Гидравлические растворы

Гидравлические растворы

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСТВОРЫ, строительные растворы, употребляемые в строительной технике для образования монолитов каменной и бетонной кладки из естественных или искусственных каменных материалов. Строительные растворы бывают воздушные и гидравлические. Гидравлические растворы состоят из смеси гидравлического вяжущего вещества, песка и воды; смесь же только вяжущего вещества с водой носит название теста. В виду того, что гидравлическое тесто обладает избыточной механической прочностью, а также при твердении в больших массивах может давать трещины усыхания как очень жирный состав, то к нему в качестве инертного отощающего вещества добавляют песок, который устраняет возможность появления трещин усыхания и значительно понижает стоимость раствора; в то же время раствор дает достаточную механическую прочность. Так как пески по своему гранулометрическому составу различны, то и количество вяжущего вещества для достижения той или иной механической прочности меняется. Наибольшая прочность раствора при наименьшей его стоимости будет достигнута тогда, когда раствор содержит столько вяжущего вещества, что им заполнены все пустоты между зернами песка и имеется еще некоторый избыток для обволакивания зерен. Отношение d объема теста к объему пустот дает масштаб плотности раствора.

В зависимости от рода сооружения выбирается соответственная величина d. При заготовлении раствора для больших массивов бетона d выбирают не меньше 1,1, а в тонких железобетонных плитах d доходит до 1,25. Обозначим: S - общий объем песка, hS - отношение объема пустот в песке к общему его объему S, z - объем теста вяжущего вещества; тогда

Gidravl rastvory 1

Если объем пустот в вяжущем веществе обозначим через hZ, то из одной объемной единицы вяжущего вещества и w объемных единиц воды получим объем плотного теста раствора

Gidravl rastvory 2

При удельном весе вяжущего вещества р и объемном весе q получим:

Gidravl rastvory 3

Т. о., для плотного раствора допускается объемных единиц песка:

Gidravl rastvory 4

Из одной объемной единицы вяжущего вещества, w объемных единиц воды и S объемных единиц песка получим следующее количество объемных единиц плотного раствора:

Gidravl rastvory 5

Т. о., для единицы объема раствора необходимо: 1/m объемных частей вяжущего вещества, w/m воды, S/m песка. Выход раствора (а) есть отношение полученного объема раствора к сумме затраченных объемов вяжущего вещества и песка, т. е.

Gidravl rastvory 6

Например, если вяжущее вещество - цемент с р = 3,13 и q = 1,4, то, выбирая d = 1,15 и для воды опытную величину w = 0,40 + 0,08S, получим:

Gidravl rastvory 7

На основании этих формул можно рассчитать пропорции составных частей раствора для песков различной плотности. В табл. 1 приведены данные для песков, имеющих плотность hS от 0,45 до 0,20.

Объемы элементов гидравлических растворов в зависимости от плотности песка

Объем пустот в песке и гравии м. б. определен следующим образом: берут какой-нибудь сосуд определенного объема, например, в 1 литр, наполняют его испытуемым песком или гравием и взвешивают, затем материал высыпают в запасный сосуд, а в литр наливают 1/3 л воды и осторожно всыпают в воду из запасного сосуда весь песок, доливают литр с песком до верха (вровень с краями) водой и взвешивают. Разность между последним весом и первым, деленная на 10, т. е. отнесенная к 100 см3, и даст объемный процент пустот в испытуемом песке.

Вяжущие вещества, которые применяются для гидравлических растворов, представляют собою:

1. Гидравлическая известь - продукт, получаемый умеренным обжигом, не доводимым до спекания, мергелистых известняков, не доломитизированных или доломитизированных, обладающий свойством при смачивании его водой полностью или частью рассыпаться в порошок (гаситься) и твердеть в воде; изготовляется в виде кусков негашеной извести (кипелка) или в виде тонкого порошка гашеной извести (пушонка). В зависимости от содержания глинистых примесей гидравлическая известь называется слабой или сильной. Негашеная гидравлическая известь, будучи достаточно смочена водой, должна гаситься. Срок твердения, определяемый лабораторным путем, для слабо гидравлической извести должен быть не более 7 дней. Раствор состава - по весу 1 часть гидравлической извести и 5 частей нормального песка - должен обладать механическими свойствами не ниже указанных в табл. 2.

Раствор состава - по весу 1 часть гидравлической извести и 5 частей нормального песка - должен обладать механическими свойствами

2. Роман-цемент - продукт, получаемый механическим измельчением в тонкий порошок предварительно обожженных при температуре, не доводящей материал до спекания, естественных глинистых или магнезиальных мергелей или же искусственных смесей магнезиальных известняков или доломитов с глинистыми материалами; продукт этот после обжига при смачивании водой не гасится, но тесто из роман-цемента твердеет в воде. Раствор роман-цемента с песком в пропорции по весу 1:5 должен через 28 дней после затворения с водой удовлетворять следующим механическим условиям: по нормам 1925 г., образцы роман-цемента, хранившиеся на воздухе, должны иметь временное сопротивление на растяжение 6 кг/см2, на сжатие - 48 кг/см2, образцы, хранившиеся в воде, должны дать временное сопротивление на растяжение 4 кг/см2, на сжатие - 32 кг/см2.

3. Портландцемент - продукт тончайшего перемола клинкера, получаемого равномерным и сильным обжигом до спекания тщательно дозированных искусственных смесей материалов, содержащих углекислую известь и глину, или естественных материалов (глинистых известняков - мергелей) надлежащего состава; при применении искусственных смесей глина может быть заменена полностью или частично доменным шлаком надлежащего состава. Количество посторонних веществ, прибавляемых к продукту после обжига для урегулирования его свойств, не должно превышать 3% по весу. Отношение % содержания по весу окиси кальция (СаО) к сумме % содержания по весу кремнезема, глинозема и окиси железа (SiО2 + Аl2O3 + Fe2O3), т. е. значение величины основного или гидравлического модуля

Gidravl rastvory 10

в готовом продукте должно заключаться в пределах от 1,7 до 2,4. Портландцемент, в котором отношение % содержания по весу кремнезема (SiO2) к сумме % содержания по весу полуторных окислов (Al2О3 + Fe2О3), называемое кремнеземным модулем, превышает 3,5, - называется кремнеземистым. Количество ангидрида серной кислоты (SО3) в готовом продукте после прибавления регулирующих примесей не должно превышать 2,5%, а количество MgO - 3%. Чистый портландцемент должен дать временное сопротивление на растяжение через 7 дней не менее 25 кг/см2, через 28 дней - 35 кг/см2. Раствор портландцемента с нормальным песком в пропорции 1:3 по весу должен дать временное сопротивление на растяжение через 7 дней не менее 10 кг/см2, через 28 дней - 14 кг/см2, а временное сопротивление на сжатие через 28 дней - не менее 140 кг/см2.

4. Глиноземистый, или бокситовый, цемент - продукт тонкого перемола вещества, получаемого сильным обжигом до сплавления или спекания смесей материалов, богатых глиноземом (бокситы) с известью или известняком. Этот цемент характеризуется быстрым возрастанием механического сопротивления изготовленных на нем растворов, причем временное сопротивление на сжатие и растяжение д. б. не ниже, чем у портландцемента.

5. Известково-шлаковые цементы - продукты совместного перемола или теснейшего смешения порошкообразной гашеной извести с предварительно измолотыми в тонкий порошок гранулированными основными доменными шлаками; весовое содержание гашеной извести в готовом продукте - от 10 до 30%.

6. Известково-пуццолановые цементы - продукты совместного перемола или теснейшего смешения порошкообразной гашеной извести с предварительно измолотыми в тонкий порошок естественными гидравлическими добавками; весовое содержание гашеной извести в готовом продукте - от 10 до 30%.

7. Шлако-портландцементы - продукты, получаемые путем тщательного механического смешения заводским путем портландцемента с тонко измельченным основным гранулированным доменным шлаком надлежащего состава; весовое содержание шлака - от 30 до 70% всей смеси. Состав основного доменного шлака, получаемого при плавке чугуна на минеральном топливе, должен удовлетворять требованию, чтобы весовое отношение основных окислов (СаО + MgO) к кислотным (SiО2 + Al2О3) было во всяком случае более 1. Количество SО3 в готовом продукте не должно превышать 3%, MgO - 4%. Раствор шлако-портландцемента с нормальным песком в пропорции 1:3 по весу должен дать временное сопротивление на растяжение через 7 дней не менее 10 кг/см2, через 28 дней - 14 кг/см2, а временное сопротивление на сжатие через 28 дней - не менее 140 кг/см2.

8. Пуццолановые портландцементы - продукты, получаемые путем тщательного механического смешения заводским путем портландцемента с тонко измельченными гидравлическими добавками. Весовой % содержания портландцемента в продукте определяется в зависимости от состава и свойств добавок. Раствор пуццоланового портландцемента с нормальным песком в пропорции 1:3 по весу должен дать временное сопротивление на растяжение через 7 дней не менее 10 кг/см2, через 28 дней - 14 кг/см2, а временное сопротивление на сжатие через 28 дней - не менее 140 кг/см2.

Гидравлические добавки в порошкообразном состоянии, затворенные с водой, неспособны самостоятельно отвердевать, но в смеси с известью образуют тесто, способное отвердевать в воде; те же добавки применяются и в смеси с портландцементом. Гидравлические добавки разделяются на: естественные, встречающиеся в готовом виде и не требующие для своего применения никакой обработки, кроме отсеивания и измельчения, и искусственные, получающиеся после термической и механической обработки естественных материалов.

К естественным гидравлическим добавкам относятся: 1) пуццоланы, встречающиеся в природе в виде измельченных порошкообразных пород; это - рыхлые вулканические туфы, например, римская и неаполитанская пуццолана, санторинская земля; 2) трасы, встречающиеся в виде б. или м. твердых пород, требующих для своего употребления механического измельчения: это - твердые вулканические туфы, например, андернахский трас, карадагский трас, находящийся на горе Кара-Даге в Крыму; 3) кремнеземистые осадочные породы рыхлого сложения: диатомовая (инфузорная) земля, кизельгур, трепел.

К искусственным гидравлическим добавкам относятся: 1) гранулированные основные доменные шлаки - обладают слабыми гидравлическими свойствами и могут отвердевать самостоятельного в виду того, что пуццоланические свойства в них выражены очень резко, относятся к гидравлическим добавкам; 2) глинистые материалы, надлежащим образом обожженные и измельченные в тонкий порошок, так же называемые цемянками - обожженная глина, битый кирпич; 3) гезы или аналогичные им природные богатые кремнеземом материалы, предварительно подвергнутые обжигу и затем измельченные.

Основной процесс, придающий гидравлическим растворам устойчивость и обусловливающий их долговечность, есть процесс карбонизации, т. е. превращения Са(ОН)2 в СаСО3. Главными составными частями гидравлических цементов, применяемых для гидравлических растворов, являются: кремнезем SiО2, глинозем Аl2O3 и известь СаО; поэтому гидравлические растворы могут дать устойчивые в природных водах системы лишь в том случае, если значительная часть извести успеет превратиться в СаСО3 прежде, чем произойдет выщелачивание извести как свободной Са(ОН)2, так и связанной в виде силикатов и алюминатов. При затворении обыкновенного портландцемента ограниченным количеством воды протекают следующие реакции:

Gidravl rastvory 11

В результате этих реакций образовываются студни Са(ОН)2, CaО·SiО2·2,5Н2О и 4СаО·Аl2О3·12Н2O, перекристаллизовывающиеся со временем и превращающие тестообразный раствор в прочное камневидное тело. Эта прочность главным образом зависит от кристаллизации Са(ОН)2. При действии неограниченных масс воды на отвердевший раствор с течением времени происходят дальнейшие реакции, а именно:

Gidravl rastvory 12

T. к. кристаллы Са(ОН)2 переходят в раствор, то в результате образуются коллоидальные рыхлые массы кремнезема, глинозема и водного раствора гидрата извести, т. е. происходит полное разрушение затвердевшего раствора. Развитие и течение этих процессов обусловливается тем, что силикаты и алюминаты извести, образующиеся в первые периоды действия воды на цемент, нерастворимы и устойчивы только тогда, когда окружающая их вода содержит в растворе определенное количество гидрата извести. Если вода содержит меньшее количество извести, то она разлагает вышеупомянутые силикаты и алюминаты и вымывает из них известь до тех пор, пока концентрация последней в растворе не достигнет определенной величины. Предельная концентрация гидрата извести в водном растворе, при которой затвердевшие части гидравлического раствора могут сохраняться в твердом кристаллическом состоянии без разложения, следующие:

Gidravl rastvory 13

Т. к. воды морей, рек и озер никогда не содержат в растворе такого количества гидрата извести, то обыкновенные растворы из портландцемента в этих водах должны неизбежно выщелачиваться и со временем окончательно разрушиться. Но благодаря содержащейся в природных водах и воздухе СО2 образуется на поверхности раствора нерастворимая корка СаСО3, которая постепенно распространяется вглубь и создает наружную стойкость раствора. Это обстоятельство замедляет выщелачивание извести, но при действии природных вод на массу раствора разрушение все же будет продолжаться. В пресных или мало соленых водах разрушение раствора происходит более медленно, а в морских или минерализованных водах этот процесс значительно ускоряется благодаря присутствию сернокислых и магнезиальных солей, образующих с алюминатом извести 4СаО·Аl2O3·12Н2O сульфоалюминат извести 3СаO·Аl2O3·3CaSO4·30Н2O при большом увеличении объема, что вызывает растрескивание раствора, облегчает доступ воды в массу его и выщелачивание; магнезиальные же соли вступают во взаимодействие с Са(ОН)2 и дают растворимый СаСl2 по уравнению:

Gidravl rastvory 14

Для устранения выщелачивания извести и предупреждения разрушения раствора при твердении под водой к цементам необходимо добавлять в известной пропорции некоторые добавки, содержащие активный кремнезем, связывающий свободную известь Са(ОН)2, растворимость которой в присутствии таких добавок падает до 0,05 г СаО на л, т. е. уменьшается почти в 30 раз. Вследствие этого процесс карбонизации успеет распространиться на всю массу раствора прежде, чем произойдет сколько-нибудь заметное выщелачивание водой. Такими являются пуццоланические добавки, которые делают раствор портландцемента устойчивым также и в морских или минерализованных водах, так как в присутствии добавок алюминат извести 4СаO·Аl2O3·12Н2O, могущий под влиянием сернокислых солей морской воды перейти в опасный сульфоалюминат извести 3СаO·Аl2O3·3CaSO4·30Н2O, не может существовать в присутствии активного кремнезема вследствие малой возможной концентрации извести (не более 0,05 г на л). Так. обр., для получения стойкого гидравлического раствора необходимо к обыкновенным цементам прибавлять добавки, содержащие активный кремнезем.

Наиболее изученные в настоящее время гидравлические добавки содержат:

Gidravl rastvory 15

Глиноземистый (бокситовый) цемент так же дает гидравлические растворы, почти совершенно не разрушающиеся в пресных, морских или минерализованных водах. Это свойство объясняется тем, что отвердевшая масса глиноземистого цемента, представляющая смесь Аl2O3·2СаО·7Н2O и Аl2O3·nН2O, не содержит растворимого гидрата извести. Концентрация же извести, отвечающая равновесию при гидролитической диссоциации алюмината извести Аl2O3·2СаО·7Н2О, незначительна (всего 0,16 г СаО на л); поэтому процесс карбонизации совершится ранее, чем произойдет заметное выщелачивание. Действие минерализованных вод также не вызывает разрушения при твердении раствора из глиноземистого цемента, т. к. в данном случае образование сульфоалюмината извести не сопровождается опасным увеличением объема. Т. о., наиболее устойчивыми гидравлическими растворами являются растворы на пуццолановом или глиноземистом (бокситовом) цементе.

Песок для гидравлических растворов применяется предпочтительно кварцевый или из других твердых изверженных пород, речной или из сухих россыпей. Перед употреблением песок д. б. просеян и очищен от илистых, глинистых, органических и других вредных примесей. Содержание глины в песке не должно превышать 5% объема песка. При большом количестве примесей требуется промывка. Примесь серного колчедана, гипса и вообще сернокислых солей в песке не допускается. По крупности зерен наилучшим будет песок, представляющий равномерную смесь крупнозернистых частиц (от 5 до 2 мм) и мелкозернистых (от 2 до 0,25 мм). Вода для затворения раствора д. б. пресная и чистая. В приморских работах допускается применение морской воды. Болотная и торфяниковая вода не допускается. Составление раствора с песком в требуемой пропорции производится насухо; после получения равномерной смеси добавляют воду и раствор снова тщательно и быстро перемешивают. Весь приготовленный раствор д. б. употреблен в дело по возможности до начала схватывания. Для всех вышеуказанных цементов начало схватывания должно быть не ранее 20 минут, а конец - не позднее 12 часов.

Наибольшее применение в строительном деле имеют растворы на портландцементе с песком. Впредь до введения весовых соотношений пропорция составных частей раствора считается по их объему и при той плотности портландцемента, которая получается при пересыпке его в мерный ящик без последующего утряхивания; в таком состоянии объемный вес портландцемента м. б. принимаем в 1400 кг/м3. При производстве каменной кладки искусственных сооружений употребляется цементный раствор следующего состава: а) для бутовой и бетонной кладки фундаментов опор инженерных сооружений ниже горизонта высоких вод, для каменных и бетонных сводов, для прокладных рядов - 1 ч. цемента, 3 ч. песка; б) для бутовой и бетонной кладки выше горизонта высоких вод - 1 ч. цемента, 4 части песка; в) для кладки облицовки опор и устоев, карнизов, смазки сводов - 1 ч. цемента, 2,5 ч. песка; г) для кладки подферменных камней - 1 ч. цемента, 1 ч. песка; д) при железобетонных работах в ответственных сооружениях:

Gidravl rastvory 16

в прочих сооружениях:

Gidravl rastvory 17

е) для кирпичной и каменной кладок при гражданских сооружениях - от 1:4 до 1:6; ж) в гражданских сооружениях иногда применяется сложный (смешанный) раствор состава 1 ч. цемента, 2 ч. извести и от 5 до 11 частей песка, причем цемент и песок перемешиваются в сухом виде, а известь добавляется в виде теста или молока; з) для облицовки бетонных полов, для водонепроницаемой штукатурки, для заливки анкерных болтов, для заливки швов - 1:1. Роман-цемент имеет ограниченное применение - только в гражданских сооружениях. Состав от 1:1 до 1:5. Глиноземистый цемент применяется в тех случаях, где требуется очень быстрое получение большой прочности (военные сооружения), а также для работ в морских или минерализованных водах. Для гидротехнических сооружений наиболее подходящими являются пуццолановые и глиноземистые цементы. Для получения водонепроницаемых растворов в гражданских постройках применяют затворение цементного раствора на церезитовом молоке.

При употреблении гидравлических растворов следует принимать особые предосторожности в случае зноя или, наоборот, низкой температуры воздуха. При наступлении заморозков с температурой ниже —5°, а также при наступлении длительной морозной погоды с температурой ниже 0° работа может производиться только в тепляках с температурой не ниже +6°. Смешиваемые материалы необходимо прогревать.

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 5 - 1929 г.