Пекишев Михаил школа№378 9 «А»класс
Цемент
Цемент (нем.Zement), собирательное названиепорошкообразных вяжущих веществ, способных при смешивании с водой (иногда сводными растворами солей) образовывать пластичную массу, приобретающую затемкаменевидное состояние.Основные виды: портландцемент, шлаковые и пуццолановыецементы, глиноземистый цемент, специальные виды цемента (например,кислотоупорный).
Сырьём для него служатизвестковые, маргелистые, глинистые породы и различные добавки-шлак, бокситы идр.Цемент обладает важным свойством твердеть в воде.
Историческаясправка
В 1822г. в Петербурге вышла книга «Трактатоб искусстве приготовлять хорошие строительные растворы».Ещё через нескольколет её автор-русский строитель Егор Челиев издал новую книгу о том, как приготовлятьцемент и бетон и как применять их для скрепления кирпичей или камней пристроительстве набережен, стен и фундаментов сооружений ит.п.
В 1824г. в Англии Д.Аспинд взял патент наизготовление цемента из извстковой пыли, смешанной с глиной и обожжённой при высокойтемпературе.Полученный при этом ноздреватый серый материал, называемыйклинкером, он размалывал и смешивал с водой.При застывании образовывался оченьпрочный строительный камень, который изобретатель назвал портландцементом, таккак по цвету и прочности он напоминал строительный камень, добываемый ванглийском городе Портланде.
В связи с ростом потребности в цементе вПодольском уезде выросли несколько цементных заводов, и, главным образом,возник (1875г.) крупный цементный завод Московского Акционерного Общества.Основателем завода был московский купец Пороховщиков. Завод построен на земле,принадлежавшей крестьянам д.Выползово. Землю эту купил подольский голова Ф.С.Добротворский и перепродал ее Пороховщикову, который в течение 10 лет построилнебольшой завод, вложив свой капитал. Этот небольшой завод в руках МосковскогоАкционерного Общества превратился в мощный цементный завод.
Устройствоцементного завода
Цементприготавливается из особенного желтовато-зеленого известняка, называемого«зеленкой»; слой его довольно толст (до 0.7 м) и встречается подземлей 4 раза на глубине до 10 м; он очень мягок и потому легче другихвыламывается. Чаще для устройства цементного завода известковую горуразрабатывали сносом, т.е. часть горы вместе с верхними суглинистымиотложениями «сносят вниз», выбирая попадающийся камень и сортируяего. Затем «зеленка разбивалась на куски до 10 см в диаметре искладывалась в низкие, до 1. м штабеля для подсушки. Часть берегаразравнивалась для укладки рельсов, установки обжигательных печей и вывозаматериалов из-под горы наверх.
Получениесиликатного цемента (портландцемента)
Обычныйсиликатный цемент, или портландцемент, представляет собой зеленовато-серыйпорошок, который при смешивании с водой затвердивает на воздухе (или в воде) вкаменеподобную массу. Потртландцемент получают мокрым или сухим способом.Примокром способе сырьё размалывают в мельнице, дробят, затем погружают вбассейн, размешивают и частично измельчают и потом в виде полужидкой массы-шламаподают во вращающуюся печь диаметром более 7 и длиной более 200м. Шлам ручьёмтечёт навстречу горящим газам, образующимся при сгораниитоплива, высыхает, освобождается от углекислоты.Образовавшееся после высыханиясерые ноздреватые шарикм-клинкер-разиалывают в шаровых мельницах в тонкийпорошок, получая цемент.
При сухом способе, которому, по всей вероятностипринадлежит будущее цементного производства, навстречу горящим газам подают нешлам, а размолотое в порошок сырьё: известняк, глину, шлаки.При этом экономитсятопливо, которое при мокром способе расходуется на испарение воды.
Бетони железобетон
Бетон-этоискусственный каменный материал.Его получают в результате затвердиванияуплотнённой смеси вяжущего вещества (обычно с водой) и заполнителем.В качествезаполнителя вяжущего вещества можно использовать цемент, силикаты, гипс,асфальт, полимеры (синтетические смолы) и др.; в качествезаполнителей, образующих жесткий скелет бетона,-песок, гравий, щебень.Наиболеераспространён цементный бетон.
Прочность цемента приготовленного, в частности, наоснове цемента как вяжущего вещества, увеличивают с помощью стальнойарматуры(стержней, спиралей) и в результате этой процедуры- армирования-получаютжелезобетон.При этом бетон хорошо сопротивляется сжатию, а стальнаяарматура-растягивающим нагрузкам, предохраняя бетон от появления трещин. Железобетон-основной современныйстроительный материал.
В процессеизготовления железобетона для придания большей прочности бетонной смеси, передтем как она затвердеет, производят её уплотнение, используя вибрацию.Надомостроительных комбинатах и на заводах железобетонных изделий имеютсяспециальные виброплощадки-прочные плиты на пружинах.Под ними вращаются 2эксцентрика-неуравновешанные грузы.Грузы движутся вверх-вниз, плита подскакиваетна пружинах, а железобетонная панель, находящаяся на плите, уплотняется.
Применение
Цементприменяют для кладки кирпича, фундамента и др.Его используют для получениябетона, а его в свою очередь для получения железобитона.
Железобитон используют в строительстве жилых домов идругих сооружений.Его исполбзуют для строительства зданий, так как он обладаетособой прочностью, и подтверждению этому служит «Останкинская телебашня», котораяв свою очередь сделана из железобитона.
Все этиматериалы нашли широкое применение в нашей жизни, без которых бы мы не смоглипредставить себе современное сооружение.
PRIVATE
www.ronl.ru
Источник: компания ООО Стратегия24 апреля 2007 года
Цемент начали производить в прошлом столетии. В начале 20-х годов XIX в. Е. Делиев получил обжиговое вяжущее из смеси извести с глиной и опубликовал результаты своей работы в книге, изданной в Москве в 1825 г. В 1856 г. был пущен первый в России завод портландцемента.
Цемент является одним из важнейших строительных материалов. Его применяют для изготовления бетонов, бетонных и железобетонных изделий, строительных растворов, асбестоцементных изделий. Изготовляют его на крупных механизированных и автоматизированных заводах.
Цемент - это собирательное название группы гидравлических вяжущих веществ, главной составной частью которых являются силикаты и алюминаты кальция, образовавшиеся при высокотемпературной обработке сырьевых материалов, доведенных до частичного или полного плавления.
В группу цемента входят все виды портландцемента, пуццоланового портландцемента, шлакопортландцемента, глиноземистый цемент, расширяющиеся цементы и некоторые другие.
Цемент каждого вида может при твердении развивать различную прочность, характеризуемую маркой. Марки цемента регламентированы строительными нормами и правилами (СНиП) и ГОСТом. Выпускают цементы преимущественно марок 200, 300, 400, 500 и 600 (по показателям испытания в пластичных растворах).
С повышением марки цемента эффективность его применения в бетонах часто возрастает за счет уменьшения удельного расхода вяжущего.
Из числа цементов разных видов наиболее важное значение имеет портландцемент.
Портландцемент не всегда удовлетворяет отдельным специальным требованиям, которые предъявляют к бетонам и строительным растворам при различных условиях их применения. Поэтому промышленность выпускает некоторые разновидности портландцемента:
сульфатостойкий
с умеренной экзотермией
быстротвердеющий
гидрофобный
пластифицированный и некоторые другие цементы.
Сульфатостойкий портландцемент
изготовляют из клинкера нормированного минералогического состава: в клинкере должно быть не более 5% трехкальциевого алюмината и не более 50% трехкальциевого силиката.
Низкое предельное содержание трехкальциевого алюмината требуется потому, что сульфатная коррозия развивается в результате взаимодействия сульфатов, находящихся в окружающей среде, с трехкальциевым гидроалюминатом цементного камня. Если в цементном камне С3А присутствует в малых количествах, то образуется незначительное количество гидросульфоалюмината кальция. Тогда он не опасен, так как распределяется в порах бетона, вытесняя оттуда воду или воздух, и внутренних напряжений в бетоне не вызывает. В небольших количествах гидросульфоалюминат кальция даже иногда полезен, так как уплотняет бетон.
В клинкере сульфатостойкого портландцемента ограничивается также содержание трехкальциевого силиката для уменьшения величины тепловыделения цемента. Поэтому сульфатостойкий портландцемент обладает повышенной сульфатостойкостью и пониженной экзотермией, т.е. качествами, необходимыми при изготовлении бетонов для отдельных зон гидротехнических и иных сооружений, работающих в условиях сульфатной агрессии. Сульфатостойкий портландцемент обычно выпускают двух марок - 300 и 400.
^ Портландцемент с умеренной экзотермией
изготовляют из клинкера, который должен содержать не более 50% трехкальциевого силиката и не более 8% трехкальциевого алюмината. Такой цемент при умеренной экзотермии отличается также несколько повышенной сульфатостойкостью, поскольку в нем обычно содержится умеренное количество трехкальциевого алюмината.
Этот вид портландцемента применяют в гидротехническом строительстве в массивных бетонных конструкциях, подвергающихся частому попеременному замораживанию и оттаиванию в пресной или слабо минерализованной воде. Марка по прочности обычно 300 и 400.
^ Быстротвердеющий портландцемент
содержит много трехкальциевого силиката и трехкальциевого алюмината и очень тонко измельчен. Поэтому такой цемент характеризуется интенсивным нарастанием прочности в первый период твердения - через 1 и 3 суток. Выпускается также особо быстротвердеющий цемент. Он показывает через трое суток прочность при сжатии 450- 500 кГ/кв. см (при испытании в жестких растворах).
^ Гидрофобный портландцемент
изготовляют, вводя при помоле клинкера 0,1 - 0,2% мылонафта, асидола, окисленного петролатума, синтетических жирных кислот, их кубовых остатков и других гидрофобизующих поверхностно-активных добавок.
Эти вещества, адсорбируясь на частицах цемента, образуют тончайшую - в среднем мономолекулярную, т. е. толщиной в одну молекулу, оболочку. Но эта тончайшая оболочка придает цементу особые свойства. В этом сущность гидрофобизации цемента как метода, позволяющего в определенной степени управлять свойствами цемента в отношении действия воды на различных этапах его использования.
Как известно, взаимодействие цемента с водой есть двуединый противоречивый процесс. Сродство к воде органически присуще цементу, без этого свойства он не мог бы служить вяжущим веществом. Но вместе с тем на определенных стадиях применения цемента вода для него вредна. Так, при хранении и перевозках цемент портится от влаги, вода с содержащимися в ней примесями вызывает коррозию цементного камня и при частом попеременном замораживании и оттаивании цементных материалов разрушает их.
Задача преодоления противоречий, заложенных в самой природе цемента, в известной мере решается его гидрофобизацией.
Гидрофобный цемент при перевозках и хранении даже в очень влажных условиях не портится. Поверхностно-активные вещества, содержащиеся в нем, оказывают пластифицирующее действие на бетонные (растворные) смеси, а также уменьшают водопроницаемость и повышают коррозионную стойкость и морозостойкость бетона. Например, если обычный бетон выдерживает 300 циклов попеременного замораживания и оттаивания, то гидрофобизированный может выдержать 1000 и более циклов.
Марки гидрофобного цемента те же, что и портландского. Гидрофобный цемент был создан в СССР. На основе советского опыта было начато изготовление этого цемента и за границей (например, в Англии).
^ Пластифицированный портландцемент
получают, вводя при помоле клинкера около 0,25% сульфитно-спиртовой барды (считая на сухое вещество) от веса цемента. Это поверхностно-активное вещество пластифицирует бетонные смеси, преимущественно жирные, позволяет снижать водоцементное отношение без ухудшения подвижности смесей и в ряде случаев дает возможность уменьшать расход цемента. Вместе с тем повышается морозостойкость отвердевшего бетона.
^ Белый портландцемент
изготовляют из маложелезистого клинкера (серый цвет обычного цемента обусловлен главным образом наличием соединений железа в исходных сырьевых материалах).
Цветные цементы получают на основе белого портландцементного клинкера путем совместного помола с пигментами различных цветов, например с охрой, железным суриком, окисью хрома. Можно также получать цветные цементы смешиванием белого цемента с пигментами. Применение белого и цветных портландцементов, способствующее архитектурно-декоративному оформлению сооружений, имеет большое значение в индустриальной отделке крупноэлементных зданий. Эти цементы применяют также для цветных цементнобетонных дорожных покрытий, например на площадях у монументальных сооружений. Кроме перечисленных, имеются еще некоторые специальные сорта портландцемента, например тампонажный, для производства асбестоцементных изделий.
www.ronl.ru
Цементная промышленность России сегодня уже с трудом удовлетворяет потребности строителей. Высокие издержки, низкая эффективность и сильный износ производственных мощностей цементной промышленности в ближайшем будущем станут серьезным тормозом развития строительной индустрии в целом. Вполне вероятно, что в самом ближайшем будущем, цемент вновь станет дефицитен.
Недостаток цемента всегда являлся сопутствующим фактором отечественной строительной индустрии и убедительным мотивом развития на местах восполняющих мощностей. Весьма скоро следует ожидать ренессанса технологий производства на местах альтернативных цементу вяжущих. В свое время в СССР, на зависть всему миру, очень результативным и плодовитым на достижения было научное сопровождение т.н. Промышленности местных строительных материалов. На сколько эффективно эти достижения претворялись в практику, следует оставить историкам, но то, что даже из горелой шахтной породы у нас умудрялись делать довольно неплохие вяжущие, факт неоспоримый – ситуация, как из знаменитого фильма: «…жить захочешь и не так раскорячишься…».
Согласно планов правительства, в России к 2005 году планируется увеличить объемы вновь возводимого жилья в 2 раза, по сравнению с 2002 годом. С учетом замены ветхого и аварийного жилья темпы строительства должны возрасти вообще в 2.5 раза. Уже сейчас ясно, что обеспечить такой объем потребления цемента строительной индустрией, при существующих мощностях цементных заводов, невозможно без модернизации производства и совершенствования технологий. По заключениям экспертов на эти цели потребуется около миллиарда долларов инвестиций, на освоение которых тоже потребуется значительное время. В итоге прогнозируется, что в 2006-2007 гг. дефицит цемента может достичь порядка 2 млн. т в год, а к 2010 г. - от 5 до 10 млн. т. И то только в том случае, если объемы инвестиций в цементную промышленность составят порядка 10 млрд. долларов в ближайшие 10 лет. Если ситуацию и дальше пускать на самотек, жалкие остатки мощностей цементных комбинатов, унаследованные еще с хрущевских времен и выработавших свой ресурс на 70 – 80% в самое ближайшее время поставят страну на колени перед иностранными производителями.
Дефицит цемента уже сегодня весьма явственно обозначил себя в промышленно развитых регионах и в первую очередь в Москве и Московской области, где только за 2003 г. его потребление произошло местное производство почти на 30%.
Разумное и оправданное, в свое время, районирование цементных комбинатов, в современных условиях перестало отражать реальную экономическую ситуацию – цемент теперь приходится транспортировать от мест производства к местам потребления, порой, через пол страны. Увеличение времени между моментом производства и потребления цемента самым неблагоприятным образом сказывается на его качестве. В первую очередь страдают от этого быстротвердеющие и высокомарочные цементы.
Поэтому в самое ближайшее время следует ожидать обострения дефицита именно этих марок, что самым негативным образом отразится на производстве пенобетона, изготовление которого на низкомарочных цементах, порой, просто невозможно.
Между тем еще в 1948 году в СССР было запущено производство гидрофобизированных цементов снимающих множество проблем, характерных для высокомарочных цементов. Как это ни парадоксально, но именно технология гидрофобизированных цементов способна осуществить переворот в технологическом регламенте производства пенобетона. Но задачу следует ставить комплексно, и столь же комплексно решать.
1. Общие сведения о применении ПАВ в цементных системах.
Цементный строительный раствор в момент изготовления - это система, состоящая из различных компонентов, в том числе цемента, заполнителей и воды. Каждое твердое вещество в данном случае, независимо от его распределения в системе представляет собой отдельную фазу – совокупность отдельных частей системы, которые одинаковы по составу и по всем свойствам и отделены от остальных частей системы поверхностью раздела.
В нашем случае каждое зерно песка может быть отделено от аналогичных частичек прослойками воды или частицами цемента, но так как по составу и свойствам песчаные зерна практически не отличаются одно от другого, то их рассматривают как одну фазу. Равным образом и все частицы цемента, вводимого в состав строительного раствора, считаются другой твердой фазой.
Зерна цемента очень малы, их размерность лежит в пределах 1 – 100 микрон. Чем дисперснее вещество, тем больше его удельная поверхность. Удельная поверхность цементов, определяемая по методу воздухопроницаемости, составляет в среднем 3000 - 3500 см2/г. Этот метод вполне пригоден для практических нужд и им повсеместно пользуются. Однако он не является достаточно точным, так как не отражает истинной поверхности цементных зерен, обычно имеющих развитый микрорельеф, микротрещины и микрощели.
По этой причине реальная микрогеометрическая поверхность цементной частицы во много раз больше ее кажущейся геометрической поверхности. Значительно более достоверными являются показатели удельной поверхности, определяемые по адсорбции азота. Согласно этим методикам удельная поверхность современных цементов составляет в среднем около 20000 см2/г. Нетрудно подсчитать, что суммарная поверхность цементного порошка, идущего на изготовление 1 м3 бетона при расходе цемента 400 кг/м3, составляет 800000 м2. А если сюда добавить еще поверхность заполнителей (их удельная поверхность значительно меньше, чем цемента, но её все равно нужно учитывать), то окажется, что поверхность частиц твердых фаз в 1 м3 бетонной смеси приближается к 1 км2.
Предположим, что при изготовлении 1 м3 бетонной смеси вводят 180—190 л воды. Теоретически такое количество воды нужно распределить на указанной огромной поверхности твердых частиц и получить практически однородную смесь. Смешивание компонентов - одна из важных задач в технологии бетонов и строительных растворов. В частности, равномерное перемешивание способствует более полному и быстрому физико-химическому взаимодействию цементных частиц с водой. Вода, вводимая в бетонную смесь при ее изготовлении, должна, прежде всего, равномерно и притом тончайшим слоем смочить всю суммарную поверхность цементных частиц и заполнителей.
Но вода обладает значительным поверхностным натяжением, т. е. между молекулами воды, находящимися в ее поверхностном слое на границе раздела фаз, действуют значительные силы сцепления, препятствующие ее растеканию. Так как из всех геометрических тел шар обладает наименьшим отношением поверхности к объему, т. е. отличается наиболее «экономным» развитием поверхности, то именно благодаря поверхностному натяжению жидкость в свободном состоянии стремится не растекаться в тонкую пленку, а образовывать шарообразные капли. Это мы наблюдаем повседневно при медленном выливании жидкости из какого-либо сосуда, при попадании воды на горячую поверхность (образуются отдельные капли), при растекании ртути, при выпадении атмосферных осадков в виде дождя. Следовательно, большое поверхностное натяжение воды препятствует ее равномерному распределению на твердых частицах бетонной смеси.
Некоторые вещества, а именно поверхностно-активные (в дальнейшем ПАВ) способны существенно снижать поверхностное натяжение воды у данной поверхности раздела фаз, например на границах раздела фаз вода - твердое тело, вода - воздух. Всем известный с детства пример проявления действия этих веществ – мыльные пузыри. Можно раздуть мыльный пузырь диаметром даже более 20 см. Это удается сделать потому, что на обеих сторонах тончайшей водяной оболочки пузыря находятся молекулы ПАВ. В таком состоянии слой воды не стремится сжаться, а наоборот, легко поддается растяжению, становясь как бы подобным резине.
Таким образом, добавки ПАВ, снижая поверхностное натяжение воды, тем самым облегчают равномерность ее распределения тонким слоем на поверхности твердых тел.
Добавки ПАВ существенным образом влияют на бетонные композиции как на стадии их приготовления, так и на стадии эксплуатации уже готовых бетонных изделий.
^ Улучшение смачиваемости цемента и заполнителей.
Добавки ПАВ улучшают растекание воды тонким слоем по поверхности твердых частиц, входящих в состав бетонной смеси. Но тончайшие слои воздуха, адсорбированного на зернах цемента, песка, щебня, в том числе и в их микротрещинах и микрощелях, или защемленного между зернами, в сою очередь препятствуют их смачиванию.
Известно, что ПАВ способны эмульгировать воздух в воде, и по этой причине добавки ПАВ в бетонную композицию также облегчают смачивание водой твердых наполнителей. А чем полнее произойдет смачивание компонентов бетона, тем большей будет однородность его свойств в различных участках тела бетона и тем выше окажется его качество.
^ Дефлокулирующее действие ПАВ на цемент.
При взаимодействии воды с цементом его зерна частично слипаются, не успев заметно прореагировать с водой. Следовательно, в получаемом цементном тесте содержится некоторое количество скоплений (флокул) цементных частиц. Такие флоккулы цемента при своем образовании захватывают воду, поэтому ее приходится вводить в большем количестве, чем это теоретически необходимо, с тем, чтобы повысить подвижность (пластичность) системы. В таких агрегатах-флокулах цемента не только вода, но и сам цемент не используется полностью. Мелкие комочки цемента, не прореагировавшего с водой, остаются как бы упакованными в затвердевшем бетоне. Добавки ПАВ являются дефлокулянтами цемента (способствуют разбиению цементных скоплений на более мелкие составляющие), повышая тем самым эффективность его использования.
^ Пластифицирующее действие ПАВ (уменьшение расхода воды и цемента при изготовлении бетонов и растворов).
Хорошо известно, что при изготовлении бетонов и растворов всегда приходится решать противоречивую задачу. С одной стороны нужно ввести в бетонную (растворную) смесь как можно больше воды для обеспечения легкости её вымешивания, транспортировки и укладки. С другой стороны, чтобы получить плотный и прочный бетон (раствор), количество воды следует минимизировать, вплоть до теоретического минимума, обусловленного водопотребностью, для достижения теста нормальной густоты.
Цементное тесто в бетоне можно считать минеральным клеем для песка и щебня. В таком клее, с одной стороны, должно быть достаточно воды, чтобы он легко распределялся по поверхности твердого тела, но с другой стороны, при разбавлении цементного клея водой, прочность склейки уменьшается.
Твердение цемента это химический процесс, обусловленный взаимодействованием двух основных реагентов – цемента и воды. Портландцемент в ходе этой реакции способен химически связать всего лишь 20 - 25% воды, от своей массы. При этом образуются твердые гидратные новообразования, которые обусловливают и формируют прочность бетонов.
Между тем при изготовлении бетонов вынуждены расходовать воды 40 - 55% от массы цемента (при условии вибрационного или другого эффективного метода уплотнения бетона). В строительные растворы, которые требуют повышенных реологических характеристик смеси, воды, добавляют еще больше – 60 – 80% от массы цемента и даже более того. Такие значительные количества воды в бетонной (растворной) смеси нужно не для протекания химических процессов твердения, а исключительно для того, чтобы получить смесь, достаточно удобную в работе при данных методах укладки и уплотнения.
Общеизвестно, что увеличение удельного расхода воды (т. е. увеличение водоцементного отношения) отрицательно сказывается на всех свойствах бетона (раствора). Та вода, которая не была связана в процессе химической реакции с цементом в гидратные новообразования, испаряется из бетона при его твердении, вызывая значительную его усадку и оставляя поры, подчас крупные, открытые, соединенные капиллярными ходами. Наличие таких пор ослабляет структуру затвердевших бетонов (растворов), при этом понижается прочность, особенно при изгибе и растяжении, повышается способность впитывать воду и агрессивные жидкости.
Любой коррозионный процесс связан с диффузией (прониканием) агрессивного вещества в тело материала. Чем больше открытых пор, тем интенсивнее идут диффузионные процессы и тем резче сказываются коррозионные воздействия на бетоны и на арматуру в них. Равным образом процессы частого попеременного намокания и высыхания, замораживания и оттаивания тоже протекают тем интенсивнее, чем больше открытая пористость цементного материала. В итоге снижается долговечность бетонных конструкций.
Таким образом, в технологии бетона заложено серьезнейшее противоречие. Мы наблюдаем большое расхождение «лезвий ножниц» между количеством воды, нужным для процесса твердения цемента, и тем количеством воды, которое мы вынуждены давать для получения удобоукладываемых систем. Как же сблизить «лезвия ножниц»? Как устранить указанное противоречие?
Если бы была возможность применять цемент, который химически связывает не 20 - 25%, а, например, 40% воды, то получали бы цементный камень с невысокой пористостью. Такой цемент есть — это глиноземистый цемент, но он достаточно дефицитен и дорог, его применение оправдано только в специальных случаях.
Существует возможность уменьшить водоцементное отношение, изготовляя бетонные смеси, уплотняемые при помощи внешнего вибровоздействия. Под влиянием вибрации бетонная смесь приобретает жидкотекучие свойства и становится более подвижной и пластичной. Однако операции вибрирования не панацея. Тем более во многих сферах вибрационное уплотнение просто невозможно применить.
Между тем, помимо способов механического уплотнения, имеется другой принципиальный и более эффективный метод уменьшения количества воды затворения при изготовлении бетонов - это использование добавок ПАВ. Эти добавки можно с успехом применять в любых бетонах, независимо от метода их уплотнения, в том числе и в вибрируемых. С помощью добавок ПАВ можно уменьшать водоцементное отношение в бетонах в среднем на 10%, а в растворах на 12 -14%.
Так как прочность бетонов и растворов зависит от водоцементного отношения, то для получения заданной прочности можно, снижая количество воды, уменьшать и дозировку цемента обычно на 8 – 10% , а иногда и более. Иначе говоря, применение поверхностно-активных веществ дает возможность экономить цемент, т. е. служит одним из важных путей к решению общей задачи рационального и экономного использования материальных ресурсов в строительстве.
^ Экономия цемента в низкомарочных бетонах и тощих растворах.
В ряде случае возникает необходимость рационального использования цементов высокой активности (например, широко распространенной марки «М-400») для приготовления бетона или т.н. «тощего» раствора (кладочного или штукатурного), к которым предъявляются умеренные прочностные требования при достаточно жестких требованиях в отношении морозостойкости и водонепроницаемости.
Проектируя такие составы на высокоактивных цементах и не всегда имея возможности вводить тонко молотые добавки, разбавители для понижения активности цементов, которые, как известно, к тому же понижают морозостойкость бетона, строители становятся зачастую перед необходимостью применять бетон, обладающий значительно большей прочностью, чем это требуется, т.к. для достижения заданной подвижности бетонной смеси при достаточно низком водоцементном отношении приходится излишне перерасходовать цемент.
Возможным путем экономии в этом случае могло бы быть повышение водоцементного отношения и соответственное уменьшение расхода цемента, т. е. путь снятия излишнего запаса прочности бетона. Однако простое повышение водоцементного отношения, по сравнению с общеизвестными пределами, обычно влечет за собой снижение морозостойкости и водонепроницаемости бетона.
Применяя гидрофобизирующие ПАВ, выступающие в данном случае в качестве микропенообразователей, представляется возможным в данном случае уменьшить расход цемента, увеличив водоцементное отношение и назначив его в соответствии с требуемой прочностью бетона, учитывая, что добавки обеспечат повышение морозостойкости и водонепроницаемости бетона до приемлемых величин. Воздухововлекающие добавки позволяют в этом случае заметно уменьшить расход цемента, приблизив прочность к заданному значению и удовлетворив требованиям в отношении морозостойкости и водонепроницаемости материала.
^ Повышение производительности труда каменщиков и штукатуров.
В тощих растворах (кладочных и штукатурных) гидрофобизирующие ПАВ позволяют повысить т.н. комплекс удобоукладываемости за счет повышения пластической вязкости растворной смеси. Это значительным образом повышает производительность труда каменщиков и штукатуров. Достаточно сказать, что, единожды попробовав работать с такого рода добавками (иногда их в рекламных целях называют на манер «заменители извести») каменщики впоследствии отказываются без них работать.
^ Уменьшение экзотермии бетона.
Чем меньше расход цемента при изготовлении бетона, тем ниже его экзотермия – выделение тепла в ходе химического взаимодействования цемента и воды
При возведении многих массивных монолитных бетонных конструкций, например гидротехнических, необходимо, чтобы экзотермия бетона была, но возможности невысокой, иначе могут возникнуть значительные градиенты температур в бетоне, так как наружные слои бетонной конструкции охлаждаются водой или воздухом, а его ядро – центральная часть – может разогреться до достаточно высоких температур. При этом возникают значительные напряжения в теле бетонного массива, которые обуславливают появление трещин и неоднородностей.
Введение добавок ПАВ позволяет снизить расход цемента и тем самым уменьшить экзотермию бетона.
^ Уменьшение остаточной влажности пропаренных изделий.
Очень важно, чтобы остаточная влажность изделий после пропаривания была по возможности низкой. Особенно это касается стеновых ограждающих конструкций. Монтаж таких изделий в конструкцию может вызвать полное промерзание стен в первую же зиму.
Повышенная отпускная влажность также способствует коррозии арматуры и закладных деталей, способствует длительному, порой многолетнему, специфическому сырому «бетонному» запаху в помещениях.
Благодаря добавок ПАВ удается снизить отпускную влажность бетонных изделий после пропаривания, а гидрофобизирующие добавки, кроме того, еще и облегчают и ускоряют их высыхание.
^ Повышение жизнеспособности бетонных (растворных) смесей.
Использование добавок ПАВ позволяет повысить жизнеспособность бетонных (растворных) смесей, что особенно важно при их современном централизованном производстве на автоматизированных заводах. Заводы представляют собой крупные предприятия, каждое из них снабжает множество строительных объектов готовыми бетонными (растворными) смесями. Часто проходит 1.5 - 3 часа с момента изготовления смесей до применения их в дело. В этот период, особенно при жаркой погоде, нередко происходит преждевременное схватывание смесей, возникают производственные потери, ухудшаются свойства затвердевших материалов. Такие потери могут быть весьма значительными.
Так, при централизованном изготовлении растворов, когда их перевозят на расстояние 20 - 40 км и они еще некоторое время хранятся на объекте, потери иногда достигают 15% количества выпускаемого раствора и более. Иначе говоря, почти шестая часть продукции может оказаться неиспользованной. Для предотвращения преждевременного загустения смесей товарных бетонов и растворов и применяют соответствующие добавки ПАВ.
Добавки ПАВ нередко используют также при изготовлении монолитных бетонных конструкций, например в гидротехнических сооружениях, когда требуется, чтобы слой уложенного бетона не успел схватиться, пока не уложат новый (верхний) слой бетонной смеси, ибо сцепление «свежего бетона со «старым» происходит очень плохо, что вызывает ряд нежелательных последствий.
Бетонные смеси, получаемые при помощи электро- или паро- разогрева, применяются в производстве сборного железобетона. Такой предварительный разогрев способствует сокращению тепловлажностной обработки на 30 - 35%. Но с повышением температуры резко ускоряется схватывание цемента. Чтобы предотвратить загустевание бетонных смесей, вводят добавки ПАВ, благодаря чему удается формовать смеси в горячем виде.
^ Гидрофобизация бетонов и растворов.
Некоторые ПАВ не только пластифицируют свежеприготовленные смеси, но вместе с тем гидрофобизируют бетоны (растворы) и изделия из них.
Бетоны (и растворы) представляют собой капиллярно-пористые тела и по своей природе гидрофильны, т. е., находясь в соприкосновении с водой, они ее впитывают. Последствия, возникающие от вредного влияния воды, а также от попеременного замораживания увлажненного бетона с последующим его оттаиванием становятся заметными уже через несколько лет. Бетон с низкими показателями по морозостойкости разрушается буквально на глазах.
В специализированных бетоноведческих изданиях, в качестве примера подобного разрушения, обусловленного низкой морозостойкостью примененного бетона, очень часто приводится случай разрушения летом 1976 года в Австрии моста Рейхсбрюкке через Дунай.
Дефекты в бетоне, обусловленные вредным влиянием воды не сразу достигают опасного предела, а накапливаются постепенно, - иногда этот процесс вообще визуально незаметен. Но несомненным является тот факт, что эти разрушительные процессы начинаются сразу же после изготовления бетонного изделия и заканчиваются только после его полного разрушения.
Негативное влияние воды во всех её агрегатных состояниях (водяной пар, вода, лед) вредно сказывается на сохранности бетона на всем протяжении его службы. Исключить или хотя бы значительно минимизировать его можно только уменьшением поступления этой воды в толщу бетона. Т.к. главной транспортной артерией поступления воды в бетон являются капиллярные ходы, бороться с водонасыщением бетона очень сложно. Капиллярные силы настолько сильны, что различные наружные защитные обмазки или изоляции мало эффективны – рано или поздно вода находит себе путь.
Против капиллярных сил невозможно бороться, но оказывается их можно попросту «выключить». Для этого достаточно изначально гидрофильным внутренним стенкам пор и капилляров, пронизывающих все бетонное изделие, придать гидрофобные свойства. Это с успехом делают гидрофобизирующие добавки. (см. Рисунок 1_1 и Рисунок 1_2)
Рисунок 1_1 Уровень воды в гидрофобном (А) и гидрофильном (Б) капиллярах
Рисунок 1_2 Вода на поверхности гидрофильного (А) и гидрофобного (Б) пористого тела.
Противокапиллярное давление гидрофобизированного пористого тела достаточно велико, и сам факт его существования подтверждает правильность часто употребляемого в этом случае термина «водоотталкивающее покрытие». И хотя этот термин в данном контексте с терминологической точки зрения неверен (ведь никакого покрытия, по сути, нет), с физической стороны он отражает сущность происходящих явлений.
Именно благодаря этому противокапиллярному давлению пористые (а, равно как и условно-пористые) материалы, оставаясь воздухо- и паропроницаемыми, оказываются непроницаемыми для воды в жидкой вазе, даже при достаточно высоких гидростатических давлениях.
Давление, при котором вода начинает просачиваться в гидрофобизованные материалы (водоупорность), определяется в основном шириной пор, так как существующие водоотталкивающие покрытия имеют примерно одинаковую степень гидрофобности. Так, например, гидрофобизованный материал, имеющий поры со средним диаметром около десяти микрон, способен противостоять гидростатическому давлению около 1/3 атмосферы, т. е. выдерживать, не впитывая в себя, столб воды высотой до трех метров. Если вспомнить, что самый сильный дождь при ураганном ветре создает гидростатическое давление около 20 - 40 см водяного столба, то становится ясным, что гидрофобизация защищает строительные материалы от проникновения в них дождевой влаги вполне надежно. Тем не менее, если гидростатическое давление воды на материал превышает противокапиллярное (например, при нахождении над поверхностью гидрофобизованного материала толстого слоя воды), то после заполнения пор водой протекает процесс фильтрации, который может идти даже легче, т. е. с меньшим коэффициентом проницаемости, чем, если бы материал был гидрофильным. Это обусловлено тем, что гидрофильные материалы сорбируют воду, проникающую в мельчайшие дефекты поверхности пор. Это вызывает явления набухания, сокращающего размеры пор, а также пептизации и расклинивания, в результате которых от поверхности отщепляются малые частицы, закупоривающие поры. У гидрофобных материалов эти явления проявляются лишь в незначительной степени или не обнаруживаются вовсе.
Благодаря противокапиллярному давлению пропитанные водой гидрофобизованные пористые материалы и высыхают значительно быстрее, чем негидрофобизованные, впитавшие такое же количество воды, так как вода стремиться выйти из несмачивающихся капилляров – противокапиллярное давление её оттуда выдавливает. Чтобы выгнать же воду из гидрофильных капилляров, напротив, необходимо приложить внешнее давление. Таким образом, гидрофобизация пористых, волокнистых или порошкообразных материалов служит защитой от проникновения воды лишь при сравнительно невысоком гидростатическом давлении. Поэтому рекомендовать гидрофобизацию подводных гидротехнических сооружений, резервуаров и емкостей, водопроводных труб и прочих водотранспортных, водоизолирующих или водоудерживающих сооружений, находящихся под постоянным большим давлением воды нельзя. В этом случае следует помнить, что абсолютную водонепроницаемость, возможно, выполнить только полностью исключив в теле бетонной конструкции пор и капилляров. Это возможно только при помощи специальных высококачественных бетонов.
Для обеспечения максимальной водоупорности (водонепроницаемости) гидрофобизованных материалов важны не только возможно большой краевой угол воды с водоотталкивающим покрытием и шероховатая структура поверхности, обеспечивающая наибольший кажущийся угол смачивания. Не менее существенна минимальная величина эффективного радиуса пор материала и отсутствие стремления гидрофобного покрытия к распространению па поверхности вода - воздух за счет поверхностного растворения. Необходимо также, чтобы во избежание понижения краевого угла водоотталкивающая пленка плохо впитывала в себя воду. Все эти качества могут обеспечить либо изначально водонерастворимые, либо, что технологичней, изначально водорастворимые, но в составе бетонной композиции переходящие в водонерастворимые, гидрофобизирующие добавки
Одним из убедительных практических примеров, показывающих эффективность гидрофобизации бетона, может служить состояние конструкций Карлова моста через р. Влтаву в Праге. Этот мост был построен в XIV веке. Для сооружения его шестнадцати массивных опор был применен бетон на известковом вяжущем с добавкой куриных яиц. Природная водная эмульсия олеина, других жиров и иные составные части куриного яйца являются прекрасными гидрофобизирующими поверхностно-активными веществами. Карлов мост по размерам (его длина 516 м), а главное по характеру водной среды, климатологических и других факторов, воздействующих на бетон, имеет много общего с упоминавшимся выше венским мостом Рейхсбрюкке. Однако обычный цементный бетон последнего разрушился через несколько десятилетий, а известковый (на воздушной извести!), но хорошо гидрофобизованный бетон Карлова моста, являющегося выдающимся архитектурным памятником Европы, служит уже более пятисот лет.
Объемная гидрофобизация строительных материалов с точки зрения их долговечности эффективнее, чем поверхностная обработка водоотталкивающими или кольматирующими составами. Об этом, в частности, свидетельствует следующий факт. В начале текущего столетия за рубежом получили широкое распространение флюаты (растворимые соли кремнефтористоводородной кислоты), которые наносили на поверхность облицовки из природных (преимущественно карбонатных) камней или штукатурки. Исследования, проведенные в 30-х годах показали, что флюатированный камень через 20 - 25 лет оказался в худшем состоянии, чем обычный. С тех пор коренным образом изменилось отношение к флюатированию как методу поверхностной обработки материалов.
^ Поризация легких бетонов.
Добавки некоторых ПАВ, вызывая вовлечение воздуха в бетонные смеси, способствуют уменьшению объемной массы легких бетонов (на пористых заполнителях) и вместе с тем улучшают и другие свойства материала, и в первую очередь их морозостойкость.
2. Гидрофобизированные цементы 2.1 История применения гидрофобизирующих добавок в технологии бетонов.
Анализ научно-технической информации по управлению технологией цементных бетонов, в частности с помощью химических добавок, свидетельствует о непрерывном развитии этого процесса.
Как известно, бетон используется в качестве строительного материала уже несколько тысячелетий. Минойцы на о. Крит, например, изготовляли бетон из дробленых или размолотых глиняных черепков, связанных известью.
Греки и позже римляне добавляли к составу минойцев вулканический туф или размолотый кирпич. Это было весьма важной ступенью, поскольку такие добавки позволяли бетону затвердевать в воде. Они практически изменили процесс твердения цемента и связывания им бетона. Два знаменитых сооружения, свидетельствующие о гибкости и долговечности древнего бетона, сохранились до наших дней - Базилика Константина и Пантеон в Риме.
Между древними и современными цементами имеется одно значительное различие. Греческие и римские цементы затвердевали и наращивали прочность в результате химического процесса - пуццолановой реакции, происходящей в присутствии извести и кремнистых материалов, растворяемых щелочью, подобно тем, что содержатся в туфе и глинистых черепках. Цементы же, изготавливаемые в настоящее время, состоят преимущественно из силикатов кальция, которые гидратируются самостоятельно, без добавления извести.
Современное развитие технологии строительства включает проблему повышения качества и долговечности бетона, которая может во многих практически важных случаях успешно решаться путем использования новых химических добавок. Для достижения высокой организации производства бетона и технико-экономической эффективности необходимо постоянно стремиться к расширению и усовершенствованию разработок по теоретическим и практическим основам применения комплексных органоминеральных добавок и создавать новые способы их приготовления и использования в бетоне в соответствии с требованиями рынка.
Применение добавок эмпирически возникло несколько столетий назад при изготовлении известковых растворов и бетонов в целях повышения их прочности, водостойкости и долговечности. Так, в древнем Риме добавки свиного сала, свернувшегося молока или свернувшейся крови использовались для улучшения штукатурных растворов.
Древнерусские мастера и зодчие практиковали введение коровьего молока, ячменной мякины, бычьей крови, льняного семени, отвара древесной коры и некоторых подобных веществ для улучшения свойств извести и строительных растворов, изготовленных на её основе.
Коровье молоко добавляли в воду при гашении извести. В молоке, как известно, наряду с казеином, белком и молочным сахаром содержится 3 – 3.5% жира в виде прямой эмульсии «масло в воде». Жир молока состоит из глицеридов олеиновой, пальмитиновой и стеариновой кислот, по своей природе относящихся к гидрофобизаторам.
Известно, что при установке Александровской колонны в Петербурге ее фундамент залили скользким и своеобразным по составу раствором, о котором архитектор Монферран руководивший строительными работами писал: «…Так как работы проводились зимою, то я велел смешать цемент с водкою и прибавить десятую часть мыла...»
В прошлом, когда еще не была известна природа физико-химических процессов, происходящих при смешивании цемента с водой, вода добавлялась к смеси интуитивно, в зависимости от навыков людей, укладывающих бетон. Иногда бетонное покрытие было прочным, но бывали и случаи разрушения уложенного бетона. Долговечность бетона пытались повысить за счет использования оптимального количества цемента и воды при изготовлении цементной пасты. В дальнейшем было установлено, что для получения бетонов с достаточными строительно-техническими свойствами следует знать закономерности регулирования параметров цементных систем на стадии взаимодействия цемента с водой. В связи с этим возникла необходимость изучения вопросов гидратации цемента, проектирования состава бетонной смеси, роли различных добавок в ней, разработки теории водоцементного отношения и др.
Руководствуясь теорией, исследователи старались поддерживать как можно низкое водоцементное отношение, чтобы достичь наибольших прочностей цемента, однако такой подход не всегда соответствовал строительным требованиям. Попытки добавлять больше воды, чем требовалось, приводили к снижению прочности бетона, усиленному его растрескиванию и изменению основных характеристик. Все это привело к необходимости разработки добавок, снижающих расход воды и позволяющих регулировать свойства цемента по отношению к действию воды.
Одним из убедительных практических примеров эффективного применения добавок является построенный в XIV в. Карлов мост через р. Влтаву в Праге. Для его сооружения был применен бетон на известковом вяжущем с добавкой куриных яиц, которые по своему составу являются прямой водной эмульсией олеина и других жиров, обеспечивающей гидрофобизирующие свойства искусственному камню. Карлов мост служит людям более пятисот лет. хотя сделан из воздушной извести, тогда как венский мост Рейхсбрюке, построенный из обычного цементного бетона и работавший почти в аналогичных с Карловым мостом эксплуатационных факторах воздействия, разрушился через несколько десятилетий (летом 1976г.).
С расширением знаний в области разработки и применения добавок возникла потребность создания бетонов большей прочности, быстротвердеющих, схватывающихся быстрее или медленнее, чем обычный, химически стойких к вредным воздействиям и т. д. Все это способствовало развитию и усовершенствованию добавок различного назначения.
С 1850 г., т. е. с начала производства бетона на портландцементе (гидравлическом вяжущем), в него добавляли гипс для регулирования сроков схватывания. Использование добавок хлористого кальция как ускорителя или сахара как замедлителя относится к началу века – 1919 - 1920 гг. Пластификаторы начали широко применять в 1935 г., воздухововлекающие добавки - в середине 40-х гг. Позднее появились противоморозные добавки и средства ухода за бетоном в виде пленкообразующих покрытий на его поверхности.
С 1960 г. число добавок применяемых в строительстве значительно увеличивается, они становятся более разнообразными, их качество и постоянство свойств непрерывно улучшаются. Разрабатываются продукты, все более отвечающие требованиям современного строительства.
Проблеме разработки и внедрения различных химических добавок в бетоны и растворы в последние годы в мировой практике строительства стало уделяться еще большее внимание. Это обусловлено необходимостью дальнейшего улучшения технологических и эксплуатационных свойств строительных изделий и конструкций. Применение хим. добавок позволяет гибко, просто и эффективно направленно управлять рядом важнейших параметров свежеизготовленных и отвердевших бетонов.
Судя по литературным публикациям, применение добавок позволяет изготовлять бетонные смеси и
www.ronl.ru
