из природного камня

по способу обработки.

8. Каков химический состав древесины?

9. Назовите основные элементы макро- и микроструктуры древесины.

10.Перечислите положительные и отрицательные свойства древесины.

11. Что подразумевается под пороками древесины?

12. Какие виды влаги различают в древесине и как свойства древесины зависят от влажности?

13. Как защищать древесину от гниения и возгорания?

14. Назовите и охарактеризуйте основные виды материалов, изделий и конструкций из древесины.

 

 

Общие сведения

Керамическими называются искусственные каменные материалы и изделия, получаемые из минерального сырья путем формования и последующего обжига при высоких температурах.

Название «керамика» происходит от греческого слова «keramos» - глина. Керамические материалы являются самыми древними из известных искусственных каменных материалов: начало применения керамического кирпича - 3500 лет до н.э.

В настоящее время керамические изделия, в т.ч. специальные, широко используются не только в строительстве, но и в машиностроении, ядерной энергетике, электронной, ракетной и других отраслях промышленности. Значительный интерес представляет оксидная техническая керамика, а также металлокерамика.

Современное строительное производство использует широкий круг керамических материалов и изделий с различными свойствами. Их классифицируют по ряду признаков:

- по назначению керамические изделия подразделяются на стеновые, кровельные, отделочные, для полов, для перекрытий, дорожные, санитарно-технические, кислотоупорные, теплоизоляционные, огнеупорные, заполнители для бетонов и др.;

- по структуре разделяют на пористые, имеющие водопоглощение по массе более 5% (кирпич и камни стеновые, кровельные, облицовочные материалы, дренажные трубы и др.) и плотные, имеющие волопоглощение по массе менее 5% (плитки для пола, дорожный кирпич, стенки канализационных труб и др.).

- по температуре плавления подразделяются на легкоплавкие (с температурой плавления ниже 1350⁰С), тугоплавкие (1350⁰С-1580⁰С), огнеупорные (1580⁰С-2000⁰С), высшей огнеупорности (более 2000⁰С).

Керамические материалы занимают одно из первых мест по объемам производства не только благодаря широкой номенклатуре изделий и высокой долговечности, но и сравнительной простоте технологии при больших запасах широко распространенного сырья.

Вопросы для самоконтроля к главе 5

1. Какие материалы и изделия называют керамическими?

2. На основе каких признаков принято классифицировать керамические изделия?

3. Каковы состав и свойства глин, как основного сырья для производства керамики?

4. Какие добавки и с какой целью вводят в состав керамической массы?

5. Чем обусловлена пластичность глин? Как ее регулируют?

6. Назовите основные этапы производства керамических изделий.

7. Какие способы формования изделий Вы знаете?

8. При какой температуре и почему проводят сушку и обжиг керамических изделий?

9. Какие процессы происходят при обжиге глин? Что такое «недожог» и «пережог»?

10. Назовите свойства и виды стеновых керамических изделий.

11. Перечислите и кратко охарактеризуйте основные виды керамических изделий.

Воздушные вяжущие вещества

Гипсовые вяжущие вещества

Сырьем для получения служит природный гипсовый камень СаSO₄.2H₂O и природный ангидрит СаSO₄ , а также отходы химической промышленности, содержащие двуводный или безводный сернокислый кальций, например, фосфогипс (отход при производстве фосфорной кислоты).

Технологический процесс производства гипсовых вяжущих состоит в измельчении гипсового камня и последующей тепловой обработке (дегидратации). В зависимости от температуры обжига гипсовые вяжущие подразделяют на низкообжиговые ( 110-180 ⁰С) и высокообжиговые (600-900 ⁰С).

Используемые технологические схемы отличаются друг от друга числом и последовательностью основных операций. Широко распространена схема производства низкообжиговых гипсовых вяжущих (строительный гипс) в варочных котлах или печах. Применяются также установки совмещенного помола и обжига. Тепловая обработка в этих условиях производится при атмосферном давлении, вода из исходной горной породы выделяется и удаляется в виде пара:

CaSO_4.2H₂O = + 1,5Н₂О -Q

Это эндотермическая реакция, идущая с поглощением тепла. Продукт реакции - -модификация СаSO₄.0,5Н₂О имеет мелкие кристаллы с нечетко выраженными гранями.

Для получения высокопрочного гипса, состоящего в основном из -СаSO₄.0,5Н₂О (имеет крупные и плотные кристаллы в виде игл или призм), создают такие условия, при которых кристаллизационная вода удаляется в капельно-жидком состоянии. Известны два способа получения высокопрочного гипса: автоклавный и способ кипячения в водных растворах некоторых солей при атмосферном давлении. Получаемый -полугидрат характеризуется меньшей водопотребностью (30-45%) по сравнению с -полугидратом, пониженной пористостью и повышенной прочностью на сжатие - до 50 МПа.

Высокообжиговые гипсовые вяжущие получают обжигом дробленого гипсового камня или ангидрита во вращающихся печах с последующим размолом продукта обжига.

Ангидритовое вяжущее - продукт обжига СаSО₄.2Н₂О при температуре 600-900 ⁰С с последующим измельчением с добавками-катализаторами (известь, обожженный доломит, основные доменные шлаки). Ангидритовое вяжущее получают также помолом природного ангидрита СаSО₄ с добавками-активизаторами твердения (способ П.Г.Будникова).

Высокообжиговый гипс состоит из ангидрита СаSО₄ и 3-5% СаО, образующегося при разложении СаSО₄ и выполняющего роль катализатора при твердении СаSО₄. Высокообжиговый гипс получают обжигом гипсового камня при температуре 800-1000⁰С и последующим помолом, в отличие от строительного гипса он медленно схватывается и твердеет, но его водостойкость и прочность выше.

Твердение строительного гипса происходит в результате растворения - полугидрата, образования его пересышенного раствора, в котором возникают зародыши кристаллов двугидрата:

+ 1,5Н₂О= CaSO_4.2H₂O + Q (экзотермическая реакция).

По теории твердения А.А.Байкова выделяют три периода твердения:

- подготовительный период - образование раствора, насыщенного по отношению к продуктам гидратации; пластичное состояние теста;

- период коллоидации - образование коллоидно-дисперсной массы в виде геля; загустевание теста (схватывание);

- период кристаллизации – кристаллизация новообразований, рост кристаллов, их срастание, образование кристаллизационной структуры; твердение системы и рост ее прочности.

Дальнейшее увеличение прочности происходит за счет высыхания гипсового камня - удаления пленочной воды.

Основные свойства гипсовых вяжущих определяются по стандартным методикам.

Тонкость помола определяется в зависимости от остатка на сите 0,2 мм при просеивании пробы гипса; различают вяжущие грубого, среднего и тонкого помола.

Водопотребность определяется количеством воды в % от массы вяжущего, необходимым для получения гипсового теста стандартной консистенции. Консистенция оценивается по диаметру расплыва лепешки из гипсового теста на вискозиметре Суттарда.

Чтобы получить удобоукладываемое гипсовое тесто, необходимо взять 50-70% воды от массы гипса, а на химическую реакцию гидратации требуется лишь 18,6% Н₂О. Избыток воды затем испаряется, что обуславливает большую пористость (40-60% и более), и соответственно, невысокую прочность.

По срокам схватывания различают группы гипсовых вяжущих, приведенные в таблице 6.1.

Марку гипса (от Г-2 до Г-25, где цифра обозначает предел прочности при сжатии, МПа) определяют по результатам испытаний образцов-балочек размерами 40х40х160 мм через 2 ч после изготовления. Балочки испытывают на изгиб, а образовавшиеся при этом половинки – на сжатие.

Особенностью процесса твердения гипса является небольшое увеличение до 1% в объеме, что благоприятно для изготовлении архитектурных деталей (рельефов) способом литья.

Таблица 6.1

Воздушная известь

Воздушная известь - вяжущее вещество, получаемое в результате обжига ниже температуры спекания кальциево-магниевых карбонатных горных пород (известняка, мела, доломитизированного известняка и др.), состоящее преимущественно из оксида кальция. Известь, как и гипс, - очень древнее вяжущее вещество, которое было известно за несколько тысяч лет да нашей эры.

Сырьем для воздушной извести являются указанные выше горные породы при содержании примеси глины в них не более 6%.

Производство известковых вяжущих включает следующие основные технологические операции:

- добыча сырья;

- подготовка сырья и топлива к обжигу (дробление, сортировка по крупности и проч.);

- обжиг при температуре 900-1200 ⁰С;

- превращение продукта обжига в порошок путем гашения или помола;

- упаковка готового продукта.

Обжиг известняка производят в шахтных или вращающихся печах. Применяют также установки для обжига известняка “в кипящем слое”. Обжигают известняк до возможно более полного удаления СО₂ по реакциям:

СаСО₃ = СаО + СО₂ -Q

MgCO₃ = MgO + СО₂ -Q

Процесс декарбонизации эндотермический, то есть сопровождается поглощением тепла. Выделяющийся при данной реакции углекислый газ СО₂, составляет 44% от массы СаСО₃, поэтому образующаяся комовая негашеная известь получается в виде пористых кусков, активно взаимодействующих с водой.

Гашение воздушной извести протекает с выделением такого большого количества тепла, что смесь закипает, поэтому комовую негашеную известь называют известью-кипелкой:

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂ + Q

Продукт гашения – гашеная известь из-за испарения воды самопроизвольнорассыпается в тонкодисперсный порошок, который называют известью-пушонкой (от слова «пух»).. Воздушная известь – единственное вяжущее, которое можно перевести в тонкодисперсное состояние не только помолом, но и гашением.

Таким образом, из комовой негашеной извести можно получить:

- при измельчении механическим путем (размолом в мельницах) - молотую негашеную известь;

- при измельчении химическим путем (гашении водой) - гашеную известь. В зависимости от количества воды затворения можно получить: гидратную известь-пушонку (60-80% Н₂О; = 400-450 кг/м³; частицы размером 5-20 мкм и менее); известковое тесто (2-3 части Н₂О на 1 часть извести-кипелки; 1400 кг/м³); известковое молоко (Н₂О более 3 частей; < 1300 кг/м³).

Твердение гашеной извести происходит медленно, на воздухе, ускоряется сушкой и обусловлено несколькими одновременно протекающими процессами:

- высыханием раствора, сближением кристаллов Са(ОН)₂ и их срастанием;

- карбонизацией за счет поглощения углекислоты из воздуха:

Са(ОН)₂ + СО₂ + nН₂О = СаСО₃ + (n+1) Н₂О;

- ростом кристаллов, увеличением площади контактов их срастания и повышением прочности камня.

Основные свойства воздушной извести:

- высокая пластичность известкового теста в т.ч. в смеси с песком, причем чем выше содержание основных оксидов (СаО + MgО) в извести, тем пластичнее известковое тесто и тем выше ее сорт;

- активность - процентное содержание активных, т.е. способных к гашению СаО и MgO;

- количество непогасившихся зерен: недожога – неразложившегося при обжиге СаСО₃, пережога - остеклованного трудногасящегося СаО.

- время гашения; различают: быстрогасящуюся известь - до 8 мин, среднегасящуюся - до 25 мин, медленногасящуюся - более 25 мин.

- прочность известковых растворов невелика: предел прочности при сжатии составляет 0.4 - 1,0 МПа - на гашеной извести, до 5,0 МПа - на молотой негашеной извести. Поэтому известь не делится на марки по прочности, а делится на сорта по показателям химического состава.

Воздушную известь применяют в растворах для каменной кладки без добавок и с добавками цемента, для штукатурных работ, как составную часть смешанных вяжущих (известково-шлаковые, известково-пуццолановые и проч.), для бетонов низких марок при работе конструкций в воздушно-сухих условиях, для изготовления силикатного кирпича и силикатных бетонов.

Портландцемент

Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, в составе которого преобладают высокоосновные силикаты Са (70-80%). Его получают совместным помолом клинкера с добавкой природного гипса (3-5%). Клинкер представляет собой зернистый камнеподобный материал, получаемый обжигом до спекания (при 1450 ⁰С) тщательно подобранной сырьевой смеси. Добавка гипса вводится для регулирования сроков схватывания портландцемента.

Открытие портландцемента (1824-1825 гг.) связывают с именами Е.Г.Челиева и Д.Аспдина (Великобритания).

Сырьем для производства портландцемента служат:

- известняки с высоким содержанием СаСО₃ (мел, плотный известняк и др.);

- глинистые породы состава Al₂O₃.nSiO₂.mH₂O (глины, глинистые сланцы);

- корректирующие добавки (пиритные огарки, трепел, опока, бокситы и др.).

Соотношение между карбонатными и глинистыми составляющими сырьевой смеси 3:1 (75% известняка и 25% глины).

Возможна замена глинистого и частично карбонатного компонента побочными продуктами промышленности - доменными или электротермофосфорными гранулированными шлаками, а также нефелиновым шламом, получающимся при производстве глинозема.

Производство портландцемента - сложный технологический и энергоемкий процесс, состоящий из ряда операций, которые можно разделить на две основные стадии. Первая - производство клинкера, вторая - измельчение клинкера совместно с гипсом, а в ряде случаев и с активными минеральными добавками.

Производство клинкера складывается из следующих технологических операций:

- добыча и доставка сырьевых материалов, их подготовка;

- приготовление сырьевой смеси заданного состава путем помола и смешивания сырьевых компонентов в определенном количественном соотношении;

- обжиг сырьевой смеси до спекания;

- интенсивное охлаждение клинкера;

- складирование клинкера.

Производство портландцемента включает:

- подготовку минеральных добавок (дробление, сушку);

- дробление гипсового камня;

- помол клинкера с активными минеральными добавками и гипсом;

- складирование, упаковку и отправку цемента потребителю.

Производство клинкера может осуществляться сухим, мокрым и комбинированным способом.

Сухой способ заключается в приготовлении сырьевой муки в виде тонкоизмельченного сухого порошка (из сухих или предварительно высушенных материалов) с остаточной влажностью 1-2%.

При мокром способе сырьевые материалы измельчаются и смешиваются в присутствии воды, поэтому смесь получается в виде водной суспензии - шлама с влажностью 35-45%. Это наиболее энергоемкий способ.

Комбинированный способ заключается в том, что приготовленный шлам до поступления в печь обезвоживается на фильтрах до влажности 16-18%. Однако энергоемкость производства в целом остается высокой.

Обжиг сырьевой смеси осуществляется в основном во вращающихся печах, работающих по принципу противотока. Печь имеет небольшой наклон и вращается со скоростью 1-2 об/мин. При мокром способе производства длина печи достигает 185 м. Сырье подается в печь со стороны ее верхнего (холодного) конца и при вращении печи медленно двигается к нижнему (горячему) концу, со стороны которого вдувается топливо (природный газ, мазут, воздушно-угольная смесь), сгорающее в виде 20-30-метрового факела. Двигаясь навстречу горячим газам, образующимся при сгорании топлива, сырье проходит различные температурные зоны. В каждой зоне проходят различные физико-химические превращения, в результате которых и получается цементный клинкер. Полученный в печи раскаленный клинкер поступает в холодильник, где резко охлаждается холодным воздухом. Клинкер выдерживают на складе 1-2 недели.

Химический состав клинкера выражают содержанием оксидов (% по массе):

СаО - 63-66 %, SiO₂ - 21-24 %, Al₂O₃ - 4-8 %, Fe₂O₃ - 2-4 %.

В процессе обжига, доводимого до спекания смеси, главные оксиды образуют силикаты, алюминаты и алюмоферрит кальция в виде минералов кристаллической структуры, а некоторая их часть входит в стекловидную фазу.

Минеральный состав клинкера:

- алит 3СаО. SiO₂ (С₃S) - 45-60% - самый важный минерал, определяет быстроту твердения, прочность и другие свойства;

- белит 2СаО. SiO₂ (С₂S) - 20-30% - медленно твердеет, но достигает высокой прочности при длительных сроках твердения;

- трехкальциевый алюминат 3СаО. Al₂O₃ (С₃А) - 4-12% - быстро гидратируется и твердеет, но конечная прочность его небольшая; является причиной сульфатной коррозии цементного камня;

- четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО. Al₂O₃ .Fe₂O₃ (С₄АF) - 10-20% по скорости твердения занимает промежуточное положение между С₃S и С₂S.

- клинкерное стекло 5-15% - затвердевшая в виде стекла часть расплава, содержит СаО, Al₂O₃ , Fe₂O₃ , MgO, К₂О, Na₂O.

- свободные оксиды кальция и магния могут присутствовать в виде зерен (СаО _своб) и в виде минерала периклаза (MgО _своб); их содержание не должно превосходить 1% и 5% соответственно; в случае их повышенного содержания может проявляться неравномерное изменение объема цемента при твердении и появление трещин;

- щелочные оксиды Na₂O и К₂О – их содержание не должно превышать 0,6%, так как при большем содержании они могут явиться причиной коррозии цементного бетона.

Твердение портландцемента происходит благодаря сложным физико-химическим процессам взаимодействия клинкерных минералов и гипса с водой.

2(3СаО. SiO₂) + 6H₂O = 3СаО. 2SiO₂. 3H₂O + 3Са(ОН)₂

гидросиликат Са гидроксид Са

2(2СаО. SiO₂) + 4H₂O = 3СаО. 2SiO₂. 3H₂O + Са(ОН)₂

3СаО. Al₂O₃+ 6H₂O = 3СаО. Al₂O₃. 6H₂