1.3 Искусственные строительные материалы
1.3.1 Керамические материалы и изделия
Материалы и изделия, изготовленные из глины с добавкой или без добавки других материалов путем формования, сушки и последующего обжига, называются керамическими. Керамические материалы весьма разнообразны по назначению и физико-механическим свойствам. В зависимости от назначения керамические материалы и изделия можно разделить на: стеновые материалы, керамические изделия для облицовок фасадов и внутренних стен зданий, кровельные материалы, керамические трубы и кислотоупорные изделия.
К стеновым материалам относятся: кирпич глиняный обыкновенный, пустотелый и пористо-пустотелый, камни пустотелые, кирпич легкий. Объемный вес этих стеновых материалов колеблется от 700 до 1450 кг/м в высушенном состоянии.
Кирпич глиняный обыкновенный применяется в основном для кладки внутренних и наружных стен, столбов, изготовления кирпичных стеновых блоков и панелей. Он формуется на ленточных или вакуумных прессах из легкоплавких глин с отощающими примесями или без них.
Полученный таким образом кирпич-сырец сушится и затем обжигается. Стандартные размеры кирпича 250*125*65 и 250*125*88 мм. В зависимости от предела прочности при сжатии кирпич подразделяется на пять марок: 200, 150, 125, 100, 75.
Кирпич, насыщенный водой, должен выдерживать не менее 15 циклов замораживания (без каких-либо внешних признаков разрушения) при температуре -15°С и ниже с последующим оттаиванием.
Водопоглощение глиняного кирпича должно составлять не менее 8% от веса кирпича, высушенного до постоянного веса, что обеспечивает необходимую пористость кирпича.
Кирпич должен быть равномерно обожженным и иметь в изломе однородную структуру. Пережженный кирпич (железняк) отличается повышенной плотностью и темным цветом; недожженный кирпич имеет алый цвет, обладает большой пористостью и малой прочностью.
Большой объемный вес и высокий коэффициент теплопроводности (0,7 ккал/мградч) является большим недостатком кирпича обыкновенного как стенового материала. В настоящее время производятся более эффективные виды кирпича, с меньшим объемным весом и меньшим коэффициентом теплопроводности: кирпич пустотелый, пористый, дырчатый.
Кирпич глиняный пустотелый и пористый полусухого или пластического прессования изготовляют из обычной глины с введением в нее выгорающих во время обжига добавок — древесных опилок, мелкого торфа, угля. Размеры пустотелого и пористого кирпича 250*120*88 и 250*120*65 мм; марки 150, 125, 100 и 75.
Меньший коэффициент теплопроводности пустотелого и пористого кирпича позволяет уменьшить толщину наружных стен отапливаемых зданий.
Пустотелый кирпич изготовляется с несквозными пустотами со стороны нижней постели кирпича (рис. 1.4) и применяется для кладки стен, перегородок и для изготовления кирпичных блоков.
Камни керамические пустотелые применяются для кладки несущих стен одноэтажных и многоэтажных зданий и для кладки нене - сущих стен и перегородок. Размеры камней по длине 250, 190 и 290 мм; по ширине 120, 70, 90 и 190 мм; по толщине 138, 188 и 288 мм; водопоглощение не менее 6%; марки 150, 125, 100, 75; морозостойкость — не менее 15 циклов замораживания.
Кирпич строительный легкий изготовляется формованием с последующим обжигом из диатомов с выгорающими добавками. Размеры кирпича 250*120*88 мм; марки 100, 75, 50 и 35. Легкий кирпич применяется для наружных и внутренних стен зданий с нормальной влажностью помещений.
Рис. 1.4. Виды пустотелых керамических стеновых материалов
В настоящее время широкое распространение получили крупнопанельные и крупноблочные здания. Кирпичная кладка заменяется крупными блоками, изготовляемыми из легких бетонов на пористых заполнителях и реже из кирпича и пустотелых камней.
Для кладки промышленных дымовых кирпичных труб применяется кирпич глиняный лекальный трех марок: 150, 125 и 100.
Для устройства обделки подземных коллекторов при щитовой проходке используют камни трапецеидальной формы (рис. 1.5); на торцовых гранях камней имеются гребни и пазы. Предел прочности камней при сжатии должен быть не менее 200 кгс/см2.
Рис. 1.5. Трапецеидальные керамические камни
Кирпич для дорожных одежд и полов (клинкер) отличается плотной структурой, большим сопротивлением истиранию и высокой прочностью; марки кирпича 1000, 600 и 400; размеры 220*100*65 мм.
Фасады жилых, общественных и промышленных зданий облицовывают кирпичом и камнями керамическими лицевыми, ковровой керамикой и керамическими облицовочными плитками. Лицевые поверхности кирпича и камней могут быть гладкими, рельефными и офактуренными. Ковровая керамика представляет собой мелкоразмерные тонкие плитки различного цвета.
Плитки фасадные керамические имеют гладкую или офактуренную наружную поверхность, а с тыльной стороны — углубления для лучшего сцепления с раствором.
Крупногабаритные плиты для облицовки фасадов зданий бывают закладные, устанавливаемые одновременно с кладкой, и прислонные, устанавливаемые на растворе после возведения и осадки стен.
Керамические облицовочные плитки представляют собой квадратные или прямоугольные пластинки размером 150*150 и 150*75 мм, изготовленные из глины и покрытые с лицевой стороны стекловидным тонким слоем — глазурью. Тыльная сторона плиток имеет рифленую поверхность, что обеспечивает хорошее сцепление с цементным раствором. Эти плитки применяются для облицовки стен ванных комнат, уборных, кухонь, бань, прачечных, больничных и других помещений.
Плитки для полов должны противостоять истиранию, обладать водонепроницаемостью, не давать пыли, обладать устойчивостью по отношению к действию кислот и щелочей.
Плитки для полов имеют квадратную форму 50*50, 100*100 и 150*150 мм, прямоугольную, треугольную, шестигранную и восьмигранную формы, в последнее время имеет место тенденция увеличения размеров плиток до 500 мм. Цвет плиток может быть самым разнообразным. Тыльная сторона плиток всегда рифленая для прочного сцепления с раствором. Лицевая сторона обычно гладкая, но может быть рифленой, чтобы уменьшить скольжение (в мокрых помещениях).
Полы из таких плиток настилают в вестибюлях общественных зданий, в банях, прачечных, в помещениях с повышенными санитарно-гигиеническими требованиями, в ванных комнатах, уборных и на лестничных площадках жилых домов, на предприятиях химической промышленности.
Черепица глиняная — огнестойкий и долговечный материал, применяющийся для устройства кровель.
Промышленностью выпускается глиняная черепица трех видов: пазовая штампованная, пазовая ленточная и плоская ленточная (рис. 1.6). Черепица формуется из пластичных глин, затем сушится и обжигается; цвет ее обычно красный. Для покрытия конька крыши изготовляется коньковая черепица специальной формы.
При ударе молотком черепица не должна издавать глухого или дребезжащего звука. Разрушающая нагрузка при испытании на излом черепицы в воздушно-сухом состоянии должна быть не менее 70 кгс. В насыщенном водой состоянии черепица должна выдерживать без ухудшения прочности 25-кратное замораживание при -15°С и последующее оттаивание.
Кислотоупорный керамический кирпич применяется для кладки фундаментов химических аппаратов, футеровки газоходов, настилки полов и сточных желобов; кислотоупорные плитки — для облицовки панелей и сточных желобов и лотков целлюлозной, гидролизной и других отраслей промышленности.
Рис. 1.6. Ленточная глиняная черепица: а - плоская, б - волнистая,
в - S-образная, г - коньковая
Канализационные керамические трубы выпускаются внутренним диаметром от 150 до 600 мм; они имеют плотный хорошо обожженный спекшийся глиняный черепок, покрытый изнутри и снаружи глазурью. Канализационные трубы формуют с раструбом на специальных трубных прессах. После формовки трубы сушат в искусственных или естественных условиях, покрывают глазурью и обжигают в печах. Трубы должны выдерживать гидравлическое давление не менее 2 am; водопоглощение черепка труб не должно превышать 11%; кислотостойкость черепка трубы должна быть не менее 90%. Трубы канализационные применяются для производственных и хозяйственно-фекальных канализационных сетей.
1.3.2 Неорганические вяжущие материалы для бетонов и растворов
Неорганическими вяжущими материалами называются тонкомолотые порошки, образующие при смешивании с водой тестообразную массу, которая постепенно загустевает и переходит в камнеподобное состояние. Процесс потери тестообразной массой подвижности принято называть процессом схватывания, после которого следует процесс твердения.
Вяжущие материалы для бетонов и растворов в зависимости от химико-минералогического состава делятся на следующие группы: цементы, известь, известково-шлаковые вяжущие, гипсовые и магнезиальные вяжущие, жидкое стекло.
Кроме того, вяжущие разделяются в зависимости от условий их твердения и нарастания прочности на вяжущие гидравлические, твердеющие как на воздухе, так и в воде; вяжущие воздушные, твердеющие только на воздухе; вяжущие автоклавного твердения, наиболее эффективно твердеющие при автоклавной обработке — запарке.
Цементы являются гидравлическими вяжущими. К ним относятся портландцемента, шлакопортландцементы, глиноземистые и другие виды цементов.
Портландцемент получают путем тонкого помола клинкера с добавкой 2 - 3% гипса. Клинкер образуется в результате обжига до спекания сырьевой смеси глины и углекислого кальция (чаще всего известняка). В зависимости от прочности цементного раствора при сжатии портландцемента делятся на пять марок: 300, 400, 500, 600, 700.
При затворении портландцемента водой образуется пластичное тесто, которое спустя некоторое время начинает загустевать (схватываться), а затем твердеть, превращаясь в камневидное тело. Начало схватывания портландцемента должно наступать не ранее чем через 45 мин, а конец — не позднее чем через 12 ч.
Портландцемент применяется для приготовления бетонов и растворов для изготовления бетонных и железобетонных конструкций и деталей.
Промышленностью выпускаются следующие разновидности портландцемента: пластифицированный, гидрофобный, сульфатостойкий, быстротвердеющий, цветной, тампонажный и др.
Пластифицированный портландцемент получают введением в размалываемый клинкер пластифицирующих поверхностно-активных добавок. В результате на цементных зернах образуются тончайшие пленки этого вещества, благодаря чему повышается подвижность (пластичность) бетонной смеси или раствора.
Гидрофобный (водоотталкивающий) цемент образуется при вводе в процессе помола в цемент гидрофобного вещества, которое обволакивает тончайшей пленкой зерна цемента и препятствует доступу влаги воздуха к зернам. Это обеспечивает прочность гидрофобного цемента в процессе длительного хранения или перевозки водным транспортом. При приготовлении бетонов и растворов гидрофобная пленка на зернах цемента легко разрушается.
Бетоны на гидрофобных и пластифицированных цементах более морозостойки и менее водопроницаемы.
Сульфатостойкий портландцемент обладает повышенным сопротивлением разрушающему действию сульфатных вод, содержащих сульфаты (сернистые соединения). Это достигается уменьшением в цементе тех минералов, которые вступают в реакцию с сульфатами воды. Сульфатостойкий цемент применяется в гидротехническом строительстве, при возведении фундаментов и других конструкций, подвергающихся воздействию сульфатных вод.
Быстротвердеющий портландцемент обеспечивает высокую прочность бетона уже через 1 - 2 суток твердения, поэтому он широко применяется при массовом производстве сборных бетонных и железобетонных конструкций и деталей.
Цветной портландцемент получают при одновременном помоле клинкера с минеральными или органическими красителями. Промышленностью выпускаются белые, желтые, розовые, красные, коричневые, зеленые, голубые и черные цементы.
Тампонажный портландцемент обладает высокой прочностью в начальные сроки твердения. Применяется этот цемент при тампонировании нефтяных и газовых скважин.
Песчанистый портландцемент интенсивно твердеет при автоклавной обработке. Он состоит из смеси тонкоизмельченного порт - ландцементного клинкера и кварцевого песка с добавкой гипса.
Шлакопортландцемент — гидравлическое вяжущее, образуется в результате совместного тонкого помола клинкера, необходимого количества гипса и доменного гранулированного шлака. Схватывание и твердение шлакопортландцемента происходит медленнее, чем портландцемента.
Пуццолановый портландцемент — гидравлическое вяжущее, получаемое при одновременном измельчении клинкера, гипса и добавок вулканического или осадочного происхождения (вулканический пепел, туф, пемза, диатомит и др.). Бетоны, приготовленные на пуц - цолановом портландцементе, отличаются повышенной водостойкостью и водонепроницаемостью, однако по морозостойкости они уступают бетонам на портландцементе.
Сульфато-шлаковый цемент — гидравлическое вяжущее, получаемое путем помола гранулированного доменного шлака и гипса с добавкой портландцемента или извести. Сульфато-шлаковый цемент обладает повышенной стойкостью в сульфатных водах.
Глиноземистый цемент образуется при тонком помоле смеси извести и бокситов, обожженной до сплавления или спекания. Отличительное его качество — быстрое твердение; уже через 1 сутки глиноземистый цемент достигает 80 - 90% марочной прочности; особенно незаменим глиноземистый цемент при аварийных работах.
Бетонные конструкции на глиноземистом цементе при твердении должны иметь температуру не выше 25°С; их нельзя для ускорения твердения пропаривать.
Затвердевший глиноземистый цемент хорошо сопротивляется действию высоких температур.
Расширяющийся цемент при твердении увеличивается в объеме на 1 - 1,5% без образования трещин, в результате чего повышается плотность и монолитность бетона. Обыкновенные цементы при твердении дают усадку.
Расширяющийся цемент применяется для заделки (зачеканки) стыков водопроводных чугунных труб, стыков сборных железобетонных конструкций, стыков тюбингов в тоннелях метрополитена, в шахтах, при аварийных работах, для заделки анкерных болтов в фундаментах и т. п.
Известь строительную получают при обжиге ниже температуры спекания известняка или других горных пород, содержащих углекислый кальций. Образующийся после обжига продукт называется негашеной комовой известью, или кипелкой, и не является вяжущим веществом. Для получения из комовой извести вяжущего ее следует тонко измельчить.
Существует два способа измельчения комовой извести: помол в шаровых мельницах и гашение. При гашении в известегасилке под действием воды куски комовой извести превращаются в гашеную известь — тонкий порошок (пушонка) или (при избыточном количестве воды) известковое тесто (молоко).
В зависимости от способа измельчения различают два вида товарной воздушной извести: негашеную молотую, или кипелку, и гашеную, или гидратную. В отличие от гашеной, молотая негашеная известь способна быстро схватываться и твердеть.
По условиям твердения строительная известь разделяется на гидравлическую и воздушную.
Гидравлическая известь затвердевает, приобретает и сохраняет свою прочность в условиях повышенной и высокой влажности. Она используется при изготовлении растворов для кладки и оштукатуривания конструкций, которые будут находиться в сухих и влажных условиях эксплуатации, и при изготовлении бетонов низких марок.
Воздушная известь затвердевает и длительное время сохраняет или даже увеличивает свою прочность только на воздухе. В условиях повышенной влажности прочность воздушной извести значительно снижается. Воздушная известь применяется в строительстве в виде растворов и, кроме того, для изготовления силикатного кирпича и искусственных камней.
Известково-шлаковые гидравлические вяжущие получают одновременным измельчением гидравлической или воздушной извести с гранулированными доменными шлаками. Эти вяжущие медленно схватываются и медленно твердеют. К этой группе вяжущих относятся известково-пуццолановые, известково-кремнеземистые и другие вяжущие на основе извести., Известково-шлаковые вяжущие имеют марки 200, 150, 100 и 50.
Гипсовые вяжущие материалы относятся к воздушным вяжущим. Это гипс строительный высокопрочный и ангидритовые вяжущие.
Строительный гипс представляет собой тонкоизмельченный продукт обжига гипсового камня при температуре 150 - 170° С. Смешиванием порошка гипса с водой получают пластичное клейкое тесто, которое довольно быстро начинает загустевать и переходит в камневидное состояние.
При твердении гипса объем его увеличивается приблизительно на 1%; это свойство способствует хорошему заполнению форм при изготовлении гипсовых изделий.
Гипсовые изделия не следует применять во влажных помещениях. Для повышения водостойкости к гипсу добавляется известь и молотый шлак. Чтобы замедлить схватывание, во время затворения к гипсу добавляют известь или клеевую воду.
Гипс строительный применяется для изготовления перегородочных плит, сухой гипсовой штукатурки, архитектурных деталей и лепных изделий, для штукатурных работ в виде гипсоизвестковых растворов, для получения быстротвердеющей штукатурки с гладкой поверхностью.
Высокопрочный гипс отличается от строительного кристаллическим строением и большой прочностью. Получают высокопрочный гипс путем варки гипсового камня в автоклавах при давлении пара
am. Применяется он для изготовления внутренних конструкций зданий.
Ангидритовое вяжущее образуется путем обжига природного гипсового камня при температуре 600 - 800°С и последующего помола с различными минеральными добавками. Ангидритовые вяжущие применяются при устройстве полов, изготовлении строительных и архитектурных деталей, искусственного мрамора.
Ангидритовый цемент не обладает водостойкостью, поэтому применять его можно только в сухих помещениях.
К магнезиальным вяжущим (воздушные вяжущие) в зависимости от вида сырья относят магнезит каустический и доломит каустический, которые получают путем обжига магнезита и доломита.
В смеси с древесными опилками магнезиальные вяжущие применяются для устройства бесшовных ксилолитовых полов. Из древесных опилок и древесной муки и магнезиального цемента изготовляются прессованные плитки для полов.
Растворимое или жидкое стекло (натриевое и калиевое), получают в результате сплавления при температуре 1400° С тонко измельченных и тщательно смешанных между собой кварцевого песка и кальцинированной соды или сульфата натрия.
Застывшая масса растворимого стекла называется силикат - глыбой. Силикат-глыба растворяется в горячей воде при давлении пара 3 - 5 am. Жидкое стекло применяется в строительстве для изготовления огнезащитных, изоляционных и кислотоупорных обмазок, растворов, огнеупорных и жароупорных бетонов. Хранится оно в виде силикат-глыбы или водного раствора в стеклянной или металлической емкости.
Строительные растворы на основе неорганических вяжущих
Строительным раствором называется правильно подобранная смесь неорганического вяжущего, мелкого заполнителя (песка) и воды с последующим ее твердением после укладки в дело. Строительные растворы применяют при возведении стен и фундаментов, связывая в прочную монолитную конструкцию штучные камни (кирпич, бут), блоки и панели, для изготовления искусственных каменных материалов, для покрытия (оштукатуривания) наружных и внутренних поверхностей стен.
В зависимости от назначения различают растворы для каменных кладок и стен из крупных элементов, отделочные и специальные. К растворам для кладок предъявляются требования прочности, так как от прочности раствора зависит прочность стен, фундаментов, столбов.
Отделочные (штукатурные) растворы должны давать плотный отделочный слой, имеющий хорошую сцепляемость с материалом отделываемой конструкции.
По виду вяжущих различают следующие строительные растворы: цементные, известковые, гипсовые и смешанные.
Строительные растворы по объемному весу в сухом состоянии подразделяются на тяжелые (1500 кг/м и более) и легкие (менее 1500 кг/м3). Тяжелые растворы приготовляются чаще на кварцевом песке, легкие — на песках из легких горных пород (пемзы, туфа) или песках из гранулированных доменных и топливных шлаков.
По условиям твердения вяжущего растворы делят на воздушные и гидравлические. Воздушные растворы применяются для конструкций, эксплуатируемых в сухих условиях, гидравлические растворы — во влажных.
Важнейшим свойством строительных растворов (отвердевшей смеси) является прочность, а растворных смесей — подвижность и водоудерживающая способность.
Прочность затвердевшего раствора зависит от активности (марки) цемента и водоцементного отношения, т. е. соотношения между количеством воды и количеством вяжущего (по весу).
Для растворов установлены по прочности на сжатие в кгс/см2 следующие марки растворов: 4, 10, 25, 50, 75, 100, 150, 200 и 300. За марку принимается предел прочности при сжатии образцов 70,7*70,7 *70,7 мм в кгс/см2 на 28-й день твердения при температуре 15 - 25°С.
Подвижностью растворной смеси называется способность ее растекаться по ровной поверхности под действием собственного веса или внешней нагрузки. Чтобы увеличить подвижность смеси, в нее добавляют различные пластифицирующие добавки, в результате чего уменьшается расход цемента.
За показатель подвижности растворной смеси принимается глубина погружения стандартного конуса весом 300г с углом при вершине 30° (рис. 1.7).
Удобоукладываемость растворной смеси характеризуется легкостью укладки (расстилания) ее тонким слоем по поверхности конструкции. Для повышения удобоукладываемости к цементным растворам добавляют пластификаторы — известь, глину и другие добавки.
Водоудерживающая способность растворных смесей имеет важное значение. Смеси с низкой водоудерживающей способностью расслаиваются при транспортировании, отдают свою воду конструкциям(кирпичным, бетонным), на которые наносятся. Содержание воды в смеси может оказаться недостаточным, в результате чего твердение раствора прекратится.
Рис. 1.7. Прибор для определения подвижности растворной смеси: 1-шкала;2-конус; 3-емкость для раствора
Состав растворной смеси выражается отношением по весу цемента, добавки и песка. Например, состав раствора 1 : 0,8 : 6,5 показывает, что на 1 вес. ч. цемента приходится 0,8 вес. ч. извести или глины (добавки) и 6,5 вес. ч. песка.
Состав растворов, в которых добавка отсутствует, выражается, как отношение веса вяжущего к весу песка, например 1:4.
Растворы для кладок и монтажа крупнопанельных стен должны удовлетворять заданной прочности, подвижности и водоудерживающей способности.
При монтаже стен из панелей, выполненных из тяжелого бетона, для заполнения горизонтальных швов применяется раствор марки не менее 100, а из панелей, приготовленных из легкого бетона — 50.
Подвижность кладочных растворных смесей принимается: для заполнения горизонтальных швов при монтаже стеновых панелей — 5 - 7 см; для расшивки горизонтальных и вертикальных швов панелей и блоков стен — 5 - 7 см; для бутовой кладки — 4 - 6 см; для кладки из обыкновенного кирпича — 9 - 13 см.
Отделочные растворы подразделяются на растворы для обычных штукатурок и декоративные. Растворы для обычных штукатурок приготовляются на цементах, цементно-известковых, известковых, известково-гипсовых и гипсовых вяжущих. Для приготовления декоративных растворов используется портландцемент обычный, белый и цветной.
Если штукатурка предназначена для частей зданий, подвергающихся систематическому увлажнению, или помещений с повышенной влажностью, то растворы нужно готовить на гидравлических вяжущих. Для частей зданий, находящихся в обычных воздушновлажностных условиях, применяется штукатурка на известковых, известково-шлаковых или известковогипсовых растворах.
Декоративные растворы применяются для отделки лицевых поверхностей стеновых панелей на заводах, для приготовления цветных штукатурок, используемых при отделке фасадов зданий. Цветные штукатурки для отделки панелей должны иметь марку не менее 150.
К специальным относятся растворы: для заполнения швов между элементами сборных железобетонных конструкции, инъекционные, гидроизоляционные и тампонажные.
Высокие требования предъявляются к инъекционным растворам, применяемым для заполнения под давлением каналов предварительно напряженных железобетонных конструкций. Такие растворы готовятся на мелких песках (крупностью до 1 мм) и должны иметь марку не ниже 300.
Гидроизоляционные растворы приготовляют на марках цемента 400 и выше.
Тампонажные растворы должны обладать водонепроницаемостью, стойкостью против агрессивных вод и быстро твердеть.
