Температура хрупкости или затвердевания.

При отрицательных температурах битумы становятся хрупкими. Температура хрупкости - температура, при которой образуется первая трещина на изгибаемом тонком слое битума, нанесенном на стальную пластинку специального прибора. Чем ниже температура хрупкости битума, тем выше его морозостойкость и тем выше качество битума. За рубежом в некоторых странах температуру хрупкости устанавливают по пенетрации.

Битумы гидрофобны (не смачиваются водой), водостойки, имеют плотное строение, пористость их практически равна нулю, поэтому они водонепроницаемы и морозостойки (на них меньше образуется трещин).

Битумы стойки по отношению к водным растворам многих кислот, щелочей, солей и большинству агрессивных газов, но растворяются полностью или частично в различных органических растворителях (сероуглероде, хлороформе, бензоле, дихлорэтане, этиловом спирте, бензине, бензоле и др.), поэтому их применяют их для приготовления лаков, красок и мастик.

Битумы при размягчении прочно сцепляются (обладают адгезией) с камнем, деревом, металлом и др. Используются при применении в качестве вяжущих веществ; переводить в рабочее состояние битумы можно расплавлением, растворением в органических растворителях и эмульгированием в воде (получение битумных эмульсий производят с помощью специальных добавок-эмульгаторов).

Нефтяные битумы хорошо совмещаются с резиной и полимерами, что позволяет значительно улучшить качество битумных материалов в соответствии с требованиями современного строительства.

Получаемые при этом материалы называют резинобитумными и битумно-полимерными. К ним можно отнести «монофлекс» - битумно-полимерный материал, обладающий высокой морозостойкостью(до -50°С) и теплостойкостью (до +100°С), сохраняя при этом пластичность и гибкость: его верхняя поверх-ность укреплена полиэстером, нижняя – плёнкой, а внутри – модифицированный битум.

В целом битумы сходны по составу и структуре, основным техническим свойствам с дёгтями.

Основные показатели физико-механических свойств нефтяных битумов приведены в таблице 4.2.

Рис. 4. 2. Прибор «кольцо и шар» для определения температуры размягчения битума

Недостатки битумных вяжущих – старение – процесс медленного изменения состава и свойств битума, сопровождающийся повышением хрупкости и снижением гидрофобности.

Происходит оно от действия солнечного света и кислорода воздуха, поэтому на стройплощадках битум хранят под навесом или в специальных закрытых складах, защищая их от действия солнечных лучей и атмосферных осадков.

Общие сведения

БЕТОНЫ

Бетон – искусственный каменный материал, получаемый путем затвердевания рационально подобранной смеси минерального или органического вяжущего вещества, заполнителей, воды и добавок. Это один из самых массовых строительных материалов, обладающий комплексом ценных свойств, способностью приобретать любые формы в зданиях и сооружениях, сравнительно низкой стоимостью.

Классификация бетонов.Бетоны классифицируют по средней плотности, виду вяжущего вещества и назначению.

По плотности различают особо тяжелые бетоны с плотностью более 2500 кг/м³; тяжелые – 1800...2500 кг/м³; легкие – 500...1800 кг/м³; особо легкие – менее 500 кг/м³. Особо тяжелые бетоны получают на основе заполнителя из железной руды, барита, чугунного скрапа, свинцовой дроби; тяжелые – на основе заполнителя из плотных горных пород: гранитов, диабаза, песчаника и др. В легких бетонах используют природный или искусственный пористые заполнители, в том числе пемзу, керамзит, аглопорит и др. Особо легкие бетоны (теплоизоляционные) отличаются тем, что своеобразным заполнителем в них являются воздушные или газовые поры-ячейки.

По виду вяжущего бетоны делят на цементные (цементобетоны), гипсовые (гипсобетоны), силикатные, полимербетоны, асфальтобетоны и т.д.

По назначению бетоны бывают: общего назначения (для несущих и ограждающих конструкций); специального назначения (для защиты от радиации, для дорожных и аэродромных покрытий, жароупорные, кислотостойкие, гидроизоляционные, декоративные и др.).

Вяжущее вещество.Для изготовления обычного бетона наиболее широко применяют минеральные вяжущие вещества, прежде всего портландцемент и его разновидности. Цемент и вода являются активными составляющими бетона; в результате реакции между ними образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителей в единый монолит.

Заполнители часто называют инертными материалами. Однако они существенно влияют на структуру и свойства бетона. Заполнители создают жесткий каркас и поэтому значительно уменьшают деформации бетона при твердении и под нагрузкой. В качестве заполнителей преимущественно используют местные горные породы и вторичные ресурсы (шлаки и др.). Применение этих дешевых заполнителей снижает стоимость бетона, так как на их долю обычно приходится до 80 % объема бетона. Легкие пористые заполнители снижают плотность бетона и улучшают его теплотехнические свойства.

В бетоне применяют мелкий и крупный заполнители. Мелким заполнителем (менее 5 мм) для тяжелого бетона является природный или искусственный песок. Наиболее часто используемый в качестве мелкого заполнителя природный песок представляет собой рыхлую смесь зерен, образовавшуюся в результате выветривания горных пород. При отсутствии природного песка применяют песок, получаемый путем дробления твердых горных пород. Экономически целесообразно в качестве мелкого заполнителя использовать соответствующие по крупности отходы обработки природных каменных материалов.

Крупный заполнитель (обычно 5 – 70 мм, иногда до 150 мм) для тяжелого бетона подразделяют на гравий и щебень. Гравием называют рыхлый неорганический материал, образовавшийся в результате естественного разрушения (выветривания) горных пород. Гравий состоит из более или менее окатанных зерен. В нем могут содержаться зерна высокой прочности (например, гранитные) и слабые зерна пористых известняков. Обычно он содержит примеси пыли, глины, иногда и органических веществ, а также песка. При большом содержании песка такой материал называют песчано-гравийной смесью или гравелистым песком. Щебнем называют крупный заполнитель для бетона, полученный в результате дробления горных пород. Зерна щебня имеют угловатую форму. Желательно, чтобы по форме они приближались к кубу. Более шероховатая, чем у гравия, поверхность зерен способствует лучшему их сцеплению с цементным камнем, поэтому для бетона высокой прочности обычно применяют щебень, а не гравий.

К заполнителям бетона предъявляются различные требования. Наибольшее значение имеют зерновой состав и содержание вредных примесей, а для плотных заполнителей тяжелого бетона – еще и прочность, морозостойкость, содержание естественных радионуклидов и стойкость к различным формам распада.

Зерновой (гранулометрический) состав показывает соотношение в заполнителе зерен разной крупности. Оптимальный зерновой состав обеспечивает плотную упаковку зерен заполнителя, что снижает расход цемента и повышает прочность бетона. Различают заполнители с непрерывной и прерывистой гранулометрией. В первом случае в заполнителе встречаются зерна всех размеров в диапазоне от наименьшего до наибольшего. Если же в заполнителе отсутствуют зерна каких-либо промежуточных фракций, то его гранулометрию называют прерывистой. Обычно прерывистая гранулометрия обеспечивает меньшую пустотность заполнителя, однако в этом случае уменьшается подвижность бетонной смеси вследствие защемления мелких зерен между крупными, и для получения пластичной бетонной смеси толщина обмазки зерен заполнителя цементным тестом должна быть больше. В результате уменьшается возможность экономии цемента за счет снижения пустотности заполнителя.

Зерновой состав песка определяют просеиванием его через стандартный набор сит с отверстиями в свету 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315; 0,14 мм. Процентное отношение массы остатка на сите к массе взятой пробы называется частным остатком (%) и вычисляется по формуле

,

где G_i ─ остаток на i-м сите, г; G ─ масса пробы песка, г.

Полный остаток на любом сите A_i (%) равен сумме частных остатков на ситах с большими размерами, включая и данное сито:

.

Модуль крупности песка М_к вычисляют по формуле

,

где – полные остатки на соответствующих ситах, %.

Песок в зависимости от значений нормируемых показателей качества (зернового состава, содержания пылевидных и глинистых частиц) подразделяют на два класса: I и II. По крупности песок подразделяют на группы: очень крупный, повышенной крупности, крупный, средний и мелкий; а во II классе выделяют еще очень мелкий, тонкий и очень тонкий. Результаты просеивания песка часто представляют графически в виде ломаной линии (кривой просеивания), наносимой на область допустимых значений на графике зернового состава (рис.6). При этом содержание в песке зерен крупностью свыше 10 и 5 мм, а также менее 0,14 мм, пылевидных и глинистых частиц, а также глины в комках ограничивается. Органические примеси (например, гумусовые) допускаются только в очень незначительном количестве, т.к. они сильно снижают прочность и даже разрушают бетон.

Зерновой состав крупного заполнителя характеризуют наибольшей и наименьшей крупностью его зерен. Наибольшая крупность щебня (гравия) определяется размером отверстия сита, на котором полный остаток не превышает 5 %, наименьшая – размером сита, на котором полный остаток не менее 95 %. Кривая просеивания щебня (гравия) должна располагаться в пределах заштрихованной площади графика зернового состава, т.е. в области плотных смесей (рис.7).

Рис.6. Зерновой состав песка:

1 ─ нижняя граница крупности песка (модуль крупности 1,5); 2 ─ нижняя граница крупности песка (модуль крупности 2,0) для бетонов класса В-15
и выше; 3 ─ нижняя граница крупности песка (модуль крупности 2,5)
для бетонов класса В-25 и выше; 4 ─ верхняя граница крупности песков (модуль крупности 3,25)

Рис.7. Зерновой состав щебня (гравия)

Пустотность крупного заполнителя не должна превышать 45 %. Щебень чище гравия, обычно он не содержит органических примесей. Предельное содержание глинистых и пылевидных примесей по массе в щебне из изверженных пород допускается не более 1 % (для бетонов всех классов); в щебне из карбонатных пород – 2 % (для бетонов класса В 22,5 и выше) и 3 % (для бетонов класса В 20 и ниже). С целью радиационно-гигиенической оценки заполнителей бетона контролируют для них удельную эффективную активность естественных радионуклидов.

Добавки классифицируют по основному эффекту действия: 1) наполнители и микронаполнители, улучшающие структуру бетона на микроуровне, т.е. структуру связующего вещества; 2) регуляторы свойств бетонной смеси – пластификаторы и суперпластификаторы, водоудерживающие добавки; 3) регуляторы сроков схватывания и твердения бетона – ускорители, замедлители, противоморозные добавки; 4) регуляторы структуры – газообразователи, пенообразователи, уплотняющие добавки; 5) ингибиторы коррозии стальной арматуры; 6) придающие бетону специальные свойства – расширяющиеся, гидрофобизирующие, антикоррозионные, электропроводные добавки, пигменты и др. Некоторые добавки обладают полифункциональным действием, например, одновременно пластифицирующим и воздухововлекающим, пластифицирующим и замедляющим эффектами и т.п. Применение разнообразных химических добавок и дисперсных минеральных компонентов в сочетании с соответствующим подбором состава бетона позволяет эффективно управлять его технологией на всех этапах и получать строительные композиты с заданными структурой и свойствами.

Бетонная смесь представляет собой сложную многокомпонентную систему, состоящую из частичек вяжущего и новообразований, которые возникают при взаимодействии вяжущего с водой, зерен заполнителя, воды, вводимых в ряде случаев специальных добавок, а также вовлеченного воздуха. Из-за проявления сил взаимодействия между перечисленными компонентами эта система приобретает связность и может рассматриваться как единое тело с определенными фи­зическими свойствами.

Структура бетонной смеси. Взаимодействие между твердыми частицами в бетонной смеси определяется наличием жидкой среды: только при добавлении к сухой смеси цемента и заполнителей воды эта смесь приобретает присущие ей свойства. Силы межчастичного взаимодействия имеют разную физическую природу, и их влияние зависит как от размера частиц, так и от объема жидкой фазы, ее состава, величины поверхностного натяжения. Зерна щебня достаточно велики, удельная поверхность мала, и поэтому их поведение подчиняется в основном гравитационным силам и силам механического зацепления, а действие поверхностных сил практически ничтожно. Между частицами песка и особенно дисперсных компонентов (цемента, наполнителя) в полной мере действуют поверхностные силы: капиллярные, молекулярные, атомные. Следует отметить влияние капиллярных сил, действие которых в основном определяет пониженную удобоукладываемость жестких смесей и их повышенную пластическую прочность после уплотнения.

Бетонная смесь содержит частицы различных размеров, и поэтому в ней проявляются все отмеченные выше силы. Характерными и важными процессами структурообразования являются осаждение и прилипание мельчайших частиц вяжущего и наполнителей к поверхности более крупных зерен. Возникновение сил капиллярного сцепления между тонкодисперсными и грубодисперсными частицами в жестких бетонных смесях, значительно превышающих по своей величине другие силы межчастичного взаимодействия, усиливает процесс прилипания частиц вяжущего к зернам заполнителя с образованием агрегатов-глобул, что приводит к формированию более плотных и прочных контактных зон в затвердевшем бетоне.

Реологические и технологические свойства бетонной смеси. С точки зрения реологии, бетонная смесь является структурированной системой, обладающей предельным напряжением сдвига, эффективной (зависящей от приложенных напряжений) вязкостью, периодом релаксации. В зависимости от состава и прежде всего количества жидкой фазы, смесь приобретает состояние жидкообразной (структурированной жидкости) или твердообразной среды. Под действием внешних напряжений, например в результате вибрации, преодолевается предельное напряжение сдвига, система начинает течь с вязкостью, зависящей от внешних напряжений. После окончания их действия восстанавливается начальная структурная прочность смеси. Это явление получило название тиксотропии.

Технологические свойства. Для производства работ и обеспечения высокого качества бе­тона в конструкциях и изделиях необходимо, чтобы бетонная смесь имела консистенцию, соответствующую условиям ее укладки и уп­лотнения, т.е. определенную удобоукладываемость. Это основное технологическое свойство бетонной смеси оценивают показателями подвижности (осадкой под действием собственного веса сформованного из бетонной смеси конуса ОК, в сантиметрах) и жесткости (временем вибрирования, в секундах, необходимым для требуемого растекания смеси при испытании на стандартном приборе). По этим показателям бетонные смеси подразделяют на группы: сверхжесткие, жесткие смеси (для которых ОК = 0), подвижные смеси (которые имеют осадку конуса), а также соответствующие марки.

Помимо удобоукладываемости бетонные смеси характеризуются также средней плотностью, объемом вовлеченного воздуха, расслаиваемостью, сохраняемостью во времени свойств: удобоукладываемости, расслаиваемости, объема вовлеченного воздуха.

Свойства бетонной смеси зависят от ее состава, вида и свойств отдельных компонентов. Так, при увеличении содержания цементного теста и, соответственно, уменьшении содержания заполнителей смесь становится более пластичной. Аналогично влияет увеличение содержания в смеси воды, но это может вызвать расслоение смеси, а также падение прочности бетона.

Глава 5 строительные растворы

5.1. Строительные растворы. Виды и классификация

Строительный раствор объединяет понятия «растворная смесь», «сухая растворная смесь», «раствор».

Строительным раствором называют материал, получаемый в результате затвердевания смеси вяжущего вещества (цемент), мелкого заполнителя (песок), затворителя (вода) и в необходимых случаях специальных добавок. Эту смесь до начала затвердевания называют растворной смесью.

Сухая растворная смесь — это смесь сухих компонентов — вяжущего, заполнителя и добавок, дозированных и перемешанных на заводе, — затворяемая водой перед употреблением.

Вяжущее в растворе обволакивает частички заполнителя, уменьшая трение между ними, в результате чего растворная смесь приобретает необходимую для работы подвижность. В процессе твердения вяжущий материал прочно связывает между собой отдельные частицы заполнителя. В качестве вяжущего используют цемент, глину, гипс, известь или их смеси, а в качестве заполнителя — песок. Строительные растворы классифицируют в зависимости от ряда факторов: применяемого вяжущего, свойств вяжущего вещества, соотношения между количеством вяжущего материала и заполнителя, плотности и назначения.

5.1.1. Классификация строительных растворов по виду вяжущего

По виду применяемого вяжущего вещества строительные растворы бывают:

- Простые - с использованием одного вяжущего (цемент, известь, гипс и др.);

- Сложные - с использованием смешанных вяжущих (цементно-известковые, известково-гипсовые, известково-зольные и др.).

Составы простых растворов обозначают двумя числами. Первое число (обычно единица) показывает, что вяжущего материала в растворе одна объемная (или массовая) часть. Последнее число в соотношении с первым показывает, сколько объемных (или массовых) частей заполнителя приходится на одну часть вяжущего материала. Например, известковый раствор состава 1:3 означает, что в данном растворе на 1 ч. извести приходится 3 ч. заполнителя. Для сложных растворов соотношение состоит из трех чисел, из которых первое число (единица) выражает объемную часть основного вяжущего материала, а второе число показывает, каково количество дополнительного вяжущего нужно взять на одну часть.

5.1.2. Классификация растворов в зависимости от условий твердения

В зависимости от условий твердения существуют следующие растворы:

- Воздушные растворы - твердеющие в воздушно-сухих условиях (например, гипсовые);

- Гидравлические - начинающие твердеть на воздухе и продолжающие твердеть в воде или во влажных условиях (цементные).