erohina_l.a._himiya_v_stroitelstve_2012

токлаве её охлаждают, выдерживают в помещении до 10 суток, сушат в камере при 90-120°С до влажности 15-20%, уплотняют в пресс-форме и выдерживают 7 часов при температуре 170°С. Уплотнение заготовок достигает 55%;

−термохимическое модифицирование включает пропитку полимерами (полиэфирными смолами), отверждение, попеременную сушку после выдержки на открытой площадке и в сушильной камере;

−химическое модифицирование предусматривает обработку древесины реагентами, повышающими её водо- и биостойкость. Вакуумированную 2-3 часа древесину подвергают ацетилированию в жидком уксусном ангидриде при температуре 125-130°С.

Модифицированная древесина имеет более высокую плотность, прочность, биостойкость, не коробится, не даёт усадки, более долговечна.

От насекомых используют все перечисленные антисептики, а также порошок и пасту ДДТ, раствор хлорофоса, эмульсии и газы (хлорпикрин).

Чаще осуществляют комбинированную защиту древесины от возгорания

игниения добавлением в огнезащитные составы антисептиков (фторид натрия), не снижающих огнезащитных свойств.

Увеличение влажности древесины приводит к загниванию, т. к. древесина обладает способностью поглощать влагу из воздуха. Наружные деревянные конструкции, имеющие контакт с атмосферной влагой, содержащей кислотные агенты, подвержены значительным гидролитическим разрушениям. В этом случае наиболее широко применяются гидрофобизаторы – кремнийорганические соединения (КОС). Пропитка осуществляется в автоклаве (силилирование), методом горяче-холодных (с перепадом температур) ванн не менее 7 часов. Есть способ поверхностной обработки древесины растворами фосфор- и кремнийорганических соединений, который приводит к химическому взаимодействию модификаторов с компонентами древесины, что обеспечивает долговечность защиты. В результате фосфорилирования-силилирования древесина переходит в разряд трудносгораемых, биостойких материалов с гидрофобными свойствами. Эти меры позволили сохранить памятники деревянного зодчества и были использованы в защите – консервации музея-заповедника Кижи и других музеев.

4.2 Полимеры

Это высокомолекулярные соединения (ВМС), построенные из молекул, содержащих сотни, тысячи однотипных атомных групп, соединённых между собой ковалентными связями. Мономер – исходное низкомолекулярное соединение, используемое для получения полимеров. Олигомеры занимают проме-

72

По мере развития производства и технологии переработки древесины расширяется сырьевая база лесоматериалов за счёт наиболее полного использования отходов лесопиления. Нашли широкое применение в производстве строительных материалов: деревобетон (арболит, ксилолит), древесноволокнистые, древесно-стружечные, древесно-слоистые композиции.

В производстве плитных материалов используют древесину как армирующую основу древесно-полимерных композиций. Из кусковых отходов лесопиления и деревообработки изготавливают: клееные панели, щиты и плиты, щитовой паркет, кровельную плитку и гонт, заготовки для столярного производства, стеновые блоки, кровельный картон. Из опилок и мелкой стружки после дробления, формования и горячего прессования получают плиты вибролита, которые используют для настила чёрного пола, устройства перегородок, щитовых дверей и др. Из коры и сучьев с гипсовым вяжущим получают королит, применяемый как утеплитель для пола и стен. На целлюлознобумажных предприятиях из древесины получают целлюлозу, лигнин, бумагу, картон. На основе гидролизной технологии из древесины производится этиловый спирт, фурфурол, метанол, уксусная кислота. Всего из древесины при химической переработке могут получать более 60000 наименований химических продуктов. Первичные продукты приведены на схеме (рис. 10).

Рис. 10 – Химические компоненты древесины [2]

69

Долговечность древесных конструкций зависит от водо- и влагопоглощения, а также биокоррозии. Способность древесины впитывать капельно-жидкую влагу называют водопоглощением, способность поглощать влагу из воздуха – влагопоглощением. Эти свойства связаны с развитой капиллярной системой древесины, которая складывается из межклеточного пространства, полостей внутри клетки и капиллярного пространства между фибриллами, линейными полимерами древесного вещества. Капиллярное строение древесины обуславливает её высокую удельную поверхность (~ 300 м2/г) и адсорбционную способность.

По величине плотности древесины породы дерева разделяют на 3 группы (при стандартной влажности):

−низкой плотности – от 400 до 600 кг/м3. Это ель, сосна, кедр, пихта, осина, ива, липа, тополь;

−средней плотности – от 600 до 1000 кг/м3. Это лиственница, берёза, бук, дуб, клён;

−высокойплотности– более1000 кг/м3. Этосамшит, граб, акация, кизил. Древесина – природный полимерный композит, макромолекулярные ком-

поненты которого состоят из целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина. В небольших количествах присутствуют экстрактивные и минеральные вещества. Целлюлоза – главный компонент древесины занимает большую часть объёма древесины, выполняет функцию клеточных стенок и представляет собой линейный полимер (С6Н10О5)n с высокой молекулярной массой, построенной из остатков глюкозы (С6Н12О6)n. Лигнин – аморфная матрица древесины – сложный пространственный полимер, вместе с целлюлозой определяющий все физические и химические свойства композита.

При действии холодной воды на древесину происходит растворение небольшого количества экстрактивных веществ. С повышением температуры растворимость возрастает. При температуре 150-175°С начинается гидролиз лигноуглеводного комплекса и образуются сахара, органические кислоты, фурфурол и другие вещества. Концентрированные кислоты вызывают гидролиз полисахаридов, лигнин выходит в нерастворимый остаток. Растворы щелочей действуют на углеводы, часть лигнина растворяется. Термическое разложение – пиролиз осуществляется нагреванием древесины при высокой темрературе без доступа воздуха. Получают твёрдые, жидкие и газообразные продукты.

Кислород воздуха при нормальной температуре на древесину не действует, при повышенных температурах начинаются термоокислительные деструкции, при 250°С она темнеет и может произойти воспламенение. Древесина устойчива к нагреванию вплоть до 100°С. При температуре 500°С происходит

70

сухая перегонка древесины. При полном окислении целлюлозы образуется диоксид углерода и вода:

(С6Н10О5)n → 6nCO2 + 5nH2O.

Целлюлоза является многоатомным спиртом, образующим с химическими реагентами соединения для получения вискозных волокон, фосфатов целлюлозы, что связано с переводом древесины в разряд трудносгораемых материалов. Защита от огня осуществляется огнезащитными покрытиями, пропитками. Все виды покрытий (лаки, краски, обмазки) создают на поверхности древесины слой, изолирующий на некоторое время древесину от терморазложения.

1-ая группа огнезащитной эффективности соответствует потере массы не более 9% (трудносгораемые); 2-я группа – при потере массы не более 25% (трудновоспламеняемые материалы). Наиболее эффективными огнезащитными пропитками являются фосфорсодержащие соединения.

Опасной для древесины является бактерицидная среда. Погодные изменения влажности и температуры приводят к растрескиванию древесины, в щелях и трещинах во влажной среде поселяются микроорганизмы, насекомые, продукты их жизнедеятельности действуют разрушающе на целлюлозу. Установлено, что анаэробные микроорганизмы в десятки раз ускоряют процесс разрушения древесины.

Наиболее распространённые методы защиты древесины от биоповреждений основаны на её пропитке жидкими антисептиками. Антисептики могут быть в виде растворов, суспензий и паст, бывают масляные составы. В них содержатся яды: фтористый и кремнефтористый натрий, кремнефторид аммония, бихромат калия с сульфатом меди, смесь борной кислоты и буры, препараты на основе пентахлорфенола, а также дёготь и его масла (антраценовое, сланцевое, петролатум), каменноугольное масло.

Деревянные строительные конструкции и изделия антисептируют различными способами: поверхностной обработкой и пропиткой горячим и холодным растворами, пропиткой под давлением в автоклавах (шпалы, части мостов, сваи, подводные сооружения), обмазкой пастами (концы балок, столбов).

Модифицирование древесины – целенаправленное изменение свойств несколькими способами:

−термомеханическое – уплотнение древесины, нагретой до 90°С сухим или влажным способом с помощью прессования до 50 МПа в одном или одновременно в двух направлениях, а также методом проката;

−химико-механическое уплотнение пластифицированной аммиаком древесины (лигнамон) или мочевиной (дестам). После насыщения древесины в ав-

71

губок, радиолярий. Древние отложения уплотнялись, наслаивались, прессовались, но всё-таки они отличаются от кристаллического кварца значительной пористостью. Наиболее плотными кремнистыми породами являются опоки, так как они сцементированы кремнистым веществом, опаловым кремнезёмом или халцедоном, превратившимся в твёрдое вещество конденсацией из растворов. Вулканические пористые породы содержат стеклофазу, имеющую аморфную структуру. Аморфная структура отличается отсутствием чёткой кристаллической решётки, поэтому химически более активна, имеет низкую твердость, легко размалывается, превращаясь в порошок вступает в химическое взаимодействие с известью даже в нормальных условиях, тогда как кристаллический кварц химически инертен. Аморфный кремнезём имеет низкую теплопроводность, поэтому эти породы используют в качестве отощителей в эффективный кирпич и другие теплоизоляционные материалы. Используют аморфный кремнезём как активную минеральную добавку в бетоны, при помоле цементов, как адсорбирующие, фильтрующие и отбеливающие вещества, а также как катализаторы, наполнители в композиционных материалах и как абразивный материал для полирования.

Кремнезём становится активным только в аморфном состоянии. Это определяют титрованием при взаимодействии с известью. Сколько извести можно нейтрализовать, т. е соединить с аморфным кремнезёмом в мг/г активного вещества – Са(ОН)2 и есть характеристика активности. Чем больше нейтрализуется извести, тем активнее кремнезём. В его формулу входит вода: SiO2 ·mH2O, где m может составлять от 2 до 34 молекул. Минеральная добавка считается активной, если она обеспечивает конец схватывания теста, приготовленного из неё с добавкой известипушонки, не позднее 7 суток и водостойкость – не менее 3 суток после схватывания. Искусственно аморфную структуру получают резко охлаждая расплавленную силикатную массу. Медленное охлаждение ведёт к закристаллизованности камня, такие породы не обладают вяжущими свойствами и гидравлической активностью. Быстро охлаждая расплав из доменной печи, получают известную активную минеральную добавку – доменные гранулированные шлаки, содержащие до 95% стеклофазы. Золы от сгорания каменного угля при быстром охлаждении также обладают свойствами аморфного кремнезёма, содержащегося в лёгких вулканических породах (вулканическое стекло), которые размалывают и добавляют при помоле в цемент, получая пуццолановый цемент. Если измельчённый аморфный кремнезём вводят непосредственно в бетон, заменяя часть цемента, то эту добавку называют активной минеральной добавкой (АМД), так как она вступает в реакцию с гидроксидомкальция, образуягидросиликаты иукрепляяструктуру.

112

5. Лакокрасочные материалы

Эти материалы предназначены для облагораживания внешнего вида строений и защиты их от воздействия метеорологических факторов. Лакокрасочные материалы – композиционные материалы, формирующие на подложке (металлической, деревянной или бетонной) покрытие с заданным комплексом свойств.

В состав красочной композиции входят следующие компоненты: плёнкообразователи, пигменты – растворимые красители, наполнители, растворители и целевые добавки.

На основе различных плёнкообразователей получают не только краски, но и лаки, эмали, грунтовки, шпатлёвки. Эти покрытия необходимы при подготовке поверхности к покраске, для выравнивания подложки.

Лаки – растворы плёнкообразователей (синтетической смолы или битума), а часто и красителей, в органических растворителях или в воде. В этом случае нужны пластификаторы, способствующие однородному распределению красителя в растворителе.

Эмали – суспензии пигментов или их смесей с наполнителями в лаках. Грунтовки – дисперсии пигментов и наполнителей в растворе или эмуль-

сии плёнкообразователя. Грунтовки служат для обеспечения адгезии покрытия при нанесении красок, эмалей, лаков, а также для придания подложке коррозионной стойкости.

Шпатлёвки в своём составе помимо основного компонента – плёнкообразователя – содержат наполнители и пигменты. Количество твёрдых компонентов (наполнителя и пигментов) должно превышать количество плёнкообразователя, так как шпатлёвки применяют для заделывания различных пор, углублений и дефектов на окрашиваемой поверхности.

Число слоёв покрытия определяется типом подложки и условиями эксплуатации окрашиваемого изделия. Каждый слой имеет своё назначение. Грунтовка обеспечивает адгезию, уменьшает напряжения, возникающие в покрытии. В составе на стальные покрытия содержится добавка (пигмент), тормозящая коррозию металла (рис. 11).

Плёнкообразователи – вещества, образующие на поверхности после высыхания сплошную тонкую твёрдую плёнку. Это олифы, виниловые, акриловые полимеры, нитроцеллюлоза, неорганические вяжущие вещества, клеи и даже вода. Плёнки образуются в результате испарения растворителя или реакции полимеризации под воздействием температуры, кислорода воздуха или катализа-

85

тора. Для ускорения процесса полимеризации растительные масла подвергают термической обработке при 150-170°С с добавлением 2-4% сиккативов (окислители, растворяющиеся в нагретом масле – марганцевые, кобальтовые соли жирных и нафтеновых кислот). После такой обработки получают из масла олифу, которая при полимеризации на воздухе переходит в твёрдое состояние, образуя плёнку на покрытой поверхности.

Рис. 11 – Схема защитно-декоративного покрытия на стали [2]

Красители для получения красок используют как природные, так и синтетические. Глаз человека воспринимает вещества окрашенными, если они поглощают свет в видимой области спектра (400-760 нм). Яркие краски обусловлены поглощением света в узком диапазоне, неяркие – в широком. Нерастворимые красители называют пигментами.

Пигменты – это твёрдые частички, практически нерастворимые в плёнкообразующем веществе. В зависимости от их дисперсности находятся такие свойства как: укрывистость, цвет, интенсивность. Чем более полярны и гидрофильны молекулы пигмента, тем они лучше диспергируются и обеспечивают большую стабильность красящего состава. Неорганические пигменты более полярны и гидрофильны, чем органические, поэтому могут участвовать в образовании связей с молекулами воды.

Растворители – это органические летучие жидкости (уайт-спирит), регулирующие вязкость лакокрасочных материалов, но от них зависит токсичность, скорость испарения, запах, горючесть, стоимость. При изготовлении и использовании водорастворимых плёнкообразователей можно полностью или частично исключить применение органических растворителей.

В состав вододисперсионных лакокрасочных материалов помимо плёнкообразователей и пигментов входят различные добавки специального назначения – эмульгаторы, стабилизаторы, загустители, диспергаторы, антисептики, ингибиторы коррозии и др.

86

Занятие № 5.

Тема: Гранулометрический, минеральный и химический составы песков. Кремнезём кристаллической и аморфной структуры. Использование в строительстве.

Цель работы: Изучить разновидности песков, особенности структуры кремнезёма, сырьё для строительных материалов.

Осадочные породы – пески относятся к обломочным мелкозернистым горным породам. Типичным минералом, из которого состоят пески, является кварц, в составе которого атом кремния и кислород. Размер песчинок колеблется от ≤ 0,4 до 1,5 мм.

В строительстве песком называют сыпучую мелкозернистую породу, прошедшую сквозь набор сит от 0,16 до 5 мм. В тонких (≤ 0,16) фракциях содержатся в небольшом количестве осколки от материнских пород: минералы циркон, рутил, гранат, магнетит, роговая обманка, оливин, полевые шпаты, слюды. По содержанию основного минерала пески называют кварцевыми, если они содержат минерал кварц (кремнезём) более 93%; полевошпатными, если кремнезёма 69-72%, остальное – оксиды алюминия, железа, щелочные окислы. Есть природный тонкодисперсный кварц с частичками размером 0,01-0,06 мм, который называется маршалитом. Получают дроблёный песок для нужд строительства из прочных каменных пород там, где отсутствует кварцевый песок, или для обогащения природных мелких песков более крупными фракциями. Обогащённый песок имеет улучшенный зерновой состав. Гранулометрический состав песка узнают с помощью рассева на стандартных ситах с целью определения модуля крупности песка. Модуль крупности определяют по сумме полных остатков на песчаных ситах [7], как:

Мк = ΣА/100.

Минерал кварц в природе и под воздействием высокой температуры образует несколько кристаллических форм: кварц, тридимит, кристобалит. Низкотемпературная форма (β-кварц) обладает минимумом энергии и потому химически устойчива, имеет высокую твёрдость, содержится в песке, песчаниках, кварцитах, глинах и др. породах. Кварцевый песок используют для получения керамических изделий, стекла, строительных растворов, бетона, кровельных, гидроизоляционных и других материалов.

Но есть породы, образовавшиеся как химические осадки из растворённого в воде кварца, как органогенные отложения кремнистого тонкокристаллического или аморфного строения из панцирей диатомовых водорослей, скелета

111

2.Какую сталь используют в строительстве? Что зашифровано в обозначении марки стали?

3.Какими методами повышают качество стали?

4.Почему в строительстве используют сплавы, а не чистые металлы? Что называют сплавом?

5.Чтоназывают сортаментомстали? Какиевидыизделий егопредставляют?

6.Из каких оксидов и как получают шлак? Какая структура у него должна быть, чтобы его использовали для изготовления строительных материалов?

7.Из чего получают сталь? При какой температуре её выплавляют?

8.Чем металлическая структура отличается от структур других веществ, например кварца?

9.Какие свойства стали являются основными для строительных конструкций?

10.Чем объясняется высокая плотность, пластичность и прочность стали?

11.Зачем легируют сталь? Могут ли быть легирующими элементами не металлы?

12.Что называют фазой сплава? Какие из фаз наиболее устойчивы при нормальной температуре?

13.Каким образом регулируют изменение структуры стали? Меняются ли при этом свойства стали?

14.Перечислите способы модифицирования стали.

15.Как разделяют стали по химическому составу? Какой вид стали относят к строительной?

16.Что входит в состав нержавеющих сталей? Какой элемент обеспечивает пассивацию стали?

17.Какую сталь используют для изготовления арматуры в железобетоне? Какие группы стали не напрягают, какие напрягают?

18.Вследствие каких причин происходит коррозия стали? Каков механизм её возникновения?

19.Какие способы защиты стали используют при опасности возникновения электрохимической коррозии?

20.Что даёт гидрофобизация поверхности железобетона для защиты в нём арматуры?

21.Каков механизм электрохимической коррозии стали? При какой кислотности (рН) он начинается?

22.Что называют ингибиторами? Каков механизм их воздействия?

23.Напишите химические реакции коррозии стали.

24.Какие меры относят к пассивной, а какие к активной защите металла?

110

Эмульгаторы и стабилизаторы обеспечивают агрегативную устойчивость водных дисперсий полимеров. Эти компоненты по своей природе являются поверхностно-активными веществами (ПАВ). Эмульгаторы необходимы для получения водной дисперсии нерастворимого в воде полимера. Стабилизаторы вводятся в готовую дисперсию для усиления действия эмульгатора. Для стабилизации водных дисперсий применяют защитные коллоиды (поливиниловый спирт, карбоксиметилцеллюлозу). ПАВ являются также и диспергаторами.

Загустители повышают вязкость составов, чтобы получить покрытие необходимой толщины. В качестве загустителей применяют водорастворимые высокомолекулярные соединения.

Наполнители – это белые или светлые неорганические соединения. От белых пигментов они отличаются отсутствием укрывистости в лакокрасочных составах. Наполнители повышают адгезию к подложке, водостойкость и твёрдость покрытия, удешевляют краску. В качестве наполнителей используют: бариты, гипс, ангидрит, мел, кремнезём, диатомит, глину, тальк, слюду.

Отвердители добавляют к некоторым полимерным материалам для получения нерастворимого продукта. Ускорители вводят для повышения скорости отверждения.

Кроме этого в качестве целевых добавок используют сиккативы, способствующие образованию плёнки на масляных красках, т. е. ускоряющие полимеризацию масла.

При выполнении отделочных работ пары растворителей, попадая в окружающий воздух, оказывают негативное воздействие на здоровье человека. Поэтому в настоящее время наметились тенденции на производство красок, не содержащих растворителей, а также на увеличение ассортимента красок на водной основе.

Порошковые краски – это композиции из твёрдого плёнкообразователя, пластификатора, пигмента, отвердителя и других добавок. Преимущество порошковых красок – отсутствие загрязнения окружающей среды при их использовании. Для их получения используют термореактивные и термопластичные плёнкообразователи (полиэтилен, полипропилен, полистирол, силиконовые полимеры и др.). Полимеры перед нанесением диспергируются в воде, затем водные порошковые суспензии с пигментом наносят методом электроосаждения. Для их использования необходимо специальное оборудование, процесс пожароопасен. Применяют такие краски для защиты и декоративных покрытий металла, бетона, керамики и даже стекла.

87

6.Создание композиционных материалов

Ккомпозиционным материалам относится большая часть строительных материалов, составленных изнескольких компонентов, укрепляющих идополняющих друг друга. Композит работает как монолитный материал, для этого необходимо выполнитьтриусловия. Уконтактирующихматериаловдолжныбыть:

1) химическая совместимость компонентов;

2) близкие по значению коэффициенты линейного температурного расширения;

3) хорошая адгезия материалов друг к другу.

Невыполнение одного из перечисленных условий ведёт к разрушению материала. Так, если нарушить первое условие и обеспечить работу в контакте химически несовместимым материалам, например, алюминиевой арматуры в цементном бетоне, то через короткое время алюминиевый стержень разрушится, произойдут разрыхляющие структуру цементного камня реакции химического взаимодействия алюминия с гидроксидом кальция. Поэтому бетон не армируют алюминием, а армируют стальными стержнями. Даже стекловолокно для армирования бетона должно быть выполнено из щёлочестойкого стекла или покрыто изоляционной плёнкой во избежание прямого контакта стекла с цементным камнем. В этом случае возможна щелочная коррозия цементного камня от взаимодействия аморфного кремнезёма стекла с гидроксидом кальция.

Невыполнение второго условия также приводит к нарушению целостности композита. Совместная работа железобетона возможна ещё и потому, что у стали и цементного бетона почти одинаковы коэффициенты линейного температурного расширения, равные 10·10-6град-1. Если армировать низкомарочные бетоны, например, древесиной, то у неё КЛТР в два раза выше. При колебаниях температуры можетпроизойтиразъединениедревесинысбетоном, монолитнойработынебудет.

Для выполнения третьего условия на арматуре делают нарезку для лучшего сцепления с цементным камнем, который имеет хорошую адгезию к металлу. Адгезионная связь по границе раздела не должна разрушаться под действием термическихиусадочныхнапряжений, вследствиеразличногоКЛТР.

Композиционные структуры состоят из матрицы – непрерывного компонента, объединяющего все ингредиенты, обеспечивающего монолитность и распределяющего напряжения на материал в целом. Материал матрицы определяет технологию изготовления, размеры, форму изделия, его стойкость в окру-

жающей среде. Роль матрицы могут выполнять вяжущие материалы (как у бетонов, растворов, фибролитов и др.), полимеры (у пластмассы, полимербе-

88

деляются на анодные, тормозящие начало процесса на аноде, катодные и смешанные. Из ингибиторов анодного действия чаще других применяют NaNO2. В его присутствии замедляется ионизация железа вследствие адсорбции ионов NO2 на поверхности металла. Защитные свойства проявляются при концентрации нитрита натрия более 2 г/л. Этот ингибитор обязательно добавляют в бетонную смесь при использовании в качестве ускорителей твердения хлоридов. Из большого числа ингибиторов хорошо зарекомендовал себя промежуточный продукт нефтепереработки – катапин (парадодедилбензилпиридинийхлорид). Это ингибитор катодного действия, добавка всего 0,1-0,3% катапина в бетон обеспечивает оболочку полимолекулярной плёнки на поверхности арматуры и усиливает эффективность неорганического пассиватора NaNO2. С ним железобетон 40 лет без признаков разрушения работает в водах северных морей.

2.Неметаллические покрытия на арматуре – это лакокрасочные, эмалевые, полимерные и силикатно-цинковые покрытия. Это наиболее дешевый активный способ защиты, обязательный для завода-изготовителя арматуры. После нанесения неметаллического покрытия образуется плёночное покрытие, которое должно иметь хорошее сцепление с металлом, обладать механической прочностью, газонепроницаемостью.

3.Пассивационная защита – это тоже активный способ, когда на поверхности металла образуется тонкая плёнка оксидов, приводящих его в пассивное состояние. Наиболее распространёнными способами пассивации являются: воронение (термическая обработка, после которой появляется тонкий слой окисла металла на поверхности), фосфатирование (образование тонкой защитной плёнки из Fe(H2PO4)2) и др.

4.Рациональное конструирование сооружений, осуществляемое на стадии проектирования, когда необходимо учитывать климатические и гидрогеологические условия при строительстве и эксплуатации. Имеет значение всё: форма конструкции; доступность возобновления антикоррозионных покрытий; регулярный контроль состояния элементов конструкции, имеющих контакт с агрессивной средой.

Эти меры защиты относятся к пассивной защите, как и выбор марки стали, класса бетона.

Вопросы для самостоятельной работы.

1.Какие породы добывают для выплавки чёрных металлов? Что называют чёрными металлами?

109

листовую сталь, профилированную, трубы, профилированный настил и специального профиля, в том числе арматурную сталь.

Разрушение металла под воздействием окружающей среды называется коррозией, которая помимо уничтожения металла отрицательно влияет на эксплуатационные характеристики конструкции. Чаще в условиях окружающей среды возникает электрохимическая коррозия. Сущность её в том, что ионы металла на поверхности, в силу особенностей металлической связи, легко отрываются от металла даже молекулами воды. Потеряв часть положительно заряженных ионов, металл заряжается отрицательно, а водная плёнка на поверхности за счёт ионов металла приобретает положительный заряд. Разность зарядов на границе металл-вода обуславливает скачок потенциала. Появляется анод: 2Fe - 4e → 2Fe2+ и катод: 2Fe2+ + 40H → 2Fe(OH)2.

Гидроксид железа Fe(OH)2 в присутствии кислорода, растворённого в воде, превращается в нерастворимый в воде Fe(OH)3, называемый ржавчиной. Если количество ионов, переходящих в раствор и осаждающихся на металле одинаково, то коррозия затухает, возникает нулевой потенциал. Так как ржавчина нерастворима в воде, равновесный потенциал не может быть достигнут, коррозия будет продолжаться до полного разрушения. В зависимости от структуры металла коррозия происходит неравномерно по поверхности. Особенно опасна избирательная или точечная коррозия, так как она создаёт очаги концентрации напряжения и приводит к быстрой порче всего изделия.

Коррозионная стойкость металла может быть повышена, если содержание углерода свести до минимума, если ввести легирующие элементы, образующие с железом твёрдые растворы и повышающие электродный потенциал сплава. Такими сплавами являются: нержавеющие стали с повышенным содержанием хрома или коррозионностойкие сплавы с никелем. Коррозионная стойкость объясняется образованием наповерхностизащитнойплёнкиоксидахромаCr2O3.

Металлическую арматуру в железобетоне, предназначенном для работы в агрессивных условиях, защищают.

Есть несколько способов защиты:

1)обработка коррозионной среды;

2)устройство неметаллических и комбинированных покрытий;

3)пассивационная защита;

4)рациональное конструирование сооружений.

1. Обработка коррозионной среды предусматривает первичные меры (пассивная защита), предупреждающие возникновение коррозии: введение солей или органических веществ – ингибиторов. Они по своему действию подраз-

108

тона, фанеры и др.), стекло (у керамики, ситаллов, керамогранита и др.), а также металлы, битумы и др.

Чтобы матрица была более твёрдой прочной и менее деформативной, её армируют или наполняют твёрдыми материалами в виде порошков, волокон, стержней или пластин. Порошковые наполнители делают из горных пород (известняк, мел, песок, тальк и др.), волокнистые – из неорганических и органиче-

ских волокон (стекло, асбест, древесная стружка, отходы хлопка, полимерное волокно и др.), пластинчатые или листовые наполнители могут быть из ткани, картона, бумаги, шпона.

Механические свойства композиционного материала определяются жёсткостью матрицы, прочностью армирующего материала и прочностью связи матрицы с армирующим материалом. Работоспособность композита обеспечивается как правильным выбором исходных компонентов, так и технологией изготовления материала с сохранением свойств каждого компонента.

Совмещение материалов в технологическом процессе изготовления осуществляется двумя способами:

−рациональным подбором компонентов и их однородным перемешиванием, формованием;

−пропитыванием или под давлением импрегнированием матрицы в готовый пористый материал.

Работая вместе в композиционном материале, обеспечивается эффект сложения свойств – аддитивность. При наличии большего числа добавок структурирующего свойства и сильного армирующего компонента наводится более мощный эффект – синергетический. В таком случае при совмещении появляются более высокие физико-механические свойства, которых не было у материалов до их совмещения. Особенно это проявляется при ориентированной укладке волокон во время формования; при хаотичной укладке – в меньшей степени. Так, стеклопластики с направленной укладкой стекловолокна в структуре обладают очень большой прочностью при растяжении – 1000 МПа, хотя стекловолокно и отдельно полимер имеют показатели гораздо ниже. Кроме того, этот материал химически стоек, эффективендляизготовлениятруб, ёмкостей иконструкций.

В наше время получены интересные композиции, новые материалы: каутон, метон, теплопор, кальматрон, филизол и т. п.

Каутон – композиционный материал на основе жидкого каучука и наполнителей органического или неорганического происхождения даже таких, которые загрязняют окружающую среду (золы, шлаки, пиритные огарки и др.). Каучука расходуется всего 6-14%, под воздействием катализаторов он образует пространст-

89

венную структуру, объединяя все компоненты, придавая новой композиции хорошие деформационно-прочностные характеристики, электроизоляционные, демпфирующие свойства, высокую адгезию к металлической поверхности. Прочность при сжатии – 60-110 МПа, прочность при изгибе – 20-40 МПа, водопоглощение – не более 0,05%, химически стоек. Эти свойства позволяют использовать каутон для защитыэлементовиконструкций, работающихвагрессивной среде.

Метон (металлобетон) – высокоэффективный антифрикционный материал, способный к защите от γ-излучения. Свинцовая матрица и стеклоотходы используются в качестве армирующего компонента. Получается высокоплотный материал с физико-химическими связями между матрицей и заполнителями. Он дешевле чисто металлических изделий, прочнее и деформативнее в сравнении с бетоном, у него высокая износостойкость, ослабление не только γ-излучений, но и быстрых нейтронов. Аморфный материал заполнителя не подвергается разупрочнению при излучении, в отличие от кристаллических, склонных со временем к потере прочности из-зааморфизацииипотереконструкционнойводы.

Теплопор– синтезирован из неорганических вяжущих и техногенных отходов при твердении многокомпонентных смесей щелочных и кислотных оксидов на оборудовании для силикатных изделий. Полученные материалы содержат до 95% пор, имеютплотность100-200 кг/м3, температуростойкость– до500°С.

Кольматрон – материал проникающего действия для ремонтновосстановительных работ, защищает от протечек, коррозии. Представляет собой сухую смесь из цемента, песка и химически активных компонентов. При затворении водой и нанесении на поверхность бетона происходят сложные фи- зико-химические процессы, в результате которых формируются мало растворимые новообразования, заполняющие поры и капилляры. Защитный эффект достигается за счёт кольматирующего действия, повышающего непроницаемость бетона к ряду жидких и газообразных сред.

Филизол – кровельный рулонный материал, аналог импортного катепала, применяется в качестве верхнего слоя кровельного ковра на плоских кровлях серийных домов. Эти материалы на основе битумных матриц, модифицированных полимерами. Есть вариант филизола подкладочного, а также его аналог – стекломаст. Для гидроизоляции подземных частей здания применяются новые материалы Voltex, Bentomat, гидропрокладка Waterstop и др. Это композиционные слоистые материалы на основе органических вяжущих в виде матов и жгутов или комбинированные материалы в виде полиэтиленовых матов, внутри которых гранулы натриевого бентонита с бутилкаучуком. Разработана и производится серия гидроизоляционныхматериаловнаосновеводныхдисперсий эпоксидныхсмол.

90

Цифры в обозначении марок стали соответствуют десятым долям процента углерода в железе, но записываются целым числом: Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6. С возрастанием номера растёт и содержание углерода в стали.

Углеродистые стали разделяют на стали обыкновенного качества и высокопрочные. Стали обыкновенного качества объединены ещё в группы в зависимости от гарантируемых свойств – А, Б, В. Эта буква добавляется перед маркой, например Аст3. Кроме того, после марки стали обозначается категория стали по раскислению: сп, пс, кп. Так, например, полная запись будет: Аст3сп – сталь гарантированной прочности с содержанием углерода до 0,3%, спокойная (полностью раскислена); Вст4пс – сталь с гарантированной прочностью и химическим составом, содержащая углерода до 0,4%, полуспокойная.

Стали повышенного качества получают путём легирования и термической обработки. Это основные методы модифицирования стали, т. е. улучшения её свойств. В зависимости от нормируемых свойств они подразделяются на 15 категорий. Атмосферостойкие стали повышенной коррозионной стойкости выпускают легированными, хорошо пассивирующимися металлами: хромом, никелем, медью и др.

В марках легированных сталей вид и содержание легирующих элементов указывают буквами и цифрами, стоящими справа от букв. Они указывают примерное содержание (%) легирующего элемента, если стоит цифра, и, если её нет, то количество легирующего элемента не превышает 1,5%. Общепринято обозначать легирующие элементы большими буквами: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, Н – никель, М – молибден, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельный, Ю – алюминий. Содержание углерода указывают двузначными цифрами, приводимыми в начале марки стали в сотых долях процента. Например: 12ХН3А означает, что в стали содержится углерода – 0,12%, хрома – до 1,5%, никеля – 3%, азота – до 1%. При суммарном содержании легирующих элементов до 2,5% стали относят к низколегированным, от 2,5 до 10% – к среднелегированным, свыше 10% – к высоколегированным. Легирующие элементы, растворяясь в фазах, замещают в них атомы железа, образуя труднорастворимые соединения, располагающиеся по границам зёрен и повышающие устойчивость сплава.

Сплавы в строительной практике предпочитают чистым металлам по причине более высокой прочности и коррозионной стойкости. Для изготовления конструкций используют специальные заготовки, выпускаемые на металлургических заводах определённой формы, профиля и массы с допусками в мм:

107

10.Что называют недожогом, пережогом? Как это отражается на качестве

изделий?

11.Какие есть способы формования кирпича? Почему его не формуют одним способом?

12.Какое существует разделение керамического кирпича по плотности? Как получают эффективный кирпич?

13.Почему у кирпича невысокая морозостойкость? Какая она? В каких условиях эксплуатируют кирпич?

14.Как определяют водопоглощение кирпича и его влажность? Для чего кирпич кипятят в воде?

15.Как испытывают кирпич на морозостойкость? Как обозначают марки по морозостойкости? От чего она зависит?

16.Можно ли работать с карьерной глиной? Как её приводят в рабочее состояние? Какой формы её частички?

17.Что и при какой температуре происходит во время спекания? Какова его роль в технологическом процессе производства изделий из глины?

18.Что относят к грубой керамике? Поризуют ли её? При какой температуре обжигают?

19.Какие облицовочные материалы делают из глины? К какому виду керамики их относят? Чем они отличаются от грубой керамики?

20.Есть ли в природе сцементированные глиной породы? Размокают ли они в воде?

Занятие № 4.

Тема: Классы и марки стали, применяемые в строительстве. Воздействие агрессивнойсреды, коррозиястали, защитаоткоррозииметаллических изделий.

Цель работы: Изучить состав металлических сплавов, используемых в строительной практике; коррозионные процессы; способы защиты металлов от коррозии.

В строительной практике применяются, в основном, чёрные металлы – сталь и чугун. Они представляют собой сплавы железа с углеродом, которые являются или твёрдыми растворами углерода в железе или химическими соединениями. В стали углерода менее 2,14%, в чугуне – более 2,14%. Стали, используемые для изготовления строительных конструкций, содержат углерода в сплаве ещё меньше – до 1,3%, поэтому их называют низкоуглеродистыми и чаще используют низколегированные.

106

Часть ΙΙ

Лабораторные и практические работы

Занятие № 1.

Тема: Происхождение магматических, осадочных, метаморфических пород. Минеральный и химический составы пород, их изменение под воздействием выветривания скальных пород.

Цель работы: Изучение минералогического, химического состава горных пород, измененийихсоставовподвоздействиемразличных природныхфакторов.

Минералогический состав горных пород. Главными элементами в магме являются кислород и кремний, а главными составными минералами изверженных горных пород являются силикаты и кварц. Минералы разделяют на первичные, образовавшиеся в процессе кристаллизации магмы, и вторичные, являющиеся продуктами видоизменения первичных минералов.

Первичными породообразующими минералами, из которых сложены магматические породы, являются полевые шпаты – 60%, кварц – около 12%, железистомагнезиальные минералы (амфиболы, пироксены, оливины) – 17%, слюды – 4%, другие силикаты – 6%, не силикаты – 1%. К полевым шпатам относятся: ортоклаз, плагиоклазы, анортит. Так как минерал «полевые шпаты» состоит из трёх минералов, содержащих щелочные оксиды, он быстрее других подвержен выветриванию и химическому воздействию. Разрушаясь, ведёт к разрушению и тех пород, в которых он присутствует. Кроме того в полевом шпате содержатся и наиболее растворимые соединения, оголяющие при растворении более прочные включения, такие как железисто-магнезиальные минералы.

Кжелезисто-магнезиальным минералам относятся: оливины – Mg2SiO4,Fe2SiO4, пироксены и амфиболы (энстатит Mg2[Si2O6], гиперстен

Mg,Fe)2[Si2O6], диопсид CaMg[Si2O6], авгит Са(Mg,Fe)[Si2O6], роговая обманка (Ca,Na,Mg,Al,Fe)2[Si8O22]).

Кпородам, содержащим полевые шпаты, пироксены, амфиболы или слюду относятся следующие магматические породы: граниты, сиениты (без кварца), кварцевые габбро, габбро без кварца, гранодиориты, кварцевые диориты, лабрадориты, нефелиновые сиениты, пироксениты, перидотиты, кварцевые порфиры, порфириты, диабазы, гранит порфиры, трахиты, липариты, базальты, андезиты, андезито-базальты и др.

Кварц – SiO2 – один из наиболее распространённых минералов, содержится во многих изверженных, осадочных и метаморфических породах, а также

91

разнообразных жильных образованиях. В зависимости от степени чистоты и условий образования различают многочисленные разновидности кварца: горный хрусталь, разные виды яшмы, аметист, цитрин, морион, авантюрин и др. Кварцевые пески представляют собой важнейший сырьевой материал для промышленности строительных материалов.

Слюды относятся к силикатам с бесконечными слоями [Si4O10]. В группу слюд входят минералы с характерным слоистым строением. Это – гибкие, тонкие, упругие пластины – мусковит, биотит, флогопит.

После разрушения магматических пород появились осадочные: рыхлые остатки, химические осадки и органогенные наслоения. Зернистые остатки (продукты раздробления) представляют собой куски и более мелкие порошки, смеси, состоящие из тех же минералов, что и магматические породы. Породообразующими в осадочных породах остаются железисто-магнезиальные минералы, кварц, слюды и появившиеся после разрушения полевых шпатов алюмосиликаты. Камни магматических пород под воздействием воды частично растворяются и в неё попадают наиболее растворимые минералы и элементы, которые при пересыщении раствора выпадают в осадок или взаимодействуют с газами, кислотами. Возникают новые породообразующие минералы. Так в осадочных породах появились химические осадки – карбонаты, сульфаты и вы-

павшие из раствора кварц, фосфорнокислая известь, глинистые железняки,

лимониты и др.: CaCO3, MgCO3, CaSO4, Na2SO4, Са5(РО4)3 и др.

Процессы окисления минералов протекают в присутствии воды, поэтому сопровождаются гидратацией. Появляются гидроксиды – минералы, богатые водой: алюмосиликаты, свободная кремнекислота. Кремнезём в виде коллоида уносится растворённый водой и перерабатывается микроорганизмами в кремнистые породы (диатомиты, трепелы), часть заполняет трещины в породах (кварц, кремень) или цементирует рыхлые осадки. Из воды известь также, как и кварц, извлекается живыми организмами, при отмирании их остаются скоп-

ления травертина, кораллов, раковин, известковых и кремнезёмистых отложений (диатомиты).

Продукты разрушения лишь в очень незначительной части остаются на месте, основная масса переносится водой, ветром или льдом. Возникают скопления, из которых образуются осадочные горные породы. За миллионы лет происходит их цементация – заполнение пустот в рыхлых накоплениях растворёнными в воде веществами: CaCO3, CaSO4, SiO2 и окислами железа.

В процессе метаморфического преобразования магматических и осадочных пород глубокому изменению подвергаются как минералогический состав и

92

Так как в основном все капилляры в структуре кирпича крупные, вода, вошедшая при намокании в кирпич, при понижении температуры замерзает, увеличиваясь в объёме. При этом страдает структура кирпича: капилляры ломаются на глубину намокания от увеличения объёма льда, замёрзшая часть кирпича отслаивается при оттаивании, кирпич постепенно разрушается. По морозостойкости кирпич делятнамарки(высокими онинебывают), самаявысокая маркаF50.

Определение водопоглощения и морозостойкости кирпича.

Сухой кирпич взвешивается, обмеряется и погружается в воду на 2 суток. Опять взвешивается, подвергается кипячению 30 минут для более полного насыщения водой, остывает в воде и опять взвешивается. После остывания помещается в морозильную камеру с температурой -18-20°С на 4-5 часов, после чего кирпич оттаивают в воде комнатной температуры до следующего дня. Так морозят каждый день. Замораживание и оттаивание составляет один цикл испытаний. Через несколько циклов кирпич осматривают, если есть отваливающиеся кусочки, кирпич взвешивают и, если потери массы составляют более 3% или потери прочности более 5%, дальнейшие испытания можно прекратить – разрушение пойдет быстро. Количество циклов морозостойкости равно прошедшим циклам до разрушения.

Вопросы для самостоятельной работы.

1.Что представляет собой глина? Как она образовалась?

2.Напишите формулы и названия глинистых минералов, укажите их химический состав.

3.Какую глину называют «жирной»? Где она используется? Можно ли из неё формовать изделия?

4.От чего зависит пластичность глин? Какое количество влаги считается нормальным для формования изделий и зависит ли это от минерального состава?

5.От чего зависит пластичность и огнеупорность глин? Какой минерал называется глинозёмом?

6.От чего зависит прочность готового изделия из глины? От чего зависит температура плавления и способность глин вспучиваться?

7.Зачем и какие технологические добавки вводят в глину при подготовке теста для формования кирпича? Какова их роль?

8.Почему глина способна удерживать много воды? Что делают для снижения её количества?

9.При какой температуре и почему обжигают изделия из глины? Зачем их сушат, когда? Как изменяется минеральный состав глин после обжига, к чему это приводит?

105