Дорожно-строительные материалы

1. Свойства дорожно-строительных материалов

Дорожно-строительные материалы в период эксплуатации в сооружении (дорожная одежда, мосты и др.) подвергаются воздействию внешних механических сил и физико-химических факторов окружающей среды. К внешним механическим воздействиям относят ударные и статические нагрузки от транспортных средств, массы элементов конструкций, механической работы, воды, льда, ветра.

Механические свойства — способность материала сопротивляться деформированию и разрушению под действием напряжений, возникающих в результате приложения внешних сил (прочность, упругость, вязкость, пластичность, хрупкость, релаксация, ползучесть, твердость материалов и др.)

Прочность — важнейшее свойство материала, в большинстве случаев определяет возможность его использования в строительной конструкции. Прочность материала зависит от размера и формы образца, скорости его нагружения и других факторов. Поэтому методика определения прочности строительных материалов строго регламентируется нормативно-техническими документами. В настоящее время принято прочность материалов измерять мегапаскалями (МПа).

Наиболее прочными материалами являются металлы, например сталь (прочность при сжатии и растяжении 150... 500 МПа) , прочность гранитов при сжатии 120 . . . 150 МПа, при растяжении 10 МПа, прочность бетонов при сжатии изменяется от 1 до 100 МПа, а при растяжении их прочность в 10 ... 15 раз меньше. Прочность асфальтобетонов при сжатии 5 ... 7 МПа (температура при испытании 20 ... 25° С).

Наряду со статической прочностью (пределы прочности при сжатии, растяжении, изгибе и др.) в необходимых случаях определяют динамическую прочность

Рис. 1.1. Влияние напряжений на относительные деформации материалов: 1 — сталь; 2 — бетон (при однократной динамической нагрузке) и усталостную (при повторных нагрузках).

Упругость — свойство материалов обратимо поглощать энергию, передаваемую внешними воздействиями, что выражается в восстановлении первоначальной формы и объема образца после прекращения действия внешних сил, под влиянием которых форма материала в той или иной мере изменилась.

Вязкость — свойство материала под действием внешних сил необратимо поглощать механическую энергию при пластической деформации. Вязкость жидких материалов характеризует способность сопротивляться перемещению одного слоя материала относительно другого. Абсолютно упругих и абсолютно вязких материалов нет, реальные материалы обладают в той или иной степени упругостью и вязкостью.

Пластичность - способность материала необратимо деформироваться под влиянием действующих на него усилий без разрыва сплошности (образования трещин).

Хрупкость — свойство материала под влиянием внешних сил разрушаться, не давая остаточных пластических деформаций. Хрупкость противоположна пластичности. Хрупкость и пластичность материалов изменяются от температуры и режима нагружения. Например, битумы хрупки при пониженной температуре и быстро нарастающей нагрузке и пластичны при медленно действующей нагрузке и повышенной температуре. Глины хрупкие в сухом состоянии и пластичны во влажном. Хрупкие материалы плохо сопротивляются растяжению, динамическим и повторным нагрузкам.

Ползучесть — способность материала длительно деформироваться под действием постоянной нагрузки. Ползучесть материалов возрастает уменьшением их вязкости, поэтому большей ползучестью обладают вязкие, пластичные материалы (например, асфальтобетон) и меньшей — хрупкие упругие материалы (например, цементобетон). Ползучесть учитывают, если ее деформации влияют на прочность или эксплуатационные свойства материалов и сооружений.

В ряде случаев (например, в расчетах и технологии изготовления предварительно напряженных бетонных конструкций) учитывают релаксацию напряжений - способность к их уменьшению в деформированном на заданную величину материале. Скорость релаксации напряжений так же, как и скорость ползучести, возрастает с уменьшением вязкости материала,

Твердость — способность материала сопротивляться проникновению в него более твердого материала, от твердости зависит, в частности, истираемость поверхностных слоев дорожных покрытий. Для металлов твердость определяют методом вдавливания шарика (метод Бринелля), величиной отскока падающего груза (метод Шора). Твердость каменных материалов можно определить по шкале Мооса, в которой минералы расположены в порядке возрастающей твердости: 1 -тальк, 2 - гипс, 3 -кальцит, 4 - флюорит, 5 — апатит, 6 - ортоклаз, 7 — кварц, 8 -топаз, 9 - корунд, 10 - алмаз.

Коэффициент конструктивного качества (удельная прочность) материала представляет собой отношение прочности к средней плотности. Лучшие конструктивные материалы имеют высокую прочность при малой средней плотности, что способствует созданию легких конструкций. У сплавов из алюминия коэффициент конструктивного качества превышает 250, стеклопластиков больше 200, высокопрочных сталей 100 . . . 150, обычных сталей - больше 50, бетонов - 15 ... 25, кирпича - 5 ... 6. Важной задачей современной технологии материалов является повышение удельной прочности строительных материалов.

Выносливость- способность сопротивляться многократно прилагаемым механическим воздействиям, которые ускоряют разрушение строительных материалов, вследствие чего снижается их долговечность. Выносливость измеряется количеством нагружений, которые выдержал материал до разрушения.

Износ- свойство материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов.

2.Способы формования керамических изделий

Формование изделий в зависимости от их вида и типа сырья осуществляется тремя способами: пластическим, полусухим (сухим) и шликерным. Наибольшее распространение получили пластический и полусухой способы формования.

Пластическим способом формуют большинство изделий стеновой керамики (кирпич обыкновенный, пустотелый, литой, керамические камни), черепицу, канализационные трубы, клинкерный кирпич другие изделия относительно сложной формы, возможно с внутренними пустотами. Формование осуществляется из пластичных глиняных масс влажностью 18 . . 24 % преимущественно на ленточных; шнековых безвакуумных и вакуумных прессах. Приготовленная пластичная масса содержит до 10 % воздуха, что снижает плотность, прочность и формовочные свойства массы. Вакуумирование (разрежение 90 ... 98 кПа) позволяет получить пластичную массу более высокого качества. Из глиносмесителя масса продавливается через перфорированную решетку в вакуум-камеру, предварительно разрезанная ножами и падает на формующий шнек пресса. С помощью шнека масса уплотняется и перемещается в головку пресса и мундштук, где приобретает требуемую форму и выходит в виде сплошного бруса. Для формования рядового глиняного кирпича (полнотелого) мундштук имеет плавно сужающееся к выходу прямоугольное отверстие. Для формования пустотелых изделий используют мундштуки с кернами, благодаря которым в глиняном брусе образуются пустоты. Выходное отверстие мундштука имеет размеры несколько большие, чем размеры готового изделия, учитывая воздушную и огневую усадку сырца. Производительность ленточных прессов достигает 10 тыс. шт. кирпича-сырца в час. Выходящий из мундштука ленточного пресса глиняный брус разрезается автоматами на отдельные кирпичи.

При полусухом и сухом способах формования используют пресс-порошки влажностью соответственно 8 ... 12 и 2 . . . 8 %. Эти способы позволяют применять глины пониженной пластичности. Полусухим способом формуют в основном изделия, имеющие простую геометрическую форму и небольшую толщину (кирпич, клинкерный кирпич, фасадные плитки, плитки для полов, облицовочные плитки для внутренних помещений и др.). Формуют керамические строительные изделия из пресс-порошков на механических (коленно-рычажных, ротационных, фрикционных) и гидравлических прессах. Наибольшее распространение получили коленно-рычажные прессы производительностью от 2 ... 10 тыс. шт. кирпича в час.

Гидростатический способ прессования изделий из полусухих порошкообразных масс в настоящее время внедряется на производстве. Он основан на передаче давления жидкостью через гибкую пресс-форму (например, резиновую) и позволяет формовать изделия более сложной формы.

Метод полусухого прессования обеспечивает правильную форму, точность размеров, при его использовании значительно упрощается или вообще не требуется сушка. Однако этим способом нельзя отформовать изделия сложной формы, с пустотами.

Температура обжига должна быть на 50 ... 80"С выше, чем для изделий пластического формования.

Формование изделий способом литья (шликерный способ) менее распространено в технологии строительной керамики и используется в основном при производстве санитарно-строительных изделий (умывальники, мойки, унитазы). Способ менее производителен, чем пластический или полусухой, но позволяет изготавливать изделий любой сложной конфигурации.

Использование механизированного оборудования (литейно-подвялочных конвейеров и др.) позволяет значительно повысить производительность литьевого способа формования.

3. Природные каменные материалы

Природными каменными материалами называют материалы, полученные из горных пород путем механической обработки без изменения их основных свойств (дроблением, рассевом, раскалыванием, распиловкой, теской и др.).

По назначению природные каменные материалы делят на изделия для дорожного строительства, мостов, подземных и гидротехнических сооружений, архитектурно-строительные изделия и облицовочные плиты. Кроме того, горные породы широко используются как сырьевые материалы для изготовления многих строительных материалов: керамики, стекла, цемента, извести, гипса и др. В процессе производства этих материалов состав, строение и свойства исходных горных пород изменяются. Таким образом, горные породы являются главной минерально-сырьевой базой дорожно-строительных материалов.

Горными породами называют природные агрегаты минералов более или менее постоянного состава.

Минералы - это однородные по химическому составу и физическим свойствам природные тела. Горные породы, состоящие из одного минерала, называют мономинеральными (например, мрамор), из нескольких - полиминеральными (например, гранит).

Структура (строение) горной породы. Структура породы определяется размером и формой кристаллов (или зерен), их сочетанием и размещением между собой. Структура отражает условия образования горной породы. Различают такие виды структур: кристаллическую, пегматитовую, порфировую, стекловатую, зернистую. Породы одинакового минерального состава могут иметь разную структуру, а следовательно, различные свойства. Так, гранит, и кварцевый порфир обладают одинаковым минеральным составом, но разной структурой. Однородная мелкозернистая структура (размер зерен мельче 3 мм) служит признаком более высокой прочности и стойкости горной породы против выветривания, хорошей обрабатываемостью по сравнению с крупнозернистыми (размер зерен 5 ... 10 мм) и грубозернистыми (размер зерен больше ГО мм) разновидностями горных пород. Стекловатая структура не имеет явных кристаллических образований. Породы со скрытокристаллической структурой отличаются большой прочностью и погодоустойчивостью. Хорошо выраженная макропорфировая структура придает породе красивый рисунок; породы с порфировой и порфировидной структурами по сравнению с равномерно кристаллическими разновидностями относительно менее стойки против выветривания.

Текстура (сложение) горной породы. Текстура характеризует относительное расположение и распределение породообразующих минералов, пор и микротрещин в породе. Текстура может быть плотная, полосчатая, сланцеватая, пористая, ячеистая. Породы с плотной текстурой более прочны, устойчивы, теплопроводны, они лучше полируются, чем пористые разновидности. С увеличением пористости (ноздреватости) понижается прочность и стойкость горной породы против выветривания. Сланцеватые породы анизотропны, они сравнительно менее погодоустойчивы, а при ударах раскалываются по направлению сланцеватости.

В процессе формирования горных пород в результате неравномерного охлаждения массивы пронизываются трещинами, которые в процессе выветривания увеличиваются. В результате массивы разбиваются на отдельности определенной величины и формы. Различают пластовые, или плитняковые, кубовидные, столбчатые, шаровые отдельности. Трещиноватость массивов облегчает добычу и обработку пород, но в то же время ограничивает возможность их применения.

4. Низкообжиговый строительный гипс

Сырьё, свойства, применение. Гипсовыми вяжущими веществами называют материалы, состоящие из полуводного гипса или ангидрита и получаемые обычно тепловой обработкой природного двуводного гипса и помолом продукта обжига. Гипсовые вяжущие вещества в зависимости от температуры тепловой обработки гипсового сырья разделяют на две группы: низкообжиговые (собственно гипсовые) и высокообжиговые (ангидритовые).

Низкообжиговые гипсовые вяжущие являются быстротвердеющими и получают их при нагреве природного гипса (Са80>4> х 0,5Н>2>0) до температуры 11О ... 180°С, при этом происходит частичная дегидратация исходного сырья с образованием полуводного гипса (Са8О>4> -0,5Н>2> О).

К низкообжиговым гипсовым вяжущим относятся строительный, формовочный и высокопрочный гипс.

Строительным гипсом называют воздушное вяжущее вещество, состоящее из полуводного гипса (Са80>4> • 0,5Н>2>0) -модификации, получаемое путем тепловой обработки природного гипсового камня при температуре 110 . . . 180°С и нормальном давлении с последующим или предшествующим этой обработке измельчением в тонкий порошок. В этих условиях кристаллизационная вода выделяется из двуводного гипса в основном в виде пара, что сопровождается образованием преимущественно -полугидрата в виде мелких кристаллов. Такой гипс обладает повышенной водопотребностью (60 ... 65 % воды), а следовательно, и меньшей прочностью. Двугидрат переходит в полугидрат по схеме Са80>4> 2Н>2>0 = Са8О>4> 0,5Н>2>0+ + 1,5Н>2>0 (с поглощением тепла). Производство строительного гипса из плотной гипсовой породы состоит из трех главных операций: дробления гипсового камня, помола и обжига. По основным способам производства строительный гипс можно разделить на следующие группы, характеризующиеся:

предварительной сушкой и измельчением сырья в порошок с последующей дегидратацией гипса - обжиг в гипсоварочных котлах.

совмещением операций сушки, помола и обжига двуводного гипса;

обжигом гипса в виде кусков различных размеров (в шахтных, вращающихся, камерных и других печах) и измельчением полугидрата в порошок после обжига.

При смешивании с водой строительный гипс превращается в гипсовое тесто, которое на воздухе очень быстро твердеет, расширяясь и нагреваясь при этом. Скорость схватывания гипса строительного — в течение нескольких минут, и расширение при твердении делают строительный гипс незаменимым материалом для изготовления в формах как архитектурных деталей (розетки, лепные украшения, карнизы), так и всевозможных моделей.

Технологические процессы производства гипса с обжигом его во вращающихся печах легко переводятся на автоматическое управление, при этом уменьшается расход энергии. Гипс из вращающихся печей отличается пониженной водопотребностью при получении теста нормальной густоты (48 ... 55 %) по сравнению с гипсом из варочных котлов (60 . . . 65 %) . Строительный гипс хранят обычно в круглых силосах.

Строительный гипс является быстросхвывающимся и быстротвердеющим вяжущим материалом. Скорость схватывания измеряется минутами в соответствии с ГОСТ 125 - 79. Строительный гипс применяют для производства гипсовой сухой штукатурки, перегородочных плит и панелей, элементов заполнения междуэтажных и чердачных перекрытий зданий, вентиляционных коробов и других изделий и деталей, используемых в конструкциях зданий и сооружений при относительной влажности воздуха не более 65 %. Гипсовые изделия обладают невысокой плотностью, негорючестью и рядом других ценных свойств.

Большие объемы гипса используются для изготовления штукатурных и кладочных растворов. Особенно перспективно использование сухой гипсовой штукатурки. ГЦПВ вследствие его повышенной водостойкости применяют для изготовления санитарно-технических кабин, ванных комнат, вентиляционных каналов. При использовании гипса строительного для изготовления растворов, к нему добавляют специальные замедлители схватывания, так как в противном случае раствор схватится и затвердеет раньше, чем его применят. Недостатком гипса строительного является потеря прочности при насыщении водой.

5. Опишите подробно процессы, происходящие при обжиге сырьевой смеси, для получения портландцементного клинкера

Процессы, происходящие при обжиге во вращающихся печах. Обжиг сырьевой смеси и получение клинкера сопровождается сложными физическими и физико-химическими процессами.. Шлам, попадая в печь, подвергается воздействию дымовых газов, в результате чего происходит испарение свободной воды. Подсушенный материал загустевает, образуя крупные комья, которые затем распадаются более мелкие гранулы (зона сушки). При последующем движений по длине печи материал попадает в зону подогрева с температурой от 200 до 700°С, где выгорают органические примеси и начинается дегидратация каолинита 2SiO>2>Х АL>2>О>3>-nН>2>0 и других глинистых минералов с образованием каолинитового: ангидрита АL>2> О>3> -2SiO>2> (600 . . . 700° С). Обе эти зоны занимают до 50 ... 55% длины печи.

В третьей зоне (кальцинирования) при интервале температур 700… 1100° происходят диссоциация карбонатов СаСОз и МgСО>3> и разложение глинистого компонента на оксиды SiO>2>, АL>2>0>3>, Fе>2>0>3>. Уже при температурах 750 . . . 800°С начинаются реакции в твердом состоянии между составляющими материалами, интенсивность которых возрастает с повышением температуры до 1000 . . .1100°с1 (конец зоны кальцинирования).

В зоне кальцинирования образуются следующие минералы: = 2СаО-SiO>2>, СаО-АL>2>О>э> и 2СаО-Fе>2>О>3>. С повышением температуры от 1100 до 1300°С интенсивность образования силикатов, алюминатов и ферритов кальция возрастает, что сопровождается значительным выделением тепла. Короткий участок печи, где температура материала повышается на 150 ... 200°С, получил название экзотермической зоны. В зоне экзотермических реакций возрастает скорость образования 2СаО-SiO>2>, а также формируются ЗСаО-АL>2>O>3> и 4СаО-АL>2>0>3>-Fе>2>Оз. В материале, кроме этих минералов, содержится некоторое количество свободного оксида кальция.

В зоне спекания (1300 . . . 1450°С) происходит частичное плавление сырьевой смеси, образуется расплав (жидкая фаза) в количестве 20 ... 30% объема обжигаемой смеси. В присутствии жидкой фазы создаются благоприятные условия для образования основного минерала портландцемента трехкальциевого силиката ЗСаО-SiO>2> из 2СаО-SiO>2> и СаО. Это соединение (С>3>S) мало растворимо в расплаве, поэтому выделяется из него в виде мелких кристаллов, в последующем увеличивающихся в размерах. Выделение из расплава СзS сопровождается понижением в нем концентрации С>2>S и СаО, что приводит к переходу в расплав новых порций этих веществ, оставшихся в твердом состоянии в общей массе материала. Это обусловливает дальнейший ход процесса образования в расплаве и выделения из него СзS до почти полного связывания СаО с С>2>5.

После зоны спекания обжигаемый материал переходит в зону охлаждения, где температура понижается от 1300 до 1000° С.

По выходе из печи клинкер, состоящий из прочных камневидных окатанных гранул ("горошка") зеленовато-серого цвета, быстро охлаждается воздухом с температуры 1000 до 100 .. . 200°С в холодильниках (барабанных, рекуператорных, колосниковых). Быстрое охлаждение предотвращает образование крупных кристаллов с сохранением в клинкере некоторой доли (5 . . .15 %) стекловидной фазы. Это обеспечивает повышение активности и сульфатостойкости цемента. Клинкер выдерживается на складе 1 ... 2 недели с целью гашения части оставшейся свободной извести и ее карбонизации при контакте с воздухом. Образующийся в результате обжига сырьевой смеси клинкер содержит следующие минералы: алит ЗСаО-SiO>2> (сокращенно С>3>S) 37 ... 60%; белит 2СаО-SiO>2 >(сокращенно С>2>S) 15 . . .37%; алюминат 2СаО-АL>2>0>3> (сокращенно С>3>А) 5 ... 15 %; алюмоферрит 4СаО-АL>2>Оз-Fе>2>Оз (сокращенно С>4>АF) 10 ... 18 %. В клинкере может содержаться в небольшом количестве МgО (не более 5 %) и СаО (менее 1 %). Качество цементного клинкера характеризуют не только химическим и минеральным составом, но и численными значением модулей, выражающих соотношения между количествами главнейших оксидов, взятыми в процентах.