СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИИ 2 страница

Гнейсы – сланцевые породы, образовавшиеся чаще всего в результате перекристаллизации гранитов при высокой температуре и одноосном давлении. Их минералогический состав – как у гранитов. Средняя плотность составляет 2,5…2,6 г/см³, предел прочности при сжатии – 130…300 МПа. Цвета – серый, розовый, красный. Применяют их для изготовления облицовочных плит, бутового камня.

Глинистые сланцы – породы, образовавшиеся в результате видоизменения глины под большим давлением. Средняя плотность составляет 2,7…2,9 г/см³, предел прочности при сжатии – 60…120 МПа. Цвета – темно-серый, чёрный. Раскалываются на тонкие пластинки толщиной 3…10 мм. Применяют для изготовления облицовочных и кровельных материалов.

Кварцит – мелкозернистая горная порода, образовавшаяся в результате перекристаллизации кремнистых песчаников. Средняя плотность составляет 2,5…2,7 г/см³, предел прочности при сжатии – до 400 МПа. Цвета – серый, розовый, жёлтый, темно-вишнёвый, малиново-красный и др. Применяют для облицовки зданий, архитектурно-строительных изделий, в виде щебня.

Мрамор – горная порода, образовавшаяся в результате перекристаллизации известняков и доломитов при высоких температурах и давлении. Средняя плотность составляет 2,7…2,8 г/см³, предел прочности при сжатии – 40…170 МПа. Окраска – белая, серая, цветная. Он легко распиливается, шлифуется, полируется. Применяют для изготовления архитектурных изделий, облицовочных плит, в качестве заполнителя для декоративных растворов и бетонов.

Свойства природных каменных материалов. Из многообразия физико-механических свойств природных каменных материалов обычно выделяют среднюю плотность, предел прочности при сжатии, морозостойкость, по величине которых оценивают их качество и разделяют на марки.

В зависимости от средней плотности природные каменные материалы подразделяют на лёгкие (пористые) (ρ_ср < 1800 кг/м³) и тяжёлые (ρ_ср > 1800кг/м³).

По пределу прочности при сжатии (МПа) установлены следующие марки каменных материалов: для тяжёлых пород – 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 80, 100; для лёгких пород – 3,5; 5; 7,5; 10; 15; для ракушечника, идущего на кладку стен, – 0,4; 0,7; 1; 1,5; 2,5; 3,5; 5.

По морозостойкости в циклах замораживания и оттаивания для каменных материалов установлены марки: F10, F15, F25, F35, F50, F100, F150, F200, F300.

По степени водостойкости (коэффициенту размягчения) материалы делят на группы с величиной данного показателя 0,6; 0,75; 0,9 и 1.

Технология производства природных каменных материалов зависит от вида горной породы, её свойств, характера залегания, объёма и включает добычу горной породы и её обработку.

По виду обработки природные каменные материалы делят на следующие основные виды:

– грубо обработанные (бутовый камень, валунный камень, щебень, гравий и песок);

– изделия и профилированные детали из природного камня;

– штучный камень и блоки правильной формы (для кладки стен и др.);

– плиты с различно обработанной поверхностью (облицовочные для стен, чистого пола и др.);

– профилированные детали (ступени, подоконники, пояски, наличники, капители колонн и т.п.);

– изделия для дорожного строительства (бортовой камень, брусчатка, шашка для мощения).

По способу изготовления природные каменные материалы и изделия можно разделить на пилёные (стеновые камни и блоки, облицовочные плиты и плиты для пола) и колотые (бортовые камни, камни тёсаные, брусчатка, шашка для мощения и др.).

Используя ударную и абразивную обработку, природному камню придают ту или иную фактуру – различный характер поверхности.

Виды природных каменных материалов и изделий. Все каменные материалы, используемые в строительстве, можно разделить на две основные группы – материалы, применяемые в исходном виде (без обработки), и материалы, пригодные для строительных целей после соответствующей обработки.

Бутовый камень – крупные куски неправильной формы, получаемые взрывным методом (рваный бут) – из осадочных (известняков и доломитов) или изверженных горных пород. Размеры бутовых камней для укладки вручную составляют 150...500 мм, масса – 10...30 кг. Бутовый камень – дешёвый строительный материал, применяемый для кладки фундаментов, стен вспомогательных помещений, массивных частей гидротехнических сооружений. Однако из-за трудоёмкости кладки большую часть добываемого камня перерабатывают на щебень для бетона.

Булыжный камень – куски горной породы размером до 300 мм. Применяют его для покрытия мостовых, дворов и откосов, для каменной наброски при строительстве дамб. Крупный булыжный камень можно применять как бут, мелкий камень перерабатывают на щебень.

Щебень представляет смесь угловатых обломков камня различной конфигурации размером 5…150 мм. Получают его дроблением бутового камня. Для обеспечения нужного зернового состава щебня процесс дробления осуществляют в несколько стадий.

Гравий состоит из окатанных зёрен тех же размеров, что и у щебня. Его получают просеиванием рыхлых осадочных пород, в необходимых случаях применяют промывку для удаления вредных примесей (глины, пыли).

Песок состоит из зёрен различных минералов (кварца, полевого шпата, слюды и др.) размерами 0,16…5 мм. Применяют природные и искусственные (дроблёные) пески. Щебень, гравий и песок используют в качестве заполнителей для бетонов.

Стеновые камни и блоки получают из пористых известня­ков, вулканических туфов и других горных пород плотностью 900…2200 кг/м³. Марки камней и блоков в зависимости от по­ристости горной породы могут быть от 4 до 50. Водопоглощение камней допускается не более 30 %; коэффици­ент размягчения – 0,6; марка по морозостойкости – F15. Основные размеры камней для кладки стен: 390×190×188 и 390×190×288 мм. Каждый стеновой камень заменяет 8…12 кир­пичей. Значительно эффективнее использование крупных стено­вых блоков размером до 3000×1000×500 мм и массой до 1,5 т. Пилёные стеновые камни и блоки – эффективный местный строительный материал. Здания, возве­дённые из стеновых камней и блоков, значительно дешевле зда­ний, построенных из кирпича или бетонных блоков.

Облицовочные плиты. Для наружной отделки используют в основном глубинные изверженные породы (граниты, сиениты, габбро), а также плотные известняки, доломиты, мраморы и вулканический туф. Облицовочные плиты для наружной облицовки выпускают толщиной 8…30 мм, шириной 150…1200 мм, длина может быть произвольной, но не менее ширины, обычно 1000…1500 мм. Пилёные плиты для внутренней облицовки из­готовляют толщиной 10…12 мм, шириной 400 мм, длиной 800 мм; используют мрамор, пористые известняки и другие породы.

Облицовочные плиты обрабатываются до разной степени гладкости поверхности:

– полированная – гладкая поверхность с зеркальным блеском, дающая чёткое отражение. Полированные плиты широко ис­пользуются при облицовке поверхностей внутри помещений, а также для облицовки фасадов зданий. При попадании воды они становятся скользкими;

– лощёная фактура – гладкая, отполированная не до зер­кального блеска бархатисто-матовая поверхность. Применяется для облицовки любых поверхностей;

– шлифованная – гладкая равномерно шероховатая поверх­ность, у которой рисунок камня сглажен; высота неровностей рельефа – до 0,5 мм. Плитки с поверхностью, обработанной та­ким образом, применяются для облицовки полов, где необходи­мо уменьшить скольжение, а также для ступеней и площадок лестниц;

– пилёная – поверхность, не подвергающаяся после распили­вания камня никакой дальнейшей обработке с неровностями рельефа высотой до 2 мм;

– фактура скалы – грубо обработанный камень. Применяет­ся в основном для облицовки фасадов;

– огневая обработка – слегка оплавленная поверхность по­сле высокотемпературной обработки.

Плиты декоративные на основе природного камня получают из природного камня (щебень или обрезки плит) и неорганиче­ских или полимерных связующих. Их изготовляют с мозаичной, брекчиевидной или орнаментной поверхностью. Имеют прямо­угольную форму длиной от 200 до 1500 мм, шириной – от 200 до 1200 мм и толщиной – 10…40 мм. Применяют для наружной и внутренней облицовки зданий и сооружений.

Цокольные плиты, а также детали карнизов, поясков и других выступающих частей сооружений изготовляют из стойких пород. Эти изделия не должны иметь волосных трещин, им придаётся такая форма, чтобы на них не задерживалась вода от дождя и тающего снега. Плиты для полов и каменных ступеней внутренних лестниц должны иметь высокие износостойкость и декоративные свойства, соответствующие архитектуре интерьера.

Бортовые камни, отделяющие проезжую часть дороги от тротуара, изготовляют из плотных изверженных пород (гранита, диабаза и т.п.), отличающихся высокой морозо- и износостойкостью и прочностью. Бортовые камни бывают прямые и лекальные, высокие – до 40 см и низкие – до 30 см. Эти камни применяют вместо бетонных при соответствующем технико-экономическом обосновании.

Вопросы для проверки

1. Дайте определение природным каменным строительным материалам.

2. Что обозначают понятия «минерал», «мономинеральные и полиминеральные горные породы»?

3. Как образовались магматические горные породы?

4. Как образовались осадочные горные породы?

5. Как образовались метаморфические горные породы?

6. Назовите и охарактеризуйте основные магматические горные породы.

7. Назовите и охарактеризуйте основные осадочные горные породы.

8. Назовите и охарактеризуйте основные метаморфические горные породы.

9. Приведите физико-механические свойства природных каменных материалов.

10. Назовите основные виды природные каменные материалы по виду обработки.

11. Какими способами производят изделия из природных каменных мате­риалов?

12. Какие виды изделий производят из природного камня?

Номер варианта задачи выбирается в соответствии с порядковым номером в журнале.

Задача 2.1

Определить влажность образца мрамора, если в абсолютно-сухом состоянии его масса составила m₁, в воздушно-сухом состоянии m₂.

Задача 2.2

Образец камня в сухом состоянии весил m₁. Объем образца V. После насыщения водой масса образца увеличилась до m₂. Определить среднюю плотность (г/см³) и водопоглощение по массе.

Задача 2.3

Цилиндрический образец горной породы диаметром d и высотой h весит в сухом состоянии m₁. После насыщения водой его масса увеличилась до m₂. Определить массовое и объёмное водопоглощение.

Задача 2.4

Определить коэффициент размягчения известняка, если прочность в сухом состоянии R_1сж, а в насыщенном водой состоянии R_2сж.

3. МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Минеральные вяжущие веще­ства – это порошки, полученные в результате тонкого помола обожжённых природных каменных материалов. При затворении вяжущего водой образуется клейкая пластичная масса (тесто), способная затвердевать в воздушных условиях, а после затвердения набирать прочность во времени в результате физико-химических процессов.

Минеральные вяжущие вещества в зависимости от их основного свойства затвердевать и длительно противостоять воздействию различных факторов окружающей среды делят на две основные группы: воздушные и гидравлические.

Воздушные вяжущие вещества характеризуются тем, что, будучи смешаны с водой, затвердевают и длительно сохраняют прочность лишь в воздушно-сухих условиях. При систематическом увлажнении бетоны, изделия и конструкции на воздушных вяжущих сравнительно быстро теряют прочность и разрушаются. К числу воздушных вяжущих веществ относятся гипсовые и магнезиальные вяжущие, воздушная известь и растворимое (жидкое) стекло.

Гидравлические вяжущие вещества отличаются тем, что после затворения водой и предварительного твердения на воздухе способны в последующем набирать прочность, как в воздушной, так и в водной среде. К ним относятся гидравлическая известь и многие разновидности цементов.

Изучение каждого вяжущего вещества следует проводить по сле­дующей схеме.

1. Исходное сырье и технология производства.

2. Состав вяжущего и процесс твердения после затворения.

3. Свойства вяжущего.

4. Правила хранения и транспортирования.

5. Применение вяжущего в строительстве с учётом экономической эффективности.

Для правильного выбора тех или иных вяжущих в конкретных целях необходимо изучить их состав и свойства, уметь определять их качество и делать заключение об их соответствии техническим требованиям.

Строительным гипсом называется воздушное вяжущее вещест­во, полученное путём термическое обработки при 120…180 ºС природного гипсового камня, измельчённого до или после этой обработки.

Гипсовые вяжущие вещества условно разделяют на строительный, формовочный, высокообжиговый (эстрихгипс) и высокопрочный гипсы.

Гипс строительный является продуктом обжига тонкоизмельчённого двуводного гипса.

Гипс формовочный состоит также из полугидрата сульфата кальция, отличаясь от гипса строительного большей тонкостью помола.

Гипс высокопрочный является продуктом тонкого помола α-полугидрата, получаемого в результате тепловой обработки в условиях, в которых вода из гипса выделяется в капельно-жидком состоянии. Такие условия возможны в автоклаве в среде насыщенного пара при давлении 0,15…0,3 МПа.

Гипс высокообжиговый (эстрихгипс). При температурах обжига (800… 950 ºС) помимо обезвоживания гипсового сырья происходит и частичная термическая диссоциация с образованием СаО, активизирующим химическое взаимодействие вяжущего с водой и ускоряющим процессы твердения. Предел прочности при сжатии таких вяжущих составляет 10…20 МПа, а водостойкость несколько выше, чем строительного гипса.

В соответствии с ГОСТ 125-79**(СТ СЭВ 826-77) в зависимости от предела прочности на сжатие различают следующие марки гипсовых вя­жущих: Г-2, Г-3, Г-4, Г-5, Г-6, Г-7, Г-10, Г-13, Г-16, Г-19, Г-22, Г-25.

Минимальный предел прочности каждой марки вяжущего должен соответствовать значениям, приведённым в табл. 1.

Таблица 1

В зависимости от сроков схватывания различают гипсовые вяжущие, приведённые в табл. 2.

Таблица 2

В зависимости от степени помола различают виды вяжущих, приведённые в табл. 3

Таблица 3

Так, например, гипсовое вяжущее с прочностью 5,2 МПа (52 кгс/см²), со сроками схватывания: начало – 5 мин., конец – 9 мин. и остатком на сите с размером 0,2мм – 9 %, будет иметь условное обозначение Г-5 А-2.

Марки гипса от Г-2 до Г-7 (группы А, Б, В и I, II, III) применяют для изготовления разнообразных гипсовых строительных изделий. Марки Г-2 до Г-7 (группы А, Б и II, III) применяют для изготовления тонкостенных строительных изделий и декоративных деталей. Марки от Г-2 до Г-25 (Б, В и II, III) применяют в штукатурных работах, для заделки швов и в специальных целях.

Строительной воздушной известью называется вяжущее вещество, получаемое обжигом карбонатных известняковых и известняково-магнезиальных пород (известняков, мела, доломита и т.п.), содержащих не более 6 – 8 % глинистых примесей.

Сырьём для производства воздушной извести служат плотные известняки, ракушечники, мел, доломитизированные известняки. Сырье обжигают при температуре 900…1200 ºС до полного удаления углекислого газа. Известняки при обжиге разлагаются на известь СаО и углекислый газ, который полностью удаляется. Реакция разложения известняка обратимая.

Различают следующие виды воздушной извести:

1) известь негашёную комовую;

2) известь негашёную молотую;

3) известь гидратную (пушонку);

4) известковое тесто.

Известь негашёная комовая представляет собой смесь кусков различной величины, По химическому составу она почти полностью состоит из свободных окисей кальция и магния. Негашёная комовая известь является полуфабрикатом. В строительстве её обычно используют в гашеном виде.

Известь негашёная молотая – порошковидный продукт тонкого измельчения комовой извести, По химическому составу она подобна комовой извести.

Гидратная известь – высокодисперсный сухой порошок, получаемый гашением комовой или молотой негашёной извести соответствующим количеством воды (согласно стехиометрическому уравнению), обеспечивающим переход окисей кальция и магния в их гидраты Са(ОН)₂ и Mg(OH)₂. Физико-химический процесс гидратации извести заключается в растворении исходного вещества и его взаимодействии с водой:

СаО + Н₂О ↔ Са(ОН)₂ + 65,3 кДж

Известковое тесто – продукт, получаемый гашением комовой или молотой негашёной извести количеством вода, обеспечивающим переход окисей кальция и магния в их гидраты и образование пластической тестообразной массы (в готовом тесте 50 % воды).

Воздушная известь по виду содержащегося в ней основного окисла разделяется на: кальциевую, (МgО не более 5 %), магнезиальную (МgО от 5 до 20 %), доломитовую (МgО от 20 до 40 %).

Качество воздушной извести (активность извести) оценивается по разным показателям, основным из которых является содержание в ней свободных оксидов кальция (СаО) и магния (МgО). По ГОСТ 9179-77 в зависимости от суммарного количества окисей кальция и магния известь делят на три сорта.

В негашёной кальциевой извести 1 сорта активных окисей кальция и магния должно быть не менее 90 %, 2 сорта не менее 80 % и 3 – не менее 70 %.

В магнезиальной и доломитовой извести количество свободных, окисей кальция и магния должно быть в 1 сорте не менее 85 %, во 2 не менее 78 % и в 3 – не менее 65 %.

Кроме того, в соответствии с ГОСТ 9179-77 извести различают по скорости гашения. К быстрогасящимся относятся извести со скоростью гашения не более 8 мин., к среднегасящимся – не более 25 мин., к медленногасящимся – более 25 мин.

Известь является местным вяжущим веществом и поэтому широко применяется в строительстве. Из воздушной извести получают: растворы для наземной части зданий и штукатурки, бетоны низких марок для наземных конструкций, плотные и ячеистые силикатные изделия, блоки, панели, известковые красочные составы и др. Гидравлическая известь используется наряду с воздушной для изготовления штукатурных и кладочных растворов, смешанных цементов и др.

Портландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, твер­деющее в воде и на воздухе, получаемое путём совместного тонкого измельчения клинкера и необходимого количества гипса. Клинкер подучается в результате обжига до спекания сырьевой смеси надлежащего состава (из мергелей или смеси карбонатной породы и глины), обеспечивающего преобладание в клинкере, силикатов кальция. Портландцемент может выпускать­ся без добавок или с активными минеральными добавками в количестве до 25 % от веса цемента.

Шлакопортландцемент получают путём совместного тонкого измельчения клинкера, необходимого количества гипса и доменного гранулированного шлака. Шлакопортландцемент применяют для получения строительных растворов и бетонов, используемых преимущественно в подземных и подводных сооружениях.

Быстротвердеющий портландцемент применяется там, где необходимо схватывание материала в сжатые сроки. Прочность этого вида цемента возрастает уже на первом этапе отвердевания – в первые 3 сут. твердения.

Гидрофобный портландцемент отличается сложным составом. В него включают гидрофобные добавки, поэтому при длительном хранении даже в очень влажных условиях не комкуется и сохраняет активность.

При изготовлении белого портландцемента применяют маложелезистый клинкер. Это позволяет получить не обычный серый цемент, а материал белого цвета, на основе которого путём добавления красящих пигментов получают разноцветные цементы.

В состав пластифицированного портландцемента входит до 0,25 % пластифицирующих добавок. Пластифицированный цемент придаёт растворным и бетонным смесям повышенную подвижность по сравнению с обычным портландцементом при одинаковом расходе воды.

Пуццолановый портландцемент содержит не менее 20% активных минеральных добавок. В отличие от обычного портландцемента пуццолановый цемент обладает повышенной коррозийной стойкостью, особенно в мягких водах. Пуццолановый цемент применяют в основном для получения бетонов используемых в подводных и подземных сооружениях.

Сульфатостойкий портландцемент по сравнению с обычным портландцементом обладает повышенной стойкостью к действию минерализованных вод содержащих сульфаты. Сульфатостойкий портландцемент отличается нормированным минералогическим составом.

Свойства портландцемента. К основным техническим свойствам портландцемента относятся: истинная плотность, средняя плотность, тонкость помола, сроки схватывания, нормальная густота (водопотребность цемента), равномерность изменения объёма цементного теста, прочность затвердевшего цементного раствора.

Истинная плотность цемента находится в пределах 3000…3200 кг/м³, плотность в рыхлом состоянии – 900…1300 кг/м³, в уплотнённом (слежавшемся) – 1200…1300 кг/м³.

Тонкость помола характеризуется остатком на сите № 008 или удельной поверхностью, проверяемой на специальном приборе ПСХ. Согласно ГОСТ через сито № 008 должно проходить не менее 85 % массы пробы, удельная поверхность при этом (поверхность зёрен цемента общей массой 1 г) должна быть 2500…3000 см²/г.

Нормальная густота цементного теста (количество воды в % от массы цемента) определяется погружением пестика, укрепляемого на штанге прибора Вика, и колеблется в пределах 21 ... 28 %. Она зависит от минералогического состава цемента и тонкости помола.

Сроки схватывания проверяют прибором Вика на цементном тесте нормальной густоты. Согласно требованиям ГОСТ начало схватывания должно быть не ранее 45 мин; конец – не позднее 10 ч (обычно – 2…3 ч).

Одним из основных свойств цемента является прочность, которая определяется в положенные сроки (на 28 сут. твердения) испытанием образцов (балочек) размером 40×40×160 мм первоначально на изгиб, а затем половинок – на сжатие. Балочки готовят из раствора состава 1:3 (1 ч. по массе цемента, 3 ч. – нормального вольского песка). Этот показатель называют маркой портландцемента. Цементная промышленность выпускает следующие марки портландцемента М300; М400; М500; М550; М600.

Вопросы для проверки

1. Приведите классификацию минеральных вяжущих веществ.

2. Что такое строительный гипс и как его получают?

3. Назовите свойства, и область применения гипсовых вяжущих.

4. В чем отличие высокообжигового гипса от строительного?

5. Назовите виды извести.

6. Чем отличается известь первого сорта от извести второго сорта?

7. Назовите свойства, и область применения воздушной извести.

8. Из каких сырьевых материалов изготовляют портландцемент?

9. Область применения специальных портландцементов?

10. Что такое пластифицированный и гидрофобный портландцемент?

11. Что такое гидрофобный портландцемент?

12. Основные свойства пуццоланового портландцемента и области его применения?

13. Основные свойства шлакопортландцемента, в чем особенности его применения?

14. Что такое сульфатостойкий цемент? Где его применяют?

15. Назовите основные свойства портландцемента.

16. Назовите марки портландцемента.

Номер варианта задачи выбирается в соответствии с порядковым номером в журнале.

Задача 3.1

Определить массу и пустотность цемента, хранящегося в силосных банках диаметром d, высотой h. Истинная плотность ρ_и, насыпная плотность в уплотнённом состоянии ρ_нас.

Задача 3.2

Какую полезную площадь S должен иметь силосный склад для хранения m цемента с насыпной плотностью ρ_нас? Толщина слоя цемента во избежание слёживания h.

Задача 3.3

Определить марку портландцемента, если при испытании стандартных образцов-балочек средняя разрушающая нагрузка при сжатии составила P. Размеры пластины соприкасающейся с образцом a × b.