Теоретический материал

13.05.2020

Группа С -203, преподаватель Шабаева О.Н.

Тема 1.2. Строительные материалы и изделия

Тема: Общие сведения о вяжущих веществах. Роль вяжущих в строительстве.

Литература: Строительные материалы и изделия: Учебник для студентов средних проф. учеб. заведений/ К.Н. Попов, М.Б. Каддо, М.: Высш. шк., - стр. 164-172; Допустимо использование интернет ресурсов.

Инструкция по выполнению заданий для обучающихся:

Задание № 1. Запишите в рабочую тетрадь по Тема 1.2. Строительные материалы и изделия дату и тему занятия.

Задание № 2.   Изучите  теоретический материал составить опорный конспект в рабочей тетради.

Задание № 3. Выполнитьтесты на тему: Минеральные вяжущие вещества.

Задание № 4. Сделать фотографию выполненных заданий в тетради, и отправите фото конспекта на электронную почту shabaeva1977@yandex.ru, или в ВК https://vk.com/club193816674 с указанием темы, ФИО, и номер группы.

Теоретический материал

    Вяжущими веществами называют материалы, способные в определенных условиях (при смешивании водой, нагревании) образовывать пластично - вязкое тесто, которое самопроизвольно или под действием определенных факторов со временем затвердевать.

Для получения большинства искусственных строительных материалов, в первую очередь бетонов и растворов, а также для склеивания штучных материалов в изделиях и конструкциях широко используют вяжущие вещества.Современны е вяжущие вещества в зависимости от состава делят на: неорганические (известь, цемент, гипс), которые для перевода в рабочее состояние затворяют водой (реже водными растворами солей); органические (битумы, дегти, синтетические полимеры и олигомеры), которые переводят в рабочее состояние нагревом, с помощью органических растворителей нагрева или сами они представляют собой вязкопластичные жидкости. Наиболее широко в строительстве используются неорганические вяжущие.

Неорганические вяжущие вещества представляют собой искусственные тонкоизмельченные порошки, которые при смешивании с водой (в отдельных случаях с растворами некоторых солей) способны образовывать пластичное тесто, которое в результате физико-химических процессов переходит в камневидное состояние.

В смеси с водой вяжущие применяются редко. В большинстве случаев в смесь вяжущего и воды (тесто) вводят заполнители с целью экономии вяжущего и улучшения свойств искусственного камня.

Главным качественным показателем вяжущих является отношение затвердевших вяжущих к воздействию воды.   В зависимости от условий твердения неорганические вяжущие делятся на три группы:

1. воздушные вяжущие — способны твердеть и набирать прочность только в воздушно-сухих условиях. По химическому составу можно выделить 4 группы воздушных вяжущих: известковые, состоящие в основном из гидрооксида кальция Са(ОН₂); гипсовые,состоящие из сульфата кальция (СаSО₄*0,5 Н₂О или СаSО₄); магнезиальные, главным компонентом которых служит оксид магния МgО; жидкое стекло – раствор силиката натрия или калия.

2. гидравлические вяжущие — способны твердеть и длительное время сохранять прочность не только в воздухе, но и в воде. Причем находясь в воде, они могут повышать свою прочность. К этой группе относятся:

- гидравлическая известь и романцемент;

- силикатные цементы, состоящие преимущественно (75%) из   силикатов кальция, к ним относятся портландцемент и его разновидности – это главные вяжущие в современном строительстве;

- алюминатные цементы, состоящие в основном из алюминатов кальция – это глиноземистый цемент и его разновидности;

- вяжущие эттрингитового типа, основными компонентами которых являются алюмината кальция и сульфата кальция к ним относятся расширяющие и безусадочные цементы.

Главнейшие показатели качества вяжущих, как воздушных, так и гидравлических:

Прочность вяжущих изменяется во времени, поэтому ее оценивают по прочности (обычно на сжатие и изгиб) стандартных образцов, твердевших определенное время в условиях, установленных стандартом. По этим показателям устанавливают марку вяжущего. Например: марка гипсовых вяжущих определяется по прочности образцов из гипсового теста спустя 2 часа после их изготовления, а портландцемента – через 28 суток твердения во влажных условиях при температуре (20 +- 2С°).

Скорость твердения – не менее важная характеристика вяжущих. Очень высокой скоростью твердения обладают гипсовые вяжущие, они полностью затвердевают за несколько часов, очень медленно твердеет воздушная известь, процесс твердения длится сотни лет.

Сроки схватывания и набора прочности у разных вяжущих различны. Например, гипсовые вяжущие схватываются в течение нескольких минут, а твердеют за несколько часов. Большинство цементов схватываются за несколько десятков минут или несколько часов, а интенсивно твердеют в сроки до месяца, хотя процесс твердения при благоприятных условиях может длиться несколько лет.

Гипсовые вяжущие — группа воздушных вяжущих веществ, в затвердевшем состоянии состоящих из двуводного сульфата кальция (CaSO4 • 2Н2О), включает в себя собственно гипсовые вяжущие (далее для краткости — гипс) и ангидритовые вяжущие (ангидритовый цемент и эстрихгипс).

Гипс (алебастр от гр. alebastros — белый) — быстротвердеющее воздушное вяжущее, состоящее из полуводного сульфата кальция CaSO4 • 0,5Н2О, получаемого низкотемпературной (< 200° С) обработкой гипсового сырья.

Сырьем для гипса служит в основном природный гипсовый камень, состоящий из двуводного сульфата кальция (CaSO4•2Н2О) и различных механических примесей (глины). В качестве сырья могут использоваться также гипсосодержащие промышленные отходы, например, фосфогипс, а также сульфат кальция, образующийся при химической очистке дымовых газов от оксидов серы с помощью известняка. Все это указывает на то, что проблем с сырьем для гипсовых вяжущих нет.

Получение гипса включает две операции:

- термообработку гипсового камня на воздухе при 150... 160°С; при этом он теряет часть химически связанной воды, превращаясь в полуводный сульфат кальция β-модификации:

CaSO4 • 2Н2О → CaSO4 • 0,5Н2О + 1,5Н2О

- тонкий размол продукта, который можно производить как до, так и после термообработки; гипс - мягкий минерал (твердость по шкале Мооса - 2), поэтому размалывается он очень легко.

Таким способом производится основное количество гипса; обычно для этого используют гипсоварочные котлы. Гипс β-модификации далее для краткости будем называть просто «гипс».

Доступность сырья, простота технологии и низкая энергоемкость производства (в 4...5 раз меньше, чем для получения портландцемента) делают гипс дешевым и привлекательным вяжущим.

Химизм твердения гипса заключается в переходе полуводного сульфата кальция при затворении его водой в двуводный:

CaSO4 • 0,5Н2О + l,5H2O → CaSO4 • 2Н2О

Внешне это выражается в превращении пластичного теста в твердую камнеподобную массу.  Причина такого поведения гипса заключается в том, что полуводный гипс растворяется в воде почти в 4 раза лучше, чем двуводный (растворимость соответственно 8 и 2 г/л в пересчете на CaSO4). При смешивании с водой полуводный гипс растворяется до образования насыщенного раствора и тут же гидратируется, образуя двугидрат, по отношению к которому раствор оказывается пересыщенным. Кристаллы двуводного гипса выпадают в осадок, а полуводный вновь начинает растворяться. В дальнейшем процесс может идти по пути непосредственной гидратации гипса в твердой фазе.

Конечной стадией твердения, заканчивающегося через 1...2 ч, является образование кристаллического сростка из достаточно крупных кристаллов двуводного гипса. Часть объема этого сростка занимает вода (точнее, насыщенный раствор CaSO4 • 2Н2О в воде), не вступившая во взаимодействие с гипсом. Если высушить затвердевший гипс, то прочность его заметно (в 1,5...2 раза) повысится за счет дополнительной кристаллизации гипса из указанного выше раствора по местам контактов уже сформированных кристаллов. При повторном увлажнении процесс протекает в обратном порядке, и гипс теряет часть прочности.

Причина наличия свободной воды в затвердевшем гипсе объясняется тем, что для гидратации гипса нужно около 20% воды от его массы, а для образования пластичного гипсового теста — 50...60% воды. После затвердевания такого теста в нем останется 30...40 % свободной воды, что составляет около половины объема материала. Этот объем воды образует поры, временно занятые водой, а пористость материала, как известно, определяет многие его свойства (плотность, прочность, теплопроводность.

Разница между количеством воды, необходимым для твердения вяжущего и для получения из него удобоформуемого теста,— основная проблема технологии материалов на основе минеральных вяжущих.

Для гипса проблема снижения водопотребности и, соответственно, снижения пористости и повышения прочности была решена путем получения гипса термообработкой не на воздухе, а в среде насыщенного пара (в автоклаве при давлении 0,3...0,4 МПа) или в растворах солей (СаС12 • MgCl2 и др.). В этих условиях образуется другая кристаллическая модификация полуводного гипса — α-гипс, имеющая водопотребность 35...40 %.

Гипс α-модификации называют высокопрочным гипсом, так как благодаря пониженной водопотребности он образует при твердении менее пористый и более прочный камень, чем обычный гипс β-модификации. Из-за трудностей производства высокопрочный гипс не нашел широкого применения в строительстве.

Технические свойства гипса. Истинная плотность полуводного гипса — 2,65...2,75 г/см3 (двуводного — 2,32 г/см3); насыпная плотность полуводного гипса — 800... 1100 кг/м3.

По срокам схватывания, определяемым, на приборе Вика гипс делят на три группы (А, Б, В):

Вид вяжущего (гипса) по срокам схватывания	Группы	Начало схватывания	Конец схватывания
Быстротвердеющий	А	Не ранее 2 мин	Не позднее 15 мин
Нормальнотвердеющий	Б	Не ранее 6 мин	Не позднее 30 мин
Медленнотвердеющий	В	Не ранее 20 мин	Не нормируется

Быстрое схватывание гипса затрудняет работу, поэтому в случае необходимости к гипсу добавляют замедлители схватывания (животный клей, сульфитно –дрожевую бражку СДБ) в количестве 0,1 -0,3% по массе гипса. При производстве гипсобетонных изделий может возникнуть необходимость в ускорении схватывания гипса, тогда к нему добавляют в небольшом количестве природный двуводный гипс и поваренная соль, добавляют столярный клей, сульфитноспиртовой барды (ССБ), технических лигносульфонатов (ЛСТ), кератинового замедлителя, так же борной кислоты, буры и полимерных дисперсий (например, ПВА).

По пределу прочности при сжатии установлено 12 марок от Г -12 до Г-25,

В строительстве используется в основном гипс марок Г -4 до Г-7.

 

Показатели	Марка гипса
	Г-2	Г-3	Г-4	Г-5	Г-6	Г-7	Г-10	Г-13	Г-16	Г-19	Г-22	Г-25
Предел прочности, МПа, не менее
При сжатии	2	3	4	5	6	7	10	13	16	19	22	25
При изгибе	1,2	1,8	2	2,5	3	3,5	4,5	5,5	6	6,5	7	8

 

При определении пределов прочности при изгибе и сжатии на одно испытание вручную готовят из теста нормальной густоты образца – балочки размерами 40*40*160 мм. Уплотняют тесто, постукивая пять раз краем формы о стол. Избыток теста срезают линейкой и поверхность заглаживают. Через 10-20 мин после конца схватывания образцы освобождают от формы и хранят в помещении для испытания.

Испытание образцов – балочек производят в возрасте 2 ч сначала на изгиб, а полученные половинки – на сжатие с помощью стандартных пластин с рабочее площадью 25 см².

По тонкости помола, определяемой максимальным остатком пробы гипса при просеивании на сите с отверстиями 0,2 мм, гипсовые вяжущие делятся на три группы.

Вид вяжущего по тонкости помола	Индекс	Остаток на сите № 02%
Грубого помола	I	Свыше 14 до 23
Среднего помола	II	Свыше 2 до 14
Тонкого помола	III	До 2 (включительно)

 

Маркируют гипсовые вяжущие по трем показателям: скорости схватывания, тонкости помола и прочности. Например: гипсовое вяжущие Г- 7А II – быстротвердеющее (А), среднего помола (II), прочность на сжатие не менее 7 МПа.

Плотность затвердевшего гипсового камня низкая (1200... 1500 кг/м3) из-за значительной пористости (60...30 % соответственно).

Гипсовое вяжущее — одно из немногих вяжущих, расширяющихся при твердении: увеличение в объеме достигает 0,2 %. Эта особенность гипсовых вяжущих позволяет применять их без заполнителей, не боясь растрескивания от усадки.

При увлажнении затвердевший гипс не только существенно (в 2...3 раза) снижает прочность, но и проявляет нежелательное свойство — ползучесть — медленное необратимое изменение размеров и формы под нагрузкой. Характер водной среды во влажном гипсе — нейтральный (рН = 6,5...7,5), и она содержит ионы Са+2 и SO-24, поэтому стальная арматура в гипсе корродирует. Увлажнению гипса способствует его гигроскопичность — способность поглощать влагу из воздуха.