Контрольная работа по "Материаловедению"

Полевые шпаты - это самые распространенные минералы в магматических породах (до 2/3 от общей массы породы). Они представляют собой, так же как и кварц, светлые составные части пород (белые, розоватые, красные и т.п.). Главными разновидностями полевых шпатов являются ортоклаз и плагиоклазы.

Ортоклаз - характеризуется следующими свойствами: угол между спайностями 900, твердость 6-6,5, плотность 2,57 г/см³, плавится при 11700°С, полное расплавление при 14500°С. Встречаются в кислых (гранит) и средних (сиенит) по кислотности магматических породах.

Плагиоклазы (по гречески "косораскалывающийся") образуют изоморфный ряд от альбита Nа₂0·AI₂0₃·6Si0₂ входящего в состав кислых пород, до анортита - СаО·А₁₂0₃·2SiO₂, характерного для основных пород (габбро, базальт и др.По сравнению с кварцем полевые шпаты обладают значительно меньшей прочностью (120 - 170 МПа на сжатие) и стойкостью, поэтому они реже встречаются в осадочных породах (главным образом, в виде полевошпатовых песков). К цветным (темно окрашенным) минералам, встречающимся в магматических породах, относятся железисто-магнезиальные и магнезиальные силикаты и некоторые алюмосиликаты. В группе железисто - магнезиальных силикатов наиболее распространены оливин, пироксены (например, авгит), амфиболы, (роговая обманка). Среди магнезиальных силикатов встречаются вторичные минералы, чаше всего замещающие оливин - серпентин, хризотил - асбест. В группе алюмосиликатов наиболее распространены слюды: обыкновенные - мусковит (почти бесцветный), флогопит и биотит (темного цвета): гидрослюды - гидромусковит, гидробиотит. Твердость слюд 2-3. Слюды встречаются и в песках, где также считаются вредной примесью.

Глубинные горные породы. Магматические породы, образующиеся в различной геологической обстановке, отличаются специфическими признаками, к которым, прежде всего, относятся форма магматических тел и их взаимоотношения с вмещающими породами. Особенности строения горных пород, зависящие от условий образования, выражаются в структурных и текстурных признаках.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Каков химико-минералогический состав клинкера портландцемента и как он влияет на свойства цемента

 

Портландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе. Его получают тонким измельчением обожженной до спекания сырьевой смеси известняка и глины, обеспечивающей преобладание в клинкере силикатов кальция. Спекшаяся сырьевая смесь в виде зерен размером до 40 мм называется клинкером; от качества его зависят важнейшие свойства цемента: прочность и скорость ее нарастания, долговечность, стойкость в различных эксплуатационных условиях.

Для регулирования сроков схватывания  в обычных цементах марок  400...500 при помоле к клинкеру добавляют гипс не менее 1,0% и не более 3,5% от массы цемента в пересчете на ангидрид серной кислоты SO₃, а в цементах высокомарочных и быстротвердеющих — не менее 1,5% и не более 4,0%. Портландцемент выпускают без добавок или с активными минеральными добавками.

Клинкер. Качество клинкера зависит от его химического и минералогических составов. Для производства портландцементного клинкера применяют известняк и глину. Известняк в основном состоит из двух оксидов: СаО и СО₂, а глина — из различных минералов. В процессе обжига сырьевой смеси удаляется СО₂, a оставшиеся четыре оксида образуют клинкерные минералы. Содержание оксидов в цементе примерно следующее: 64...67% СаО, 21...24% SiO₂, 4...8% Аl₂O₃, 2...4% Fe₂O₃.

Кроме указанных основных оксидов  в портландцементном клинкере могут  присутствовать MgO и щелочные оксиды, снижающие качество цемента. Оксид магния, обожженный при температуре около 1500°С, при взаимодействии с водой очень медленно гасится и вызывает появление трещин в уже затвердевшем растворе или бетоне, поэтому содержание оксида магния в портландцементе не должно быть более 5%. Наличие в цементе щелочных оксидов выше 1 % может вызвать разрушение отвердевшего бетона на таком цементе.

Указанные выше основные оксиды находятся  в клинкере не в свободном виде, а образуют при обжиге четыре основных минерала, относительное содержание которых в портландцементе следующее (%): трехкальциевый силикат (алит) — 45...60; двухкальциевый силикат (белит) — 20...35; трехкальциевый алюминат — 4...12; четырехкальциевый алюмоферрит — 10...18.

Алит — основной минерал клинкера, быстро твердеет и практически определяет скорость твердения и нарастания прочности портландцемента. Он представляет собой твердый раствор трехкальциевого силиката и небольшого количества (2...4%) других примесей, которые могут существенно влиять на структуру и свойства портландцемента.

Белит — второй по важности и содержанию силикатный минерал клинкера, медленно твердеет и достигает высокой прочности при длительном твердении. Белит в клинкере представляет собой твердый раствор двухкальциевого силиката и небольшого количества (1...3%) др. примесей. В связи с тем что белит при медленном охлаждении клинкера теряет вяжущие свойства, это явление предотвращается быстрым охлаждением клинкера.

Содержание минералов-силикатов  в клинкере в сумме составляет около 75%, поэтому гидратация алита и белита в основном определяет свойства портландцемента. Оставшиеся 25% объема клинкера между кристаллами алита и белита заполнены кристаллами С₃А, C₄AF, стекла и второстепенными минералами.

Трехкальциевый  алюминат при благоприятных условиях обжига образуется в виде кубических кристаллов. Он очень быстро гидратирует и твердеет. Продукты гидратации имеют пористую структуру и низкую прочность. Кроме того, он является причиной сульфатной коррозии цемента, поэтому его содержание в сульфатостойком цементе ограничено 5%.

Четырехкальциевый алюмоферрит (C₄A_F) — алюмоферритная фаза промежуточного вещества клинкера, представляет собой твердый раствор алюмоферритов кальция разного состава. По скорости гидратации этот минерал занимает как бы промежуточное положение между алитом и белитом и не оказывает определяющего значения на скорость твердения и тепловыделение портландцемента.

Клинкерное стекло присутствует в  промежуточном веществе в количестве 5... 15%, которое в основном состоит  из СаО, Аl₂O₃, MgO, K₂O и Na₂O.

При правильно рассчитанной и тщательно  подготовленной и обожженной сырьевой смеси клинкер не должен содержать  свободного оксида кальция СаО, так  как пережженная при температуре  около 1500°С известь, так же как и  магнезия MgO, очень медленно гасится, увеличиваясь в объеме, что может привести к растрескиванию уже затвердевшего бетона.

Портландцемент, получаемый на заводах  из различных видов природного сырья  и с неодинаковой технологией  производства, отличается как по химико-минералогическому  составу, так и по свойствам. Требования стандарта не отражают полностью некоторых важных для строительства свойств цемента: стойкости цементного камня в агрессивных средах, морозостойкости, интенсивности тепловыделения, деформативной способности и т. д. Однако в этом значительную помощь оказывает знание минералогического состава клинкера, который имеет прямую связь с основными физико-механическими свойствами портландцемента и позволяет проектировать портландцемент для бетона конкретных эксплуатационных условий.

Сырье для производства портландцемента должно содержать 75...78% СаСО₃ и 22...25% глинистого вещества. Горные породы, удовлетворяющие указанным требованиям, в природе встречаются редко. Поэтому для производства портландцемента наряду с известняком и глиной следует применять так называемые корректирующие добавки, содержащие значительное количество одного из оксидов, недостающих в сырьевой смеси. Так, недостаточное количество компенсируется введением высококремнеземистых веществ (опоки, диатомита, трепела). Увеличить содержание оксидов железа можно путем введения колчеданных огарков или руды. Повышение содержания глинозема достигается добавлением высокоглиноземистых глин.

Кроме того, цементная промышленность все шире начинает использовать побочные продукты, например отходы разных отраслей промышленности — доменные шлаки, нефелиновый шлам (отход при производстве глинозема) и др. В них содержится 25-30% SiO₂; 50...58% СаО; 2...5% Аl₂O₃; 3...8% других оксидов. Если к сырью такого состава добавить 15...20% известняка, то состав смеси получается аналогичный используемому для получения портландцемента.

Использование в цементной промышленности побочных продуктов и отходов  других отраслей — крупный шаг  в разработке безотходной технологии, способствующей охране окружающей среды. В качестве топлива применяют природный газ, сокращается использование каменного угля и мазута. В настоящее время отечественная цементная промышленность в значительной мере работает на газообразном топливе, как наиболее эффективном. Технологический процесс производства портландцемента состоит из следующих основных операций: добычи известняка и глины, подготовки сырьевых материалов и корректирующих добавок, приготовления из них однородной смеси заданного состава, обжига смеси и измельчения клинкера в тонкий порошок совместно с гипсом, а иногда с добавками.

Структура цементного камня. Отвердевший цементный камень представляет собой микроскопически неоднородную систему, состоящую из кристаллических сростков и гелеобразных масс, имеющих частицы коллоидных размеров. Неоднородность структуры цементного камня усиливается и тем, что в нем содержатся зерна цемента, не полностью прореагировавшие с водой.

Существенно влияют на структуру цементного камня гипс и гидравлические добавки, так как в результате их реакции  с клинкерными компонентами цементного камня образуются новые продукты. Подбирая минералогический состав клинкера и получая необходимый состав цемента, дающий при твердении то кристаллические сростки, то гелевую структурную составляющую, можно воздействовать на структуру и физико-механические свойства цементного камня и бетона.

Различие в физико-механических свойствах кристаллического и коллоидного  гелеобразного вещества является одной  из причин влияния минералогического  состава клинкера на некоторые, основные строительные свойства цемента: деформативность, стойкость при переменном замораживании и оттаивании, увлажнении и высушивании. Путем рационального подбора минералогического состава клинкера можно регулировать свойства портландцемента и получить цемент, по качеству удовлетворяющий конкретным эксплуатационным условиям.

Расширение и растрескивание цементного камня могут вызвать также  свободные СаО и MgO, присутствующие в цементе при низком качестве обжига. Гашение их сопровождается значительным увеличением в объеме, и продукты этого гашения разрывают цементный камень. О таком цементе говорят, что он не отвечает требованиям стандарта в отношении равномерности изменения объема при твердении.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Требования, предъявляемые  к мелкому заполнителю для тяжелого бетона

 

В качестве мелких заполнителей для бетонов  используют природный песок и  песок из отсевов дробления горных пород со средней плотностью зерен  от 2000 до 2800 г/см  и их смеси, удовлетворяющие требованиям ГОСТ, песок из доменных и ферросплавных шлаков черной металлургии и никелевых и медеплавильных шлаков цветной металлургии по ГОСТ, а также золошлаковые смеси по ГОСТ. 
В случае необходимости применения заполнителей с показателями качества ниже требований государственных стандартов, а также требований настоящего стандарта, предварительно должно быть проведено их исследование в бетонах в специализированных центрах для подтверждения возможности и технико-экономической целесообразности получения бетонов с нормируемыми показателями качества. 
Мелкий заполнитель для бетона выбирают по зерновому составу, содержанию пылевидных и глинистых частиц, петрографическому составу, радиационно-гигиенической характеристике. При подборе состава бетона учитывают плотность, водопоглощение (для песков из отсевов дробления), пустотность, а также прочность исходной горной породы на сжатие в насыщенном водой состоянии (для песков из отсевов дробления). Мелкие заполнители должны иметь среднюю плотность зерен от 2000 до 2800 кг/м . 
Зерновой состав мелкого заполнителя должен соответствовать графику. При этом учитывают только зерна, проходящие через сито с круглыми отверстиями диаметром 5 мм.

 

1 - нижняя граница крупности песка (модуль крупности 1,5);

2 - нижняя граница крупности песка (модуль крупности 2,0)

для бетонов класса В15 и выше; 3 - нижняя граница крупности

песка (модуль крупности 2,5) для бетонов класса В25 и выше;

4 - верхняя граница крупности песков (модуль крупности 3,25).

При несоответствии зернового состава природных песков требованиям графика следует применять укрупняющую добавку к мелким и очень мелким пескам - песок из отсевов дробления или крупный песок, а к крупному песку - добавку, понижающую модуль крупности, - мелкий или очень мелкий песок. 
С учетом требований в бетонах допускается использование очень мелких песков с модулем крупности от 1,0 до 1,5 с содержанием зерен менее 0,16 мм до 20% по массе и пылевидных и глинистых частиц не более 3% по массе. 

 

5. Силикатные бетоны. Состав, свойства, применение.

 

Силикатный бетон представляет собой искусственный строительный состав сложного приготовления. Силикатный бетон получается из утопленной отвердевшей увлажненной смеси, в которую входят молотая негашеная известь, молотый кварцевый песок и обычный кварцевый песок, соединенные в автоклаве. Существуют разновидности силикатного бетона:

• Тяжелый- в качестве заполнителя песок, щебень или гравий;