Перспективны стеновые панели типа АСД на клееном деревянном каркасе, обшитом плоскими ЦСП длиной 6 м. В качестве утеплителя здесь используются минераловатные плиты на синтетическом связующем, а пароизоляцией служит полиэтиленовая мембрана толщиной 0,2 мм. В зависимости от разрезки фасада здания ширина таких панелей может быть 0.6; 0.9 и 1.5 м.
Деревянные клееные конструкции должны изготовляться в соответствии с требованиями ГОСТ 20850-84 «Конструкции деревянные клееные».
Толщина синтетических клеевых прослоек в элементах конструкций должна быть не более 0.5 мм. При этом показатели предела прочности на послойное скалывание клеевых соединений в конструкциях при влажности древесины 12% должны соответствовать 8 МПа (средний) и 6 МПа (минимальный).
Тема №4. Состав, свойства и применение минеральных вяжущих веществ воздушного и гидравлического твердения
Вяжущими веществами называют материалы, способные в определенных условиях (при смешивании с водой, нагревании и др.) образовывать пластично-вязкое тесто, которое самопроизвольно или под действием определенных факторов со временем затвердевает.
Переходя из пластично-вязкого состояния в камневидное, вяжущие вещества могут скреплять между собой камни (например, кирпич) или зерна песка, гравия и щебня. Это свойство вяжущих используется для получения бетонов, строительных растворов различного назначения, силикатного кирпича, асбестоцемента и других безобжиговых искусственных каменных материалов.
Начало использования человеком вяжущих открыло новую эпоху в строительстве: вместо обтесывания камней строители с помощью вяжущих и камней произвольной формы могли делать любые конструкции, не беспокоясь о плотном прилегании одного камня к другому.
Современные вяжущие вещества в зависимости от состава делят на:
неорганические (известь, цемент, гипсовые вяжущие и др.), которые для перевода в рабочее состояние затворяют водой (реже водными растворами солей);
органические (битумы, дегти, синтетические полимеры и олигомеры), которые переводят в рабочее состояние нагревом либо с помощью органических растворителей, либо сами они представляют собой вязкопластичные жидкости.
В строительстве в основном используют неорганические (минеральные) вяжущие вещества.
Далее для краткости неорганические вяжущие вещества будут называться просто вяжущим. Органические вяжущие так и будем называть (см. лекцию 9).
Подавляющее число неорганических вяжущих способно твердеть самопроизвольно, без создания каких-либо условий. Однако находят применение и вяжущие, которые твердеют при определенных условия и при введении специальных добавок, например вяжущие автоклавного твердения, способные твердеть только в среде насыщенного водяного пара при температуре 150...200°С и при повышенном давлении (в автоклаве). К последним относятся известково-кремнеземистые, известково-зольные, известково-шлаковые и другие вяжущие.
Главным качественным показателем вяжущих является отношение к воздействию воды. По этому признаку их делят на воздушные и гидравлические.
Воздушные вяжущие способны затвердевать и длительно сохранять прочность только на воздухе. По химическому составу можно выделить четыре группы воздушных вяжущих:
1 -- известковые, состоящие, в основном, из гидрооксида кальция Са(ОН)2;
2 -- гипсовые, состоящие из сульфата кальция (CaSO4 * 0,5Н2О или CaSO4);
3 -- магнезиальные, главным компонентом которых служит MgO;
4 -- жидкое стекло -- раствор силиката натрия или калия. Последнее из-за способности сохранять прочность в кислых средах называют кислотоупорным вяжущим.
Гидравлические вяжущие способны твердеть и длительное время сохранять прочность не только на воздухе, но и в воде. Причем, находясь в воде, они могут повышать свою прочность. По химическому составу гидравлические вяжущие представляют собой сложные системы, состоящие в основном из соединений четырех оксидов: СаО - SiO2 - А12О3 - Fe2O3. Эти соединения образуют основные типы гидравлических вяжущих (приводятся в исторической последовательности):
1) гидравлическая известь и романцемент;
2) силикатные цементы, состоящие преимущественно из силикатов кальция (портландцемент и его разновидности);
3) алюминатные цементы, состоящие в основном из алюминатов кальция (глиноземистый цемент и его разновидности);
4) вяжущие эттрингитового типа, основными компонентами которых являются алюминаты кальция и сульфат кальция (расширяющиеся и безусадочные цементы).
Главнейшие показатели качества вяжущих как воздушных, так и гидравлических,-- прочность и скорость твердения.
Прочность вяжущих изменяется во времени, поэтому ее оценивают по прочности (обычно на сжатие и изгиб) стандартных образцов, твердевших определенное время в условиях, установленных стандартом. По этим показателям устанавливают марку вяжущего. Например, марка гипсовых вяжущих определяется по прочности образцов из гипсового теста спустя 2 ч после их изготовления, а портландцемента - по прочности образцов из цементно-песчаного раствора -- через 28 суток твердения во влажных условиях при температуре (20 ± 2)° С.
Скорость твердения -- другая не менее важная характеристика вяжущих. Очень высокой скоростью твердения обладают гипсовые вяжущие: они полностью затвердевают за несколько часов; очень медленно твердеет воздушная известь: процесс ее твердения длится сотни лет.
В процессе твердения строители различают две стадии: схватывание и набор прочности (собственно твердение). Такое членение процесса имеет весьма условный характер, но оно удобно для практических целей.
Схватывание -- потеря тестом вяжущего пластично-вязких свойств и формирование структуры с молекулярными, ван-дер-ваальсовыми связями. Момент, когда появляются признаки загустевания теста, т. е. оно начинает терять пластичность, говорит о начале схватывания. Момент, когда тесто превращается в твердое тело, окончательно теряя пластичность, но не приобретая еще практически значимой прочности, называют концом схватывания. Сроки схватывания гипса 4...30 мин, портландцемента -- несколько часов. Схватывание -- явление, характерное для вяжущих, твердеющих по физико-химическому механизму (гипс, цементы). У простейших вяжущих (глина, известь), твердеющих в результате испарения воды, этап схватывания растягивается на очень длительный период времени, поэтому принято считать, что он просто отсутствует.
Сроки схватывания необходимо знать, так как все работы со смесями на основе вяжущих должны заканчиваться до начала их схватывания, пока они не потеряли пластичности. Повторное перемешивание после схватывания, особенно с добавлением воды, может привести к существенному снижению прочности материала на этом вяжущем.
Глина
Глина -- осадочная горная порода, основные свойства которой определяются свойствами мельчайших частиц размером менее 5 мкм, которые принято называть глинами. В минералогической энциклопедии глинами называют частицы размером менее 2мкм. Глинистые частицы обычно имеют пластинчатое строение и хорошо смачиваются водой (гидрофильны). Благодаря большой общей поверхности частиц глина способна поглощать и удерживать большое количество воды (до 20...30 % по массе). При этом она разбухает и переходит в вязкопластичное состояние.
При высыхании глиняное тесто уменьшается в объеме (10...20 %): частицы глины, сближаясь, начинают прочно удерживаться друг около друга силами поверхностного натяжения тончайших пленок воды, остающейся между ними. Происходит затвердевание глины. Прочность высохшей глины достаточно велика (до 10 МПа).
Глиняное тесто при высыхании из-за сближения частиц дает значительную усадку. Чтобы уменьшить усадку и предотвратить растрескивание, в глиняное тесто добавляют более крупнозернистые материалы (песок, опилки).
При повторном увлажнении глина вновь размягчается, поэтому затвердевший глиняный материал необходимо предохранять от воздействия воды.
Глину в качестве вяжущего применяют как местный материал в сельском строительстве для штукатурных и кладочных растворов. Особенно широко применяют глины для кладки печей. Из глины с добавлением соломы получают также материал для кладки стен -- саман.
Благодаря высокой пластичности и способности удерживать воду на поверхности своих тонкодисперсных частиц глину используют в качестве пластифицирующей добавки к цементу в строительных растворах.
Гипсовые вяжущие вещества
Гипсовые вяжущие -- группа воздушных вяжущих веществ, в затвердевшем состоянии состоящих из двуводного сульфата кальция (CaSO4 * 2Н2О), включает в себя собственно гипсовые вяжущие (далее для краткости -- гипс) и ангидритовые вяжущие (ангидритовый цемент и эстрихгипс).
Гипс (в строительной практике иногда используют устаревший термин алебастр от гр. alebastros -- белый) -- быстротвердеющее воздушное вяжущее, состоящее из полуводного сульфата кальция CaSO4 * 0,5Н2О, получаемого низкотемпературной (< 200° С) обработкой гипсового сырья.
Сырьем для гипса служит в основном природный гипсовый камень, состоящий из двуводного сульфата кальция (CaSO4*2Н2О) и различных механических примесей (глины и др.). В качестве сырья могут использоваться также гипсосодержащие промышленные отходы, например, фосфогипс, а также сульфат кальция, образующийся при химической очистке дымовых газов от оксидов серы с помощью известняка. Все это указывает на то, что проблем с сырьем для гипсовых вяжущих нет.
Получение гипса включает две операции:
- термообработку гипсового камня на воздухе при 150... 160°С; при этом он теряет часть химически связанной воды, превращаясь в полуводный сульфат кальция в-модификации:
CaSO4 * 2Н2О > CaSO4 * 0,5Н2О + 1,5Н2О
- тонкий размол продукта, который можно производить как до, так и после термообработки; гипс - мягкий минерал (твердость по шкале Мооса - 2), поэтому размалывается он очень легко.
Таким способом производится основное количество гипса; обычно для этого используют гипсоварочные котлы. Гипс в-модификации далее для краткости будем называть просто «гипс».
Доступность сырья, простота технологии и низкая энергоемкость производства (в 4...5 раз меньше, чем для получения портландцемента) делают гипс дешевым и привлекательным вяжущим.
Химизм твердения гипса заключается в переходе полуводного сульфата кальция при затворении его водой в двуводный:
CaSO4 * 0,5Н2О + l,5H2O > CaSO4 * 2Н2О
Внешне это выражается в превращении пластичного теста в твердую камнеподобную массу.
Причина такого поведения гипса заключается в том, что полуводный гипс растворяется в воде почти в 4 раза лучше, чем двуводный (растворимость соответственно 8 и 2 г/л в пересчете на CaSO4). При смешивании с водой полуводный гипс растворяется до образования насыщенного раствора и тут же гидратируется, образуя двугидрат, по отношению к которому раствор оказывается пересыщенным. Кристаллы двуводного гипса выпадают в осадок, а полуводный вновь начинает растворяться и т. д. В дальнейшем процесс может идти по пути непосредственной гидратации гипса в твердой фазе.
Конечной стадией твердения, заканчивающегося через 1...2 ч, является образование кристаллического сростка из достаточно крупных кристаллов двуводного гипса. Часть объема этого сростка занимает вода (точнее, насыщенный раствор CaSO4 * 2Н2О в воде), не вступившая во взаимодействие с гипсом. Если высушить затвердевший гипс, то прочность его заметно (в 1,5...2 раза) повысится за счет дополнительной кристаллизации гипса из указанного выше раствора по местам контактов уже сформированных кристаллов. При повторном увлажнении процесс протекает в обратном порядке, и гипс теряет часть прочности.
Причина наличия свободной воды в затвердевшем гипсе объясняется тем, что для гидратации гипса нужно около 20% воды от его массы, а для образования пластичного гипсового теста -- 50...60% воды. После затвердевания такого теста в нем останется 30...40 % свободной воды, что составляет около половины объема материала. Этот объем воды образует поры, временно занятые водой, а пористость материала, как известно, определяет многие его свойства (плотность, прочность, теплопроводность и др.).
Разница между количеством воды, необходимым для твердения вяжущего и для получения из него удобоформуемого теста,-- основная проблема технологии материалов на основе минеральных вяжущих.
Для гипса проблема снижения водопотребности и, соответственно, снижения пористости и повышения прочности была решена путем получения гипса термообработкой не на воздухе, а в среде насыщенного пара (в автоклаве при давлении 0,3...0,4 МПа) или в растворах солей (СаС12 * MgCl2 и др.). В этих условиях образуется другая кристаллическая модификация полуводного гипса -- б-гипс, имеющая водопотребность 35...40 %.
Гипс б-модификации называют высокопрочным гипсом, так как благодаря пониженной водопотребности он образует при твердении менее пористый и более прочный камень, чем обычный гипс в-модификации. Из-за трудностей производства высокопрочный гипс не нашел широкого применения в строительстве.