Портландцемент состоит из четырех основных компонентов: силиката трикальция (3CaO · SiO2), силикат дикальция (2CaO · SiO2), трехкальциевый алюминат (3CaO · Al2O3) и тетракальциевый алюмоферрит (4CaO · Al2O3Fe2O3). В сокращенных обозначениях, отличных от обычных атомных обозначений, эти соединения обозначаются как C3С, С2С, С3А и С4AF, где C означает оксид кальция (известь), S — кремнезем, A — оксид алюминия и F — оксид железа. Также присутствуют небольшие количества несвязанной извести и магнезии, щелочей и незначительных количеств других элементов.
Гидратация
Наиболее важными гидравлическими компонентами являются силикаты кальция, C2С и С3S. При смешивании с водой силикаты кальция реагируют с молекулами воды с образованием гидрата силиката кальция (3CaO · 2SiO2 · 3Н2O) и гидроксид кальция (Ca[OH]2). Этим соединениям даются сокращенные обозначения C – S – H (представленные средней формулой C3S2H3) и CH, а реакцию гидратации можно грубо представить следующими реакциями: 2C3С + 6Н = С3S2H3 + 3Ч 2С2С + 4Н = С3S2H3 + CH На начальной стадии гидратации исходные соединения растворяются, и при растворении их химических связей выделяется значительное количество тепла. Затем по непонятным до конца причинам гидратация прекращается. Этот период покоя или покоя чрезвычайно важен при укладке бетона. Без периода покоя не было бы цементовозов; заливка должна производиться сразу после смешивания.
После периода покоя (который может длиться несколько часов) цемент начинает затвердевать, так как образуются CH и C-S-H. Это вяжущий материал, который связывает цемент и бетон вместе. По мере гидратации происходит непрерывное потребление воды и цемента. К счастью, продукты C–S–H и CH занимают почти такой же объем, как исходный цемент и вода; объем приблизительно сохраняется, а усадка управляема.
Хотя приведенные выше формулы рассматривают C – S – H как определенную стехиометрию, с формулой C3S2H3, она вовсе не образует упорядоченной структуры однородного состава. C–S–H на самом деле представляет собой аморфный гель с сильно варьирующейся стехиометрией. Отношение C к S, например, может варьироваться от 1:1 до 2:1, в зависимости от состава смеси и условий отверждения.
Структурные свойства
Прочность, развиваемая портландцементом, зависит от его состава и степени измельчения. С3S в основном отвечает за прочность, развиваемую в первую неделю твердения, а C2S для последующего увеличения прочности. Соединения оксида алюминия и железа, которые присутствуют только в меньших количествах, вносят небольшой непосредственный вклад в прочность.
Затвердевший цемент и бетон могут ухудшиться из-за воздействия некоторых природных или искусственных химических веществ. Соединение оксида алюминия наиболее уязвимо для химического воздействия в почвах, содержащих сульфатные соли, или в морской воде, в то время как соединение железа и два силиката кальция более устойчивы. Гидроксид кальция, выделяющийся при гидратации силикатов кальция, также уязвим для воздействия. Поскольку цемент выделяет тепло при гидратации, бетон, уложенный большими массами, например, в плотинах, может вызвать повышение температуры внутри массы на 40 ° C (70 ° F) выше внешней температуры. Последующее охлаждение может стать причиной растрескивания. Наибольшую теплоту гидратации показывает C3А, за которым в порядке убывания следует С3С, С4АФ и С2S.
Виды портландцемента
Пять типов портландцемента стандартизированы в США Американским обществом по испытаниям и материалам (ASTM): обычный (тип I), модифицированный (тип II), высокопрочный (тип III), низкотемпературный (тип IV) и сульфатоустойчивые (тип V). В других странах тип II опускается, а тип III называется быстротвердеющим. Тип V известен в некоторых европейских странах как цемент Феррари.
Существуют также различные другие специальные типы портландцемента. Цветные цементы получают путем растирания 5—10% подходящих пигментов с белым или обыкновенным серым портландцементом. Воздухововлекающие цементы получают добавлением при помоле небольшого количества (около 0.05 %) органического вещества, вызывающего унос очень мелких пузырьков воздуха в бетоне. Это повышает устойчивость бетона к повреждениям при замораживании-оттаивании в холодном климате. В качестве альтернативы воздухововлекающий агент может быть добавлен в качестве отдельного ингредиента в смесь при приготовлении бетона.
К низкощелочным цементам относятся портландцементы с общим содержанием щелочей не более 0.6%. Они используются в бетоне, изготовленном из определенных типов заполнителей, которые содержат форму кремнезема, которая вступает в реакцию со щелочами, вызывая расширение, которое может разрушить бетон.
Кладочные цементы используются в основном для строительных растворов. Они состоят из смеси портландцемента и молотого известняка или другого наполнителя вместе с воздухововлекающей или водоотталкивающей добавкой. Водостойкий цемент — это название, данное портландцементу, в который добавлен водоотталкивающий агент. Гидрофобный цемент получают путем измельчения портландцементного клинкера с пленкообразующим веществом, таким как олеиновая кислота, для снижения скорости разрушения цемента при хранении в неблагоприятных условиях.
Тампонажные цементы используются для цементных работ при бурении нефтяных скважин, где они подвергаются воздействию высоких температур и давлений. Обычно они состоят из портландцемента или пуццоланового цемента (см. ниже) со специальными органическими замедлителями схватывания, предотвращающими слишком быстрое схватывание цемента.
бетон
Несмотря на то, что были приложены все усилия для соблюдения правил стиля цитирования, могут быть некоторые расхождения. Пожалуйста, обратитесь к соответствующему руководству по стилю или другим источникам, если у вас есть какие-либо вопросы.
Наши редакторы рассмотрят то, что вы отправили, и решат, следует ли пересматривать статью.
Несмотря на то, что были приложены все усилия для соблюдения правил стиля цитирования, могут быть некоторые расхождения. Пожалуйста, обратитесь к соответствующему руководству по стилю или другим источникам, если у вас есть какие-либо вопросы.
Наши редакторы рассмотрят то, что вы отправили, и решат, следует ли пересматривать статью.
Бетон состоит из твердого и химически инертного дисперсного вещества, называемого заполнителем (обычно из песка и гравия), связанных вместе цементом и водой.
В 1824 году английский изобретатель Джозеф Аспдин сжег и измельчил смесь известняка и глины. Эта смесь, называемая портландцементом, остается доминирующим вяжущим веществом, используемым в производстве бетона.
На прочность бетона влияют факторы окружающей среды, особенно температура и влажность. Если он высохнет преждевременно, он может быть не в состоянии противостоять неравным растягивающим напряжениям. Низкие температуры также могут оказать неблагоприятное воздействие.
Прочтите краткий обзор этой темы
бетон, в строительстве, конструкционный материал, состоящий из твердого, химически инертного зернистого вещества, известного как заполнитель (обычно песок и гравий), который связан вместе цементом и водой.
У древних ассирийцев и вавилонян в качестве связующего вещества чаще всего использовалась глина. Египтяне разработали вещество, более похожее на современный бетон, используя в качестве связующих известь и гипс. Известь (оксид кальция), получаемая из известняка, мела или (где это было доступно) раковин устриц, оставалась основным пуццолановым или цементообразующим веществом до начала 1800-х годов. В 1824 году английский изобретатель Джозеф Аспдин сжег и измельчил смесь известняка и глины. Эта смесь, называемая портландцементом, остается доминирующим вяжущим веществом, используемым в производстве бетона.
Заполнители обычно классифицируются как мелкие (размером от 0.025 до 6.5 мм [от 0.001 до 0.25 дюйма]) или крупные (от 6.5 до 38 мм [0.25 до 1.5 дюйма] или больше). Все заполнители должны быть чистыми и не содержать примесей мягких частиц или растительных веществ, поскольку даже небольшое количество органических соединений почвы приводит к химическим реакциям, серьезно влияющим на прочность бетона.
Бетон характеризуется типом используемого заполнителя или цемента, особыми качествами, которые он проявляет, или методами, используемыми для его производства. В обычном конструкционном бетоне характер бетона во многом определяется водоцементным отношением. Чем ниже содержание воды, при прочих равных условиях, тем прочнее бетон. В смеси должно быть столько воды, чтобы каждая частица заполнителя была полностью окружена цементным тестом, чтобы пространство между заполнителями было заполнено, а бетон был достаточно жидким, чтобы его можно было заливать и эффективно распределять. Еще одним фактором долговечности является количество цемента по отношению к заполнителю (выраженное в виде трехчастного соотношения – цемента к мелкому заполнителю и к крупному заполнителю). Там, где требуется особенно прочный бетон, заполнителя будет относительно меньше.
Прочность бетона измеряется в фунтах на квадратный дюйм или килограммах на квадратный сантиметр усилия, необходимого для разрушения образца заданного возраста или твердости. На прочность бетона влияют факторы окружающей среды, особенно температура и влажность. Если дать ему высохнуть преждевременно, он может испытывать неравные растягивающие напряжения, которым в несовершенно затвердевшем состоянии противостоять невозможно. В процессе, известном как отверждение, бетон остается влажным в течение некоторого времени после заливки, чтобы замедлить усадку, возникающую по мере его затвердевания. Низкие температуры также негативно сказываются на его прочности. Чтобы компенсировать это, к цементу примешивают такую добавку, как хлорид кальция. Это ускоряет процесс схватывания, что, в свою очередь, приводит к выделению тепла, достаточного для противодействия умеренно низким температурам. Большие бетонные формы, которые не могут быть надлежащим образом покрыты, не заливают при отрицательных температурах.
Бетон, затвердевший на закладном металле (обычно стали), называется железобетоном или железобетоном. Его изобретение обычно приписывают Жозефу Монье, парижскому садовнику, который делал садовые горшки и кадки из бетона, армированного железной сеткой; он получил патент в 1867 году. Арматурная сталь, которая может иметь форму стержней, стержней или сетки, обеспечивает прочность на растяжение. Обычный бетон плохо выдерживает нагрузки, такие как воздействие ветра, землетрясения, вибрации и другие силы изгиба, и поэтому не подходит для многих конструкционных применений. В железобетоне прочность стали на растяжение и прочность бетона на сжатие делают элемент способным выдерживать тяжелые напряжения всех видов на значительных пролетах. Текучесть бетонной смеси позволяет расположить сталь в точке или вблизи точки, где ожидается наибольшее напряжение.
Еще одним нововведением в каменном строительстве является использование предварительно напряженного бетона. Это достигается за счет процессов предварительного или постнатяжения. При предварительном натяжении отрезки стальной проволоки, тросов или тросов укладываются в пустую форму, а затем натягиваются и закрепляются. После заливки бетона и его схватывания анкеры освобождаются, и, поскольку сталь стремится вернуться к своей первоначальной длине, она сжимает бетон. В процессе предварительного натяжения сталь пропускается через каналы, сформированные в бетоне. Когда бетон затвердеет, сталь крепится к внешней стороне элемента с помощью какого-либо захватного устройства. Прикладывая к стали измеряемое усилие растяжения, можно точно регулировать величину сжатия, передаваемого бетону. Предварительно напряженный бетон нейтрализует силы растяжения, которые могут разрушить обычный бетон, сжимая область до точки, в которой напряжение не ощущается до тех пор, пока не будет преодолена прочность сжатой секции. Поскольку он достигает прочности без использования тяжелой стальной арматуры, он с большим успехом использовался для создания более легких, неглубоких и более элегантных конструкций, таких как мосты и обширные крыши.
В дополнение к своей огромной прочности и изначальной способности адаптироваться практически к любой форме, бетон является огнестойким и стал одним из самых распространенных строительных материалов в мире.
Редакторы Британской энциклопедии Эта статья была недавно отредактирована и обновлена Адамом Августином.
