Состав материалов

Состав строительного материала может быть охарактери- зован:
· химическим составом;
· минеральным или фазовым составом;
· вещественным составом.

Химический состав отражает содержание в материале хи- мических элементов или их оксидов в процентах.
По химическому составу материалы подразделяются на:
· органические – состоящие, главным образом, из угле- водородов (битумы, дегти, древесина, полимеры);
· неорганические, которые подразделяются на:
− неметаллические (или минеральные) – горные по- роды, керамические, бетонные;
− металлические.
Многие минеральные материалы называются силикатными
из-за высокого содержания SiO2в химическом составе.
Химический состав органических материалов принято вы- ражать процентным содержанием химических элементов. На- пример, химический состав битума:

С – 70–87 % S – до 1,5 %
Н – до 15 % N – менее 1 % О – до 10 %

Химический состав неорганических материалов принято выражать процентным содержанием оксидов. Примеры хими-
ческого состава некоторых широко используемых строительных материалов представлены в табл. 2.1.



Химический состав материалов
Таблица 2.1
Горная порода мрамор (чистый, без примесей)
Обычное оконное стекло
Портландцемент- ный клинкер*
СаО – 56 % СО2– 44 %
SiO2– 71–72 % Na2O – 14–15 %; СаО – 6,5–7 % MgO – 4 % Al2O3– 2 %
СаО – 64–67 % SiO2 – 21–25 % Al2O3– 4–8 % Fe2O3– 2–4 %; MgO < 5 %

*Портландцементный клинкер – это основной компонент портландцемента, который получают по технологической схеме:

Сырье: карбонатная
горная порода (СаСО3) – (известняк, мел) –75–78 %
+
глинистая порода –22–25 % (алюмосиликат)
(глина, глинистый сланец)


® тонкий помол ®
обжиг ® ПЦ клинкер

ПЦ клинкер + гипс (+ добавки) ® помол ® цемент.

Химический состав материалов влияет на свойства. Органические материалы способны гореть, неорганиче-
ские – не горят, но при нагревании многие материалы способны
расплавляться. Металлические материалы проводят электриче- ский ток.
Изменяя химический состав материала, можно изменять его свойства.
Например, изменение химического состава стеклянных расплавов позволяет изменять свойства получаемых из него стекол:
– увеличение содержания SiO2приводит к увеличению тугоплавкости, механической прочности и термостойкости стекла;
– увеличение содержания PbO приводит к увеличению бле- ска и светопреломления стекла.
– введение соединений фтора и фосфора приводит к тому, что стекло становится непрозрачным.
Минеральный состав показывает, в какие минералы соеди- нены химические элементы в материале и каково их содержание в процентах.
Например, горная порода мрамор, главным образом, состо- ит из одного минерала – кальцита с формулой СаСО3, поэтому ее называют мономинеральной. Свойства этого минерала будут во многом определять свойства горной породы – невысокую твердость (царапается ножом), разрушение под действием рас- творов кислот.
В портландцементном клинкере оксиды образуют следую- щие основные минералы:

Трехкальциевый силикат (алит) 3СаО·SiO2(С3S) 40–65 % Двухкальциевый силикат (белит) 2СаО·SiO2(С2S) 15–40 % Трехкальциевый алюминат 3СаО·Al2O3(С3А) 3–15 %
Четырехкальциевый алюмоферрит
4СаО·Al2O3·Fe2O3(С4АF)

10–20%
Таблица 2.2 Свойства минералов цементного клинкера

Мине- ралы

Актив- ность
Тепловыделе-
ние при взаи- модействии с водой
Прочность,
создаваемая при тверде- нии

Стойкость к коррозии
С3S
алит
Взаимо-
действует с водой ак- тивно, бы- стро твер- деет
Высокое
Высокая
Понижен-
ная
b-С2S
белит
Медленно
взаимо- действует с водой, медленно твердеет
Низкое
В ранние
сроки – низкая, при длительном твердении – высокая
Высокая
С3А
Очень ак-
тивно взаимо- действует с водой, бы- стро твер- деет
Очень
высокое
Низкая
Низкая
С4АF
Средняя
Среднее
Средняя
Высокая

Изменяя химический состав сырьевой смеси, можно изме- нять содержание того или иного минерала в клинкере и изме- нять тем самым свойства цемента. Таким образом получают бы- стротвердеющие, высокопрочные портландцементы, цементы с низким и высоким тепловыделением, сульфатостойкие и др.
Фазовый состав – это содержание и соотношение кристал- лических и аморфных веществ, воздушных пор, микротрещин и пор, заполненных водой. Фазой называют однородную часть системы, обладающую одинаковым составом, физическими и химическими свойствами и отделенную от других частей систе-
мы поверхностью раздела, т.е. любой минерал можно рассмат- ривать как отдельную фазу.
Для многих материалов говорить о химическом или мине- ральном составе не имеет смысла, поскольку они состоят из не- скольких веществ, каждое из которых может иметь свой доста- точно сложный химический и минеральный состав.
Вещественный состав характеризует содержание различ- ных веществ в композиционном материале, получаемом смеши- ванием нескольких веществ (материалов), каждый из которых при этом не будет изменять ни своего состава, ни строения.
Например, портландцемент кроме клинкера содержит до- бавку природного гипса (двуводного сульфата кальция СаSО4·2Н2О) –для регулирования сроков схватывания, а также очень часто активную минеральную добавку (доменный грану- лированный шлак, вулканические пеплы, пемзы, осадочные горные породы диатомит, трепел). Добавки позволяют сэконо- мить клинкер и повысить стойкость бетонов на таких цементах к коррозии. Содержание трех компонентов – это и есть вещест- венный состав цемента. Например:

Портландцемент ПЦ Д0 (без актив- ных минеральных добавок)


Портландцемент ПЦ Д20 (с актив- ными минеральными добавками)
клинкер –95–93 % гипс –5–7 %

клинкер –90–73 % гипс –5–7 %
АМД –5–20 %



Шлакопортландцемент ШПЦ
клинкер –75–15 % гипс –5–7 %
АМД –20–80 %

Вещественный состав бетонной смеси показывает содержа- ние в ней цемента, мелкого (песка) и крупного (щебня или гра- вия) заполнителя и воды. Состав бетонной смеси часто выра-
жают не в процентах, а в частях по массе, где за единицу при- нимается масса цемента. Например:
1:2,3:4 при В/Ц = 0,5 – т.е. масса песка в 2,3 раза больше массы цемента, а щебня – в 4 раза больше массы цемента, соот- ношение воды и цемента – 0,5, т.е. масса воды в два раза мень- ше массы цемента.
В натуральных единицах состав бетонной смеси на 1 м3
бетона может быть: цемент – 300 кг, песок – 690 кг, щебень – 1200 кг, вода – 150 кг.