VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Введение…………………………………………………………………………...…………...3

2.1 Использование новых материалов в строительстве с точки зрения теплотехнического расчета……………………………………………………………….......................................4

2.2 Применение пеностекла для регулирования теплового режима грунтов в сложных климатических условиях…………………………………………………………………..…9

2.3 Минерально-органический материал для ремонта и восстановления строительных конструкций……………………………………………………………………………….….13

2.4. Влияние добавок в портландцемент прокаленной и молотой глины с содержанием 40% каолинита на прочность цементного камня…………………………………………..15

Выводы…………………………………………………………………………………….....21

Заключение…………………………………………………………………………………...24

Список литературы…………………………………………………………………………..24

Введение

По мере становления человеческого общества материалы, которые использовали люди, претерпевали существенные изменения. Первоначально человек смог получить керамику из глины путем нагрева и обжига, далее человечество познало металлы (самородные и рудные), научилось изготавливать сплавы (например, бронзу как сплав меди и олова). Однако возникала потребность в новых материалах с другими качественными характеристиками: более прочных, надежных, удобных в эксплуатации.

Актуальность данной реферативной работы обусловлена не только прогрессом в строительной индустрии, но и глобальным изменении климата, которое подразумевает под собой резкие скачки погодных условий (нехарактерное ранее повышение/понижение температуры), повышение испаряемости воздуха как следствие увеличения относительной влажности, ускорение процесса коррозии металлических и бетонных конструкций. Именно поэтому так важна разработка новых строительных материалов, которые мы рассмотрим с точки зрения теплотехнических расчетов и сравним показатели новых материалов с показателями керамического кирпича [1].

Наиболее распространённым материалом для теплоизолирующего слоя является экструдированный пенополистирол [2].

Процесс надежного соединения склеиваемого материала обеспечивается за счет когезии и адгезии минерально-органического материала к склеиваемой поверхности. [3]

Среди строительных материалов наибольшее распространение во всех странах мира имеет портландцемент.

Портландцемент – это разновидность цемента, который представляет собой гидравлическое вяжущее вещество. Он состоит в большей степени из силиката кальция (белита и алита). Этот компонент достигает около 70-80% от общего состава цемента.

Основная часть

2.1 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО РАСЧЕТА

1. Стекломагниевый лист (СМЛ).

Данную разработку можно отнести к экологически чистому материалу, который обладает высокими противопожарными свойствами (высокая огнестойкость - выдерживает нагрев до 1200°), теплостойкостью (это позволяет сохранять тепло внутри здания), морозостойкостью (способность оставаться прочным и не разрушаться в насыщенном водой состоянии при замораживании/оттаивании), влагостойкостью (это позволяет использовать данный материал в помещениях с высокой влажностью), прочностью и долговечностью (способность сопротивляться внешним воздействиям). СМЛ относится к негорючим или слабогорючим веществам. В его состав входит:

• хлорида магниям (MgCl₂)

• фосфорная кислота ( Н₃РО₄)

• оксид магния (MgO)

• латексная шпатлевка;

• вода (H₂O)

• нетканое полотно;

• перлит;

• наполнители;

• штукатурная стеклосетка.

Среди основных преимуществ использования стекломагниевых листов следует отметить:

• пожарную безопасность;

• устойчивость перед влагой;

• высокие прочностные характеристики;

• легкость веса;

• длительность эксплуатации;

• гибкость;

• устойчивость перед перепадами температур;

• морозостойкость;

• биологическая стойкость;

• безвредность для здоровья человека;

• устойчивость перед воздействием химических составов;

• широкий спектр использования.

Материал начинает гореть при воздействии на него температуры более 1000 градусов.

Кроме того, он не склонен к разбуханию, расслаиванию, деформации и устойчив перед влагой.

2. Пенобетон

Такой бетон ячеистого типа получается поризацией особых растворов на основе вяжущих элементов - известкового, цементного, шлакового и представляет собой смесь искусственных камней. Пенобетон состоит из песка (используется как кварцевый, так и речной песок) -SiO₂, вяжущего раствора, пенообразователя, воды- H₂O, продуктов обогащения руды, пластифицирующих добавок, регуляторов нарастания пластической прочности и ускорителей твердения.

Пенобетон весит совсем немного, но при этом очень прочен и отлично держит тепло. Он обладает способностью с легкостью выводить наружу избыток влаги, пропуская ее через свои поры, отличной стойкостью к морозу. Благодаря пористой структуре и у пенобетона, и у газосиликата имеется внутри достаточно места для воды, которая расширяется, когда замерзает. Поэтому при промерзании стены не возникнет ее повреждения как снаружи, так и внутри.

Благодаря высокой огнестойкости пенобетонные и газосиликатные блоки часа четыре, не меньше, способны находится под воздействием открытого огня и очень высокой температуры.

Этот материал экологичен и не подвержен гниению и не портится от времени. Вредных веществ, опасных для здоровья, он не выделяет.

3 Газобетон.

Это разновидность ячеистого бетона - искусственный камень с равномерно распределенными по всему объему приблизительно сферическими, не сообщающимися друг с другом порами диаметром 1-3 мм, вид каменной пены. Газобетон состоит из цемента, кварцевого песка, специального газообразователя, также иногда используются и такие добавки как гипс, известь, шлаки, зола.

В зависимости от веществ, входящих в состав, его называют:

• газобетон — изготовлен на основе цемента;

• газосиликат – имеет основу – известь;

• газошлакобетон – основа — шлак;

• газогипс – на гипсовой основе.

Газобетон - хороший энергосберегающий материал. Наличие мелких пор в большом количестве позволяет сберегать тепло в 6, а иногда и в 10 раз лучше, чем кирпич или обычный бетон. Летом такие здания обладают прохладой, а зимой лучше сохраняют тепло.

Блоки изготавливаются на основе неорганических материалов, которые абсолютно не горят. Это позволяет их использовать вместе с металлоконструкциями для возведения пожаростойких строений, лифтовых и вентиляционных шахт.

4. 81Р панели

81Р панели- строительные изолированные панели представляют собой основу для «канадской технологии», а именно панельно- каркасной технологии. Такая панель состоит из прочной, теплой, монолитной трехслойной конструкции, включающая в себя две деревянные плиты и плотный утеплитель.

Прозрачный бетон

На первый взгляд, это словосочетание кажется фантастическим и нереальным. Прозрачный бетон, или литрокон – достаточно новый материал, он появился в 2005 году и уже завоевал популярность на рынке строительных материалов благодаря своей прочности и водостойкости.

Прозрачный бетон – композитный материал, который состоит из смеси цементного раствора и стеклянных оптоволоконных нитей, пропускающих свет. Благодаря этому сквозь плиты такого материала можно увидеть силуэты окружающих предметов, и сегодня прозрачный бетон применяется не только для строительства ограждений и суперсовременных зданий, но и для производства аксессуаров: светильников, мебели и т.д.

Количество оптоволокна составляет всего 5% от общей массы плиты, за счет чего она не теряет в прочности, но приобретает исключительно воздушный вид. Прозрачный бетон отличается высокими огнеупорными, износоустойчивыми характеристиками, не впитывает влагу и не разрушается при низких температурах, что делает его перспективным материалом для строительства частных домов.

Литрокон широко применяется для строительства подвалов, кладовых, ванных комнат, т.е. глухих и плохо освещенных помещений. Из прозрачного бетона строят крыши мансард и фасады с внутренней подсветкой. Единственный минус этого материала – пока еще высокая по сравнению с остальными цена.

Керамический кирпич

Керамический кирпич получают разными способами: методом пластического формования, сухого прессования, обжига с добавлением опилок и т.д. Благодаря этому достигаются различные свойства кирпича, такие, как пористость, морозоустойчивость, влагостойкость.

Керамический кирпич бывает разных видов: полнотелый, пустотелый и лицевой. Полнотелый, или рядовой, кирпич используется при возведении основных стен и фундамента здания. Он отличается высокой прочностью, морозоустойчивостью и не трескается при перепаде температур.

Пустотелый, или поризованный кирпич обладает меньшей плотностью, но более высокими теплоизолирующими свойствами. Этот материал применяют при постройке внутренних стен и несущих конструкций. Кирпич обработан особым способом и имеет желобки на внешних сторонах. Благодаря этому снижается расход кладочного раствора и появляется возможность идеальной подгонки кирпича друг к другу.

Тепло- и шумоизоляция здания повышается, соответственно, уменьшаются расходы на отопление и дополнительную внутреннюю отделку. Пустотелый керамический кирпич – сравнительно недорогой и доступный материал для частного строительства.

Облицовочный кирпич представлен огромным ассортиментом цветов, форм и фактур. Это декоративный материал, применяемый для отделки фасадов здания и элементов интерьера. При помощи него выкладывают клумбы и дорожки на приусадебном участке, арки и колонны, камины и внутренние стены. Лицевой кирпич может быть стилизован под мрамор, гранит, дерево, гальку и многое другое. Этот материал хорошо знаком и используется в строительстве уже не один десяток лет.

Многообразие строительных материалов на рынке позволяет выбрать оптимальный вариант, подходящий именно вам. Главное, что стоит помнить, – не нужно отталкиваться только от популярности или цены материала. В строительстве важно учесть все составляющие: от климата и особенностей почвы, на которой будет стоять дом, до возможных расходов на дополнительное утепление или отделку.

К минусам керамического кирпича можно отнести, пожалуй, только его стоимость. Также его необходимо приобретать с существенным запасом, т.к. кирпич из разных партий может отличаться по цвету. В остальном, этот материал отвечает самым высоким требованиям на сегодняшний день [1].

2.2 ПРИМЕНЕНИЕ ПЕНОСТЕКЛА ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ГРУНТОВ В СЛОЖНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Как отмечалось ранее, люди всегда стремились создать такие строительные материалы, которые бы улучшили их жилищные условия. Мы уже выделили такие важные материалы, как стекломагниевый лист, пенобетон, газобетон, 81Р панели. Однако немаловажную роль играет такой строительный материал, как пеностекло.

 Пеностекольный щебень совмещает в себе функции теплоизоляции и дренирующего материала. Имея низкую гигроскопичность, пеностекло не теряет своих свойств в переувлажненной среде, не требует дополнительной защиты от негативного влияния окружающей среды и воздействия нагрузок. Однако представленные на рынке пеностекольные материалы имеют высокую цену в связи с его получением из стеклобоя. Альтернативной технологией получения пеностекла, которая позволит существенно сократить затраты на его производство, является использование в качестве начального сырья составов на основе цеолитового туфа, широко распространенного в Забайкалье. Предложенная технология позволяет решить проблему надежности и устойчивости земляного полотна за счет создания местного конкурентоспособного теплоизоляционного материала

Выбор проектных решений при сооружении транспортных магистралей осложняется в связи с трудными климатическими, геологическими и гидрологическими условиями, характерными для многих районов страны. Прочность и работоспособность грунта, составляющего основание строений и земляное полотно, в значительной степени зависят от таких факторов, как амплитуда и скорость колебаний температуры; количество выпавших осадков; направление, мощность и скорость ветров; мощность снегового покрова; глубина промерзания; солнечная радиация; уровень подземных вод, гидромелиорация, промышленное использование грунтов, особенно вблизи линейных объектов, и др.

Изменение температуры порождает вторичные процессы, происходящие в грунтах: набухание и усадку, морозное пучение и просадку при оттаивании, просадку при замачивании, изменение плотности, прочностных и деформационных характеристик грунта.

Актуальным вопросом для надёжного и устойчивого функционирования земляного полотна, а как следствие — всего транспортного сооружения, является его защита от воздействия сил морозного пучения.

Пучинные деформации могут возникать при одновременном проявлении трёх условий: наличия пучинистых грунтов, их высокой влажности и промерзания. Исключение любого из этих условий устраняет возможность образования пучин.

Выбор противопучинных мероприятий производят на основании инструментальных наблюдений, инженерно-геологического обследования пучинного участка пути и технико-экономического сравнения возможных вариантов. Для ликвидации пучин в зависимости от причин их возникновения в основном проводят следующие мероприятия: вырезка пучинных грунтов, устройство накладных теплоизолирующих подушек при залегании пучинистых грунтов в нижней части зоны сезонного промерзания, укладка теплоизоляционного покрытия из пенопласта, мелиорация пучинистых грунтов.

Наименее трудоемким и дешевым способом является устройство теплоизоляционных покрытий. Теплоизоляционные покрытия эффективны как на участках с пучинами, так и в местах просадок пути в период оттаивания грунтов.

Специальный материал для теплоизолирующих слоев должен обладать низкой теплопроводностью, незначительной сжимаемостью, однородностью, малой водонасыщаемостью (не более 10 %), которая не изменяется в течение срока службы. Кроме того, материал должен быть экономичным и технологичным.

Наиболее распространенным материалом для теплоизолирующего слоя является экструдированный пенополистирол. Применение такого материала позволяет грунтам всегда находиться в зоне положительных температур, пучинистый грунт не промерзает и, как следствие, не вызывает пучения. Несмотря на успешный опыт применения пенополистирола в дорожных конструкциях, отсутствуют сведения о его сроке службы в таких конструкциях в действующем эксплуатационном диапазоне температурных и силовых воздействий, а также отсутствует методика прогнозирования долговечности материала. В местах повышенного динамического воздействия и при неблагоприятных инженерно-геологических условиях технические характеристики пенополистирола не позволяют в полной мере ликвидировать причины деформаций.

В настоящее время Забайкальским институтом железнодорожного транспорта изучается вопрос о целесообразности применения пеностекольного щебня или гравия при устройстве теплоизоляционных слоев для регулирования теплового режима земляного полотна автомобильных и железных дорог.

Пеностекло — это высокопористый теплоизоляционный материал с замкнутой ячеистой структурой, представляющей собой застывшую стеклянную пену с размером ячеек 1...5 мм. Пеностекольный щебень представляет собой куски пеностекла неправильной формы, полученной из отходов пеностекольной промышленности или как целевой продукт. Производство пеностекла возможно из утилизированного стеклобоя путем помола и термообработки с добавлением порообразователя или по более прогрессивным технологиям.

Впервые пеностекло получено советским академиком И.И. Китайгородским еще в 30-е гг. ХХ в. В Советском Союзе до начала 90-х гг. работало четыре завода по производству этого материала, но к настоящему времени из них функционирует только один на территории Белоруссии — в Гомеле (ОАО «Гомельстекло»).

Пеностекольный щебень совмещает в себе функции теплоизоляции и дренирующего материала. Имея низкую гигроскопичность, пеностекло не теряет своих свойств в переувлажненной среде, не требует дополнительной защиты от негативного воздействия окружающей среды и нагрузок.

Дополнительные слои из подобных материалов обеспечивают требуемую по расчету прочность или морозостойкость грунтового сооружения, а также предохраняют земляное полотно и основание насыпей от глубокого промерзания, что актуально в условиях континентального климата.

Аналогичный теплоизоляционный материал используют в дорожном строительстве в Норвегии, где климатические условия более суровые, чем в предгорных районах Германии.

Однако представленные на рынке пеностекольные материалы имеют высокую цену в связи с недостатками в технологии его получения. Такими недостатками можно считать использование стеклобоя как исходного сырья в связи с нестабильными объемами поставок и различиями в характеристиках, а также высокие энергозатраты, связанные с переплавкой и вспениванием.

Альтернативной технологией получения пеностекла является использование в качестве начального сырья составов на основе цеолитового туфа, широко распространенного в Забайкалье, и применение специальных плавней для низкотемпературного вспенивания при температурах ниже 800. °С.

Исследования пеностекла, произведенного из цеолита, показали его эффективность в сравнении с другими строительными материалами.

Изотермы сорбций строительных материалов

• Пенополистирольный гранулянт

• Газобетонный щебень

• Пеностекольный щебень

• Гравий фракционныйПродолжительность сут.

Результаты исследований отражают преимущества пеностекла перед другими теплоизоляционными строительными материалами и подтверждают возможность его использования в качестве теплоизоляционных слоев для регулирования воднотеплового режима различных сооружений.

Таким образом, пеностекло, полученное из цеолитов, позволяет решить проблему надежности и устойчивости земляного полотна за счет создания местного конкурентоспособного теплоизоляционного материала, а также дополнительных рабочих мест и развития производства в регионе [2].

2.3 МИНЕРАЛЬНО-ОРГАНИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ РЕМОНТА И ВОССТАНОВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Длительная эксплуатация домов и сооружений большинства предприятий предопределяет необходимость проведения работ по возобновлению их эксплуатационных свойств. Для этого, чаще всего, проводят нанесение дополнительного слоя бетона. При этом, должно быть обеспечено надежное соединение «старого» бетона конструкции с «новым» бетоном ремонтных элементов.

Большинство реакций взаимодействия между материалом строительной конструкции и компонентами бетона, который на нее наносится, будут проходить лишь на грани их раздела. Степень этих взаимодействий определяет прочность их контакта (контактной прослойки). Прочность контактной прослойки в первую очередь формируется за счет адгезии нанесенного бетона к поверхности строительной конструкции и их механического сцепления.

Результаты исследований показали, что введение в портландцемент комплексной добавки, которая состоит из железосодержащего вещества и молекулярно коллоидного щелочного поверхностно-активного вещества (ПАВ), за счет увеличения степени конденсации компонентов этой системы на поверхности строительной конструкции, обеспечивает высокую прочность сцепления «нового» бетона с материалом конструкции. При этом прочность их контакта остается достаточно высокой и при действии отрицательных температур.

Анализ известных результатов исследований показал, что наиболее важную роль в процессе сцепления «старого» и «нового» бетонов играет адсорбция компонентов «нового» бетона на поверхности «старого», а также их адгезионное сцепление.

Адсорбционная активность карбоксильных ПАВ зависит от длины углеводородного радикала. Однако если в ряду ксантогената хорошими адгезионными свойствами обладают уже низшие гомологи, например этиловый и бутиловый ксантогенат (с 2-4 атомами углерода), то среди жирных кислот заметное адсорбционное действие оказывается лишь у гомологов с 10-12 атомами углерода. Адсорбционная активность жирных кислот зависит также от ненасыщенности углеводородного радикала. Практика показывает, что при том же количестве атомов углерода в радикале, чем более ненасыщен радикал, тем большим адсорбционным действием владеет карбоксилудерживающий реагент.

На основании приведенного материала можно считать установленным, что взаимодействие карбоксильной ПАВ с несульфидными минералами, которые не нуждаются в активации, являет собой хемосорбцию или - при высоких расходах - гетерогенную химическую реакцию. При этом вторичные сорбционные прослойки в случае образования полимолекулярного покрытия, возможно, менее прочно закреплены на поверхности.

Учитывая известные исследования [3] в области адсорбции разных органических веществ на поверхности твердых тел, и их адгезионного сцепления, которые приведены выше, разработан минерально-органический материал (МОМ), действие которого основано на повышенной адсорбции эфиров к железосодержащим веществам и взаимодействию глицерина с кальциевой составляющей этого материала. Объяснить механизм действия разработанного МОМ можно таким образом. Как известно, глицериды ненасыщенных кислот с двумя и больше двойными связями, при окислении кислородом образуют вещество - линоксин. То есть такие глицериды, поглощая кислород, самоокисляются. На первой стадии такого окисления образуются гидропероксидные группировки. Потом с помощью пироксидных мостиков отдельные молекулы ненасыщенных глицеридов совмещаются между собой с образованием пространственной полимерной структуры. Кроме этого глицериды, как сложные эфиры, с большей или более малой скоростью расщепляются водой - поддаются гидролизу. Их гидролиз усиливается ионами гидроксида. При наличии щелочи глицериды расщепляются с образованием спирта (в данном случае глицерина) и соответствующей соли ВЖК - мыла [3].

2.4 ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК В ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ ПРОКАЛЕННОЙ И МОЛОТОЙ ГЛИНЫ С СОДЕРЖАНИЕМ 40% КАОЛИНИТА НА ПРОЧНОСТЬ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ.

Портландцемент получают тонким измельчением клинкера и гипса. Клинкер — продукт равномерного обжига до спекания однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины определённого состава, обеспечивающего преобладание силикатов кальция (3СаО∙SiO₂ и 2СаО∙SiO₂ 70-80 %).

Самые распространённые методы производства портландцемента так называемые «сухой» и «мокрый». Всё зависит от того, каким способом смешивается сырьевая смесь — в виде водных растворов или в виде сухих смесей.

При измельчении клинкера вводят добавки: 1,5…3,5 % гипса СaSO₄∙2H₂O (в перерасчёте на ангидрид серной кислоты SO₃) для регулирования сроков схватывания, до 15 % активных минеральных добавок — для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости цемента.

Сырьём для производства портландцемента служат смеси, состоящие из 75…78 % известняка (мела, ракушечника, известнякового туфа, мрамора) и 22…25 % глин (глинистых сланцев, суглинков), либо известняковые мергели, использование которых упрощает технологию. Для получения требуемого химического состава сырья используют корректирующие добавки: пиритные огарки, колошниковую пыль, бокситы, пески, опоки, трепелы.

При мокром способе производства уменьшается расход электроэнергии на измельчение сырьевых материалов, облегчается транспортирование и перемешивание сырьевой смеси, выше гомогенность шлама и качество цемента, однако расход топлива на обжиг и сушку составляет на 30-40 % больше чем при сухом способе.

Обжиг сырьевой смеси проводится при температуре 470°C в течение 2…4 часов в длинных вращающихся печах с внутренними теплообменными устройствами, для упрощения синтеза необходимых минералов цементного клинкера. В обжигаемом материале происходят сложные физико-химические процессы. Вращающуюся печь мокрого способа условно можно поделить на зоны:

сушки (температура материала 100…200 °C — здесь происходит частичное испарение воды);

подогрева (200…650 °C — выгорают органические примеси и начинаются процессы дегидратации и разложения глинистого компонента). Например, разложение каолинита происходит по следующей формуле: Al₂O₃∙2SiO₂∙2H₂O → Al₂O₃∙2SiO₂ + 2H₂O; далее при температурах 600…1000 °C происходит распад алюмосиликатов на оксиды и метапродукты;

декарбонизации (900…1200 °C) происходит декарбонизация известнякового компонента: СаСО₃ → СаО + СО₂, одновременно продолжается распад глинистых минералов на оксиды. В результате взаимодействия основных (СаО, MgO) и кислотных оксидов (Al₂O3, SiO₂) в этой же зоне начинаются процессы твердофазового синтеза новых соединений (СаО∙ Al₂O₃ — сокращённая запись СА, который при более высоких температурах реагирует с СаО и в конце жидкофазового синтеза образуется С₃А), протекающих ступенчато;

экзотермических реакций (1200…1350 °C) завершается процесс твёрдофазового спекания материалов, здесь полностью завершается процесс образования таких минералов как С₃А, С₄АF (F — Fe₂O₃) и C₂S (S — SiO₂) — 3 из 4 основных минералов клинкера;

спекания (1 300→1 470→1 300 °C) частичное плавление материала, в расплав переходят клинкерные минералы кроме C₂S, который взаимодействуя с оставшимся в расплаве СаО образует минерал АЛИТ (С₃S);

охлаждения (1 300…1 000 °C) температура понижается медленно. Часть жидкой фазы кристаллизуется с выделением кристаллов клинкерных минералов, а часть застывает в виде стекла.

Узнать данный вид цемента можно по внешнему виду — это зеленовато-серый порошок. Как и все цементы, если к нему добавить воду, он при высыхании принимает камнеобразное состояние и не имеет существенных отличий по своему составу и физико-химическим свойствам от обычного цемента.

ПДК в воздухе (согласно ГОСТ 12.1.005-88): 6 мг/м3

Существуют следующие виды портландцемента:

• быстротвердеющий;

• нормальнотвердеющий;

• пластифицированный;

• гидрофобный;

• сульфатостойкий;

• дорожный;

• белый и цветной;

• с умеренной экзотермией;

• с поверхностноактивными органическими добавками.

Твердение портландцемента

Превращение цементного теста в камневидное тело обусловлено сложными химическими и физико-химическими процессами взаимодействия клинкерных минералов с водой, в результате которых образуются новые гидратные соединения, практически нерастворимые в воде.

Процесс гидролиза и гидратации трехкальциевого силиката выражается уравнением:

2 (ЗСаО•SiO₂) + 6Н₂О = 3CaO•2SiO •3H₂0 + ЗСа(ОН)₂

В результате образуется практически нерастворимый в воде гидросиликат кальция и гидроксид кальция, который частично растворим в воде.

Двухкальциевый силикат гидратируется медленнее C₃S и при его взаимодействии с водой выделяется меньше Са(ОН)₂, что видно из уравнения реакции:

2 (2СаО •SiO2) + 4Н₂О = ЗСаО -2SiO₂ -ЗН₂О + Са(ОН)₂

Молярное соотношение СаО : SiO₂ в гидросиликатах, образующихся в цементном тесте, может изменяться в зависимости от состава материала, условий твердения и других обстоятельств. Поэтому применяется термин C-S-H для всех полукристаллических и аморфных гидратов кальциевых силикатов. Образование низкоосновных гидросиликатов кальция повышает прочность цементного камня; при возникновении высокоосновных гидросиликатов его прочность меньше. При определенных условиях, например при автоклавной обработке, образуется тоберморит 5CaO-6SiO₂-5H₂O, характеризующийся хорошо оформленными кристаллами, которые упрочняют цементный камень.

Взаимодействие трехкальциевого алюмината с водой приводит к образованию гидроалюмината кальция:

ЗСаО-А1₂О₃ + 6Н₂О = ЗСаО•А1₂О3•6Н₂О

Реакция протекает с большой скоростью. Образующийся шестиводный трехкальциевый алюминат создает непрочную рыхлую кристаллизационную структуру и вызывает быстрое снижение пластических свойств цементного теста.

Замедления сроков схватывания портландцемента достигают введением при помоле небольшой добавки двуводного гипса. В результате химического взаимодействия трехкальциевого гидроалюмината с введенным гипсом и водой образуется труднорастворимый гидросульфоалюминат кальция (эттрингит) по схеме:

ЗСаО • А1₂О₃ •6Н₂О + 3 (CaSO₄ -2Н₂О) + (19...20) Н₂О = = ЗСаО • А1₂О₃ • 3CaSO₄ • (31... 32) Н₂О

В насыщенном растворе Са(ОН)₂ эттрингит сначала выделяется в коллоидном тонкодисперсном состоянии, осаждаясь на поверхности частиц ЗСаО-А1₂О₃, замедляет их гидратацию и продлевает схватывание цемента.

Таким образом, на некоторое время, пока не израсходуется весь находящийся в растворе гипс (обычно 1...2 ч), предотвращается появление свободного гидроалюмината кальция и преждевременное загустевание цементного теста.

При правильной дозировке гипса он является не только регулятором сроков схватывания портландцемента, но и улучшает свойства цементного камня. Это связано с тем, что кристаллизация Са(ОН)₂ из пересыщенного раствора понижает концентрацию гидроксида кальция в растворе и эттрингит уже образуется в виде длинных иглоподобных кристаллов. Кристаллы эттрингита и обусловливают раннюю прочность затвердевшего цемента. Кроме того, объем гидросульфоалюмината кальция более чем в 2 раза превышает объем исходных продуктов реакции. Так как такое увеличение объема происходит в еще не затвердевшем цементном тесте, то оно уплотняется, что способствует повышению прочности и морозостойкости цементного камня.

Четырехкальциевый алюмоферрит при действии воды гидролитически расщепляется с образованием шестиводного трехкальциевого алюмината и гидроферрита кальция по схеме:

4СаО -A1₂О₃-Fe₂O₃ + mH₂O = ЗСаО • А12О₃ • 6Н₂О + + CaO-Fe₂O₃- nH₂O

Однокальциевый гидроферрит, взаимодействуя с гидроксидом кальция, который образовался при гидролизе _C3S, переходит в более основный гидроферрит кальция 3(4)CaO-Fe₂O₃-nH₂O. Гидроалюминат связывается добавкой гипса, как указано выше, а гидроферрит входит в состав цементного геля.

При твердении цемента на воздухе рассмотренные выше реакции дополняются карбонизацией гидроксида кальция, протекающей на поверхности цементного камня.

Описанные химические превращения протекают параллельно с физико-химическими процессами микроструктурообразования, выражающимися в процессах молекулярного и коллоидного растворения, коллоидации и кристаллизации. В своей совокупности эти процессы приводят к превращению цемента при затворении водой сначала в пластичное тесто, а затем в прочный затвердевший камень. Ввиду сложности и недостаточной изученности указанных физико-химических процессов существует различное теоретическое толкование об их характере и последовательности. Полнее других сущность твердения портландцемента и других неорганических вяжущих веществ была раскрыта в теории твердения этих вяжущих, выдвинутой А. А. Байковым и развитой затем другими советскими учеными — В. А. Киндом, В. Н. Юнгом, В. Ф. Журавлевым, П. П. Будниковым, П. А. Ребиндером, Н. А. Тороповым, А. Е. Шейниным, А. В. Волженским и др.

В соответствии с этой теорией можно выделить три периода.

В первом периоде происходит растворение клинкерных минералов с поверхности цементных зерен до образования насыщенного раствора, в котором начинают возникать первичные зародыши новых фаз (Са(ОН)₂, эттрингита и иглы геля C-S-H).

Во втором периоде в насыщенном растворе идут реакции гидратации клинкерных минералов в твердом состоянии (топохимически), т. е. происходит прямое присоединение воды к твердой фазе вяжущего без предварительного его растворения. Образующиеся гидросиликат и гидроферрит кальция почти нерастворимы в воде и выделяются в коллоидном состоянии на поверхности цементных частиц. Гидроксид кальция и трехкальциевый гидроалюминат, обладая небольшой растворимостью, быстро образуют насыщенный, а в дальнейшем и пересыщенный раствор. Поэтому при продолжающейся химической реакции новые порции гидроксида кальция и трехкальциевого гидроалюмината также выделяются в коллоидном состоянии. В результате вокруг поверхности цементных зерен образуется оболочка коллоидного геля (студня), обладающего клеящим свойством. Через некоторое время цементные зерна оказываются в контакте друг с другом через такие оболочки, образуя так называемую коагуляционную структуру цементного теста. При этом цементное тесто начинает густеть и теряет пластичность — оно схватывается.

Характерной особенностью коагуляционной структуры цементного теста является ее тиксотропность, т. е. способность обратимо разрушаться (разжижаться) при механических воздействиях (перемешивание, встряхивание и т. д.).

В третьем периоде происходит переход некоторой части новообразований в кристаллическое состояние с последующим ростом отдельных кристалликов и образованием кристаллических сростков (формируется кристаллизационная структурная сетка). Быстрее других кристаллизуются трехкальциевый гидроалюминат и гидроксид кальция. Их микрокристаллы пронизывают гель и, срастаясь между собой, повышают прочность цементного камня. Одновременно гель, состоящий теперь главным образом из гидросиликата и гидроферрита кальция, уплотняется в результате отсоса воды внутрь цементных зерен на дальнейшую гидратацию, а при твердении цемента на воздухе — и за счет ее испарения. Частицы геля гидросиликата, имеющие первоначально игольчатую форму, продолжая расти, ветвятся, становятся древовидными, что является одной из причин соединения частиц геля гидросиликата в агрегаты, имеющие характерную форму «снопов пшеницы» или в виде плотно агломерированных листков. Тонкие слои геля получаются и между кристаллами Са(ОН)₂, образуя с ними сросток, упрочняющий цементное тесто. Эти процессы идут медленно и обусловливают длительный рост прочности цементного камня.

В настоящее время глубокое понимание механизмов гидратации портландцемента способствует введению большого содержания минеральных добавок. Наиболее известные - доменный шлак и зола доступны не во всех странах/регионах и в гораздо меньших объемах, чем производится портландцемента, поэтому большее замещение клинкера может быть достигнуто только за счет расширения сырьевой базы таких минеральных добавок, как натуральные пуццоланы и активированные глины .

Наполнители из прокаленных и обожженных до частичного или полного спекания глин с древних времен находят применение в качестве тонкомолотых пуццолановых добавок в цементные и известковые вяжущие и материалы и изделия на их основе.

Глины - повсеместно распространенное, доступное и дешевое сырье для получения пуццоланов. Термически активированные глины классифицируются как искусственные пуццоланы европейским стандартом EN197-1-2000.

Пуццоланы применяются в виде цемянки, глинита, горелых пород, аглопорита, керамзита и керамзитовой пыли. Глинит получают измельчением обожженных глин при температурах 600-800оС. В последнее время определенное применение в качестве пуццолановой добавки для повышения показателей физико-технических свойств цементных композитов получила одна из разновидностей глинита - метакаолин. Метакаолин представляет собой продукт термической обработки мономинеральных с высоким содержанием минерала каолинита каолиновых глин. В состав качественных сортов метакаолина входят 50-55% SiO2 и 40-45% A1₂O₃. Благодаря пластинчатой морфологии частиц метакаолин положительно влияет на удобоукладываемость бетонной смеси и повышает ее устойчивость к водоотделению, а также прочность, химическую стойкость, морозостойкость и долговечность бетона.

Установлено, что метакаолин имеет достаточную пуццоланическую активность при удельной поверхности 12 м²/г, а высокую активность он приобретает при удельной поверхности 30 м²/г.

Однако широкому производству и применению метакаолина препятствует ограниченность месторождений и запасов каолиновых глин во многих странах, в том числе и в России. Этим обстоятельством объясняются проведение в последнее десятилетие в ряде стран исследований пуццоланической активности прокаленных глинистых минералов помимо каолинита и возможности получения пуццолановых добавок из глинистого сырья с различным содержанием каолинита или полным его отсутствием.

Согласно проводившимся в 1940-х годах исследованиям пуццоланической активности распространенных на территории СССР месторождений 207 разновидностей глин, только 11% глин оказались непригодными для получения продукта с достаточной пуццоланической активностью. Сегодня целесообразным представляется возобновление в нашей стране исследований и разработок в этом направлении для создания научной базы организации производства пуццолановых добавок на основе местных глин в различных регионах.

Выводы

Использование открытых новейших материалов более целесообразно с точки зрения теплотехнического расчета, чем традиционного керамического кирпича, а с экономической точки зрения более выгодным по цене является кирпич.

Новейшие материалы обладают такими положительными свойствами, как

• конструкционная устойчивость, что позволяет снижать затраты на монтаж;

• износоустойчивость, обеспечивающая срок службы более 50 лет и, как следствие, отсутствие необходимости замены теплоизоляции в течение срока эксплуатации здания;

• способность выдерживать широкий спектр температур (от -250°С до +650°С);

• негорючесть;

• инертность, допускающая использование материалов в агрессивных средах;

• экологическая безопасность [1].

Разработанный минерально-органический материал на основе глицеридов, минералов, которые содержат железо, и веществ, которые содержат кальций, имеет высокую прочность сцепления с бетоном и металлом.

С помощью разработанного материала можно образовывать прочный стык между железобетонной конструкцией и бетоном элементов, которые ее усиливают, а также обеспечивать высокую прочность рабочих швов при бетонировании монолитных конструкций.

Механизм действия разработанного минерально-органического материала заключается в повышенной адсорбционной способности компонентов глицеридов на поверхности минеральных веществ, в первую очередь тех, которые содержат железо, и образовании полиэфирных слоев между бетонами, которые соединяют между собой элементы системы. За счет повышенной адгезии радикалов высших жирных кислот к ионам железа обеспечивается «сшивание» их углеводородных цепочек через ионы железа в большие комплексы. Эти комплексы одними из свободных радикалов соединяются с минералами «старого» цементного бетона, а другими с минералами новообразований «нового» цементного бетона. В последующем, такие (физические) связки переходят в химические, что и обеспечивает высокую прочность контакта.

Наличие в составе разработанного материала ионов кальция приближает его состав к составу поверхностного слоя цементного бетона, который покрывается продуктами взаимодействия разработанного материала с минералами на основе кальция, - продуктами гидратации цементного бетона. Это обеспечивает повышение адсорбции разработанного МОМ на поверхности цементного бетона и, как следствие, повышения их адгезионной связи.

Минерально-органический материал обеспечивает защиту арматуры от коррозии, которая может иметь место в результате карбонизации бетона и действия агрессивных веществ и потери защитных свойств бетона [2].

Таким образом, в системе «глицериды - оксид кальция - железосодержащее вещество» происходят следующие реакции:

Под влиянием щелочи - оксида кальция, глицериды поддаются гидролизу с образованием глицерина и кальциевой соли ВЖК.

Кальциевая соль ВЖК вступает во взаимодействие с железосодержащим веществом, которое способствует полимеризации соли ВЖК и образованию на поверхности железосодержащего вещества концентрированного, крепко закрепленного слоя молекул соли ВЖК. Опытами установлена более прочная связь ионов железа, чем ионов кальция, с минералами, которые содержат силикаты. Закрепление мыл на минералах, которые содержат силикаты, и ионы железа происходит, очевидно, при взаимодействии с поверхностным «силикатом железа».

Оксид кальция, который высвобождается, вступает во взаимодействие с глицерином, образовывая глицерат кальция.

При этом в систему выделяется вода. Эта вода способствует разжижению системы и, как следствие, уменьшения ее прочности.

Проведенными исследованиями установлено, что разработанный материал приобретает прочность при применении в качестве компонента, удерживающего кальций, мел, известь, гипс и портландцемент. Опытами установлено, что, в этом случае, прочность сцепления «старого» и «нового» бетонов достигает 12 МПа, что значительно выше, чем у известных композиций, которые на это время используют для соединения бетонов.

Однако, как показали опыты, компоненты, которые содержат кальций по прочности сцепления МОМ с бетоном можно разложить в ряд по уменьшению прочности сцепления МОМ с бетоном:

портландцемент > известь > мел > гипс.

При укладке дополнительного слоя бетона, при ремонте и восстановлении эксплуатационных свойств строительных конструкций промышленных зданий и сооружений, должно быть обеспечено надежное соединение «старого» бетона и арматуры конструкции с «новым» бетоном ремонтных элементов.

Склеивание цементного камня с арматурой в период схватывания и набора прочности бетона определяется химическими и физическими процессами, которые приводят к возникновению на контактной поверхности капиллярных и молекулярных сил притяжения.

Разработанный минерально-органический материал, который имеет достаточное сцепление со «старым» бетоном и арматурой восстанавливаемой конструкции и «новым» бетоном, обеспечивает связь по поверхности контакта между арматурой и бетоном, что влияет на совместную работу строительной конструкции [3].

Таким образом, добавки в портландцемент 5-10% глинита на основе прокаленной при определенной температуре и молотой до 250-800 м2/кг полиминеральной глины с содержанием 40% каолинита приводят к более значительному повышению прочности цементного камня, чем аналогичные добавки метакаолина ВМК с удельной поверхностью 1200 м2/кг.

Следовательно, можно сделать вывод о том, что закрепление ПАВ необратимо, и только незначительное количество ее может быть десорбировано водой. При наличии избытка ПАВ, к ее поверхностным соединениям с минералом, связанным с частоколом, прикрепляются тяжелорастворимые соли ПАВ, которые образовались в жидкой фазе, а также свободная жирная кислота или ее кислая соль [4].

Заключение

Таким образом, мы рассмотрели самые последние новинки строительных материалов. Новые строительные материалы открывают новые возможности для каждого. С их помощью можно не только улучшить свое жилище, но и значительно сэкономить, ведь все средства из представленного списка стоят дешевле своих аналогов. Кроме того, все они соответствуют необходимым стандартам и ГОСТу, поэтому их можно смело применять в быту, при ремонте и строительстве. Разумеется, что это далеко не весь список, но представленные здесь строительные материалы нового поколения относятся к уже оцененным профессиональными строителями и отделочниками. Материалы, перечисленные выше, наиболее распространены и уже успели завоевать доверие профессионалов.

Литература

1. Орехова К.О, Макеев М.Ф. Использование новых материалов в строительстве с точки зрения теплотехнического расчета// Научный вестник воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Высокие технологии. Экология // Воронежский государственный архитектурно-строительный университет (Воронеж). -2015.-№ 1.- С. 59-63.

2. Клочков Я. В., Непомнящих Е. В., Линейцев В. Ю. Применение пеностекла для регулирования теплового режима грунтов в сложных климатических условиях // Вестник забайкальского государственного университета // Забайкальский государственный университет (Чита)// 2015.-№6.- С. 9-15.

3.Ковальчук В.А. Минерально-органический материал для ремонта и восстановления строительных конструкций// Науковый огляд. Общество с ограниченной ответственностью "Тк Меганом" (Киев). -2015.-№3. - С. 31-38.

4. Рахимов Р. З., Рахимова Н. Р., Гайфуллин А. Р. Влияние добавок в портландцемент прокаленной и молотой глины с содержанием 40% каолинита на прочность цементного камня.// Редакция журнала "Аcademia." (Москва)// Архитектура и строительство.- 2015.-№2.-С.129-131.

22

Код для цитирования: Скопировать