Строительные материалы и изделия

Задание 1

       Вариант 1

       Вопрос 1: Какие существуют способы повышения долговечности природного камня в конструкциях и сооружениях?

       Ответ: Непременным условием длительной службы каменных материалов в сооружениях является правильный их выбор с учетом эксплуатационной среды, химико-минералогического состава  и структуры материала. Однако даже самые прочные породы, из которых выполнен материал, под механическими и химическими воздействиями атмосферных факторов различных микроорганизмов разрушаются. Этот процесс по аналогии с разрушением металлов называют коррозией.

       Основной  причиной коррозии каменных материалов в строительных конструкциях является физико-химическое воздействие воды.  Это воздействие проявляется  в растворяющей способности воды, особенно если она содержит растворенные газы (СО2, SО2  и др.); в замерзании воды в порах и трещинах, сопровождающемся появлением в материале больших внутренних напряжений. Кроме того, резкое изменение температуры приводит к появлению на поверхности камня, особенно из полиминеральных пород, микротрещин, которые становятся очагами разрушения. Различные микроорганизмы и растения (мхи, лишайники), поселяясь в порах и трещинах камня, извлекают для своего питания щелочные соли и выделяют органические кислоты, вызывающие биологическое разрушение камня.

       Следовательно, стойкость каменных материалов против коррозии тем выше, чем они плотнее (меньше пористость) и чем меньше их растворимость. Поэтому все  мероприятия по защите каменных материалов от коррозии направлены на предохранение их от воздействия воды и на повышение поверхностной плотности. Эти меры могут быть конструктивными и физико-химическими.

       Конструктивная  защита от увлажнения осуществляется путем устройства надлежащих стоков воды, придания каменным материалам гладкой полированной поверхности и такой формы, при которых вода, попадающая на них, не задерживается и не проникает внутрь материала.

       Физико-химические мероприятия заключаются в создании на лицевой поверхности камня плотного водонепроницаемого слоя или ее гидрофобизации. Одним из способов повышения поверхностной плотности является флюатирование, при котором карбонатные породы пропитывают солями кремнефтористоводородной кислоты (флюатами), например флюатами магния. В результате происходящей реакции: 

       2СаСО3  +  MgSiF6  = 2CaF2  + SiO2  +  2CO2 

в поверхностных  порах камня выделяются практически  не растворимые в воде фториды  кальция, магния и кремнезем.   Это уменьшает пористость и водопоглащение поверхностного слоя и несколько препятствует загрязнению облицовки пылью.  Некарбонатные пористые породы предварительно обрабатывают водными растворами кальциевых солей, например хлористым кальцием, а после просушки – содой, а затем флюатом.

       Уплотнить поверхность камня можно также  последовательной пропиткой растворимым  стеклом и хлористым кальцием, в результате взаимодействия которых образуются нерастворимые силикат кальция и кремнекислота, закрывающие поры. Эта же цель достигается при последовательной пропитке поверхности камня спиртовым раствором калийного мыла и уксуснокислого алюминия. В этом случае на поверхности камня образуется нерастворимая пленка соли жирной кислоты.

       Гидрофобизация, т.е. пропитка пористого каменного материала гидрофобными  (водоотталкивающими) составами, препятствующими проникновению влаги в материал, также повышает их стойкость против выветривания. Хорошие результаты дает пропитка кремнийорганическими жидкостями и другими полимерными материалами, а также растворами парафина, стеарина или металлических мыл (алюминиевого, цинкового и др.) в легкоиспаряющихся органических растворителях (бензине, лаковом керосине и т.д.)

       Вопрос 2:   Охарактеризуйте керамические изделия специального назначения.

       Ответ:   Керамика – собирательное название широкой группы каменных материалов, получаемых формованием из глиняных смесей с минеральными и органическими добавками с последующей сушкой и обжигом. К специальным видам керамических материалов в первую очередь можно отнести санитарно-техническую керамику.  Раковины, унитазы, трубы, химическую посуду, и т.п. изготавливают из фаянса и фарфора.

       Фаянс – разновидность тонкой керамики, получаемая из беложгущихся глин (60…65%), кварца (30…35%) и полевого шпата (3…5%). Отформованное из пластичной массы и высушенное изделие подвергают первичному обжигу при температуре 1250…1280 градусов, после чего на его поверхность наносят глазурную массу и производят повторный обжиг при температуре 1050…1150 градусов для глазурования. Глазурование фаянса необходимо, так как он имеет пористый черепок (П=20…25%) и высокое водопоглащение.

       Фарфор – изделия тонкой керамики с плотным черепком – получают также из беложгущихся глин (около 50%) но с большим содержанием полевых шпатов (20…24%) и меньшим содержанием кварца (20…25%).

       Физико-механические свойства фарфора и фаянса:

       Керамические  санитарно-технические изделия отличаются декоративностью, универсальной химической стойкостью. Недостаток таких изделий  – хрупкость.

       Канализационные трубы – изготавливают из пластичных тугоплавких глин и покрывают глазурью снаружи и изнутри, что обеспечивает их полную водонепроницаемость, химическую стойкость и высокую пропускную способность. Такие трубы выдерживают гидростатическое давление более 0,2 МПа.

       Керамические  трубы имеют небольшую длину (800…1200 мм), большой диаметр (150…600 мм), соединяются с помощью раструбов, отформованных на одном конце каждой трубы.

       Дренажные трубы – изготавливают из кирпичных высокопластичных глин.  Гладкие неглазурованные, фильтрующие через свою толщу или глазурованные с раструбами и перфорацией на стенках. Используются для мелиоративных работ.

       Клинкерный (дорожный) кирпич изготавливают из тугоплавких глин обжигом до полного спекания. Он имеет меньшие размеры (220х110х65 мм), чем обычный кирпич, низкое водопоглащение (2…6%), высокую прочность при сжатии (40…100 МПа) и морозостойкость не менее F100. Такой кирпич используют для мощения дорог и тротуаров, устройства полов промышленных зданий, кладки канализационных коллекторов.

       Огнеупорные материалы получают по керамической технологии из различных сырьевых компонентов. Их разделяют на огнеупорные ( температура размягчения 1580…1770  град), высокоогнеупорные (1770…2000 град) и высшей огнеупорности ( более 2000 град). В зависимости от химико-минерального состава огнеупоры могут быть кремнеземистые, алюмосиликатные, магнезиальные, хромитовые, графитовые (углеродистые).

       Наибольшее  применение в строительстве имеют  кремнеземистые и алюмосиликатные  огнеупоры.

       Кремнеземистые  огнеупоры (основной компонент SiO2) по строению могут быть стеклообразные (кварцевое стекло – хорошо работает до 1000 градусов) и кристаллические (динасовые огнеупоры – 1600…1700 град). Их применяют для сводов стеклоплавильных и стекловаренных печей.

       Алюмосиликатные огнеупоры делят на три группы: полукислые, шамотные и высокоглиноземистые.

       Полукислые  огнеупоры изготавливают обжигом  кварцевых пород на глиняной связке (содержание  SiO2 более 65%,  Al2O3 менее 28%). Огнеупорность – 1580…1700 градусов.

       Шамотные  огнеупоры получают обжигом смеси  шамота и огнеупорной глины. Они  содержат 30…35%  Al2O3.  Отличаются термостойкостью и шлакоустойчивостью. Огнеупорность таких материалов до 1500 градусов. Применяются в стекловаренной и цементной промышленности.

       Высокоглиноземистые огнеупоры содержат более 45%  Al2O3, получают из бокситов. Их огнеупорность увеличивается с повышением содержания   Al2O3  и при 60% и более глинозема составляет 2000 градусов. Применяют для кладки доменных и стекловаренных печей.

       Для обеспечения высокотемпературной  тепловой изоляции выпускают легковесные  огнеупоры с плотностью 400…1300 кг/м3 и пористостью соответственно 85…45%. Использование легковесных огнеупоров существенно снижает расход топлива (в 2-3 раза) и продолжительность разогрева  печей (в 3-4 раза).

       Вопрос 3:   Опишите основные свойства строительного стекла.

       Ответ:  Стеклами называют переохлажденные жидкости, не успевшие при остывании перейти в кристаллическое состояние. Иными словами, стекла – это жидкости, имеющие бесконечно большую вязкость. Последнее и придает им многие свойства твердого тела. В отличие от истинно твердых тел стекла при нагревании не плавятся, а размягчаются, постепенно переходя в пластичное, а затем и в жидкое  состояние. При охлаждении процесс идет в обратной последовательности. Еще одна отличительная черта стекол – изотропность – одинаковость свойств во всех направлениях.

       Современное стекольное производство включает в  себя три этапа: подготовка сырья, стекловарение  и формование стеклоизделий. Химический состав обыкновенного оконного стекла по основным оксидам следующий: кремнезем (SiO2 – 71…72%), оксид натрия (Na2O – 15…16%), оксид кальция (CaO – 5…7%), оксид магния (MgO – 3…4%), глинозем (Al2O3 – 2…3%) и оксид железа (Fe2О3 – не более 0,1%). Эти компоненты вводятся в сырьевую шихту при подготовке сырья к стекловарению в виде следующих материалов: кремнезем в виде кварцевого песка, молотых кварцитов или песчаников; глинозем в виде полевых шпатов и каолина; оксид натрия в виде соды и сульфата натрия; оксид кальция и магния в виде мела, мрамора, известняка, доломита и магнезита; в специальные стекла вводят оксиды бора, свинца, бария и др.

       Для получения строительного стекла используют вытяжку, прокат, прессование. Основной вид строительного стекла – листовое.

       Силикатные  стекла отличаются необычным сочетанием свойств, высокой прочностью и ярко-выраженной хрупкостью, свето- и радиопрозрачностью, абсолютной водонепроницаемостью и универсальной химической стойкостью. Все это объясняется спецификой состава и строения стекла.

       Плотность стекла зависит от химического состава и для обычных строительных стекол составляет 2400…2600 кг/м3. Плотность оконного стекла – 2550 кг/м3. Пористость и водопоглащение стекла практически равны 0%.

       Стекло  в строительных конструкциях чаще подвергается изгибу, растяжению и удару и реже сжатию, поэтому главными показателями, определяющими его механические свойства,  следует считать прочность при растяжении и хрупкость. Теоретическая прочность стекла при растяжении – 10000…12000 МПа. Практически же эта величина ниже в 200…300 раз и составляет от 30 до 60 МПа. Сильно снижают прочность стекла на растяжение царапины – на этом основана резка стекла алмазом. Прочность стекла при сжатии высока – 900…1000 МПа, т.е. почти как у стали и чугуна. В диапазоне температур от -50 до +70 градусов прочность стекла практически не изменяется. При нагружении оно подчиняется закону Гука вплоть до хрупкого разрушения. Модуль упругости стекла Е = 70000…75000 МПа.

       Хрупкость – главный недостаток стекла. Основной показатель хрупкости – отношение модуля упругости к прочности при растяжении. У стекла оно составляет 1300…1500 (у стали – 400…600, у каучука – 0,4…0,6). Кроме того, однородность строения стекла способствует беспрепятственному развитию трещин, что является необходимым условием для проявления хрупкости.

       Твердость стекла, представляющего собой по химическому составу вещество, близкое к полевым шпатам, такая же, как у этих минералов, и в зависимости от химического состава находится в пределах 5…7 по шкале Мооса.

       Оптические  свойства стекла характеризуются светопропусканием (прозрачностью), светопреломлением, отражением, рассеиванием и др. Обычные силикатные стекла, кроме специальных,  пропускают всю видимую часть спектра (до 88…92%) и практически не пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Показатель преломления строительного стекла (коэф.преломления = 1,50…1,52) определяет силу отраженного света и светопропускание стекла при разных углах падения света. При изменении угла падения света с 0 до 75 градусов светопропускание стекла уменьшается с 90 до 50%.

       Теплопроводность различных видов стекла зависит от их состава и составляет 0,6…0,8 Вт/(м х К), что почти в 10 раз ниже, чем у аналогичных кристаллических минералов (у кристалла кварца – 7,2 Вт/(м х К) .

       Коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР) стекла относительно невелик. Но из-за низкой теплопроводности и высокого модуля упругости напряжения, развивающиеся в стекле при резком одностороннем нагреве или охлаждении могут достигать значений, приводящих к разрушению стекла. Это объясняет малую термостойкость обычного стекла. Она составляет 70…90 градусов.

         Звукоизолирующая способность стекла довольно высока. Стекло толщиной 1 см по звукоизоляции приблизительно  соответствует кирпичной стене в полкирпича – 12 см.

       Химическая  стойкость силикатного стекла – одно из самых уникальных его свойств. Стекло хорошо противостоит действию воды, щелочей и кислот (за исключением плавиковой и фосфорной). Объясняется это тем, что при действии воды и водных растворов из наружного слоя стекла вымываются ионы натрия и кальция и образуется химически стойкая пленка, обогащенная SiO2. Эта пленка защищает стекло от дальнейшего разрушения.

       Задача:

       Цилиндрический  образец горной породы диаметром 5 см и высотой  5 см, массой в сухом состоянии 245 г, после насыщения его водой имеет массу 250 г. Определить среднюю плотность, его водопоглащение весовое и объемное, если истинная плотность составляет 2,75 г/см3.

       Решение:

       Весовое водопоглащение:  Ввес =(250-245)/245 х 100 = 2,0408%

       Объемное  водопоглащение: Воб = р х Ввес, где р – плотность материала;

       Найдем  объем материала и его плотность: V = 3,14 х 5 х 5 х 5 = 98,125 см3,

       р =  245/98,125 = 2,496 г/см3,  Воб = 2,496 х 2,0408 = 5,093% 

Задание 2

       Вариант 1

       Вопрос 1:  В каком виде и для каких целей используют воздушную известь?

       Ответ:    Сырьем для получения извести служат широко распространенные осадочные горные породы:  известняки, мел, доломиты, состоящие преимущественно из карбоната кальция (СаСО3). Если куски таких пород прокалить на огне, то карбонат кальция перейдет в оксид кальция:

       СаСО3 = СаО + СО2 

       После прокаливания куски, теряя с углекислым газом 44% своей массы, становятся легкими  и пористыми. При смачивании водой  они бурно реагируя с ней, превращаясь в тонкий порошок, а при избытке воды в пластичное тесто. Этот процесс, сопровождающийся сильным выделением теплоты и разогревом воды вплоть до кипения, называют гашением извести. Образующееся при избытке взятой воды  пластичное тесто используют в качестве вяжущего. При испарении воды тесто загустевает и переходит в камневидное состояние. Недостаток извести – медленное твердение: процесс набора прочности твердеющей известью растягивается на годы и десятилетия. В реальные сроки строительства прочность затвердевшей извести, как правило, не превышает 0,5…2 МПа.

       По  содержанию оксидов кальция и  магния воздушная известь бывает:

       - кальциевая – MgO не более 5%;

       - магнезиальная – MgO 5…20%;

       - доломитовая – MgO 20…40%

       По  виду поставляемого на строительство продукта воздушную известь подразделяют на негашеную комовую (кипелку), негашеную порошкообразную (молотую кипелку) и гидратную (гашеную или пушенку).        

       Воздушная известь – единственное вяжущее, которое превращается в тонкий порошок  не только размолом, но и путем гашения  водой.

       Содержание  воды в известковом тесте не нормируется. Обычно в хорошо выдержанном тесте  соотношение воды и извести около 1:1.

       Известковое тесто, защищенное от высыхания, неограничен  долго сохраняет пластичность, т.е. у извести отсутствует процесс схватывания. Затвердевшее известковое тесто при увлажнении вновь переходит в пластичное состояние (известь – не водостойкий материал). Однако при длительном твердении (десятилетиями) известь приобретает высокую прочность и относительную влагостойкость. Это объясняется тем, что на воздухе известь реагирует с углекислым газом, образуя нерастворимый в воде и довольно прочный карбонат кальция, т.е. как бы обратно переходит в природный известняк:

       Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3 + Н2О

       Воздушную известь применяют для приготовления  кладочных и штукатурных растворов  как самостоятельное вяжущее, так и в смеси с цементом;  при производстве силикатного кирпича и силикатобетонных изделий; для получения смешанных вяжущих (известково-шлаковых, известково-зольных и др.) и для красок.

       Комовую известь транспортируют навалом  в закрытых вагонах и автомашинах, порошкообразную – в бумажных мешках, а так же в специальных  автоцистернах. В таких же цистернах  перевозят пушонку и известковое тесто.

       Вопрос 2:   Приведите химический и минералогический составы портландцементного клинкера, как это влияет на состав цемента?

       Ответ:  Портландцемент – это гидравлическое вяжущее, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера и небольшого количества гипса (1,5…3%). Клинкер получают обжигом до спекания сырьевой смеси, обеспечивающей в портландцементе преобладание силикатов кальция. К клинкеру для замедления схватывания цемента добавляют гипс. Для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости портландцемента допускается введение минеральных добавок. Основные операции при получении портландцемента: приготовление сырьевой смеси, обжиг ее до получения цементного клинкера и помол клинкера совместно с добавками.

       Соотношение компонентов сырьевой смеси выбирают с таким расчетом, чтобы полученный при обжиге клинкер имел следующий химический состав (%): СаО – 62…68, SiO2 – 18…26, Al2O3 – 4…9, Fe2O3 – 2…6. В природе есть горная порода, обеспечивающая получение клинкера такого состава, - мергель, который представляет собой тесную смесь известняка с глиной. Но чаще используют известняк и глину (добываемые отдельно) в соотношении 3 : 1 (по массе). Кроме основных компонентов в сырьевую смесь вводят корректирующие добавки и промышленные отходы, обеспечивающие требуемый состав клинкера.

       Максимальная  температура обжига сырьевых компонентов  – 1450 градусов. При таких температурах оксид кальция, образовавшийся в  результате разложения известняка, взаимодействует  с кислотными оксидами, образующимися  при разложении глины. Продукты взаимодействия, частично плавясь и спекаясь друг с другом, образуют так называемый портландцементный клинкер – плотные твердые куски серого цвета. В минеральный состав портландцементного клинкера входят четыре основных минерала и небольшое количество стеклообразного вещества:

       * - в скобках сокращенное обозначение  клинкерных минералов.

       Ка видно из таблицы, портландцементный клинкер в основном (на 60…80%) состоит из силикатов кальция, из-за чего портландцемент называют силикатным цементом. Свойства портландцемента зависят от его минерального состава и тонкости помола клинкера. Добавка гипса, вводимая при помоле клинкера, изменяет характер начального периода твердения и замедляет схватывания цемента на несколько часов.

       При взаимодействии с влагой воздуха  активность портландцемента падает, поэтому его при хранении и транспортировке предохраняют от действия влаги.

       Вопрос 3:  Что представляют собой железобетонные конструкции? Чем сборный железобетон отличается от монолитного?

       Ответ:   Железобетон – это строительный материал, в котором сталь и бетон работают совместно. Заложенная в бетон стальная арматура, при твердении бетона, плотно охватывается им уменьшаясь в объеме. Конструкция изготовленная таким способом дополняет прочность бетона при нагрузках на растяжение и изгиб. Используются такие конструкции практически при любом жилищном и промышленном строительстве различного назначения – укладка  фундаментов, возведение стен, перекрытий, перегородок, лестниц , колонн и балок,  инженерных сооружений.

       Железобетонная  конструкция представляет собой  армированный каркас, изготовленный  из арматуры путем сварки  или  связки проволокой, уложенный в определенную форму в зависимости от назначения и залитый бетоном определенной марки, в зависимости от назначения конструкции.

       Принципиальное  отличие между монолитными и  сборными железобетонными конструкциями  заключается в том, что монолитные конструкции изготавливают непосредственно  на строительной площадке, устанавливая опалубку, изготавливая армированный каркас и заливая бетоном, а сборные конструкции изготавливают в производственных цехах, затем вывозят на объект строительства и монтируют их в здание-сооружение.

       Вопрос 4:  Как назначается и как определяется подвижность растворной смеси?

       Ответ:     Подвижность растворной смеси оценивают по глубине погружения в нее эталонного конуса массой 300 г, высотой 150 мм и углом при вершине конуса 30 градусов, изготовленного из жести, наполненного свинцом. На конусе нанесены деления для определения величины подвижности раствора, и с цепочкой (или шнуром), прикрепленной к центру основания. Растворную смесь , подвижность которой надо определить, помещают в небольшую емкость (ведро) и погружают в нее конус. Насколько он погрузился будет соответствовать делениям на конусе.

       В зависимости от назначения применяют  растворы различной подвижности. Один из способов повышения подвижности растворной смеси – увеличение содержания в ней воды, но при этом, чтобы сохранить прочность раствора и водоудерживающую способность смеси, увеличивают расход вяжущего. Более рациональный способ повышения подвижности – введение в раствор пластифицирующих добавок.

       Подбор  состава раствора выполняют исходя из требуемых марок, подвижности, назначения раствора и условий производства работ.

       Вопрос 5:   Что такое газосиликат и газобетон и где их применяют? 

       Ответ:   Газобетон и газосиликат относятся к ячеистым бетонам, вяжущим в которых может служит портландцемент (или известь) с кремнеземистым компонентом. Получают их путем вспучивания теста вяжущего газом, выделяющимся при химической реакции между веществом-газообразователем и вяжущим. Газобетоны и газосиликаты отличаются по методу вспучивания от пенобетонов и пеносиликатов. Чаще всего газообразователем служит алюминиевая пудра, которая, реагируя с гидратом оксида кальция, выделяет водород

       3Са(ОН)2 + 2Al + 6Н2О = 3СаО х Al2О3 х 6Н2О + Н2   

       Согласно  уравнению химической реакции, 1 кг алюминиевой пудры выделит до 1,25 м3 водорода, т.е. для получения 1 м3 газобетона требуется 0,5…0,7 кг пудры.

       Свойства  таких бетонов определяются их пористостью, видом вяжущего и условиями твердения, они обладают хорошими звукоизоляционными свойствами, они огнестойки и легко  поддаются механической обработке (пилятся и сверлятся).

       Наиболее  рациональная область применения –  ограждающие конструкции(стены) жилых и промышленных зданий: несущие – для малоэтажных зданий и ненесущие – для многоэтажных зданий, имеющие несущий каркас.

       Задача 1: Определить количество гипса и воды для получения 10 кг гипсового теста нормальной густоты, составляющей 60%

       Решение:  Пусть масса гипса равна Х, тогда масса воды равна 0,6Х; теста 10 кг, тогда Х + 0,6Х = 10;  Х = 10/1,6 = 6,25 кг (гипса),  воды: 10 – 6,25 = 3,75 кг.

       Задача 2:   Рассчитать полевой состав тяжелого бетона проектной марки М 300, обеспечив подвижность бетонной смеси 3-5 см. Применяются следующие материалы: цемент М 400 с истинной плотностью  3100 кг/м3; песок средней крупности с истинной плотностью 2600 кг/м3; насыпной плотностью 1400 кг/м3, влажностью 5; гранитный щебень фракции 5 – 20 с         с истинной плотностью 260 кг/м3, насыпнй плотностью 140 кг/м3, влажностью 3%.