РАЗДЕЛ 3.
Природные каменные материалы, Заполнители, наполнители и добавки В псм
1. Природные каменные материалы
- материалы и изделия, получаемые механической обработкой (дроблением, раскалыванием, распиливанием и т. д.) горных пород.
Горной породой называют крупное скопление, сложенное из одного или нескольких минералов, характеризующееся достаточно постоянным составом, строением и свойствами. Процентное содержание минералов определяет ее минеральный состав. Форма, размер и взаимное расположение минералов, наличие пор и т. п. обуславливает ее структуру. В комплексе минеральный состав и структура определяют свойства горной породы.
Среди горных пород выделяют специфическую группу - руды. Они содержат в своем составе металлы в таких соединениях и концентрациях, при которых возможно промышленное извлечение этих металлов.
По происхождению горные породы делят на три основных вида:
· магматические или изверженные, образовавшиеся в результате затвердевания в недрах земли или на ее поверхности, в основном из силикатного расплава - магмы (гранит, лабрадорит, диорит);
· осадочные, образовавшиеся путем осаждения неорганических и органических веществ на дне водных бассейнов и на поверхности земли (известняки, песчаники, ракушечники и т. д.);
· метаморфические (изверженные или осадочные), являющиеся продуктом изменения изверженных и осадочных пород под воздействием высоких температур или воздействий (мрамор розовый, амфиболит, кварциты и т. д.).
По технологии получения их разделяют на:
нерудные строительные материалы - камень, используемый в виде полупродукта, идущего на производство искусственных материалов (бетонов и растворов);
· «штучные» стеновые камни - каменные материалы правильной геометрической формы, полученные непосредственно из горного массива;
· облицовочные (декоративные) природные камни, которые по своим эстетическим качествам после соответствующей переработки пригодны для отделочных работ.
Каменные строительные материалы включают широкую номенклатуру изделий, получаемых из горных пород, которые должны обладать достаточной прочностью и необходимыми в данной технологии свойствами (плотностью, водопоглощением, твердостью, морозостойкостью и т. д.).
Выпускают следующую продукцию:
· Блоки из природного камня - для изготовления облицовочных плит, архитектурно-строительных изделий, бортовых камней, заготовок для реставрационных работ и минеральных изделий.
Камни стеновые пиленые - предназначенные для кладки стен, перегородок и т. п.
· Плиты облицовочные - наружная и внутренняя облицовка элементов зданий и сооружений.
· Изделия архитектурно-строительные - для облицовки цоколей, плит подоконных и накрывочных, проступей и парапетов.
· Камень бутовый, щебень, гравийи и песок - в строительстве для кладки фундаментов, отмостки, наброски и т. д., а также как декоративные заполнители для бетонов и растворов.
Для обеспечения длительной службы каменных материалов необходим их правильный выбор с учетом эксплуатационной среды, химико-минералогического состава и структуры материала, а также соблюдение ряда специальных мероприятий конструктивной защиты от воздействия влаги - устройство стоков воды, придание каменным материалам гладкой полированной поверхности и такой формы, при которых вода не задерживается на его поверхности и не проникает внутрь материала.
2. Заполнители
Наибольший объем в искусственных строительных материалах занимает заполняющий компонент - заполнитель. При непосредственном цементирующем действии вяжущего вещества они образуют макроструктуру материала. В бетонах и растворах, например, его содержание может достигать 95% по объему.
Применяют как неорганические так и органические заполнители, причем преимущественное применение имеют неорганические, особенно при производстве бетона, железобетона и асфальтобетона.
Заполнители неорганические (минеральные), получают путем разработки месторождений рыхлых горных пород в виде песка, гравия или природного щебня. Широко используют дробленые горные породы - щебень, высевки, песок. Кроме природных в качестве наполнителей применяются также искусственные, получаемые путем обжига глинистого сырья и других видов минерального сырья, а также дроблением металлургических шлаков.
Правильный выбор заполнителей для бетона, их рациональное использование - одна из важнейших задач технологии бетона. К заполнителям предъявляют требования, учитывающие особенности их влияния на свойства бетона - зерновой состав, прочность и чистота.
В зависимости от размера наиболее крупного зерна заполнители разделяют на мелкие и крупные. У мелкого заполнителя зерна не больше 5 мм, причем при просеивании остаток на сите 5 мм должен быть не более 5% по массе. Типичным представителем мелкого заполнителя является песок. У крупного заполнителя все зерна крупнее 5 мм. Размер зерен наиболее крупных в заполнителе также ограничивается; в зависимости от разновидности ИСК - в пределах 70...80 мм. Крупный заполнитель именуется как щебень при угловатых зернах или как гравий - при округлых.
Заполнители характеризуют зерновым (гранулометрическим) составом. Причем фракционный состав заполнителя является непрерывным, если содержатся все фракции, на которые рассеивается заполнитель с помощью сит (от 0,14 до 70 мм), или прерывистым - если в заполнителе отсутствует одна или две фракции.
Плотную смесь заполнителя получают путем смешивания различных отдельно взятых фракций, количество которых рассчитывают по соответствующим формулам или подбирают по графикам. При окончательном выборе зернового состава учитывают не только насыпную плотность смеси или ее пустотность, но и удельную поверхность. Желательно уменьшение удельной поверхности в плотной смеси, с тем, чтобы сэкономить на расходе вяжущего вещества.
Кроме фракционного состава, насыпной плотности и пустотности заполнителей при оценке качества определяются показатели прочности, морозостойкости (в отношении щебня), степень загрязненности посторонними примесями, форма частиц. Учитывается также состояние поверхности зерен заполнителя, т. к. чем боле гладкая поверхность, тем ниже сцепление зерен с вяжущим веществом. При необходимости оцениваются химическая стойкость и водостойкость.
Особо важной характеристикой заполнителя, особенно крупного, является величина насыпной плотности. Тяжелые заполнитель показывают в россыпи насыпную плотность свыше 1000 кг/м3, а используемые для специальных целей - свыше 2000 кг/м3. Легкие заполнители имеют насыпную плотность около 500 кг/м3.
Важное значение имеет стоимость заполнителей. Наиболее предпочтительными являются заполнители из местных сравнительно дешевых материалов, в том числе из побочных продуктов местной промышленности. Однако требуется повышенное внимание к оценке их качества.
Органические заполнители применяют для производства теплоизоляционных, а также теплоизоляционно-конструкционных и конструкционных материалов и изделий: арболита, цементного фибролита, торфоплит, ДВП и ДСП и др.
В качестве органических заполнителей используют отходы лесозаготовок (вершины, сучья, пни и др.), лесопиления и деревообработки (горбыли, рейки, щепу, стружки и опилки), одубину (отходы заводов дубильных экстрактов), сечку камыша, сельскохозяйственные отходы (солому, льняную и конопляную костру, подсолнечную лузгу), побочные продукты целлюлозно-бумажной промышленности и др. Основными являются древесные отходы и сельскохозяйственные отходы. В последние годы увеличилось внимание к полимерным заполнителям, основным из которых является полистирол в виде высокопористых гранул, получаемых из бисерного полистирола путем вспенивания его гранул при нагревании.
3. Наполнители
Наполнителями называются порошкообразные материалы, частицы которых соизмеримы с частицами вяжущего вещества. Они могут быть как неорганическими, так и органическими, причем непременным элементом в их составе является углерод; природными и искусственными; простыми по химическому составу и сложными. Частицы наполнителя могут быть пластинчатыми или волокнистыми. Их размер обычно от 10 до 100 мкм, но не более 1-2 мм.
Наполнители совместно с вяжущим веществом участвуют в формировании микроструктуры матричной части и контактных зон в конгломератах. Обладая огромным потенциалом поверхностной энергии, наполнители становятся активными компонентами при отвердевании вяжущих веществ в процессе формирования структуры и свойств материала. Конкретное назначение каждого наполнителя зависит от разновидности вяжущего вещества, но они обладают рядом общих функций:
· заполнение пор в микроструктуре без вступления в химические взаимосвязи с компонентами;
· увеличение водоудерживающей способности порошкообразного вяжущего вещества при использовании его в строительных растворах, укладываемых по пористому основанию (кирпичная кладка);
· перевод большей части органического вяжущего вещества из объемного в пленочное состояние с равномерным распределением его по высокоразвитой поверхности наполнителя для улучшения тепломеханических свойств;
· снижение теплового напряжения в материале, появляющегося за счет значительного различия в коэффициентах температурного расширения вяжущего вещества и заполнителя;
· улучшение некоторых специальных свойств материала, например повышение огнестойкости, снижение истираемости и т. п.;
· удешевление материала за счет частичной замены дорогостоящего вяжущего местным дешевым наполнителем при сохранении качества на необходимом уровне.
К наполнителям для применения в различных материалах относятся известняковые, доломитовые и другие природные порошки осадочных пород, тонкоизмельченные горные породы и минералы вулканического происхождения, порошки помола керамического боя, шамота, шлака и других отходов промышленности, асбестовые отходы производства, древесная мука (для пластмасс), зола-унос, колосниковая пыль и др.
4. Добавочные вещества (добавки)
Помимо вяжущих веществ, заполнителей и наполнителей широкое применение находят добавочные вещества, именуемые добавками. На стадиях технологического процесса они облегчают выполнение операций, снижают количество затрачиваемой энергии, уменьшают расход дорогостоящих компонентов, снижают материалоемкость, способствуют обеспечению необходимых показателей свойств материала, благоприятствуют ускорению или замедлению процессов структурообразования и отвердевания. На стадии эксплуатации конструкций добавки призваны упрочнить, стабилизировать структуры материала, максимально тормозить неизбежную деструкцию, возникающую и развивающуюся в материале под влиянием внешней среды и внутренних самопроизвольных явлений.
Основное функциональное назначение добавок заключается в активном взаимодействуют с одним или несколькими компонентами смеси в процессе формирования структуры вяжущей части или макроструктуры материала. В результате реакции возникают новые соединения, причем добавки или полностью расходуются, или утрачивают свои индивидуальные признаки. Однако при избыточном количестве добавки она может частично остаться в смеси и в сформованной материале без каких-либо изменений, что не является желательным.
Добавки, вводимые в цементно-бетонную смесь, разделяют по эффекту их действия на бетонную смесь и бетон на следующие виды:
· пластифицирующие, стабилизирующие и водоудерживающие добавки - регулируют реологические свойства;
· ускорители и замедлители - регулируют схватывание теста;
· противоморозные добавки регулируют процессы твердения;
· воздухововлекающие, газообразующие, пенообразующие и уплотняющие - регулируют пористость бетона;
· специальные добавки - придают бетонам кислотостойкость, жаростойкость и др.
Ряд добавок носит комплексный характер и выполняет одновременно несколько функций в бетонных смесях и бетоне.
СТРОИТЕЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ И СУХИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ СМЕСИ
1. Строительные растворы
Строительный раствор - это искусственный камнеподобный материал, образовавшийся в результате затвердевания рационально подобранной, тщательно перемешанной и уложенной в соответствии с назначением растворной смеси, состоящей из вяжущего мелкого заполнителя (песка), воды и специальных минеральных и/или органических добавок, придающих растворной смеси необходимые технологические, а затвердевшему раствору - требуемые строительно-технические свойства.
По составу растворы отличаются от бетонов только меньшей крупностью заполнителя, а также тем, что они обычно укладываются тонкими слоями на пористое основание.
Растворы классифицируются по следующим признакам.
По основному назначению на:
• кладочные, в том числе и для монтажных работ, применяемые для кладки стен с использованием бутового камня, керамического и силикатного кирпича и камней и других мелкоразмерных стеновых изделий;
• облицовочные, применяемые для крепления облицовочных плит из природного камня, керамических и бетонных плиток по готовой кладке стен из кирпича и других штучных изделий;
• штукатурные, предназначенные для нанесения на готовые поверхности стен слоев грунта, набрызга и накрывки при выполнении штукатурных работ;
• специальные: декоративные, тепло- и гидроизоляционные, акустические, жаростойкие, кислотостойкие, тампонажные.
По применяемым вяжущим на:
• простые (на вяжущем одного вида): известковые, гипсовые, цементные;
сложные (на смешанных вяжущих): цементно-известковые, цементно-глиняные, известково-гипсовые.
По средней плотности на:
• тяжелые, имеющие среднюю плотность 1500 кг/м3 и более, приготавливаемые с использованием плотных песков (природных кварцевых или полевошпатных, дробленных из плотных горных пород или металлургических шлаков);
• легкие со средней плотностью менее 1500 кг/м3, в качестве заполнителя в которых применены пески, получаемые дроблением пористых горных пород (туфов, пемзы и др.) или искусственных пористых материалов (керамзита, аглопорита, перлита и др.).
По готовности к применению на:
• готовые, доставляемые на объект в готовом к применению виде или приготовленные смешиванием всех составляющих на приобъектных бетоно-растворных установках;
• сухие, приготавливаемые на специализиро ванных предприятиях в сухом виде и требующие смешивания с водой или водными растворами добавок на объекте непосредственно перед применением.
К затвердевшим растворам предъявляются требования по прочности на сжатие при 7 и 28 суточном твердении; по средней плотности при нормальной, естественной и нормируемой влажности, а также в сухом и воздушно-сухом состоянии; по влажности; для приготовленных на основе гидравлического вяжущего - по морозостойкости.
Приготовление растворных смесей
Растворные смеси приготавливают, как правило, на централизованных растворных заводах (узлах). Технологический процесс приготовления включает подготовку заполнителей (удаление включений крупнее 5 мм, фракционирование, удаление пылевидных и глинистых примесей промывкой, сушку, подогрев), дозирование заполнителя, вяжущих, воды и добавок, тщательное их перемешивание до получения однородной смеси.
Перемешивание составляющих смеси осуществляется в растворосмесителях гравитационного (свободного) или принудительного смешивания, работающих циклично или непрерывно. Необходимо тщательное дозирование и перемешивание компонентов смеси.
Приготовление летних растворов производят в следующей последовательности: сначала в смеситель подают отдозированную воду, затем загружают заполнитель, вяжущее и пластификатор (известковое или глиняное тесто). Очень часто растворные смеси приготавливают с органическими (пластифицирующими, микропенообразующими, гидрофобизующими) добавками или (и) электролитами, предназначенными для ускорения твердения при положительных температурах воздуха. Перед введением этих добавок из них приготавливают рабочие растворы, которые и дозируют в необходимых количествах в смеситель. Рабочие растворы добавок заливают в отдозированную воду затворения, а затем загружают остальные составляющие и перемешивают.
Растворные смеси для кладочных и штукатурных работ при «-»температурах воздуха, должны приготавливаться с противоморозными добавками: поташом, нитритом Na, нитратом Ca совместно с мочевиной. Рабочий раствор поташа следует вводить в растворные смеси непосредственно перед затворением их водой только на передвижных или приобъектных смесительных установках. При этом подогрев растворных смесей с поташом не допускается в связи с опасностью их быстрого загустевания. По этой же причине смеси с поташом должны быть израсходованы в возможно короткий срок. При применении нитрита Na или нитрата Ca с мочевиной из них предварительно приготавливаются рабочие растворы, которые затем дозируются в смеситель.
Растворные смеси с заводов транспортируются автосамосвалами или специальными машинами, в которых смесь постоянно перемешивается, что предохраняет ее от расслоения. На крупных стройках - растворонасосами по трубам.
2. Сухие строительные смеси
Сухая строительная смесь представляет собой тщательно приготовленную в заводских условиях смесь, состоящую из минерального и (или) полимерного вяжущего, заполнителя, наполнителя и полимерных модифицирующих добавок. Для придания конкретных свойств в их состав могут входить специальные добавки: ускорители твердения, порообразователи, противоморозные, окрашивающие, гидрофобизирущие и др.
На место производства работ сухие смеси доставляются герметично упакованными в бумажные мешки (расфасованные по 5-50 кг) или в полипропиленовых биг-бэгах вместимостью от 500 до 2000 кг.
Особенности технологии применения сухих строительных смесей связаны со спецификой растворения и диспергирования полимерных компонентов во время затворения смеси. Для обеспечения полного растворения водоудерживающих добавок и диспергирования полимерных модификаторов рекомендуется 2-хстадийиный режим перемешивания с помощью механических мешалок: первичное перемешивание - 3-5 мин, отстаивание 5-7 мин и окончательное перемешивание - 1-2 мин.
Сухие строительные смеси классифицируются по ряду признаков: виду вяжущего, дисперсности наполнителя и основному назначению.
По виду вяжущего:
цементосодержащие;
бесцементные.
По дисперсности наполнителя на:
крупнозернистые - с наибольшей крупностью зерен наполнителей не более 2,5 мм;
тонкодисперсные - с крупностью зерен наполнителя не более 0,315 мм.
По назначению сухие смеси различаются следующим образом - см. табл
Мировой и отечественный опыт применения сухих строительных смесей показал их высокую эффективность и преимущества по сравнению с традиционными методами производства работ:
· повышение производительности труда в 1,5-3 раза в зависимости от вида работ, механизации, транспортирования и т. п.;
· снижение материалоемкости в 3-4 раза за счет возможности нанесения более тонкими слоями ( в отдельных случаях до 10 раз - выравнивание потолков и стен);
· стабильность составов и, как следствие, повышение качества строительных работ;
· длительность срока хранения без изменения свойств и расходование по мере необходимости;
· возможность транспортирования и хранения при отрицательной температуре.
Лидеры - Германия, Испания и Франция.
Популярности сухих строительных смесей способствует то, что по ряду технологических признаков они намного превосходят традиционные растворные. Прежде всего необходимо отметить их высокую водоудерживающую способность и нерасслаиваемость. Так, если традиционные смеси имеют водоудерживающую способность 90-93%, а показатель расслаиваемости до 10%, то смеси из сухих составов имеют эти показатели соответственно 98-99% и 1-2%. Благодаря этому они практически не отделяют воду в течение всего периода их выработки и не отдают ее основанию, на котрое они нанесены, что создает благоприятный влажностный режим для твердения вяжущего.
Присутствие полимерных добавок придает им способность более прочно сцепляться с другими материалами, что важно для надежного скрепления отдельных элементов (кирпича, камней, плиток и т. п.), и повышает долговечность покрытий (штукатурных, отделочных, гидроизоляционных и др.).
БЕТОНЫ
Бетон - искусственный камневидный строительный материал, представляющий собой затвердевшую смесь вяжущего вещества, воды, заполнителей и необходимых добавок. До затвердевания эта смесь называется бетонной смесью.
Состав бетонной смеси подбирают таким образом, чтобы при данных условиях твердения бетон обладал заданными свойствами (прочностью, морозостойкостью, плотностью и др.).
Прочность бетонов достигает 100 МПа, что в 7-10 раз выше прочности кирпича. Бетон - огнестойкий материал. В настоящее время получены бетоны, стойкие к самым разнообразным агрессивным воздействиям, и в том числе жаро-упорные бетоны, способные работать при температуре свыше 1000°С. При сочетании бетона и стали получается композиционный материал с еще более совершенными свойствами - железобетон.
По плотности бетоны делят на особо тяжелые (более 2500 кг/м3), тяжелые обыкновенные ( кг/м3), облегченные ( кг/м3), легкие ( кг/м3), особо легкие теплоизоляционные (500 кг/м3 и менее).
По назначению (области применения) бетоны подразделяют на конструкционные и специальные.
Конструкционные бетоны используют в несущих и ограждающих конструкциях зданий и сооружений; они должны обеспечивать главным образом механические характеристики конструкций - прочность, упругость, деформационные и другие свойства. К конструкционным относят: тяжелый бетон, мелкозернистый, легкий, ячеистый, а также напрягаемый бетон.
Специальные бетоны предназначены для конструкций, эксплуатируемых в особых условиях. К ним относят теплоизоляционные, жаростойкие, химически стойкие, радиационно-защитные, декоративные бетоны.
По виду вяжущего:
Бетоны на цементных вяжущих, изготовляемые на основе клинкерных цементов. Обладают универсальными свойствами, что позволяет использовать их в несущих и ограждающих конструкциях промышленных, гражданских и жилых зданий, за исключением тех случаев, когда предъявляются особые требования, например, по жаростойкости, химической стойкости.
Бетоны на известковых вяжущих, изготовляемые на основе извести в сочетании с гидравлически активными и кремнеземистыми компонентами. Бетон на известково-кремнеземистых вяжущих, синтезированных при автоклавной обработке, называют силикатным (силкатобетоном).
Бетоны на гипсовых вяжущих, изготовляемые на основе полуводного гипса или гипсоцементно-пуццолановых вяжущих. Используют только для внутренних конструкций из-за недостаточной водостойкости.
Бетоны на шлаковых вяжущих, изготовляемые на основе молотых шлаков и зол в смеси с активизаторами твердения (известью, цементом, гипсом, щелочными растворами). Их применение позволяет сэкономить клинкерный цемент и удешевить конструкции.
Бетоны на специальных вяжущих, имеющие узконаправленное применение (на жидком стекле, полимербетоны и т. п.).
По виду заполнителей.
Бетоны на плотных заполнителях - содержат заполнители, получаемые из плотных горных пород (например, гранита) либо из отходов промышленности (например, из металлургических шлаков).
Бетоны на пористых заполнителях получают с использованием искусственных пористых заполнителей (керамзита, аглопорита и др.) либо заполнителей из пористых горных пород (туфа). Сюда входят также бетоны, в которых крупные заполнители пористые, а мелкие - плотные.
Бетоны на специальных заполнителях, придающих им особые свойства: шамотный жаростойкий бетон, радиационнопоголощающий на основе рудосодержащих горных пород (лимонита, гематита) и т. д.
В зависимости от характера структуры различают.
Бетоны плотной (слитной) структуры, в которых пространство между зернами заполнителей полностью занято затвердевшим вяжущим веществом и порами вовлеченного воздуха, объем которых не превышает, как правило, 6 % объема бетона.
Поризованные бетоны, в которых все пространство между зернами заполнителей занято вяжущим веществом, поризованным пено - или газообразующими добавками.
Крупнопористые (беспесчаные или малопесчаные) бетоны, в которых значительную часть пространства между зернами крупного заполнителя намеренно оставляют не занятой мелким заполнителем и затвердевшим вяжущим.
Ячеистые бетоны - бетоны с искусственно созданными ячейками-порами, состоящие из смеси вяжущего вещества, тонкодисперсного кремнеземистого компонента и порообразующей добавки.
Бетоны плотной структуры применяют для изготовления несущих конструкций, к которым предъявляются повышенные требования по морозостойкости и водонепроницаемости. Поризованные, крупнопористые и ячеистые бетоны, в порах которых заключено много воздуха, рекомендуется использовать преимущественно для ограждающих конструкций и теплоизоляции.
Качество бетона характеризуют комплексом показателей, отражающих их механические, теплофизические, защитные, декоративные и другие свойства. Показатели качества зависят от свойств составляющих бетон материалов, соотношения между ними, а также от технологических параметров изготовления изделий.
Широкое использование бетона объясняется его следующими преимуществами.
Большой сырьевой базой. Большую часть объема бетона - до 85-90% занимают песок и крупный заполнитель (щебень или гравий), значительный резерв составляют заполнители, изготовляемые из попутных продуктов и отходов других отраслей промышленности: зола ТЭС, шлаки и др.
Простотой переработки сырья.
Широким диапазоном строительно-технических свойств изделий за счет использования различных сырьевых материалов и технологических приемов их получения.
Возможностью изготовления круноразмерных изделий.
Архитектурной выразительностью.
Долговечностью.
Свойства бетонной смеси и бетонов
Одно из основных свойств бетонной смеси - тиксотропия - способность разжижаться (т. е. приобретать свойства жидкого тел») при периодически повторяющихся механических воздействиях (например, вибрации) и вновь загустевать при прекращении этого воз-действия. Механизм тиксотропного разжижения заключается в том, что при вибрировании силы внутреннего трения и сцепления между частицами уменьшаются и бетонная смесь становится текучей.
Удобоукладываемость - обобщенная техническая характеристика вязкопластичных свойств бетонной смеси. Под удобоукладываемостью понимают способность бетонной смеси под действием определенных приемов и механизмов легко укладываться в форму и уплотняться, не расслаиваясь. Удобоукладываемость смесей в зависимости от их консистенции оценивают по подвижности или жесткости.
Подвижность служит характеристикой удобоукладываемости пластичных смесей, способных деформироваться под действием собственного веса. Она характеризуется осадкой стандартного конуса, отформованного из испытуемой бетонной смеси. Металлическую форму-конус (Æ100х300х Æ200 мм), установленную на горизонтальной поверхности, заполняют бетонной смесью в три слоя, уплотняя каждый слой штыкованием. Избыток смеси срезают, форму-конус снимают и измеряют осадку конуса из бетонной смеси ОК, значение которой (в сантиметрах) служит показателем подвижности П.
Жесткость — характеристика удобоукладываемости бетонных смесей, у которых не наблюдается осадки конуса (ОК = 0). Ее определяют по времени вибрации (в секундах), необходимому для выравнивания и уплотнения предварительно отформованного конуса из бетонной смеси с помощью специального прибора. Время (в секундах) в течение которого смесь распределится в цилиндрической форме равномерно и хотя бы через два отверстия диска, прижимающего смесь в форме, начнет выделяться цементное молоко, принимается за показатель жесткости смеси (Ж).
Связность - способность бетонной смеси сохранять однородную структуру, т. е. не расслаиваться в процессе транспортирования, укладки и уплотнения.
К основным свойствам бетонов относят следующие.
Прочность на сжатие, по среднему арифметическому значению которой устанавливают его марку: М50, М75…М800 (цифра - прочность в кг/см2).
Ползучесть - склонность бетона к росту пластических деформаций под действием статической нагрузки.
Усадка - процесс сокращения размеров бетонных элементов при их нахождении в воздушно-сухих условиях.
Пористость, водопоглощение, теплопроводность, морозостойкость, теплоемк.
Основы технологии бетона
Изготовление бетонных и железобетонных конструкций включают в себя следующие технологические операции: подбор состава бетона, приготовление и транспортирование бетонной смеси, ее укладку, уплотнение и обеспечение требуемого режима твердения бетона.
Состав бетона должен быть таким, чтобы вггонная смесь и затвердевший бетон имели заданные значения войств (удобоукладываемости, прочности, морозостойкости и т. п.), а стоимость бетона при этом была возможно более низкой.
Рассчитывают состав бетона для данных сырьевых материалов, используя зависимости, связывающие свойства бетона с его составом, в виде формул, таблиц и номограмм по требуемой подвижности (жесткости) бетонной смеси, требуемой прочности бетона за счет правильного выбора марки цемента, соотношения цемента и воды, кол-ва и качества крупного и мелкого заполнителей.
При использовании влажных заполнителей необходимо учитывать содержащуюся в них воду и соответственно уменьшать количество воды затворения, чтобы суммарное количество воды было равно расчетному.
Приготовление бетонной смеси осуществляют в специальных агрегатах - бетоносмесителях разных конструкций и различной вместимости (от 01.01.01 дм3).
При перемешивании мелкие компоненты смеси входят в межзерновые пустоты более крупных (песок в пустоты между зерен крупного заполнителя, цемент - в пустоты песка). Этому способствует введение в смеситель воды затворения. В результате объем готовой бетонной смеси составляет не более 0,6-0,7 от суммы объемов сухих компонентов.
Бетоносмесительные установки могут быть передвижными и стационарными. Чаще бетонные смеси приготовляют на специализированных бетонных заводах, имеющих высокую степень механизации в автоматизации. За счет этого повышается стабильность свойств бетонной смеси и бетона (т. н. товарный бетон).
При транспортировании бетонной смеси должна сохраняться ее однородность и подвижность. На большие расстояния транспортирование осуществляется в специальных машинах - бетоновозах, имеющих грушевидную емкость. При движении емкость медленно вращается, постоянно подмешивая бетонную смесь. Это необходимо для того, чтобы смесь не расслаивалась от вибрации во время перевозки, что часто происходит, когда смесь транспортируют в кузовах самосвалов. В зимнее время должен быть предусмотрен подогрев перевозимой бетонной смеси. На строительных объектах и заводах сборного железобетона смесь транспортируют в вагонетках, перекачивают бетононасосами или подают транспортерами.
Качество и долговечность бетона во многом зависят от правильности укладки. Методы укладки и уплотнения определяются видом бетонной смеси (пластичная или жесткая, тяжелый или легкий бетон) и типом конструкции. Укладка должна обеспечивать максимальную плотность бетона (отсутствие пустот) и неоднородность состава по сечению конструкции.
Наиболее эффективный метод укладки, основанный на использовании тиксотропных свойств бетонной смеси - вибрирование. При вибрировании частицам бетонной смеси передаются быстрые колебательные движения от источника колебаний - вибратора. Применяют главным образом электромеханические вибраторы, основная часть которых - электродвигатель. На валу электродвигателя эксцентрично установлен груз-дебаланс, при вращении которого возникают колебательные импульсы.
В зависимости от вида и формы бетонируемой конструкции применяют различные виды вибраторов: поверхностные, глубинные, навесные или используются виброплощадки.
Нормальный рост прочности бетона происходит при положительной температуре (15...25 °С) и постоянной влажности. Соблюдение этих условий особенно важно в первые 10...15 сут твердения. Чтобы поверхность бетона предохранить от высыхания, ее покрывают песком, опилками, периодически увлажняя их или полимерными пленками, битумными и полимерными эмульсиями.
В зимнее время твердеющий бетон предохраняют от замерзания различными методами: методом термоса, когда подогретую бетонную смесь защищают теплоизоляционными материалами, и подогревом бетона во время твердения. На заводах сборного железобетона для ускорения твердения бетона применяют тепловлажностную обработку - прогрев при постоянном поддерживании влажности бетона. При этом время твердения железобетонных изделий до набора ими отпускной прочности (70...80% марочной) сокращается до 10...16 ч (при твердении в естественных условиях для этого требуется 10...15 дней).
железобетон
Железобетон - армированный сталью искусственный камень, получаемый после затвердевания бетонной смеси, состоящей из минеральных вяжущих, воды и заполнителей. При формовании железобетона в стальных формах получают изделия и конструкции, называемые сборным железобетоном.
Технологический процесс состоит из ряда самостоятельных операций, объединяемых в отдельные процессы: заготовку арматурных конструкций и закладных деталей, приготовление и подачу бетонных смесей, подготовку форм, формование изделий, их термообработку, распалубку и складирование готовых изделий. Все процессы механизированы и автоматизированы.
Арматурой железобетона называют стальные элементы, помещаемые в толщу бетона для придания ему высокой прочности. Аналогично естественному камню бетон обладает высокой прочностью на сжатие, но его предел прочности на растяжение 15-30 раз меньше. Стальная арматура, хорошо сцепляющаяся с бетоном, восприни мает растягивающие усилия, что повышает его несущую способность и позволяет получать легкие, прочные, дешевые и долговечные строительные конструкции. Для повышения несущей способности ЖБИ и наиболее полного использования упругих свойств стали арматуру натягивают. Такое армирование железобетона называют напряженным.
Арматурные конструкции состоят из нескольких элементов, главными из которых являются несущие элементы, т. н. рабочая арматура, а вспомогательными служат распределительные элементы, которые позволяют равномерно распределить по рабочей арматуре действующие усилия. Соединяют элементы монтажной арматурой или сваркой. Для строповки изделий при транспортировании, а также для сварки и монтажа сборного железобетона служат монтажные петли и закладные детали.
Существует несколько видов рабочей арматуры. Стержневая арматура изготавливается из углеродистой или легированной горячекатаной или холоднотянутой стали периодического или гладкого профиля диаметром до 70 мм. Для ответственных ЖБИ используют высокопрочную стержневую арматуру из низколегированных сталей или проволочную арматуру из углеродистой или легированной стали. Для этих же целей применяют свитые из проволоки нераскручивающиеся пряди и канаты. Прядевая арматура - это свитые вместе 7 или 19 высокопрочных проволок, канатную изготавливают свивкой 2 или 3 прядей. Эта арматура хорошо сцепляется с бетоном. Благодаря высокой прочности и повышенной надежности, т. к. повреждение отдельных проволок прядей не вызывает потери несущей способности конструкции, она находит все более широкое применение в производстве преднапряженного железобетона.
Основные операции подготовки арматуры в ЖБИ: заготовка, упрочнение, механическая обработка, сварка, монтаж и натяжение. Технологические операции производства ЖБИ условно разделяют на основные, вспомогательные и транспортные.
К основным операциям относят приготовление бетонной смеси, включая подготовку составляющих материалов; изготовление арматурных элементов и готовых каркасов; формование изделий, куда входит их армирование; тепловую обработку отформованных изделий, освобождение готовых изделий из форм и подготовку форм к очередному циклу; отделку и обработка лицевой поверхности некоторых видов изделий и т. п.
Вспомогательные операции: получение и подача пара и воды, сжатого воздуха, электроэнергии, складирование сырьевых материалов, полуфабрикатов и готовой продукции, пооперационный контроль и контроль качества готовой продукции и т. д., необходимые для выполнения основных операций.
К транспортным относят операции по перемещению материалов, полуфабрикатов и изделий без изменения их состояния и формы.
Наиболее прогрессивный принцип организации технологического процесса в производстве сборного железобетона - поточность и возможно большая специализация технологических линий по виду изготовляемой продукции.
Принцип поточности предусматривает более полное использование установленного оборудования, применение комплексной механизации и автоматизации процессов. Он включает ритмичность процесса и синхронизацию длительности циклов рабочих операций, выполняемых на каждом рабочем посту. Ритмичность требует соблюдения постоянства установленных норм времени на выполнение определенных операций и ритмической повторяемости циклов через строгие интервалы времени. Синхронизация заключается в расчленении операций по отдельным постам технологической линии таким образом, чтобы длительность цикла на каждом посту была равна длительности цикла на всех постах данного технологического потока. На тех постах, где цикл больше других, должно быть соответственно увеличено число рабочих мест или установок, чтобы не снижалась пропускная способность остальных постов линии и был обеспечен принятый ритм съема продукции.
Непрерывность потока при передаче изделий от поста к посту позволяет лучше использовать производственные площади.
Эффективность выпускаемой продукции зависит главным образом от принятой технологии выполнения наиболее сложных и трудоемких основных операций - формования изделий и процессов ускорения твердения бетона. Эти операции, осуществляемые на обособленных технологических линиях с использованием специальных машин, механизмов и оборудования, определяют метод изготовления изделий.
В зависимости от объема, номенклатуры выпускаемых изделий и экономических соображений используют стендовый, агрегатно-поточный или конвейерный способ производства.
Стендовый способ обычно применяют непосредственно на строительной площадке или поблизости от нее. Оборудование довольно простое и универсальное, что позволяет легко менять номенклатуру выпускаемых изделий. Характеризуется небольшой производительностью - до 10 тыс. м3 в год.
Сущность стендовой технологии состоит в том, что изделия формуют и они твердеют в стационарном положении на стенде или специальной установке без перемещений, а все материалы, формующее и другое технологическое оборудование, а также обслуживающие его рабочие звенья перемещаются от одной формы на стенде к другой. Этот способ требует больших производственных площадей, усложнения механизации и автоматизации производства, высоких трудозатрат.
Стендовая технология целесообразна при изготовлении крупногабаритных большой массы конструкций - ферм, двускатных балок больших пролетов, колонн и т. п. Особенно эффективен этот способ для предварительно напряженных изделий.
При изготовлении изделий применяют стенды двух типов: длинные и короткие. Длинные стенды (пакетные и протяжные) применяют при изготовлении нескольких изделий по длине стенда одновременно. На пакетных стендах арматурные пакеты с зажимами на концах собирают на отдельной установке, а затем их переносят и укладывают в захваты стендов или форм. На протяжных стендах арматурную проволоку сматывают с бухт, размещенных с одного конца стенда, и протягивают по всей длине стенда непосредственно на линии формования до упора, расположенного с другой стороны стенда.
На пакетных стендах производят шпалы, сваи, опоры, балки и другие изделия, имеющие небольшое поперечное сечение и компактное расположение арматуры; зажимные устройства и захваты при этом получаются малогабаритными и относительно легкими и ими удобно пользоваться.
Изделия большой ширины или высоты (балки, прогоны, плиты и т. д.) с большим поперечным сечением, требующие поштучного или группового натяжения стержневой арматуры, более рационально выполнять на протяжных стендах.
Стенды, соответствующие длине одного или двух наибольших размеров элемента, называют короткими, а длине 4-15 одинаковых элементов - длинными или линейными.
На коротких стендах изготовляют одно изделие по длине или 1-2 изделия по ширине стенда чаще всего в горизонтальном положении (фермы, двускатные балки и т. п.). Арматуру натягивают гидродомкратами на упоры стенда или электротермическим способом.
Длинные стенды бывают протяженностью от 70 до 120 м и их используют для массового изготовления ограниченной и стабильной номенклатурой изделий. Для широкой номенклатуры конструкций целесообразнее применять короткие стенды или силовые формы.
При агрегатно-поточном способе производства изделия формуют на виброплощадке или на специально оборудованных установках, состоящих из формовочной машины, бетоноукладчика и машины для укладки формы на формовочный пост.
По этому способу формы с изделиями, перемещаясь по потоку, могут останавливаться не на всех рабочих постах, а только на тех, которые нужны для изготовления изделий данного типа. При этом время остановки на каждом посту может быть различным. Оно зависит от времени, необходимого для выполнения данной технологической операции. Это дает возможность создавать на одной и той же линии посты с разным технологическим оборудованием, изготавливать одновременно несколько видов изделий, относительно легко переходить с одного типа изделий к другому. Отсутствие принудительного ритма перемещения форм позволяет на одном посту производить несколько операций.
Технологические посты при этом способе укрупняются, агрегируется оборудование, а число перемещений форм, обычно осуществляемых с помощью мостового крана или кран-балки, сокращается.
В состав технологической линии входят: формовочный агрегат с бетоноукладчиком, установка для заготовки и электрического нагрева или механического натяжения арматуры, формоукладчик, камеры твердения, участки распалубки, остывания изделий, их доводки или отделки, технического контроля; пост чистки и смазки форм; площадки запаса арматуры, закладных деталей, утеплителя, складирования резервных форм, их оснастки и текущего ремонта, а также стенд для испытания готовых изделий.
Агрегатно-поточная технология отличается большой гибкостью и маневренностью в использовании технологического и транспортного оборудования, в режиме тепловой обработки, что важно при выпуске изделий большой номенклатуры.
При такой организации технологический процесс состоит в основном из отдельных операций, выполняемых на определенных рабочих постах. Часть операций технологического процесса обычно выполняют одновременно с другими, например освобождение изделий из форм, их осмотр и подготовка форм совмещаются по времени с формованием изделия.
Производительность агрегатно-поточной технологической линии определяется продолжительностью цикла формования изделия, который в зависимости от вида и размеров формуемых изделий может колебаться в широких пределах (5-20 мин).
Этот способ экономически оправдан для мелкосерийного производства ЖБИ на заводах малой и средней мощности. При несложном технологическом оборудовании, небольших производственных площадях и затратах на строительство он дает возможность получить высокий съем готовой продукции с 1 м2 производственной площади цеха.
Он позволяет также оперативно осуществлять переналадку оборудования и переходить к формованию от одного вида изделий к другому без существенных затрат.
К агрегатному способу производства относят формование плит перекрытий и покрытий плоских и ребристых на виброплощадке в одиночных и групповых формах, изготовление колонн, свай и ригелей длиной до 7,2 м, фундаментных блоков, шпал, изготовление на роликовых и ременных центрифугах в разъемных и неразъемных формах напорных и безнапорных труб, пустотелых колонн, стоек, опор ЛЭП и освещения.
Конвейерный способ - усовершенствованный поточно-агрегатный.
Технологические конвейерные линии характеризуются наличием конвейера, состоящего, как правило, из форм-вагонеток, перемещающихся по кольцевому пути, либо представляют собой движущуюся бесконечную ленту, на которой последовательно совершаются технологические операции.
При данной организации производства технологический процесс делится на ряд циклов, каждый из которых последовательно выполняется на одном из постов конвейера при движении форм с заданной скоростью.
Конвейер работает с принудительным ритмом движения, с одинаковой для всех циклов продолжительностью, определяемой временем пребывания на посту, необходимым для выполнения наиболее трудоемкого цикла. Конвейерная технология позволяет более компактно расположить оборудование и значительно лучше использовать производственные площади. При этом почти все процессы механизированы, обеспечивается лучшая организация труда, соблюдается определенный ритм работы.
Конвейерные линии делят по характеру работы на линии периодического и непрерывного действия; по способу транспортирования - на линии с формами, передвигающимися по рельсам или роликовым конвейерам, а также с формами, образуемыми непрерывной стальной лентой или составленными из ряда элементов и бортовой оснастки; по расположению тепловых агрегатов - параллельно конвейеру в вертикальной или горизонтальной плоскостях либо в створе формовочной части конвейера.
Конвейерная технология, применяемая на специализированных линиях одного вида (плиты перекрытий и покрытий, панели внутренних и наружных стен и т. п.) особенно эффективна для заводов значительной мощности. Возможно применение конвейеров для производства колонн и ригелей как с обычной, так и с напрягаемой арматурой, санитарно-технических кабин и т. д.
Изделия изготовляют на передвижных поддонах, образующих непрерывную конвейерную линию. Число постов зависит от вида выпускаемых изделий и степени их отделки (как правило, их бывает 6-15). Ритм работы конвейеров обычно составляет 10-22 мин, а скорость перемещения 0,9-1,3 м/с.
На постах конвейерной линии последовательно выполняют следующие операции: подготовку формы, укладку в нее арматуры и бетонной смеси, ее распределение и уплотнение, подачу формы с изделием в камеру тепловой обработки непрерывного действия, выход формы с изделием из камеры, распалубку и осмотр готового изделия.
Конвейерный метод производства железобетонных изделий позволяет добиться комплексной механизации и автоматизации технологических процессов изготовления изделий, значительного повышения производительности труда и увеличения выпуска готовой продукции при наиболее полном и эффективном использовании технологического оборудования. Применение этого метода рационально при массовом выпуске изделий по ограниченной номенклатуре с минимальным числом типоразмеров.
Производство силикатных изделий
Силикатные изделия изготовляют из известково-песчаного вяжущего (смеси тонкодисперсного песка и извести в количестве 5-18%), песка в качестве среднего и крупного заполнителя в количестве 90-95% и воды (до 10% от массы твердых компонентов) с последующим твердением свежеотформованного изделия в условиях водяного пара при давлении 0,9-1,3 МПа и температуре 170-200°С.
В результате термовлажностной обработки из известково-песчаного вяжущего образуются основное цементирующее вещество - гидросиликаты кальция. Их состав зависит от соотношения извести и кремнезема, дисперсности последнего, температуры и продолжительности гидротермальной обработки.
Окончательная прочность изделия зависит от многих факторов: состава и степени дисперсности известково-кремниземистого вяжущего, водовяжущего соотношения (при недостатке воды происходит неполное гашение извести, при избытке - смесь чересчур влажная - и то и другое снижает прочность), степени уплотнения силикатной смеси (чем она выше, тем меньше нужно извести - в кирпиче 5-10% и тем выше прочность).
Для регулирования свойств вяжущего, бетонной смеси и бетона применяют специальные добавки: гипсовый камень для замедления гидратации извести; триэтаноламин для повышения помолоспособности компонентов вяжущего, кремнийорганические жидкости для повышения долговечности бетона, пластификаторы и т. д.
В зависимости от типа оборудования, применяемого для гашения извести, различают три способа приготовления смеси для силикатных изделий: барабанный, силосный и дезинтеграторный. При барабанном способе известь гасится в гасильных или вращающихся барабанах, при силосном - в вертикальных металлических силосах, при дез - интеграторном способе известь-пушонка с просеянным песком поступает в дезинтегратор, где происходит измельчение, активизация поверхности зерен песка и перемешивание извести с песком. Наибольшее распространение получил силосный способ.
Существует несколько технологий производства, специфика которых определяется видом получаемых силикатных изделий: плотного (тяжелого) силикатобетона (r= кг/м3, sсж=15-60 МПа); ячеистого силикатобетона и силикатного кирпича (камня).
В современном производстве силикатобетона (практически не выпускается в РБ) используются три схемы, которые отличаются способом приготовления известково-кремнеземистого вяжущего, а также очередностью некоторых операций:
· «гидратный» - исключает возможность гидрационного твердения извести - т. е. гашения во время помола;
· «кипелочный»;
· комбинированный.
Кипелочный способ (вторая схема) отличается от первого тем, что позволяет при приготовлении вяжущего использовать песок карьерой влажности. При этом часть извести гасится в процессе помола. Для регулирования сроков схватывания вводят до 5% гипсового камня, а при приготовлении бетонной смеси - до 0,5% СДБ от массы извести. Особенность - после формования перед автоклавной обработкой изделия выдерживают в течение 2-3 часов для достижения более полной гидратации извести.
Третья схема - комбинированная (видоизмененная кипелочная) объединяет положитедьные стороны первой и второй схем: при приготовлении вяжущего используют мелкозернистый песок карьерной влажности, а при перемешивании добавляют замедлитель гашения (СДБ) в таком количестве, чтобы процесс гашения извести начался не при перемешивании компонентов силикатобетона с водой, а в процессе силосования в бункерах гашения.
Из этих схем наиболее эффективна 1-ая.
Гидратный способ (первая схема)
