Минеральные вяжущие и материалы на их основе

Минеральные вяжущие и материалы на их основе

Определение Минеральные вяжущие – тонко измельченные минеральные порошки, образующие при смешивании с водой пластичную массу, которая с течением времени под влиянием физико-химических процессов переходит в камневидное состояние.

Две группы минеральных вяжущих: • Воздушные, которые после перемешивания с водой способны твердеть, сохранять и повышать свою прочность только на воздухе (гипсовые, воздушная известь, магнезиальные). • Гидравлические, которые после затворения водой способны твердеть, сохранять и повышать свою прочность не только на воздухе, но и в воде (цементы, гидравлическая известь).

Краткие исторические сведения Воздушные вяжущие – гипс и известь – употребляли уже в глубокой древности. Пять тысяч лет назад в Египте гипс широко применяли для кладочных и штукатурных растворов при строительстве пирамид. Также с помощью гипсового раствора закреплена на основании гигантская скульптура Большого сфинкса. Известь впервые стала использоваться в Греции, прежде всего для штукатурных и облицовочных работ и в качестве грунта для стенной росписи. Известь также применяли при строительстве каменных сооружений в Киевской Руси.

В Древнем Риме к одному из самых значительных изобретений относят создание искусственного каменного конгломерата – бетона на основе минерального вяжущего (воздушной извести). Сводами из бетона перекрывались термы, акведуки, мосты. Для стен и купола здания Пантеона в Риме применен бетон с легкими заполнениями из пемзы и туфа. В Англии был получен патент на изготовление гидравлического вяжущего – портландцемента, разновидности которого можно отнести к основным для изготовления искусственных каменных материалов, и в первую очередь бетона.

Основы производства. Сырье. • Природный гипс (гипсовый камень) – светлый, иногда окрашенный примесями в серые или желтоватые цвета минерал, основное сырье для производства гипсовых вяжущих. Реже применяют безводный гипс – ангидрит, а также гипсосодержащие отходы химической промышленности. • Природные магнезиты и доломиты – основное сырье для производства магнезиальных вяжущих. • При производстве извести используют горные породы, состоящие в основном из карбоната кальция. • Для получения портландцемента – основного гидравлического вяжущего – чаще всего используют известняки, глины и корректирующие добавки. Производство минеральных вяжущих сводится к двум главным технологическим операциям: помол и обжиг.

Помол Обычно стремятся хорошо измельчить сырье до обжига или продукт после обжига. Тонкость помола влияет на свойства искусственных каменных материалов, приготовленных на их основе. С увеличением тонкости помола увеличивается связующая, клеящая способности пластичной массы, которая образуется после перемешивания вяжущего с водой. В результате выше плотность и прочность искусственного камня.

Обжиг Именно после обжига получается продукт, способный при соединении с водой образовывать пластичную массу, твердеющую с течением времени. Температура обжига сырьевых материалов различна. Природный гипсовый камень для получения строительного гипса обжигается при температуре 110 -160. Известняковые породы для получения воздушной извести – при 900 -1200. Обжиг сырьевых материалов для получения портландцемента производят чаще всего в крупных вращающихся печах. Температура обжига в начальной стадии 100 -600, а в последней печи достигает 1450.

Портландцементы • Портландцементы с поверхностно-активными добавками. Добавки вводят в малых дозах при помоле клинкера, они осаждаются на цементных частицах. Хотя такой адсорбционный слой весьма тонок, он существенно улучшает свойства материалов на основе цемента. • Быстро твердеющий портландцемент (БТЦ), отличается от обычного более интенсивным нарастанием прочности в начальные периоды твердения. • Портландцементы с минеральными добавками позволяют получать искусственные камни более высокой водо- и солестойкости. • Сульфатостойкий портландцемент применяют для получения материалов, обладающих коррозионной стойкостью в сульфатных средах.

• Внедрение декоративных портландцементов позволяет разнообразить цветовую гамму искусственных каменных материалов. • Белый портландцемент получают при использовании сырьевых материалов с ничтожно малым количеством железа и закиси марганца. • Цветные портландцементы изготовляют совместным помолом клинкера белого цемента и различных красящих присадок – минеральных пигментов.

Цементы • Глиноземистый цемент – быстротвердеющее и высокопрочное гидравлическое вяжущие, отличающееся по составу от портландцемента. В состав входят преимущественно не силикаты, а алюминаты кальция, получаемые после обработки бокситов и известняков. • Применение расширяющего цемента позволяет в ряде случаев успешно бороться с усадочными деформациями цементного камня. • Напрягающий цемент применяют для получения материалов с повышенной трещиностойкостью и плотностью, предназначенных для спортивных объектов, подводных и подземных напорных сооружений.

Заполнители • Неорганические разделяют на мелкие (песок) и крупные (щебень, гравий). Количество мелких и крупных заполнителей в искусственных каменных материалах достигает 90% по объему и 80% по массе. • Органические заполнители представляют собой измельченные отходы заготовки и обработки древесины, растительных материалов (дробленка).

Основы технологии • Дозирование компонентов. Для соответствующей операции применяют дозаторы периодического и непрерывного действия с полуавтоматическим или автоматическим управлением. • Перемешивание. Цель процесса – получение однородной смеси сырьевых компонентов. Для приготовления смеси, содержащей цемент, мелкий и крупный заполнители, используют гравитационные бетоносмесители. • Качество и долговечность материалов в значительной мере определяется качеством формования (укладки) смеси. Для формования используют различные способы, в зависимости от ее состава и характеристик: вибрирование, трамбование, прессование, прокат.

• Тепловая обработка после формования производится для ускорения процесса твердения. Большое значение на процесс твердения оказывает влажность среды. При тепловой обработке используют насыщенный пар (пропарочная камера). Тепловая обработка производится путем пропаривания в камерах при нормальном давлении и температуре до 100 С.

• Автоклавная обработка осуществляется при повышенных давлении и температуре водяного пара. Автоклав представляет собой герметический цилиндрический горизонтальный сварной сосуд со сферическими крышками длиной 19 -40 м. • Отделка лицевой поверхности может предполагать механическую обработку, обнажение поверхности заполнителей химическим способом, облицовку плитками и плитами, нанесение разнообразных дробленых материалов, поверхностное или объемное окрашивание, металлизацию, огневую, высокотемпературную обработку.

Номенклатура • Бетон – искусственный камень, полученный в результате перемешивания, формования и последующего твердения рационально подобранной смеси минерального вяжущего, воды и заполнителей. Особо тяжелый бетон со средней плотностью выше 2500 кг/м 3, содержащий плотные и тяжелые заполнители. Тяжелый, содержащий плотные мелкие и крупные заполнители (песок, щебень или гравий), средняя плотность которого от 2200 до 2500 кг/м 3. Облегченный со средней плотностью от 1800 до 2200 кг/м 3. Легкий – от 500 до 1800 кг/м 3. Особо легкий бетон, отличающийся средней плотностью менее 500 кг/м 3, имеет ячеистую или крупнопористую структуру.

• Железобетон получают на строительной площадке или в заводских условиях, соединяя в единое целое бетон и стальную арматуру. Некоторые широко применяемые в строительстве железобетонные изделия: Фундаментные блоки выполняют из тяжелого бетона прямоугольного или трапециевидного сечения. Колонны – железобетонные линейные элементы прямоугольного сечения. Ригели каркасов выпускают обычно таврового сечения с полкой или приливами по боковым граням для опирания плит перекрытий.

Панели наружных стен изготовляют из легкого бетона на пористом заполнители из ячеистого бетона с арматурой из сварных сеток, размером на жилую комнату, массой до 8 т. Панели внутренних стен производят из тяжелого или легкого бетона сплошными или с дверными проемами. Панели и плиты для перегородок могут быть сплошными, пустотелыми, с проемами для дверей. Для их изготовления применяют легкие и особо легкие бетоны, часто на гипсовом вяжущем (гипсобетон).

Стеновые блоки изготовляют обычно сплошными или пустотелыми из легкого бетона с размерами, соответствующими конструктивной разрезке стен. Плиты и панели перекрытий также отличаются сплошным или пустотелым строением, могут быть ребристыми. Плиты покрытий обычно состоят из плоской полки толщиной 3 см, которая монолитно связана с системой продольных и поперечных ребер высотой 15 или 30 см. Фермы и балки изготовляют предварительно напряженного железобетона для здания с пролетом 18, 24 м и 6, 12, 18 м. Лестничные марши из железобетона отличаются ступенчатым профилем, часто имеют плоские концевые участки, образующие лестничные площадки. Плиты, блоки, сегменты теплоизоляционные производят в основном из особо легких, часто ячеистых бетонов на различных вяжущих.

• Строительные растворы получают из различных минеральных вяжущих, мелкого заполнителя и добавок, улучшающих свойства материала. В зависимости от назначения различают растворы: Кладочные, используемые при кладки стен, фундаментов, столбов и других частей конструкций. Штукатурные – для внутренних и наружных стен, потолков. Монтажные – для заполнения швов между сборными элементами (панелями, блоками) при их монтаже. Специальные – декоративные, гидроизоляционные и др. Большое значение для архитектурной выразительности зданий может иметь применение декоративных растворов: искусственного мрамора сграффито, терразитовых и др.

• Силикатные искусственные материалы Силикатный кирпич изготовляют из смеси извести и воды. Выпускают сплошные и пустотелые кирпичи, размеры которых аналогичны керамическим. Силикатный кирпич не выдерживает длительного воздействия высоких температур и не употребляется для кладки печей, труб промышленных предприятий. Силикатные бетоны различают по средней плотности – тяжелые, легкие (с искусственными пористыми заполнителями). Выделяют также ячеистые бетоны, получаемые смешиванием известково-песчаной смеси с технической пеной или с газообразным веществом.

• Асбестоцементные материалы изготовляют из специального портландцемента и волокон асбеста, которые значительно упрочняют структуру цементного камня. Листы асбестоцементные профилированные (волнистые, двоякой кривизны, фигурные) и плоские (прессованные, непрессованные) предназначены для стен, кровли, наружной и внутренней отделки, элементов конструкций.

Асбестоцементные акустические плиты изготовляют из перфорированных асбестоцементных листов и слоя пористо- волокнистого материала (минеральной или стеклянной ваты и др. ). Асбестоперлитоцементные листы получают из белого или цветного цемента, асбеста и перлитового песка. Область применения таких листов – облицовка потолков, внутренних стен, перегородок. Асбестоцементные панели представляют собой каркасную или бескаркасную конструкцию, где между асбестоцементными плоскими листами помещается теплоизоляционный материал.

• Гипсовые материалы получают из гипсового теста и минеральных или органических тонкомолотых заполнителей. Гипсокартонные листы прямоугольной формы имеют длину 2, 5 - 3, 3 м, толщину 10 -12 мм, ширину 1, 2 -1, 3 м. Материал применяют для отделки стен и устройства перегородок. Определенными преимуществами обладают гипсоволокнистые листы, в которых армирующими компонентами являются волокна из древесины, бумажной макулатуры и др. Гипсобетон используют при изготовлении плит и панелей для перегородок, перекрытий. Более эффективными крупноразмерными изделиями считают гипсоволокнистые панели. Такие изделия более технологичны: легко пилятся и т. п.

• Краски на основе минеральных вяжущих содержат щелочестойкие пигменты и небольшое количество добавок, улучшающих эксплуатационно-технические свойства. В известковых красках пленкообразующим (связующим) веществом является гашеная известь необходимой жидкой консистенции. Кроме щелочестойких пигментов, в состав краски вводят водоудерживающие добавки. Цементные краски образуют пленку на отделываемой поверхности с помощью белого портландцемента. Кроме него и щелочестойкого пигмента, красочный состав содержит водоудерживающую и гидрофобизующую добавки. Применяют для наружной и внутренней отделки. Краски силикатные, где связующим служит силикат калия в виде водного коллоидного раствора, используют для наружных и внутренних малярных работ, для огнезащитных покрытий на деревянных конструкциях.

Свойства • Эксплутационно-технические свойства большинства материалов на основе минеральных вяжущих в значительной мере определяются характеристиками, соотношением сырьевых компонентов и формируются на стадиях перемешивания, укладки и твердения. Важные физические и химические свойства бетона – водонепроницаемость, морозостойкость, коррозионная стойкость, а также прочность и деформативность – связаны с плотностью его структуры. Большая или меньшая плотность зависит прежде всего от расхода воды для приготовления материала. Поэтому важно определить оптимальное количество воды, при котором обеспечивается наиболее высокая плотность материала.

Бетон мелкопористой структуры и однородного состава практически водонепроницаем в массивных сооружениях. Весьма высока может быть водонепроницаемость легких бетонов. С характером строения бетона связана его морозостойкость. Мелкие поры непроницаемы для воды. Однако в бетоне содержаться и более крупные поры, а материалы из него часто подвергаются действию воды, замораживанию и оттаиванию. Тяжелый бетон – сравнительно плотный материал, и его морозостойкость высока – он может выдержать 500 циклов весьма жестких лабораторных испытаний без существенной потери прочности. Прочность бетона определяют путем испытания образцов определенных размеров и возраста на сжатие. Деформативность бетона на основе цемента зависит в большей степени от условий начального твердения и последующей эксплуатации.

При оценке свойств строительных растворов учитывают особенности их применения по сравнению с бетоном: использование в сравнительно тонких слоях, нанесение на водоотсасывающее основание. В результате большое значение имеет водоудерживающая способность растворной смеси. В зависимости от состава и назначения строительные растворы должны выдерживать 10 -300 циклов попеременного замораживания-оттаивания, обладать пределом прочности при сжатии не менее 0, 4 -20 МПа.

Основные показатели эксплутационно- технических свойств силикатного кирпича – водопоглощение, морозостойкость и предел прочности при сжатии. Водопоглощение материала по массе не менее 6%, морозостойкость не менее 15 -50 циклов. Асбестоцементные материалы отличаются достаточно высокими морозостойкостью и коррозионной стойкостью. Прочность материала в большей мере определяют волокна асбеста, армирующие структуру цементного камня. Недостатки асбестоцементных материалов – хрупкость и повышенная деформативность (склонность к короблению).

Эксплуатационную надежность и долговечность гипсовых строительных материалов связывают прежде всего с их сравнительно высокими гигроскопичностью и водопоглощением. Предел прочности – 3 -4 МПа. Свойства красок в большей мере зависят от вида минерального вяжущего. При расходе красочного состава в пределах 400 -700 г/м 2 наименее долговечны известковые краски. Гораздо долговечнее цементные и силикатные краски.

• Эстетические характеристики бетонных и железобетонных материалов следует связывать с их массовым применением при комплексно-механизированной сборке зданий и сооружений. Оценивая различные способы заводской отделки бетонных железобетонных элементов сборного строительства, следует отметить, отделку поверхности дроблеными природными или искусственными материалами, декоративными бетонами и растворами, плитами и плитками, долговечными красящими составами. Весьма разнообразна фактура и цветовая гамма дробленных каменных материалов и соответствующих лицевых поверхностей бетонных изделий.

Различные фактуры лицевой поверхности монолитного железобетона получают применяя оригинальные виды опалубки. При получении эстетических характеристик лицевой поверхности декоративных растворов также учитывают особенности их изготовления. Эстетические характеристики искусственного мрамора регулируют с помощью пигментов, шлифования и полирования поверхности. При изготовлении сграффито после нанесения растворных слоев различного цвета сравнительно сложный рельефный рисунок получают способом выцарапывания с помощью ножей, скальпелей, набора резцов.

Различную фактуру цветных извесково-песчаных растворов получают обработкой в пластично-вязком состоянии или набрызгиванием на отделываемую поверхность. Фактурная обработка терразитовых растворов производится обычно в полузатвердевшем состоянии с помощью цикли, реже бучарды, зубила, а также пескоструйного аппарата. Сравнительно дороги и трудоемки каменные штукатурки, имеющие фактуру природного камня. Разнообразные фактуры получают, обрабатывая раствор в пластично- вязком состоянии циклеванием, но чаще в затвердевшем виде – оттиркой брусками или ударными инструментами, применяющимися при обработке природного камня. Силикатный кирпич имеет сравнительно гладкую фактуру, но его цвет, как и бетона, можно регулировать путем обменного или поверхностного окрашивания.

На лицевую поверхность асбестоцементных материалов наносят различные декоративные слои, используя метод напрессования специальной текстурированной бумаги, пропитанной термореактивными слоями, или декоративные составы на минеральных и полимерных связующих, краски, пастовы составы. Отделка гипсовых строительных материалов связана с объемным или поверхностным окрашиванием, созданием разнообразных декоративных слоев. Объемное или поверхностное окрашивание могут использоваться при отделке гипсовых листов. Гипсокартонные листы отделывают полимерной пленкой или обоями с различными цветами и рисунками на лицевой поверхности, а также специальной декоративной бумагой с последующим покрытием ее прозрачным лаком.

При изучении эстетических характеристик материалов и изделий на основе минеральных вяжущих учитывают возможные дефекты их внешнего вида: искривление лицевой поверхности, трещины, отбитости, посторонние включения, выцветы, пятна и др. При оценке эстетических характеристик декоративных бетонов и растворов учитывают, что на лицевой поверхности не допускаются выцветы и высолы, пятна, полосы от цементного молока и местные наплывы, видимые с расстояния 10 м, трещины около ребер по периметру глубиной более 10 мм и общей длиной более 20 см на 1 м.

Области применения Бетон и железобетон применяют для несущих и ограждающих зданий и сооружений, из железобетона изготавливают элементы каркаса зданий, сборных конструкций, монолитных и сборно-монолитных конструкций.