erohina_l.a._himiya_v_stroitelstve_2012

гают во внутреннем слое комбинированных слоистых ограждающих конструкций. Наилучший эффект получают, закрепляя теплоизоляционные плиты снаружи, когда исключается возможность накопления влаги внутри стены.

Какустическим изделиям относятся перфорированные пластмассы (винипласт, оргстекло, полиэфирный стеклопластик) в сочетании со звукопоглощающим слоем минераловатных плит.

В качестве гидроизоляционных материалов применяют полипропиленовые, полиэтиленовые, полиизобутиленовые, бутилкаучуковые плёнки, а также плёнки из поливинилхлорида, модифицированного синтетическим каучуком. Жёсткий поливинилхлорид, армированный тканью, стеклопластики, органическое стекло используют для устройства светопропускающей кровли для оранжерей, спортивных площадок, торговых центров и др.

Широкое распространение в системе водоснабжения получили трубы из пластмасс. Они не корродируют, лёгкие, надёжно соединяются фасонными элементами или сваркой.

Напорные трубы изготовляют из полиэтилена, винипласта, полипропилена. Безнапорные канализационные – из полиэтилена и винипласта, дренажные – из полиэтилена. Вентиляционные короба, желоба наружных водостоков делают из листового винипласта.

Полимерные материалы используют для изготовления оконных переплётов (полиэфир, поливинилхлорид). Из стеклопластика изготавливают кровельные панели, зонтичные конструкции, объёмные санитарно-технические блоки.

Для создания пневматических конструкций (воздухоопорных) используют ткани из синтетических волокон, стеклоткани с воздухонепроницаемыми покрытиями из поливинилхлорида или резины, а также полиэтиленовые, полиэфирные плёнки, армированные синтетическим волокном.

4.3Битумы

Куглеводородным материалам относятся битумные и дёгтевые составы. Они имеют идентичный вещественный состав (45-65% масел, 15-30% смол, 10-30% углеродных частиц), в дёгте больше масел, в битуме – смол. Химический состав битума связан с составом нефти, из которой его получают. И зависит от количества углеводородов: С9Н20 - С30Н62. Производство искусственных битумов основано на технологии переработки нефти. В зависимости от способа получения битума из гудрона его называют:

– окисленным (получают окислением – продувкой воздухом гудрона при температуре 450-600°С);

82

дится при помоле портландцемента до 40%. Такой цемент называют пуццолановым цементом. Можно использовать шлакопортландцемент, где в качестве активной минеральной добавки присутствует молотый доменный шлак до 60%, в котором также есть аморфный кремнезём. Выделяющийся Са(ОН)2 вступает в химическую реакцию с аморфным кремнезёмом этой добавки и превращается в гидросиликат кальция, имеющий очень низкую растворимость в воде. Эти цементы можно использовать и при опасности магнезиальной коррозии, и при действии слабых кислот. При воздействии сильных кислот цементный камень защитить невозможно, его надо заменить кислотостойкими композициями на основе керамики, каменного литья или полимербетона.

Задача по снижению пористости цементного камня решается повышением его плотности. Причинами возникновения пористости является: зернистость компонентов, неплотности при укладке смеси, присутствие избыточной воды затворения в тесте при его изготовлении. С водою тесто пластичнее, легче перемешивается. Но на химическую реакцию гидратации требуется всего 18-20% воды от массы цемента, остальная вода после укладки растворной массы испарится и оставит капилляры и поры, увеличивающие поверхность контакта цементного камня свреднойсредой. Общаявеличинапористостисоставляетоколо30%.

Сокращение пористости цементного камня будет эффективной защитой от всех видов коррозии. Чтобы увеличить плотность формуемого материала, есть способы более плотной упаковки частиц компонентов. Одним из них является снижение поверхностного натяжения воды, когда вода лучше смачивает частицы при ничтожной толщине прослойки между ними. Вещества, изменяющие поверхност-

ноенатяжениежидкости, называютповерхностно-активнымивеществами(ПАВ).

ПАВ представляют собой органические порошки или жидкости (углеводороды) с высокой удельной поверхностью, понижающие поверхностное натяжение воды (гидрофильные) или повышающие его (гидрофобные). Эти вещества изменяют угол смачивания (рис. 9), занимают ориентированное положение в поверхностном слое, облегчающее перемешивание бетонной смеси с малым количеством воды. Такие вещества назвали пластификаторами, они увеличивают пластичность растворных смесей. При добавлении этих веществ в строительный раствор полярные части молекул ПАВ располагаются на поверхности раздела твёрдых частиц и жидкости, а другая, неполярная часть молекулы, располагается перпендикулярно к поверхности воды, образуя мономолекулярный слой (рис. 8). Этот слой, как масло, обволакивая твёрдую частицу, способствует более лёгкому перемешиванию компонентов с меньшим количеством жидкости.

59

Рис. 8 – Расположение молекул ПАВ на поверхности раздела вода-воздух [2]

Рис. 9 – Схема гидрофильного и гидрофобного вещества на поверхности [2]

Длина углеводородного радикала оказывает значительное влияние на поверхностную активность молекул. С увеличением длины неполярной части молекулы повышается их способность переходить из объёма раствора в поверхностный слой, повышая эффект пластификации.

Изменение поверхностного натяжения жидкости под воздействием ПАВ влияет на смачиваемость твёрдых тел. Молекулы воды полярны, она хорошо смачивает поверхности силикатов, но хуже – поверхности карбонатов, некоторых кристаллических пород, пластмасс. При введении ПАВ в воду её поверхностное натяжение снижается, т. е. наблюдается улучшение смачивания частиц. При этом воды требуется меньше для изготовления строительной смеси, она хорошо и однородно перемешивается и укладывается в форму с более плотной упаковкой частиц.

В современной технологии бетона широко применяют поверхностноактивные вещества в малых дозах (0,03-0,5% от массы цемента) при изготовлении изделий. Расположение ПАВ на границе раздела толщиной всего в один молекулярный слой стабилизирует коллоидную систему, позволяет снизить количество воды, улучшить при этом удобоформуемость смеси и, если прочность

60

Полимербетоны (пластобетоны) – бесцементные бетоны на полимерном связующем: термореактивные смолы, например, полиэфирные, эпоксидные, фурановые, кумарон-инденовые с соответствующими отвердителями. В качестве наполнителя используют мелкодисперсные минеральные порошки из кремнезёма, андезита, барита, гранита и др. При необходимости используют крупный заполнитель – до 50% гранитного щебня.

Полимербетоны могут изготавливать сверхтяжёлыми (ρ= 3,5-4 г/см3), тяжёлыми (2,2-2,4 г/см3), лёгкими (1,6-1,8 г/см3) и особо лёгкими (≤0,5 г/см3) с порообразователями. Твердение полимербетона может происходить в естественных условиях в течение 20-60 суток, можно ускорить твердение, подвергая его сухому прогреву до 60-90°С. Свойства полимербетона определяются типом связующего, соотношением и видом заполнителей, однородностью состава, степенью отверждения. Прочность может быть от 5-10 МПа до 70-110 МПа; водопоглощение за24 часа– 0,01-0,3%, морозостойкость – нениже 300-500 циклов.

Перегруппировка молекулярной структуры при отверждении сопровождается усадкой. У чистых эпоксидных полимеров она составляет от 1-2% до 7-9% – для полиэфирных. Усадку снижают введением минеральных наполнителей и уменьшением доли полимера. Так, в полимербетоне на полиэфирных смолах она составляет 0,3-0,5%, на эпоксидном полимере 0,05-0,1%, т. е. ниже, чем на цементных бетонах. Такой бетон применяют для изготовления конструкций, эксплуатирующихся в неблагоприятных условиях: эстакады, электролизные ванны, полы в цехах с химическими реагентами, сваиввечномёрзлых грунтахидр.

Полиуретаны получают ступенчатой полимеризацией со степенью кристалличности до 70%. Синтезируют пространственную сетку с высокой подвижностью, способную восстанавливаться при термических и механических воздействиях. Полиуретаны атмосферостойки, водостойки, стойки к углеводородам, маслам и разбавленным кислотам. Применяют их для приготовления антикоррозионных лаков, клеев, замазок, мастик, обладающих высокой адгезией к пластикам, бетону и металлу. Полиуретановые плёнки наносят на поверхность линолеума для повышения устойчивости к истиранию.

Из полиуретана изготавливают строительную монтажную самоотверждающуюся (в процессе трёхмерной полимеризации) пену. Газонаполненные полиуретаны (пенополиуретаны) применяют для заполнения щелей, стыков при монтаже конструкций, в качестве тепло- и звукоизоляционных материалов.

Теплоизоляционные материалы получают, вспенивая полимеры, что отражается в их названиях: пенополиэтилен, пенополиуретан, пенополистирол, пенополиформальдегид, пенополивинилхлорид и др. Эти утеплители распола-

81

Стеклотекстолит получают при горячем прессовании полотнищ стеклоткани, пропитанных фенолформальдегидной смолой. Используют его для изготовления крупногабаритных панелей, плит для стен и перекрытий зданий, сборных конструкцийскладов, гаражей, дляизготовленияоконныхпереплётовит. д.

Пластические массы на основе мочевиноформальдегидных смол называют аминопластами. Они входят в состав облицовочных и древесностружечных плит, искусственного мрамора (в качестве связующего с цементом и мраморной крошкой), термо- и огнестойких пенопластов (мипора), используемых в качестве термоизоляции.

Отверждённые меламиноформальдегидные полимеры (смолы) – это бесцвет-

ные прозрачные светостойкие легкоокрашиваемые полимеры с хорошей теплостойкостью и высокой водостойкостью. В качестве связующего они используются для производства прессованных материалов в сочетании с такими наполнителями как: древесный шпон, ткань, бумага, целлюлоза и др. Меламиноформальдегидные полимеры используют в качестве лаков холодной и горячей сушки; модифицированные касторовым маслом, сохраняют хорошую механическую прочность при высокой температуре. Совмещением с нитратами целлюлозы получают нитролаки, которыеидутнапокрытиемебелииизделийиздревесины.

При поликонденсации многоатомных спиртов получают полиэфиры, используемые для изготовления стеклопластиков и санитарно-технических изделий. Из них получают клеи, соединяющие стеклопластики с асбестоцементными, древесно-волокнистыми плитами и сотопластами. Их используют при изготовлении шпаклёвочных масс, применяемых для гидро- и пароизоляции бетона и наливных полов, приобретающих после отверждения высокую ударную прочность, стойкость к истиранию, действию воды и агрессивных сред. Стеклоткань или волокно, пропитанные растворами полиэфиров в стироле, после отверждения превращаются в стеклопластики, не уступающие по прочности стали. Из них делают ванны, трубы и т. д.

Эпоксидные полимеры – это тоже полиэфиры, после отверждения приобретают пространственную трёхмерную структуру. По прочностным показателям они превосходят все остальные полимерные материалы, применяемые в строительстве: их прочность при растяжении достигает 140 МПа, при сжатии – 40 МПа, при изгибе – 220 МПа. Эпоксидные полимеры имеют высокую адгезию к бетонам, металлам, пластмассам, атмосферо-, водо- и химически стойки. На их основе готовят конструкционные клеи, клеевые композиции, лакокрасочные материалы, химические мастики, замазки и полимербетоны. Такие полимеры используют для гидроизоляции железобетонных сооружений и антикоррозионной защиты металлических конструкций.

80

позволяет, снизить количество цемента. Но необходимо учитывать, что эффективность ПАВ возрастает с увеличением содержания цемента в смеси. При адсорбции цементом пластификатора твёрдые частички лучше смачиваются водой, повышается пластичность и подвижность смеси. Если ПАВ обладает гидрофобизующим действием, то твёрдые частицы цемента становятся гидрофобными, затвердевшие изделия не смачиваются водой.

Применение пластификаторов позволило увеличить плотность растворов и бетонов, так как при снижении количества воды затворения подвижность смеси не снижается, а плотность цементного камня с меньшим количеством воды увеличивается. Вместе с уплотнением структуры увеличивается водонепроницаемость и морозостойкость. Традиционные пластификаторы позволяют снизить водоцементное отношение (В/Ц) на 5-15%, новые суперпластификаторы – на 30%.

Способность бетона сопротивляться разрушению при замерзании влаги в поровом пространстве увеличивают введением в смесь воздухововлекающих добавок ПАВ. При перемешивании смеси образуются обособленные воздушные пузырьки микроскопического размера, способные разместить в своём пространстве отжимаемую из капилляров замерзающую влагу и тем снять напряжение в тончайших капиллярах. Кроме этого, вовлеченный воздух улучшает удобоукдадываемость смеси с меньшим количеством воды, что уплотняет структуру.

Уплотняют структуру современных высококачественных бетонов, вводя в

смесь минеральные добавки-уплотнители: микрокремнезёмы, глинозёмы, некоторые золы и специально составленные модификаторы. Минеральные частички этих добавок имеют высокую удельную поверхность, в десятки раз выше, чем у цемента и пуццоланическую активность, т. е. вступают в химическое взаимодействие с гидроксидом кальция.

Уплотняют бетонные смеси при укладке их в формы и механическими способами: прокатом, виброуплотнением, прессованием, вакуумированием, центрифугированием и др.

Выполнение третьего пункта (применения защитных мер) необходимо в случае эксплуатации бетона в сильно агрессивной среде, когда первичные меры защиты недостаточны. Тогда применяют вторичную защиту: покрытия, облицовки, футеровки, покраски, пропитки и прочее. Это плёночные покрытия, масляные и полимерные краски, лаки; устройство плиточного покрытия на слой раствора, пропитка водонерастворимыми соединениями. Гидрофобизация поверхности бетона – пропитка кремнийорганическими полимерами или жидкой серой – закупоривает капилляры или образует сплошную защитную плёнку, защищая поверхность от агрессивного воздействия.

61

Используют и неорганические покрытия, наносимые на поверхность в жидком виде с последующим отверждением – это флюатирование. Водным раствором ΜgSiF6 обрабатывают поверхность цементного камня, содержащего выделяющийся при гидратации гидроксид кальция, происходит реакция с образованием нерастворимых солей, закупоривающих капилляры:

MgSiF6 + 2Ca(OH)2 = MgF2 + 2CaF2 + SiO2 · 0,5H2O + 1,5H2O.

3.3 Бетоны

Бетонами называют искусственно сцементированные (склеенные) заполнители размером от 0,16 мм до 40 мм в единое тело заданной формы. Клеющим (цементирующим) веществом обычно являются различные минеральные или органические вяжущие. В качестве минеральных вяжущих применяют цемент, известь, гипс и даже глину и др. Бетон на основе цемента называют цементным бетоном, на основе известково-кремнезёмистой смеси – силикатным, на гипсо-

вом вяжущем – гипсобетоном, на основе глины – глинобетоном.

Бетон на основе битума чаще называют асфальтобетоном или просто асфальтом, бетоны на смолах и латексах называют пластмассами, пластбетонами, полимербетонами. В качестве заполнителей используют наиболее доступные и дешёвые природные материалы – щебень или гравий плотных горных пород и песок. Заполнителями их называют потому, что они почти полностью (на 80 и более чем на 90%) заполняют объём бетона. При изготовлении бетона с использованием в качестве заполнителя одних только мелких фракций каменных горных пород его называют мелкозернистымбетоном, чаще– строительнымраствором.

Каким образом цемент – порошковый материал – склеивает разный заполнитель в одно целое, превращая смесь в камень? После смешивания цемента с водой, между его зёрнами и водой начинается химическое взаимодействие. Вокруг каждого зёрнышка образуется гель – масса, поглощающая часть воды и способная склеивать все сыпучие материалы в замесе. Чем меньше она разжижена, тем лучше связывает все компоненты, превращая массу в бетон после отвердевания.

В технологии бетонных работ различают подвижные и жёсткие смеси. Подвижность определяется осадкой изготовленного из смеси конуса (ОК). Чем больше осадка, тем подвижнее бетонная смесь. Жёсткой называют смесь, которая не имеет осадка (ОК = 0 см), малоподвижная – имеет ОК = 1-4 см, подвижная – 5-9 см, весьма подвижная – 10-15 см, текучая – 16-20 см, более 21 см – литая смесь.

62

−высокие оптические свойства прозрачных пластмасс с близким коэффициентом преломления у обычного оконного стекла;

−лёгкость обработки (литьё, прессование, экструзия и др.).

К отрицательным характеристикам можно отнести:

−низкую теплостойкость большинства пластмасс (70-200°С);

−низкая поверхностная твёрдость;

−высокий температурный коэффициент расширения;

−повышенная ползучесть под действием механической нагрузки, возрастающая с повышением температуры;

−горючесть;

−токсичность некоторых пластмасс, их компонентов.

Области применения полимеров в строительстве чрезвычайно разнообразны – от конструктивных элементов до оборудования помещений. Наибольший эффект в строительстве получен при сочетании полимерных материалов с железобетоном, металлом, стеклом, асбоцементом. Так как полимеры разделяют по свойствам на термопластичные и термореактивные, их соответственно и используют. Общие требования к отделочным и конструкционно-отделочным материалам – достаточный ассортимент, соответствие необходимым физикомеханическим показателям, художественно-декоративным характеристикам.

Полимеризационные полимеры, имеющие линейную структуру и низкую температуростойкость, нельзя использовать для получения конструкционных пластмасс. Они нашли широкое применение для изготовления покрытий для пола, плёночных материалов, гидро- и теплоизоляции, для производства труб, отделочныхматериалов, герметиков, санитарно-техническогооборудованияидр.

Материалы для ограждающих конструкций должны обладать высокой механической прочностью, атмосферостойкостью, повышенной температуростойкостью, отсутствием зарядов статического электричества. Такими свойствами обладают термореактивные полимеры – реактопласты. К ним относятся: фенолформальдегидные резольные смолы, которые постепенно твердеют и при нагревании становятся неплавкими, образуя пространственную структуру. Фенолформальдегидные смолы широко используют для производства клеев, спиртовых лаков, эмалей, политур. Ониприменяются вкачестве связующего приизготовлении древесно-волокнистых и древесно-стружечных плит, сотопластов и стеклотекстолита, а также крупногабаритных панелей, плит для стен и перекрытий зданий, сборных конструкций складов, гаражей идр. Пропитанный фенолформальдегидной смолой бумажно-слоистый пластик (гетинакс) применяют как электроизоляционный и конструкционный материал в электротехнике, а также для изготовления деталейсборныхдомов, перегородок, плитокдляполаидр.

79

нии полимерные радикалы, формируя новый малоактивный радикал. Цепная реакция останавливается. В качестве таких антиоксидантов применяют фенолы, амино-группы, оксиды некоторых металлов, сульфиды и фосфиты.

Антипирены добавляют в состав полимеров для снижения горючести. Это галогенсодержащие и фосфорорганические соединения.

Полимеры в чистом виде для производства строительных материалов применяются только в виде клеев, лаков. В основном они используются как связующее для изготовления композиционных материалов. Изделия, изготавливаемые с ними, в технологическом процессе имеют вязкую пластичную массу, потому и получили название пластмассы. В составе пластмассы кроме связующего большую часть объёма занимает наполнитель, обязательно есть пластификатор для улучшения пластичности массы, её формуемости. Молекулы пластификатора, проникая в полимер, распределяются между его макромолекулами и уменьшают взаимодействие между ними. В результате увеличивается подвижность молекулярных цепей. Необходимы и другие технологические добавки: стабилизаторы, красители, отвердители или катализаторы и т. д.

Наполнители – инертные вещества, заполняющие объём, повышают твёрдость, прочность, температуростойкость, а также удешевляют композицию. Активные наполнители приводят к изменению структуры полимера, расширяют число связей макромолекул. Наполнители бывают порошковые (мел, тальк, молотый известняк и др.), волокнистые (асбестовое, стеклянное, хлопковое, древесное волокно и др.), листовые (бумага, ткань, картон, древесный шпон и др.). Сочетание связующего с наполнителем позволяет снизить усадочные деформации и деформации ползучести при нагрузках.

Стабилизаторы повышают долговечность полимера в композиции, препятствуя разложению при действии света, тепла, атмосферных факторов.

Катализаторы ускоряют химические процессы отверждения пластмассы. Красители (пигменты) придают пластмассам цвет. Они бывают органическо-

гоиминеральногопроисхождения(охра, сурик, умбра, ультрамаринидр.). Ценными качествами пластических масс являются:

−малая масса изделий из пластмассы, так как её плотность может быть от 15 до 2200 кг/м3;

−высокий коэффициент конструктивного качества, так как пластмассы имеют высокие прочностные показатели, особенно с пластинчатыми наполнителями;

−низкая теплопроводность, особенно воздухонаполненных пластмасс

(0,025-0,7 Вт/м°С);

78

Жёсткую и малоподвижную бетонную смесь укладывают в неармированные или малоармированные конструкции: фундаменты, полы, дорожные покрытия, а также используют при изготовлении железобетонных изделий. Подвижную смесь укладывают в конструкции с редким расположением арматуры: колонны, массивные балки и плиты. Более подвижные смеси применяют в железобетонных конструкциях, обильно насыщенных арматурой: ажурных конструкциях, тонких стержнях, бункерах и т. п. Количество воды затворения, влияющее на подвижность бетонной смеси, определяют, исходя из требуемых показателей удобоукладываемости, пользуясь таблицами и графиками, составленными на основании практических данных с учётом вида и крупности заполнителя. Удобоукладываемость бетонной смеси зависит от вязкости цементного раствора и объёма вяжущего вещества.

Для получения прочного бетона следует брать меньше воды, но смесь должна быть однородной и при укладке в форму обладать такой подвижностью, чтобы частички как можно ближе и плотнее прилегали одна к другой. Если будет мало воды, не все зёрна цемента будут достаточно смочены, не появится в достаточной мере цементного клея (геля), смазывающего и склеивающего все заполнители. Кроме того, цементный гель уменьшает трение между зёрнами заполнителя, они легче перемешиваются до однородного состояния, плотнее укладываются, легче формуются, снижается пустотность, что ведёт к снижению расхода вяжущего и повышению плотности бетона.

Для упрочнения свежеуложенный бетон должен твердеть при температуре 15-20°С и высокой влажности 95-100%. Это объясняется тем, что процесс твердения происходит лишь в том случае, если вода находится в жидком состоянии. Если высокая температура, то вода испаряется и её не хватает на гидратацию, если вода замерзает, то реакции гидратации нет, строение молекулы воды видоизменяется, активность воды понижается. Цементный гель в отсутствии воды обезвоживается, происходит усадка.

Цементный гель лучше всего скрепляется с заполнителями, имеющими шероховатую остроугольную поверхность. Поэтому горные и овражные пески, а также дроблёный угловатый крупный заполнитель предпочтительнее речных и морских песков, а также гладко-окатанного гравия, но в овражных песках бывают вредные примеси в виде слюды, гипса, глины, гумуса и др., препятствующие лучшему сцеплению с цементным гелем. Частички глины способны разбухать от воды, органические примеси (гумусовые кислоты) вступают в химическое соединение с частицами цемента, что не способствует качеству бетона, снижает его химическую стойкость и долговечность. Поэтому все сырьевые материалы подлежат стандартным испытаниям, фракционированию (разделению по размерам) и очищению (обогащению).

63

Подобными мелкозернистому бетону являются силикатные материалы, в том числе силикатный кирпич. Его изготавливают из смеси кварцевого песка (на 92-95%) и извести 8-5% в расчёте на оксид кальция с помощью прессования под большим давлением. Воды вводят всего 8-10%. Благодаря запариванию острым паром под давлением 0,8-1,2 МПа при температуре 175°С в автоклаве частично растворённый в воде кварцевый песок начинает реагировать с известью с образованием прочных гидросиликатов кальция:

Са(ОН)2 + SiO2 = CaO · SiO2 · H2O.

Чтобы увеличить прочность, водостойкость и морозостойкость силикатных изделий, их после изготовления выдерживают на складе не менее двух недель. За это время происходит упрочнение с поверхности за счёт реакции углекислого газа с оставшейся свободной известью. При выгрузке из автоклава эта известь карбонизируется, постепенно переходит в карбонат кальция, что приводит к повышению прочности и твёрдости силикатных изделий. Если хотят уменьшить плотность и коэффициент теплопроводности, например силикатного кирпича, часть песка в его составе заменяют шлаком или золой.

Силикатный кирпич применяют для кладки внешних и внутренних стен, но нельзя его использовать для кладки печей и труб. При воздействии высокой температуры (выше 500°С) в нём происходит дегидратация свободной извести Са(ОН)2 с растрескиванием, при более высокой температуре – полиморфные превращения кварца, содержащегося в песке, а при температуре 900°С – разла-

гается карбонат кальция.

Лёгкие бетоны получают из тех же вяжущих и той же известковокремнезёмистой смеси, что и тяжёлые, но с добавлением в растворную смесь до её отвердевания порообразователей: пенообразователей или газообразовате-

лей. Если смешать пену с цементным тестом, получится подвижная пенистая масса, состоящая из пены и цементного геля. По мере затвердевания этой массы образуется ячеистый материал, где ячейки (пузырьки) занимают до 90% всего объёма, поэтому такой материал называют ячеистым бетоном. Плотность его может иметь показатели в зависимости от количества введённой пены от 250 до 700 кг/м3. В наименовании полученного бетона звучит способ образования ячеек и взятое вяжущее: пенобетон, пеносиликат, пеногипс, или пеномагнезит. Ячеистый бетон, полученный с помощью газообразователя (химическим способом), также звучит в названии разновидностей ячеистого бетона: газобетон, газосиликат, газогипс и другие.

Газообразование, обеспечивающее получение ячеистой массы, происходит вследствие химической реакции между газообразователем и гидратом окиси

64

твёрдом состоянии возможны только колебательные движения атомов в цепях и боковых группах.

Твёрдые аморфные полимеры называют (по аналогии с минералами) стеклообразными. Аморфные полимеры с линейной структурой могут находиться в стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем состоянии, а при изменении температуры переходить из одного в другое. Деформация полимера под действием внешней силы или при изменении температуры и обратный возврат в исходное состояние не сопровождается мгновенной перестройкой внутренней структуры. Для этого требуется промежуток времени, называемый релаксацией. Три фазовых состояния реализуются только у полимеров с линейными и разветвлёнными основными цепями. По отношению к температуре по-

лимеры разделяют на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные – при нагревании плавятся, переходят в вязкие жидкости без химических превращений. Их температуростойкость составляет 60-130°С, исключение – политетрафторэтилен, выдерживающий температуру свыше 400°С. При понижении температуры до нормальной они возвращаются в исходное состояние. Это полимеры с линейными и разветвлёнными цепями: полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилацетат, полиизобутилен и другие (полимериизационные полимеры).

Термореактивные полимеры при нагревании не плавятся, не размягчаются, они могут обуглиться, сгореть, но не размягчиться. Температуростойкость термореактивных полимеров выше и составляет для большинства 200-300°С. Есть и более термостойкие такие, как кремнийорганические полимеры, их температуростойкость около 500°С. При достижении температуростойкости начинается разрыв отдельных связей, цепей и температурная деструкция. К термореактивным относятся полимеры с пространственной структурой: фено- ло-формальдегидные, карбамидные, эпоксидные, полиэфиры, полиуретаны, кремнийорганические полимеры и др. (поликонденсационные полимеры).

При механической деструкции происходит деформация, изменение структуры, связанное с разрывом макромолекул. В присутствии кислорода воздуха могут возникнуть свободные радикалы, инициирующие окислительную деструкцию, что ускоряет процесс разрушения полимера. Солнечная радиация, химические вещества также деструктивны к высокомолекулярным соединениям, вызывают разрывы связей между цепями и группами, что называют старением полимеров.

С целью замедления процессов старения полимеров в состав добавляют стабилизаторы, антиоксиданты. Они блокируют образующиеся при окисле-

77

Происходит химический процесс объединения мономеров в молекулярную цепь. Чем выше молекулярная масса, тем более плотное соединение образуется, переходящее из газообразного в жидкое, затем в твёрдое состояние. Их называют

полимеризационными полимерами в отличие от поликонденсационных.

Реакцией поликонденсации получают более теплостойкие полимеры, Это химический процесс образования молекулярной цепи из мономеров за счёт их функциональных групп. Проходит реакция замещения элементов одного мономера другим:

М1 + М2 = Мп + Н2О

При этом выделяется простейшее вещество, которое образовалось в процессе реакции замещения. Под действием катализаторов образовавшиеся полимеры имеют пространственную структуру, не растворяются в растворителях. В зависимости от соотношения вступающих в реакцию мономеров поликонденсационные полимеры могут до отверждения иметь линейную или пространственную структуру (новолачные и резольные полимеры).

Так как полимеры имеют длинные линейные, разветвлённые и пространственные молекулы, вероятность упорядоченного расположения гибких цепей мала, возможна частичная упорядоченность отдельных макромолекул с образованием так называемых «кристаллитов». Поэтому у полимеров нет полностью кристаллического фазового состояния, есть степень кристалличности. В кристаллическом состоянии все звенья располагаются в дальнем порядке, образуя кристаллическую решётку. Аморфное состояние характеризуется ближним порядком – в пределах расположения структурных фрагментов вещества. В аморфных полимерах в твёрдом состоянии макромолекулы расположены хаотично с ближним порядком расположения звеньев.

Высокомолекулярные соединения могут находиться только в двух агрегатных состояниях – твёрдом и жидком. В газообразном состоянии могут быть низкомолекулярные вещества (мономеры).

При действии механических нагрузок высокомолекулярные соединения разделяют на:

–текучие полимеры с необратимой деформацией (взаимное перемещение макромолекул);

–высокоэластичные (эластомеры) – обладают упругой деформацией, обратимо деформируются под нагрузкой, что связано с подвижностью отдельных участковмакромолекул(каучуки, резина, карбоцепныеполимерыпринагревании);

–твёрдые полимеры – это кристаллические полимеры, хрупкие. Нагревание их приводит к потере дальнего порядка и переходу в текучее состояние. В

76

кальция. В качестве газообразователя используют порошки алюминия, цинка, кальция, карбида кальция, перекись водорода и др. Чаще используют алюминиевую пудру, вступающую во взаимодействие с гидроксидом кальция. При этом выделяется на 1 г порошка 1,4 л водорода, вспучивающего растворную смесь по реакции:

3Al + 3Ca(OH)2 + 6H2O = 3CaO Al2O3 6H2O + 3H2↑.

Впоследствии водород из ячеек газобетона улетучивается, и они заполняются воздухом. Теплопроводность такого бетона намного ниже теплопроводности плотного бетона. Прочность тоненьких перегородок между ячейками незначительна, поэтому стремятся её увеличить и ускорить набор прочности с помощью добавок растворимого стекла, большего количества цемента на 1 м3 бетона и тепловой обработкой отформованных изделий. При монолитном бетонировании, когда нет возможности организовать теплопрогрев забетонированной конструкции, прибегают к помощи ускорителей твердения, изготавливая безгипсовый цемент. Введение наполнителей с пуццоланической активностью также способствует повышению прочности ячеистой структуры. К ним отно-

сятся: тонкоизмельчённые шлаки, золы, диатомиты и микрокремнезём. Тонкое измельчение их (≤ 0,16 мм) способствует образованию стойкой ячеистой массы, ускорению химической реакции с гидроксидом кальция, повышению прочности тонких перегородок между ячейками.

Соли – ускорители твердения цемента вступают в реакцию взаимодействия с минералами, входящими в состав цемента, образуя при этом комплексные соединения: гидрохлоралюминаты и гидрохлорсиликаты кальция:

3CaO · Al2O3 · nCaCl2 · mH2O;	3CaO · SiO2 · CaCl2 ·· nH2O;
3CaO · 3Ca(OH)2 · 12H2O;	CaCl2 · Ca(OH)2 ·· H2O.

Эти соединения вызывают увеличение активной поверхности цементных зёрен, скорость взаимодействия цемента с водой, укрепляют цементный камень.

Ячеистые бетоны могут быть армированы стальной, стеклянной и синтетической арматурой (волокном). Прочность сцепления со стальной арматурой круглого сечения доходит до 12-16 кг/см2.

Для получения газогипса в качестве газообразователя используют измельченные карбонатные породы в смеси с растворами минеральных кислот – серной, соляной и другими. В результате реакции выделяются газообразные продукты, вспучивающие гипсовое тесто:

CaCO3 + H2SO4 + nH2O = CaSO4 · 2H2O + CO2↑ + (n-1)H2O

65

или

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2↑ + H2O.

Смешивая гипс повышенным количеством воды затворения (150-250%), легко можно получить ещё вид ячеистого гипсового материала – микропористый гипс, хорошо фильтрующий воду.

Применяют ячеистые структуры в основном как тепло- и звукоизоляционные материалы (в междуэтажных и чердачных конструкциях), а также в качестве стенового материала в жилищном и промышленном строительстве, при устройстве холодильных камер, изоляции паровых камер, сушилок и пр.

3.4 Асбестоцементные материалы

Смесь асбеста с цементом и водой после затвердевания образует твёрдый камень, называемый асбестоцементом. Асбест – минерал, залегающий в виде жил среди горных пород серпентина или амфибола. С химической точки зрения асбестовые минералы являются водными силикатами магния, железа, кальция и натрия. Наиболее распространёнными из них являются хризотил-асбест 3MgO · 2SiO2 · 2H2O. Вода в этом соединении находится в двух состояниях: в виде (ОН) – гидроксильного радикала, и в виде Н2О – кристаллизационной воды, что часто отражают в написании формулы: (OH)6Mg6Si4O11 · H2O. Встречается и ряд других соединений.

Этот минерал способен расщепляться на очень тонкие волокна диаметром 0,5-40 мкм. Длина их бывает разной – от долей миллиметра до 40 мм. Тонко распушенные волокна очень гибки, их можно скручивать, делая нити и ткать, превращая в ткани. Прочность асбестовых волокон на растяжение составляет 6090 кг/мм2, что больше прочности стали обыкновенной 40-50 кг/мм2. В распушенном состоянии асбестовые волокна легки, поэтому их используют для изготовления различных теплоизоляционных изделий – асбокартона, асбовойлока, асбестита и других. При перемешивании и уплотнении массы под давлением до 400 кг/см2 волокна асбеста переплетаются между собой, образуя армирующую сетку, повышающую прочность асбестоцементных изделий не только при их сжатии, но и при растяжении. Твердение изделий происходит в результате гидратации цемента, асбестовые волокна армируют цементную матрицу, возрастает прочность всего композита. Соотношение асбеста и цемента в асбестоцементных изделиях зависит от сорта асбеста. Чем длиннее волокна, тем меньше требуется асбеста: его количество составляет от 9 до 12, в некоторых составах до 16% в смеси с цементом, которого берут до 91%, причём высоких марок, не ниже

66

лимерных покрытий вместо деревянных обусловлена уменьшением трудоёмкости работ, сокращением расхода древесины, снижением затрат. Применяют поливинилхлоридные рулонные покрытия на тепло- и звукоизолирующей подоснове, а также ворсовые ковровые материалы. Изготавливают плитки для пола из более наполненных минеральными наполнителями полимеров в общественных зданиях с интенсивными пешеходными потоками, а также в кухнях, санузлах и подсобных помещениях. Для получения бесшовных полов применяют мастичные составы на основе дисперсий поливинилацетата или полимерцемента.

Для отделочных работ широко используют, во-первых, рулонные материа-

лы из поливинилхлоридных или полиэтиленовых плёнок, влагостойкие бумажные обои и др. Низкая истираемость, гигиеничность, тепло- и звукоизоляционные свойства, возможность уборки с моющими средствами делают эти материалы незаменимыми для покрытия пола, отделки санузлов, кухонь.

Второй вид – в основной цепи нет атомов углерода, он может содержаться в боковых группах, тогда полимеры называют элементоорганическими, а так как в основной цепи содержатся атомы кремния, их также называют кремний-

органическими.

Кремнийорганические полимеры (силиконы) сочетают в себе тепло- и мо-

розостойкость с эластичностью органических полимеров. Из них получают эластичные каучуки линейной структуры и пространственного строения. Повышенная прочность связей Si-O основной цепи обусловливает высокую термостойкость – до 330°С:

CH3
|
−[− Si −O −]−.
|	n

CH3

Эти полимеры используют для получения лаков, эмалей и клеев, обладающих жаростойкостью и атмосферостойкостью. Они идут для изготовления низко- и высокотемпературных смазок, водостойких строительных герметиков, для гидрофобизациистроительныхматериалов, пропиточныхгидрофобныхсоставов.

Искусственные полимеры получают в основном способом полимеризации и способом поликонденсации. По реакции полимеризации мономеры соединяются в длинную цепь, не выделяя побочных продуктов. Молекулярная масса такого полимера равна сумме соединившихся мономеров:

М1 + М2 + М3 + … = Мп.

75

Н	Н				Н	Н
|	|				|	|
Полиэтилен −[−C	− C −]−; полипропилен −[−C −					C −]−;
|	|	n			|	|	n
Н	H				Н	CH3
			Н	Н
			|	|	−]−.
полистирол			−[−C −	C
			|	|	n
			Н	C6 H5

Гетероцепные полимеры разделяют на два вида.

Первый вид – в основной цепи есть как атомы углерода, так и атомы других элементов:

Н

Н

F

F

|

|

|

|

поливинилхлорид −[−C

− C −]−; политетрафторэтилен

−[−C−C −]−;

|

|

n

|

|

n

Н

Cl

H

H

F

F

полиизопрен (натуральный каучук) −[

|

|

−C −

C

− C −]− и т. д.;

|

|

|

n

H

CH3 H

O

полиэфиры: −[−CH

(CH

&

2

−

2

)n −C −C −]−;

n

O

H

полиамиды: −[−CH

−(CH

&

&

2

2

)n −C −C− N −]− и т. д.

n

Карбоцепные полимеры являются связующими при изготовлении материалов, изделий для покрытия пола, мастичных и полимерцементных составов для бесшовных покрытий. Экономическая эффективность применения напольных по-

74

М500, класс – В42,5 и выше. Асбестоцементные изделия значительно лучше обычных изделий из цементного раствора и бетона, не теряют своих свойств при нагревании до 300°С, при 500°С асбест теряет конструкционную влагу и становится менее прочным, при температуре 700-800°С становится хрупким. Температура плавления асбеста 1500°С. Негорючесть асбеста позволяет применять его для изготовления несгораемых тканей, обладающих и электроизоляционными свойствами.

Асбестоцементные изделия отличаются большей устойчивостью к действию слабых кислот, оседающих на кровле в промышленных зонах, на внутренних обшивках перекрытий в цехах с выделением газов. Водопоглощение асбестоцементных прессованных изделий составляет 18-20%. Негигроскопичные изделия получают при сплавлении и прессовании асбестоцементных изделий с битумным пеком.

На основе асбеста изготовляют кровельные листы (асбестошифер), кровельные плитки, трубы для водо- и газопроводов, канализации и других сетей, подоконные доски, отливы и откосы, вентиляционные короба, стеновые панели, асбестоцементные плитки для облицовки стен, асбестобакелитовые и другие изделия.

Для экономии асбеста его частично заменяют стекловолокном, минеральным волокном, отходами текстильной промышленности, но теплостойкость изделий при этом снижается.

67

4.Строительные материалы органического происхождения

Вотличие от минеральных материалов, получаемых из неживой природы – каменных пород, – органические материалы произошли из живой материи – растений. Эти материалы потребляли не только питательные вещества из Земли, но и солнечную энергию, углекислый газ, воду, выделяя кислород. Сгорая, они выделяют полученную энергию или сохраняют её, если находятся без доступа воздуха. В строительной практике широко используют такие органические материалы как: древесина, битумы, полимеры.

4.1 Древесина

Как строительный материал древесина обладает целым рядом ценных свойств: высокой прочностью, пластичностью, лёгкостью в обработке, долговечностью. Древесина – возобновляемый материал, ежегодный прирост составляет 7000-9000 млн м3. Ежегодные мировые заготовки древесины составляют около 2600 млн м3, что вдвое превосходит производство стали и цемента и почти в 30 раз больше мирового производства синтетических полимеров. Около 1500 млн м3 используется в качестве топлива, 15-20% древесины идёт на переработку химическими и механохимическими методами. На производство строительных конструкций расходуется 30-40% заготовляемой древесины, потребление её в строительстве непрерывно возрастает. В России ¼ мировых запасов леса, степень использования древесного сырья в нашей стране всего 65-70%.

В настоящее время древесина является самым перспективным органическим сырьём на фоне истощения запасов невозобновляемого органического сырья (нефти, угля, газа).

После механической обработки лесоматериалов получают пиломатериалы. Брёвна разделяют на пиловочные и строительные. Из пиловочных брёвен изготавливают брус, пластины, обрезные и необрезные доски, горбыль и погонажные фрезерованные изделия: плинтусы, карнизы, поручни, галтели. Из нестандартной древесины изготавливают полуфабрикаты, паркет, столярные изделия (оконные и дверные блоки), а также фанеру. В настоящее время из небольших деревянных заготовок путём склеивания изготовляют крупноразмерные элементы строительных конструкций, отличающиеся большой прочностью и меньшей массой, не подверженные усушке и короблению, так как соединены под давлением на водостойких клеях. В заготовки не принимаются слабые с дефектами и пороками части древесины, а склеиваются крепкие и бездефектные части в наиболее выгодном положении. Из них получают качественные элементы для ответственных конструкций.

68

жуточное положение между мономерами и полимерами. Физические свойства олигомера изменяются при добавлении или удалении одного или нескольких составных звеньев его молекулы. Звенья полимеров – это остатки мономеров, из которых полимеры получены. Число элементарных звеньев в макромолекуле (n) является одной из главных характеристик полимера и называется степенью полимеризации:

Мn = n · Мэ,

где Мэ – молекулярная масса элементарного звена. Полимеры классифицируют:

–по происхождению – на природные и искусственные;

–по составу – на органические, неорганические и элементоорганические;

–по химическому составу основной цепи – на карбоцепные (гомоцепные)

игетероцепные;

–по строению макромолекулы – на линейные, разветвлённые и про-

странственные.

Природные органические полимеры – это основа жизни на Земле – белки, углеводы, целлюлоза, каучуки, битумы. Природные неорганические полимеры – это асбест, слюда, графит, стекло, алюмосиликаты и др., они не содержат атомов углерода.

Искусственные полимеры получают синтезом из продуктов переработки нефти и нефтяных, попутных газов, газов при коксовании каменного угля, модификации природных полимеров. При температуре 600-1000°С из продуктов нефти образуется сухой газ (олефины) и твёрдая часть – парафины. Эти продукты являются сырьём для получения полимеров.

Крекингом парафинового ряда получают важнейшие продукты для производства полимеров: бензол, толуол, ксилол и др. Из олефинов извлекают лёгкие фракции: этилен, пропилен, бутан и др. Получение искусственных полимеров привело к возникновению нефтехимической отрасли, а она обогатила промышленность производства строительных материалов.

Атомы углерода склонны к образованию ковалентных связей с другими атомами углерода, образуя молекулу мономера с двойной связью (ненасыщенные углеводороды), а мономеры соединяются в гигантские цепи, называемые полимерами с одинарными связями (насыщенные углеводороды). Органические полимеры относятся в основном к карбоцепным, если их цепи состоят из углерода, водорода, а к гетероцепным, если в их составе чередуются иные элементы: кремний, кислород, азот, фосфор и другие.

Наиболее важны карбоцепные полимеры. Это полиэтилен, полипропилен,

полистирол, поливинилхлорид, политетрафторэтилен, каучуки и другие.

73