1. Властивості дорожньо-будівельних матеріалів
Дорожньо-будівельні матеріали в період експлуатації в споруді (дорожній одяг, мости та ін) піддаються впливу зовнішніх механічних сил і фізико-хімічних факторів навколишнього середовища. До зовнішніх механічних впливів відносять ударні і статичні навантаження від транспортних засобів, маси елементів конструкцій, механічної роботи, води, льоду, вітру.
Механічні властивості - здатність матеріалу чинити опір деформуванню і руйнуванню під дією напружень, що виникають в результаті прикладення зовнішніх сил (міцність, пружність, в'язкість, пластичність, крихкість, релаксація, повзучість, твердість матеріалів тощо)
Міцність - найважливіша властивість матеріалу, в більшості випадків визначає можливість його використання в будівельній конструкції. Міцність матеріалу залежить від розміру і форми зразка, швидкості його навантаження та інших чинників. Тому методика визначення міцності будівельних матеріалів чітко регламентується нормативно-технічними документами. В даний час прийнято міцність матеріалів вимірювати мегапаскалях (МПа).
Найбільш міцними матеріалами є метали, наприклад сталь (міцність при стисканні і розтягуванні 150 ... 500 МПа), міцність гранітів при стисненні 120. . . 150 МПа, при розтягуванні 10 МПа, міцність бетонів при стисненні змінюється від 1 до 100 МПа, а при розтягуванні їх міцність у 10 ... 15 разів менше. Міцність асфальтобетонів при стисканні 5 ... 7 МПа (температура при випробуванні 20 ... 25 ° С).
Поряд зі статичної міцністю (межі міцності при стисненні, розтягненні, вигині і ін) у необхідних випадках визначають динамічну міцність
Рис. 1.1. Вплив напружень на відносні деформації матеріалів: 1 - сталь; 2 - бетон (при одноразовому динамічному навантаженні) і втомну (при повторних навантаженнях).
Пружність - властивість матеріалів оборотно поглинати енергію, передану зовнішніми впливами, що виражається у відновленні первісної форми і об'єму зразка після припинення дії зовнішніх сил, під впливом яких форма матеріалу в тій чи іншій мірі змінилася.
В'язкість - властивість матеріалу під дією зовнішніх сил необоротно поглинати механічну енергію при пластичній деформації. В'язкість рідких матеріалів характеризує здатність чинити опір переміщенню одного шару матеріалу щодо іншого. Абсолютно пружних і абсолютно в'язких матеріалів немає, реальні матеріали володіють в тій чи іншій мірі пружністю і в'язкістю.
Пластичність - здатність матеріалу незворотньо деформуватися під впливом діючих на нього зусиль без розриву суцільності (утворення тріщин).
Крихкість - властивість матеріалу під впливом зовнішніх сил руйнуватися, не даючи залишкових пластичних деформацій. Крихкість протилежна пластичності. Крихкість і пластичність матеріалів змінюються від температури та режиму навантаження. Наприклад, бітуми тендітні при зниженій температурі й швидко наростаючою навантаженні і пластичні при повільно діючої навантаженні і підвищеній температурі. Глини тендітні в сухому стані і пластичні у вологому. Тендітні матеріали погано чинять опір розтягуванню, динамічним і повторним навантаженням.
Повзучість - здатність матеріалу тривало деформуватися під дією постійного навантаження. Повзучість матеріалів зростає зменшенням їх в'язкості, тому більшою повзучістю володіють в'язкі, пластичні матеріали (наприклад, асфальтобетон) і меншою - тендітні пружні матеріали (наприклад, цементобетон). Повзучість враховують, якщо її деформації впливають на міцність або експлуатаційні властивості матеріалів та споруд.
У ряді випадків (наприклад, у розрахунках і технології виготовлення попередньо напружених бетонних конструкцій) враховують релаксацію напруг - здатність до їх зменшення в деформованому на задану величину матеріалі. Швидкість релаксації напружень так само, як і швидкість повзучості, зростає зі зменшенням в'язкості матеріалу,
Твердість - здатність матеріалу чинити опір проникненню в нього більш твердого матеріалу, від твердості залежить, зокрема, стираність поверхневих шарів дорожніх покриттів. Для металів твердість визначають методом вдавлювання кульки (метод Брінелля), величиною відскоку падаючого вантажу (метод Шора). Твердість кам'яних матеріалів можна визначити за шкалою Мооса, в якій мінерали розташовані в порядку зростання твердості: 1-тальк, 2 - гіпс, 3-кальцит, 4 - флюорит, 5 - апатит, 6 - ортоклаз, 7 - кварц, 8-топаз, 9 - корунд, 10 - алмаз.
Коефіцієнт конструктивної якості (питома міцність) матеріалу представляє собою відношення міцності до середньої щільності. Кращі конструктивні матеріали мають високу міцність при малій середньої щільності, що сприяє створенню легких конструкцій. У сплавів з алюмінію коефіцієнт конструктивної якості перевищує 250, склопластиків більше 200, високоміцних сталей 100. . . 150, звичайних сталей - більше 50, бетонів - 15 ... 25, цегли - 5 ... 6. Важливим завданням сучасної технології матеріалів є підвищення питомої міцності будівельних матеріалів.
Витривалість - здатність чинити опір багаторазово додається механічних впливів, які прискорюють руйнування будівельних матеріалів, внаслідок чого знижується їх довговічність. Витривалість вимірюється кількістю навантажень, які витримав матеріал до руйнування.
Знос - властивість матеріалу чинити опір одночасному впливу стирання і ударів.
2.Способи формування керамічних виробів
Формування виробів в залежності від їх виду і типу сировини здійснюється трьома способами: пластичним, напівсухим (сухим) та шлікерної. Найбільшого поширення набули пластичний і напівсухий способи формування.
Пластичним способом формують більшість виробів стіновий кераміки (цегла звичайна, пустотілий, литий, керамічні камені), черепицю, каналізаційні труби, клінкерна цегла інші вироби щодо складної форми, можливо з внутрішніми порожнечами. Формування здійснюється з пластичних глиняних мас вологістю 18. . 24% переважно на стрічкових; шнекових безвакуумна і вакуумних пресах. Приготовлена пластична маса містить до 10% повітря, що знижує щільність, міцність і формувальні властивості маси. Вакуумирование (розрідження 90 ... 98 кПа) дозволяє отримати пластичну масу більш високої якості. З гліносмесітеля маса продавлюється через перфоровану грати у вакуум-камеру, попередньо розрізана ножами і падає на формующий шнек преса. За допомогою шнека маса ущільнюється і переміщається в головку преса і мундштук, де набуває необхідну форму і виходить у вигляді суцільного бруса. Для формування рядового глиняної цегли (повнотілої) мундштук має плавно звужується до виходу прямокутний отвір. Для формування порожнистих виробів використовують мундштуки з кернами, завдяки яким в глиняному брусі утворюються порожнечі. Вихідний отвір мундштука має розміри трохи більші, ніж розміри готового виробу, враховуючи повітряну і вогневу усадку сирцю. Продуктивність стрічкових пресів досягає 10 тис. шт. цегли-сирцю на годину. Виходить з мундштука стрічкового преса глиняний брус розрізається автоматами на окремі цеглини.
При напівсухому і сухому способах формування використовують прес-порошки вологістю відповідно 8 ... 12 і 2. . . 8%. Ці способи дозволяють застосовувати глини зниженою пластичності. Напівсухим способом формують в основному вироби, що мають просту геометричну форму і невелику товщину (цегла, клінкерна цегла, фасадні плитки, плитки для підлоги, облицювальні плитки для внутрішніх приміщень та ін.) Формують керамічні будівельні вироби з прес-порошків на механічних (колінно-важільних, ротаційних, фрикційних) і гідравлічних пресах. Найбільшого поширення набули колінно-важільні преси продуктивністю від 2 ... 10 тис. шт. цегли на годину.
Гідростатичний спосіб пресування виробів з напівсухих порошкоподібних мас в даний час впроваджується на виробництві. Він заснований на передачі тиску рідиною через гнучку прес-форму (наприклад, гумову) і дозволяє формувати вироби більш складної форми.
Метод напівсухого пресування забезпечує правильну форму, точність розмірів, при його використанні значно спрощується або взагалі не потрібно сушка. Проте цим способом не можна відформувати вироби складної форми, з порожнечами.
Температура випалу повинна бути на 50 ... 80 "З вище, ніж для виробів пластичного формування.
Формування виробів способом лиття (шлікерної спосіб) менш поширене в технології будівельної кераміки і використовується в основному при виробництві санітарно-будівельних виробів (умивальники, мийки, унітази). Спосіб менш продуктивний, ніж пластичний або напівсухий, але дозволяє виготовляти виробів будь-якої складної конфігурації.
Використання механізованого обладнання (ливарно-подвялочних конвеєрів та ін) дозволяє значно підвищити продуктивність литтєвого способу формування.
3. Природні кам'яні матеріали
Природними кам'яними матеріалами називають матеріали, отримані з гірських порід шляхом механічної обробки без зміни їх основних властивостей (дробленням, розсіванням, розколюванням, розпилюванням, Теско та ін.)
За призначенням природні кам'яні матеріали ділять на вироби для дорожнього будівництва, мостів, підземних та гідротехнічних споруд, архітектурно-будівельні вироби та облицювальні плити. Крім того, гірські породи широко використовуються як сировинні матеріали для виготовлення багатьох будівельних матеріалів: кераміки, скла, цементу, вапна, гіпсу та ін У процесі виробництва цих матеріалів склад, будова та властивості вихідних гірських порід змінюються. Таким чином, гірські породи є головною мінерально-сировинною базою дорожньо-будівельних матеріалів.
Гірськими породами називають природні агрегати мінералів більш-менш постійного складу.
Мінерали - це однорідні за хімічним складом та фізичними властивостями природні тіла. Гірські породи, що складаються з одного мінералу, називають мономінеральних (наприклад, мармур), з декількох - полімінеральним (наприклад, граніт).
Структура (будова) гірської породи. Структура породи визначається розміром і формою кристалів (або зерен), їх поєднанням і розміщенням між собою. Структура відбиває умови утворення гірської породи. Розрізняють такі види структур: кристалічну, пегматитових, порфірова, скловату, зернисту. Породи однакового мінерального складу можуть мати різну структуру, а отже, різні властивості. Так, граніт, і кварцовий порфір володіють однаковим мінеральним складом, але різною структурою. Однорідна дрібнозерниста структура (розмір зерен дрібніше 3 мм) служить ознакою більш високої міцності та стійкості гірської породи проти вивітрювання, хорошою оброблюваністю в порівнянні з грубозернистими (розмір зерен 5 ... 10 мм) і грубозернистих (розмір зерен більше ГО мм) різновидами гірських порід . Склувата структура не має явних кристалічних утворень. Породи зі скритокрісталліческіе структурою відрізняються великою міцністю і погодостійкістю. Добре виражена макропорфіровая структура надає породі красивий малюнок; породи з порфіровою і порфіровідной структурами в порівнянні з рівномірно кристалічними різновидами щодо менш стійкі проти вивітрювання.
Текстура (додавання) гірської породи. Текстура характеризує відносне розташування і розподіл породоутворюючих мінералів, пор та мікротріщин в породі. Текстура може бути щільна, полосчата, сланцеватая, пориста, комірчаста. Породи з щільною текстурою більш міцні, стійкі, теплопровідні, вони краще поліруються, ніж пористі різновиди. Зі збільшенням пористості (ніздрюватого) знижується міцність і стійкість гірської породи проти вивітрювання. Сланцеватие породи анізотропні, вони порівняно менш погодостійкістю, а при ударах розколюються у напрямку сланцеватості.
У процесі формування гірських порід у результаті нерівномірного охолодження масиви пронизуються тріщинами, які в процесі вивітрювання збільшуються. У результаті масиви розбиваються на окремо певної величини і форми. Розрізняють пластові, або плітняковие, кубовидний, стовпчасті, кульові окремо. Тріщинуватість масивів полегшує видобуток та обробку порід, але в той же час обмежує можливість їх застосування.
4. Низьковипалювальних будівельний гіпс
Сировина, властивості, застосування. Гіпсовими в'яжучими речовинами називають матеріали, що складаються з напівводного гіпсу або ангідриту і одержувані зазвичай теплової обробкою природного двуводного гіпсу і помелом продукту випалу. Гіпсові в'яжучі речовини залежно від температури теплової обробки гіпсової сировини поділяють на дві групи: низьковипалювальних (власне гіпсові) і високообжіговие (ангідридні).
Низьковипалювальних гіпсові в'яжучі є швидкотверднучі та отримують їх при нагріванні природного гіпсу (Са80 4 х 0,5 Н 2 0) до температури 11О ... 180 ° С, при цьому відбувається часткова дегідратація вихідної сировини з утворенням напівводного гіпсу (Са8О чотири -0,5 Н 2 О).
До низьковипалювальних гіпсовим в'яжучим відносяться будівельний, формувальний і високоміцний гіпс.
Будівельним гіпсом називають повітряне в'язке речовина, що складається з напівводного гіпсу (Са80 4 • 0,5 Н 2 0) -Модифікації, що отримується шляхом теплової обробки природного гіпсового каменю при температурі 110. . . 180 ° С і нормальному тиску з подальшим чи попереднім цій обробці подрібненням в тонкий порошок. У цих умовах кристалізаційна вода виділяється з двуводного гіпсу в основному у вигляді пари, що супроводжується утворенням переважно
-Напівгідрату у вигляді дрібних кристалів. Такий гіпс має підвищену водопотребою (60 ... 65% води), а отже, і меншою міцністю. Двогідрату переходить в полугидрат за схемою Са80 4 2Н 2 0 = Са8О 4 0,5 Н 2 0 + + 1,5 Н 2 0 (з поглинанням тепла). Виробництво будівельного гіпсу з щільною гіпсової породи складається з трьох головних операцій: дроблення гіпсового каменю, помелу і випалення. За основними способами виробництва будівельний гіпс можна розділити на наступні групи, що характеризуються:
попередньої сушінням і подрібненням сировини в порошок з наступною дегідратацією гіпсу - випалення в гіпсоварочних котлах.
суміщенням операцій сушіння, помелу і випалення двуводного гіпсу;
випаленням гіпсу у вигляді шматків різних розмірів (в шахтних, обертових, камерних та інших печах) і подрібненням напівгідрату в порошок після випалу.
При змішуванні з водою будівельний гіпс перетворюється на гіпсове тісто, яке на повітрі дуже швидко твердне, розширюючись і нагріваючись при цьому. Швидкість схоплювання гіпсу будівельного - протягом кількох хвилин, і розширення при твердінні роблять будівельний гіпс незамінним матеріалом для виготовлення в формах як архітектурних деталей (розетки, ліпні прикраси, карнизи), так і всіляких моделей.
Технологічні процеси виробництва гіпсу з випалюванням його в обертових печах легко переводяться на автоматичне управління, при цьому зменшується витрата енергії. Гіпс з обертових печей відрізняється зниженою водопотребою при отриманні тіста нормальної густоти (48 ... 55%) в порівнянні з гіпсом з варильних котлів (60... 65%). Будівельний гіпс зберігають звичайно в круглих силосах.
Будівельний гіпс є бистросхвивающімся і швидкотверднучих в'яжучим матеріалом. Швидкість схоплювання вимірюється хвилинами відповідно до ГОСТ 125 - 79. Будівельний гіпс застосовують для виробництва гіпсової сухої штукатурки, перегородкових плит та панелей, елементів заповнення міжповерхових і горищних перекриттів будівель, вентиляційних коробів та інших виробів і деталей, що використовуються в конструкціях будівель і споруд при відносній вологості повітря не більше 65%. Гіпсові вироби мають невисокою щільністю, негорючістю і рядом інших цінних властивостей.
Великі обсяги гіпсу використовуються для виготовлення штукатурних і кладок розчинів. Особливо перспективним є використання сухої гіпсової штукатурки. ГЦПВ внаслідок його підвищеної водостійкості застосовують для виготовлення санітарно-технічних кабін, ванних кімнат, вентиляційних каналів. При використанні гіпсу будівельного для виготовлення розчинів, до нього додають спеціальні сповільнювачі схоплювання, тому що в противному випадку розчин схопиться і затвердіє раніше, ніж його застосують. Недоліком гіпсу будівельного є втрата міцності при насиченні водою.
5. Опишіть докладно процеси, що відбуваються при випалюванні сировинної суміші, для одержання портландцементного клінкеру
Процеси, що відбуваються при випалюванні в обертових печах. Випал сировинної суміші та одержання клінкера супроводжується складними фізичними і фізико-хімічними процесами .. Шлам, потрапляючи в піч, піддається впливу димових газів, в результаті чого відбувається випаровування вільної води. Підсушений матеріал загусає, утворюючи великі грудки, які потім розпадаються більш дрібні гранули (зона сушки). При подальшому рухів по довжині печі матеріал потрапляє в зону підігріву з температурою від 200 до 700 ° С, де вигорають органічні домішки і починається дегідратація каолініту 2 SiO 2 Х А L 2 О 3 - n Н 2 0 і інших глинистих мінералів з утворенням каолінітові: ангідриту А L 2 О 3 -2 SiO 2 (600... 700 ° С). Обидві ці зони займають до 50 ... 55% довжини печі.
У третій зоні (кальцинування) при інтервалі температур 700 ... 1100 ° відбуваються дисоціація карбонатів СаСОз і М g СО 3 і розкладання глинистого компонента на оксиди SiO 2, А L 2 0 3, F е 2 0 3. Вже при температурах 750. . . 800 ° С починаються реакції у твердому стані між складовими матеріалами, інтенсивність яких зростає з підвищенням температури до 1000. . .1100 ° с1 (кінець зони кальцинування).
У зоні кальцинування утворюються такі мінерали: = 2СаО-SiO 2, CaO-А L 2 Про е. і 2СаО-F е 2 О 3. З підвищенням температури від 1100 до 1300 ° С інтенсивність освіти силікатів, алюмінатів та феритів кальцію зростає, що супроводжується значним виділенням тепла. Короткий ділянку печі, де температура матеріалу підвищується на 150 ... 200 ° С, отримав назву екзотермічної зони. У зоні екзотермічних реакцій зростає швидкість утворення 2СаО-SiO 2, а також формуються ЗСАТ-А L 2 O 3 та 4СаО-А L 2 0 3 - F е 2 Оз. У матеріалі, крім цих мінералів, міститься певна кількість вільного оксиду кальцію.
У зоні спікання (1300... 1450 ° С) відбувається часткове плавлення сировинної суміші, утворюється розплав (рідка фаза) в кількості 20 ... 30% обсягу обпалюваний суміші. У присутності рідкої фази створюються сприятливі умови для утворення основного мінералу портландцементу трьохкальцієвого силікату ЗСАТ-SiO 2 з 2СаО-SiO 2 і СаО. Це з'єднання (З 3 S) мало розчинні у розплаві, тому виділяється з нього у вигляді дрібних кристалів, в подальшому збільшуються в розмірах. Виділення з розплаву Сз S супроводжується зниженням у ньому концентрації С 2 S і СаО, що призводить до переходу в розплав нових порцій цих речовин, що залишилися в твердому стані в загальній масі матеріалу. Це обумовлює подальший хід процесу освіти у розплаві і виділення з нього Сз S до майже повного зв'язування СаО з З 2 5.
Після зони спікання обпалюваний матеріал переходить в зону охолодження, де температура знижується від 1300 до 1000 ° С.
По виході з печі клінкер, що складається з міцних кам'яноподібний окатанних гранул ("горошку") зеленувато-сірого кольору, швидко охолоджується повітрям з температури 1000 до 100 .. . 200 ° С у холодильниках (барабанних, рекуператорні, колосникових). Швидке охолодження запобігає утворенню великих кристалів із збереженням у клінкері деякої частки (5... 15%) склоподібної фази. Це забезпечує підвищення активності та сульфатостійкості цементу. Клінкер витримується на складі 1 ... 2 тижні з метою гасіння частини залишилася вільного вапна та її карбонізації при контакті з повітрям. Утворюється в результаті випалу сировинної суміші клінкер містить наступні мінерали: Аліт ЗСАТ-SiO 2 (скорочено З 3 S) 37 ... 60%; білить 2СаО-SiO 2 (скорочено З 2 S) 15. . .37%; Алюмінат 2СаО-А L 2 0 3 (скорочено С 3 А) 5 ... 15%; алюмоферріт 4СаО-А L 2 Оз-F е 2 Оз (скорочено З 4 А F) 10 ... 18%. У клінкері може міститися в невеликій кількості М g О (не більше 5%) і СаО (менше 1%). Якість цементного клінкеру характеризують не тільки хімічним і мінеральним складом, але і чисельними значенням модулів, що виражають співвідношення між кількостями найголовніших оксидів, взятими у відсотках.