Назад
Н.А.Сканави Материаловедение
Марка бетона по прочности - числовая характеристика, определяемая
испытанием на одноосное сжатие стандартных образцов-кубов с ребром 150 мм,
изготовленных из бетонной смеси рабочего состава и испытанных в возрасте 28 сут.
после твердения в нормальных условиях. (М100, М150 .... М800, кгс/см
2
- для тяжелых
бетонов).
Класс бетона (В) - числовая характеристика, определяемая величиной
гарантированной прочности с обеспеченностью 0,95. Это значит, что заданная
прочность достигается в 95 случаях из 100.
Стандарт устанавливает следующие классы тяжелого бетона по прочности на
сжатие (МПа): В3,5; В5; В7,5; ... В60. Для перехода от класса бетона В к средней
прочности бетона - марке (при нормативном коэффициенте вариации 13,5%) следует
применять формулу:
R
cp
= В/0,778.
Деформативные свойства. Под нагрузкой бетон ведет себя как упруго-вязко-
пластичное тело. При небольших напряжениях бетон деформируется как упругий
материал, а при больших напряжениях начинает проявляться пластическая
(остаточная) деформация. Ползучесть - способность бетона к увеличению деформаций
под действием постоянной нагрузки какого-либо вида сжатия, растяжения, изгиба.
Деформации ползучести затухают через несколько лет эксплуатации конструкции.
Усадка и набухание связаны с физико-химическими процессами,
происходящими в бетоне при твердении, и изменением его влажности. Усадка у
бетонов колеблется в основном от 0,2 до 0,4 мм/м в годичном возрастн; величина
набухания значительно меньше.
Сцепление с арматурой для тяжелого бетона на портландцементе составляет
примерно 15-20% предела прочности бетона при сжатии в возрасте 28 сут.
Водонепроницаемость бетона зависит от проницаемости цементного камня,
заполнителя и контактной зоны. Характеризуется маркой по водонепроницаемости
(МПа): W0,2; W0,4; W0,6; W0,8; W1,2.
Морозостойкость определяет долговечность бетона и зависит от качества
использованных материалов и капиллярно-пористой структуры бетона. Марки по
морозостойкости: F50, F75... F500.
Теплопроводность изменяется от 1,3-1,7 Вт/(м.
0
С) для тяжелых бетонов до 0,2-
0,7 Вт/(м.
0
С) для легких бетонов.
Коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР) тяжелого
бетона (10-12)
.
10
-6 0
С
-1
близок к КЛТР стали, что обеспечивает совместимость
термических деформаций бетона и арматуры.
7.6. Разновидности бетонов
Разновидности бетонов, наиболее часто применяемые в строительстве,
приведены в табл.7.5.
61
Н.А.Сканави Материаловедение
Помимо приведенных в табл. 7.5, применяют также гидротехнические,
химически стойкие, особо тяжелые и гидратные бетоны, а также цементнополимерные,
декоративные и др. бетоны.
.Вопросы для самоконтроля к главе 7
1. Что такое бетон?
2. По каким признакам классифицируются бетоны?
3. Какие требования предъявляются к материалам для бетона?
4. Какие виды добавок применяются для регулирования свойств бетонной смеси и бетона?
5. Что такое удобоукладываемость бетонной смеси и как она оценивается?
6. Назовите и кратко охарактеризуйте основные технологические операции при производстве
бетона.
7. От каких факторов зависит прочность бетона?
8. Чем отличаются марка бетона и класс прочности бетона?
9. Какие разновидности бетонов Вам известны? Приведите их характеристику и особенности
применения.
62
Н.А.Сканави Материаловедение
Таблица 7.5
Виды бетона
Вид
бетона
Состав Характерные свойства Применение
1 2 3 4
Легкие бетоны
на пористых
заполнителях
Вяжущее - обычный и быстротвердеющий
портландцементы, шлакопортландцемент;
пористые заполнители неорганические и
органические (употребляемые гораздо
реже).
Неорганические природные пористые
заполнители: вулканический туф, пемза,
известняк-ракушечник и др.;
искусственные бывают: специально
изготовленные (керамзитовый гравий,
керамзитовый песок, аглопорит,
вспученные перлит и вермикулит,
шлаковая пемза и проч.), и побочные
продукты промышленности (топливные
шлаки и золы, гранулированный
металлургический шлак и др.).
- классы по прочности на сжатие (МПа):
от В2 до В40 (для теплоизоляционных
бетонов предусматриваются классы
В0,35,
В0,75, В1);
-марки по прочности (кгс/см
2
): М35-
М500;
- марки по морозостойкости: F25-F500;
- марки по средней плотности (кг/м
3
):
D200-D2000;
- марки по водонепроницаемости: W0,2-
W1,2;
- теплопроводность
= 0,07-0,8
Вт/(м.
0
С);
- деформативные свойства и
трещиностойкость лучше, чем у тяжелых
бетонов.
- конструкционный бетон с
m
=1400-1800 кг/м
3
- для легких
несущих железобетонных
конструкций (пролетные строения,
мосты, фермы, гидротехнические
сооружения, элементы перекрытий,
покрытий зданий и др.);
- конструкционно-
теплоизоляционный (
m
=600-1400
кг/м
3
) - для ограждающих
конструкций зданий;
- теплоизоляционный
(
m
менее 600 кг/м
3
) – как
теплоизоляционный материал.
Ячеистые бетоны
(газобетон,
пенобетон,
газосиликат,
пеносиликат)
Газо- и пенобетон: вяжущее
портландцемент; газо- и пеносиликат:
вяжущее - молотая негашеная известь.
Кремнеземистый компонент (молотый
кварцевый песок, зола-унос ТЭС, молотый
доменный шлак).
Газобетон и газосиликат -
- пористость 60-85%; поры замкнутые;
-
m
( кг/м
3
)
300-1200;
- классы по прочности на сжатие: В0,35-
В12,5;
- марки по прочности на сжатие М15 –
М150;
Наиболее рациональная область
применения – изготовление камней
и блоков для ограждающих
конструкций (стен) жилых и
промышленных зданий: несущих
для малоэтажных зданий и
ненесущих – для многоэтажных,
63
Н.А.Сканави Материаловедение
Вид
бетона
Состав Характерные свойства Применение
газообразователь (обычно. алюминиевая
пудра).
Пенобетон и пеносиликат
пенообразователи (клееканифольный,
гидролизованная кровь, сульфанол и др.).
-
= 0,14-0,37 Вт/(м.
0
С);
- марки по морозостойкости F15-F100;
- водопоглощение по объему 28-40%;
- огнестойкость;
- легкость механической обработки.
имеющих несущий каркас; для
легких железобетонных
конструкций и теплоизоляции.
Крупнопористый
бетон
(беспесчаный)
Вяжущеепортландцемент,
шлакопортландцемент (расходуется лишь
для склеивания зерен крупного
заполнителя);
крупный заполнитель (плотный и
пористый)
- пониженный расход цемента: 70-150 кг/
м
3
;
-
m
=1700-1900 кг/м
3
- на плотном
заполнителе, 500-700 кг/м
3
- на
пористом;
- класс не более В7,5;
- марки М15 - М75;
-
= 0,55-0,8 Вт/(м.
0
С)
Целесообразно применять в
районах, богатых гравием.
Монолитные наружные стены
зданий, крупные стеновые блоки
(оштукатуривают с двух сторон,
чтобы устранить продувание); как
теплоизоляционный материал (на
пористом заполнителе).
Высокопрочный
бетон
Вяжущее - цементы высоких марок; особо
быстротвердеющие цементы;
высококачественные заполнители;
суперпластификаторы;
низкое В/Ц = 0,27-0,45, интенсивное
уплотнение.
- марки М600-М1000;
- морозостойкость: F50-F500;
- высокое сопротивление
поверхностному износу;
- уменьшение расхода арматурной стали
на 10-12%;
- сокращение объема бетона на 10-30%.
Дорожное, аэродромное,
гидротехническое строительство;
полы промышленных зданий,
защита от радиоактивного
излучения и проч.
Дорожный бетон Вяжущее – портландцемент М500 с
содержанием С
3
S не более 10%,
гидрофобный и пластифицированный
портландцементы; для бетона оснований
дорожных покрытий – портландцемент и
шлакопортландцемент М300 М400;
- Основная прочностная характеристика
– проектная марка на растяжение при
изгибе;
- морозостойкость: в суровом климате не
ниже F200, в умеренном –F150, в мягком
Для оснований и покрытий
автомобильных дорог и
аэродромов; для декоративных
целей при устройстве пешеходных
переходов, разделительных полос
на дорожных покрытиях, для
64
Н.А.Сканави Материаловедение
Вид
бетона
Состав Характерные свойства Применение
крупный заполнитель (щебень, гравий,
щебень из шлака) высокой
износостойкости;
ограничение В/Ц (0,5-0,55);
щелоче- и светостойкие пигменты, или
цветные цементы, цветные заполнители
(для цветных бетонов).
– F100; изготовления элементов городского
благоустройства.
Жаростойкий
бетон
Вяжущие – портландцемент с активной
минеральной добавкой (пемза, зола, шлак,
шамот), шлакопортландцемент,
глиноземистый и высокоглиноземистый
цемент, жидкое стекло (условия кислотной
коррозии);
фосфатные и алюмофосфатные связующие;
заполнитель –бескварцевые горные породы
плотные и пористые, бой керамических и
огнеупорных материалов.
Сохраняют в определенных пределах
физико-механические свойства при
длительном воздействии высоких
температур – от 700 до 1700
0
С (в
зависимости от состава бетона).
Для промышленных агрегатов
(облицовка котлов, футеровка
печей, фундаменты доменных и
мартеновских печей и т.п.) и
строительных конструкций,
подверженных нагреванию
(дымовые трубы и проч.).
65
Н.А.Сканави Материаловедение
РАЗДЕЛ 5. ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА И МАТЕРИАЛЫ
НА ИХ ОСНОВЕ
Глава 8. БИТУМНЫЕ И ДЕГТЕВЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА И
МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ
8.1. Общие сведения, классификация
Первыми органическими вяжущими, которые начали применять в
строительстве, были битумы и дегти. На основе битума и дегтя получают
разнообразные материалы: эмульсии, пасты, мастики, растворы, бетоны, рулонные и
штучные изделия. Битумные и дегтевые вяжущие имеют темно-коричневый или
черный цвет, поэтому их часто называют “черными вяжущими”.
Общий признак этих вяжущих - способность размягчаться, т.е. уменьшать
свою вязкость при нагревании и затвердевать при охлаждении. Характерными
особенностями материалов на основе битума или дегтя являются высокая
водостойкость, водонепроницаемость, гидрофобность, химическая стойкость, высокая
адгезионная способность по отношению к каменным материалам, растворимость в
органических растворителях.
Классифицируют битумные и дегтевые материалы по следующим признакам:
- по виду вяжущего: битумные, дегтевые, гудрокамовые (смешанного вида),
дегтебитумные, битумно-полимерные, дегтеполимерные;
- по технологическим особенностям: штучные (листовые), рулонные, эмульсии,
мастики, растворы, бетоны;
- по структурным признакам для каждой группы материалов: например,
рулонные материалы делят на основные и безосновные, покровные и беспокровные;
- по назначению: дорожные, кровельные, гидроизоляционные,
теплоизоляционные, полифункциональные.
Битумы бывают природные и искусственные. Природные (твердые или вязкие)
образовались в результате естественного процесса окислительной полимеризации
нефти; встречаются в местах нефтяных месторождений, образуя линзы, а иногда и
асфальтовые озера. Однако чаще они содержатся в пористых горных породах
(известняках, доломитах, песчаниках, глинах, песках), называемых асфальтовыми
породами. Нефтяные (искусственные) битумы получают переработкой нефтяного
сырья. В зависимости от технологии производства их делят на остаточные,
получаемые из гудрона путем глубокого отбора масел; окисленные, получаемые
окислением гудрона в специальных аппаратах (продувка воздухом); крекинговые,
получаемые переработкой остатков, образующихся при крекинге нефти.
8.2. Битумы
Состав и строение
Битумы состоят из смеси высокомолекулярных углеводородов, главным образом
метанового
n
Н
2n+2
) и нафтенового
n
Н
2n
) рядов и их неметаллических производных
(кислородных, сернистых и азотистых).
66
Н.А.Сканави Материаловедение
Элементарный состав битумов: 70-80% - углерод (С), 10-15% - водород (Н), 2-
9% - сера (S), 1-5% - кислород (О), 0-2% -азот (N). Эти элементы находятся в битуме в
виде углеводородов от С
9
Н
20
до С
30
Н
62 .
Углеводороды битума образуют группы веществ с более или менее
сходными свойствами:
консистенция плотность молекулярная
масса
влияние на свойства
битума
масла жидкая
фракция
< 1 100-500 придают подвиж-
ность, текучесть,
термопластичность
смолы твердая или
полутвердая
1 500-1000 придают вяжущие
свойства, пластич-
ность, адгезионные
свойства
асфальтены твердые
> 1 1000-5000 придают твердость и
тугоплавкость
асфальтогеновые
кислоты (до 3%)
твердые или
высоковязкие
поверхностно-активная часть битума,
способствует повышению прочности сцепления
битума с другими материалами (повышают
адгезионные свойства
парафины
(должно быть.
5%)
ухудшают свойства, повышают хрупкость при пониженных
температурах
Групповые углеводороды образуют сложную дисперсную коллоидную систему,
состоящую из дисперсионной среды - раствора смол или их части в маслах и
дисперсной фазы - асфальтенов с адсорбированной на них частью смол (комплексные
частицы этой системы называются мицеллы).
Такой состав определяет практические способы перевода твердых битумов в
рабочее состояние:
- нагревание до 140-170
0
С, размягчающее смолы и увеличивающее их
растворимость в маслах;
- растворение битума в органическом растворителе (для придания рабочей
консистенции без нагрева (холодные мастики и т.п.);
- эмульгирование и получение битумных эмульсий и паст.
Свойства битумов
Помимо перечисленных выше общих свойств, характерных для «черных
вяжущих», можно отметить специфические свойства битумов. Плотность
= 0,8 -
1,3 г/см
3
(зависит от группового состава); теплопроводность
= 0,5-0,6 Вт/(м
0
С).
Устойчивость при нагревании характеризуется потерей массы пробы при 160
0
С в
течение 5 ч (не более 1%) и температурой вспышки (230-240
0
С в зависимости от марки
битума)
67
Н.А.Сканави Материаловедение
Поверхностное натяжение при 20-25
0
С составляет 25-35 эрг/см
2
.
Старение
битума - изменение свойств, повышение хрупкости, снижение гидрофобности под
действием солнечного света и кислорода воздуха. Реологические свойства (вязкость,
предельное напряжение сдвига) битума зависят от группового состава.
Химическая стойкость - битумы стойки к действию агрессивных веществ
(например, кислот), вызывающих коррозию цементных бетонов, металлов и др.
строительных материалов.
Марки битумов определяют по комплексу показателей (табл.8.1).
Твердость (вязкость) битума находят по глубине проникания в битум иглы в
битум (в десятых долях миллиметра) при температуре 25
0
С на приборе - пенетрометре;
Температура размягчения определяется на стандартном приборе “Кольцо и
шар”, помещаемом в сосуд с водой. Температурой размягчения считается температура,
при которой стальной шарик проваливается сквозь битум, заплавленный в кольцо.
Растяжимость битума характеризуется абсолютным удлинением см)
стандартного образца битума виде «восьмерки») при температуре 25
0
С,
определяемым на приборе - дуктилометре.
Таблица 8.1
Физико-механические свойства нефтяных битумов
Марка битума Температура
размягчения,
0
С,
не ниже
Растяжимость при
25
0
С, см,
не менее
Глубина проникания
иглы при 25
0
С, 0,1
мм
Строительные битумы
БН-50/50 50 40 41-60
БН-70/30 70 3 21-40
БН-90/10 90 1 5-20
Кровельные битумы
БНК-45/180 40-50 не нормируется 140-220
БНК-90/40 85-95 не нормируется 35-45
БНК-90/30 85-95 не нормируется 25-35
Строительные битумы применяют для изготовления асфальтовых бетонов и
растворов, приклеивающих и изоляционных мастик, для покрытия и восстановления
рулонных кровель. Кровельные битумы используют для изготовления рулонных и
штучных кровельных и гидроизоляционных материалов: рубероид, пергамин (их
современные модификации), мягкая битумная черепица, наплавляемый рубероид,
стеклорубероид, стекловойлок, гидростеклоизол, фольгоизол, гидроизол, изол, бризол
и др. Герметизирующие материалы (герметики) на основе битумов: мастики т.ч.
нетвердеющие), эластичные прокладки (пороизол, гернит) и др.
Битум применяется и в кровельных и гидроизоляционных материалах нового
поколения. Для улучшения свойств битумных материалов используют:
- модификацию битумного вяжущего полимерами;
68
Н.А.Сканави Материаловедение
- новые прочные, долговечные негниющие основы (стеклоткань, полиэстер и
проч.);
- новые виды бронирующих посыпок и др.
8.3. Дегти
Дегтевые вяжущие вещества включают различные виды дегтя и пеки. Дегти
получают в процессе сухой перегонки, то есть нагревания без доступа воздуха,
твердых видов топлива - каменного или бурого угля, сланца, древесины, торфа и др. с
целью получения кокса, полукокса, газа и т.п. Получающиеся при этом летучие
вещества после конденсации (сгущения) образуют вязкие, черно-коричневого цвета
жидкости, называемые дегтями. В строительстве применяют, главным образом,
каменноугольные дегти, получаемые в коксохимическом производстве и обладающие
более высокими строительными свойствами, чем другие дегти.
Виды дегтевых вяжущих веществ:
- сырые дегти - низко- и высокотемпературные, получаемые при
полукоксовании и коксовании каменных углей соответственно при 500-700 и 900-
1100
0
С; содержат много летучих веществ, характеризующихся низкой
атмосферостойкостью и непосредственно для производства строительных материалов
не применяются;
- отогнанный деготь (каменноугольная смола) получают из сырого путем
отгонки воды, легких и частично средних масел; используют в производстве
строительных материалов;
- пек - твердый остаток перегонки сырой каменноугольной смолы; аморфная
хрупкая масса черного цвета с
= 1,25-1,28 г/см
3
, состоящая из высокомолекулярных
углеводородов и их производных, а также свободного углерода (8-30%);
- составленные дегти получают сплавлением пеков с дегтевыми маслами
(антраценовыми и др.) или обезвоженными сырыми дегтями; широко применяются в
строительстве;
- наполненные дегти получают, вводя в составленные дегти тонкоизмельченные
материалы (известняк, доломит и др.), что повышает вязкость, атмосферо- и
теплостойкость.
Состав дегтя сложен, он включает более 200 различных органических
соединений, в основном углеводородов ароматического ряда и их неметаллических
соединений. Деготь имеет характерный «дегтярный» запах.
Свойства дегтевых вяжущих определяются соотношением между твердой
составляющей, смолами и маслами и в основном те же, что и у битумов. Средняя
плотность - 1,25 г/см
3
.
Атмосферостойкость дегтевых материалов ниже по сравнению с битумными,
т.к. дегти стареют быстрее. Биостойкость дегтевых материалов выше по сравнению с
битумными, что объясняется токсичностью содержащегося в дегтях фенола
(карболовой кислоты).
Температура размягчения дегтей высоких марок обычно ниже, чем тугоплавких
битумов. Степень прилипания к другим материалам выше, что связано с большим по
сравнению с битумом содержанием в них веществ с полярными группами. При работе
69
Н.А.Сканави Материаловедение
с дегтями и пеком возможно возникновение аллергических реакций. Дегти и продукты
на их основе канцерогены, поэтому их использование в местах, где возможен
длительный контакт с человеком, запрещено.
Применение. Дегти, антраценовое масло и пек применяют для изготовления
дегтевых кровельных и гидроизоляционных материалов (толь кровельный и
гидроизоляционный), антикоррозийных составов, мастик, дегтебетонов, а также
дегтебитумных материалов на основе смешанных вяжущих веществ (на основе
битумов, дегтей, полимеров), эмульсий и паст.
Вопросы для самоконтроля к главе 8
1. Какие вещества образуют группу органических вяжущих?
2. Что собой представляют природные и искусственные битумы. Каков их состав и строение?
3. Перечислите характерные свойства битумов. Как устанавливают марку битума?
4. Какие способы используются для улучшения свойств современных битумных кровельных
материалов?
5. Как получают дегтевые вяжущие вещества? На какие виды они подразделяются?
6. Назовите характерные свойства дегтевых вяжущих, в чем их отличие от битумов?
7. Каковы области применения битумных и дегтевых вяжущих веществ?
Глава 9. ПОЛИМЕРНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
9.1. Общие сведения
Полимерными материалами или пластмассами называют материалы,
которые в качестве основного компонента содержат полимер - высокомолекулярное
органическое соединение, обладающее на определенной стадии переработки
пластичностью.
Сырьем для полимеров служат продукты коксования и газификации каменного
угля, а также природный газ и так называемый “попутный газ”. Основные способы
получения полимеров:
- Полимеризация - процесс соединения молекул мономера за счет раскрытия
двойных связей в макромолекулы без выделения побочных продуктов.
Полимеризацией получают полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, полистирол,
поливинилхлорид, поливинилацетат, полиакрилаты, полиуретаны, инденкумароновые
полимеры. Инициирование процесса полимеризации осуществляется активизацией
мономера под воздействием нагревания, световых лучей, ионизирующего излучения,
добавок инициаторов и катализаторов.
- Поликонденсация - процесс образования макромолекул полимеров в результате
взаимодействия между функциональными группами молекул исходных веществ. Это
взаимодействие сопровождается образованием побочных низкомолекулярных
продуктов. Поликонденсацией получают фенолоальдегидные, полиэфирные,
фурановые, эпоксидные и кремнийорганические полимеры.
70