Минеральные вяжущие вещества и их классификация

Минеральными вяжущими называются порошкообразные вещества, которые при смешивании (затворении) с водой дают пластичное тесто, способное с течением времени под влиянием физико-химических процессов затвердевать и переходить в камневидное состояние.

По способности твердеть минеральные вяжущие вещества классифицируют на воздушные, гидравлические, кислотостойкие вяжущие вещества и вяжущие автоклавного твердения:

· Воздушные вяжущие могут затвердевать и сохранять прочность только на воздухе. К ним относятся: воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие, а также жидкое стекло.

· Гидравлические вяжущие твердеют и сохраняют свою прочность как на воздухе, так и в воде. Однако начальный период твердения (процесс схватывания), как правило, должен протекать на воздухе или в среде, изолированной от воды. К гидравлическим вяжущим относятся все виды цементов, гидравлическая известь и др.

· Кроме того, существуют кислотостойкие вяжущие вещества, а также вяжущие автоклавного твердения, твердеющие при температуре 170–200 °С и давлении 0,9–1,2 МН/м, изготовляемые на основе извести.

Известь строительная

Воздушную известь получают умеренным обжигом известняков, мела, доломитизированных известняков и доломитов, содержащих не более 6 % глины. Технология получения воздушной извести состоит из добычи известняков в карьерах, их дробления, сортировки и обжига. Обжиг осуществляют при температуре 1000... 1200 °С.

После обжига куски извести имеют пористую структуру вследствие удаления СО₂ из известняков. Такая известь, называемая комовой негашеной, либо подвергается помолу для получения порошкообразной извести-кипелки (СаО), либо гасится водой для получения гашеной извести Са(ОН)₂.

Воздушная известь широко применяется для приготовления известково-песчаных и смешанных растворов, используемых при штукатурных и каменных работах, а также в качестве связующего при производстве малярных работ. Воздушную известь нельзя применять во влажных помещениях. Применяется известь также в производстве силикатного кирпича и изделий из силикатных бетонов.

Гидравлическая известь способна твердеть как на воздухе, так и в воде, является продуктом умеренного обжига мергелистых известняков, содержащих 6...20 % глинистых примесей. При обжиге (900... 1000 °С) после разложения углекислого кальция (СаСО₃) часть образующегося оксида кальция (СаО) соединяется с окислами SiO₂, Аl₂О₃ и Fe₂O₃, содержащимися в минералах глины, образуя силикаты, алюминаты и ферриты кальция: 2СаО · SiO₂, 2CaO · А1₂О₃ и 2СаО · Fe₂О₃.

Используют гидравлическую известь при приготовлении растворов для каменной кладки и штукатурки, а также при приготовлении низкомарочных бетонов.

Разновидности цементов

Гидрофобные и пластифицированные цементы получают добавлением гидрофобных или пластифицирующих добавок в количестве не более 0,3 % массы цемента. В качестве пластификаторов применяют сульфитно-спиртовую барду (ССБ) и сульфитно-дрожжевую бражку (СДБ), которые при затворении водой способствуют более полному смачиванию зерен цемента, уменьшают сцепление зерен между собой и повышают пластичность смеси.

Для получения гидрофобного цемента при помоле добавляют асидол, олеиновую кислоту или окисленный петролатум, которые образуют на поверхности цементных зерен водоотталкивающие (гидрофобные) пленки, препятствуя тем самым смачиванию зерен цемента водой. Такие цементы могут длительно храниться в неблагоприятных условиях, не теряя своих свойств. В процессе перемешивания гидрофобные пленки сдираются и проявляют при этом пластифицирующие свойства.

Твердение пластифицированных и гидрофобных цементов происходит медленнее. Растворы и бетоны на таких цементах имеют меньшую водопроницаемость, большую морозостойкость, а, следовательно, и долговечность.

Белый и цветной цементы применяют в архитектурно-отделочных работах.

Для производства белого цемента используются чистые известняки, каолиновые глины и клинкер, отбеленный резким охлаждением после обжига. По степени белизны цемент бывает трех сортов: высший, БЦ-1 и БЦ-II.

Цветной цемент может быть желтым, розовым, красным, коричневым, голубым, зеленым и черным. Его получают либо совместным помолом клинкера для белого цемента со свето- и щелочестойкими добавками (суриком, ультрамарином и др.), либо получают по специальной технологии, по которой получение необходимого цвета достигается подбором исходного сырья.

Расширяющиеся и безусадочные цементы - характеризуются отсутствием усадки в процессе твердения. В расширяющихся цементах на основе сочетания гипса и алюминатной составляющей при затворении водой образуются трехкальциевые гидросульфоалюминаты, образование которых сопровождается увеличением объема. Это увеличение компенсирует усадку остальных составляющих цемента (безусадочные цементы) или даже доминируют над ними (расширяющиеся цементы). Расширяющиеся цементы используются в ремонтных работах для заделки трещин, щелей, устройства гидроизоляционных штукатурок, расширяющихся и безусадочных бетонов и растворов.

Портландцемент

Портландцемент и его разновидности являются основным вяжущим материалом в современном строительстве. Портландцемент представляет собой порошкообразное гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе, состоящее главным образом из силикатов кальция. Получают портландцемент тонким измельчением клинкера с гипсом (3–7%). Клинкер – продукт обжига искусственной сырьевой смеси, состоящей из 75 % известняка (карбоната кальция) и 25 % глины.

По характеру подготовки сырья и приготовления смеси различают мокрый и сухой способы изготовления цемента. При мокром способе сырье дробят и размалывают с добавлением воды.

При сухом способе тонкое измельчение исходного сырья помол осуществляют в сухом состоянии. Тщательное смешивание производят в специальных смесителях.

Свойства портландцемента:

· истинная плотность цемента – 3000–3200 кг/м³; плотность в рыхлом состоянии – 900–1300 кг/м³, в слежавшемся – 1200–1300 кг/м³;

· тонкость помола – характеризуется остатком на сите № 08, который должен быть не более 15 % массы;

· количество присоединяемой цементом воды 15...25 % от своей массы, при использовании цемента в растворах и бетонах - 40...70 % (в зависимости от густоты);

· сроки схватывания по ГОСТам: начало схватывания должно быть не ранее 45 мин.; конец - не позднее 10 ч (нормально – 2–3 ч), однако по согласованию с потребителями эти сроки могут существенно отличаться;

· прочность определяется в положенные сроки испытанием образцов-балочек размером 40x40x160 мм первоначально на изгиб, а затем половинок - на сжатие. Балочки готовят из раствора состава 1:3 (цемент: песок) при водоцементном соотношении (отношении количества воды к количеству цемента), равном 0,4. По прочности цементы делятся на марки (300, 400, 500, 550, 600);

· при твердении цемента на воздухе происходит усадка, а в воде - набухание.

Каменные работы

В зависимости от вида применяемых камней различают виды кладки: кирпичную – из керамического или силикатного кирпича; мелкоблочную – из природных, бетонных и керамических камней; тесовую – из природных обработанных камней правильной формы; бутовую – из природных камней неправильной формы; бутобетонную – из бута и бетона; крупноблочную – из бетонных и кирпичных блоков.

Ряд кладки из кирпича, уложенного длинной стороной вдоль стены, называется ложковым, а из кирпича, уложенного короткой стороной - тычковым.

Поверхности камней, передающие и воспринимающие усилия, называются постелями, а пространства между камнями - швами.

Для предотвращения возможных перемещений кирпичи укладывают с соблюдением следующих правил разрезки кладки:

1) кладка ведется рядами, ограниченными плоскостями, перпендикулярными направлению действующих сил, или плоскостями, перпендикуляр к которым составил бы с направлением действующих сил угол не превышающий 15... 17°;

2) внутри каждого ряда вертикальные швы должны быть перпендикулярны постели;

3) вертикальные швы в смежных рядах или через определенное их количество не должны совпадать, т.е. должны быть перевязаны.

Гражданские здания

Здание представляет собой объем, внутреннее пространство которого используется для различ­ных видов человеческой деятельности. В зависимости от назначения зданий их внутреннее пространство делится на помещения. Помещения, полы которых расположены на одном уровне, образуют этаж.

Здания подразделяют на промышленные (производственного назначения), гражданские (жилые дома, школы, общественные зда­ния и др.) и сельскохозяйственные (сельскохо­зяйственного производства), а также на отапливаемые и неотапливаемые. По этажности здания раз­личают: одноэтажные, малоэтажные (до 3 этажей включи­тельно), многоэтажные (4–9 этажей), повышенной этажности (10–20 этажей) и высотные (более 20 этажей). Кроме того, здания могут быть смешанной этажности.

В зависимости от расположения различают этажи над­земные, цокольные (полуподвальные), подвальные, ман­сардные (чердачные). К надземным этажам отно­сятся все этажи, полы которых расположены не ниже спла­нированной вокруг здания земли или тротуара. Цокольные (полуподвальные) и подвальные эта­жи заглублены ниже поверхности земли или тротуара; цокольный – не более чем на 1/2 высоты помещения (считая от пола до потолка); подвальный – более чем на 1/2 высоты помещения. Мансардным считается этаж, расположенный в пределах чердака. При определении количества этажей здания учитывают только надземные этажи.

В зданиях повышенной этажности и высотных особым видом этажа является технический этаж, где разме­щаются санитарно-техническое оборудование и коммуни­кации, обслуживающие здание. Здания делят на классы, для каждого класса в соответствии с видом здания устанавливают его степень огнестойкости, долговечности, допустимую этажность и эксплуатационные требования. Например, крупные общественные здания (театры, музеи и др.) относятся к I классу; школы, больницы, детские учреждения, предприятия общественного питания и торгов­ли – ко II классу; жилые дома до 5 этажей – к III классу; жилые дома в 1–2 этажа и другие здания, к которым предъяв­ляются минимальные требования, – к IV классу.

К конструктивным схемам гражданских зданий относя­тся: фундаменты, стены, отдельные опоры, балки, ригели, прогоны, перекрытия. При совместной их работе они явля­ются основными несущими конструкциями, образующими несущий остов здания. Несущий остов должен воспринимать нагрузки, действующие на здание, обеспечивая простран­ственную жесткость и устойчивость.

В бескаркасных зданиях с не­сущими стенами нагрузку от собственного веса конструк­ций, а также полезную нагрузку воспринимают наружные и внутренние стены. Несущий остов такого здания представ­ляет собой замкнутый контур стен. Пространственная жест­кость (неизменяемость) обеспечивается наличием перекрытий и внутренних стен (поперечных). Устой­чивость такого несущего остова зависит от устойчивости стен, жесткости перекрытий и надежной связи всех элемен­тов. Пример конструктивной схемы такого здания приведен на рис. 3. Внутренние стены могут быть поперечными и продольными.

Каркасные здания бывают с полным, реже с не­ полным каркасом. В том случае, когда несущие колонны рас­положены по периметру наружных стен и внутри здания по принятому шагу, каркас будет полный (рис. 4).

В зданиях с полным каркасом жесткость и устойчивость обеспечиваются взаимной работой всех элементов каркаса. Основным мате­риалом для каркаса служит железобетон и сталь. При строительстве сборно-разборных деревянных зданий все эле­менты каркаса делают из дерева.

Принципиальная особенность каркасного здания состоит в том, что здесь всю нагрузку воспринимает каркас, а стены являются только ограждающими конструкциями. В зависимости от принятой конструктивной схемы огражде­ний стены могут быть самонесущими или ненесущими (навес­ными).

а б Рис.3. Конструктивные схемы зданий: а – с продольными несущими стенами; б – то же, с поперечными; 1 – внутренняя продольная стена; 2 – внутренняя поперечная стена; 3 – панели перекрытий

Рис. 4. Схема здания с полым каркасом

При самонесущих стенах из кирпича, бетонных или естественных камней, их устанавливают на самостоятельный фундамент, опирающийся на фундаменты колонн. Ненесущие стены – это обычно панели, крепящиеся к крайним несущим элементам каркаса и таким образом переда­ющие свой вес на стойки наружных рядов.

Основания и фундаменты

Основанием называется массив грунта, воспринима­ющий нагрузки от здания или сооружения. Основаниязданий подразделяются на естественные и искус­ственные.

Естественными основаниями являются грун­ты. Грунтами называются горные породы, прочность сцепле­ния между минеральными частицами которых во много раз меньше прочности самих частиц. Скальные или горные породы также являются естественными основаниями состоящие из частиц, крепко связанных между собой и залегающих в виде сплошного массива.

Естественные основания под здания и сооружения должны обладать доста­точной несущей способностью; иметь равномерную сжимае­мость; не подвергаться пучению; не размываться и не растворяться грунтовыми водами; не допускать просадок и оползней. Грунты бывают нескольких видов:

Скальные грунты – граниты, кварциты, песчани­ки, известняки и др. Скальные грунты залегают сплошными массивами (при отсутствии трещин или пустот) и являются наиболее прочным естественным основанием.

Крупнообломочные грунты представляют со­бой не связанные обломки скальных пород, содержащие свыше 50 % обломков крупнее 2 мм (подразделяются на щебень, гальку и гравий). Они не подвержены вспу­чиванию, малосжимаемы, не размываются водой.

Так же как и скальные грунты, крупнообломочные являются надежным основанием.

Песчаные грунты состоят из частиц размером 0,1–2 мм и подразделяются на гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие и пылеватые, а по минеральному составу – на кварцевые, сланцевые и известковые. Наиболее прочны кварцевые пески. С увеличением содержания пылеватых и гли­нистых частиц прочность песчаного грунта уменьшается.

Глинистые грунты состоят из мельчайших частиц чешуйчатой формы. В зависимости от влажности глинистые грунты могут находиться в твердом, пластичном и текучем состоянии. Несущая способность твердых глин больше, чем у пластичных. При замерзании, а затем оттаивании глинистые грунты вспучиваются. Вследствие небольшой скорости уплотнения частиц грунты обладают длительной осадкой под нагрузкой.

Растительные грунты (верхний гамусовый слой) непригодны для оснований из-за неоднородности состава и сильной сжимаемости под нагрузкой. Встречаются насыпные грунты, также не представляющие собой надеж­ного основания. Под действием нагрузки от здания грун­ты испытывают сжимающие напряжения и, уплотняясь, вызывают осадку здания. Величина возможной осадки зда­ний проверяется расчетом. В тех случаях, когда грунт по своим механическим свойствам непригоден для использования в качестве естественного основания, возникает необходи­мость устройства искусственного основания. В некото­рых случаях несущую способность грунта повышают путем втрамбовывания в него щебня на глубину 100–150 мм.

Более эффективными средствами являются: цементация – введение в грунт жидкого цементного раствора под давлением; сили­катизация – нагнетание в грунт силикатных растворов (на­пример жидкое стекло и хлористый кальций); термическая обработка грунта – сжигание горючих продуктов (в скважи­нах при укреплении лёссовых просадочных грунтов) и др.

Фундаментыотносятся к несущим элементам зданий, они должны обладать достаточной прочностью, устойчивостью и быть максимально экономичными.

По разновидности материалов фундаменты могут быть бутовыми, бутобетонными, бетонными из пусто­телых или сплошных блоков и железобетонными. По конструктивному решению фундаменты делятся на ленточные, столбчатые, сплошные и свай­ные (рис. 5). Ленточные фундаменты устраивают под внутренние и наружные стены. Столбчатые фундаменты делают под от­дельные опоры или стены, но в последнем случае под стены здания между фундаментами укладывают балки. Сплошные фундаменты представляют собой сплошную ребристую плиту, которая укладывается под всей площадью здания. Свайные фундаменты состоят из отдельных свай, объеди­ненных сверху бетонной или железобетонной плитой или балкой (ростверком).

Глубина заложения фундаментов зависит от глубины промерзания и залегания того слоя грунта, который по своим качествам может быть принят для данного здания за естест­венное основание от наличия грунтовых вод и т. д.

Сваи располагают в один, два ряда или в шах­матном порядке. Пустотелые сваи кольцевого сечения реко­мендуется располагать только в один ряд.

Короткие сваи можно размещать в один ряд, для свай длиной более 6–7 м однорядное размещение не рекомендуется из-за возможных перекосов свай. Шаг свай под несущими стенами принимается, как правило, одинаковым. Каждая свая получает в проекте свой порядковый номер, а оси свай рядов привязываются к проектным осям стен. Расстояние между осями висячих свай должно быть не менее трех диаметров, т.е. не менее 70 см.

Минимальное число свай в фундаменте колонн – три, максимальное не ограничивается. В зависимости от конструкции подземной части здания свайные фундаменты могут быть с высоким и низким ростверком. Свайные фундаменты применяют не только при возве­дении зданий на слабых грунтах, но и на достаточно проч­ных грунтах. Фундаменты, находясь в грунте, подвергаются воздей­ствию грунтовой влаги, а иногда увлажняются грунтовы­ми водами. В силу капиллярности влага поднимается вверх и постепенно может увлажнить стены. Поэтому необходимо принимать меры для защиты грунта около фундаментов от просачивания в него атмосферных вод и меры для защиты стен от проникновения влаги из фундаментов.

Отвод атмосферных вод от фундаментов и предупрежде­ние проникания их в грунт достигаются устройством отмостки вдоль наружных стен зданий. Для защиты от грунтовой влаги устраивают горизонтальную и вертикальную гидроизоляции. Горизонтальная гид­роизоляция в стенах выполняется из двух слоев толя, пергамина или рубероида, склеенных соответственно дегтевым, битумным растворами. Вертикаль­ная гидроизоляция осу­ществляется тщательной окраской наружных поверхностей стен под­вала, соприкасающихся с грунтом, горячим битумом.

Рис. 5. Виды фундаментов: а - ленточный бутовый; б – столбчатый; в – свайный; г – сплошной в виде плоской плиты

Защита подвалов от напорной грунтовой воды осуществля­ется устройством непрерывного гидроизоляционного ковра из двух-трех слоев гидроизола, изола, стеклоткани и других гнилостойких рулон- ных материалов на мастике. Гидроизоля­ционный ковер располагают в толще пола на бетонной подготовке, пропускают через стены подвала и заводят на поверхность наружных стен до высоты более 0,5 м. На гидро­изоляционный ковер укладывают нагрузочный слой бетона, уравновешивающий давление воды.

В современных условиях для гидроизоляции широко ис­пользуют полимерные пленки.