Вяжущие материалы (гипс, известь, цемент)

Главная функция, выполняемая вяжущими материалами – связывание в единое целое всех компонентов конструкции или элементов будущего изделия. Вяжущие материалы разделяются на две основные категории: воздушные (затвердевающие на воздухе) и гидравлические (это те материла, свойства которых после затвердевания не поддаются разрушительному воздействию воды, а зачастую даже способны улучшаться во время этого взаимодействия). К категории воздушных вяжущих средств относятся воздушная известь, гипс и глина. Категория гидравлических вяжущих включает в себя гидравлическую известь и различные цементы.

Известь – воздушный вяжущий материал; может быть негашеной (ее еще называют кипелка) и гидратной (молотой). Негашеная известь представляет собой цельные куски сероватого цвета. Ее получают в результате обжига известняка при температуре от 900 до 1000 градусов.

В зависимости от срока начала гашения различают быстрогасящуюся (начало – через не более чем 8 минут), среднегасящуюся (25 минут) и медленногасящуюся (от 25 минут) известь. Негашеная известь, имеющая марки 4, 10, 25 и 50, применяется при изготовлении силикатного кирпича и бетона, для приготовления специальных растворов для кладки. Перед применением негашеную известь гасят водой, потом выдерживают около двух недель, а уже затем смешивают с песком, получая известковый раствор. Негашеная известь пожароопасна: если на нее попадет хотя бы небольшое количество воды, вещество начнет гаситься и достигнет при этом очень высокой температуры, от которой может загореться древесина.

Гидратную известь получают путем размельчения негашеной, ее смешивания с водой и превращения в порошок. Для получения известкового раствора из гидратной извести достаточно смешать этот порошок с песком. Считается, что известковый раствор из гашеной извести менее пластичен, чем раствор из негашеной. Известковый раствор не твердеет под водой, потому что туда не поступает диоксид углерода из воздуха. На открытом же воздухе поглощаемый диоксид углерода замещает остатки воды, и происходит отвердевание известкового раствора.

Наиболее распространенным вяжущим материалом в настоящее время является цемент. Он применяется для создания изделий и конструкций повышенной прочности. Получают цемент в процессе тщательного измельчения субстанции, получаемой в результате спекания мергеля (разновидность глины) или смеси глины с известняком. В процессе измельчения зачастую добавляют различные добавки (шлак, песок, гипс или другие вещества) для того, чтобы получать разновидности цемента, обладающие различными специфическими свойствами.

В зависимости от того, каким был состав исходного вещества, существует разделение цемента на портландцементы (среди них выделяют такие разновидности, как быстротвердеющие портландцементы и портландцементы с добавлением различных минеральных веществ), и шлакопортландцементы. Так как цементы отличаются друг от друга по своим свойствам, бетонные изделия, изготовленные из различных видов цемента, также имеют различные технические характеристики (например, особую прочность, морозоустойчивость, огнеустойчивость или солеустойчивость).

Чтобы классифицировать виды цемента согласно их прочностным показателям, существует такое понятие, как марка цемента. Наиболее популярными марками являются марки в диапазоне от 350 до 500. Марка 400 обозначает, что в заводской лаборатории при пробном испытании затвердевшего цементного кубика с ребром 100 мм при раздавливании на прессе он выдержал нагрузку не менее 400 кг/см2. Самыми прочными марками цемента являются 600 и 700.

Все разновидности цемента отличаются таким ценным качеством, как способность быстро отвердевать. Цементный раствор схватывается в пределах 40-50 минут, а полный срок отвердения равен 10-12 часам.

Такой материал, как гипс, менее прочен по сравнению с цементом, и обладает существенно меньшей гигроскопичностью, поэтому слабо противостоит попаданию влаги внутрь конструкции. Поэтому зачастую гипс применяют только при сооружении объектов в закрытых помещениях. Получают гипс путем обжига гипсового камня (разновидность горной породы), и его последующего мелкодисперсного измельчения.

Существует две марки гипса. Гипс марки А быстро твердеет, как правило, процесс отвердения занимает не больше 15 минут, гипс марки Б – нормальнотвердеющий – схватывается в течение получаса. В основном гипсовый раствор применяют для коррекции мелких трещин и неровностей бетонной поверхности.

Заполнители бетонов

Заполнителями в бетоне называют рыхлую смесь минеральных зерен природного или искусственного происхождения, размеры которых находятся в установленном диапазоне. В бетоне эти зерна скрепляются вяжущим веществом, образуя прочное камневидное тело. Занимая до 80-85 % общего объема бетона, заполнители влияют на технологические свойства бетонной смеси и на качество затвердевшего бетона. Правильно подобранные заполнители позволяют получать экономичный бетон с минимальным расходом цемента.

По крупности различают мелкий заполнитель (песок), состоящий из частиц размером 0.16-5 мм, и крупный заполнитель (гравий или щебень), размеры частиц в котором изменяются в пределах от 5 до 70 мм. В некоторых случаях, например при бетонировании массивных конструкций, применяют щебень или гравий с крупностью частиц до 150 мм. По происхождению заполнители подразделяют на природные и искусственные. Природные заполнители получают путем добычи и переработки изверженных, осадочных или метаморфических горных пород: гранита, диабаза, диорита, известняка, вулканического туфа, гравия, кварцевого песка, кварцита, мрамора. К искусственным заполнителям относят попутные продукты промышленности (доменные и топливные шлаки, золу ТЭС), а также специально изготовляемые — керамзитовый гравий, щебень из вспученного перлита и многие другие.

К важнейшим показателям качества заполнителей относят зерновой состав, форму и характер поверхности зерен, содержание вредных примесей, плотность, прочность и морозостойкость.

Зерновой состав заполнителей решающим образом влияет на получение бетона заданной марки при минимальном расходе цемента. В бетонной смеси цементное тесто расходуется на обволакивание поверхности зерен и на заполнение промежутков (пустот) между ними. В идеальном случае наименьший расход цемента достигается в том случае, когда и удельная поверхность, и пустотность зерен заполнителя стремятся к минимуму. Удельная поверхность тем меньше, чем больше крупность заполнителя. Так, удельная поверхность смеси зерен крупностью 10-20 мм, взятая из расчета на 1 м3 абсолютного объема заполнителя, составляет 400 м2, для зерен крупностью 2,5-5 мм она равна 1600 м2, а для пылевидных частиц размером 0,05-0,16 мм — 160 000 м2.

Характер поверхности заполнителей влияет на свойства бетонной смеси и прочность бетона. Бетонная смесь, изготовленная на заполнителях с гладкой поверхностью — например, гравии, обладает хорошей удобоукладываемостью. Смеси на заполнителях с шероховатой поверхностью, например, щебне, укладываются хуже, но бетон приобретает большую прочность, чем бетон на гравии. Это объясняется большей площадью поверхности сцепления шероховатого заполнителя с цементным камнем. Некоторые заполнители, в особенности из легких пористых материалов, обладают настолько большой шероховатостью, что затрудняют получение удобоукладываемых и удобоперекачиваемых смесей.

Вредные смеси, содержащиеся в заполнителях, могут вступать во взаимодействие с цементом, в результате чего в бетоне образуются соединения, снижающие его прочность или вызывающие коррозию. К числу вредных примесей относят включения следующих пород и минералов:

- минералы-сульфаты — гипс, ангидрит;

- сульфиды — пирит, марказит, пирротин;

- аморфные разновидности кремнезема — халцедон, опал, кремень, вулканические стекла;

- оксиды и гидроксиды железа — магнетит, гематит, гетит;

- слюды и гидрослюды — мусковит, биотит, вермикулит;

- галогенные соединения — хлориты, галит, сильвин;

- другие вещества — сера, графит, уголь, фосфорит.

От плотности заполнителей зависит плотность бетона. Для производства тяжелого бетона используют заполнители, изготовляемые из горных пород со средней плотностью 1,8...2,8 г/см3. Применение заполнителей приводит к необоснованному увеличению веса сооружений. Такие заполнители идут лишь на изготовление специального бетона для защиты от радиоактивных излучений. Заполнители, у которых рт < 1,8 г/см3, отличаются заметной пористостью, тем большей, чем меньше их средняя плотность. Такие пористые заполнители употребляют для изготовления легких бетонов. Вследствие высокой пористости заполнителей такие бетоны обладают хорошими теплозащитными свойствами.

Прочность — важнейшая характеристика заполнителя. Ее оценивают по пределу прочности исходной горной породы в насыщенном водой состоянии. Марки породы по прочности находятся в пределах М20... М140. Марка означает минимальный предел прочности породы при сжатии, выраженный в МПа. Породы, у которых предел прочности меньше 20 МПа, относят к слабым разностям. Содержание слабых разностей в щебне ограничивается стандартами.

Морозостойкость горной породы оценивают маркой, которая соответствует числу циклов замораживания—оттаивания, выдержанных щебнем из этой породы. Марки пород по морозостойкости установлены в пределах от F15 до F300.

К заполнителям для жаростойкого, химически стойкого, декоративного и других специальных бетонов предъявляют дополнительные требования.

Арматура

Арматурой в строительстве называются стальные стержни различного сечения и формы, стальные канаты и пряди, воспринимающие растягивающие и скалывающие напряжения, возникающие в железобетонных элементах от внешних нагрузок и собственного веса конструкций.

Арматура может быть постоянного сечения (гладкие стержни) и периодического профиля. По трудоемкости изготовления арматура с диаметром стержней до 12 мм называется легкой, а от 12 и до 40 мм — тяжелой.

Виды арматуры:

Арматура, применяющаяся в железобетонных конструкциях и сооружениях, делится на рабочую, распределительную, хомуты и монтажную.

Рабочая арматура воспринимает возникающие в железобетоне растягивающие и скалывающие усилия от внешних нагрузок и собственного веса конструкций.

Распределительная арматура удерживает рабочие стержни арматуры в определенном положении и распределяет нагрузку между ними. В тех случаях, когда рабочие стержни располагаются не только в растянутых, но и в сжатых частях конструкций, например, в балках, ригелях, арматура называется двойной.

Хомуты связывают арматуру в единый каркас и предохраняют бетон от появления косых трещин около опор.

Монтажная арматура никаких усилий не воспринимает, служит для сборки арматурного каркаса и обеспечивает точное положение рабочей арматуры и хомутов при бетонировании.

Для лучшего предохранения арматуры от скольжения в бетоне арматурные стержни, подверженные растяжению, загибаются в виде крюков на концах. Применение арматуры периодического профиля благодаря повышенному сцеплению с бетоном позволяет в большинстве случаев отказаться от крюков, что приводит к экономии стали. Арматуру по способу установки подразделяют на виды: штучная арматура, арматурные сетки, арматурные каркасы, арматурные конструкции. Штучная арматура может быть прутковая из круглых стержней и жесткая из профильной прокатной стали: двутавровых балок, швеллеров, уголков, рельсов, труб. Штучная арматура собирается путем сварки на месте бетонирования в арматурный каркас или арматурную конструкцию из отдельных элементов. Применение штучной арматуры целесообразно при малых объемах работ, при необходимости пригонки стержней по месту в стесненных условиях бетонируемой конструкции. Арматурная сетка представляет собой взаимно перекрещивающиеся стержни, соединенные в местах пересечений сваркой или вязкой, и применяется в основном для армирования плит. Арматурные каркасы состоят обычно из продольной арматуры и соединяющей их решетки. Это так называемые плоские каркасы. Другой разновидностью арматурных каркасов являются пространственные каркасы, собранные из нескольких плоских каркасов или плоских сеток и пакетов. Арматурные каркасы применяются для армирования балок, колонн и т. д. Для изготовления арматурных каркасов применяется круглая, горячекатаная, холоднокатаная, холодносплющенная сталь периодического профиля. Стержневая арматура получается путем проката на металлургических заводах. Проволочная арматура получается холодной протяжкой прокатных стержней через систему последовательно уменьшающихся отверстий-фильеров. В результате многократной протяжки уменьшается диаметр стержня и увеличивается его длина. При этом изменяется кристаллическая структура стали, и значительно повышается ее прочность на разрыв. В зависимости от способа последующего упрочнения стержневая арматура может быть термически упрочненной (подвергнутой термической обработке) или упрочненой вытяжкой (подвергнутой вытяжке в холодном состоянии).

Необходимо отметить, что, кроме металлической арматуры, применяется также и неметаллическая. По профилю арматура делится на круглую, гладкую и арматуру периодического профиля. Арматура периодического профиля представляет собой стержни с равномерным рифлением для улучшения сцепления с бетоном. Выпускается арматура периодического профиля с двумя продольными ребрами и поперечными выступами, идущими по трехзаходной винтовой линии. Гладкая арматура не имеет рифления.

По принципу работы арматура делится на ненапрягаемую и напрягаемую. Арматура бывает поперечной и продольной. Поперечная — это арматура, препятствующая образованию наклонных трещин от возникающих косых скалывающих напряжений вблизи опор, а также арматура, связывающая бетон сжатой зоны с арматурой в растянутой зоне.

Продольная арматура воспринимает растягивающие напряжения и препятствует образованию вертикальных трещин в растянутой зоне железобетонных конструкций. В конструкциях, которые воспринимают сжимающие усилия, продольная арматура берет на себя часть нагрузки, работая совместно с бетоном. Для армирования предварительно напряженных конструкций кроме штучной высокопрочной арматуры применяют пучки и пряди, изготавливаемые из высокопрочной проволоки диаметром 3 мм, и канаты из нескольких прядей.

В зависимости от механических характеристик стержневая арматура подразделяется на классы: А-I, A-II, A-III, A-IV, A-V, A-VI. Стержни арматуры диаметром менее 10 мм поставляются в мотках, арматуру диаметром 10 мм и более — в прутках длиной от 6 до 12 м или мерной длины. Допускается поставка стержней арматуры класса А-I диаметром до 12 мм в мотках. Арматура A-IV поставляется только в прутках. В горячекатаной арматурной стали требуемые механические свойства обеспечиваются химическим составом стали. С этой целью для производства арматурной стали используются не только углеродистые стали, но и стали, легированные марганцем и кремнием, а также более прочные стали, легированные хромом и титаном. Помимо стержневой арматуры, в строительстве для армирования предварительно напряженных железобетонных конструкций широко используется арматурная проволока, которая производится как из низкоуглеродистой стали, так и из высокоуглеродистой.