МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний університет водного господарства та природокористування

Кафедра технології будівельних виробів і матеріалознавства

Л.Й.Дворкін, О.М.Бордюженко

БУДІВЕЛЬНЕ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО

І н т е р а к т и в н и й к о м п л е к с навчально-методичного забезпечення дисципліни

Кредитно-модульна система організації

навчального процесу

Для студентів напряму 0921 "Будівництво"

Рівне – 2006

УДК 691 (075.3) ББК 38.3я73 Д24

Затверджено вченою радою Національного університету водного господарства та природокористування. Протокол №____ від "___" ______ 2006 р.

Дворкін Л.Й., Бордюженко О.М. Д 24 Будівельне матеріалознавство: Інтерактивний комплекс навчально-методичного забезпечення. Рівне: НУВГП, 2006. – 177 с. Рецензенти:

С.В.Коваль, доктор технічних наук, професор кафедри процесів і апаратів в технології будівельних матеріалів Одеської держав-ної академії будівництва і архітектури; Г.Х.Масюк, кандидат технічних наук, професор, декан факуль-тету будівництва і архітектури НУВГП.

Навчально-методичний комплекс "Будівельне матеріалознавство" містить робочу програму, стисло викладено навчальний матеріал дисципліни, що поділений на зміс-тові модулі і теми, питання та вправи для самоконтролю з кожної теми, методичні рекомендації до самостійної роботи; типові завдання для модульних контрольних робіт, список рекомендованої літератури. Комплекс призначений для самостійного вивчення дисципліни в умовах кредитно-модульної організації навчального процесу студентами вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямом 0921 "Будівництво".

УДК 691 (075.3) ББК 38.3я73

© Дворкін Л.Й, Бордюженко О.М., 2006 © НУВГП, 2006

3

З М І С Т

ПЕРЕДМОВА ........................................................................................................ 4 1. РОБОЧА ПРОГРАМА ДИСЦИПЛІНИ "БУДІВЕЛЬНЕ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО" ...... 6 2. КОРОТКИЙ ЗМІСТ ОСНОВНИХ МОДУЛІВ ТА МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ

ДО ЇХ ВИВЧЕННЯ ................................................................................................... 12 Модуль 1. 1.1. Структура будівельних матеріалів. Основні технічні властивості ......................... 12 1.2. Мінеральні в'яжучі матеріали .................................................................................... 23 1.3. Бетони та розчини ....................................................................................................... 40 1.4. Залізобетон .................................................................................................................. 64

Модуль 2. 2.1. Природні кам'яні, штучні безвипальні кам'яні матеріали та вироби ...................... 68 2.2. Керамічні матеріали, скло та вироби із скла ............................................................ 80 2.3. Органічні в'яжучі та полімерні матеріали................................................................. 85 2.4. Теплоізоляційні і акустичні матеріали, деревина, метали та вироби з них ........... 94

3. МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ ДО САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ ................................. 109 4. ПРИКЛАДИ РОЗВ'ЯЗУВАННЯ ЗАДАЧ ................................................................... 113 5. ЗАВДАННЯ ДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ ........................................ 124 6. ЗАВДАННЯ ТА РЕКОМЕНДАЦІЇ ДО ВИКОНАННЯ ІНДИВІДУАЛЬНОЇ

РОЗРАХУНКОВОЇ РОБОТИ .................................................................................. 134 7. ТЕМИ РЕФЕРАТІВ ДЛЯ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ .................................................. 148 8. ЗАВДАННЯ НАУКОВО-ДОСЛІДНОГО ХАРАКТЕРУ ............................................. 149

8.1. Проблемні ситуації ................................................................................................... 149 8.2. Приклади вирішення проблемних ситуацій ........................................................... 152 8.3. Завдання на проблемні ситуації ............................................................................... 155 8.4. Експериментально-аналітичні задачі ...................................................................... 159

9. ВИДИ НАВЧАЛЬНОЇ РОБОТИ ТА ПРИНЦИПИ ЇХ ОЦІНЮВАННЯ ........................ 163 10. ТИПОВІ ЗАВДАННЯ ДЛЯ МОДУЛЬНИХ КОНТРОЛЬНИХ РОБІТ ........................ 166 11. ПЕРЕЛІК ОСНОВНИХ ТЕСТОВИХ ЗАВДАНЬ ...................................................... 171 12. ТИПОВІ ЗАВДАННЯ ДЛЯ ПІДСУМКОВОГО МОДУЛЬНОГО КОНТРОЛЮ ......... 175 13. НАВЧАЛЬНО-МЕТОДИЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ДИСЦИПЛІНИ ............................. 177

4

П Е Р Е Д М О В А

В навчальному плані підготовки бакалаврів-будівельників усіх спеціаль-ностей значення дисципліни "Будівельне матеріалознавство" є надзвичайно важливим, оскільки жодну споруду чи конструкцію не можна запроектувати і побудувати, а готову споруду грамотно і ефективно експлуатувати, не знаю-чи властивостей будівельних матеріалів та виробів. Матеріалознавча підгото-вка спеціалістів будівельного напряму має органічно поєднувати вивчення загальних теоретичних закономірностей, які формують структуру та власти-вості матеріалів, з конкретною їх будівельно-технічною характеристикою і технологією.

Дисципліна "Будівельне матеріалознавство" є основою для вивчення реш-ти спеціальних дисциплін, зокрема таких, як в'яжучі матеріали, технологія бетону, будівельні конструкції, технологія будівельного виробництва тощо.

Навчально-методичний комплекс з дисципліни "Будівельне матеріалоз-навство" призначений для самостійної роботи студента в умовах дії кредит-но-модульної системи організації навчального процесу.

Комплекс містить робочу програму, стисло викладений навчальний мате-ріал дисципліни, поділений на змістові модулі і теми, питання та вправи для самоконтролю з кожної теми, методичні рекомендації до самостійної роботи; типові завдання для модульних контрольних робіт. Це дає можливість студе-нтам при вивченні курсу будівельного матеріалознавства отримати загальні відомості про конкретні матеріали, також набути навички розв'язання задач з матеріалознавства та визначення властивостей будівельних матеріалів. Наве-дені характерні задачі, пов'язані із розрахунковою оцінкою властивостей ма-теріалів, проектуванням їх складів, визначенням ефективності в конструкці-ях. До кожного типу задач наведені приклади їх розв'язання.

В комплексі наведені необхідні методичні вказівки до виконання лабора-торних робіт, завдання на виконання, форми таблиць для обробки отриманих результатів. Роботи передбачають не тільки засвоєння методик випробувань, але й виконання певної експериментально-аналітичної роботи, результатом якої є оцінка якісних показників матеріалів і впливу на них різних факторів.

Окремо слід виділити завдання до виконання робіт науково-дослідного характеру, що передбачають вирішення проблемних ситуацій шляхом прове-дення експериментальних досліджень. Головною метою таких робіт є озна-

5

йомлення з напрямками і оволодіння методами вдосконалення властивостей будівельних матеріалів, ресурсозбереження при виробництві і розробці ефек-тивних матеріалів.

При складанні інтерактивного комплексу використаний багаторічний дос-від проведення навчально-методичної та науково-дослідницької роботи ка-федрою технології будівельних виробів і матеріалознавства.

Даний комплекс базується на навчально-методичних матеріалах, предста-влених підручниками, посібниками, конспектами лекцій, методичними вказі-вками тощо, підготовлених співробітниками кафедри ТБВіМ протягом останніх років. Автори матеріалів: Шестаков В.Л., Гарніцький Ю.В., Дворкін О.Л., Ніхаєва Л.І., Тимофєєва Л.В., Лушнікова Н.В.

Автори вдячні рецензентам проф. Ковалю С.В. та проф. Масюку Г.Х. за цінні поради та рекомендації, висловлені при написанні комплексу.

6

1. РОБОЧА ПРОГРАМА НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ

Робоча програма розроблена відповідно до "Освітньо-професійної про-грами" підготовки бакалавра, спеціаліста і магістра напряму "0921" спеціаль-ності 6.092100 "Гідротехнічне будівництво"; Міське будівництво і господарс-тво"; „Промислове і цивільне будівництво"; „Технологія будівельних конс-трукцій, виробів і матеріалів"; Автомобільні дороги та аеродроми; "Теплога-зопостачання та вентиляція", чинної від 2002 р. Робоча програма затверджена на засіданні кафедри ТБВіМ, протокол № 10 від 18.07.2005 р. та методичною радою факультету будівництва і архітектури, протокол № 1 від 5.09.2005 р.

1.1. Опис предмета навчальної дисципліни

«Будівельне матеріалознавство» Таблиця 1.1

Курс: підготовка бакалаврів

Напрям, спеціальність, освітньо- кваліфікаційний

рівень

Характеристика навчальної дисципліни

Кількість кредитів, відповідних

ECТS – 3

Модулів – 2

Змістових модулів -

Загальна кількість годин – 108

Тижневих:

- аудиторних – 3

- СРС - 3

Напрям: 0921 «Будівництво»

Спеціальність: 6.092100 :

– Промислове і цивільне будівництво; – Технологія будівельних конструкцій, виробів і матеріалів; – Міське будівництво і господарство; – Гідротехнічне будівництво; – Теплогазопостачання і вентиляція – Автомобільні дороги та аеродроми Освітньо – кваліфікаційний рівень: бакалавр

Дисципліна – обов'язкова, нормативна

Рік підготовки – 1- й

Лекції – 28 год.

Лабораторні заняття – 14 год.

Практичні заняття – 12 год.

Самостійна робота – 54 год.

Вид контролю:

1. Два модульні контрольні завдання

2. Іспит за «Комплектом контрольних робіт»

1.2. Мета навчальної дисципліни

Будівельне матеріалознавство вивчає зв'язки між складом структурою та властивостями будівельних матеріалів, закономірності їх змінювання під зо-внішнім впливом.

7

1.2.1. Метою дисципліни є вивчення особливостей структурування буді-вельних матеріалів, їх фізико-механічних, хімічних та експлуатаційних влас-тивостей, а також особливостей їх застосування у будівництві.

Курс будівельного матеріалознавства включає теоретичні основи форму-вання структури і властивостей матеріалів та технічну характеристику конк-ретних матеріалів, що застосовують у будівництві.

1.2.2. Завданням курсу є: • прогнозування властивостей матеріалів, які використовуються в

будівництві, їх поводження в конструкціях з урахуванням складу і структури;

• розробка ефективних шляхів і засобів удосконалення нових мате-ріалів із заданими структурою та властивостями.

1.2.3. В результаті вивчення дисципліни студенти повинні знати: • основні види і властивості будівельних матеріалів; • взаємозв'язок структури і експлуатаційних властивостей будіве-

льних матеріалів. 1.2.4. Студенти повинні вміти:

• правильно використовувати будівельні матеріали з урахуванням їх властивостей і техніко-економічних характеристик, вміти ви-значати їх якість;

• розв'язувати проблемні ситуації у будівельному виробництві, які пов'язані із взаємозаміною будівельних матеріалів;

• використовувати промислові відходи для заміни та економії кон-диційних матеріалів.

1.3. Програма навчальної дисципліни Модуль 1. Теоретичні основи, загальні технічні властивості

будівельних матеріалів. В'яжучі. Бетони. Змістові модулі: 3.1.1. Предмет і завдання навчального курсу. Структура будівельних ма-

теріалів. Основні процеси структуроутворення. Технічні властивості будіве-льних матеріалів.

3.1.2. Мінеральні в'яжучі матеріали. Повітряні та гідравлічні в'яжучі. Ма-теріали та вироби з гіпсу, повітряного вапна, змішані в'яжучі на вапні, шла-ках, золі та інших добавках. Портландцемент та його різновиди (основи тех-нології, склад, властивості). Глиноземисті, розширні, напружуючі цементи. Корозія цементного каменя, заходи до захисту конструкцій від корозії. Вибір цементів для різних видів конструкцій та споруд в залежності від умов екс-плуатації.

8

3.1.3. Бетони Матеріали для важкого бетону, вимоги до них. Бетонна су-міш, її властивості. Проектування складу бетонів. Технологія виготовлення, укладання, техніка безпеки при проведенні бетонних робіт. Твердіння бетону, бетонування в зимових умовах, умовах сухого, жаркого клімату. Властивості бетону, спеціальні бетони. Бетон збірних та монолітних конструкцій. Будіве-льні розчини Матеріали для розчинів. Розрахунок складу, спеціальні розчини.

3.1.4. Збірні залізобетонні конструкції та вироби. Матеріали для залізобе-тону (бетон, арматура), їх характеристика. Основи технології виготовлення, застосування.

Модуль 2. Конструкційні, тепло-, звуко-, та гідроізоляційні матеріали,

безвипальні кам'яні матеріали, органічні в'яжучі, полімери, деревина, кераміка, скло.

Змістові модулі: 3.2.1. Природні кам'яні, штучні безвипальні кам'яні матеріали та вироби.

Поняття про гірські породи та мінерали. Матеріали із вивержених, осадових та метаморфічних порід, вироби із природного каменя, вимоги до них. Техні-ка безпеки при видобуванні і переробці кам'яних матеріалів. Азбестоцементні вироби. Силікатні вироби автоклавного твердіння: цегла та бетон – важкі та легкі.

3.2.2. Керамічні матеріали, скло та вироби із скла і силікатних розплавів. Сировина для випалу кераміки, отримання силікатних розплавів. Технологіч-ні основи отримання випальних та плавлених виробів, їх класифікація, харак-теристика стінових і опоряджувальних керамічних виробів, труб, санітарно-технічних виробів. Різновиди скла, будівельні вироби та їх характеристика.

3.2.3. Органічні в'яжучі, полімерні смоли. Характеристика бітуму, дьогтю; мастики, емульсії, рулонні матеріали і їх використання у дорожньому, циві-льно-промисловому, гідротехнічному будівництві. Полімерні смоли та мате-ріали з них – пластмаси. П-бетони і розчини, клеї, мастики, лакофарбові ма-теріали (їх характеристика і область застосування). Хімічний захист констру-кцій. Техніка безпеки при фарбуванні і ізоляційних роботах.

3.2.4. Теплоізоляційні і акустичні матеріали, деревина, метали та вироби з них. Теплоізоляційні матеріали на органічній та неорганічній основі, поняття про акустичні матеріали – їх різновиди, властивості, застосування. Види і породи деревини, асортимент лісових матеріалів і дерев'яних виробів, буді-вельні матеріали, деталі, конструкції. Будівельні матеріали з використанням відходів переробки деревини, клеєні деревинні конструкції. Техніка безпеки при антисептуванні. Метали та сплави. Чорні, кольорові метали. Поняття про діаграму стану «Залізо – вуглець», термічну обробку сталі. Сортамент мета-левих виробів, будівельні металеві вироби і конструкції. Захист металевих конструкцій від корозії.

9

1.4. Структура залікового кредиту дисципліни

Таблиця 1.2

Назва тем змістових модулів

Кількість годин Денна форма

Лекції Лабораторні заняття

Практичні заняття СРС

1 2 3 4 5 М о д у л ь 1

Змістовий модуль 1.1 Тема: Предмет, завдання

навчального курсу. Структурабудівельних матеріалів. Ос-новні процеси структуроут-ворення. Технічні властивостібудівельних матеріалів

2 2 2 4

Змістовий модуль 1.2 Тема 1: Мінеральні в'яжу-

чі матеріали. Повітряні тагідравлічні в'яжучі. Будіве-льне вапно, гіпс та вироби зних та із змішаних в'яжучих(вапно – шлак – зола)

1 - - 2

Тема 2: Портландцементта його різновиди (основитехнології, склад, властивос-ті). Корозія цементного каме-ня, заходи до захисту від ко-розії.

2 2 1 5

Тема 3: Глиноземисті, ро-зширні, напружуючі цементи.Вибір цементів для різнихвидів конструкцій та споруд взалежності від умов експлуа-тації.

1 - - 1

Змістовий модуль 1.3 Тема 1: Матеріали для ва-

тного бетону. Проектуванняскладу бетонної суміші

2

1,5

1

4

Тема 2: Властивості бе-тонної суміші, технологіявиготовлення, укладання

2

0,5

1

4

Тема 3: Властивості бето-ну, спеціальні бетони. Будіве-льні розчини

2

1

1

4

Разом 14 7 6 27

10

Продовження табл. 1.2 1 2 3 4 5

Модуль 2 Змістовий модуль 2.1

Тема 1: Природні кам'яні матеріали 1 - 0,5 3

Тема 2: Штучні безвипа-льні матеріали, вироби з них– азбестоцемент, силікатнібетони автоклавного твердін-ня

1 - 0,5 2

Змістовий модуль 2.2 Тема 1: Керамічні стінові

та опоряджувальні матеріали,труби, санітарно-технічнівироби

2 2 1 3

Тема 2: Скло та будівель-но- технічні вироби зі скла і плавлених гірських порід

2 - - 2

Змістовий модуль 2.3 Тема 1: Органічні в'яжучі,

їх властивості. Вироби і мате-ріали на основі бітуму і дьог-тю

1,5 1 0,5 2,5

Тема 2: Полімерні смоли іпластмаси, вироби на їх осно-ві, застосування в будівництві

1,5 1 0,5 2,5

Змістовий модуль 2.4 Тема 1: Теплоізоляційні

та акустичні матеріали 2 1 1 4

Тема 2: Деревина та виро-би на її основі 1 1 1 3

Тема 3: Метали та мета-леві вироби 2 1 1 5

Разом 14 7 6 27 Всього на дисципліну 28 14 12 54

1.5. Теми лабораторних робіт

1. Лабораторна робота №1. Визначення основних властивостей будівель-них матеріалів. – 2 год. (модуль 1).

2. Лабораторна робота №2. Визначення основних властивостей вапна, гі-псу, портландцементу. – 2 год. (модуль 1).

11

3. Лабораторна робота №3. Визначення зернового складу заповнювачів, основних властивостей бетонної суміші, бетону та розчинів. – 3 год. (модуль 1).

4. Лабораторна робота №4. Визначення якості керамічних виробів. – 2 год. (модуль 2).

5. Лабораторна робота № 5. Визначення якості керамічних виробів. – 2 год.(модуль 2).

6. Лабораторна робота №6. Визначення якості органічних в'яжучих та ма-теріалів та їх основі. – 2 год. (модуль 2).

7. Лабораторна робота №7. Визначення якості металів і металевих виро-бів. – 1 год. (модуль 2).

Разом: 14 год.

1.6. Практичні заняття

Практичне заняття №1. Рішення матеріалознавчих задач по темі «Загальні властивості будівельних матеріалів» – 2 год. (модуль 1).

Практичне заняття № 2,3. Рішення матеріалознавчих задач по темі «В'я-жучі речовини, бетони та розчини на їх основі» – 4 год. (модуль 1).

Практичне заняття № 4. Рішення матеріалознавчих задач по темі «Приро-дні та штучні матеріали » – 2 год. (модуль 2).

Практичне заняття №5. Рішення матеріалознавчих задач по темі «Органі-чні в'яжучі та матеріали на їх основі, полімери, теплоізоляційні і акустичні матеріали». – 2 год. (модуль 2).

Практичне заняття №6. Рішення матеріалознавчих задач по темі «Метали, та вироби з металу та деревини» – 2 год. (модуль 2).

Разом – 12 год.

1.7. Самостійна робота

За навчальним планом на самостійну роботу студентів відводиться 54 год. Самостійна робота (СРС) включає такі види робіт:

• самостійне опрацювання лекційного матеріалу з кожної теми; • виконання розрахункової роботи; • самостійне опрацювання рекомендованої літератури з навчальної

дисципліни; • підготовка до виконання лабораторного практикуму; • написання наукових доповідей, рефератів, розв'язання завдань та

проблемних ситуацій науково-дослідного характеру; • підготовка до написання двох модульних контрольних робіт; • підготовка до складання іспитів.

12

2. КОРОТКИЙ ЗМІСТ ОСНОВНИХ МОДУЛІВ ТА МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ ДО ЇХ ВИВЧЕННЯ

ЗМІСТОВИЙ МОДУЛЬ 1.1

Структура будівельних матеріалів. Основні технічні властивості

Загальні положення. Класифікація. Структура. Надійність споруд і техніко-економічна ефективність будівництва знач-

ною мірою залежать від правильного вибору матеріалів. Сучасне будівництво має у своєму розпорядженні широку номенклатуру матеріалів, вибір яких визначається характером конструкцій, умовами їхньої роботи і техніко-економічними показниками.

Однієї з основних з а д а ч будівельного матеріалознавства є розробка шляхів керування властивостями і створення матеріалів з необхідними якіс-ними показниками.

До б у д і в е л ь н и х м а т е р і а л і в відносять природні і штучні речо-вини і вироби з них, які застосовують для зведення будинків і споруд. Усе різноманіття будівельних матеріалів можна класифікувати по ряду ознак: походженню, структурі, найбільш характерним властивостям, призначенню, способу виготовлення і т.д. (табл. 2.1).

Таблиця 2.1. Класифікація будівельних матеріалів

Походження Структура Властивості Спосіб виготовлення Призначення Неорганічні: металічні, неметалічні Органічні: низькомоле-кулярні, ви-сокомолеку-лярні (полі-мерні), Змішані (ор-ганомінера-льні)

Конгломе-ратні, не-конгломе-ратні, щільні, пористі, волокнисті, кристаліч-ні, склопо-дібні, амо-рфні

Важкі, легкі, пластичні, пруж-ні, морозо-, водо-, кислото-, термо-, вогнестійкі; легкоплавкі, ту-гоплавкі, вогнет-ривкі

Безвипалювальні: отримані фізико-механічною оброб-кою гірських порід, деревини й іншої сировини, форму-ванням сумішей, що включають в’яжуче і заповнювачі, одер-жувані випалом: до спікання, до плав-лення

Стінові, покріве-льні, лицювальні, гідроізоляційні, теплоізоляційні. Спеціальні: для дорожніх пок-рить, зведення гребель, прокла-дки трубопрово-дів, сантехнічні та ін.

Якість будівельних матеріалів визначається сукупністю їхніх технічних властивостей, знання яких необхідно для зведення довговічних споруджень і ефективного виконання будівельних робіт. Звичайно головними при оцінці якості матеріалів є показники призначення (склад, структура, транспортабе-льність і ін.) і надійності (безвідмовність, ремонтопридатність, зберігаємість і ін.). Основним економічним показником є витрати на розробку і виготовлен-ня матеріалу з необхідними властивостями.

Властивості будівельних матеріалів визначаються їх хімічним і фазовим складами, що характеризують відповідно процентний вміст хімічних елеме-

13

нтів чи оксидів і окремих складових частин (фаз). Так, хімічний склад міне-ральних неметалічних матеріалів – найбільш великої групи будівельних ма-теріалів – включає звичайно наступні оксиди: SiО2, CaО, MgО, Na2O, К2О, Аl2O3, Fe2O3, FeО, H2O. Фазовий склад їх представлений різноманітними природними чи штучними силікатами, алюмосилікатами, алюмінатами, фе-ритами, оксидами і їх гідратами.

Поряд зі складом істотний вплив на властивості матеріалів чинить їхня структура, тобто будова, що характеризується величиною, формою і просто-ровим розташуванням складових часток. Більшість матеріалів і твердих речо-вин, що їх складають, мають кристалічну будову (рис. 1.1), що характеризу-ється правильним розташуванням часток у просторі. Для кристалічної будови характерна а н і з о т р о п і я , тобто неоднаковість властивостей у різних напрямках, наявність певної температури плавлення і т.д. Деякі речовини при однаковому складі можуть мати різну кристалічну структуру і різко відмінні властивості. Це явище називається п о л і м о р ф і з м о м . Наприклад, кри-стали графіту містять шари, складені з правильних шестикутників, а кристали алмаза мають вид куба. Різна кристалічна структура вуглецю в цих матеріа-

лах приводить до різкого розходження їхніх влас-тивостей.

Поліморфізм харак-терний для кварцу, бага-тьох силікатів і інших речовин, що складають матеріали. У реальних кристалах можливі різні відхилення від ідеальної будови чи дефекти, що істотно впливають на фізико-механічні влас-тивості матеріалів.

Речовини, що не ма-ють кристалічної будо-ви, називають а м о р -

ф н и м и . До них можна віднести багато полімерів і деякі види гірських по-рід. Аморфні речовини - і з о т р о п н і , тобто мають однакові властивості у всіх напрямках, не мають строго визначеної температури плавлення, хімічно більш активні. Проміжним між аморфним і кристалічним станами є склопо-дібний стан, характерний для будівельного скла, шлаків, деяких гірських по-рід.

Деякі з будівельних матеріалів можна розглядати як д и с п е р с н і с и с т е м и, що складаються з дрібних часток однієї речовини (дисперсної фази), розподілених в іншій (дисперсійному середовищі). Грубодисперсні системи

Рис. 1.1. Кристалічна структура оксиду кальцію (білі і чорні кружки – атоми кисню і металу).

14

мають розмір часток дисперсної фази більше 100 мкм. Прикладами їх є по-рошкоподібні матеріали, суспензії й емульсії, стійкі в зваженому стані.

Колоїднодисперсні системи з розмірами часток 1…100 мкм стійкі до с е д и м е н т а ц і ї , тобто розшарування під дією сил ваги. Частки їх сві-тяться в світлі,що проходить, переміщаються до електродів при проходженні електричного струму (електрофорез). Прикладами колоїднодисперсних сис-тем можуть служити глиняне, цементне, вапняне тісто, кольорове скло, лате-кси, пігменти й ін.

У виробництві будівельних матеріалів важливе значення мають такі коло-їдно-хімічні процеси, як набрякання, розчинення, гелеутворення, коагуляція, пептизація, адсорбція і т.п.

Г е л і – системи, що утворилися в результаті дії молекулярних сил зчеп-лення між колоїдними частками. Гелеутворення відбувається при твердінні цементу і виробництві різних полімерних матеріалів. Під дією механічних зусиль гелі розріджуються. Це явище називається т и к с о т р о п і є ю і виникає, наприклад, при вібруванні бетонних сумішей.

У колоїдних системах довільно протікають процеси злипання й укруп-нення часток, що називаються к о а г у л я ц і є ю . Процеси, зворотні коагу-ляції, називають п е п т и з а ц і є ю , в о н и відбуваються, наприклад, при введенні в бетонні суміші пластифікуючих добавок.

Концентрування і поглинання речовин на поверхні розділу фаз називаєть-ся а д с о р б ц і є ю . Речовини, що адсорбуються, чи так звані поверхнево-активні речовини, широко застосовують у технології будівельних матеріалів для пластифікації розчинних і бетонних сумішей, їхньої гідрофобізації, оде-ржання стійких емульсій і суспензій і т.д.

Технологія будівельних матеріалів є різновидом хімічної технології. Вона включає процеси подрібнення, перемішування, формування, термічної обро-бки і т. д. Для створення сучасних будівельних матеріалів застосовують над-тонке подрібнення, вібраційну й акустичну технології, високі тиски і темпе-ратури, електро- і паророзігрів, полімеризацію й інші способи обробки.

Для випробування матеріалів широко використовують новітні методи хі-мічного аналізу, рентгеноструктурний, петрографічний, диференційно-термічний, електронно-мікроскопічний аналізи, ультразвуковий, радіаційний і інші методи контролю.

Витрати на матеріали, що використовуються при зведенні будинків і спо-руджень, складають більше половини загальної вартості будівельно-монтажних робіт і біля однієї третини капітальних вкладень у народне госпо-дарство України. Застосування ефективних матеріалів і конструкцій є одним з найбільш важливих напрямків технічного прогресу в будівництві. До ефек-тивних будівельних матеріалів відносяться конструкції і деталі підвищеної заводської готовності, що дозволяють здійснювати будівництво будинків і споруджень індустріальними методами. Найбільшим резервом підвищення ефективності будівельних матеріалів є також зниження їхньої матеріалоєм-

15

ності за рахунок впровадження нових полегшених деталей і конструкцій, комплексного використання сировини і відходів промисловості, зменшення питомої витрати сировини, палива й електроенергії, втрат при транспорту-ванні і збереженні і т.д.

Основні фізико-механічні властивості матеріалів.

Властивості будівельних матеріалів класифікують по характеру їх відно-шення до різних впливів навколишнього середовища. В окремі групи виді-ляють звичайно властивості, що характеризують відношення матеріалів до хімічних, фізичних і механічних впливів. Похідними від хімічних, фізичних і механічних властивостей є технологічні властивості, що характеризують від-ношення матеріалу до сприйняття технологічних операцій (розколюваль-ність, зварюваність, формівність і ін.). Властивості матеріалів взаємозалежні й обумовлені їхнім походженням, складом, структурою, способом одержан-ня. Найбільш важливими для будівельних матеріалів, що застосовуються у будівництві, є фізичні і механічні властивості, що характеризують стан мате-ріалів, їхнє відношення до води і температури, а також механічних впливів.

Г у с т и н а і п о р и с т і с т ь . Густина характеризує масу речовини в одиниці об’єму. Розрізняють дійсну густину речовини (ρ) і середню густину матеріалу з урахуванням наявних у ньому пор і порожнин (ρ0). Густину речо-вини і матеріалу обчислюють по формулах:

.Vm ;

Vm

0a

== ρρ

де m – маса; Va – об’єм речовини, з якого складається матеріал, в абсолютно щільному стані; V – об’єм матеріалу.

Відношення середньої густини матеріалу ρ0 до дійсної густини речовини ρ характеризує ступінь заповнення об’єму матеріалу твердою речовиною і на-зивається відносною щільністю:

( ).1d VVd a0 ≤==

ρρ

Пористість показує ступінь заповнення об’єму матеріалу порами:

.1d1p 00

ρρρ

ρρ −

=−=−=

Для сипучих матеріалів по наведеній вище формулі, де ρ0 – насипна гус-тина, можна знайти міжзернову порожнистість.

Пористість – найважливіший показник структури матеріалів, з нею тісно зв’язані їхні технічні властивості. При цьому значення має не тільки величи-на загальної пористості, але і будова порового простору, наявність відкритих і закритих, капілярних і некапілярних пор і т.д. Наприклад, морозостійкість

16

бетону при збільшенні об'єму відкритих, заповнюваних водою пор зменшу-ється, а при збільшенні закритих, навпаки, зростає.

Капілярні пори на відміну від некапілярних заповнюються водою, що піднімається за рахунок тиску, який викликаний поверхневим натягом ріди-ни. Від обсягу капілярних пор залежать водопоглинання, морозостійкість, водонепроникність і ряд інших властивостей матеріалів.

Спосіб визначення пористості залежить від її виду і розмірів пор. По при-веденій вище формулі знаходять загальну, пористість, а відкриту (уявну) по-ристість знаходять по водонасиченню матеріалу.

Г і д р о ф і з и ч н і в л а с т и в о с т і . Поводження матеріалів у конструкціях, які підлягають зволоженню, залежить від їхньої здатності змо-чуватися водою і поглинати її, змінювати при зволоженні механічні власти-вості і пропускати воду під тиском. Кількість води, що міститься в порах і на поверхні матеріалу, виражена у відсотках стосовно його маси в сухому стані, називають в о л о г і с т ю .

Змочуваність водою, чи гідрофільність матеріалу характеризується ступе-нем розтікання краплі води на його поверхні. Кількісно вона визначається крайовим кутом, утвореним дотичною до поверхні краплі з поверхнею твер-дого тіла, чи його косинусом. Для гідрофільних матеріалів крайовий кут гос-трий. Добре змочуються водою матеріали з речовин з вираженим полярним зв’язком молекул – природні і штучні кам’яні матеріали, скло й ін. Надати матеріалам водовідштовхувальні властивості можна гідрофобізацією, тобто створенням на їхній поверхні адсорбційного шару поверхнево-активних ре-човин (ПАР). Таким способом одержують гідрофобний цемент, гідрофобні покриття на ряді матеріалів. Молекули ПАР при гідрофобізації, адсорбую-чись на поверхні, орієнтуються таким чином, що їхні полярні групи звернені до поверхні матеріалу, а вуглеводневі ланцюги – у повітря. За допомогою спеціальних ПАР можна домогтися і зворотного ефекту – гідрофілізації гід-рофобних матеріалів.

Г і г р о с к о п і ч н і с т ь – здатність матеріалу поглинати водяні пари з повітря в результаті адсорбції. Кількість адсорбованої води росте з підви-щенням відносної вологості, зниженням температури і збільшенням тиску. Гігроскопічність може супроводжуватися утворенням нових сполук – гідра-тів і кристалогідратів. Так, при поглинанні води оксидом кальцію утвориться гідроксид. У мікрокапілярах пористих матеріалів з радіусом менш 10–5 см пари води конденсуються. Відношення кількості води, поглиненої матеріа-лом, до загальної кількості цього матеріалу називається гігроскопічною воло-гістю. Максимальна гігроскопічна вологість різна для різноманітних порис-тих матеріалів: 4…9 % – для піску, 14…28 – для сосни, 9…25 % – для фібро-літу. Вона росте з підвищенням капілярної пористості і зменшенням радіуса капілярів. Гігроскопічність змінює інші властивості матеріалів, приводить до втрати активності цементів, викликає зміну густини, розмірів і міцності де-ревини, збільшує теплопровідність.

17

Для капілярно-пористих матеріалів характерна здатність зволожуватися за рахунок підйому і переміщення води під дією капілярного тиску (капілярне всмоктування). З нею зв’язаний підйом води в матеріалах, прямо пропорцій-ний косинусу крайового кута змочування, тобто ступеню гідрофільності, і протилежно пропорційний радіусу капілярів. Капілярне всмоктування міне-ралізованих вод може супроводжуватися відкладенням у порах солей (сольо-ва корозія). Капілярне всмоктування використовується для просочення пори-стих матеріалів, наприклад, просочення бітумом залізобетонних конструкцій.

В о д о п о г л и н а н н я – здатність матеріалів поглинати й утримувати воду. Розрізняють водопоглинення по масі Wm і по об’єму W0:

.100V

mmW

;100m

mmW

120

1

12m

⋅−

=

⋅−

=

де m1, m2 – маси сухого і насиченого водою матеріалу. Водопоглинання по об’єму показує ступінь заповнення об’єму матеріалу

водою, тобто відкриту уявну пористість. Зміна водопоглинання може вказу-вати на зміну й інших властивостей матеріалів, наприклад міцності, морозос-тійкості, хімічної стійкості, тому даний показник часто нормується. Так, гли-няна цегла повинна мати водопоглинання не менш 6 чи 8 % (у залежності від марки), а силікатна – не більш 16 % (14 % – лицьова). Для звичайних торф’яних плит водопоглинання повинне бути не більш 180 %, а водостійких – 50 % і т.д. Водопоглинання визначається витримуванням зразків у воді при нормальній температурі чи при кип’ятінні протягом визначеного часу.

При насиченні матеріалу водою міцність його знижується в результаті ро-зчинення контактів зростання кристалів, розклинюючого ефекту адсорбцій-них водяних шарів, хімічної взаємодії води з окремими компонентами, на-брякання глинистих матеріалів і інших процесів. Здатність матеріалів збері-гати міцність при насиченні водою називається в о д о с т і й к і с т ю. Показ-ником водостійкості служить к о е ф і ц і є н т р о з м ’ я к ш е н н я :

,RRK

с

в.нp =

де Rн.в – міцність матеріалу, насиченого водою; Rс – міцність сухого матеріа-лу.

Коефіцієнт розм’якшення наближається до нуля для глинистих невипале-них матеріалів і до одиниці – для металів, скла, полімерів. Для водостійких матеріалів Кр = 0,75…0,8. Підвищення його досягається гідрофобізацією, а також технологічними прийомами, що сприяють зниженню розчинності і пористості матеріалів. Наприклад, коефіцієнт розм’якшення гіпсових виробів можна підвищити майже в 2,5 рази (від 0,3 до 0,7), замінивши будівельний гіпс на змішане гіпсоцементнопуцоланове в’яжуче.

18

Стійкість матеріалу, насиченого водою, до поперемінного заморожування і відтаювання називається м о р о з о с т і й к і с т ю . Морозостійкість обумо-влена опором матеріалів високому тиску, що виникає в їхніх порах при замо-рожуванні води. Кристалізація льоду супроводжується збільшенням об'єму приблизно на 8 % і розвитком тиску до 200 МПа. При чергуванні циклів за-морожування і відтаювання в матеріалах накопичуються залишкові деформа-ції, що приводять до руйнування (рис.2.2). Розходження коефіцієнтів терміч-ного розширення компонентів, що входять у матеріали, також приводить до напруженого стану. Показником морозостійкості є число циклів (для деяких матеріалів – від'ємна температура), що витримують зразки при припустимому ступені руйнування. Для більшості будівельних матеріалів після іспиту їх на

морозостійкість зниження міцності допускається не більш 25 %, а втрати ма-си – 5 %. Морозостійкість залежить від складу, пористості і структури поро-вого простору; вона знижується зі зменшенням водостійкості і ростом водо-поглинення матеріалів.

Для зниження тиску льоду ефективне утворення в матеріалі замкнутих повітряних пор, що виконують роль амортизаторів.

Випробування матеріалів на морозостійкість ведуть у морозильних каме-рах звичайно при –15...–18 °С, коли в більшості капілярів вода переходить у лід. Подальше зниження температури веде до істотного зменшення морозос-тійкості, що пояснюється залученням у процес руйнування усе більш тонких капілярів.

При роботі пористого матеріалу в умовах визначеного тиску води спосте-рігається її фільтрація. В залежності від структури порового простору мож-ливі в’язкісний, капілярний чи дифузійний переноси води.

При в’язкісному переносі вода переміщається тільки у вигляді рідини, при капілярному вона може переноситися й у вигляді пари, а при дифузійному – у вигляді окремих молекул. Здатність матеріалів не пропускати воду під тис-ком називають в о д о н е п р о н и к н і с т ю . Практично водонепроникними

Рис. 2.2. Стан зразків матеріалу при випробуванні на морозостійкість (по десятибальній шкалі С. В. Шестоперова).

19

вважаються матеріали, відносна щільність яких наближається до одиниці (метали, скло, полімери). Високу водонепроникність мають матеріали із за-мкненими порами, а також ті, що вміщують в основному мікрокапіляри (ке-раміка, тонкодисперсні глини й ін.). Порівняно низька водонепроникність характерна для матеріалів зі сполученими капілярами.

Водонепроникність матеріалів виміряється трьома методами: тиском во-ди, що витримує зразок протягом заданого часу без появи ознак фільтрації; часом, необхідним для проходження заданого об'єму води при постійному тиску; кількістю води, яка просочилася протягом заданого часу при встанов-леному тиску. Найбільш розповсюджений перший метод. Він застосовується для оцінки водонепроникності бетону, рулонних гідроізоляційних матеріалів, асфальтових мастик і т.д.

Т е п л о ф і з и ч н і в л а с т и в о с т і . У цю групу входять властиво-сті матеріалів, що характеризують їхнє відношення до зміни температури. Здатність матеріалу поглинати теплоту при нагріванні на 1 градус називають т е п л о є м н і с т ю. Питома теплоємність (теплоємність одиниці маси мате-ріалу) знаходиться по формулі

( ) ,ttmQc

12 −=

де Q – кількість теплоти, кДж; m – маса, кг; t1 і t2 – температура до і після нагрівання, °С.

Питома теплоємність залежить від походження й особливостей структури матеріалів, їхньої вологості і температури. Так, для природних і штучних кам’яних матеріалів с = 0,754…0,921, для скла с = 0,335…1,047, для лісових матеріалів с = 2,394…2,73 кДж/(кг·°С).

Питому теплоємність використовують при розрахунку теплотривкості огороджень, термічної тріщиностійкості матеріалів, необхідного підігріву матеріалів при зимовому бетонуванні і т.д.

Матеріали здатні як поглинати, так і передавати теплоту. Один з видів те-плопередачі, при якому перенос теплоти здійснюється за рахунок коливання атомів чи руху і взаємодії електронів, називається т е п л о п р о в і д н і с т ю.

Питома теплопровідність λ, Вт/(м·°С) характеризує кількість теплоти Q, що проходить в одиницю часу τ через одиницю поверхні матеріалу F при зміні температури Δt на 1 °С:

,tF

QΔτδλ =

де δ – товщина матеріалу, м. Теплопровідність більшості будівельних матеріалів збільшується з підви-

щенням температури, причому ця залежність в інтервалі від 0 до 100 °С має характер близький до лінійного. Різко підвищується теплопровідність також зі збільшенням вологості матеріалів. В міру підвищення пористості, особливо

20

об'єму дрібних замкнутих пор, теплопровідність матеріалів понижується. Це обумовлено заповненням їх повітрям, що у нерухомому стані має найменшу питому теплопровідність (при 20 °С λ = 0,025 Вт/(м·°С). Знижується теплоп-ровідність і в міру ускладнення хімічного складу матеріалу, переходу від кристалічного до аморфної будови.

Значення питомої теплопровідності λ, Вт/(м·°С): для міді – 350, сталі – 58, граніту – 2,8…3,4, важкого бетону – 1,3…3,4, цегли звичайної – 0,7…0,8, по-ристого бетону – 0,15…0,4, мінеральної вати – 0,042…0,081, поропластів – 0,035.

Теплопровідність – найважливіший критерій теплоізоляційних властивос-тей матеріалів. При впливі на матеріали високих температур важливе значен-ня мають їхня теплостійкість, термо- і вогнетривкість, вогнестійкість.

Т е п л о с т і й к і с т ь – властивість матеріалу зберігати експлуатаційні характеристики (наприклад, міцність, пластичність, ударну в’язкість) при механічному і хімічному впливі в умовах високої температури. Жаростій-кість – це здатність матеріалу витримувати тривале нагрівання до 1000°С без зміни експлуатаційних характеристик. До жаростійких відносять різні кера-мічні і металеві матеріали, ситали, спеціальні бетони.

Т е р м о с т і й к і с т ь – це здатність матеріалів витримувати без руйну-вання циклічні зміни температури. Підвищену термостійкість мають матеріа-ли з низьким коефіцієнтом термічного розширення (плавлений кварц, спеціа-льне скло), високою теплопровідністю і низьким модулем пружності (мета-ли).

Здатність матеріалів зберігати свої експлуатаційні властивості при впливі вогню в умовах пожежі називають в о г н е с т і й к і с т ю. Межею вогнестій-кості є тривалість опору впливу вогню до втрати несучої здатності (суттєвого зниження міцності і значних деформацій). Наприклад, у бетону межа вогнес-тійкості 2…5 год., у залізобетону – 1…2 год., у металевих конструкцій – 0,5 год.

В о г н е т р и в к і с т ь – це здатність матеріалів протистояти впливу ви-соких температур не розплавляючись. Вона характеризується температурою, при якій зразок усіченої піраміди розм’якшується так, що його вершина, на-хиляючись, торкається основи. Для вогнетривких матеріалів (динас, шамот, корунд і ін.) ця температура не нижче 1580°С.

М і ц н і с н і в л а с т и в о с т і . У цю групу механічних властивостей входять: міцність, твердість, стиранність і ударна в’язкість матеріалів.

М і ц н і с т ь – це опір матеріалів руйнуванню під дією зовнішніх наван-тажень. Вона обумовлена взаємодією часток (атомів, чи молекул іонів), що складають матеріали. Фактична міцність матеріалів нижча теоретичної через наявність домішок і дефектів структури.

В залежності від будови й умов випробування руйнування матеріалів мо-же бути крихким чи пластичним. Перше характерно для природних і штуч-них кам’яних матеріалів, скла, друге – для металів, сплавів, полімерів.

21

Процес руйнування матеріалу починається з виникнення в ньому мікрот-ріщин, що під дією навантаження розвиваються до критичного розміру, від чого матеріал руйнується. Максимальна напруга, при якій матеріал руйнуєть-ся під дією зростаючого навантаження, називається межею міцності. При тривалому прикладанні, а також багаторазовому повторенні навантаження, руйнування можливе і при напруженнях, менших межі міцності. Міцність залежить також від температури, характеру середовища і виду напруженого стану (стиску, розтягу, вигину, зрізу, крутіння чи комбінованого впливу). Міцність матеріалів зменшується зі збільшенням їхньої пористості, що при-водить до зниження кількості зв’язків між структурними елементами і нерів-номірного розподілу навантаження.

У лабораторних умовах міцність визначають руйнуванням контрольних зразків за допомогою гідравлічних пресів, розривних і інших випробувальних машин. Для крихких матеріалів основними міцнісними характеристиками є границя міцності при стиску (Rст) і при згині (R3), а для пластичних – при розтягу (Rр). Границю міцності при стиску і розтягу визначають за форму-лою:

,FPR

0

maxα=

де Рmах – максимальне навантаження, Н; F0 – початкова площа поперечного перерізу зразка, м2; α – перевідний коефіцієнт від міцності випробовуваних зразків до міцності зразків стандартної форми і розмірів. Для границі міцнос-ті при згині

,WMRз =

де М – найбільший згинальний момент, Н·м; W – момент опору перерізу зра-зка, м3.

Наприклад, при згині балки прямокутного перерізу й одному зосередже-ному зусиллі

,bh2

P3R 2max

зl

=

де l – відстань між опорами, м; b і h – ширина і висота поперечного перерізу зразка, м.

Прогресивними способами визначення міцності матеріалів безпосередньо у виробах і конструкціях є неруйнівні способи за допомогою ультразвукових, механічних і інших методів.

Опір матеріалів руйнуванню чи деформуванню в поверхневому шарі при місцевих силових впливах характеризує т в е р д і с т ь. Твердість матеріалів можна розглядати як їх міцність при вдавлюванні. Для визначення твердості використовуються методи вдавлювання наконечників різних типів і вимірю-вання відбитків. Відношення навантаження до площі поверхні відбитку нази-

22

вають числом твердості. Для приблизного визначення твердості гірських по-рід застосовують метод Мооса, заснований на дряпанні матеріалу еталонним мінералом. Першим у шкалі Мооса стоїть тальк, що має твердість 1, а остан-нім – алмаз із твердістю 10.

Для ряду матеріалів важливими властивостями є також стиранність і уда-рна міцність. С т и р а н н і с т ь характеризується втратами маси зразка, що віднесені до одиниці поверхні, і визначається на спеціальних приладах, а ударна (динамічна) міцність – роботою, витраченою на руйнування зразка при ударі, тобто при короткочасних навантаженнях високої інтенсивності.

Д е ф о р м а т и в н і в л а с т и в о с т і. Ця група механічних властивос-тей характеризує деформації матеріалу, тобто їхню здатність змінювати фор-му і розміри без зміни маси. Розрізняють пружні, або цілком оборотні, не-оборотні або пластичні, а також складні пружнопластичні чи пруж-нов’язкопластичні деформації.

П р у ж н і с т ь – властивість матеріалу відновлювати форму й об'єм після припинення дії деформуючих сил. Вона обумовлено прагненням часток, що складають матеріал, повернутися у вихідний стан. Найбільша напруга, при якій практично не виявляються залишкові деформації, називається границею пружності. В області пружних деформацій справедливий закон Гука – дефо-рмація матеріалу прямо пропорційна діючому напруженню σ:

,Eσε =

де Е – модуль пружності при розтягу (модуль Юнга), що характеризує міц-ність міжатомних зв’язків у кристалічних ґратках. Модуль пружності зв’язаний з міцністю і твердістю матеріалів і змінюється зі зміною складу, температури й інших факторів.

Для природних і штучних кам’яних матеріалів, скла, металів пружна де-формація незначна.

П л а с т и ч н і с т ь – властивість матеріалів змінювати під дією зовніш-ніх сил, не руйнуючись, свою форму і розміри і зберігати пластичні дефор-мації після зняття навантажень. Пластичні деформації настають при напру-женнях, що перевищують границю пружності. Здатність до пластичних де-формацій без помітного збільшення навантаження називають текучістю. За певних умов для ряду матеріалів (бетону, металів, кераміки) характерна пов-зучість – безперервне повільне зростання деформації при постійному наван-таженні.

Здатність матеріалів руйнуватися без помітної пластичної деформації на-зивають крихкістю, а їх опір розвитку пластичних деформацій – в’язкістю. Один і той самий матеріал в залежності від вихідних умов: виду напруженого стану, температури, середовища, швидкості деформування – може знаходи-тися в крихкому чи пластичному стані. Наприклад, багато металів, асфальт і інші матеріали при нормальній температурі - пластичні, а при низькій – кри-хкі.

23

ЗМІСТОВИЙ МОДУЛЬ 1.2 Мінеральні в'яжучі матеріали

Б у д і в е л ь н і в ’ я ж у ч і призначені в основному для отримання

штучних матеріалів конгломератного типу, розчинів і бетонів. Їх прийнято розділяти на дві групи: неорганічні або мінеральні і органічні. До неорганіч-них в’яжучих відносять порошкоподібні або пастоподібні матеріали, здатні при взаємодії з водою або водними розчинами солей утворювати пластичну масу, яка в результаті фізико-хімічних процесів переходить у каменеподібне тіло.

В залежності від характеру середовища, в якому твердіють неорганічні в’яжучі, їх ділять на повітряні, гідравлічні і автоклавного твердіння. Повітря-ні в’яжучі твердіють і зберігають міцність лише на повітрі, а гідравлічні - як на повітрі, так і у воді. В’яжучі автоклавного твердіння ефективно твердіють тільки при гідротермальній обробці, тобто при підвищених температурі і тис-ку насиченої пари.

Повітряні в’яжучі речовини. Основними представниками повітряних в’яжучих є гіпсові в’яжучі і пові-

тряне вапно. До цієї групи матеріалів відносяться також магнезіальні в’яжучі і рідке скло. Повітряні в'яжучі використовуються в основному в загальнобу-дівельних роботах, для отримання розчинів і виробів, які не взаємодіють сис-тематично з водою.

Г і п с о в і в ’ я ж у ч і р е ч о в и н и . Гіпсовими в’яжучими назива-ють речовини, які складаються з напівводного гіпсу CaSО4·0,5H2O або ангід-риту CaSO4, здатні при взаємодії з водою твердіти в повітряному середовищі. Їх отримують при тепловій обробці і подрібнені сировинних матеріалів, які складаються в основному з двоводного (CaSО4·2H20) або безводного гіпсу. Найбільш широко застосовують природний гіпс - гіпсовий камінь, який міс-тить 70…95 % CaSO4·2H2O. Можуть застосовуватись в якості сировини та-кож глинисто-гіпсові породи і сульфатні відходи хімічної промисловості.

Залежно від температури термічної обробки гіпсові в’яжучі поділяють на низьковипалювальні (110…180 ºС) і високовипалювальні (600…900 ºС). При отриманні низьковипалювальних гіпсових в’яжучих основним є процес част-кової дегідратації гіпсу

CаS04·2H20 = CaS04·0,5Н20 + 1,5Н20 Отриманий напівводний гіпс або напівгідрат СаSО4·0,5Н2О має здатність

швидко тужавіти і твердіти при замішуванні водою в результаті зворотної реакції – гідратації, яка супроводжується переходом напівгідрату в кристалі-чний двоводний гіпс.

При отриманні високовипалювальних в’яжучих іде більш глибоке зневод-нення гіпсу. Ці в’яжучі складаються в основному з ангідриту CaSO4 і харак-теризуються повільним твердінням в присутності добавок-активізаторів.

24

Найбільше практичне значення має низьковипалювальне гіпсове в’яжуче – будівельний гіпс – один з найстаріших в’яжучих матеріалів, який викорис-товувався ще при спорудженні пірамід в Єгипті 3000…2500 років до н.е. Отримують будівельний гіпс випалом гіпсового каменю у варочних котлах або сушильних барабанах. При випалі у варочних котлах сировину поперед-ньо висушують і подрібнюють в порошок, в сушильних барабанах випалю-ють куски, а тонкому подрібненню піддають напівгідрат. Є також і комбіно-вані схеми, коли oпeрації сушки, помелу і випалу двоводного гіпсу об’єднані. При випалі гіпсу в відкритих апаратах вода видаляється у вигляді перегрітої пари, і утворюються високодисперсні кристали β - СаS04·0,5Н2О (β-напівгідрат). При видаленні води в рідкому стані (наприклад, в автоклавах) утворюються більш крупні кристали α- напівгідрату, для якого характерна більш низька водопотреба.

Якість гіпсових в’яжучих визначається строками тужавлення, тонкістю помелу, водопотребою, границею міцності на стиск та згин. Залежно від строків тужавлення гіпсові в’яжучі ділять на три групи: швидкотвердіючі (А), нормальнотвердіючі (Б) та повільнотвердіючі (В). Для перших двох груп початок тужавлення повинен наставати не раніше відповідно 2 та 6 хвилин, кінець не пізніше 15 та 30 хвилин. Для гіпсових в’яжучих групи В початок тужавлення настає не раніше, ніж через 20 хвилин.

Тонкість помелу гіпсових в’яжучих оцінюється просіюванням на ситі з розміром отворів 0,2 мм. Для в’яжучих грубого (І), середнього (ІІ) та тонкого (ІІІ) помелу залишок на ситі повинен бути не більше відповідно 23, 14 та 2%.

Усі гіпсові в’яжучі діляться за міцністю на 12 марок (табл. 2.2.) (від Г2 до Г25), чисельне значення марки відповідає мінімальній границі міцності зраз-ків на стиск у мегапаскалях. Для будівельного гіпсу найбільш характерними є марки Г4…Г7 з нормованою границею міцності на згин не менше відповідно 2…3,5 МПа.

Таблиця 2.2 Марки гіпсових в’яжучих

Марка в’яжучого

Границя міцності бало-чок через 2 год твердін-

ня не менше, МПа Марка

в’яжучого

Границя міцності бало-чок через 2 год твердіння

не менше, МПа на стиск на згин на стиск на згин

Г-2 2 1,2 Г-10 10 4,5 Г-3 3 1,8 Г-13 13 5,5 Г-4 4 2 Г-16 16 6 Г-5 5 2,5 Г-19 19 6,5 Г-6 6 3 Г-22 22 7 Г-7 7 3,5 Г-25 25 8

25

В умовних позначеннях вказується марка гіпсового в’яжучого за міцніс-тю, група по строкам тужавлення та тонкості помолу. Наприклад, Г-5 АІІ – гіпс марки Г5, швидкотвердіючий (А) середнього помелу (ІІ).

При транспортуванні та зберіганні гіпсові в’яжучі повинні бути захищені від зволоження та забруднення.

Для отримання гіпсового тіста нормальної густоти необхідно 50…70 % води, що приблизно в 3…4 рази більше, ніж вимагається для гідратації. При висушуванні міцність гіпсу підвищується і може досягати 20 МПа. Сушать гіпсові вироби при температурі не більше 60-70ºС. В перший період твердін-ня гіпс розширюється на 0,05…0,15 %, а при подальшому висиханні дає уса-дку. Здатність твердіючого гіпсу збільшуватися в об’ємі використовується при отриманні виливок різних архітектурних деталей. Для затверділого гіпсу характерні пластичні деформації під навантаженням (повзучість), особливо у зволоженому стані.

Будівельний гіпс застосовується для виробництва перегородкових плит і панелей, листів для обшивки стін і перекриттів (гіпсової сухої штукатурки), теплих звукоізоляційних плит. вентиляційних коробів, для штукатурних, ре-монтних та опоряджувальних робіт і т.п. Гіпсові вироби можуть експлуатува-тися при відносній вологості повітря не більше 60 %. Водостійкість гіпсових виробів підвищується з введенням 5…25 % вапна, гранульованого доменного шлаку, при додаванні деяких добавок, просоченні карбамідними смолами, кремнійорганічними рідинами і т.п. При змішуванні 50…70 % будівельного гіпсу, 15…20 % портландцементу і 10…25 % активної мінеральної добавки отримують г і п с о ц е м е н т о п у ц о л а н о в і (ГЦПВ) в ’ я ж у ч і, які об'є-днують найбільш цінні якості гіпсу і цементу – здатність швидко тверднути, характеризуватися водо-, сульфатостійкістю, низькою повзучістю. З ГЦПВ можна отримати бетони класів В10…В15 з морозостійкістю 25…50 циклів і коефіцієнтом розм’якшення 0,6…0,8, які досягають через 2…3 год. після приготування 30…40 % проектної міцності. Такі бетони успішно застосову-ють для виробництва панелей і об’ємних елементів санітарно-технічних ка-бін, покриттів підлог, стін малоповерхових будинків.

Б у д і в е л ь н е п о в і т р я н е в а п н о . Будівельним вапном нази-вають продукт випалу кальцієвих і магнезіальних карбонатних порід до мож-ливо повного видалення СО2. В залежності від умов твердіння розрізняють повітряне і гідравлічне будівельне вапно.

Повітряне вапно забезпечує твердіння будівельних розчинів і бетонів і збереження ними міцності в повітряно-сухих умовах. Для його отримання застосовують вапняки, крейду, доломіти, карбонатні відходи промислових підприємств, які містять не більше 8 % глинистих домішок. При більшому вмісті глинистих домішок утворюється гідравлічне вапно. В сировинних ма-теріалах не бажані гіпсові і залізисті домішки, які погіршують якість вапна.

Вапно розділяють на негашене і гашене (гідратне). В залежності від вміс-тів оксидів кальцію і магнію повітряне негашене вапно ділять на кальцієве

26

(МgО не більше 5 %), магнезіальне (МgО = 5...20 %) і доломітове (MgО = 20...40 %), Підвищення вмісту оксиду магнію сповільнює швидкість гашення вапна.

Вапно випускають в грудковому або тонкоподрібненому порошкоподіб-ному вигляді. Негашене грудкове вапно (кипілка) отримують після випалу сировинних матеріалів в результаті декарбонізації вуглекислого кальцію

СаСО3 = СаО + С02↑. Температура випалу вапняків в заводських умовах складає 1000…1200 °С.

Для випалу вапна застосовують шахтні, обертові і інші печі. Найбільш поши-рені шахтні печі, основним елементом яких є шахта висотою до 28 м і діаме-тром до 6 м у вигляді циліндра чи конуса, захищеного всередині вогнетрив-кою футеровкою. Шахтні печі працюють безперервно: у верхню частину за-вантажують вапняк, який повільно опускається вниз, проходячи через зони сушки і підігріву, випалу і охолодження і перетворюється в грудкове вапно.

Поряд з шахтними пересипними печами застосовують шахтні печі з вине-сеними топками, де можна спалювати вугілля з підвищеним вмістом летких домішок. Обертові печі мають більш високу потужність, дозволяють забезпе-чити автоматизацію випалу і отримати вапно з крейди і інших м’яких карбо-натних порід. Однак в них підвищені витрати палива і енергії.

Якість негашеного вапна визначається вмістом активних оксидів кальцію і магнію, здатних енергійно реагувати з водою – гаситись. Важливо не допус-тити “перевипалу” вапна, що призводить до перекристалізації і спікання ок-сидів кальцію і магнію. Це сповільнює їх гашення, викликає утворення трі-щин у затверділих розчинах. Вимоги до негашеного кальцієвого вапна наве-дені в табл. 3.2. Грудкове вапно є напівфабрикатом для отримання порошко-подібного меленого або гідратного вапна, а також вапняного тіста.

Таблиця 2.3. Вимоги до негашеного кальцієвого і гідратного вапна

Показник Норми для сортів вапна негашеного гашеного

І ІІ ІІІ І ІІ Вміст активних СаО+МgО, %, не більше:

без добавок з добавками

90 65

80 55

70 –

67 50

60 40

Вміст СО2, %, не більше без добавок з добавками

3 4

5 6

7 –

3 2

5 4

Непогашені зерна, %, не більше 7 11 14 – –

Подрібнення грудкового і отримання меленого негашеного вапна дозво-ляє прискорювати гашення і запобігти утворенню відходів непогашених час-тинок, випускати розчини і вироби більш високої міцності. Для підвищення водостійкості і покращання інших якостей вапняних розчинів при подрібнен-

27

ні вапна вводять активні мінеральні добавки: золи, шлаки. Можна вводити також кварцовий пісок, гіпс. Тонкість подрібнення вапна оцінюється просію-ванням крізь сито з сітками №№ 0,2 і 0,08. Проходити повинно відповідно не менше 98,5 і 85 % маси просіюваної проби. Мелене негашене вапно без доба-вок так само, як і грудкове, ділиться на три сорти, з добавками – на два (табл. 3.2).

Порошкоподібне вапно можна отримати не тільки його помелом, але й гашенням, взявши 0,6…0,8 частини води по масі на 1 частину негашеного вапна (кипілки):

СаО + Н2О = Са(ОН)2 + 65 кДж. Час гашення для швидкогасного вапна – не більше 8хв., середньогасного

– не більше 25 хв. і повільногасного – більше 25 хв. Отримане гашене (гідратне) вапно (пушонка) – готовий продукт, який при

взаємодії з водою перетворюється в тісто. В упакованому вигляді його легше транспортувати і зберігати, ніж негашене вапно. Гідратне вапно також випу-скається з добавками і без добавок і ділиться на два сорти (див. табл. 3.2).

Негашене грудкове або мелене вапно частіше зразу гасять до утворення вапняного тіста. При цьому на 1 частину вапна по масі беруть 2…3 частини води.

Розчинні і бетонні суміші на основі вапна можуть тверднути по карбонат-ній, гідратній або гідросилікатній схемам. В розчинах на гашеному вапні при звичайній температурі і тиску іде карбонатне твердіння, яке включає одноча-сно два основних процеси: кристалізацію Са(ОН)2 з насиченого водного роз-чину і утворення карбонату кальцію по реакції:

Са(ОН)2 + СО2 + nН20 = СаСО3 + (n + 1)Н2О. Розчини на гашеному вапні твердіють дуже повільно. Прискорити ріст їх

міцності можна при гідратному твердінні, застосовуючи мелене негашене вапно. Гідратне твердіння іде в результаті розчинення меленого негашеного вапна в воді, утворення пересиченого розчину, виділення дрібних частин Са(ОН)2, їх взаємного зчеплення і зростання. Нормальне гідратне твердіння можливе при достатній тонкості подрібнення вапна, певному водовапняному відношенні, швидкому відведенні виділеної теплоти. Найбільш висока міц-ність вапняних розчинів і бетонів досягається при гідросилікатному твердін-ні, яке полягає у сполученні вапна з кремнеземом при тепловологісній обро-бці виробів в автоклавах насиченою парою під тиском 0,9…1,6 МПа і утво-ренні гідросилікатів кальцію, цементуючих зерна піску і інших заповнювачів. На гідросилікатному твердінні вапна основане одержання силікатної цегли і силікатних бетонів.

Головна позитивна особливість повітряного вапна – висока пластичність, яка надає розчинам і бетонам високу легковкладальність, а також водоутри-муючу здатність та запобігає розшаруванню сумішей. Будівельне вапно за-стосовують для приготування кладочних і штукатурних розчинів, які працю-

28

ють в повітряно-сухих умовах, для виготовлення низькомарочних бетонів, змішаних гідравлічних в’яжучих, силікатних виробів.

Р о з ч и н н е т а р і д к е с к л о. Розчинне скло – скловидний сплав, що складається з лужних силікатів. Загальна формула його R2О.nSіО2, де R2О – лужний оксид (Nа2О, К2О), n- силікатний модуль. Значення силікатного мо-дуля може змінюватися від 1 до 6,5. В будівництві найчастіше використову-ють натрійове розчинне скло з модулем 1,5…3. Калійове скло з модулем 4…4,5 використовують основним чином для отримання силікатних фарб. Випускають розчинне скло у вигляді твердого моноліту (силікат-глиби), який подрібнюють на куски, або дрібнозернистого продукту (силікат-грануляту). Для його отримання використовують шихту, що включає кремнеземистий та лужний компоненти, наприклад, пісок та соду або сульфат натрію. Шихту плавлять у скловарних печах при 1100....1400°С.

Силікат-глиба утворюється при повільному охолодженні розплаву на по-вітрі, силікат-гранулят - при охолодженні у проточній воді. Розчинення силі-кату-глиби у воді проводять в автоклавах під тиском 0,3...0,8 МПа. Гранулят можна розчинювати при атмосферному тиску і температурі 90... 100 °С.

Водний розчин силікатів лужних металів називають рідким склом. Його можна отримати як із розчинного скла, так і безпосередньо у автоклавах об-робкою аморфних кремнеземистих продуктів у розчинах їдких лугів.

Рідке скло являє собою колоїдний розчин густиною 1,4...1,5 г/см3, у за-критих посудинах воно може зберігатися дуже довго, на повітрі повільно за-твердіває. Суть процесу твердіння полягає у випаруванні рідкої фази, під-вищенні концентрації вільного колоїдного кремнезему та його наступній коагуляції та ущільненні. Вуглекислий газ повітря нейтралізує луги, що міс-тяться у водному розчині та сприяє коагуляції кремнезему. Суттєво приско-рює процес твердіння рідкого скла добавка кремнефтористого натрію та деякі інші речовини.

Характерна особливість рідкого скла - висока клеюча здатність, яка у З...5 разів вища, ніж у цементів та інших мінеральних в'яжучих. Завдяки цьому його широко використовують для склеювання картону, паперу, дерев'яних та силікатних виробів і т.п.

Для закріплення грунту під фундаментами, захисту від ґрунтових вод при проходженні шахт та тунелів використовують силікатизацію - нагнітання у грунт рідкого скла разом з розчинами добавок крізь систему перфорованих труб.

Рідке скло служить затворювачем кварцових кремнійфтористих кислотот-ривких цементів - продуктів сумістного подрібнення або змішування квар-цового піску та кремнійфтористого натрію. Виготовляють два типи таких цементів: І - для кислототривких замазок, ІІ - для бетонів та розчинів. Вони різняться вмістом кремнійфтористого натрію та строками тужавлення. Кис-лототривкі цементи використовуються для склеювання хімічно стійких мате-ріалів, футеровки різних апаратів та захисних покрить будівельних конструк-

29

цій. Кислототривкі цементи не можна використовувати в умовах дії лугів, фтористоводневої та кремнійфтористоводневої кислот, киплячої води та во-дяної пари.

Відмінною особливістю розчинів та бетонів на основі рідкого скла поряд з кислотостійкістю є також висока жаростійкість.

Гідравлічні в’яжучі речовини

В групу гідравлічних в’яжучих входять гідравлічне вапно і вапновміщую-чі в’яжучі, романцемент, портландцемент, шлакопортландцемент, пуцолано-вий і глиноземистий цементи і їх різновиди. Для будівництва найбільше зна-чення мають портландцемент і похідні від нього в’яжучі матеріали.

В а п н о в м і щ у ю ч і в ’ я ж у ч і . Першими гідравлічними в’яжучими були гідравлічне вапно і романцемент. Гідравлічне вапно отри-мують помірним випалом мергелистих вапняків, які містять 8…20 % глинис-тих домішок (романцемент – не менше 25 %). Його здатність повільно твер-діти у воді обумовлена вмістом, крім вільних оксидів СаО і МgО, ще і міне-ралів-силікатів, алюмінатів, феритів (2СаО·SiО2, ЗСаО·Аl2О3, 2СаО·Fе2О3) та ін. Гідравлічне вапно розділяють на слабогідравлічне (СаО + МgО 40…65 %) і сильногідравлічне (СаО + МgО 5…40 %). Границя міцності зразків через 28 діб твердіння для слабогідравлічного вапна повинна бути не менш: на стиск 1,7, на згин 0,4 МПа, для сильно-гідравлічного відповідно 5 і 1 МПа. Гашен-ня гідравлічного вапна проходить повільно, пластичність розчинів на його основі нижча, ніж на основі повітряного.

Суміш повітряного чи гідравлічного вапна з гранульованим шлаком або золою виносу та іншими активними мінеральними добавками дає змішані гідравлічні в’яжучі. Вміст вапна в них в перерахунку на активні СаО + МgО повинен бути в межах 10…50 % за масою. Для них характерний початок ту-жавлення не раніше 25хв., кінець – не пізніше 24 год. від початку затворення. Марки цих в’яжучих, які визначаються границею міцності через 28 діб зраз-ків-балочок розмірами 40×40×160 мм з розчину складу 1:3 (по масі) з норма-льним піском, – 50, 100, 150, 200. Розглянуті в’яжучі застосовуються в осно-вному для приготування низькомарочних будівельних розчинів і бетонів.

П о р т л а н д ц е м е н т - гідравлічна в'яжуча речовина, що твердіє у воді і на повітрі. Його отримують шляхом сумісного тонкого помелу клінкеру, необхідної кількості гіпсу та інших добавок. П о р т л а н д ц е м е н т н и й к л і н к е р - продукт спікання сировинної суміші певного хімічного складу, що забезпечує після випалювання переважання силікатів кальцію.

Цементна промисловість випускає значну кількість цементів на основі портландцементного клінкеру, які умовно можна поділити на цементи зага-льнобудівельного і спеціального призначення.

Згідно державного стандарту, який діє на Україні (ДСТУ Б В.2.7-46-96), цементи загальнобудівельного призначення поділяють на 5 типів за речовин-ним складом і міцністю на стиск в 28-добовому віці:

30

Тип І - портландцемент (від 0 до 5% мінеральних добавок, марки 300,400, 500, 550, 600);

Тип II - портландцемент з добавками (від 6 до 35% мінеральних добавок), марки 300,400, 500,550, 600;

Тип III - шлакопортландцемент (від 36 до 80% доменного гранульованого шлаку), марки 300,400, 500;

Тип IV - пуцолановий цемент (від 21 до 55% мінеральних добавок), марки 300, 400, 500;

Тип V - композиційний цемент (від 36 до 80% мінеральних добавок), мар-ки 300, 400, 500.

За міцністю в ранньому віці (після двох або семи діб тверднення) цементи марок 400 і 500 поділяють на два види: цемент із звичайною міцністю в ран-ньому віці і швидкотверднучий.

При умовному позначенні цементу вказують його тип і спеціальні ознаки (висока міцність в ранньому віці - Р; пластифікація і гідрофобізація – ПЛ, ГФ, нормованість мінералогії – Н). Наприклад, портландцемент марки 400 з до-бавкою до 20% шлаку, пластифікований, швидкотверднучий позначається ПЦ-ІІ/А-Ш-400Р-ПЛ ДСТУ…

К л і н к е р – напівфабрикат для виробництва цементу. Його отримують випалом до спікання сировинної суміші певного хімічного складу.

Для портландцементу сировиною служать карбонатні і глинисті породи (крейда, вапняк, глини, суглинки та ін.) і їх природні суміші – мергелі. Засто-совують також побічні продукти інших галузей промисловості – доменні шлаки, золи, нефеліновий шлам та ін. Склад сировинної суміші підбирається таким чином, щоб забезпечити в клінкері вміст оксидів в наступних межах, %:

CaO – 63…66; SiO2 – 21…24; Аl2О3 – 4…8; Fе2О3 – 2...4; МgО – 0,5…5; SO3 – 0,3…1; Na2O + K2O – 0,3…1; ТіО2 + Сr2О3 – 0,2…0,5; Р2О5 – 0,1…0,3.

Виробництво портландцементу полягає в добуванні, подрібненні і змішу-ванні сировинних матеріалів, випалі однорідної сировинної суміші до спікан-ня, подрібненні отриманого клінкеру з гіпсом і, при необхідності, з іншими добавками до порошкоподібного продукту – цементу. Можливі два основних способи виробництва портландцементу – мокрий і сухий. При найбільш по-ширеному в нашій країні мокрому способі в процесі подрібнення сировинних матеріалів вводиться вода, і сировинна суміш поступає на випал у вигляді водяної суспензії – шламу вологістю 33…42 %. Введення води в сировинну суміш полегшує її помел, досягається висока однорідність, однак при цьому (в 1,5…2 рази) підвищується витрата палива. При сухому способі сировинні матеріали після подрібнення висушуються і поступають на випал в порошко-подібному або гранульованому вигляді. Цей спосіб завдяки високим техніко-економічним показникам отримує все більше поширення.

31

При випалі сировинної суміші по мірі підвищення температури проходить ряд фізичних і хімічних процесів. Випал клінкеру завершується при темпера-турі приблизно 1450 °С. Помел клінкеру проводиться в трубних млинах (рис. 2.3) з мелючими тілами – стальними кулями і циліндрами.

Фізико-механічні властивості портландцементу залежать від багатьох фа-кторів, з яких головними є його хіміко-мінералогічний склад і тонкість поме-лу. Портландцемент – багатомінеральний продукт. Основним мінералом портландцементу є а л і т – трикальцієвий силікат 3СаО·SiО2, який містить 2…4 % Аl2О3, МgО та ін. Із збільшенням вмісту аліту, який складає 45…60 % маси клінкеру, підвищується міцність, прискорюється твердіння, однак за-труднюється випал портландцементу. На відміну від аліту б е л і т – двока-льцієвий силікат β-2СаО·SіО2,з домішками Аl2О3, Fe2О3 та ін. Він складає 15…30 % маси клінкеру, твердіє повільно і отримує високу міцність лише у віддалені терміни – 1..2 роки.

Крім мінералів-силікатів у портландцемент входять трикальцієвий алюмі-

нат 3СаО·Аl2О3 (5…15 %) і твердий розчин алюмоферитів, близький по скла-ду до 4СаО·Аl2О3·Fe2О3 (10…20 %). Т р и к а л ь ц і є в и й а л ю м і н а т сприяє швидшому твердінню портландцементу, однак знижує його морозос-тійкість і стійкість в мінералізованих водах. Чотирикальцієвий алюмоферит,

так само, як і беліт, отримує велику міцність лише протягом довгого проміж-ку часу. До складу портландцементу входять в невеликих кількостях лужні сполуки, вільні оксиди кальцію і магнію та ін. Основну масу портландцемен-ту складають зерна 5…40 мкм. При просіюванні через сито №008 повинно проходити не менше 85 % маси просіюваної проби. Більш загальним показ-ником тонкості помелу є питома поверхня цементного порошку (як правило, вона складає 2500…3000 см2/г), однак при тонкому помелі зростають витрати електроенергії. Для інтенсифікації помелу вводять спеціальні добавки, які не погіршують якість цементу.

Густина портландцементу 3…3,2 г/см3, насипна густина в розсипчастому стані складає 900…1100, а в ущільненому - 1400…1700 кг/м3, Основними

Рис. 2.3. Схема кульового млина для подрібненнясировинної суміші і цементного клінкеру: 1 – корпус млина; 2 – підшипник; 3, 4 – пустотілі

цапфи; 5 – кульове завантаження

32

фізико-механічними якостями портландцементу є водопотреба, строки тужа-влення, рівномірність зміни об’єму і міцність.

Водопотребу цементів оцінюють кількістю води замішування в процентах від маси цементу, необхідної для утворення тіста нормальної густоти. Нор-мальна густота цементного тіста – це така його консистенція, коли голка приладу Віка не доходить на 5…7 мм до пластини, на якій встановлено кіль-це, заповнене тістом. Нормальна густота портландцементу 24…29 %. Вона зростає із збільшенням вмісту С3А, при введені добавок осадового похо-дження – опоки, трепелу, діатоміту і ін., а зменшується за рахунок пластифі-куючих поверхнево-активних добавок. Із збільшенням водопотреби цементу збільшується необхідна витрата води в бетонних сумішах заданої рухливості, і в результаті росте витрата цементу, погіршуються якості бетону.

Т у ж а в л е н н я – це перша стадія твердіння цементного тіста. Воно ха-рактеризується початком – часом від моменту зачинення до початку загус-тіння (голка приладу Віка не доходить до пластинки на 1…2 мм) і кінцем – часом від моменту зачинення до повної втрати цементним тістом пластично-сті (голка приладу Віка занурюється в тісто не більше ніж на 1 мм). Строки тужавлення цементу нормуються у межах, зручних для виготовлення бетонів і розчинів, і регулюються добавками, які містять двоводний гіпс (не більше 3,5 % по SО3). Початок тужавлення портландцементу повинен наступати не раніше 45 хв. для цементу марок М550 і М600 і 60 хв. - для марок 300, 400, 500, а кінець – не пізніше 10 год.

Процес твердіння портландцементу супроводжується зміною об’єму в ре-зультаті деформацій усадки на повітрі чи набуханні у воді. При цьому обов’язковою вимогою є р і в н о м і р н і с т ь з м і н и о б ’ є м у цемен-ту, яка визначається оглядом зразків з тіста нормальної густоти, що тверділи добу у ванні з гідравлічним затвором, а потім витриманих 3 год. в киплячій воді. На зразках не повинно бути тріщин, викривлень і інших ознак пошко-дження. Нерівномірність зміни об’єму цементу може бути викликана напру-женнями розширення в затверділому цементному камені при надлишку окси-дів кальцію і магнію, сульфатів і інших шкідливих компонентів. Важливою якістю цементу, яка визначає його придатність до виготовлення бетонів і ро-зчинів, є міцність, яку визначають випробуванням зразків-балочок розміром 4×4×16 см спочатку на згин, а потім утворених половинок - на стиск. Зразки виготовлюють вібрацією з розчинної суміші яка містить по масі одну частину цементу і три частини нормального (Вольського) піску. Консистенція суміші при водоцементному відношенні, рівному або меншому 0,4, повинна харак-теризуватися розпливом конуса 106…115 мм. Границя міцності при стиску зразків, які тверділи протягом 28 діб, називається а к т и в н і с т ю ц е -м е н т у . В залежності від активності і границі міцності при згині для порт-ландцементу і портландцементу з мінеральними добавками встановлені мар-ки 300, 400, 500, 550 і 600 (табл. 2.4).

33

Таблиця 2.4 Вимоги до міцності цементів

Марка Межа міцності через 28 діб, МПа, не менше 2 доби 7 діб 28 діб

300 — 15 30 400 — 20 40

400Р 15 — 40 500 15 — 50 550 20 — 55 600 25 — 60

Крім хіміко-мінералогічного складу і тонкості помелу, на міцність цемен-

ту впливає ряд інших факторів. Позитивно впливають рівномірно зерниста структура клінкеру, легуючі добавки деяких оксидів та ін. Активність цемен-ту знижується при довгому зберіганні під дією вологи і СО2 повітря.

Т в е р д і н н я п о р т л а н д ц е м е н т у . В результаті взаємодії мі-нералів, які містяться в цементі, з водою утворюються нові сполуки – гідрати. При гідратації мінералів-силікатів такими сполуками є гідросилікати. Так, процес гідратації С3S можна представити рівнянням: 2(3СаО·SiO2) + 6Н2О = 3СаО·2SiO2·3Н2О + 3Са(ОН)2.

Склад утворюваних при реакції гідросилікатів залежить від температури і концентрації гідроксиду кальцію.

Трикальцієвий алюмінат С3А в присутності гіпсу, який міститься у цемен-ті, і води утворює гідросульфоалюмінат кальцію (етрингіт), який сповільнює процес тужавлення цементного тіста:

3СаО·Аl2О3 + 3CaS04·2Н2О + 25Н2О = 3СаО·Аl2О3·3CaSО4·31Н2О. При гідратації C4AF поряд з гідросульфоалюмінатом утворюється і гідро-

сульфоферит кальцію або твердий розчин цих двох сполук. Хімічні реакції починають протікати зразу після змішування цементу з водою. Компоненти цементу розчиняються, і вже через кілька хвилин утворюється розчин, який заповнює простір між зернами і пересичений по відношенню до гідроксиду кальцію, що виділяється при гідролізі аліту. Першими гідратними новоутво-реннями є етрингіт і гідроксид кальцію. Потім утворюються дуже дрібні гід-росилікати кальцію.

Механізм твердіння цементу дуже складний. У відповідності з сучасними уявленнями, розвинутими під керівництвом акад. П. О. Ребіндера, з переси-ченого розчину новоутворення кристалізуються в два етапи. Протягом пер-шого проходить формування каркасу з появою контактів зростання між крис-талами новоутворень. При цьому можливий також ріст кристалів, які зроста-ються між собою. Протягом другого етапу нові контакти не виникають, а проходить лише обростання вже існуючого каркасу, тобто ріст складаючих його кристалів. В результаті підвищується міцність цементного каменю, од-

34

нак можуть виникнути і внутрішні розтягуючі зусилля. Вирішальну роль грає пересичення розчину. При малому пересиченні кількість кристалів невелика, вони не зростаються. Для найбільшої міцності штучного каменю необхідні оптимальні умови гідратації, які забезпечують виникнення новоутворень до-статньої величини при мінімальних напруженнях.

Другий напрямок в теорії цементів оснований роботами акад. О. О. Бай-кова, у відповідності з якими можна виділити три періоди твердіння: 1) роз-чинення в’яжучого у воді до утворення насиченого розчину; 2) пряме (без розчинення) приєднання води до цементу і виникнення колоїдних гідратів; 3) перекристалізація колоїдних частинок в більш крупні і ріст міцності.

Твердіння портландцементу залежить в значній мірі від температурно-вологісних умов. Так, пониження температури від 20 °С до 5 ºС сповільнює твердіння в 2…3 рази, а підвищення до 80 °С збільшує швидкість гідратації в 6 разів. При температурах нижчих –10 °С гідратація цементу практично при-пиняється.

Нормальне протікання процесів твердіння можливе лише при достатній вологості середовища, підвищення температури не повинно супроводжувати-ся висиханням. Прискорення фізико-хімічних процесів твердіння портланд-цементу при тепловій обробці (пропарювання, елктропрогрів та ін.) дозволяє отримувати в короткий строк бетонні і залізобетонні вироби з необхідною відпускною міцністю.

К о р о з і я ц е м е н т н о г о к а м е н ю . Цементний камінь, який є основою бетону, при впливі агресивного середовища кородує - руйнується. Для споруд з бетону і залізобетону найбільш небезпечна хімічна корозія в природних водах. За В. М. Москвіним хімічні корозійні процеси при впливі водного середовища можна розділити на три види.

Корозія першого виду пояснюється розчиненням деяких компонентів це-ментного каменю, і в першу чергу гідроксиду кальцію – продукту гідролізу трикальцієвого силікату (корозія вилуговування). Вона іде інтенсивно в м’яких водах, особливо при фільтрації води через бетон. При вилуговуванні Са(ОН)2 поряд із зменшенням щільності і порушенням структури цементного каменю починається розклад інших гідратів, стійких лише при певній конце-нтрації СаО.

Корозія другого виду основана на обмінних хімічних реакціях взаємодії між цементним каменем і агресивним водним розчином з утворенням легко-розчинних, вимиваємих солей чи аморфних продуктів, які не мають в’яжучі якості. До неї можна віднести кислотну, вуглекислу і магнезіальну корозії. Кислотність природних вод обумовлена в основному присутністю в них СО2 і гумінової кислоти. Гідроксид кальцію, що міститься в цементному камені, спочатку взаємодіє з СО2 з утворенням малорозчинного СаСО3, а потім при його надлишку утворює розчинний гідрокарбонат, що вимивається з бетону:

Са(ОН)2 + СО2 + Н2О = СаСО3 + 2Н2О, СаСО3 + СО2+ Н2О Са(НСО3)2.

35

При збільшенні жорсткості води кількість вільного CO2 зменшується і ву-глекисла корозія менш небезпечна.

Корозія третього виду також викликана обмінними реакціями речовин, розчинених у воді з компонентами цементного каменю, однак продуктами їх є малорозчинні солі, кристалізація яких іде в порах і капілярах із збільшен-ням об’єму. Типовим прикладом корозії цього виду являється сульфатна ко-розія. Вона викликається іонами SO4

2–, джерелом яких є сульфати кальцію, магнію і натрію. Різновиди сульфатної – сульфоалюмінатна і гіпсова корозія. При сульфоалюмінатній корозії іде реакція між сульфатом кальцію, який знаходиться у воді, та гідроалюмінатами в цементному камені з утворенням етрингіту 3СаО·Аl2О3·3CaSО4·31Н2О, що супроводжується значним збіль-шенням об’єму і виникненням руйнівних напружень. При більшій концент-рації сульфатів (більше 1000 мг/л SO4

2–) в капілярах цементного каменю кри-сталізується гіпс (гіпсова корозія).

Корозію цементного каменю викликає також взаємодія лугів цементу з активним кремнеземом, який міститься в таких мінералах, як опал, халцедон та ін., що зустрічаються в заповнювачах бетону. Небезпечні напруження при цьому є наслідком утворення драглеподібних лужних силікатів.

Хімічну корозію цементного каменю викликають не тільки природні во-ди. Його руйнують різні хімічні продукти в конструкціях промислових і сіль-ськогосподарських підприємств (органічні кислоти, масла, розчини гліцерину і цукру та ін.).

Вияснення причин і механізму корозії цементного каменю дозволяє виб-рати спосіб підвищення його стійкості. У всіх випадках позитивно впливають підвищення густини бетону за рахунок зменшення водовмісту і водоцемент-ного відношення бетонної суміші, а також введення пластифікуючих, полі-мерних та ін. добавок. Більш стійкими до корозії вилуговування і сульфатної корозії є цементи, які містять активні мінеральні добавки (пуцолановий і шлакопортландцемент). Для антикорозійного захисту застосовують просочу-вання конструкцій бітумом, петролатумом і іншими смолами, обробку повер-хонь розчином силікату натрію, кремнефтористих солей, а також гідроізо-люють бетон мастичними або рулонними бітумними і полімерними матеріа-лами, облицьовують його природним каменем, пластмасами , керамічними та іншими матеріалами.

Р і з н о в и д и ц е м е н т у. Різні умови служби бетонів та розчинів в різноманітних середовищах та

конструкціях обумовили необхідність виробництва широкого асортименту різних видів цементу на основі портландцементого клінкеру. Більша частина всього обсягу випуску цементу в нашій країні припадає на портландцемент з мінеральними добавками (тип II). Використання різних мінеральних добавок призводить до економії найдорожчого та енергоємного напівфабрикату - портландцементного клінкеру та утилізації різних промислових відходів. Цей цемент більш водостійкий та корозійностійкий, ніж бездобавочний, має мен-

36

ше тепловиділення. Для виробництва надміцних, морозостійких бетонів і в ряді інших випадків використовують бездобавочний портландцемент або портландцемент, що містить до 5% мінеральних добавок (тип І).

Ш в и д к о т в е р д і ю ч і т а н а д м і ц н і цементи. Для виробництва збірного залізобетону раціональним є використання швидкотвердіючих та надміцних цементів, що забезпечують прискорений ріст міцності виробів та зниження витрат в'яжучого на 1 м3 бетону.

Для швидкотвердіючого портландцементу додатковою вимогою є досяг-нення через 2 доби твердіння міцності на стиск не менше 15...25 МПа залеж-но від марки. Клінкер швидкотвердіючого цементу містить підвищену кіль-кість (60...65%) найбільш активних мінералів - трьохкальційового силікату СзS та трьохкальційового алюмінату С3А. Тонкість помолу його вища, пито-ма поверхня досягає 3500 см2/г.

В останні роки розроблено ряд нових способів прискорення твердіння та підвищення активності цементів. До них відносять модифікування структури клінкерних мінералів або їх легування шляхом введення до цементу кристалі-заційних затравок, так званих к р е н т і в. Кренти отримують з каоліну та сірчаної кислоти або сірчанокислого заліза, а також з випаленого алуніту. До крентів відносять також деякі відходи хімічної промисловості (сульфоалюмі-нати, гідроксид та сульфат алюмінію та ін.). При введенні до цементу 45...60 кг/т крентів міцність його зростає на одну марку.

Технологія в'яжучих н и з ь к о ї в о д о п о т р е б и (ВНВ) грунтується на тонкому подрібненні портландцементу з додатковим введенням мінеральних добавок або без них і підвищених дозах сухого суперпластифікатору. Це в'я-жуче має низьку нормальну густоту цементного тіста (в середньому 18%) і в залежності від вмісту мінеральної добавки розподіляється на ВНВ-100, ВНВ-50, ВНВ-30. Використання ВНВ-100 дозволяє отримати бетони міцністю до 100 МПа і вище, а ВНВ-50 економити значну кількість цементу (до 45%). Водночас виробництво ВНВ зв'язане з певними труднощами, до числа яких в першу чергу належить необхідність використання сухого суперплас-тифікатору, а також його рівномірного розподілу в процесі помолу. Як більш простий та дешевий варіант розроблено спосіб, заснований на виготовленні тонкомелених багатокомпонентних цементів з різними мінеральними добав-ками (ТБЦ) і питомою поверхнею 4500...5000 см2/г та наступним введенням рідких суперпластифікаторів з водою при приготуванні бетонної суміші.

Ш л а к о п о р т л а н д ц е м е н т - це гідравлічна в'яжуча речовина, яку отримують шляхом тонкого помолу клінкеру, необхідної кількості гіпсу та гранульованого шлаку. У шлакопортландцементі може міститися 36...80% гранульованого доменного шлаку.

Якість доменного шлаку характеризується основним чином значенням ко-ефіцієнту якості, що виражає відношення сумарного процентного вмісту ок-сидів СаО, МqО, АІ2О3 до сумарного вмісту SіО2 та Fе2О3. Цей коефіцієнт

37

повинен бути не менше 1,65; 1,45 та 1,2 для доменного шлаку відповідно - першого, другого та третього сортів.

Шлакопортландцемент, порівняно з портландцементом, має вищу стій-кість у м'яких та мінералізованих водах, підвищену жаростійкість, що пояс-нюється незначним вмістом у цементному камені вільного гідроксиду каль-цію. Він більш інтенсивно твердіє при теплово-логісній обробці і повільніше тужавіє та твердіє при пониженій температурі, в нього нижча морозостій-кість. Марки шлакопортландцементу М300, М400 та М500.

Поряд із звичайним виготовляють також швидкотвердіючий та сульфато-стійкий шлакопортландцемент. Для останнього використовують клінкер, що містить не більше 8% С3А та шлак, що містить не більше 8% АІ2О3.

Шлакопортландцемент використовується основним чином для бетонних та залізобетонних наземних, підземних та підводних конструкцій, які підда-ються дії прісних вод, а також для виготовлення збірних конструкцій з вико-ристанням тепловологісної обробки, для приготування будівельних розчинів. Не допускається використовувати цей цемент для конструкцій, експлуатація яких потребує підвищеної морозостійкості і для будівельних робіт при зни-жених температурах без штучного підігріву, а також в жарку та суху погоду без ретельного додержання вологісного режиму твердіння.

Шлакопортландцемент - економічно ефективний вид цементу. В серед-ньому 1 т сухого гранульованого шлаку майже втричі дешевше клінкеру. Ви-трати умовного палива на виробництво 1 т шлакопортландцементу на 97...117 кг менші, ніж на виробництво бездобавочного портландцементу тієї ж марки. Енергоємність шлакопортландцементу всередньому на 25% нижче енергоєм-ності портландцементу з мінеральними добавками.

С у л ь ф а т о с т і й к і ц е м е н т и. До цієї групи цементів входять суль-фатостійкі портландцемент та портландцемент з мінеральними добавками, пуцолановий портландцемент та сульфатостійкий шлакопортландцемент.

С у л ь ф а т о с т і й к и й п о р т л а н д ц е м е н т відрізняється від зви-чайного підвищеною стійкістю по відношенню до сульфатної агресії в умо-вах систематичного поперемінного заморожування та від-таювання або зво-ложення та висушування. Ця головна особливість сульфатостійкого порт-ландцементу, що враховується при використанні його в бетонних та залізобе-тонних конструкціях, забезпечується застосуванням клінкеру нормованого мінералогічного складу з низьким вмістом трьохкальцієвого алюмінату С3А. Розрахунковий мінералогічний склад такого клінкеру повинен відповідати трьом умовам: 1) вміст С3А не більше 5%; 2) вміст С3S не більше 50%; 3) су-ма С3А+С4АF не більше 22%.

Поряд з сульфатостійким портландцементом, до якого не дозволяється вводити мінеральні добавки, промисловість випускає сульфатостійкий порт-ландцемент з мінеральними добавками, котрими можуть виступати грану-льовані доменні та електротермофосфорні шлаки (10...20% при вмісті Аl2О3

38

до 8% та осадові породи, крім глієжів - природно випалених глинистих порід (5...10%).

Занижений вміст С3S та С3А викликає порівняно невисокі швидкість рос-ту міцності та тепловиділення сульфатостійкого портландцементу. Для нього характерна звичайно марка М400.

В клінкері сульфатостійкого портландцементу з мінеральними добавками вміст С3S не нормується. Цей цемент випускається марок М400 та М500. Су-льфатостійкість цементів, як і ряд інших їх властивостей, покращується при введенні поверхнево-активних речовин.

П у ц о л а н о в и й п о р т л а н д ц е м е н т – гідравлічна в'яжуча речо-вина, яку отримують шляхом сумісного тонкого подрібнення клінкеру, кис-лої активної мінеральної (гідравлічної) добавки та гіпсу.

Значна кількість активних мінеральних добавок у пуцолановому цементі також, як і в шлакопортландцементі, підвищує водо- та сульфатостійкість. В пуцолановому портландцементі цьому сприяє також обмеження трьохкальці-євого алюмінату (С3А≤8%). Понижена густина пуцоланового портландцеме-нту (2,7...2,9 г/см3) призводить до підвищеного виходу з нього цементного тіста. Це, а також ущільнення цементного каменю внаслідок набухання доба-вок, забезпечує більш високу водонепроникність бетонів на пуцолановому портландцементі. По мірі розбавлення цементів мінеральними добавками знижується їх тепловиділення при твердінні та тріщиноутворення в масивно-му гідротехнічному бетоні.

Пуцолановий портландцемент при звичайних і особливо при низьких те-мпературах твердіє повільно. Ріст міцності цього цементу особливо сповіль-нюється при твердінні його на повітрі. При введенні до цементу деяких міне-ральних добавок (діатоміту, трепелу тощо) збільшуються витрати води і від-повідно цементу у бетонних сумішах. Бетони та розчини на пуцолановому портландцементі неморозостійкі. Їх недоліками також є велика усадка, низь-ка стійкість до поперемінного зволоження та висушування.

Найбільш раціональним є використання пуцоланового портландцементу для підземних та підводних конструкцій підвищеної водонепроникності та стійкості як у м'яких, так і у мінералізованих водах. Можна використовувати його і для наземних конструкцій, що знаходяться в умовах підвищеної воло-гості, але не зазнають заморожування та відтавання.

Проміжне положення між шлакопортлапрцементами і пуцолановими це-ментами займають к о м п о з и ц і й н і ц е м е н т и, в які вводять компози-цію мінеральних добавок: доменний шлак і пуцолани.

Цемент для будівельних розчинів виготовляють сумісним помелом порт-ландцементного клінкеру, активних мінеральних добавок та наповнювачів.

Вміст клінкеру повинен бути не менше, ніж 20% від маси всього в'яжучо-го. Як тонкомелені добавки - наповнювачі використовують золу - винос, ква-рцевий пісок, вапняк тощо. Випускають такий цемент марки М200.

39

У зв'язку із сповільненим твердінням цей цемент використовують, як пра-вило, при температурі повітря не нижче 10°С для виготовлення кладочних та штукатурних розчинів, а також низькомарочних бетонів, до яких не висува-ють вимог на морозостійкість.

Г л и н о з е м и с т и й ц е м е н т . Глиноземистий цемент – швидкот-вердіюча гідравлічна в’яжуча речовина, яка отримується тонким помелом клінкеру, в якому переважають низькоосновні алюмінати кальцію. Щоб отримати потрібний мінералогічний склад глиноземистого цементу, необхід-но в сировинній суміші забезпечити переважання оксидів Аl2О3 (35…50 %) і СаО (30…45 %). З цією метою як вихідні матеріали застосовують високогли-ноземисту сировину – боксити і вапняки. Подрібнюють глиноземистий це-мент до проходження через сито №008 не менше 90 % маси проби. Водопот-реба глиноземистого цементу така сама, як і в портландцементу (23…28 %), початок тужавлення наступає не раніше 30 хв. Через 5…6 год. твердіння міц-ність глиноземистого цементу досягає 30 %, а в добовому віці – 80…90 % марочної. На відміну від портландцементу і його різновидів марочна міцність глиноземистого цементу визначається не у віці 28 діб, а через 3 доби з моме-нту виготовлення зразків. Марки його М400, М500 і М600.

Глиноземистий цемент твердіє порівняно швидко не тільки при нормаль-них, але і при понижених позитивних температурах. Цьому сприяє його ви-соке тепловиділення при гідратації. Бетони на глиноземистому цементі ма-ють високу водо-, сульфато-, морозо- і жаростійкість. Глиноземистий цемент значно дорожчий від портландцементу, тому його застосовують тільки при аварійних роботах. На основі глиноземистого цементу випускають основні види розширних цементів: гіпсоглиноземистий і водонепроникний. Гіпсог-линоземистий отримують сумісним помелом клінкеру глиноземистого цеме-нту і гіпсу в співвідношенні 70:30 (по масі), а водонепроникний – сумісним помелом або змішуванням 73…76 % глиноземистого цементу, 20…22 % гіп-су і 10…11 % високоосновних гідроалюмінатів кальцію. Особливістю цього цементу е короткі строки тужавлення: початок – не раніше 4 хв., кінець – не пізніше 10 хв.

Т р а н с п о р т у в а н н я і з б е р і г а н н я в ’ я ж у ч и х м а -т е р і а л і в . В’яжучі матеріали відвантажують в клапанних паперових міш-ках або навалом в спеціальних транспортних засобах: авто- або залізничних цементовозах, критих вагонах і т.д. Цементи повинні зберігатися роздільно за видами і марками в стаціонарних або пересувних автоматизованих складах (силосах), чи в спеціальних контейнерах або бункерах, які мають пристосу-вання для прийому і видачі цементу. В паспорті на цемент, який видає завод-виробник, вказуються номер партії, повне найменування цементу і його гара-нтована марка, вид і кількість добавок, нормальна густота цементного тіста, середня активність цементу при пропарюванні та інші дані.

40

ЗМІСТОВИЙ МОДУЛЬ 1.3 Бетони та розчини

Б е т о н – штучний кам’яний матеріал, який отримують у результаті тве-

рдіння раціонально підібраної суміші в’яжучої речовини, води та заповнюва-чів. Бетон легко формується, має високу міцність та довговічність. В якості заповнювачів для нього використовуються порівняно дешеві місцеві кам’яні матеріали (до 80% маси).

Класифікація бетонів. Бетони класифікують за видом в’яжучого, густиною, структурою і круп-

ністю заповнювача та призначенням. У будівництві найбільш поширені це-ментні бетони, але застосовують також бетони на основі вапна, гіпсу, шлако-лужних та інших неорганічних та органічних в’яжучих матеріалів. В залеж-ності від густини бетони розділяють на важкі (1800-2500 кг/м3), легкі (500-1800 кг/м3), особливо важкі (більше 2500 кг/м3) та особливо легкі (менше 500 кг/м3). При максимальній крупності заповнювача менш 5 мм бетони назива-ють піщаними, менш 10 мм - дрібнозернистими, більше 10 мм – крупнозер-нистими. Розрізняють також щільні, пористі та ніздрюваті бетони. Ніздрюва-та структура утворюється при введенні в бетонну суміш піно- та газоутво-рюючих добавок, а крупнопориста – за відсутності у складі заповнювачів піску і обмеженій витраті цементу.

За призначенням бетони діляться на звичайні, гідротехнічні, дорожні, жа-ростійкі, для радіаційного захисту, кислотостійкі, декоративні та ін.

Гідротехнічний бетон в залежності від розташування у спорудах по від-ношенню до рівня води розділяється на бетон підводний, що знаходиться у воді постійно, бетон зони перемінного рівня води та надводний.

Матеріали для бетону. Будівельно-технічні властивості бетону залежать від якості вихідних ком-

понентів та їхнього співвідношення у бетонній суміші. Ц е м е н т и . При виборі цементу повинні враховуватися необхідна міц-

ність бетону та інтенсивність її зростання, агресивний вплив довкілля, конс-труктивні особливості виробів та умови проведення бетонних робіт. Витрата цементу у бетоні буде раціональною, якщо марка цементу у 1,1…1,5 раз ви-ще марки бетону. Із зменшенням цього співвідношення збільшується витрата цементу, розвиваються усадочні деформації та знижується тріщиностійкість бетону, а при збільшенні - за рахунок недостатнього вмісту цементу спосте-рігається розшарування бетонної суміші, зниження щільності бетону.

Вимоги до хіміко-мінералогічного та речовинного складу бетону обумов-лені умовами його твердіння та експлуатації. Наприклад, для виробництва збірних залізобетонних конструкцій, що твердіють при тепловологісній об-робці, ефективне застосування швидкотвердіючого портландцементу та шла-копортландцементу. У бетонах, що піддаються поперемінному заморожуван-

41

ню та відтаюванню, зволоженню та висиханню, небажано застосування це-ментів із підвищеним вмістом мінеральних добавок, а також трикальцієвого алюмінату (C3A ≤ 8 %). Для масивного гідротехнічного бетону, що вклада-ється у греблі і дамби, вимагаються низькотермічні цементи. Для гідротехні-чного бетону із покращеними властивостями застосовуються пластифіковані гідрофобні цементи. У виробництві конструкцій , як правило, віддають пере-вагу цементам із помірним або зниженим вмістом трикальцієвого алюмінату та нормальною густотою цементного тіста (23-28%), що не виявляють ознак несправжнього тужавлення.

Для замішування бетону, промивання заповнювачів та вологісного догля-ду за бетоном рекомендується застосовувати звичайну питну воду. Не допус-каються болотні та стічні води; води, забруднені шкідливими домішками (ки-слоти, солі, масла та ін.); води, що мають водневий показник рН менш 4 або вміщують більше 0,27 % сульфат-іонов.

З а п о в н ю в а ч і . Для приготування бетону застосовують дрібний та крупний заповнювачі. Дрібним заповнювачем служить пісок – природна або штучна мінеральна суміш зерен розміром від 5 до 0.16 мм. Дрібний заповню-вач призначений для зниження витрати цементного тіста, що заповнює пус-тоти між зернами крупного заповнювача, та запобігання розшаруванню бе-тонної суміші. Якість його залежить від структурно-мінералогічних особли-востей, форми і крупності зерен, вмісту різних фракцій (зернового складу), шкідливих домішок. В звичайному важкому та гідротехнічному бетоні засто-совують природні або кварцеві польовошпатні піски та піски, що одержують-ся подрібненням щільних морозостійких гірських порід до крупності не бі-льше 5 мм. Застосування пісків, що складаються із зерен осадових порід (щільних вапняків, доломіту та ін.), а також пористих вивержених порід (ту-фу, пемзи та ін.), допускається лише після проведення лабораторних дослі-джень і при техніко-економічному обгрунтуванні.

Критерієм крупності піску є м о д у л ь к р у п н о с т і , під яким розумі-ють суму повних залишків при просіюванні дрібного заповнювача на станда-ртних ситах, %, поділену на 100:

100ААААА

М 16,0315,063,025,15,2кр

++++=

П о в н и й з а л и ш о к – це сума залишків на даному і більш крупних ситах, що входять у комплект для просіювання (% від маси проби). Піски поділяють на крупні (Мкр = 3,5...2.5), середні (Мкр = 2,5...2) та дрібні (Мкр = 1,5...2).

Поряд з крупністю піску важливе значення має його порожнистість Vп, або об’єм міжзернового простору, %:

1001V 0П ⋅⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

ρρ

42

де ρ0,ρ – насипна густина і густина піску. Порожнистість піску залежить від зернового складу, який повинен відпо-

відати стандартній кривій просіювання. Крупність та зерновий склад піску у значній мірі впливають на витрату цементу у бетоні. Із зменшенням крупнос-ті та збільшенням міжзернової пустотності росте питома поверхня піску та збільшується витрата цементного тіста. При використанні дрібних пісків до-цільно застосовувати укрупнюючі добавки, наприклад крупні фракції приро-дного чи дробленого піску. Застосування дрібних пісків допускається при техніко-економічному обгрунтуванні. Водопотреба та витрата цементу при використанні дрібних пісків і пісків із несприятливим зерновим складом зро-стають на 8…20%.

Після випробувань у багатьох випадках можуть бути використані в бетоні піски з попутньо добутих порід та відходів промисловості. Подрібнені піски залежно від міцності вихідної гірської породи поділяються на чотири марки: М1000, М800, М600 та М400. Вивержені та метаморфічні гірські породи, що використовуються для виробництва подрібнених пісків, повинні мати грани-цю міцності на стиск не менше 60 МПа.

Основні властивості бетону залежать від зчеплення цементного каменя із заповнювачами, на яке впливають форма та характер їх поверхні, наявність глини та пилу, інших шкідливих домішок, хіміко-мінералогічний склад запо-внювача. Зчеплення збільшується при гострокутній формі та шорсткій повер-хні зерен, характерній, наприклад, для гірського (ярового) піску, або за раху-нок хімічної взаємодії при використанні карбонатних порід.

Глинисті та пиловидні частинки завдяки високорозвинутій поверхні сут-тєво збільшують водопотребу бетонних сумішей, обволікають зерна запов-нювачів та зменшують його зчеплення з цементним каменем. Крім того, най-більш дрібні пилуваті частинки (<0,08 мм) знижують морозостійкість бетону.

Допустимий вміст пиловидних та глинистих частинок нормується в зале-жності від виду заповнювача та призначення бетону. Для звичайного приро-днього піску він не повинен перевищувати 3%, подрібненого – 4%, для фрак-ційованих природних та подрібнених пісків – відповідно 2% та 3%. Спеціа-льні обмеження вмісту пиловидних та глинистих домішок встановлені для піску, що використовується при виготовленні бетону гідротехнічних споруд, водопропускних труб, транспортних споруд. Наприклад, для бетону зони змінного рівня води гідротехнічних споруд вміст у піску пиловидних та гли-нистих домішок не повинен перевищувати 2%, надводного бетону – 3%, під-водного бетону та бетону внутрішньої зони – 5%.

До інших шкідливих домішок в заповнювачі належать включення слюди, сірчасті та сірчанокислі сполуки, оксиди та гідроксиди заліза, мінерали, що містять аморфні різновиди кремнезему, органічні домішки тощо. Вони погі-ршують структуру бетону, негативно впливають на процес твердіння цемен-тного каменя, викликають його корозію.

43

На долю к р у п н о г о з а п о в н ю в а ч а (гравію або щебеню), що утво-рює жорсткий каркас бетону, припадає приблизно 50% від усієї його маси.

Г р а в і й – рихла осадова порода, утворена в результаті вивітрювання щільних гірських порід. Крупність зерен гравію коливається від 5 до 70 мм. Для гравію характерні окатана форма зерен і в більшості випадків підвище-ний вміст пилуватих частинок та зерен слабких порід.

Щ е б і н ь – продукт подрібнення гірських порід. Щебінь одержують та-кож з гравію, валунів, доменних, сталеплавильних та інших шлаків.

Якість крупного заповнювача, як і піску, визначається крупністю, зерно-вим складом, формою, поверхнею зерен та вмістом домішок. Суттєве значен-ня мають петрографічні особливості, міцність вихідної породи, водостійкість та морозостійкість.

Максимальний розмір крупного заповнювача не повинен перевищувати 1/4 мінімального перерізу конструкції. В залізобетонних конструкціях круп-ність заповнювача приймають меншою 2/3 відстані між стержнями арматури.

Для забезпечення оптимального зернового складу щебінь або гравій поді-ляють на окремі фракції, які потім змішують у рекомендованих співвідно-шеннях. Як правило, використовують фракції 5…10, 10…20, 20…40, 40…70 мм.

В бетоні гідротехнічних та інших масивних споруд при техніко-економічному обгрунтуванні допускається використовувати щебінь та гравій крупністю до 150 мм і більше.

Д о б а в к и д о б е т о н і в. Добавками для бетонів служать неорганіч-ні та органічні речовини або їх суміші (комплекси), за рахунок введення яких регулюються або забезпечуються спеціальні властивості бетонних сумішей та бетонів. За основним ефектом дії добавки поділяють на наступні види:

• ті, що регулюють реологічні властивості, тужавлення та порис-тість бетонних сумішей, твердіння бетону;

• ті, що надають бетону спеціальні властивості; • ті що регулюють і водночас надають різні властивості бетонним

сумішам та бетонам (поліфункціональної дії); • мінеральні порошки – замінники цементу.

Основні напрямки вдосконалення технології бетону з використанням хі-мічних добавок пов’язані зі зниженням витрат праці при виконанні робіт на заводах збірного залізобетону та у монолітному будівництві, значним скоро-ченням частки важких ручних операцій, підвищенням якості бетону, його міцності, морозостійкості, водонепроникності та корозійної стійкості, еконо-мією цементу. З допомогою добавок вдається змінювати та регулювати умо-ви та строки твердіння бетону, надавати йому нові властивості, наприклад бактерицидність, гідрофобність, здатність твердіти на морозі тощо.

Найбільш розповсюдженими є п л а с т и ф і к у ю ч і д о б а в к и та роз-роблені в кінці 70-х років с у п е р п л а с т и ф і к а т о р и (С-3, С-4, 10-03 та ін.).

44

Використання суперпластифікаторів дозволяє знижувати трудоємність формування залізобетонних виробів в 2…4 рази і бетонування монолітних конструкцій та споруд в 5…7 разів, в ряді випадків повністю виключити віб-рацію або замінити її короткочасним струшуванням, скоротити витрати па-лива та електроенергії, економити до 25% цементу.

Великі можливості регулювання водопотреби бетонної суміші за допомо-гою суперпластифікаторів і значного зниження водоцементного відношення забезпечують одержання високоміцних бетонів. Поряд з індивідуальними все більшого розповсюдження отримують к о м п л е к с н і д о б а в к и з більш універсальним ефектом.

Дисперсні мінеральні добавки (наповнювачі) поділяють на активні та іне-ртні. Інертні добавки отримують тонким подрібненням пісків, вапняків, до-ломітів, лесу та інших порід, яким не притаманна гідравлічна активність. До активних мінеральних добавок (діатомітів, трепелів, опоки, зол, гранульова-них доменних шлаків та ін.), що вводяться до бетонної суміші, висуваються ті ж вимоги, що й при отриманні портландцементу, пуцоланового та шлако-портландцементу. За тонкістю помелу вони повинні бути близькими до це-менту.

При використанні мінеральних добавок небажаним є збільшення водопо-треби бетонної суміші.

Однією з ефективних добавок, що вводяться до бетону замість частини портландцементу, є зола-винос ТЕС. Доля її може досягати 30% маси в’яжучого.

Основи технології та властивості бетонної суміші.

Під бетонною сумішшю розуміють ретельно перемішану суміш в'яжучо-го, води, заповнювачів та добавок, взятих у необхідних пропорціях.

Процес виробництва бетонної суміші складається з наступних технологі-чних операцій: підготовки матеріалів, дозування, змішування.

Підготовка матеріалів для бетонної суміші включає очищення заповню-вачів від шкідливих домішок та розподіл їх на фракції, що виконується на дробильно-сортувальних заводах. При зимовому бетонуванні використову-ють підігрівання заповнювачів та води.

Дозування сипких матеріалів виконують за масою. Пористі заповнювачі дозують за об'ємом з корекцією за масою. Похибка дозування цементу, води та добавок не повинна перевищувати ±2%, заповнювачів ±2,5%.

Основною стадією при виробництві бетонної суміші є перемішування, від ретельності якого залежать міцність та однорідність бетону. Залежно від спо-собу перемішування бетонозмішувачі бувають двох основних типів: вільного падіння та примусового перемішування.

Бетонозмішувачі вільного падіння (гравітаційні) мають барабани у вигля-ді циліндра або двох конусів, поєднаних основами. Перемішування відбува-

арки Но за ж

тю, сЖ4 31 і бжз 21...3Ж2 11..2Ж1 5...ІО

45

ється за рахунок захоплення суміші лопатями при обертанні барабану з на-ступним її вільним падінням.

Для перемішування жорстких бетонних сумішей, а також сумішей на по-ристих заповнювачах більш ефективними є змішувачі примусового перемі-шування. В них однорідність бетону підвищується за рахунок обертання ло-патей у нерухомому барабані, або у барабані, що обертається у протилежно-му напрямку.

До основних технологічних властивостей бетонної суміші відносять рух-ливість, жорсткість та розшаровуваність. Ці властивості характеризують л е г к о у к л а д а л ь н і с т ь та однорідність бетонної суміші.

Під р у х л и в і с т ю бетонної суміші розуміють її здатність розп-ливатися під дією власної маси. Характеристикою рухливості є осадка конуса (ОК) бетонної суміші, ущільненої штикуванням (рис. 2.4). Суміші, що мають осадку конусу 5...15 см, вважаються рухливими, вони легко перемішуються і вже при невеликій механічній дії заповнюють форму. При осадці конусу 1…4 см суміші малорухливі, а понад 15 см – литі.

До жорстких відносять суміші, для яких осадка конусу близька до нуля. Ж о р с т к і с т ь (Ж) характеризується часом вібрування конусу з бетонної

суміші, необхідним (при використанні спеціального приладу) для його дефо-рмації та перетворення у рівновеликий циліндр.

Одним з найважливіших факторів, що визначає показники легко-укладальності, є водовміст (В) бетонної суміші. Водопотреба бетонної сумі-ші, тобто водовміст, необхідний для досягнення потрібної рухливості та жор-сткості, залежить від типу та кількості цементу, питомої поверхні та пустот-ності заповнювачів, форми та характеру їх поверхні, співвідношення дрібно-го та крупного заповнювача, тривалості витримки суміші до її укладання, виду та вмісту пластифікуючих добавок та ін.

Рис. 2.4. Визначення рухливості бетонної суміші: а – загальний вид зрізаного конуса для дослідження; б – жорстка суміш; в – ма-лорухлива; г – рухлива; д – дуже рухлива; е – лита.

46

Рухливість та жорсткість бетонних сумішей призначаються залежно від особливостей конструкцій, щільності армування, способу транспортування та ущільнення.

Залежно від легкоукладальності бетонні суміші поділяють на марки (табл. 2.5).

Таблиця 2.5 Марки бетонної суміші за легкоукладальністю

Марки Норми

Марки Норми

за жорсткіс-тю, с

за рухливі-стю, см

за жорсткіс-тю, с

за рухливі-стю, см

Ж4 31 і більше — П1 1…4 4 і менше Ж3 21…30 — П2 — 5…9 Ж2 11…20 — П3 — 10…15 Ж1 5…10 — П4 — 16 і більше

Для тонкостінних насичених арматурою виробів потрібна більша рухли-

вість суміші, ніж для масивних малоармованих конструкцій. При використанні сучасних способів ущільнення, особливо в заводських умовах, з'являється мо-жливість підвищити жорсткість бетонних сумішей, що веде до економії це-менту і покращує ряд будівельних властивостей бетону.

Поряд з необхідною легкоукладальністю бетонних сумішей важливо за-безпечити їх однорідність, яка вимірюється ступенем розшарування сумішей при зберіганні та транспортуванні. Р о з ш а р о в у в а н і с т ь бетонних сумішей розвивається в результаті седиментаційних явищ внаслідок різної густини компонентів бетону. Застосування суміші, що розшаровується, веде до нерівномірного розподілу в бетоні заповнювачів та цементного каменю та погіршення властивостей бетону. Зменшення розшарування спостерігається при зниженні водовмісту, введенні тонкомелених мінеральних добавок, по-верхнево-активних речовин.

Бетонні суміші транспортуються на будівельні об'єкти автобето-нозмішувачами або автобетоновозами. Допускається перевезення бетонної суміші автосамоскидами.

До місця виконання робіт бетонна суміш може подаватися вантажними кранами, по лотках, стрічкових конвеєрах, трубопровідним транспортом.

Ущільнення бетонної суміші і догляд за бетоном.

Бетонну суміш вкладають у форму або опалубку із попередньо встановле-ною арматурою і закладними деталями.

Якість укладки визначається ефективністю ущільнення матеріалу по всьому об'єму, запобіганням розшаровування. Зменшення щільності бетону на 1 % веде до зниження його міцності приблизно на 5 %. Коефіцієнт ущіль-

47

нення Кущ повинен бути не меншим 0,97...0,98, а для бетону підвищеної щільності не менше 0,99:

о

ф.оущК

ρρ

= ,

де ро.ф – фактична середня густина ущільненої бетонної суміші; ро – розраху-нкова середня густина.

Ущільнення бетонних сумішей можна здійснювати вібруванням, вакуу-муванням, пневматичним бетонуванням (торкретуванням), а також прокату-ванням, пресуванням, центрифугуванням та ін.

Найбільш розповсюдженим та ефективним способом ущільнення є в і -б р у в а н н я . При цьому ущільненні використовуються вібрації з частотою від 10 до 50 Гц. Для монолітних конструкцій використовують два види вібру-вання - глибинне та поверхневе. Глибинне вібрування засноване на зануренні до суміші робочого органу вібратору, його використовують для ущільнення бетонних сумішей з осадкою конусу понад 1 см.

Поверхневе вібрування рекомендується для ущільнення бетонних пок-рить, доріг, підлог і т. д. При поверхневому вібруванні добре ущільнюється шар глибиною 20...30 см.

На заводах збірного залізобетону вироби, як правило, формують на спеці-альних віброплощадках. При формуванні виробів у нерухомих формах вико-ристовують поверхневі, глибинні та навісні вібратори. Останні прикріплю-ють до форми.

Поряд із ущільненням необхідно забезпечити і необхідний догляд за бе-тоном у період його твердіння. Сприятливий температурно-вологісний режим запобігає значним усадочним деформаціям, сприяє нормальному структуроу-творенню. В літній час поверхня свіжоукладеного бетону повинна бути за-хищена від дії сонячних променів і вітру за допомогою плівкоутворюючих матеріалів, мішковини, вологої тирси, піску та ін. В суху погоду відкриті по-верхні витримують в вологому стані до досягнення бетоном 50-70% проект-ної міцності.

Структура, твердіння і властивості бетону.

С т р у к т у р а б е т о н у. Властивості бетону у значній мірі залежать від його структури, тобто, його будови. Бетон складається із цементно-піщаного розчину, крупного заповнювача і пор різних розмірів та походження. В бето-ні можна виділити макроструктуру, що характеризує систему цементно-піщаний розчин – крупний заповнювач, мезоструктуру – структуру цемент-но-піщаного розчину і мікроструктуру – структуру цементного каменю.

Макро- мезоструктуру бетону розділяють на три види (рис. 2.5): базальну, пористу і контактну. В структурі першого виду вміст розчинної частини (або цементного тіста) значно перевищує обсяг пустот, і зерна заповнювача немов би “плавають” в матриці. При пористій структурі, яка найбільш характерна

48

для бетону, розчинна частина заповнює пори крупного заповнювач і в незна-чній мірі розсовує зерна. Нарешті, при контактній структурі прошарок цеме-нтно-піщаного розчину настільки тонкий, що його вистачає лише на часткове заповнення пор, і між зернами заповнювача створюється безпосередній кон-такт.

По мірі переходу від базальної структури до контактної зростає вплив за-повнювачів на властивості бетону. Можна виділити три основних параметри,

що характеризують цей вплив: об’ємна концентрація цементного каменю у бетоні, водоцементне відношення (особливо у кінці періоду формування структури) і ступінь гідратації цементу. За допомогою цих параметрів можна визначати обсяг і вид пор у бетоні, прогнозувати його властивості та модифі-кацію їх в часі.

В цементному камені та бетоні можна виділити три основні групи пор в залежності від походження: капілярні, гелеві та контракційні. Капілярні пори утворюються в результаті випаровування надлишкової води, об’єм якої може складати від 5 до 20% об’єму бетону. Вони мають розмір більше 0,1 мкм і разом із іншими, порівняно крупними порами і порожнинами, утвореними при розшаруванні бетонної суміші і защемленні повітря при ущільненні, знижують основні технічні властивості бетону. Найдрібніші гелеві пори утворюються внаслідок випаровування адсорбційно зв’язаної води на повер-хні продуктів гідратації цементу. Контракційні пори (10-5…10-4 см) є наслід-ком хімічної осадки, або контракції, – зменшення об’єму гідратів у порівнян-ні з сумарним вихідним об’ємом цементу і води. Особливий вид пор, запов-нених повітрям, утворюється в цементному камені при введенні поверхнево-активних речовин. Ці пори, також як і контракційні, при заповненні їх повіт-рям позитивно позначаються на морозостійкості бетону. Вони служать немов би резервними ємностями, куди відтісняється вода при замерзанні.

Т в е р д і н н я і м і ц н і с т ь б е т о н у . Твердіння бетону супро-воджується комплексом фізичних і хімічних процесів, в результаті яких фор-

Рис. 2.5. Схема макроструктур бетону а – с базальною цементацією; б – порова; в – контактна

49

муються певна структура і властивості бетону. Найважливішою для бетону властивістю є міцність, яка головним чином залежить від активності цементу (Rц) і водоцементного (В/Ц) або цементно-водного (Ц/В) відношення. Із під-вищенням активності цементу і цементно-водного відношення при належно-му ущільненні міцність бетону зростає практично лінійно. Ця найважливіша у технології бетону залежність виражається формулою:

,СВЦАRR Цб ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

де А, С - емпіричні коефіціє-нти, що враховують вплив якості заповнювачів та інших факторів (в середньому А = 0,6, С = 0,5).

З формули слідує, що при постійних матеріалах, техно-логії виготовлення та умовах твердіння міцність бетону визначається цементно-водним відношенням, тобто відношенням маси цементу до маси води у бетонній су-міші. Ця закономірність є наслідком залежності міцно-сті бетону від пористості: із

збільшенням Ц/В (зменшенням В/Ц) зменшується кількість надлишкової во-ди, що не вступає у взаємодію із цементом, і зменшується пористість бетону (рис. 2.6). На практиці фактичне значення міцності може відхилятися від ви-значеного по формулі, наведеної вище. Це пояснюється тим, що в дійсності міцність бетону залежить, хоч і в меншій мірі, ніж від Rц і Ц/В, від ряду ін-ших факторів: виду цементу, властивостей заповнювачів та ін. Міцність бе-тону збільшується із часом в залежності від виду цементу і складу бетону. Приблизно зростання міцності через n діб (n>3) можна прогнозувати за до-помогою формули

.28lgnlgRR 28

бnб =

Зростання міцності бетону з часом визначається також температурно-вологісними умовами твердіння. Для нормального твердіння необхідно збері-гати достатню вологість бетону. З підвищенням температури при необхідній вологості в результаті прискорення хімічних процесів взаємодії цементу з водою твердіння бетону прискорюється. Найбільш розповсюдженим спосо-бом прискорення твердіння бетону є пропарювання при температурі до 1000ºС. Рідше використовують електропрогрівання, автоклавне твердіння та

Рис. 2.6. Залежність міцності бетону від водоцеме-нтного відношення

50

інші способи термічної обробки. З пониженням температури, і особливо з наближенням її до 0°С, твердіння бетону різко сповільнюється, а в області від'ємних температур не відбувається взагалі, що пояснюється замерзанням води замішування і припиненням процесів гідратації цементу. При зимовому бетонуванні використовується ряд спеціальних технологічних прийомів, які забезпечують твердіння за рахунок тепла, що виділяється при гідратації це-менту (спосіб термоса), при пропусканні електричного струму (електропро-грівання) або внаслідок зниження температури замерзання води при введенні спеціальних добавок та ін.

Основною властивістю бетону як конструкційного матеріалу є міцність. Границю міцності знаходять випробуванням контрольних зразків, виготовле-них із суміші заданого складу або висвердлених з бетонної споруди. При ви-пробуванні на границю міцності при стиску використовують зразки-куби (рідше циліндри) з розміром ребра від 30 до 7 см в залежності від крупності заповнювача, що використовується. Еталонними є зразки-куби з розмірами ребра 15 см. Для зразків-кубів з розмірами ребер 7; 10; 15; 20; 30 см масшта-бні коефіцієнти приймають відповідно рівними 0,85; 0,91; 1,0; 1,05 та 1,1.

Основними показниками міцності бетону, що нормується, є його клас, тобто міцність (в МПа), яка приймається з гарантованою забезпеченістю. Встановлена, як правило, забезпеченість міцності 0,95 означає, що границя міцності бетону, яка відповідає чисельному значенню класу, досягається не менше ніж у 95 випадків із 100.

Для важкого бетону стандартизовані класи: • за міцністю на стиск: В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В22,5;

В25; В30; В35; В37,5; В40; В45; В50; В55; В60; • за міцністю на осьовий розтяг: Вt0,8; Вt1,2; Вt2; Вt2,4; Вt2,8; Вt3,2.

За чисельним значенням марки бетону з урахуванням коефіцієнта варіації (мінливості) визначають його клас за міцністю.

Між класом бетону В та середньою міцністю партії, що контролюється, існує залежність:

( )VС64,11RВ −= де СV - коефіцієнт варіації міцності бетону.

Коефіцієнт варіації міцності бетону знаходять за формулою:

RSСV =

де S - середнє квадратичне відхилення для партії бетону; R - середня міц-ність бетону в партії, тобто середнє арифметичне одиничних результатів.

Для переходу від класу бетону до середньої міцності при нормативному коефіцієнті варіації 13,5% (який приймається при проектуванні конструкцій з

51

важкого та легкого бетонів) можна використовувати формулу 778,0/ВR = , де В – чисельне значення класу бетону.

Інтервал часу (вік бетону), через який визначається марка та клас, зале-жить від виду бетону та ряду виробничих умов. Його приймають, як правило, рівним 28 діб нормального твердіння, тобто при температурі (20±2)0С та від-носній вологості повітря не нижче 90%. В разі необхідності вік бетону може бути збільшений до 90 або 180 діб, що сприяє економії цементу.

Д о в г о в і ч н і с т ь б е т о н у . Основними природними і експлуатаційними факторами, агресивно дію-

чими на бетон споруд, є: багатократне поперемінне заморожування і відтаю-вання, зволоження і висушування; хімічна дія мінералізованих грунтових і поливних вод; механічний вплив донних і зважених наносів і льоду, та інш.

В залежності від умов роботи у спорудах до бетону ставляться спеціальні вимоги по морозостійкості, водонепроникності, водостійкості, зносостійкості.

М о р о з о с т і й к і с т ь бетону характеризується найбільшим числом циклів поперемінного заморожування і відтаювання, що спроможні витрима-ти зразки проектного віку без зниження міцності більш ніж на 5%, і призна-чається в залежності від кліматичних умов району будівництва з урахуван-ням особливостей експлуатації конструкцій (табл. 2.6). Для важкого гідроте-хнічного бетону звичайно призначаються проектні марки бетону по морозос-тійкості: 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500.

Таблиця 2.6 Марки бетону по морозостійкості

Кліматичні умови Найбільше число циклів до 50 50-75 75-100 100-150 150-200

Помірні (від 0 до -10°С) 50 100 150 200 300

Суворі (від -10 до -20 °С) 100 150 200 300 400

Примітка. При числі циклів понад 200 і середньомісячній температурі найбільш холо-дного місяця нижче -200С марка бетону по морозостійкості обгрунтовується особли-во. Можливі і більш високі марки бетону за морозостійкістю.

Морозостійкість залежить насамперед від співвідношення в бетоні обсягу умовно-замкнутих і відкритих пор. Умовно-замкнуті пори заповнені повіт-рям. При замерзанні води у бетоні вони є резервними і послаблюють тиск льоду. Резервні пори утворюються в бетоні в результаті хімічної усадки при твердінні (контракції) і при введенні спеціальних добавок, що сприяють втя-гненню в бетонну суміш бульбашок повітря або виділенню газу. Відкриті пори – результат наявності в бетоні надлишкової, тобто не вступившої у хіміч-ну взаємодію з цементом води, і недоущільнення бетонної суміші. Високою морозостійкістю буде володіти бетон, об’єм резервних пор якого в одиниці

52

об’єму більше можливого приросту об’єму води, що наповняє відкриті пори, при переході її в стан льоду. Такий приріст об’єму становить приблизно 8%.

На практиці морозостійкість бетону підвищують, зменшуючи В/Ц (В/Ц ≤ 0,6) і вводячи повітрявтягуючі добавки. Для морозостійких бетонів необхідно також застосовувати портландцемент із зниженим вмістом трика-льцієвого алюмінату (< 8 %) і активних мінеральних добавок, а також моро-зостійкі заповнювачі.

В о д о н е п р о н и к н і с т ь б е т о н у характеризується найбільшим тиском, при якому не спостерігається просочування води крізь зразки. Для бетонних конструкцій товщиною 150 мм і більше водонепроникність визна-чають на зразках-циліндрах діаметром і висотою 150 см. Для бетонних тон-костінних конструкцій водонепроникність рекомендується визначати на зра-зках-плитках розмірами 10×10, 15×15 або 20×20 см і товщиною, рівній тов-щині конструкції або гідроізолюючого шару.

Марка по водонепроникності призначається в залежності від напірного градієнта (відношення максимального напору води до товщини конструкції) і характеру призначення конструкції.

При напірному градієнті до 5 рекомендується марка В4, від 5 до 10 – В6, від 10 до 12 – В8, 12 і більше – В12. Інтенсивність фільтрації води оцінюється коефіцієнтом фільтрації

,PS

Qkk Пф Δτ

δη

⋅⋅

⋅=

де Q – кількість фільтрату, см3; δ – товщина зразка, см; η – коефіцієнт, що враховує в’язкість води при різній температурі; S – площа зразка, см2, τ - час випробування зразка, с; ΔР – різниця тиску води на вході і виході зразка, МПа; kп – коефіцієнт, що залежить від діаметру зразка.

Основними шляхами фільтрації води є капілярні пори, і особливо седиме-нтаційнні капіляри, що утворюються в результаті розшарування бетонної суміші. Висока водонепроникність досягається зниженням В/Ц, застосуван-ням розширних, пластифікованих і гідрофобних цементів, а також пуцолано-вого і шлакопортландцементу. При достатній вологості середовища водонеп-роникність істотно збільшується по мірі збільшення тривалості тверднення за рахунок зменшення обсягу пор при гідратації цементу. Вона зростає в 2-3 рази від 28- до 90-добового віку.

М о д у л ь п р у ж н о с т і виражається відношенням напруження у бетоні до пружної деформації: при зростанні класу бетону від В7.5 до В22.5 модуль збільшується приблизно від 2.25⋅104 до 3⋅104 МПа.

У с а д к а б е т о н у відбувається головним чином за рахунок випаро-вування надлишку води замішування при висушуванні. Для бетонів вона коливається від 0.2 до 0.4 мм/м до річного віку і росте із збільшенням В/Ц, витрати цементу і при введенні активних мінеральних добавок. Для гідротех-нічного бетону лінійна усадка при відносній вологості 60% і температурі

53

18°С не повинна перевищувати у віці 28 діб – 0.3 мм/м, 180 діб – 0.7 мм/м початкової довжини зразків.

Проектування складу бетону.

При визначенні складу бетону встановлюють вид матеріалів та їхнє спів-відношення в 1 м3 бетонної суміші, що дозволяє забезпечити властивості, які вимагаються, при мінімальній витраті цементу чи мінімальній вартості. При проектуванні складу бетону встановлюють також технологічні параметри, від яких залежать властивості бетону (вік бетону, режим термічної обробки), вибирають вихідні матеріали і визначають їх витрату на 1 м3 суміші.

Вимоги до бетону визначаються проектною документацією. Головним з них є проектний клас бетону, що встановлює необхідну міцність бетону при стиску у 28-добовому або іншому віці. Проектний клас бетону визначається в результаті розрахунку конструкції і техніко-економічного обґрунтування. Для бетону, що підлягає термічній обробці, нормується також відпускна міц-ність, рівна 50, 70 чи більше відсотків проектної.

До гідротехнічного бетону у відповідності із умовами експлуатації пред’являються додаткові вимоги по морозостійкості, водонепроникності та ін.

Виходячи з особливостей конструкцій і способу їхнього виготовлення, вибирається також рухливість або жорсткість бетонної суміші. Підвищення рухливості бетонної суміші знижує витрати при ущільненні, однак якщо воно здійснюється за рахунок збільшення витрати води, то це викликає перевитра-ту цементу та погіршення властивостей бетону. Ефективніше підвищувати рухливість суміші за рахунок введення пластифікуючих добавок. При виборі вихідних матеріалів слід враховувати, по-перше, їх якісні особливості і, по-друге, вартість бетону при їхньому використанні.

Уточнивши вимоги до бетону і вибравши вихідні матеріали, експеримен-тальними і розрахунково-експериментальними методами встановлюють склад бетонної суміші.

Попередній розрахунок складу бетонної суміші полягає у послідовному визначенні необхідних значень цементно-водного відношення, витрати води, щебеню та піску.

Необхідне Ц/В або В/Ц може бути знайдене з формули

,5,0ВЦARR Цб ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

де Rб - проектна марка бетону в 28-добовому віці; Rц – активність цементу; А - коефіцієнт якості вихідних матеріалів;

.AR

AR5,0RВЦ

Ц

Цб +=

54

При Rб < 2Rц (Ц/В > 2,5) застосовують формулу

.5,0ВЦRAR Ц1б ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

Для матеріалів високої якості А = 0,65; A1 = 0,43, рядових – А = 0,6; A1 = 0,4; задовільної якості – А = 0,55; A1 = 0, 37.

Для гідротехнічного бетону граничні значення водоцементного відношен-ня повинно бути не вище наведених у табл. 2.7.

Витрату води визначають по графічним або табличним довідковим даним в залежності від необхідної рухливості та особливостей матеріалів, що вико-ристовуються.

Витрату цементу встановлюють за формулою Ц = В(Ц/В). Мінімальна витрата цементу з умови одержання бетонної суміші, що не

розшаровується, приймається з табл. 2.8. Таблиця 2.7

Максимально допустимі значення В/Ц

Зони спорудження

Немасивні залізобе-тонні конструкції у

воді

Зовнішня зона маси-вних конструкцій у

воді морській прісній морській прісній

Бетон надводних частин конструк-цій, епізодично омиваємий водою 0,55 0,60 0,65 0,65

Бетон підводний для конструкцій: напірних безнапірних

0,55 0,60

0,58 0,62

0,56 0,62

0,58 0,62

Бетон зони поперемінного рівня води в умовах: особливо сурових сурових помірних

0,42 0,45 0,50

0,47 0,50 0,55

0,45 0,47 0,55

0,48 0,52 0,58

Бетон внутрішньої зони Встановлюється експериментально, але не більше 0,75

Таблиця 2.8 Мінімальна витрата цементу в бетоні, кг/м3

Консистенція суміші Гранична крупність за-повнювача, мм

10 20 40 70 Особливо жорстка, Ж > 200 с 160 150 140 130 Жорстка, Ж=30...200 с 180 160 150 140 Малорухлива, ОК=1...З см, Ж=15...25 с 200 180 160 150 рухлива, ОК=4...15 см 220 200 180 160 Лита, ОК>15 см 250 220 200 180

55

Довести витрату цементу до мінімально необхідної можна за допомогою тонкомелених мінеральних добавок (золи-виносу, шлаків та ін.).

Витрати піску і крупного заповнювача визначають за формулами, отри-маними при розв’язанні системи рівнянь:

,ЩVВПЦ

,1000ВЩПЦ

Щ0

ПЩ

ВПЦ

ВЩПЦ

ρα=

ρ+

ρ+

ρ

=ρ

+ρ

+ρ

+ρ

де Ц, П, Щ, В – витрати відповідно цементу, піску, щебеню (гравію) та води, кг; ρц, ρп, ρщ, ρв – їхні густини, кг/л (ρц = 3,1; ρп, ρщ ≈ 2,65; ρв = 1 кг/л); α – коефіцієнт розсуву зерен щебеню (гравію) розчином; ρо.щ., ϑп

щ – насипна гус-тина щебеню (гравію) та його пустотність:

.VЩ

Щ.0ЩПЩ ρ

ρ−ρ=

Перше рівняння системи означає, що сума абсолютних об’ємів вихідних компонентів в 1 м3 ущільненої бетонної суміші близька до 1000 л, друге – що об’єм цементно-піщаного розчину витрачається на заповнення пустот між зернами крупного заповнювача з врахуванням їхнього деякого розсуву.

Коефіцієнт розсуву α приймається за даними табл. 2.9. Витрати крупного заповнювача і піску визначаються за формулами

.ВЩЦ1000П

1V

1000Щ

ПВЩЦ

ЩЩ0

ПЩ

ρ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

ρ+

ρ+

ρ−=

ρ+

ρα

=

Таблиця 2.9 Коефіцієнт розсуву α для пластичних бетонних сумішей

Витрата цементу, кг/м3 B/Ц 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

250 300 350 400

⎯ ⎯

1,32 1,40

⎯ 1.30 1,38 1,46

1,26 1,36 1,44 ⎯

1,32 1,42 ⎯ ⎯

1,38 ⎯ ⎯ ⎯

Примітки: 1. Таблиця складена для пісків із водопотребою Вп = 7 %. При збільшенні Вп на кожний процент α зменшується на 0,03, а при зменшенні –

56

зростає на 0,03. 2. Для жорстких бетонних сумішей (Ц < 400 кг/м3) α = 1,05…1,15.

Розрахунковий склад бетонної суміші уточнюють експериментально на пробних замісах, доводячи рухливість бетонної суміші до необхідної при збереженні незмінним В/Ц. Після коректування співвідношення компонентів визначають фактичний об’єм замісу

.Ф.0

i.З.Ф

mV

ρ∑=

де Σmi – загальна маса матеріалів, що витратилися на заміс; ρ0.Ф - фактична густина ущільненої бетонної суміші, що визначається зважуванням зразка.

Після цього перераховують склад. Основні різновиди бетонів.

Л е г к і б е т о н и. Бетони цього виду одержують, застосовуючи природ-ні або штучні пористі заповнювачі з густиною щебеню чи гравію не більше 1000 кг/м3 і піску – 1200 кг/м3. До природних пористих заповнювачів відно-сяться продукти подрібнення вулканічних (пемза, туф та ін.) або легких оса-дових порід (вапняк-черепашник, опока, діатоміт та ін.). Штучні пористі за-повнювачі одержують спучуванням при випалюванні легкоплавких глин (ке-рамзит) або деяких вулканічних порід (перліт, вермикуліт) та шлакових розп-лавів (шлакова пемза), а також спіканням суглинків з додаванням 8…10% кам’яного вугілля на агломераційних машинах (аглопорит). Заповнювачами легких бетонів служать золи, щебінь та пісок з паливних шлаків, зольний аглопорит, випалений або не випалений гравій та інші продукти з промисло-вих відходів.

При виборі крупного пористого заповнювача враховують встановлену гу-стину легкого бетону. Так, для щільних легких бетонів із густиною до 800 кг/м3 відношення насипної щільності крупного пористого заповнювача до густини висушеного бетону складає 0,4; 900...1100 кг/м3 – 0,45; 1200...1400 кг/м3 – 0,5; 1500...1800 кг/м3 – 0,55.

Найкращі показники легких бетонів забезпечуються при використанні за-повнювачів із дрібнопористою структурою, найменшим коефіцієнтом форми (відношення найбільшого розміру до найменшого) та мінімальним вмістом слабких зерен. Для одержання довговічних легких бетонів морозостійкість крупних пористих заповнювачів повинна бути не менше 15 циклів при втраті маси 8…10%, а коефіцієнт розм’якшення – не менше 0,8.

При проектуванні складу легких бетонів визначаються витрати матеріалів, Легкобетонні суміші характеризуються відносно високою жорсткістю і

меншою зручновкладеністю, що викликане частковим відсосом води порис-тими заповнювачами. Це послабляє негативний вплив надлишку води і спри-яє самоущільненню легкого бетону. Підвищений водовміст суміші менш від-

57

бивається на властивостях легкого бетону, ніж на звичайному важкому бето-ні.

Легкі бетонні суміші характеризуються підвищеною здатністю до розша-рування. Це викликане розбіжністю густин складових, а також підвищеним водоцементним відношенням. Легкі зерна пористих заповнювачів при пере-мішуванні бетону в змішувачах вільного падіння спливають, що порушує однорідність суміші. Тому їх перемішують примусовим способом. Розшаро-ваність може з’являтись також при транспортуванні сумішей, великій висоті падіння у форму або опалубку. Розшарованості можна уникнути правильним підбором складу бетону, введенням добавок-пластифікаторів, збільшенням витрати піску та вмісту цементного тіста.

Одним з критеріїв ефективності легких бетонів є коефіцієнт конструктив-ної якості – відношення границі міцності бетону при стиску до його густини.

Межа міцності на стиск та густина легкого бетону визначаються на одних тих самих зразках, які мають форму куба розмірами 150×150×150 мм. По ре-зультатах визначення границі міцності на стиск встановлюють класи легких бетонів за міцністю. Міцність легких бетонів визначається активністю цемен-ту, водоцементним відношенням, міцністю заповнювачів, умовами приготу-вання, ущільнення і твердіння. Характерною особливістю легких бетонів (особливо на пористих пісках) є підвищена міцність при розтязі. Цьому спри-яє розвинена поверхня заповнювачів, що викликає добре зчеплення із цемен-тним каменем. Відношення Rp/Rст для важких бетонів становить 0,05…0,1, а для легких 0,06…0,17.

Загальна усадка легких бетонів на 15…30 % вище усадки важких бетонів. Усадочні деформації знижуються при застосуванні якісних заповнювачів, зменшенні витрати цементу і водовмісту. Морозостійкість легких бетонів звичайно знаходиться в інтервалі від 10 до 200 циклів поперемінного замо-рожування та відтаювання. При введенні добавок поверхнево-активних речо-вин і високій міцності марку по морозостійкості можна довести до 300 і бі-льше.

Легкі бетони мають водонепроникність не нижче, а в ряді випадків вище, ніж важкі бетони.

К р у п н о п о р и с т і б е т о н и . Ці бетони не містять дрібного запо-внювача і мають обмежену витрату цементу, достатню лише для покриття зерен гравію або щебеню тонким шаром цементного тіста. Вони виготовля-ються із застосуванням як важких, так і легких заповнювачів, здебільшого однофракційних, округлої форми, по технології, що не допускає розшаруван-ня суміші (перемішування в бетонозмішувачах примусової дії не менше 3…5 хв., короткочасне вібрування). Густина такого бетону коливається від 400 до 2000 кг/м3, теплопровідність - від 0,26 до 0,99 Вт/(м⋅0С). Марки крупнопорис-того бетону за міцністю на стиск: 15, 25, 35, 50, 75 і 100, морозостійкість до-сягає 100 циклів, коефіцієнт фільтрації коливається в залежності від зерново-го складу та крупності заповнювачів від 0,2 до 2,5 см/с. Властивості крупно-

58

пористого бетону на звичайному щебені або гравію дозволяють застосовува-ти його в якості стінового матеріалу.

Задовільні фільтраційні характеристики крупнопористого бетону дозво-ляють застосовувати його при влаштуванні дренажів та фільтрів; вони раціо-нальніші і економніші у порівнянні з дренажами, виготовленими з інших ма-теріалів. Матеріали для влаштування крупнопористих бетонних дренажів і фільтрів повинні бути стійкими до поперемінного заморожування і відтаю-вання, зволоження і висихання. Такими матеріалами є сульфатостійкий порт-ландцемент, а також цемент з добавками ПАР.

Крупнопористий бетон застосовують для виготовлення плит кріплення ві-дкосів осушуючих каналів, трубофільтрів для закритого дренажу, водозабір-них приладів, водоочисних та інших фільтрів.

Д р і б н о з е р н и с т і б е т о н и . Це бетони, що не містять крупного заповнювача, наприклад піщаний бетон. Для них характерні висока однорід-ність, підвищена міцність при розтязі, морозостійкість і водонепроникність. Велика питома поверхня заповнювачів і їх міжзернова пустотність виклика-ють збільшення водопотреби бетонної суміші. Витрата цементу в дрібнозер-нистих бетонах на 20-40% вище, ніж у звичайних. Властивості дрібнозернис-тих бетонів в більшій мірі, ніж звичайних, залежать від водоцементного від-ношення, зернового складу, крупності та інших особливостей піску. Для дрі-бнозернистих бетонів характерне підвищене повітрявтягування при вібру-ванні, тому важливо забезпечити хороше їх ущільнення. Дрібнозернисті бе-тони можна застосовувати у будівництві для тонкостінних конструкцій за відсутності кондиційних крупних заповнювачів.

Г і д р о т е х н і ч н и й б е т о н . Гідротехнічний бетон застосовують для виготовлення конструкцій та зведення споруд, які постійно або періоди-чно перебувають у воді.

Залежно від розташування гідротехнічного бетону в споруді по відношен-ню до рівня води він розділяється на підводний (перебуває у воді постійно), зон змінного рівня води, надводний. Бетон в підземних гідротехнічних спо-рудах розглядають як підводний. Гідротехнічні бетони поділяються також на масивні та немасивні. Масивні бетони використовують переважно при будів-ництві гребель.

Масивні конструкції потребують спеціальних заходів для регулювання температурних напруг, що виникають при виділенні теплоти в бетоні.

Вимоги до гідротехнічних бетонів ставляться диференційовано з ураху-ванням зонального розподілу бетону в конструкціях.

Особливо жорстким є комплекс вимог, який ставиться до бетону для зони змінного рівня води та надводних зон зовнішніх частин масивних споруд.

Для бетону сучасних гідротехнічних споруд основними показниками міц-ності є значення міцності на стиск та розтяг. Границя міцності бетону визна-чається у віці 28, 60 або 180 діб залежно від строків будівництва.

59

Для гідротехнічних бетонів найважливішими властивостями, що вплива-ють на довговічність, є морозостійкість, водонепроникність, стійкість до хімічної корозії у водному середовищі.

Д о р о ж н і й б е т о н . Дорожній бетон відрізняється від звичайного високою міцністю на розтяг та стиск, підвищеною деформативністю, морозо-стійкістю. При цьому велике значення має опір розтягу при згині.

Залежно від призначення дорожній бетон поділяють на бетон для одно- та двошарових покрить, а також для основ вдосконалених покрить. Класи до-рожнього бетону за границею міцності на стиск В5...В40, нормуються також показники границі міцності на розтяг при згині від 1,5 до 5,5 МПа.

Вимоги до дорожнього бетону зумовлені складними умовами його служ-би в покриттях: діями статичних та динамічних транспортних навантажень, змінної вологості та температури тощо.

Час транспортування бетонної суміші до місця укладки не повинен пере-вищувати: при температурі повітря від +20 до +30°С – 30 хвилин при темпе-ратурі повітря нижче + 20°С – 1 год. Бетонну суміш при температурі повітря вище +30°С транспортують та укладають відповідно із спеціальними техніч-ними вказівками.

Л и т і б е т о н и . До литих бетонів відносять бетони, одержані з сумі-шей, що укладаються без механічної обробки під дією власної ваги.

Литі бетонні суміші мають високу рухливість (ОК = 15...20 мм), здатність вільно текти та безперешкодно обтікати арматуру, проходки та закладні час-тини і повністю заповнювати складні конфігурації конструкції.

Одержання литих бетонів, що задовольняють вказаним властивостям, в умовах виробництва технологічно складніше ніж приготування звичайних бетонів нормальної консистенції. Литі бетони потребують підвищеної витра-ти цементу (порівняно з середньопластичними), здатні до водовідділення та розшарування. Тому для забезпечення зв'язності литої бетонної суміші реко-мендується вводити спеціальні водоутримуючі добавки (бентонітові глини, кремнегель). Особливо ефективним є введення до литих бетонних сумішей золи-виносу ТЕС.

Ефективним різновидом бетонів є литий бетон з помірним водовмістом, що досягається при введенні суперпластифікаторів або пластифікаторів під-вищеної ефективності, наприклад, модифікованих ЛСТ.

В и с о к о м і ц н і б е т о н и , б е т о н о п о л і м е р и т а ф і б -р о б е т о н и . До високоміцних належать бетони з границею міцності на стиск не менше 50 МПа. Обґрунтована можливість отримання бетонів з гра-ницею міцності на стиск у віці 28 діб до 100 МПа і більше. Міцність високо-міцних бетонів, як правило, дорівнює або перевищує активність вихідного цементу. Основними умовами отримання високоміцних бетонів є застосуван-ня високомарочних цементів, низьких водоцементних відношень, що знахо-

60

дяться в інтервалі 0,25...0,40, використання жорстких бетонних сумішей або введення добавок-суперпластифікаторів.

До ефективних сучасних напрямків виробництва високоміцних бетонів поряд з використанням суперпластифікаторів відносяться застосування в'я-жучих низької водопотреби (ВНВ), високодисперсних кремнеземистих напо-внювачів.

Використання високоміцних бетонів дозволяє суттєво зменшити об'єм бе-тону і скоротити витрату арматурної сталі в залізобетонних конструкціях. Зменшення розмірів перерізу дає можливість виготовляти конструкції під різні навантаження в формах одного типорозміру, що веде до скорочення парку форм.

При одержанні б е т о н о п о л і м е р н и х виробів бетонні вироби ви-сушують, вакуумують та просочують малов'язкими рідкими мономерами (метилметакрилат, стирол тощо), які потім полімеризують безпосередньо в бетоні за допомогою радіаційного або термокаталітичного способів. При цьому в декілька разів зростає міцність бетону, особливо на розтяг та згин, водонепроникність та морозостійкість, стійкість до агресивних середовищ, стійкість при стиранні, в десятки разів зменшується повзучість бетону.

До перспективних видів бетону належать ф і б р о б е т о н и – бетони армовані дисперсними волокнами (фібрами): стальними, базальтовими, скля-ними, поліпропіленовими, азбестовими та ін. ЦІ бетони мають порівняно із звичайними підвищену міцність на розтяг, більш високу ударну та тріщино-стійкість. Введення фібрової арматури в кількості 1,5...2% (за об'ємом) з від-носною довжиною, що дорівнює 100 діаметрам, підвищує порівняно з неар-мованим міцність бетону на розтяг в 2...4 рази і на стиск в 1,2...1,6 разів, уда-рну стійкість, водо-, газо- та нафтонепроникність в 10...100 разів, зменшує стиранність в 2,5...4 рази.

Ж а р о с т і й к і б е т о н и . Для футерування топок, газоходів, димо-вих труб при будівництві теплових електростанцій, в елементах захисних стін, перекриттів АЕС та інших конструкцій, що нагріваються, застосовують жаростійкі бетони. Звичайний важкий цементний бетон, придатний для виго-товлення будівельних конструкцій, що зазнають тривалий вплив температури лише до 200°С.

За граничне допустимою температурою використання жаростійкі бетони поділяються на класи: 300, 600°С і т.д.

В жаростійких бетонах можуть використовуватися як гідравлічні (порт-ландцемент, шлакопортландцемент, глиноземистий цемент), так і повітряні (каустичний магнезит, рідке скло) мінеральні в'яжучі. Цементний камінь на-буває жаротривких властивостей завдяки введенню до нього різних тонкоме-лених мінеральних добавок, стійких до дії високих температур та зв'язуючих вільний оксид кальцію. Такими добавками служать зола-унос, молота цегла, доменний, паливний шлаки та ін.

61

В бетонах, що працюють при температурах до 700°С, можуть бути вико-ристані заповнювачі з базальту, андезиту, туфів та інших вилитих вулканіч-них порід, які не містять вільного кварцу. Найбільшого розповсюдження як заповнювач для жаростійких бетонів до 1300°С, має шамот - продукт випа-лювання вогнетривких глин.

Для одержання бетонів вищої вогнетривкості використовують магнезито-ві, хромітові, корундові та інші заповнювачі.

Д е к о р а т и в н і б е т о н и . До декоративних належать бетони, що мають архітектурну виразність та використовуються для оздоблювальних робіт. Їх виготовляють з використанням як білих та кольорових, так і звичай-них цементів, а також заповнювачів, що дозволяють імітувати різні природні кам'яні матеріали та одержувати виразну декоративну фактуру.

В кольорових бетонах забарвлення цементів досягають введенням лужно-стійких пігментів. Цементи світлих тонів отримують змішуванням звичайно-го портландцементу з розбілюючими мінеральними добавками (крейдою, меленим вапняком, мармуром та ін.).

Б е т о н и д л я з а х и с т у в і д р а д і о а к т и в н и х в и -п р о м і н ю в а н ь . Серед усіх радіоактивних випромінювань найбільшу проникноздатність мають γ-випромінення та нейтрони. Здатність матеріалу поглинати випромінювання пропорційна його щільності. Для послаблення потоку нейтронів в матеріалі, навпаки, повинні бути присутні елементи з ма-лою атомною масою, як, наприклад, водень. Бетон є ефективним матеріалом для біологічного захисту ядерних реакторів, оскільки в ньому вдало поєдну-ються при порівняно низькій вартості висока щільність та вміст певної кіль-кості водню у хімічно зв'язаній воді. Для зменшення товщини захисних екра-нів атомних електростанцій та підприємств по виробництву ізотопів поряд із звичайним використовують особливо важкі бетони з середньою густиною від 2500 до 2700 кг/м3 та гідратні бетони з високим вмістом хімічно зв'язаної во-ди. З цією метою використовують важкі природні або штучні заповнювачі: магнезитові, гематитові або лімонітові залізні руди, барит, механічний скрап, свинцевий дріб та ін. Для отримання гідратних бетонів ефективним є лімоніт, серпентиніт та інші матеріали, що мають поряд з високою щільністю значний вміст хімічно зв'язаної води. В гідратних бетонах можна використовувати також глиноземисті цементи, що зв'язують більшу кількість води, ніж портландцемент.

Будівельні розчини.

Б у д і в е л ь н и м и р о з ч и н а м и називають матеріали, отримані в результаті твердіння раціонально підібраної суміші неорганічного в’яжучого, дрібного заповнювача, води і необхідних добавок. Розчини призначені для кладочних, штукатурних та спеціальних (ізоляційних, антикорозійних та ін.) робіт. Розчини класифікують за густиною в сухому стані на важкі (ρ0 > 1500 кг/м3) та легкі (ρ0 < 1500 кг/м3), виду в’яжучих - на цементні, вап-

62

няні, гіпсові та змішані (цементно-вапняні, вапняно-гіпсові та ін.), призна-ченню – на кладочні, опоряджувальні та спеціальні.

В и р о б н и ц т в о і в л а с т и в о с т і р о з ч и н і в . Будівельні розчини виготовляються на пересувних або стаціонарних роз-

чинозмішувальних вузлах у виді готових сумішей необхідної рухливості або сухих сумішей, що замішуються водою перед застосуванням. До змішування компонентів виконують підготовчі операції (відсіювання крупних включень, підігрів піску у зимовий час та ін.) і дозування. Для перемішування розчинів застосовують змішувачі примусової дії.

Основними властивостями розчинів є рухливість і водоутримуюча здат-ність.

Рухливість розчинів визначають глибиною занурення (у сантиметрах) стандартного конуса Стройцніла. Для цегляної кладки застосовують розчини з рухливістю 9…13 см, для заповнення швів при монтажі стін з панелей та блоків – 5…7 см, для бутової кладки – 4…6 см. Рухливість розчинів так, як і бетонних сумішей, залежить від вмісту води, в’яжучого, крупності піску та ін. Рухливість підвищується введенням неорганічних (вапняного, глиняного тіста) або органічних (лігносульфонатів, підмильного лугу, милонафту та ін.) пластифікаторів.

Водоутримуюча спроможність розчинів визначає їхній опір розшаруван-ню при транспортуванні і відсмоктуванні води пористою основою. Вона під-вищується із збільшенням витрати цементу, при заміні його вапном, введенні тонкодисперсних добавок (золи, глини та ін.) і поверхнево-активних речовин.

Для розчинів встановлені марки по міцності на стиск, МПа (×10): 4, 10, 25, 50, 75, 100, 150, 200 та 300 і морозостійкості, цикли: 10, 15, 25, 35, 50, 100, 150, 200 та 300. Марку розчину по міцності встановлюють випробуванням зразків-кубів із довжиною ребра 7,07 см або зразків-балочок розміром 4×4×16 см через 28 діб їх твердіння при температурі (20±3)0С. Для моделювання умов твердіння розчинів в кладці зразки встановлюють на пористу основу, якою служить цегла. Розчини марок по міцності 4, 10 і 25 виготовляють на вапні та інших місцевих в’яжучих. Міцність і морозостійкість розчинів так, як і бетонів, залежать від водов’яжучого відношення, якісних особливостей в’яжучого і заповнювачів, віку, умов твердіння та ін.

Для прогнозування міцності цементних розчинів можна застосовувати формули Н. А. Попова:

• за відсутності значного відсосу води основою Rp = 0,4 Rц(Ц/В – 0,3);

• при відсмоктуванні води пористою основою Rр = K Rц(Ц – 0,05) + 4,

де К–коефіцієнт якості піску (для крупного піску К = 2,2, для середнього – 1,8; для дрібного – 1.4); Rц – активність цементу.

63

В другому випадку в розчинах залишається приблизно однакова кількість води, тому цементно-водне відношення Ц/В можна замінити витратою цеме-нту Ц, т/м3.

О с н о в н і в и д и б у д і в е л ь н и х р о з ч и н і в . Найбільш розповсюджені у будівництві к л а д о ч н і р о з ч и н и , що

служать для скріплення різноманітних каменів та рівномірного розподілу між ними зусиль. При зведенні конструкцій, що піддаються систематичному впливу води, наприклад фундаментів, розташованих нижче рівня ґрунтових вод, застосовують цементні розчини. Для надземної і підземної кладки широ-ко застосовують змішані цементно-вапняні і цементно-глиняні розчини.

При підземній кладці приміщень з відносною вологістю понад 60 % від-ношення об’єму вапняного або глиняного тіста до об’єму цементу повинно бути не більшим 1:1. Мінімально допустима витрата цементу у змішаних ро-зчинах коливається від 75 до 125 кг/м3 в залежності від умов роботи констру-кцій. Орієнтовно витрату цементу у змішаних розчинах, т на 1 м3 піску, мож-на знайти по формулі

,КRR

ЦЦ

р=

де Rр – марка розчину; Rц – активність цементу; К – коефіцієнт, рівний 0,88 для портландцементу і 1 – для пуцоланового та шлакопортландцементу.

Витрата добавки неорганічного пластифікатора, л: Д = 170(1 – 0,002Ц).

Витрата води, кг на 1 м3 піску: В = 0,65 (Ц + Дρд),

де ρд – щільність пластифікатора. Для твердіння кладочних розчинів при від’ємних температурах застосо-

вують протиморозні добавки - нітрит натрію, поташ, хлориди натрію та каль-цію. Кількість протиморозної добавки коливається від 2 до 10 % в залежності від температури зовнішнього повітря. Проектна міцність розчинів з протимо-розними добавками досягається після відтаювання і твердіння при темпера-турі вище +5 0С протягом 28 діб. Протиморозні добавки, як правило, не допу-скаються при зведенні конструкцій, розташованих в змінному рівні води та під водою і які не мають спеціальної гідроізоляції, а також в конструкціях, на поверхні яких не допускаються висоли.

О п о р я д ж у в а л ь н і р о з ч и н и застосовують для звичайних і декоративних штукатурних робіт. Вони повинні мати високу рухливість і надійне зчеплення з основою, а при твердінні не давати тріщин. В залежності від вологості середовища в’яжучими для опоряджувальних розчинів можуть служити вапно, гіпс, цемент та їх композиції. При необхідності в розчини вводять різноманітні пігменти.

64

З с п е ц і а л ь н и х р о з ч и н і в в будівництві широко використо-вують гідроізоляційні цементно-піщані розчини. Вони служать для гідроізо-ляції залізобетонних труб, зачеканки швів розтрубних труб та інших збірних елементів. Цей вид розчинів виготовляють на портландцементі, глиноземис-тому, розширному і інших видах цементу. Склад розчинів характеризується В/Ц = 0,3...0,5 та співвідношенням цементу і піску звичайно 1:2…1:3.

Водонепроникність розчинів росте з підвищенням активності. Для підви-щення водонепроникності в цементні розчини вводять ущільнюючі і пласти-фікуючі добавки, бітумні емульсії і пасти, полімерні добавки. З ущільнюю-чих добавок розповсюдження отримали хлорне залізо, алюмінат натрію, азо-тнокислий кальцій. Введення, наприклад, азотнокислого кальцію в кількості 0,5…1% маси цементу дозволяє підвищити водонепроникність цементних розчинів в 2…3 рази.

Т о р к р е т - розчини одержують з суміші цементу і піску у відношенні 1:1-2:1 по масі, що наноситься цемент-гарматою. Суміш перемішується із водою в спеціальному пристрої в процесі нанесення. При нанесенні торкрет-них антифільтраційних штукатурок прагнуть забезпечити В/Ц ≤ 0,3. Для за-безпечення тріщиностійкості застосовують безусадочні цементи та цементи з ущільнюючими добавками.

ЗМІСТОВИЙ МОДУЛЬ 1.4 Залізобетон

Широке застосування бетону в будівництві обумовлено його позитивними

особливостями: високою міцністю, довговічністю, вогнестійкістю. Як запов-нювачі для нього можна використовувати розповсюджені і дешеві мінеральні матеріали, з нього можна формувати різноманітні вироби. Найбільш істотний недолік бетону як конструктивного будівельного матеріалу – низька міцність при розтягуючих і згинальних напругах. Цей недолік усувається армуванням бетону сталевою арматурою, що дозволяє в кілька разів збільшити несучу здатність конструкцій.

Для комплексного сприймання напружень стиску і розтягу використову-ють з а л і з о б е т о н – композиційний матеріал, в якому раціонально спів-працюють і поєднуються бетон та стальна арматура. Спільна робота бетону і сталі в одному матеріалі можливий за рахунок їх високого зчеплення і близь-кості коефіцієнтів термічного розширення. Крім того, в лужному середовищі твердіючого бетону при утворенні достатньо щільного захисного шару ста-льна арматура добре захищена від корозії.

Залізобетон є основним конструкційним матеріалом сучасного будівницт-ва. Цьому сприяють його високі механічні властивості, довговічність, досту-пність сировинної бази, можливість виготовлення конструкцій будь-яких

65

форм, які відповідають самим різноманітним архітектурним та технологіч-ним вимогам.

Залізобетонні конструкції за способом виготовлення поділяють на м о н о л і т н і (зводять в опалубці безпосередньо на будівельному майданчику), збі-рні (монтують з виробів заводського виготовлення) та збірно-монолітні (по-єднують збірні залізобетонні елементи і монолітний бетон або залізобетон).

Збірні залізобетонні конструкції порівняно з монолітними мають ряд пе-реваг: спрощується організація робіт на будівельних майданчиках, оскільки основні операції з армування, укладання і твердіння бетонної суміші вико-нують на заводах, скорочуються строки будівництва та підвищується продук-тивність праці тому, що виключаються опалубочні роботи, можливий випуск великорозмірних елементів підвищеної заводської готовності.

Проте використання збірних залізобетонних виробів потребує потужного спеціалізованого підйомно-транспортного обладнання, використання розріз-них схем будівель і значних матеріальних затрат на улаштування стиків, не завжди дозволяє забезпечити архітектурну виразність будівель і споруд.

Досвід монолітного будівництва показує, що воно у ряді випадків має те-хніко-економічні переваги перед збірним: дозволяє знизити одноразові ви-трати на створення виробничої бази, витрати сталі, цементу та енергії. Моно-літні конструкції дозволяють суттєво підвищити експлуатаційні характерис-тики будівель, врахувати сумісну роботу елементів, забезпечити їх високу надійність в роботі. Особливий ефект має місце при монолітному будівництві в сейсмічних районах, де економія металу досягає до 20%.

Ефективність монолітного залізобетону знижують значна питома вага, вартість та трудоємність опалубочних робіт, низький ступінь механізації ар-матурних робіт, укладання та розподілу бетонної суміші, а також транспор-тування бетонної суміші.

Армування залізобетонних конструкцій. Для армування залізобетонних конструкцій застосовується стержнева і

дротяна арматура, а також дротові вироби у вигляді пасм і канатів. В залежності від способу обробки розрізняють гарячекатану, термічно

зміцнену і холоднодеформовану (зміцнену в холодному стані) арматурну сталь. По механічних властивостях в залежності від границі текучості, межі міцності на розрив, відносного подовження і вигину в холодному стані арма-туру поділяють на класи A-I, A-II, A-III і т.д.

Арматура виготовляється гладкою і періодичного профілю зі звичайних вуглецевих чи низьколегованих сталей. Створення періодичного профілю на арматурних стержнях чи дроті у вигляді виступів по гвинтовій лінії чи лінії вм’ятин дозволяє поліпшити зчеплення з бетоном.

У залізобетонних конструкціях арматуру застосовують у вигляді стерж-нів, чи каркасів та сіток. Виготовлення арматурних елементів включає чи-щення, виправлення, різання і гнуття окремих прутків і зварювальні операції.

66

За умовами застосування розрізняють арматуру для звичайних конструк-цій (ненапружена арматура) і попередньо напружених конструкцій (напру-жувана арматура). Як ненапружену арматуру застосовують переважно гаря-чекатану арматурну сталь класу A-III і звичайний арматурний дріт класів B-I і Вр-1. Допускається також застосовувати арматуру класів A-I і A-II і в деяких випадках A-IV, A-V, Ат-IV і АТ-V. Як напружену арматуру застосовують ви-сокоміцні сталі класів A-IV, A-V, Ат-IV, Ат-V, Ат-1, B-II, Вр-П і арматурні канати.

При звичайному армуванні залізобетонних конструкцій, при порівняно невисоких навантаженнях, задовго до руйнування виникають тріщини вна-слідок низької граничної розтяжності бетону. Перебороти цей “деформацій-ний бар’єр” можна за рахунок попереднього напруження, сутність якого по-лягає в обтисненні бетону арматурою. Можлива деформація бетону при стис-ку в 20…25 разів перевищує граничну розтяжність. Це дозволяє виключити чи зменшити небезпеку виникнення тріщин у бетоні при впливі експлуата-ційних навантажень, підвищити надійність і довговічність конструкцій, зме-ншити їхню масу і витрату арматури, створити умови для зведення спору-джень з великими прольотами, підвищити витривалість конструкцій при ба-гаторазово повторюваних навантаженнях.

При виробництві збірних залізобетонних конструкцій можливі два спосо-би натягу арматури: “на бетон” і на “упори”. При першому способі арматура закладається в пази затверділого виробу і анкеруєтся, попередньо натягнута з однієї сторони домкратом. Після натягу арматури в пази конструкції нагніта-ється цементний розчин. Більш розповсюджений другий спосіб, коли армату-ра натягається до бетонування і тимчасово закріплюється в захватах. Після того як бетон досягне визначеної міцності, натяг передається з упорів форм на бетон, що і приводить до його обтиснення. Натягають арматуру механіч-ним способом – за допомогою гідродомкратів і інших установок, електротер-мічним способом – розігріваючи стрижні електричним струмом, і хімічним способом – за рахунок енергії, що розвивається при твердінні напружуючих цементів. Застосовують також комбіновані способи, наприклад, електротер-момеханічний, коли здійснюють одночасно нагрівання і механічний натяг арматури.

При великій пористості, наявності тріщин і недостатньому захисному ша-рі бетону можлива корозія арматури. Найбільш інтенсивно йде процес корозії при вологості повітря близько 80%, а також в умовах вологого, жаркого клі-мату морських районів. Корозію арматури можуть викликати також хлористі солі, що вводяться в бетон як антиморозні добавки, чи прискорювачі твер-діння. Вміст хлоридів у залізобетонних конструкціях повинен бути не біль-шим 2 %. У попередньо напружених конструкціях, у конструкціях із дротя-ною арматурою діаметром меншим 5 мм, а також у конструкціях, призначе-них для експлуатації при відносній вологості повітря понад 60%, застосуван-ня хлоридів не допускається.

67

Виробництво залізобетонних виробів.

Виробництво залізобетонних виробів включає готування бетонної суміші, арматурних елементів і закладних деталей, підготовку форм, формування і тепловологісну обробку.

Виготовлення збірних залізобетонних елементів може бути організовано різними способами – потоково-агрегатним, потоково-конвеєрним і стендо-вим.

При п о т о к о в о - а г р е г а т н о м у способі технологічні операції здійснюються в переміщуваних формах на спеціалізованих робочих місцях. До таких операцій відносяться розпалубка, очищення, збирання і змащення форм, армування, укладання й ущільнення бетонної суміші, тепловологісна обробка й ін. Цей спосіб допускає високий рівень механізації й автоматизації процесу, характеризується порівняно малою трудомісткістю і разом з тим дає можливість випускати продукцію різноманітного асортименту. Цей спосіб застосовується при виробництві плит для облицювання каналів, лотків, залі-зобетонних труб. Наприклад, технологічний процес виготовлення лотків по-чинається з очищення і змащення форм, укладання і натягу напружуваної арматури. Підготовлені форми надходять на формувальний пост, і при одно-часній роботі бетоноукладача і вібраційного агрегату здійснюється укладання й ущільнення бетонної суміші у формах. Потім форми з виробом надходять на пост теплової обробки. Після досягнення 70 % проектної міцності бетону форми переносять на пост, де робиться обрізання подовжньої арматури і роз-палубка лотків. Потім виріб транспортують на склад.

К о н в е є р н и й с п о с і б виробництва залізобетонних виробів, який характеризується високою спеціалізацією операцій і суворим ритмом руху, є різновидом потокової технології. Він забезпечує високу продуктивність праці та є ефективним при випуску однотипних виробів.

При с т е н д о в о м у с п о с о б і основні процеси виробництва збірного залізобетону виконують у нерухомих формах на стендах. Вироби до прид-бання бетоном необхідної міцності залишаються на місці, у той час як техно-логічне устаткування для виконання окремих операцій послідовно переміща-ється від однієї форми на стенді до іншої. Стендовий спосіб найбільш розпо-всюджений на відкритих полігонах – спеціально обладнаних для виробницт-ва залізобетонних виробів площадках.

У більшості випадків формування виробів і основні допоміжні операції при стендовому способі виконуються безпосередньо в камерах пропарюван-ня. Теплова обробка може також виконуватися за рахунок теплоти пари, яка подається в порожнини форм. Стендовий спосіб застосовується в умовах ви-сокомеханізованого заводського виробництва переважно для виготовлення крупнорозмірних і масивних конструкцій. На стендах виготовляють також напружено-армовані залізобетонні елементи. Цей спосіб виробництва виробів є більш простим у відношенні устаткування й оснащення, вимагає менших

68

капіталовкладень, але в більшості випадків зв’язаний з великими трудозатра-тами.

Однією з головних технологічних операцій при виробництві збірного за-лізобетону є теплова обробка виробів – найбільш ефективний спосіб приско-рення твердіння бетону.

З комплексу видів теплової обробки (пропарювання, автоклавне твердін-ня, контактний обігрів, електропрогрів) найбільш поширеним є пропарюван-ня при атмосферному тиску в камерах періодичної чи безперервної дії. Розрі-зняють пропарювальні камери ямного, тунельного та інших типів. Тунельні камери застосовуються для пропарювання виробів, розміщених на вагонет-ках.

Пропарювання виробів звичайно ведеться до одержання не менше 70 % проектної міцності бетону. На сучасних заводах збірних залізобетонних конструкцій тривалість пропарювання в діапазоні 80…100°С складає 8...15 год. Інтенсивне твердіння бетону при скороченому режимі пропарювання може бути забезпечене також за рахунок застосування швидкотверднучих високоміцних портландцементів, твердих сумішей з малим водовмістом і низьким В/Ц, а також прискорювачів твердіння.

Повний цикл теплової обробки складається з чотирьох періодів: поперед-нього витримування до пропарювання; підйому температури в камері; ізоте-рмічного прогріву; охолодження виробів. При недостатній тривалості попе-реднього витримування, що приблизно повинна відповідати початку тужав-лення цементу, надмірно швидкому підйомі температури й охолодженні (бі-льше 30°С за годину) у бетоні можуть розвиватися деструктивні процеси, що погіршують його властивості і викликають утворення тріщин.

ЗМІСТОВИЙ МОДУЛЬ 2.1 Природні кам'яні, штучні безвипальні кам'яні матеріали та вироби

До природних кам’яних матеріалів належать матеріали мінерального по-

ходження, які виготовляються шляхом механічної обробки гірських порід. Природні матеріали – пісок, піщано-гравійні суміші, бутовий камінь, щебінь та інші застосовують для зведення інженерних споруд (фундаментів, дамб, доріг), а також як заповнювачі бетону.

Основні види гірських порід. Г і р с ь к і п о р о д и – це мінеральні агрегати певного хімічного скла-

ду, які утворюють земну кору. За походженням вони поділяються на три гру-пи: магматичні, або вивержені, які утворились внаслідок отверднення у над-рах земної кори (глибинні) або на її поверхні (виливні) силікатних розплавів (магми); осадові. які виникли внаслідок перенесення і відкладення продуктів руйнування гірських порід і органічних залишків; метаморфічні – продукти перекристалізації та структурної зміни вивержених і осадових порід під впливом високої температури та тиску.

69

С к л а д і с т р у к т у р а г і р с ь к и х п о р і д . Всі гірські поро-ди складаються із мінералів, тобто хімічних сполук, які утворились внаслідок різних фізико-хімічних процесів, що відбуваються у природі. На даний час відомо біля двох тисяч мінералів, однак кількість основних породоутворюю-чих мінералів порівняно невелика – це кварц, польові шпати, кальцит, доло-міт, слюди, амфіболи, піроксени та ін. Мінералогічний склад гірських порід вивчають мікроскопічним методом. Розрізняють мінерали і за деякими їх характерними особливостями – твердістю, блиском, спайністю, зламом, ко-льором, формою кристалів. Так, кварц характеризується прозорістю, скляним блиском; нерівним зламом; польовий шпат – гладкими рівними поверхнями з блиском; слюди – досконалою спайністю в одному напрямку і здатністю ро-зшаровуватись на лускуваті листочки; піроксени – чорним офарбленням і здатністю до кристалізації у вигляді зерен або коротких стовбчастих криста-лів. Кальцит і доломіт в карбонатних породах легко визначити за явищем “кипіння” під дією соляної кислоти.

Важливими факторами, які визначають властивості гірських порід, є їх структура і текстура. С т р у к т у р а характеризує ступінь кристалізації, роз-міри і форму кристалів, текстура – відносне просторове розташування ком-понентів у породі. Розрізняють чотири основних типи структур: кристалічно-зернисту, приховано-кристалічну, склувату та уламково-цементовану.

В залежності від розмірів зернин структура може бути дрібно- (2...3 мм) та крупнокристалічною (понад 5 мм). За ступенем кристалізації структура поділяється також на повнокристалічну і порфірову, для якої є характерним утворення окремих крупних зерен серед однорідної маси. Повнокристалічну структуру із крупними і середніми розмірами кристалів мають звичайно гли-бинні вивержені та метаморфічні породи. Порфірова дрібнокристалічна стру-ктура притаманна виливним, також деяким карбонатним породам. Зерна мі-нералів такої структури можна розрізнити тільки під мікроскопом. Для гірсь-ких порід з уламковою цементуючою структурою характерна наявність це-ментуючої маси, яка консолідує уламки порід. Таку структуру мають піща-ники, деякі карбонатні та інші осадові і метаморфічні породи.

На відміну від структури т е к с т у р а відображує просторове розташу-вання зерен та кількість речовини в одиниці об’єму. Так, виверженим поро-дам притаманна масивна текстура із рівномірним розподіленням зернин мі-нералів. Для низки метаморфічних порід є характерною сланцева або шару-вата текстура.

М а г м а т и ч н і ( в и в е р ж е н і ) п о р о д и переважно розпо-всюджені у земній корі. До їх складу належать в основному мінерали-силікати, усереднений склад яких наступний (%): польові шпати – 60, кварц – 12, амфіболи й піроксени – 17, слюди – 4, інші – 6. За вмістом кремнезему вони поділяються на групи: ультраосновні – менш 40% SіО2 (дуніти, олівіні-ти, піроксени), основні – 40...52% SіО2 (габро, базальти, діабази), середні – 52...65% SіО2 (діорити, порфірити, сієніти), кислі – 65..75% SіО2 (граніти, ліпарити, порфіри), ультракислі (аляскити).

70

Найбільш розповсюджені глибинні кислі вивержені породи – граніти. На другому місці – виливні основні породи – базальти. У табл. 2.10 наведені ос-новні фізико-механічні властивості розповсюджених гірських порід.

Таблиця 2.10 Основні фізико-механічні властивості деяких гірських порід

Порода Густина, кг/м3

Границя міцності при стисканні,

МПа

Водопогли-нання, %

Стиранність, г/см2

Граніт 2500...2700 100...250 0,1...1 0,1...0,5 Базальт 2200...3000 200...300 0,01...0,2 0,4...1 Вапняки щільні 1800...2700 3,5...200 0,5...30 2...5

Вапняки по-ристі (чере-пашники)

900...2000 0,4...20 6...40 —

Піщаники 1900...2800 10...200 0,2...2,5 0,1...2 Гнейси 2400...2800 50...240 0,1...1 — Кварцити 2500...2700 120...400 0,01...0,2 0,1...3

О с а д о в і п о р о д и . На відміну від вивержених, осадові породи

розповсюджені переважно на поверхні земної кори, де вони складають 70...75% площі. За способом утворення їх поділяють на 3 групи: уламкові – піски, глини, гравій, валуни; хімічні – сульфати, карбонати та інші; органо-генні – крейда, трепел, діатоміт та інші. Від способу утворення та складу вихі-дних порід залежить і хіміко-мінералогічний склад осадових порід. Крім міне-ралів вихідних гірських порід вони можуть містити і продукти їх розкладання, наприклад глинисті мінерали, також осади із розчинів (мінеральні солі).

У л а м к о в і п о р о д и утворились внаслідок вивітрювання виверже-них гірських порід. Вони поділяються на рихлі та цементовані. У будівництві застосовують грубоуламкові (понад 1...2 мм), середньоуламкові (0,1...2 мм), тонкоуламкові (не більш 0,01 мм). До грубоуламкових належать валунно-гравійні породи, з яких добре окатаними, що містять незначну кількість слаб-ких порід, та морозостійкими є гравій, галька, валуни, що накопичуються у річкових долинах. Найбільш розповсюдженими середньоуламковими поро-дами є піски та їх зцементовані різновиди – піщаники. Природні піски скла-даються переважно із зерен кварцу. Піщаники можуть містити кремнеземис-ту, карбонатну, гіпсову, глинисту та ін. цементуючі речовини. Найбільш міц-ними є кварцові піщаники із кремнистим цементом, найменш міцними – із глинистим. Із тонкоуламкових порід розповсюджені глини.

Хімічні органогенні породи утворились в основному шляхом осадження із водних розчинів. У будівництві та промисловості будівельних матеріалів ши-роко застосовують карбонатні породи: вапняки, мергелі (породи, які містять глину і карбонат кальцію), кремнеземисті породи (діатоміт, трепел, опока). Осадові породи більш неоднорідні за властивостями у порівнянні із виверже-ними (табл. 2.10).

71

М е т а м о р ф і ч н і п о р о д и . Із порід цього типу як будівельний камінь та сировину застосовують гнейси, кварцити, мармур та ін. Найбільш

Рис. 2..7. Схема дробильно-сортувального заводу для отримання щебеню

1 – камінь; 2 – щокова дробарка; 3 – конвеєр; 4 – грохот; 5 – конвеєр для зворотної подачі великих кусків каменю; 6 – конусна дробарка; 7 – сортувальний барабанний грохіт; 8 – бункери сортувального щебеню; 9 – конвеєр зворотної подачі в дробарку крупного щебеня; 10 – відкриті склади фракційованого щебеню; 11 – екскаватор для довантаження щебеню.

Рис. 2.8. Форма отриманого щебеню (б) в залежності від форми окремих кусків гірської породи (а):

1 – бриловидна; 2 – кубовидна; 3 – пластова; 4 – плитовидна; 5 – пластинчаста;6 – пластинчастопальцевидна; 7 – призматична; 8 – кутовата; 9 – сфероподіб-на; 10 – шкаралупоподібна.

72

розповсюджені гнейси, які за мінеральним складом нагадують граніт і мають характерну сланцеподібну текстуру.

Кварцити утворились внаслідок метаморфізації кварцових піщаників. Це є найбільш міцні породи (табл. 2.10). Мармур утворився внаслідок перекриста-лізації вапняків і доломітів і використовується в основному як лицювальний матеріал.

Характеристика природних кам’яних матеріалів та їх добування. Природні камені поділяють за способом отримання, видами обробки, при-

значенням, щільністю. Р в а н и й т а п о д р і б н е н и й к а м і н ь . Рваний бутовий ка-

мінь отримують шляхом вибухового висаджування гірської маси. Застосову-ють його для кладки фундаментів, у шляховому будівництві, при зведенні стін нежитлових будівель, для кріплення земляних укосів тощо. Розміри шматків бутового каменя 150...500 мм. Його отримують як із щільних гірсь-ких порід з марками за міцністю від 100 до 1400 і морозостійкістю до 300 циклів, так і з пористих з марками за міцністю 25...100, морозостійкістю 15 циклів.

П о д р і б н е н и й к а м і н ь випускають у вигляді щебеню, крихти, штучного піску та застосовують в основному як заповнювач бетонів.

Після просіювання піщано-гравійних сумішей отримують сортований ма-теріал – пісок і гравій, а після тонкого помелу гірських порід – мелений (мі-неральний порошок, вапнякова мука).

Пісок, щебінь, гравій та бутовий камінь належать до групи нерудних буді-вельних матеріалів, які мають неправильну довільну форму.

При отриманні рваного і подрібненого каменю розробку масивних порід проводять у відкритих кар’єрах буро-вибуховим способом, коли від масиву відділяються глиби і піддають подальшому подрібненню до заданих розмірів. Подрібнення здійснюють у одну або декілька стадій на щокових, конусних дробарках або дробарках ударної дії із сортуванням на фракції, наприклад для щебеню 5...20, 20...40, 40...70 мм (рис. 2.7). Форма щебеню залежить від особливостей дробарок, структури та текстури гірської породи (рис. 2.8). Так, вміст плоских (пластинчастих) шматків при подрібненні крупнозернистих порід може бути вдвічі меншим, ніж при подрібненні дрібнозернистих та скловидних. При подрібненні на дробарках ударної дії збільшується вихід зернин, близьких до кубічної форми. Для покращання властивостей кам’яних матеріалів їх очищують від забруднення, збагачують більш міцними зернами з поліпшеною формою та поверхнею.

Ш т у ч н и й к а м і н ь . Промисловість нерудних матеріалів випускає також штучний камінь правильної форми – стінові (пиляні) блоки, лицюва-льні плити, дорожні та спеціальні (жаростійкі, луго- і кислотостійкі) вироби.

73

С т і н о в і к а м е н і нарізають із легких пористих гірських порід (ва-пняків, черепашників, туфів) з середньою густиною не більш 2100 кг/м3 за допомогою каменерізальних машин. Звичайні розміри стінового каменю – довжина 390, 490 мм, ширина 190, 240 мм, висота 188 мм, але виготовляють також і крупні стінові блоки довжиною 500...3020, шириною 400...500, висо-тою 820...1000 мм. Марки за міцністю при стисканні коливаються від 4 до 400. Водопоглинання повинно бути не більш 30% (для туфу 50%), коефіцієнт розм’якшення – не менш 0,6, морозостійкість – 15 циклів.

Л и ц ю в а л ь н і п л и т и для зовнішнього лицювання будівель і споруд найбільш часто застосовують із граніту та близьких до нього порід – лабра-дориту, мармуру, кварциту, а для внутрішнього лицювання – із менш твердих порід – мармуру, вапняку, гіпсу. Плити товщиною від 15 до 140 мм отриму-ють шляхом розпилювання блоків та обробки поверхні до певної фактури. Можливі фактури сколювання (рифлена термострумінна, точкова, борозна-ми) та абразивна (полірована, шліфована, пиляна).

До дорожніх к а м ’ я н и х м а т е р і а л і в належать колотий, булиж-ний, бортовий камінь, бруківка. Бруківку отримують із вивержених гірських порід, стійких проти удару і стирання, з границею міцності при стисканні не менш 100 МПа у вигляді брусків довжиною 15...25, шириною 9...15, висотою 10...15 см. Її застосовують для улаштування дорожнього покриття і смуг крі-плення на автомобільних дорогах. Колотий і булижний камінь застосовують для улаштування доріг ІV-V категорій, кріплення укосів, земляних споруд тощо. Бортовий камінь призначається для відокремлювання проїжджої час-тини вулиць і доріг від тротуарів і майданчиків. Як і інші дорожні камені, його виготовляють із високоміцних гірських порід, які мають морозостійкість не менш 50...100 циклів.

В и м о г и д о к а м ’ я н и х м а т е р і а л і в д л я б у д і в н и -ц т в а . У будівництві застосовують як рваний та подрібнений камінь, так і штучні вироби, які виготовляють із вивержених, осадових і метаморфічних порід високої міцності, водо- та морозостійких.

Природні камені поділяють: за середньою густиною в сухому стані на ва-жкі ρо > 1800 кг/м3, середні ρо = 1500...1800 кг/м3 і легкі ρо = 1000...1500 кг/м3; за міцністю при стисканні на низькоміцні з границею міцності 2,5...10 МПа, середньої міцності – 15...40 МПа та високоміцні – 50 МПа та більше (таблиця 2.11.).

Механічні властивості природного каменю визначають на зразках цилінд-ричної або кубічної форми, які мають діаметр або довжину ребра 50 мм (для низькоміцних порід 100 мм).

Для щебеню і гравію марку вихідної породи орієнтовно можна визначити за показником здатності до подрібнення (подрібнювальності):

,100m

mmД 1р ⋅

−=

74

де m – маса проби, кг; m1 – залишок на контрольному ситі з розміром комі-рок, що в чотири рази менші нижнього розміру фракції, кг.

Таблиця 2.11 Основні характеристики кам’яних матеріалів, які застосовують у будівництві

Порода Марка каменю за міцністю при стисканні, МПа

Середня густина, кг/м3,

не менше

Коефіцієнт розм’як-шення

Водопоглинан-ня,

%, не більше

Камені низькоміцні

Вапняк

25 1400 0,6 6 35 1500 50 1500 75 1600

100 1600 Камені середньої міцності

Вапняк, піща-ник

150 1800 0,75 2 200 1900 300 2100 400 2100

Камені високоміцні

Вапняк, доло-міт, піщаник

500 2200 0,75 600 2300 900 2400 1000 2500

Граніт, діорит, габро, 1000 та більше 2500 та бі-

льше 0,9

Базальт 500 2300 та бі-

льше 0,5

600 800

Діабаз 1000 та більше 2900 та бі-льше

Марка каменя з морозостійкості – 25, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 500. Для

районів з особливо суворими умовами та в зоні змінного рівня води для гід-ротехнічних споруд рекомендується камінь з морозостійкістю не менш 100, а для надводних зон – 50...100. У районах з помірними і суворими умовами необхідна морозостійкість каменя знижується відповідно на одну марку.

З а х и с т к а м ’ я н и х м а т е р і а л і в в і д в и в і т р ю в а н -н я . Вивітрюванням називають руйнування гірських порід під впливом змінного зволоження й висихання, заморожування й відтаювання, нагріву й охолодження, хімічної взаємодії агресивного середовища з окремими компо-нентами каменя. Стійкість кам’яних матеріалів проти вивітрювання залежить від їх мінералогічного складу та структурно-текстурних особливостей. До

75

мінералів, які є нестійкими до хімічного вивітрювання, можна віднести польові шпати, слюду, пірит, кальцит, доломіт, гіпс та інші. Стійкість проти фізичного вивітрювання, у першу чергу опору дії замерзаючої води, залежить від пористості породи та кількості тріщин. Більш здатні до вивітрювання по-роди крупнозернистої та порфірової структури.

Розрізняють хімічні та конструктивні способи захисту від вивітрювання. До хімічних способів захисту належить обробка природного каменю із кар-бонатних гірських порід (мармур, вапняк, доломіт) флюатами – солями крем-нефтористоводневої кислоти. В результаті утворюються нерозчинні сполуки фтористого кальцію, магнію, кремневої кислоти, які ущільнюють поверхне-вий шар матеріалу.

Поверхні природних кам’яних матеріалів ущільнюються також просо-ченням їх розчинним склом та хлористим кальцієм, а також іншими речови-нами, в результаті чого утворюються нерозчинні сполуки, які закупорюють пори. Ефективним захистом кам’яних матеріалів від води є гідрофобізація їх водневими розчинами кремнійорганічних сполук й обробка іншими полімер-ними сполуками.

Конструктивні способи захисту від вивітрювання полягають в тому, що виробам із природного каменя надають певну форму, котра не сприяє затри-манню води на їх поверхні.

Азбестоцементні вироби.

А з б е с т о ц е м е н т – це штучний кам’яний матеріал, який складається із цементного каменя, армованого волокнами азбесту. Із азбестоцементу ви-готовляють різноманітні покрівельні, стінові та лицювальні матеріали, труби й деталі спеціального призначення. Позитивними особливостями цього мате-ріалу є висока міцність при розтягу, морозостійкість, низька водопроникність та теплопровідність. Азбестоцементні вироби порівняно легко піддаються механічній обробці, вони значно легші у порівнянні з металом, бетоном і за-лізобетоном. Недоліками азбестоцементу є крихкість, короблення при коли-ваннях вологості та суттєве зниження міцності після насичення водою.

Вихідними компонентами для виготовлення азбестоцементу є азбест, портландцемент та вода. Азбест зустрічається у природі у вигляді мінералів-силікатів, які мають волокнисту структуру; найбільш розповсюдженим є х р и з о т и л - а з б е с т 3MgO.2SiO2

.2Н2О. Товарний азбест отримують при збагаченні азбестової руди, яка зустрічається у вигляді прожилок азбесту у породі. В залежності від довжини волокна, ступеня його розпушення і вмісту домішок супутніх порід – “пилу” – азбест поділяється на сорти й марки. Для виготовлення листових азбестоцементних виробів використовують азбест 5...6 сортів, труб – 3...5 сортів. Внаслідок сильного лінійного і дуже слабких бокових зв’язків кристалів азбест має високу міцність при розтягненні (біля 300 МПа) та здатність до розпушення на тонкі волокна.

76

Для виготовлення азбестоцементних виробів застосовують спеціальний вид портландцементу, властивості якого сприяють процесу фільтрації твердої фази із азбестоцементної суспензії та прискореному твердінню виробів. Дис-персність цього цементу характеризується питомою поверхнею в межах 2200...3200 см2/г (220...320 м2/кг). Вміст вільного СаО у вихідному клінкері не повинен перевищувати 1%, С3А – 8%, вміст С3S повинен складати не менш 52%. Початок тужавлення, на відміну від звичайного портландцементу, повинен наступати не раніше як через півтори години від замішування. Це-мент для виготовлення азбестоцементних виробів, як правило, не містить мінеральних добавок і виготовляється двох марок – М400 та М500. Він дода-тково випробовується у віці 7 діб на згин (міцність на згин повинна складати для марок 400 та 500 відповідно не менше 4,3 і 4,7 МПа).

Технологічний процес виготовлення азбестоцементних виробів включає проминання й розпушування, ретельне змішування отриманих тонких воло-кон з цементом у воді та утворення суспензії, формування виробів на листо- або трубоформовочних машинах з наступною їх тепловою обробкою. Фор-мування полягає в утворенні із суспензії на сітчастому циліндрі тонкого шару азбестоцементу, його зневодненні та ущільненні. Отримані заготовки хвиляс-тих листів профілюють, а труби обробляють на токарних верстатах. Склад азбестоцементної маси коливається в межах: азбест 13...17%, портландцемент 83...87%. В деяких випадках у портландцемент добавляють 30...40% тонко-меленого кварцового піску.

Основним видом азбестоцементних виробів для будівництва є листові ви-роби, які складають понад 85% всього обсягу азбестоцементу. Розрізняють хвилясті листи звичайного, зміцненого та уніфікованого профілю, а також періодичного профілю і середньохвилясті. Ці листи розрізняються в основ-ному кроком та висотою хвилі, середньою густиною і габаритами. Межа міц-ності при згині у поперечному до гребенів хвиль напрямку повинна складати не менше 16 МПа (для листів уніфікованого профілю – 19 МПа).

Поряд з хвилястими виготовляють плоскі пресовані та непресовані листи, які застосовують в основному для лицювання фасадів і внутрішніх стін буді-вель. Для пресованих азбестоцементних листів границя міцності при згині повинна складати не менше 25 МПа, середня густина – 1750 кг/м3. Для не-пресованих виробів мінімальні показники міцності і середньої густини по-винні складати відповідно 16 МПа та 1600 кг/м3.

Хвилясті і плоскі листи можуть бути пофарбованими у різний колір. Із плоских листів виготовляють азбестоцементні панелі із теплоізоляційним шаром для улаштування покрівель та стін. Покрівельні панелі застосовують для покрівлі із ухилом не менш 5...70 при відносній вологості не більше 75%.

Промисловістю виготовляється великий асортимент азбестоцементних труб. В залежності від призначення азбестоцементні труби поділяються на напірні, які застосовують для улаштування закритих напірних меліоративних

77

мереж та зовнішніх водогонів, та безнапірні, які використовують при будів-ництві колекторів водопровідних мереж та гирлових споруд.

Напірні труби виготовляються класів ВТ-6, ВТ-9, ВТ-12 та ВТ-15 з діаме-тром умовного пропуску 100...500 мм. Цифра в позначенні класів показує максимальний робочий тиск, при якому може працювати труба.

Азбестоцементні труби мають високу стійкість проти корозії, не руйну-ються під дією блукаючих струмів. Низька капілярна пористість забезпечує водонепроникність, морозостійкість азбестоцементних труб. Вони значно дешевші та більш довговічні порівняно зі сталевими та чавунними трубами. Строк їх експлуатації в напірних трубопроводах перевищує 30 років.

Автоклавні матеріали.

Автоклавні матеріали об’єднує загальна технологічна операція – теплово-логісна обробка при підвищеному тиску, яка здійснюється у автоклавах. До групи автоклавних матеріалів належать силікатна цегла, щільні та ніздрюваті бетони, основними вихідними компонентами яких є в’яжуче автоклавного твердіння та заповнювачі. В’яжучі автоклавного твердіння за нормальними температурно-вологісними умовами характеризуються порівняно низькою активністю, котра суттєво зростає при температурах та тиску, які створюють-ся в автоклаві. Їх поділяють на наступні групи: безклінкерні вапняно-кремнеземисті, вапняно-шлакові, вапняно-зольні та змішані, до складу яких вводять портландцемент.

У виробництві автоклавних матеріалів частіше застосовують вапняно-кремнеземисте в’яжуче, основними компонентами якого є повітряне будіве-льне вапно і кварцовий пісок. Для цього застосовують кальцитове вапно швидкого гасіння із вмістом MgО не більше 5%. За певних умов (понижена температура випалу; введення спеціальних добавок, які прискорюють гашен-ня) можна використовувати і магнезіальне вапно.

Для виготовлення автоклавних бетонів, особливо ніздрюватих, широко застосовується портландцемент та змішаний цемент з використанням мінера-льних добавок.

Як кремнеземистий компонент в’яжучих автоклавного твердіння може використовуватись тонкомелений пісок. Немелений пісок реагує з вапном по периферії зерен і одночасно є й заповнювачем. Якість піску зростає із зрос-танням вмісту SiО2, зменшенням кількості органічних домішок, слюди, кар-бонатів, а особливо із зростанням дисперсності.

Автоклавні матеріали твердіють в результаті хімічної реакції між компо-нентами в’яжучого в присутності води в умовах високого тиску і температу-ри. Вирішальне значення для формування структури автоклавних матеріалів мають процеси розчинення в’яжучого з наступною кристалізацією із перена-сиченого розчину гідросилікатів кальцію, котрі і є цементуючою речовиною. Властивості автоклавних матеріалів в значній мірі залежать від складу гідро-силікатів, які утворюються.

78

За призначенням автоклавні матеріали класифікують на стінові, конструк-тивні, оздоблюючі та спеціальні. Найбільш розповсюджені у будівництві си-лікатна цегла та автоклавні силікатні бетони.

С и л і к а т н а ц е г л а – штучний безвипальний стіновий матеріал, виготовлений із суміші вапняно-кремнеземистого в’яжучого і кварцового піску шляхом пресування і наступного затвердіння у автоклаві під дією пари високого тиску.

Виробництво силікатної цегли полягає у добуванні та просіву піску, випа-люванні вапна та його помелі, змішуванні піску із вапном – кипілкою та га-сінні виготовленої суміші, пресуванні цегли і запарюванні її в автоклавах.

Випускають цеглу одинарну повнотілу або з пористими заповнювачами розмірами 250×120×65 мм, цеглу потовщену пустотілу або повнотілу з пори-стими заповнювачами 250×120×88, камінь пустотілий 250×120×138 мм. Ви-роби виготовляють незабарвленими та кольоровими - забарвленими в масі або з поверхневим оздобленням лицьових граней.

Залежно від середньої густини силікатні вироби поділяють на три групи: ефективні з густиною цегли не більше 1400 кг/м3 і каменів – 1450 кг/м3, умо-вно ефективні від 1401 до 1650 кг/м3 і каменів від 1451 до 1650 кг/м3, звичай-ну силікатну цеглу понад 1650 кг/м3.

Для силікатної цегли і каменів встановлені марки залежно від границі мі-цності на стиск – М300, М250, М200, М150, М125, М100 і М75 та за морозос-тійкістю – F50, F35, F25, F15.

Водопоглинання силікатних виробів повинно бути не менше ніж 6%. По-ряд із рядовими виготовляють лицьову силікатну цеглу і камені, марки їх за міцністю не менше М125 та М100, морозостійкістю – не менше F25.

Силікатну цеглу застосовують поряд з керамічною для кладки стін надзе-мних частин будівель. Внаслідок недостатньої водостійкості її не можна ви-користовувати для фундаментів та цоколів будівель нижче гідроізоляційного шару. Не дозволяється застосовувати її також для споруд з мокрим режимом експлуатації без спеціальних заходів щодо захисту стін від зволоження, а також в умовах дії високих температур (кладка печей, труб і т. п.).

Різновидами силікатної є в а п н я н о - ш л а к о в а т а в а п н я н о -з о л ь н а ц е г л а . Для виготовлення вапняно-шлакової цегли в суміш додають З... 12% вапна і 88...97% паливного шлаку, а вапняно-зольної - 20...25% вапна і 75...80% золи. При застосуванні як сировинних компонентів силікатної цегли паливних відходів знижується її середня густина, водопог-линання, покращується ряд інших властивостей. Застосовують вапняно-шлакову та вапняно-зольну цеглу, як правило, для кладки стін малоповерхо-вих споруд.

С и л і к а т н і б е т о н и отримують в результаті автоклавного твер-діння раціонально підібраної суміші вапняно-кремнеземистого в’яжучого та заповнювачів. Їх класифікують за середньою густиною, максимальною круп-ністю, виду заповнювачів, структурою, пластичністю суміші та областю за-

79

стосування. Переважно використовують дрібнозернисті силікатні бетони. Технологія силікатобетонних виробів полягає у приготуванні вапняно-кремнеземистого в’яжучого шляхом спільного або окремого помелення піску й вапна, дозування основних компонентів, перемішування бетонної суміші, формування виробів та їх автоклавної обробки.

За основними будівельними властивостями силікатні бетони є близькими до цементних. Для них є дійсними й основні залежності властивостей від те-хнологічних параметрів, які встановлені для цементних бетонів. Силікатні бетони, також як і цементні, можна використовувати для виготовлення зви-чайних і напружено-армованих конструкцій , які застосовують у цивільному і промисловому будівництві (стінові блоки і панелі, настили, панелі перекрит-тя тощо).

Стійкість силікатних бетонів у воді нижче, ніж цементних, однак відомі шляхи підвищення водостійкості цього матеріалу, головними з яких є: оброб-ка конструкцій – просочення бітумом, карбонізація, покриття кремнійоргані-чними водовідштовхуючими сполуками; створення водостійкої гідросилікат-ної зв’язки із малорозчинних силікатів кальцію за рахунок введення домен-ного шлаку тощо.

Різновидом автоклавних матеріалів є силікальцит, особливістю технології якого є помелення та змішування вапна і піску у швидкісному дезінтеграторі із частотою обертання близько 1500 об/хв. У дезінтеграторах вапно і пісок змішуються найбільш рівномірно і міцно зчіпляються. Силікальцит має висо-ку міцність, морозо- та корозійну стійкість, значно більшу, ніж звичайні си-лікатобетонні вироби.

Поряд із щільними широко розповсюджені ніздрюваті автоклавні бетони, структура яких характеризується рівномірно розподіленими порами у вигляді сферичних комірок діаметром 1...3 мм. Ніздрюваті бетони виготовляють шляхом введення у бетонну суміш газоутворюючих добавок (звичайно алю-мінієвої пудри) або технічної піни.

Ці бетони поділяються на конструкційні середньої густини від 900 до 1200 кг/м3, конструкційно-теплоізоляційні з середньою густиною 500…900 кг/м3 та теплоізоляційні - до 500 кг/м3. Бетон перших двох груп марок з міц-ності при стисканні від 35 до 200 теплопровідність його змінюється від 0,17 до 0,46 Вт/(м·оС), морозостійкість сягає 50 циклів та більше. Ніздрюваті бе-тони мають підвищені усадочні деформації (0,4...0,6 мм/м). Після насичення водою міцність їх знижується на 30...35%. Ніздрюваті бетони застосовують у житлових, громадських та сільськогосподарських будівлях у вигляді стінових блоків і панелей, плит покриття тощо. Стінові панелі житлових будівель із таких бетонів мають підвищені техніко-економічні показники порівняно із легкобетонними панелями на пористих заповнювачах.

80

ЗМІСТОВИЙ МОДУЛЬ 2.2 Керамічні матеріали, скло та вироби із скла

Керамічні матеріали та вироби. До будівельної кераміки належать штучні кам’яні матеріали, які виготов-

ляють шляхом спікання мінеральних сировинних сумішей, головним компо-нентом котрих є глини.

Г л и н и – це тонкоуламкові осадові гірські породи різного хіміко-мінералогічного складу, котрі здатні з водою утворювати пластичне тісто, яке після випалу набуває міцності каменя. Пластичність та інші основні власти-вості глин обумовлені присутністю в них глинистих мінералів – тонкозернис-тих гідроалюмосилікатів з характерною шаруватою структурою. Крім основ-них мінералів, глини містять також домішки, які суттєво впливають на їх властивості. Частіше це кварц, польові шпати, гіпс, доломіт тощо.

Для виробництва будівельної кераміки застосовують звичайні глини й су-глинки, які містять відповідно 30...40 та 10...30% глинистої речовини. Крім глин у сировинні суміші вводять опіснюючі, вигоряючі добавки, плавні та інші. Опіснюючі добавки (пісок, зола, шлак) знищують пластичність глин і зменшують небезпеку тріщиноутворення при сушінні, вигоряючі (тирса, кам’яне вугілля та інші продукти, що містять паливо) – поліпшують умови випалу, зменшують середню густину та сприяють підвищенню якості виробу.

Основні виробничі процеси технології кераміки є загальними для всіх ви-робів. Такими процесами є видобування глини і підготовка сировини, приго-тування керамічної маси, формування виробів, їх сушіння й випал. Глиниста сировина розробляється у спеціальних кар’єрах багатоківшевими екскавато-рами та іншими засобами механізації. Підготовка сировинних матеріалів включає їх подрібнення, а при необхідності збагачення, сушіння тощо.

Для найбільш розповсюдженого пластичного способу виробництва кера-мічна маса має вологість 18...23%. Вироби формують на стрічкових пресах, в яких маса ущільнюється шнековим механізмом і виходить із мундштука у вигляді стрічки певного перерізу, котра розрізається на окремі вироби зада-них розмірів: цегла, труби тощо.

При напівсухому способі вихідні компоненти попередньо висушують, і керамічна маса набуває порошкоподібного стану з вологістю 8...12%. Вироби із порошків формують на пресах при високому тиску – 10...30 МПа.

Для лиття складних тонкостінних виробів застосовують керамічну масу у вигляді суспензії – шлікеру. Сушать керамічні вироби в сушарках різних конструкцій, для котрих підбирають оптимальний режим, який забезпечує мінімальну кількість браку продукції.

Властивості штучного каменю кераміка набуває після випалювання при 900...1200оС. При випалюванні утворюються нові силікатні сполуки, сиро-винна суміш частково оплавляється та спікається. Вироби масового викорис-тання випалюють у тунельних печах, які являють собою теплові агрегати не-

81

перервної дії у формі тунелю, в середині якого прокладені рейкові колії, по яких пересуваються вагонетки з виробами.

За призначенням керамічні вироби поділяють на стінові – цеглу, керамічні камені, панелі, лицювальні – лицева цегла, плитки для фасадів і внутрішньо-го лицювання, покрівельні – черепиця; для доріг і підлог – клінкерна цегла, плитка; санітарно-будівельні-ванни, умивальники тощо; для підземних кому-нікацій – каналізаційні та дренажні труби; теплоізоляційні – діатомітові, ша-мотні та інші легковагові вироби; легкі заповнювачі для бетонів – керамзит, аглопорит.

С т і н о в і т а о б л и ц ю в а л ь н і в и р о б и . До цієї групи нале-жать керамічна цегла, керамічні камені та плити. Розрізняють звичайну кера-мічну цеглу – для кладки стін та інших частин будівель, лицеву цеглу – для зовнішнього облицювання і цеглу спеціального призначення – для кладки заводських труб, каналізаційних споруд та інших. Цегла має форму прямоку-тного паралелепіпеда і розміри: 250×120×65 (одинарна) або 250×120×88 мм (потовщена). Для керамічної цегли встановлені наступні марки з міцності: 75, 100, 125, 200, 250, 300. Марка відповідає допустимій міцності при стисканні. Крім того, кожній марці цегли повинно відповідати певне значення границі міцності на згинання (від 1,8 для марки 75 до 4,4 МПа для марки 300). Водо-поглинання цегли марок вище 150 повинно складати не менш 6% від маси, для інших марок – не менш 8%. Марки з морозостійкості цегли призначають-ся наступні: 15, 25, 35, 50.

Значний економічний ефект дає перехід на випуск пористих та порожнис-тих керамічних виробів натомість суцільної цегли. При виробництві такої кераміки зменшуються витрати сировини і палива, зростає продуктивність сушарок і печей, знижуються транспортні витрати. Оскільки полегшені кера-мічні вироби мають низьку теплопровідність, зменшується товщина стін, по-легшуються фундаменти. Виробництво полегшених керамічних виробів пот-ребує, однак, більш пластичних глин і більш ретельної переробки сировини.

Індустріалізація стінової кераміки вирішується шляхом виготовлення у заводських умовах із цегли і каменю панелей, застосування котрих для зов-нішніх стін дозволяє зменшити витрати матеріалів, знизити масу стін та кош-ти на кладку.

У будівництві найбільш розповсюджені наступні фасадні матеріали: ли-цева цегла та семи- або дев’ятищілинні камені розміром 250×120×138; мозаї-чні плити розмірами 20×20; 50×50 мм та ін.; плитка типу “кабанчик” розмі-ром 120×65 мм і плитка розміром 145×250 мм. Деякі види фасадних кераміч-них виробів глазурують для захисту від впливу зовнішнього середовища.

Для підлог застосовують плитки із щільної кераміки з водопоглиненням не більш 4% і втратою маси при стиранні не більш 0,1 г/см2 (метлахська пли-тка). Вони мають різні форми і розміри, гладку та негладку поверхню, бува-ють одно- та багатокольоровими. Їх виготовляють із пластичних тугоплавких глин.

82

У шляховому будівництві, також для лицювання гідротехнічних споруд, каналізаційних колекторів та інших споруд застосовують цеглу або плити (клінкерні плити) з високою міцністю при стисканні (50...100 МПа), морозос-тійкістю 30...100 циклів, водопоглинанням 2...6% і опором стиранню 14...18 г/см2.

Скло та скляні вироби.

Скло є одним з основних будівельних матеріалів. Його прозорість, деко-ративно-оздоблюючі якості та інші специфічні властивості дозволили ство-рити конструкції й будівлі, які відповідають високим вимогам сучасного бу-дівництва.

Скло є продуктом швидкого охолодження силікатних розплавів. На відмі-ну від кристалічних тіл скло є ізотропним, тобто його властивості однакові по всім напрямкам. В’язкість скла при нагріванні та охолодженні змінюється не стрибкоподібно, а поступово і неперервно зі зміною температури. Важли-вою ознакою скловидного стану є також здатність до кристалізації у певному інтервалі температур. Прозорість скла є наслідком повної відсутності в ньому міжзернинних границь, які розсіюють світло.

У будівництві застосовують силікатне скло, основними компонентами якого є SіО2, АІ2О3, СаО, МgО, Nа2О або К2О. Так, віконне скло містить біля 72% SіО2, 10% СаО+МgО, 15% Nа2О. Кожен з оксидів має певне функціона-льне призначення. Кремнезем створює просторовий каркас скла і визначає його найважливіші властивості. Оксид натрію прискорює склоутворення, знижує температуру варіння скла, полегшує освітлення скломаси, однак під-вищує коефіцієнт розширення та знижує термічну і хімічну стійкість скла. Оксиди кальцію і магнію підвищують хімічну стійкість скла.

Основні компоненти вводять у сировинну масу (шихту) з піском, польо-вими шпатами, содою, вапняком, доломітом та іншими матеріалами. Для на-дання скломасі необхідних властивостей і прискорення варіння застосовують також допоміжні сировинні матеріали – офарблюючі та освітлюючі, окислю-ючі, відновлюючі тощо.

Сировинні матеріали, які застосовують для скломаси, проходять поперед-ню обробку (збагачення, подрібнення, сушіння) та ретельне перемішування. Найбільш розповсюджені ванні печі неперервної дії. У басейнах таких печей може міститись понад 1000 т скломаси. В один кінець печі завантажується шихта, а в другому неперервно виробляється (витрачається) скло. Процес скловаріння включає наступні послідовні стадії: утворення нових сполук-силікатів; плавлення, видалення газових бульбашок; гомогенізація та охоло-дження до необхідної в’язкості.

Скломаса виробляється різними методами в залежності від виду виробів. Так, листове скло отримують витягуванням або прокатом, склоблоки – пре-суванням із наступним зварюванням, профільне будівельне скло (склопрофі-

83

літ) – прокатом та протягуванням крізь формуючі пристосування для надання коробчатого або швелерного перерізу.

При охолодженні скла внаслідок виникнення перепаду температур між поверхневими та внутрішніми шарами утворюються залишкові напруження, котрі можуть бути усунутими відпаленням – повільним охолодженням виро-бів до нормальної температури. Для звичайного будівельного скла крім про-зорості є характерною висока механічна міцність, хімічна стійкість, звукоізо-лююча здатність, низька теплопровідність.

Суттєво знижують міцність скла тріщини, подряпини та інші ушкодження і, навпаки, міцність зростає після хімічної обробки та гартування.

Крихкість – одна з найбільш характерних властивостей скла. Вона змен-шується при збільшенні вмісту В2О3, SіО2, Аl2О3, також після гартування.

Для скла є характерною також низька термічна стійкість, тобто низький опір перепаду температур.

Основним видом продукції промисловості з виробництва скляних виробів є л и с т о в е с к л о , котре виготовляють неполірованим та полірованим, відпаленим та загартованим, прозорим та кольоровим, плоским, хвилястим, гнутим. Сорт скла встановлюється в залежності від наявності таких дефектів, як: смугастість (нерівність поверхні), свиль (нитковидні порожнини), газові та інші сторонні включення тощо.

В і к о н н е с к л о виготовляють у вигляді листів товщиною 2...6 мм та розмірами від 250×250 до 2000×2200 мм.

Для утримування уламків при пошкодженні скла в нього запресовують металеву сітку. Таке армоване скло застосовують для улаштування ліхтарів, перегородок, огороджень балконів, тобто там, де від матеріалу потребується підвищена механічна міцність та безпека.

Поряд з армованим ефективним способом підвищення механічної міцнос-ті є гартування скла, котре полягає у нагріванні до 600оС з наступним швид-ким охолодженням на повітрі.

С к л я н і б л о к и виготовляються квадратними і прямокутними із безфарбного або кольорового скла. Конструкції із склоблоків створюють м’яке розсіяне освітлення і мають високу тепло- та звукоізоляційну здатність. Ці властивості з успіхом використовуються при заповненні пройомів у зов-нішніх стінах, при улаштуванні покрить та світлопрозорих перегородок.

С к л о п а к е т и – це вироби із двох або трьох шарів листового скла, між котрими є герметичні повітряні прошарки. Віконні блоки із пакетного скла мають кращі показники ніж із звичайного у подвійній оправі. Разом з тим їх застосування приводить до суттєвої економії лісних матеріалів, підви-щує індустріальність скління будівель.

С к л о п р о ф і л і т и – профільне скло швелерного або коробчатого перерізу – характеризується високою механічною міцністю, може служити для скління огороджень і самонесучих стін, для улаштування в середині них перегородок, віконних пройомів і прозорих плоских покрівель. Завдяки вели-

84

ким габаритам (довжина склопрофіліту біля 7 м) при склінні профільним склом відсутня необхідність у застосуванні проміжних рамних оправ.

С к л я н і т р у б и служать для улаштування трубопроводів, які транс-портують хімічні агресивні рідини, гази, харчові продукти, сипкі та інші ма-теріали. Ці труби експлуатуються в умовах температурного перепаду 40...80оС і робочого тиску 0,2...0,7 МПа. Діаметр скляних труб – до 200 мм. Вони не підлягають корозії і пропускна здатність їх на 22% більша, ніж чаву-нних, і на 6,5% більш висока, ніж сталевих, при умовах рівного внутрішнього тертя.

С к л о в о л о к н и с т і м а т е р і а л и виготовляють із скляного во-локна. Розрізняють волокно неперервне та штапельне (довжина біля 50 см). Скляне волокно та матеріали на його основі мають високу міцність при роз-тягненні (200...400 МПа), відносно невелику середню густину, високі діелек-тричні і звукоізоляційні властивості, стійкість проти хімічного та біологічно-го впливу (крім скла лужного складу). Бувають ткані та неткані скломатеріа-ли. До тканих належать склотканина, сітки, стрічки, до нетканих – скляна вата, полотно тощо. Ці матеріали широко застосовують для захисту дренаж-них систем від замулення.

Із силікатних розплавів отримують також склокристалічні матеріали, кот-рі містять як скловидну, так і кристалічну фази. Це дозволяє поліпшити їх механічні властивості, підвищити термічну і антикорозійну стійкість, сти-ранність тощо. До таких матеріалів належать ситали, шлакоситали, кам’яне литво.

С и т а л и – це продукти кристалізації малолужного скла, яка здійсню-ється за спеціальним режимом термообробки. У будівництві все більш вико-ристовуються шлакоситали (різновид ситалів), які виготовляються з розпла-вів металургійних шлаків при введенні спеціальних добавок. Шлакоситали застосовують для покриття підлог, опорядження будівель, виготовлення сті-нових та облицювальних панелей, санітарно- технічних виробів та ін.

К а м ’ я н і л и т і в и р о б и отримують шляхом плавлення основних вивержених або осадових гірських порід і шлаків з наступною розливкою розплаву у форми і термічною обробкою для того, щоб здійснити кристаліза-цію і зняти напруження. За міцністю, середньою густиною, стійкістю до хімі-чного впливу, опором стиранню та низкою інших властивостей кам’яні литі вироби перевершують природні камені. Недоліком кам’яного лиття, як і ін-ших кам’яних матеріалів і скла, є крихкість та порівняно низька міцність при розтягненні і згинанні. Основними видами литих виробів є плити, лицюваль-ні плитки, труби та інші деталі, призначені для роботи у жорстких експлуата-ційних умовах.

85

ЗМІСТОВИЙ МОДУЛЬ 2.3 Органічні в'яжучі та полімерні матеріали

Бітумні і дьогтеві в’яжучі. Бітумні і дьогтеві в’яжучі належать до класу органічних в’яжучих речо-

вин, які мають в’яжучу здатність і складаються, як правило, із високомолеку-лярних органічних сполук. На відміну від мінеральних, органічні в’яжучі твердіють не внаслідок взаємодії з водою, а в результаті складних фізико-хімічних процесів структуроутворення, окислення, полімеризації, тощо. Най-більше значення мають дві групи органічних в’яжучих: ті, що виготовляють-ся після перегонки природних органічних речовин (бітумні і дьогтеві продук-ти), та ті, що утворюються синтезом із низькомолекулярних сполук (синтети-чні полімери). Для органічних в’яжучих є характерною висока водо- та хімі-чна стійкість, клеюча здатність і пластичність.

У будівництві органічні в’яжучі застосовують для гідроізоляційних, анти-корозійних, зносостійких покрить, у вигляді герметиків, тощо.

Б і т у м и являють собою суміші високомолекулярних вуглеводів та їх неметалевих похідних. Природні бітуми утворюються внаслідок окислення нафти: вони звичайно просочують пористі гірські породи. Із цих, так званих асфальтових, гірських порід бітум вилучають за допомогою органічних роз-чинників. У будівництві розповсюджені штучні або нафтові бітуми – залиш-кові продукти перегонки нафти, що утворюються після виходу масла із мазу-ту або гудрону. Для підвищення в’язкості залишкові бітуми окислюють пові-трям при температурі 180...280оС.

Основними компонентами бітумів є масла, смоли й асфальтени. Масла та розчини смол є рідким середовищем, у якому дисперговані тверді асфальтени – кристалічні речовини з молекулярною масою понад 5000. Бітуми належать до високодисперсних колоїдних речовин. Їх агрегатний стан та основні влас-тивості залежать від співвідношення масла, смол та твердих компонентів, а також від температури.

Основними якісними показниками бітумів та дьогтів є в’язкість, деформа-тивність та теплостійкість. Із зростанням вмісту масел знижується в’язкість, зростає деформативність та зменшується температура розм’якшення. Смоли обумовлюють в’яжучі властивості бітумів, надають їм пластичність, збіль-шують клеючу (адгезійну) здатність. Асфальтени у бітумах та вільний вуг-лець у дьогтях підвищують температуру розм’якшення і твердість.

В’язкість рідких бітумів визначається віскозиметрами за часом витікання проби крізь отвори діаметром 5 або 10 мм при постійній температурі (30 або 500С). У напівтвердих і твердих бітумів в’язкість умовно оцінюють за глиби-ною проникнення голки певного діаметра при температурі 250С у градусах пенетрації (градус складає 0,1 мм).

86

Деформативність бітумів характеризується розтягненістю (дуктильністю) – здатністю витягуватись у нитку. Якщо більше розтягненість, то буде й вище пластичність бітуму.

Тверді бітумні матеріали, як і інші речовини аморфної будови, не мають певної точки плавлення, а характеризуються температурою розм’якшення, яка визначається на стандартному приладі “Кільце і куля”. Температура розм’якшення фіксується під час вичавлювання розрідженого бітуму із кіль-ця під дією кульки.

За необхідністю визначаються також інші властивості бітумів – темпера-тура спалаху, крихкість, розчинність, тощо. Основні властивості бітумів ма-ють взаємозв’язок. Так, при зростанні пенетрації (глибини проникнення гол-ки) зростає розтягненість і знижується температура розм’якшення, а при зме-ншенні – навпаки.

Бітумні в’яжучі є гідрофобними матеріалами, вони не змочуються і не ро-зчиняються у воді. Середня густина їх 0,9...1,3 г/см3. Їх пористість дуже низь-ка, а водостійкість висока, тому вони з успіхом використовуються як основ-ний компонент гідроізоляційних матеріалів з високою водонепроникністю.

Бітуми й дьогті хімічно інертні до водневих розчинів мінеральних солей і кислот, що дозволяє широко їх застосовувати у будівництві для антикорозій-ного захисту. Агресивну дію цим матеріалам можуть надати концентровані луги й кислоти з високою окислюючою здатністю.

Для бітумів, як і для інших органічних в’яжучих, є характерною здатність до старіння, сутність якого полягає у підвищенні крихкості і зменшенні трі-щиностійкості внаслідок послідовного окислення компонентів під дією атмо-сферних факторів.

В залежності від призначення розрізняють дорожні, будівельні, покріве-льні та ізоляційні бітуми. Вони відрізняються значеннями пенетрації, розтяг-неності і температури розм’якшення (табл. 2.12).

Бітуми застосовують: дорожні – для виготовлення гідроізоляційних роз-чинів асфальтових бетонів, будівельні – для виготовлення асфальтових мас-тик, бітумно-гумових матеріалів; покрівельні – для отримання покрівельних мастик і рулонних матеріалів; ізоляційні – для захисту підземних трубопро-водів.

Д ь о г т і є близькими до бітумів за хімічним складом і властивостями. Отримують їх шляхом деструктивної (без доступу повітря) перегонки твер-дих видів палива. У будівництві застосовують відігнані дьогті, що отримують після відгонки із сирого дьогтю (продукт коксування вугілля) летких та водо-розчинних компонентів, а також складені дьогті, які отримують змішуванням у варильних котлах пеку й антраценового масла (пек – твердий залишок після перегонки сирого дьогтю). Дьогті поділяють на марки в залежності від в’язкості та інших показників.

Таблиця 2.12

87

Основні властивості нафтових бітумів

Марка бітуму Температура

розм’якшення, °С, не нижче

Пенетрація 0,1 мм при 25°С

Розтягненість при +25°С, см, не

менше Бітуми дорожні в’язкі

БНД 200/300 35 201...300 не нормується БНД 130/200 40 131...200 65 БНД 90/130 45 91...130 60 БНД 60/90 48 61...90 50 БНД 40/60 52 40...60 40

Бітуми будівельні БН 50/50 50 41...60 40 БН 70/30 70 21...40 3 БН 90/10 90 5...20 1

Позитивною особливістю дьогтів на відміну від бітумів є здатність захи-

щати просочені матеріали від загнивання. Разом з тим дьогті більш швидко старіють, менш стабільні при коливаннях температури, токсичні. Підвищена біостійкість і атмосферостійкість досягається при змішуванні бітуму й дьог-тю. Дьогтебітумні композиції містять 65...70% бітуму і 25...30% дьогтю. Сут-тєво поліпшити властивості бітумів та дьогтів можна введенням добавок по-лімерів.

Асфальтові розчини та бетони. А с ф а л ь т о в і р о з ч и н и і б е т о н и ( а с ф а л ь т о б е т о -

н и ) – матеріали, які отримують при ущільненні раціонально підібраної су-міші бітуму, мінерального порошку і заповнювачів. Заповнювачем є пісок та щебінь або гравій. В асфальтових розчинах (піщаних асфальтобетонах) запо-внювачем є тільки пісок.

В залежності від температури суміші асфальтобетони поділяють на гарячі, теплі і холодні. Гарячі вкладають при температурі маси не нижче 1200С, теплі – 600С. Холодні асфальтобетони мають температуру маси 25...300С; їх вкла-дають при температурі навколишнього середовища повітря не нижче 100С.

Для отримання гарячих асфальтобетонів застосовують в’язкі бітуми марок БНД 90/130, БНД 60/90 і БНД 40/60, для теплих – більш м’які або рідкі біту-ми, а холодних – тільки рідкі бітуми. Гарячі та теплі асфальтобетони вигото-вляють крупнозернистими (розмір зерен до 40 мм), середньозернистими (до 20 мм), дрібнозернистими (до 10...15 мм) та піщаними (до 5 мм). Холодні асфальтобетони бувають, як правило, тільки дрібнозернистими або піщани-ми. В теплих і холодних асфальтобетонах формування структури здійснюєть-ся значно повільніше, ніж в гарячих. Для холодних асфальтобетонів є харак-терною менша міцність та деформативна стійкість, особливо при високих

88

температурах. Позитивною особливістю холодних асфальтобетонів є здат-ність тривалий час зберігатись у пухкому стані біля 10 місяців.

До заповнювачів асфальтових бетонів ставляться такі ж приблизно вимо-ги, як і до заповнювачів цементних бетонів. Мінеральний порошок поліпшує основні властивості асфальтобетонів через зв’язування бітуму і покращення його структури. Як мінеральний порошок застосовують тонко помелені кар-бонатні породи – вапняки, доломіти, також металургійні шлаки, кам'яновугі-льну золу, цементний пил тощо. При проектуванні складу асфальтобетону необхідно, щоб гранулометричний склад мінеральної частини забезпечував максимальну щільність суміші.

Щільні асфальтобетони мають залишкову пористість 2,5...3%, пористі – 5...10%. За консистенцією суміші під час укладання розрізняють жорсткі, пластичні та литі асфальтобетони. За виробничим призначенням асфальтобе-тони поділяють на дорожні, аеродромні, гідротехнічні, декоративні та інші.

У гідротехнічному будівництві для литої та штукатурної гідроізоляції, протифільтраційних екранів, облицювальних покрить застосовують гарячі щільні гідротехнічні асфальтобетони. Теплі та холодні суміші застосовують для улаштування основ та нижніх шарів покрить. Для улаштування литої та штукатурної гідроізоляції застосовують асфальтові розчини, що виготовля-ються із суміші бітумів, піску та мінерального порошку. Пісок повинен бути чистим, містити відмулених частинок не більш 3% за масою. Пісок не пови-нен містити частинок понад 2,5 мм, а вміст частинок дрібніше 0,14 мм не по-винен перевищувати 15%. Модуль крупності піску може складати 1,5...3. Для підвищення теплостійкості та динамічної міцності до складу штукатурних асфальтів додають коротковолокнистий азбест та полімерні добавки.

Одним з головних показників якості асфальтобетонів є границя міцності при стисканні, вона визначається шляхом випробувань зразків-циліндрів при 0; 20 та 50°С. Відношення міцності при нормальній температурі до міцності при 50°С характеризує теплостійкість, а до міцності при 0°С – деформативну здатність і тріщиностійкість асфальтових бетонів при низьких температурах.

Для асфальтобетонів нормуються також водостійкість, водопоглинання й набухання. На відміну від звичайного дорожного, гідротехнічний асфальто-бетон повинен мати високу водонепроникливість, водостійкість, теплостій-кість, хімічну стійкість, еластичність (табл. 2.13).

Вміст бітуму і мінерального порошку в ньому на 1...2% більше, ніж в до-рожному.

Асфальтові суміші виготовляють на спеціалізованих підприємствах, звід-ки їх у гарячому, теплому або холодному стані постачають до місця вкладан-ня.

Виробництво гарячих асфальтових сумішей включає сушіння й підігрів до 200°С заповнювачів, класифікацію їх на фракції, помел й підігрівання міне-рального порошку, плавлення бітуму у варильних котлах при температурі біля 170°С, дозування й ретельне перемішування компонентів. Технологіч-

89

ний процес виготовлення холодних асфальтових сумішей відрізняється тіль-ки температурним режимом.

Таблиця 2.13 Вимоги до гідротехнічних асфальтобетонів

Показники Щільний Пористий

норма-льний

поліп-шений

норма-льний

поліп-шений

Границя міцності при стисканні, МПа, не менш: при 200С при 500С 2,5

1,2 3

1,5 1,6 0,6

2 0,8

Коефіцієнт теплостійкості, не менш 3 2,5 4 3,5 Коефіцієнт водостійкості при випробу-ванні під вакуумом 0,85 0,9 0,75 0,8

Коефіцієнт еластичності 2...3 2...2,8 2...4 2...4 Залишкова пористість, % 1...3 1...2,5 6..20 4..8 Водопоглинання під вакуумом, % об’єму, не більш 2 1,5 1,5 7,5

Будівельні матеріали та вироби із пластичних мас.

П л а с т и ч н и м и м а с а м и називають матеріали, в яких в’яжучим є синтетичні високомолекулярні сполуки – полімери. Завдяки деяким позити-вним властивостям – легкості, високій механічній міцності, стійкості у воді і різних агресивних середовищах, зносостійкості – пластмасові будівельні ма-теріали все більш широко застосовуються у всіх галузях будівництва. З них виготовляють труби, конструкційні, гідроізоляційні, лицювальні, покрівельні, герметизуючі матеріали, полімерні розчини та бетони та багато інших мате-ріалів і виробів.

О с н о в н і к о м п о н е н т и п л а с т и ч н и х м а с . Основними компонентами пластичних мас є зв’язуючі (полімери) та на-

повнювачі. При необхідності вводять також різноманітні добавки – пластифі-катори, стабілізатори тощо.

С и н т е т и ч н і п о л і м е р и – високомолекулярні сполуки, які отримують із низькомолекулярних речовин – мономерів в результаті реакцій полімеризації і поліконденсації. Молекулярна маса полімерів звичайно не менше 10000. До складу їх макромолекул належить понад 1000 атомів. Полі-мери класифікують за різноманітними ознаками: способом отримання, особ-ливостями розташування атомів в молекулі та довжині основного ланцюга, відношенням до температури, фізико-механічними властивостями, хімічним складом та ін. Вихідними матеріалами для виробництва синтетичних поліме-рів обох груп є природний газ, кам’яне вугілля, нафта. Із вихідної сировини

90

виготовляють низькомолекулярні сполуки – мономери. В залежності від спо-собу отримання полімери поділяють на полімеризаційні та поліконденсаційні.

П о л і м е р и з а ц і я – це реакція, при якій високомолекулярна сполука виникає із низькомолекулярної (мономера) без відщеплення побічних про-дуктів. Прикладом полімеризації є реакція утворення поліетилену (-СН2-СН2)n із мономера – етилену СН2 = СН2: ...+СН2 = = СН2+СН2 = СН2+…=…-СН2-СН2-СН2-СН2-...

Високомолекулярні сполуки при полімеризації утворюються за рахунок розімкнення кратних зв’язків або кілець у циклічних сполуках під дією різ-них факторів: температури, світла, каталізаторів тощо.

П о л і к о н д е н с а ц і я – це реакція, при якій створюються високомо-лекулярні сполуки (поліконденсати), а як побічні – низькомолекулярні про-дукти (вода, спирт, вуглекислий газ та інші). Поліконденсати звичайно мають короткі ланцюги і меншу молекулярну масу порівняно з полімеризаційними полімерами. Як полімеризаційні, так і поліконденсаційні полімери мають лінійну, гілчасту або просторову будову макромолекул. Полімери, що здатні при нагріванні багаторазово розм’якшуватися і набувати пластичність, а при охолодженні тверднути, називають т е р м о п л а с т и ч н и м и . Термопла-стичні полімери мають лінійну або гілчасту структуру і отримуються пере-важно реакцією полімеризації (поліетилен, полівінілацетат, полівінілхлорид та інші). Полімери із просторовою будовою макромолекул не можуть після отвердіння знову при нагріванні набувати пластичності, і їх називають т е р м о р е а к т и в н и м и (реактопластами). До них належить більшість поліконденсаційних смол (фенолформальдегідні, епоксидні тощо). Якщо такі полімери мають більше поперечних зв’язків (густіша “сітка”), то їх міцність та пружність вище, нижче текучість тощо.

Характерними фізико-механічними властивостями, за якими класифіку-ють полімерні матеріали, є пружність і деформативна здатність. Високомоле-кулярні сполуки, які здатні під дією зовнішніх сил деформуватись обернено, називають е л а с т и ч н и м и (еластомірами), а ті, що деформуються плас-тично, тобто необернено – п л а с т и к а м и (пластомірами). До еластиків належать, наприклад, різноманітні каучуки, а до пластиків – більшість полі-мерів, які утворюють пластмаси.

Н а п о в н ю в а ч і вводять для поліпшення низки властивостей та зни-ження вартості пластмаси. Наповнювачі бувають органічні і мінеральні, по-рошковидні, волокнисті, листові. Порошковидними наповнювачами є тирса, деревинне і кварцове борошно, тальк та інші. Із сумішей порошковидних на-повнювачів і полімерів отримують прес-порошки, із котрих виготовляють вироби і деталі різного призначення із високою ударною міцністю і водо- та хімічною стійкістю.

Особливо високі механічні властивості надають пластмасам волокнисті та листові наповнювачі. Із волокнистих наповнювачів застосовують скловолок-но, азбест, бавовну, синтетичні волокна, із листових – папір, фольгу, тканину.

91

Для підвищення пластичності полімерів, їх гнучкості, розтягнення і по-ліпшення умов переробки на пластмаси додають добавки – пластифікатори. Для уповільнення і запобігання процесу старіння полімерів вводять добавки – стабілізатори.

Властивості пластичних мас.

Властивості пластмас змінюються в залежності від виду полімерного зв’язуючого та наповнювача, їх співвідношення, виду добавок тощо. Загаль-ними властивостями пластмас є їх порівняно низька дійсна густина (не більш як 2000 кг/м3), висока міцність при стисканні та розтягненні, хімічна стій-кість, здатність легко та стало офарблюватись, стійкість проти стираючих зусиль, висока технологічність (здатність до обробки, до склеювання та зва-рювання тощо).

Одним з найважливіших критеріїв ефективності будівельних матеріалів є к о е ф і ц і є н т к о н с т р у к т и в н о ї я к о с т і – відношення границі міцності при стисканні до середньої густини. Цей коефіцієнт для полімерів та щільних пластмас на їх основі є значно більш високим, ніж для більшості інших будівельних матеріалів, та дорівнює 1…2 або понад 2.

Полімерні матеріали необернено деформуються при тривалих наванта-женнях. Модуль пружності їх порівняно низький. Повзучість пластмас суттє-во обмежує експлуатаційні навантаження при використанні їх як конструк-ційних матеріалів.

Теплопровідність пластмас порівняно невисока і коливається від 0,28 до 0,46 Вт/(м·°С). На практиці слід враховувати значне теплове розширення по-лімерних матеріалів, воно у поліетилену, наприклад, більше, ніж у сталі у 30 разів. Високе термічне розширення в сполученні із низькою теплопровідніс-тю може викликати в пластмасах внутрішні напруження та появлення трі-щин. Для більшості пластмас є характерними низька теплостійкість, горю-чість. Під зовнішнім впливом середовища в полімерних матеріалах, внаслі-док складних хімічних та фізико-хімічних процесів, здійснюється необернена зміна важливих експлуатаційних властивостей – старіння.

Конструкційні матеріали із пластмас. Вироби із пластмас отримують різноманітними методами, вибір яких за-

лежить від властивостей компонентів, конфігурації виробів тощо. Так, виро-би із термопластичних полімерів отримують шляхом лиття або екструзії – вичавлювання крізь мундштук, а із теплореактивних полімерів – гарячим пресуванням.

К о н с т р у к ц і й н і п л а с т м а с и . Для несучих та огороджуваль-них конструкцій, що сприймають навантаження і забезпечують захист споруд та необхідний температурно-вологісний режим, застосовують деревношарові пластики, склопластики, листовий вініпласт, оргскло, полімерні бетони.

92

Д е р е в н о ш а р у в а т і п л а с т и к и - різновид пластмас наповню-вачем яких є деревний шпон, тобто тонкі листи деревини товщиною 0,3...2,1 мм, що одержують за допомогою лущильних верстатів з розпарених кряжів берези, вільхи та бука. Шпон просочують розчинами фенолформальдегідних полімерів і збирають в пакети, що піддають гарячому пресуванню на гідрав-лічних пресах. Листи деревно-шаруватих пластиків виготовляють довжиною 700... 5600 мм і товщиною 1...60 мм. Середня густина їх складає 1250...1330 кг/м3, границя міцності при розтязі вздовж волокон 140...260 МПа, водопог-линання за 24 год не більше 2...3%.

За основними фізико-механічними властивостями деревно-шаруваті плас-тики перевершують вихідну деревину. Їх можна застосовувати для виготов-лення різних несучих конструкцій – балок, ферм, арок, а також деталей в сти-кових та вузлових сполученнях клеєних клеєфанерних конструкцій.

С к л о п л а с т и к и завдяки високій міцності, легкості, стійкості в різ-них середовищах і прозорості широко застосовуються в будівництві.

Наповнювачем склопластиків є скляне волокно у вигляді ниток, джгутів і тканин. Скляне волокно має міцність при розтязі 300...500 МПа при діаметрі відповідно 50...3 мкм. Як зв'язуючі застосовують фенолформальдегідні, епок-сидні, поліефірні, поліамадні та кремнійорганічні смоли.

Властивості склопластиків залежать від виду скловолокнистого наповню-вача, смоли та від їх співвідношення. При паралельному розміщенні волокон чи джгутів виготовляють орієнтовані склопластики, до яких відносяться скловолокнистий анізотропний матеріал (СВАМ), що має особливо високу міцність. Міцність СВАМ при повздовжньому чи поперечному розтязі не менша 350...450 МПа, а при розтязі під кутом 45° — майже в 2 рази нижча.

Міцнісні показники склопластиків знижуються під дією підвищених тем-ператур і води. Склопластики можуть піддаватися всім видам механічної об-робки.

Легкі конструкції на основі склопластиків дозволяють зводити будови в 8 раз легші, ніж з крупних залізобе-тонних панелей.

Найбільш розповсюджені в будівництві напівпрозорі та про-зорі листи склопластиків на осно-ві поліефірних полімерів. Світло-пропускання їх до 90 % на 1,5 мм товщини, в тому числі до 30% в ультрафіолетовому спектрі. Світ-лопрозорі склопластики застосо-вують для несучих елементів світ-лопропускаючих панелей стін; покриття типу оболонок і т.п. (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Конструкція оболонки із склопластику

93

Із склотканин, просочених полімерним зв'язуючим, можна отримати лис-товий матеріал - с к л о т е к с т о л і т .

О р г а н і ч н е с к л о — прозора безбарвна термопластична пластма-са. Найважливішими особливостями його є висока ударна міцність і здатність пропускати ультрафіолетові промені. Оргскло добре формується у вироби при температурі 105...170°С, склеюється та зварюється, легко утворює кри-волінійні поверхні і піддається механічній обробці. Середня густина його близько 1200 кг/м3. Випускають оргскло в листах і блоках різної товщини і марок. Органічне скло ефективно застосовують для світлопрозорих огоро-джень. Особливо доцільно використовувати оргскло для будівництва теплиць і парників.

В п о л і м е р б е т о н а х роль в'яжучого виконують синтетичні полі-мери: фенолформальдегідні, фуранові, поліефірні, епоксидні та ін. Для виро-бництва полімербетонів одержали розповсюдження фурфуролацетонові по-лімери (ФА, ФАМ та ін.), які є різновидом фуранових смол. Як затверджувач фурфуролацетонових полімерів застосовують сульфокислоти (бензосульфо-кислоту, сірчану кислоту), хлориди заліза чи алюмінію та ін. Відмінною осо-бливістю полімербетонів є висока хімічна стійкість. В кислих і окислюваль-них середовищах поряд з фурановими є стійкими полімербетони на поліефір-них і фенолформальдегідних смолах. Для останніх характерна також висока радіаційна стійкість.

Комплексом позитивних особливостей, в тому числі високою водостійкіс-тю, стійкістю до змочування, хімічною стійкістю, адгезійною здатністю, ха-рактеризуються полімербетони на епоксидних смолах. Як затверджувачі до них застосовують поліаміни, аміди, щавелеву кислоту, ангідриди (малеїно-вий, фталевий та ін.), а також деякі інші сполуки. На відміну від інших кон-денсаційних полімерів епоксидні смоли тверднуть без виділення побічних продуктів, що полегшує виготовлення виробів та підвищує їх якість. Для по-кращення деформативних властивостей епоксидні смоли поєднують з плас-тифікаторами. Вони часто застосовуються також в комбінації з іншими полі-мерами, що покращують ряд властивостей та знижують вартість епоксидних сумішей.

Полімерний характер в'яжучого в полімербетонах обумовлює їх високу міцність не тільки при стиску, але й при згині та розтязі. Так, міцність при згині поліефірних та епоксидних бетонів досягає 35...45 МПа.

Полімербетони застосовують для стійких до зношення облицювань на гір-ських водозабірних спорудах, які захищають цементний бетон від дії донних наносів, а також на високонапірних гідроелектростанціях, де швидкості по-току у водопропускних спорудах досягають 35...50 м/с. Вони ефективні та-кож для виготовлення траверс ВЛ, контактних опор та інших конструкцій з високим електроопором.

94

ЗМІСТОВИЙ МОДУЛЬ 2.4 Теплоізоляційні і акустичні матеріали, деревина, метали та вироби з них

Т е п л о і з о л я ц і й н и м и називають матеріали, які мають низьку

теплопровідність і призначені для теплової ізоляції будівельних конструкцій, промислового обладнання та трубопроводів. Застосування теплоізоляційних матеріалів дозволяє знизити масу огороджуючих та несучих конструкцій, витрати палива й електроенергії. На відміну від теплоізоляційних, а к у с -т и ч н і м а т е р і а л и призначені для забезпечення необхідних умов слухового сприймання, зниження рівня шуму, також звукоізоляції примі-щень.

Головна особливість теплоізоляційних та акустичних матеріалів – це ви-сока пористість, яка забезпечує їх низьку тепло- та звукопровідність.

Загальна характеристика теплоізоляційних матеріалів.

К л а с и ф і к а ц і я т а с п о с о б и о т р и м а н н я . Теплоізоля-ційні матеріали класифікуються (табл. 2.14) за щільністю і призначенням, будовою, видом основної сировини, формою та зовнішнім виглядом.

Таблиця 2.14 Класифікація теплоізоляційних матеріалів Формовані (штучні) Сипкі Жорсткі Гнучкі

Неорганічні матеріали Мінераловатні з бітумним або синтетичним зв’язуючим Піноскляні Перлітні Вермикулітові Газо– й пінобетонні Газо– й піносилікатні Керамічні Азбестомісткі

Мінераловатні (скловатні) мати прошивні Джгут мінеральний Шнур азбестомагне-зіальний Азбестовий папір, картон

Мінеральна вата необ-роблена або гранульова-на Скляна вата Перліт спучений Діатоміт (трепел) Шлаки і золи паливні Шлаки гранульовані доменні Пемза, вулканічний попіл Азбестотрепельний, азбестомагнезіальний порошок

Органічні матеріали Деревноволокнисгі плити Деревностружечні плити Фібролітові Торфяні Комишитові плити Пластмаси пористі

Войлок будівельний Картон гофрований Мати з пористого поліуретану

Пінополістирол (стіро-пор)

95

Середня густина є найважливішим показником теплоізоляційних матеріа-лів. В залежності від середньої густини їх розподіляють на марки: 15, 25, 35, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700.

За призначенням теплоізоляційні матеріали класифікують на власне теп-лоізоляційні (для утеплення будівельних конструкцій), теплоізоляційно-конструкційні (одночасно несучі, огороджуючі та утеплюючі конструкції), теплоізоляційно-монтажні (для теплової ізоляції трубопроводів і промисло-вого обладнання), також спеціальні теплогідроізоляційні матеріали.

За структурою теплоізоляційні матеріали розподіляються на зернисті (си-пкі), ніздрюваті та волокнисті.

Зерниста структура утворюється при механічному подрібненні або грану-ляції вихідних матеріалів.

Ніздрювата структура може бути отримана внаслідок газоутворення, спі-нювання, спучення деяких гірських порід при швидкому нагріванні, при вве-денні вигоряючих або інших добавок.

Волокнисту структуру мають теплоізоляційні матеріали із деревини та інших рослинних продуктів, також азбест, мінеральна або скловата. Органіч-ні волокна отримують шляхом подрібнення деревини механічним, термо- або хіміко- механічним способами. Для інтенсифікації процесу деревину попере-дньо пропарюють або обробляють в лугах.

Штучні мінеральні волокна отримують шляхом плавлення гірських порід, металургійних шлаків, скла з наступною обробкою розплаву дуттєвим або відцентровим способом.

Теплоізоляційні вироби із волокнистої сировини отримують шляхом за-стосування різних в’яжучих (цементу, бітуму, полімерів тощо). Для скріп-лення волокон використовуються й інші способи: прошивання дротом, пере-плетіння.

Властивості теплоізоляційних матеріалів обумовлені їх високою пористіс-тю. Показниками якості цих матеріалів є теплопровідність та середня густи-на, також міцність, хімічна, водо- та біостійкість, вогне- та термостійкість, газо- й паронепроникність, акустичні властивості.

Теплопровідність теплоізоляційних матеріалів дорівнює 0,029...0,21 Вт/(м·°С). Для матеріалів з високою пористістю вона є близькою до теплоп-ровідності повітря (0,025 Вт/(м·°С)) і зменшується із зменшенням розмірів пор. Теплопровідність матеріалів знижується з ускладненням хімічного скла-ду та при аморфній структурі, а зростає з підвищенням вологості і темпера-тури матеріалів. Деяким орієнтиром про величину теплопровідності є серед-ня густина матеріалу.

Міцність теплоізоляційних матеріалів звичайно дорівнює 0,1...1,5 МПа, а теплоізоляційно-конструкційних – 3,5 МПа та більше. Більш високу міцність мають матеріали з рівномірно розподіленими дрібними порами та армовані різними волокнами.

96

В залежності від сировини теплоізоляційні матеріали бувають органічни-ми та неорганічними.

Органічні теплоізоляційні матеріали.

Органічні теплоізоляційні матеріали виготовляють на основі деревини або іншої рослинної сировини, шерсті тварин, полімерів.

Т е п л о і з о л я ц і й н і м а т е р і а л и н а о с н о в і д е р е -в и н и . Найбільш розповсюджені із цих матеріалів фіброліт, арболіт, дере-воволокнисті та деревостружечні плити.

Ф і б р о л і т отримують у вигляді плит із деревної шерсті (спеціально виготовленої стружки), портландцементу або іншого мінерального в’яжучого. Деревна шерсть попередньо мінералізується хлористим кальцієм для зменшення шкідливої дії цукристих речовин. Суміш формується під тис-ком від 0,1 до 0,4 МПа Після твердіння плити висушують до вологості не більше 20 . Для теплової ізоляції застосовують фіброліт середньою густиною до 400 кг/м3 Він добре обробляється і зчіплюється із штукатурним шаром, в нього легко забити цвяхи.

А р б о л і т – це різновид легкого бетону на заповнювачах рослинного походження. Найбільш часто для нього використовують подрібнені хвойні породи, іноді – тріску, стружку, відходи сільськогосподарського виробницт-ва. Технологія виготовлення арболітних виробів включає підготовку сирови-ни, виготовлення суміші та її вкладання у форми, твердіння та сушіння. Пли-ти та блоки із арболіту мають середню густину до 500 кг/м3 міцність при сти-сканні – до 3,5 МПа.

Д е р е в н о с т р у ж е ч н і п л и т и – це матеріал, який отримують гарячим пресуванням подрібненої деревини із добавкою зв'язуючих полімер-них речовин. Для теплової ізоляції застосовують легкі плити середньою гус-тиною 200...400 кг/м3. Більш важкі плити застосовують як опоряджувальний матеріал.

Д е р е в н о в о л о к н и с т і п л и т и – це матеріал, який формується із волокнистої маси з наступною тепловою обробкою. Для теплоізоляції за-стосовують м’які плити середньою густиною не більше 350 кг/м3 та мініма-льною міцністю при згинанні від 0,4 до 2 МПа.

Т е п л о і з о л я ц і й н і п л а с т м а с и . За структурною ознакою їх умовно класифікують на ніздрюваті або пінисті (пінопласти); пористі (поро-пласти); сотові (сотопласти).

Пінопласти на відміну від поропластів характеризуються комірками, які не сполучені між собою та заповнені газом. Піно- та поропласти отримують шляхом спінювання розм’якшених при нагріванні полімерів в результаті ро-зширення газів, що виділяються при термічному розкладанні речовин.

Сотопласти отримують шляхом склеювання гофрованих листів або бло-ків, котрі далі просочують термореактивними полімерами та отверджують з фіксуванням структури сотопластів.

97

Властивості теплоізоляційних пластмас залежать від структури, властиво-стей полімерів та спінюючих газів, також від середньої густини. За теплоізо-ляційними властивостями вони перевершують більшість звичайних матеріа-лів. Однаковий термічний опір має шар бетону товщиною 100, порожнистої цегли – 50, пемзобетону – 40, деревини –20, пінополістиролу – 1,5см.

Середня густина теплоізоляційних пластмас коливається від 10 до 250 кг/м3. Самий легкий матеріал (10...15 кг/м3) – міпора, вона являє собою піно-пласт із сечовиноформальдегідного (карбамідного) полімеру.

При середній густині 100...250 кг/м3 пластмаси мають границю міцності при стисканні і розтягненні від 1,5 до 4 МПа, а при згинанні від 3,5 до 7,7 МПа. Особливо легкі пластмаси (15...30 кг/м3) мають невелику міцність і зна-чну крихкість. Механічні властивості пластмас можна регулювати, змінюючи параметри спінювання, використовуючи волокнисті наповнювачі і так далі. Пористі полімерні матеріали більш водостійкі і довговічні порівняно з інши-ми теплоізоляційними матеріалами.

Для герметизації швів, ущільнюючих прокладок та улаштування шпонок застосовується поліуретановий еластичний пінопласт, просочений дьогтеви-ми сумішами для надання водонепроникності.

Для виготовлення трьохшарових панелей, утеплення покрить, стін, підлог, трубопроводів та резервуарів застосовують пінополістирол, пінополівінілх-лорид, також пінопласт із фенолформальдегідних, сечовиноформальдегідних та інших полімерів.

Неорганічні теплоізоляційні матеріали.

На відміну від органічних, неорганічні теплоізоляційні матеріали малогіг-роскопічні, вогнестійкі, не загнивають.

М і н е р а л ь н а в а т а т а в и р о б и з н е ї . Ці матеріали най-більш розповсюджені у будівництві. Основними різновидами мінеральної вати є шлакова і скляна. Мінераловатні матеріали застосовують для утеплен-ня будівельних конструкцій, теплової ізоляції трубопроводів, для гідромеліо-рації виготовляють дренажні матеріали.

Мінеральну вату виготовляють із силікатних розплавів шляхом їх переро-бки. Найбільш розповсюдженим є дуттьовий спосіб отримання мінеральної вати, який полягає у розбиванні струменя рідкого розплаву та витягування його частин у волокна за допомогою водяної пари або стисненого повітря. За відцентровим способом струмінь розплаву перетворюється у волокна за до-помогою центрифуги.

Основними процесами виготовлення скляної вати є плавлення скломаси та отримання скловолокна. Крім дуттьового і відцентрового способів, для отримання скловолокна застосовують також спосіб витягування скломаси крізь філь’єри або із розігрітих скляних штапиків. За довжиною скляне воло-кно поділяють на неперервне довге (200 м та більше) і штапельне коротке

98

(5...50 см). Неперервне скловолокно є основою для виготовлення тканих та нетканих матеріалів, які використовують для фільтрації газів та рідин.

Мінеральна вата має середню густину 75... 125 кг/м3 і теплопровідність 0,04...0,052 Вт/(м·°С). Скляні волокна характеризуються більшою довжиною, хімічною стійкістю, міцністю, також меншою кількістю неволокнистих включень у вигляді крапель силікатного розплаву.

Мінеральна і скляна вата є напівфабрикатами для виготовлення різних те-плоізоляційних виробів: сипких – гранульованої мінеральної вати і мінерало-ватних сумішей для мастичної теплоізоляції; гнучких та формованих виробів, котрі бувають напівжорсткими і жорсткими, з органічними або неорганічни-ми зв’язуючими речовинами.

П і н о с к л о ( н і з д р ю в а т е с к л о ) . Його отримують спікан-ням тонкоздрібненого скла із газоутворювачем (кокс, вугілля, крейда тощо) в кількості 0,2...3 % маси шихти. Процес спінювання скла здійснюється при 600...900 °С. Основними перевагами піноскла є: висока водо- та морозостій-кість, міцність, звукопоглинання, декоративність, здатність до обробки, з пі-носкла виготовляють плити, блоки, крупні будівельні панелі та інші тепло- й звукоізоляційні деталі. Воно характеризується середньою густиною 100...130 кг/м3 та теплопровідністю біля 0,16 Вт/(м·°С).

Піноскло застосовують для теплоізоляції будівельних конструкцій, також для спеціальних робіт: хімічних та інших фільтрів, теплової ізоляції холоди-льників тощо.

К е р а м і ч н і т а а з б е с т о м і с т к і т е п л о і з о л я ц і й н і в и р о б и . Вироби із теплоізоляційної кераміки отримують шляхом форму-вання, сушіння, випалу. Основними сировинними матеріалами є трепели й діатоміти – дрібнопористі кремнеземисті породи осадового походження. Для зменшення середньої густини виробів застосовують піноутворювачі та виго-ряючі речовини, також вводять легкі заповнювачі (перліт, вермикуліт). Азбе-стомісткі теплоізоляційні матеріали поряд із азбестовим волокном містять 70... 85 % наповнювача –діатоміту, трепелу, магнезиту та інші. Найважливі-шими матеріалами цієї групи є азбестотрепельні (азбозурит, азботерміт), аз-бестовапнянодіатомітові (вулканіт), азбестомагнезіальні (ньювель) та азбес-тодоломітові (совеліт) матеріали. Легкі керамічні та азбестомісткі вироби призначені для ізоляції печей, котлів, теплових мереж.

Акустичні матеріали.

А к у с т и ч н і м а т е р і а л и поєднують у дві групи – звукопоглиналь-ні та звукоізоляційні. Основне призначення з в у к о п о г л и н а л ь н и х матеріалів – зниження рівня шуму за рахунок зменшення енергії відбитих звукових хвиль. Такі акустичні матеріали повинні поглинати понад 40 % ене-ргії звукових хвиль. Здатність до звукопоглинання матеріалів зростає із зрос-танням загального об’єму та поверхні пор. Звукопоглинальні матеріали одно-часно призначені для внутрішнього опорядження будівель і тому їх поверхня

99

повинна бути не тільки проникливою для звукових хвиль, але й декоратив-ною. Як звукопоглинаючі, застосовують звичайно мінераловатні плити, акус-тичний цементний фіброліт, деревоволокнисті плити.

Якщо в матеріалі сполучені пори, то набувають здатність до звукопогли-нання також ніздрювата кераміка, скло, бетон та інші. Акустичні матеріали виготовляють у вигляді виробів, які мають перфорований екран або футляр із алюмінію, гіпсу, азбоцементу, тощо та звупоглинальне заповнення із мінера-льної вати, скловолокна або іншого пористого матеріалу.

Поряд із звукопоглинальними застосовують з в у к о і з о л я ц і й н і аку-стичні матеріали для ізоляції від ударних та інших шумів, які передаються крізь перекриття та перегородки. Їх застосовують у вигляді прокладок та прошарків в конструкціях. Звукоізоляційними матеріалами є мінераловатні мати й плити, деревоволокнисті плити, пінопласти, пориста гума.

Деревинні будівельні матеріали.

Деревинні будівельні матеріали в основному складаються із деревини, яка застосовується у будівництві для улаштування риштувань, опалубки, дверних коробок та віконних рам, перемичок, естакад, мостів, зведення будівель то-що.

Деревинні матеріали мають порівняно високу механічну міцність при не-високій середній густині, пружність, низьку теплопровідність, значну моро-зостійкість, легку обробність.

Застосування деревинних матеріалів у будівництві обмежується тим, що вони у змінно-вологісних умовах здатні до загнивання, короблення, розбу-хання та розтріскування, їх фізико–механічні властивості неоднакові в різних напрямках. Крім того, деревина є горючим матеріалом, піддається пошко-дженню грибком, деякими комахами. Застосування деревини обмежується дійсно раціональними областями, де відчутні її техніко-економічні переваги.

Будова деревини, види лісних матеріалів.

Деревина характеризується шарувато-волокнистою будовою і складається із клітин різної форми, величини та призначення. Так, 90...95 % деревини хвойних порід складають трахеїди – витягнуті повздовж стовбура порожнисті клітини довжиною 2…5 мм, які проводять воду від коріння до гілок живого дерева. Оболонку клітин утворює переважно клітковина або целюлоза – го-ловний компонент несучої частини дерев. До складу деревинних кліткових стінок і міжклітковинної речовини входять також лігнін та інші складні орга-нічні сполуки.

За видом породи дерева лісоматеріали поділяються на х в о й н і (сосна, модрина, ялина, ялиця, кедр) і л и с т я н і (дуб, граб, береза, липа, осина, тополя, вільха та інші).

За масштабами застосування у будівництві хвойні породи, які мають ви-сокі технічні властивості, розташовуються в наступний ряд (за спаданням)

100

сосна–ялина–модрина–ялиця–кедр. Кращі фізико–механічні властивості має модрина, деревина якої особливо цінується завдяки високій щільності, міц-ності і стійкості проти загнивання. Із листяних порід кращим матеріалом є дуб, деревина якого застосовується для відповідальних конструкцій, які пра-цюють на повітрі та навіть у воді.

Деревину застосовують переважно у вигляді круглого лісу і пиломатеріа-лів. К р у г л и й л і с являє собою відрізки стовбура з обрубаними сучками та спиляними торцями. Відрізки стовбуру діаметром (верхній кінець) не менш 14 см, довжиною від 4 м та більше є деревиною, діаметром 8...14 см і довжиною не менш 3 м – підтоварником, а діаметром 3...7 см – жердиною. Для паль, гідротехнічних споруд і елементів мостів залізниць повинна засто-

совуватись деревина хвойних по-рід товщиною (верхній торець) 22... 34 см, довжиною 6,5...8,5 м.

П и л о м а т е р і а л и поді-ляються (рис. 2.10): за розмірами поперечного перерізу – на дошки товщиною до 70 мм, шириною понад подвійної товщини; бруски товщиною 8...100 мм, шириною не більше подвійної товщини; бруски товщиною та шириною понад 100 мм; за товщиною – на тонкі тов-щиною до 35 мм та товсті – понад 35 мм; за характером обробки – на обрізні, обпиляні з 4-х боків, нео-брізані – обпиляні лише з 2-х бо-ків.

Основна довжина пиломатері-алів хвойних порід 6,5 м, листяних

– 4,5 та 5м. Поряд із круглим лісом та пиломатеріалами у будівництві застосовують

дерев’яні п о г о н а ж н і с т р у г а н і вироби ( шпунтові дошки, плінтуси, галтелі, наличники, поручні), п а р к е т, п о к р і в е л ь н і м а т е р і а л и (фанера, гонт), д е т а л і й е л е м е н т и з б і р н и х к о н с т р у к ц і й .

Б у д і в е л ь н а ф а н е р а являє собою листовий матеріал, який виго-товляють шляхом склеювання трьох та більше шарів шпону при взаємно пе-рпендикулярному розташуванні волокон. Шпоном називають тонкий лист деревини товщиною 0,3 мм та більше. Для відкритих споруд та опалубки при проведенні бетонних робіт застосовують фанеру підвищеної водостійкості і з водостійким офарбленням. Застосовують також фанерні труби. Фанера ши-роко застосовується також для виготовлення щитових дверей, клеєфанерних щитів для зовнішніх та внутрішніх стін і стель, панелей тощо.

Рис. 2.10. Основні види пиломатеріалів а – пластина; б – двокантний брусок; в – шпала; г – обапіл; д – чотирикантний брус; е – необрізана дошка; ж – обрізана дошка.

101

Нові можливості застосування деревини в будівництві дає виробництво водостійких к л е є н и х д е р е в н и х к о н с т р у к ц і й . Шляхом с к л е ю в а н н я можна отримати із маломірної деревини різноманітні конструкції (балки, арки, ферми, палі тощо), які мають високу міцність, водо- та вогнестійкість, а також меншу масу й усушку порівняно із звичайними деревними к о н с т р у к ц і я м и .

В а д а м и д е р е в и н и є дефекти її будови, пошкодження й інші не-доліки, що знижують якість лісоматеріалів. Всі вади деревини поділяються на групи та види: сучки, грибні офарблення й гниль, хімічні офарблення, по-шкодження комахами, деформації та тріщини, пороки форми стовбура та бу-дови деревини, ненормальні відкладення в деревині, механічні пошкодження, дефекти обробки.

Загнивання деревини полягає в поступовій зміні її кольору, зменшення щільності, зниженні механічної міцності. Гнилля виникає під дією грибів при вологості 25...70 %, температурі повітря від +5 до +25°С. У воді загнивання не починається тому, що немає доступу кисню, необхідного для життєдіяль-ності грибів. Розвиток грибів припиняється також при температурі нижче 0°С та вище 45°С.

Деформації та розтріскування – це група вад, що є наслідком зміни форми або порушення цілісності деревини. Вони виникають під дією значних внут-рішніх напружень, які утворюються протягом росту дерев, при різкій зміні температури. Тріщини розрізняють мітикові, відлупні та морозні, які утво-рюються в процесі росту, та тріщини усушки в зрубаних матеріалах. Мітико-ві тріщини направлені радіально і спостерігаються тільки на торцях. Відлупні тріщини також є внутрішніми, але вони розташовані по річним шарам перпен-дикулярно радіусу. На відміну від мітика і відлупу морозні тріщини і тріщини усушки являють собою зовнішні повздовжні розриви, які розповсюджуються від бокової поверхні в глибину матеріалу по радіальним напрямкам.

Фізико-механічні властивості деревини.

Дійсна густина деревини коливається в межах 1,49...1,56 кг/м3. Г у с т и -н у деревини визначають речовини, які складають оболонки кліток. Середня густина деревини залежить від вологості та пористості породи. Нормальною вологістю деревини приймається 12 %, стосовно цієї вологості наводяться табличні дані її властивостей. В діапазоні від 0 до 30% вологості (границя гігроскопічності ) застосовують перерахункову формулу:

( )( )( ),W12K101,01 о.рW0

120 −−+= ρρ

де 120ρ – середня густина деревини при вологості 12 %; W

0ρ – середня густина деревини при вологості W; Кр.о – коефіцієнт об’ємного розбухання (для бере-зи, бука, граба, модрини та білої акації Кр.о=0,6; для інших порід Кр.о=0,5).

При вологості деревини понад 30 % середню густину перераховують за формулою:

102

,W01,01

A W012

0 +=

ρρ

де А = 1,222 для берези, бука, модрини та білої акації та А= 1,203 для інших порід.

За середньою густиною деревини всі породи умовно поділяють на три групи: легкі ( 12

0ρ < 550 кг/м3), середні ( 120ρ = 550...750 кг/м3), важкі ( 12

0ρ > 750 кг/м3). У табл. 2.15 наведені середні значення густини для деяких порід деревини.

Повітряно-суха деревина, яка тривалий час перебувала на повітрі, має в о л о г і с т ь 15...20 %. Розрізняють гігроскопічну (зв’язану) та вільну во-логу деревини. Гігроскопічна волога просочує оболонки клітин і утримується фізико-хімічними зв’язками. Максимальну кількість гігроскопічної вологи, яка може поглинатися деревиною при витримуванні у повітряному середо-вищі, називають границею гігроскопічності. Границя гігроскопічності зале-жить від породи деревини і складає в середньому 30 %.

Таблиця 2.15 Середня густина порід деревини

Група порід Порода ρ, кг/м3

Легкі

Ялиця 380 Кедр 440 Ялина 450 Тополя 460 Липа 500 Сосна 510

Середні

Береза 640 В’яз 660

Модрина 670 Бук 680 Ясен 690 Клен 700 Дуб 700

Важкі Граб 810 Акація 810

На відміну від гігроскопічної вільна волога заповнює канали судин та мі-

жклітинний простір, утримується лише фізико-механічними зв’язками з де-ревиною. Видалення вільної води потребує менших енергетичних витрат, тому її вплив на властивості деревини менш суттєвий, ніж гігроскопічної во-логи. При висиханні деревини спочатку видаляється переважно вільна вода, потім зв’язана – гігроскопічна. Процес висихання деревини припиняється при досягненні рівноважної вологи, яка відповідає температурі та відносній воло-гості навколишнього повітря.

103

При видаленні із деревини гігроскопічної вологи спостерігається у с у -ш к а , тобто скорочення розмірів лісоматеріалу, а при гігроскопічному зво-ложенні деревини стінки клітин потовщуються, що викликає р о з б у -х а н н я . Усушку та розбухання при даній вологості розраховують за фор-мулою:

,100v

vvР ;100v

vvУ0

0WW

г.г

Wг.гW ⋅

−=⋅

−=

де vг.г – об’єм зразка, який відповідає границі гігроскопічності; vW – те ж, за заданою вологістю; v0 – те ж, у абсолютно сухому стані.

Після висихання, внаслідок нерівномірного розподілення вологості по пе-рерізу і анізотропності, в деревині залишаються внутрішні напруження. Роз-виток цих напружень викликає розтріскування та короблення лісоматеріалів. Щоб уникнути цих дефектів особливе значення має режим сушіння деревини.

Механічні властивості деревини залежать від кута між направленням дію-чого зусилля та направленням волокон.

Г р а н и ц я м і ц н о с т і деревини при розтягненні повздовж волокон в стандартних зразках ( вологість 12% ) є порівняно високою. Для сосни та ялини, наприклад, вона дорівнює в середньому 100 МПа. При розриві попе-рек волокон границя міцності у 10...40 разів менша. Опір розтягненню особ-ливо сильно знижується при наявності сучків та косого шару.

Найбільш важливою характерною механічною властивістю деревини є міцність при стисканні повздовж волокон. Цей вид навантаження є виріша-льним для паль, ферм, колон, стінок та інших конструкцій. Стандартним зра-зком при випробуванні деревини на стиснення повздовж волокон є прямоку-тна призма висотою 30 мм, поперечним перерізом 20×20 мм.

Границі міцності при стисканні повздовж волокон, МПа, для деяких порід деревини при стандартній вологості наведені нижче:

Береза 39,6...53,3 Вільха 37...40,3 Бук 46,1...49,2 Ялиця 31,7...39,1 Дуб 45,6...55,6 Сосна 36,2...47,6 Ялина 35,3...43,1 Кедр 33,7...37,8

Модрина 51,1...61,5 Тополя 30,1...42,4 При обробці ріжучим інструментом та при стираючій дії важливою є тве-

рдість деревини. Ця властивість визначається на зразках-кубах методом вда-влювання. Найбільшу твердість (50...90 МПа) мають ясен, бук, дуб, в’яз, мо-дрина.

Захист деревини від руйнування може здійснюватись двома способами: конструктивним та хімічним. К о н с т р у к т и в н и м и способами захища-ють дерев’яні елементи споруд від зволоження, їх ізолюють від ґрунту, каме-ню та бетону гідроізоляційними матеріалами, захищають від атмосферних опадів, влаштовують відливи у зовнішніх віконних оправ, канали для провіт-рювання тощо.

104

Руйнування деревини йде особливо швидко в умовах змінної температури та вологості середовища. Заходи конструктивної профілактики малоефектив-ні для відкритих дерев’яних споруд. В цьому випадку основним способом є к о н с е р в у в а н н я деревини, тобто захист її від руйнування грибами або комахами за допомогою хімічної ( антисептичної) обробки.

Стійкість деревини до руйнування під дією грибів, які викликають утво-рення гнилі, залежить від породи, щільності, зросту та положення у стовбурі. До високостійких проти гнилі порід належать: кедр, тис, каштан, дуб, кара-гач. Нестійкими є ялиця, береза, бук, липа, осика, клен, тополя, ясен. Промі-жне місце займає сосна, ялина, вільха.

Для тієї самої породи стійкість зростає з підвищенням щільності (серед-ньої густини) та із віком. Для підвищення стійкості застосовують а н т и -с е п т и к и – токсичні хімічні сполуки, які надають деревині стійкість про-ти дії грибів та комах. До антисептиків ставиться низка вимог: достатня ток-сичність до руйнівників деревини, безпека при застосуванні антисептиків, здатність проникати в деревину, висока стійкість, недефіцитність, економіч-ність.

Залежно від хімічних і фізичних властивостей антисептики поділяють на дві основні групи: масла та речовини, які розчиняються в маслах, а також водорозчинні. До першої групи належать кам’яновугільні та сланцеві масла, а також речовини, які розчиняються в органічних розчинниках. Водорозчинні антисептики застосовують в тих випадках, коли деревина постійно не зволо-жується, наприклад, для антисептування елементів будівель та виробів із де-ревної стружки, тирси, очерету, торфу. Найбільш відомі із цієї групи антисе-птиків фтористий натрій та різні пасти, складовою яких він є. Застосовується хлористий цинк як 2...5%-ний розчин. Він має меншу токсичність, ніж фто-ристі антисептики, є вогнезахисним засобом. Застосовуються також бура і борна кислота, солі хрому, мідний купорос та комбіновані препарати.

Всі численні методи консервування деревини можна поділити на дві гру-пи: без застосування зовнішнього тиску та під тиском. До першої групи на-лежить дифузійний метод та просочення шляхом вимочування у гаряче-холодних ваннах. Просочення під тиском здійснюється у автоклавах.

Речовини, котрі підвищують вогнестійкість деревини, називають а н -т и п і р е н а м и . Захисна дія антипіренів може бути обумовленою виділен-ням при нагріванні кристалізаційної води у вигляді пари, або інших негорю-чих газів, які відтискують повітря від поверхні деревини та розбавляють го-рючі гази (калійний галун, сірчанокислий та фосфорнокислий амоній тощо). Багато з антипіренів (бура, борна кислота, силікат натрію, хлористий цинк тощо ) плавляться при нагріванні та утворюють захисну щільну плівку, яка покриває поверхню деревини й утруднює доступ кисню.

105

Метали та сплави.

М е т а л а м и називають матеріали, характерними ознаками котрих є висока тепло - й електропровідність, ковкість, блиск та інші. Ці властивості обумовлені наявністю у кристалічній гратці металів електронів з вільним пе-реміщенням.

Метали та їх сплави поділяються на чорні та кольорові. До чорних нале-жать залізо й сплави на його основі – чавун, сталь, феросплави; до кольоро-вих – всі інші метали – мідь, алюміній, цинк, нікель та інші. Найбільше зна-чення для народного господарства мають чорні метали. З них виготовляються труби, численні металеві конструкції для будівництва, значна частина сталі використовується для армування залізобетонних конструкцій.

Характеристика металів і способи їх виробництва. В и р о б н и ц т в о т а в и д и ч а в у н у . Ч а в у н – це залізовуг-

лецевий сплав, який містить понад 2 % вуглецю. Основним способом отри-мання чавуну є доменний процес. Він складається з трьох стадій: відновлення заліза з оксидів, які містяться в руді, вуглецювання заліза та шлакоутворення. Сировиною для чавуна є залізні руди, паливо, флюси.

Основним паливом для плавлення чавуну є кокс, котрий використовуєть-ся як джерело тепла та безпосередньо приймає участь у відновленні та вугле-цюванні заліза.

Розплавлені при температурі 1380...1420°С, чавун і шлак випускають крізь літники – отвори у печах для плавлення. Чавун розливається у форми, а шлак прямує на переробку.

В залежності від стану вуглецю в чавуні його розподіляють на сірий і бі-лий. В сірому чавуні вуглець перебуває переважно у вільному стані, а в біло-му – у вигляді цементиту. Сірий чавун – найбільш дешевий і розповсюдже-ний сплав для лиття. Його використовують для лиття різних виробів і дета-лей, санітарно-технічного обладнання, труб, плит для підлог, тюбінгів туне-лів тощо. Для виготовлення виробів чавун розплавляють і розливають у пі-щано-глинисті форми.

Білі чавуни мають підвищену твердість і крихкість, вони в основному ви-користовуються для переробки в сталь і виготовлення ковкого чавуну. При введенні в сірий чавун спеціальних добавок отримують модифікований (ви-сокоміцний) чавун з поліпшеними властивостями.

В и р о б н и ц т в о т а в и д и с т а л і . С т а л і – залізовуглецеві сплави, які містять менше 2% вуглецю. Сталь отримують із переробного ча-вуну окисленням за допомогою мартенівського, конверторного .та електроп-лавильного способів. Основним способом виробництва сталі є мартенівський, але розповсюджений також киснево-конверторний спосіб завдяки його техні-ко-економічним перевагам.

З а м а р т е н і в с ь к и м способом сталь отримують у печах-мартенах, в просторі яких спалюють газ або мазут, а в спеціальних камерах-

106

регенераторах підігрівають повітря та газоподібне паливо, котрі подають по-тім в мартен. Процес отримання сталі включає: плавлення шихти, під час якого утворюється велика кількість захисного заліза; окислення вуглецю та інших домішок закисним залізом та розкислення – відновлення заліза із заки-су добавками феросиліцію або алюмінію.

К о н в е р т о р н и й спосіб виробництва сталі було запропоновано Бе-семером у 1856 р. Суть цього способу полягає в тому, що крізь чавун, нали-тий у конвертор, продувають повітря. Після закінчення процесу конвертор повертають горизонтально, припиняють дуття, перевіряють склад сталі та виливають її у ківш. За киснево-конверторним способом дуття здійснюється чистим киснем.

Найбільш досконалим є е л е к т р о п л а в и л ь н и й спосіб виготов-лення сталі . У електричних печах виплавляють якісні сталі високої чистоти та розкислення. Основним вихідним матеріалом для електроплавки сталі є сталевий брухт.

Розплавлену сталь, виготовлену у металургійних печах, розливають в ме-талеві форми-виливниці для отримання злитків або в земляні форми для отримання фасонного литва.

С т а л е в і в и р о б и отримують різними методами: литтям, оброб-кою тиском та різанням, із застосуванням зварювання та паяння. Самим ма-совим способом отри-мання готових сталевих виробів і напівфабрика-тів є прокатування – різ-новид обробки металів тиском. Прокатування грунтується на здатності сталі до пластичної де-формації, тобто зміни форми без руйнування та зміни маси при дефо-рмуванні між обертови-ми валками прокатного стану.

Металургійна проми-словість випускає чоти-ри основних групи про-катних виробів: сортову та листову сталь, труби та спеціальні види про-кату. До сортового про-кату (рис. 2.11) належать профілі загального та

Рис 2.11. Сортамент сталі 1 – кругла; 2 – квадратна; 3 – смужкова; 4 – періодичного про-філю; 5 – рифлена; 6 – хвиляста; 7 – кутникова рівнобока; 8 – кутникова нерівнобока; 9 – швелер; 10 – двотавр; 11 – двотавр зварний; 12 – рейка кранова; 13 – рейка залізнична; 14 – шпунтова паля.

107

спеціального призначення (кругла, квадратна, листова, кутова сталь, швеле-ри, двотаври, рейки та інші), також кругла арматурна сталь, яка використову-ється для виробництва залізобетону, сталь для шпунтових паль різних профі-лів та інші види сталі.

За хімічним складом розрізняють вуглецеву та леговану сталь. Вуглецева сталь містить від 0,02 до 2 % вуглецю, також домішки марганцю (0,3...0,9 %), кремнію (0,15... 0,35 %), сірки та фосфору (до 0,07 %). Для будівельних конс-трукцій застосовують звичайно конструкційну вуглецеву сталь, яка містить біля 0,7 % вуглецю. При збільшенні кількості вуглецю від 0,65 до 1,35 %, вмісту марганцю до 0,4 % отримують інструментальну сталь тощо.

Леговані сталі отримують шляхом введення елементів групи нікелю (Nі, Со, Сu, Мn, Sі) та групи хрому (Сr, Ті, W, Zr, V, Аl, Мо). Леговані сталі в за-лежності від призначення поділяються на конструкційні, інструментальні та сталі із особливими властивостями (нержавіючі, жароміцні, зносостійкі та інші). У будівництві в основному застосовують низьколеговані сталі з такими легуючими елементами як марганець (до 1,75 %) та кремній (до 0,7 %).

К о л ь о р о в і м е т а л и т а с п л а в и . В будівництві широко за-стосовують а л ю м і н і є в і с п л а в и як конструкційний матеріал для виготовлення корозійностійких, декоративних несучих конструкцій, стінових панелей, покрівлі, облицювання, заповнення віконних блоків, підвісної стелі, також труб і різноманітних деталей.

Алюміній отримують із глинозему – продукту переробки бокситів, нефе-лінів, алунітів. В чистому вигляді він використовується для виготовлення фарб, як газоутворювач, у вигляді фольги. Чистий алюміній має невисоку міцність, високу пластичність. Як конструкційний матеріал алюміній викори-стовують у вигляді різних сплавів. Позитивними властивостями алюмінієвих сплавів є низька середня густина, висока міцність і корозійна стійкість, а не-гативними – низький модуль пружності, високий коефіцієнт лінійного термі-чного розширення та інші. Застосування сплавів дозволяє знизити масу стін і покрівлі в 10…80 разів, скоротити трудомісткість монтажу та його строки у 2...3 рази, збільшити обіговість збірно-розбірних споруд у 3...5 разів.

Сплави із алюмінію поділяються на дві групи: здатні до деформування та для лиття, із сплавів першої групи отримують прокатні, ковані та штамповані профілі. Основним видом сплаву цієї групи є дюралюміній – сплав алюмінію із міддю (2,2...4,8%), магнієм (6,4…2,4%) і марганцем (0,4…0,8%). Дюралю-міній має порівняно невисоку твердість (за Бринелем НВ = 42...45), високу міцність (360…490 МПа), границю текучості – 190...340 МПа.

Крім алюмінієвих сплавів у будівництві застосовують м і д н і с п л а -в и – латуні та бронзи. В латунях основним легуючим елементом є цинк (до

108

4,5%), а в бронзах – олово, алюміній, кремній та інші. Латуні та бронзи ма-ють високу міцність (300...600 МПа) і твердість (НВ = 200…250), корозійну стійкість, сприятливі антифрикційні властивості.

Цинк та цинкові сплави застосовують як покриття, що захищають сталь від корозії. Висока міцність в сполученні із корозійною стійкістю є характер-ною для титанових сплавів. Для антикорозійних покриттів спеціальних труб, особливих видів гідроізоляції, наприклад для обробки швів між тюбінгами в тунелях, застосовують свинець.

Корозія металів.

К о р о з і я м е т а л і в – це поступове руйнування їх внаслідок хіміч-ної та електрохімічної взаємодії із зовнішнім середовищем. Хімічна корозія металів спостерігається в сухих газах і неелектролітах (окислення при висо-ких температурах).

Більш за все метали руйнуються внаслідок електрохімічної корозії, тобто через дію електролітів – водних розчинів кислот, солей і лугів. Цей вид коро-зії спостерігається в атмосферних умовах, при дії морської, річкової, ґрунто-вої та інших вод.

Основними способами захисту металів і сплавів від корозії є: легування металів і виготовлення хімічно стійких сплавів; створення на поверхні виро-бів оксидних плівок; нанесення захисних металічних та неметалічних пок-рить.

Основним легуючим елементом, який надає сталі корозійну стійкість, є хром, який утворює щільну плівку оксиду. Різко покращують корозійну стій-кість сталі добавки нікелю та міді.

Найбільш розповсюдженим металічним покриттям сталі є цинк. Електро-дний потенціал цинку є більш від’ємним, ніж заліза, цинк є анодом, при пош-кодженні покриття розчиняється та захищає основний матеріал від руйну-вання. На такому принципі ґрунтується протекторний захист крупних споруд, трубопроводів, резервуарів, морських кораблів. До конструкції, яка підлягає захисту, приєднують платівки із металу або сплаву (протектор) із більш від’ємним потенціалом.

Як неметалічні покриття широко застосовують синтетичні лаки та фарби, емалі, пластмаси тощо.