Материаловедение

        Координационное число катиона модификатора в стекле представляет собой некоторое среднестатистическое число атомов кислорода, приходящееся на один атом модификатора. В отличие от геометрически правильных группировок координационных полиэдров стеклообразователей координационные группировки модификаторов могут не иметь геометрически правильной фигуры.

        В структуре стекла различают два возможных состояния атомов кислорода: атомы, соединяющие соседние полиэдры, называют мостиковыми, а соединяющие катионы модификаторов со сложным анионом, называют немостиковыми.

        Структурной основной единицей кварцевого стекла является кремнекислородный тетраэдр. Атом кремния окружен четырьмя атомами кислорода, расположенными симметрично в вершинах тетраэдра.

        Структура кварцевого стекла выполнена из тетраэдров SiО4, соединенных друг с другом вершинами через атомы кислорода. В результате образуется непрерывный пространственный каркас, отличающийся от геометрически правильных решеток кристаллических модификаций кварца отсутствием дальнего порядка в расположении и ориентации тетраэдров. Тетраэдры SiО4 не образуют в пространстве геометрически правильных сочленений в виде шести членных колец, характерных для структуры высокотемпературного кристобалита.

        Структурная сетка стекла выглядит как искаженная кристаллическая решетка.

        Искажение заключается в произвольном варьировании значений угла связи Si—О—Si между соседними тетраэдрами в структуре стекла.

Группировка [SiО4]4- имеет избыточный отрицательный заряд (-4), но каркасная  сетка из тетраэдров SiО4 в целом  электронейтральна, так как каждый атом кислорода связан с двумя атомами кремния. В структуре кварцевого стекла все атомы кислорода мостиковые.

        Структуры кристаллических и стеклообразной форм диоксида кремния не являются плотноупакованными, так как тетраэдры соединяются вершинами, а не ребрами и не гранями. В кварцевом стекле имеются

 

9

свободные структурные полости, ограниченные в пространстве мостиковыми атомами  кислорода.

        Именно благодаря наличию в структуре свободных полостей, кварцевое стекло обладает наиболее высокой газопроницаемостью (гелий, водород, неон) по сравнению с другими силикатными стеклами, в составе которых кроме диоксида кремния присутствуют оксиды щелочных и щелочноземельных металлов.

        В том месте, где выстроились ионы щелочного металла, отсутствует химическая связь между элементами структуры (место разрыва на схеме обозначено пунктирным овалом). Ионы щелочных металлов являются модификаторами. По мере увеличения концентрации Me2О в составе стекла растет число разрывов в структурной сетке и число не мостиковых атомов кислорода, приходящихся на один тетраэдр SiО4. При концентрациях Ме2О более 60 мол. в % создаются условия для образования изолированных тетраэдров SiО4. Кристаллизуются подобные расплавы чрезвычайно быстро, так как облегчаются условия переориентации структурных единиц, в то время как застывание расплава в виде стекла при этом затруднено.

Области стеклообразования в бинарных щелочно-силикатных системах непрерывны. В системе с Li2O содержание предельных концентраций SiO2 составляет 100—64 мол.%, с Na2О 100—48 мол.%, с К2О 100-46 мол. %, с TI2O 50—33 мол. %.

        Фосфатные стекла построены из тетраэдров [PО4]3 . Один из атомов кислорода тетраэдра не может участвовать в образовании связи с другими компонентами структуры из-за наличия двойной связи фосфор — кислород. В структуре фосфатных стекол мостиковыми могут быть только три атома кислорода фосфор кислородного тетраэдра.

        По данным рентгеноструктурного анализа расстояние Р—О в стеклах равно 0,157 нм, угол Р—О—Р—1400.

        В этом отношении структура Р203 отличается от структур других стеклообразователей, у которых все атомы кислорода мостиковые.

Пространственная структура фосфатных  стекол может состоять из колец различного размера, образованных чередующимися  атомами фосфора и кислорода, лент или цепочек из тетраэдров РО4.

        Результаты рентгеноструктурного анализа показывают, что структура двойных фосфатных стекол подобна структуре двойных силикатных стекол по следующим двум параметрам: структурной основной единицей являются тетраэдрические элементокислородные группировки; с добавлением модифицирующих оксидов растет число не мостиковых атомов кислорода.

        Согласно современным представлениям, все однофазные стекла имеют микронеоднородное строение. Речь идет об образовании в структуре микрообластей размером от 1 до 20 нм, отличающихся химическим составом или геометрическим упорядочением в расположении частиц. Прямые

 

10

 

доказательства микронеоднородного строения стекол были получены

методами рентгеноструктурного, электронномикроскопичес-кого, спектрального анализов.

        Микрообласти не имеют поверхностей раздела фаз. Они являются неотъемлемой частью структуры сложного однофазного стеклообразного силиката, но концентрация модифицирующих компонентов в них выше или ниже средней статистической.

        Идея о микронеоднородном строении стекол была заложена в гипотезе А. А. Лебедева и получила развитие в работах Е. А. Порай-Коши-ца, К. С.

Евстропьева, Н. В. Гребенщикова, О. С. Молчановой, С. П. Жданова.

        Щелочно-боросиликатные стекла являются одним из примеров того, что при микронеоднородном строении может наступить фазовое разделение, сопровождающееся образованием границ раздела фаз. При выщелачивании стекол в области составов, отмеченных на рис. 2.1, растворами соляной, уксусной и других кислот образуется высокопористый кремнеземистый каркас (95—96 % SiO2), сохраняющий исходную форму, размеры и прочность (кварцоидные стекла, викор). Средний диаметр пор, в которых располагается натриево-боратная фаза, составляет 2—6 нм.

 

 

        4 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИ

        ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

 

        Одним из самых популярных видов цемента является портландцемент, его ещё называют силикатным цементом. Узнать его можно по внешнему виду - это зеленовато-серый порошок. Как и все цементы, если к нему добавить воду, он при высыхании принимает каменеобразное состояние.    Однако различные виды строительства требуют и специфических качеств от цемента, поэтому сейчас производится выпуск нескольких специализированных видов портландцемента.

        Так, портландцемент с умеренной экзотермией применяется при строительстве в массивных бетонных конструкциях, которые часто подвергаются поочередному замораживанию и оттаиванию (в условиях пресной и слабо минерализованной воде). Таким строительством, например, является строительство гидротехнических сооружений. Специфика данного цемента в том, что он изготавливается из клинкера, содержание трехкальциевого силиката в котором не превышает 50%, а трехкальциевого алюминия - не более 8%. Такой цемент выпускается, как правило, под маркой прочности 300 или 400.

        При особо важном строительстве, где требуется быстрота схватывания материала, используется быстротвердеющий портландцемент. Прочность этого цемента интенсивно нарастает в первый период твердения - через 1 - 3

 

11

 

суток. Это достигается за счет введения в состав портландцемента большого

количества трехкальциевого силиката и трехкальциевого алюминия. Этот вид цемента очень тонко помолот.

        Часто проблемой становится хранение и перевозка портландцемента, т. к. при повышенной влажности происходит коррозия цементного камня, а при частом замораживании и оттаивании цементный материал теряет свои свойства. Чтобы избежать этого, было налажено производство гидрофобного портландцемента. В его состав включают 0,1 - 0,2% мылонафта, асидола, окисленного петролатума, синтетических жирных кислот и других гидрофобизующих поверхностно-активных добавок. Это создает особую оболочку (толщина её составляет всего одну молекулу) на частицах цемента, что придает ему особые свойства.

        Со второй половины XIX века портландцемент прочно вошел в строительную практику. В России над его созданием и совершенствованием много работал А.Р. Шуляченко, которого называют отцом русского цементного производства. Его заслуга состоит в том, что высококачественные отечественные портландцементы почти полностью вытеснили в России цементы иностранного производства. Русские ученные А.Р. Шуляченко, Н.А. Белелюбский и И.Г. Малюга в 1881 году разработали первые технические условия на цемент и предложили классификацию вяжущих. Ими были заложены основы современной науки о твердении вяжущих материалов. В 1856 году был пущен в действие первый русский завод по выпуску портландцемента в г. Гроздеце, затем были построены заводы в Риге (1866), Щурове (1870), Пунане-Кунда (1871), Подольске (1874), Новороссийске (1882), и т.д. К 1914 г. в России работало 60 цементных заводов общей производительностью около 1,6 млн. тонн цемента. Одновременно росло производство извести и гипса.

        В годы первой мировой войны и гражданской войны производство вяжущих материалов в нашей стране резко снизилось, так как многие заводы были разрушены. После установления Советской власти в нашем государстве цементную промышленность пришлось создавать практически заново. Лишь в 1927 году производство цемента превысило довоенный уровень.   Индустриализация и высокие темпы капитального строительства в СССР предопределили ускоренное развитие цементной промышленности. В 1962 году по выпуску цемента СССР вышел на первое место в мире. В 1971 году выпуск цемента в стране превысил 100 млн. тонн. Цементная промышленность СССР отличалась высокой концентрацией производства. Средняя мощность цементного завода в СССР была почти в 2 раза выше, чем в США, и на 30% выше, чем в Японии. Одновременно с совершенствованием технологии производства расширялся и ассортимент выпускаемых вяжущих материалов. Еще в начале века для строительства подземных и

 

12

 

гидротехнических сооружений начали применять пуццолановый портландцемент с повышенной водостойкостью.

        Развитие металлургии дало цементной промышленности возможность использовать для изготовления шлакопортландцемента и других видов шлаковых вяжущих доменные шлаки. В разработку этих видов цементов большой вклад внесли ученные А.Р. Шуляченко, И.А. Белелюбский, А.А. Байков, С.И. Дружинин, а затем В.А. Кинд, В.Н. Юнг, П.П. Будников, Ю.М. Бутт, С.Д. Окороков, Н.А. Торопов, С.М. Рояк и другие. Производство многокомпонентных цементов в наши дни приобрело важное значение, поскольку это простой и надежный путь экономии топливно-энергетических ресурсов. В соответствии с запросами строительства советскими ученными П.И. Боженовым, П.П. Гайджуровым, Л.Д. Ершовым, И.В. Кравченко, Т.В. Кузнецовой, В.В. Михайловым, В.В. Тимашевым, М.И. Хигеровичем и другими разработана технология производства соответствующих специальных цементов. Их ассортимент постоянно расширяется. В настоящее время в нашей стране выпускается около 30 видов цементов. Одновременно повышается качество цемента, растет средняя его марка.

 

 

5 АРМАТУРА ДЛЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ  ИЗДЕЛИЙ

 

        Элементы арматуры делятся на жёсткие (прокатные двутавры, швеллеры, уголки) и гибкие (отдельные стержни гладкого и периодического профиля, а также сварные или вязаные сетки и каркасы). Арматурные стержни могут быть стальными, стеклопластиковыми, древесного происхождения (бамбук) и др. Арматура класса А-3(рифленая).Строительная арматура, предназначенная для армирования обычных железобетонных конструкций, производится по ГОСТ 5781-82 и представляет собой круглую горячекатаную сталь гладкого и периодического профиля. В качестве материала (для арматура класса А3)используется углеродистая и низколегированная сталь марок Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст5сп, Ст5пс, 18Г2С, 10ГТ, 35ГС, 25Г2С, 32Г2Рпс и др. Стальную строительную арматуру класса а3 подразделяют: по классу арматура А3: А400С, А500С, А500СП, 25Г2С, В500С, 35ГС; по механическим качествам арматура А3: А-I (A240), A-II (A300), A-III (A400), A-IV (A600), A-V (A800), A-VI (A1000); Snabsz.ru Арматура А3-по способу изготовления: стержневая, канатная и проволочная арматура; Арматура А3-по технологии изготовления: горячекатаная, холоднокатаная; Арматура А3-по профилю: гладкая (арматура А-I) и периодического профиля* (арматура классов A-II-А-VI**); Арматура А3-по принципу работы: ненапрягаемая и напрягаемая; Арматура А3-по назначению: рабочая, распределительная и монтажная; Арматура А3-по способу установки: арматура сварная и вязаная в виде отдельных стержней,

 

 

13

сеток и каркасов; Снабсз.ру Арматура А3-по эксплутационным

характеристикам: свариваемая (С), термически упрочненная (Т), антикоррозийная (К), арматура для упроченной вытяжки (В). — Арматура периодического профиля (А3)— круглые  профили с двумя продольными  ребрами и поперечными выступами, идущими по трехзаходной винтовой линии.

        Арматуру А3 диаметром менее 10 мм поставляют в мотках, диаметром 10 мм — как в мотках так и в прутках, 12 мм и более — в прутках длиной от 6 до 12 м или мерной длины (чаще всего 11,7 метра). Арматурную сталь(А3)— нового поколения класса В500С для армирования железобетонных конструкций выпускается диаметром 5,0 мм; 6,0 мм; 8,0 мм; 9,0 мм; 10,0 мм; 12,0 мм; 14,0 мм (и любой промежуточный диаметр), изготовляемую по ТУ 14-1-5552-2007 Допускается изготовление арматурной стали класса A-V (А800) из стали марок 22Х2Г2АЮ, 22Х2Г2Р и 20Х2Г2СР. Размеры, указанные в скобках, изготовляют по согласованию изготовителя с потребителем

        Арматура классифицируется по ряду признаков: по назначению, ориентации в конструкции, условиям применения, по виду материала из которого арматура изготавливается.

        По назначению арматуру разделяют на:

рабочую арматуру

конструктивную

распределительную

монтажную

анкерную (закладные детали)

        Классификация арматуры по ориентации:

поперечная — арматура, которая  препятствует образованию наклонных  трещин от возникающих скалывающих  напряжений вблизи опор и связывает  бетон сжатой зоны с арматурой  в растянутой зоне;

продольная — арматура, которая  воспринимает растягивающие напряжения и препятствует образованию вертикальных трещин в растянутой зоне конструкции.

        По условиям  применения бывает: напрягаемая  арматура, ненапрягаемая арматура.Напрягаемая арматура в предварительно напряженных ж/б конструкциях может быть только рабочей.

        Совместную работу арматуры и бетона обеспечивает сцепление их по поверхности контакта. Сцепление арматуры с бетоном зависит от прочности бетона, величины его усадки, возраста бетона и от формы сечения арматуры и вида ее поверхности.

        Возможны пять видов контакта арматуры с бетоном:

соединения на связях сдвига;

трение;

 

14

сцепление (соединение с помощью  бетонирования стального элемента арматуры);

обжатие арматуры бетоном после  его усадки;

электрохимическое взаимодействие стальной арматуры и цементного раствора.

        Если арматура была подвергнута предварительному натяжению, то её называют напрягаемой. Натяжение служит для увеличения прочности железобетонной конструкции путём предотвращения образование трещин, уменьшения прогибов и снижения собственной массы конструкции — поскольку по весу требуется значительно меньше арматуры.