erohina_l.a._himiya_v_stroitelstve_2012

вышении температуры до 900°С каолиновый ангидрид распадается на свободные окислы. При 1000°С они соединяются в других соотношениях, образуя новые минералы: силлиманит Al2O3 ·SiO2, муллит 3Al2O3 ·2SiO2. После этого превращения глина безвозвратно теряет пластичность, у неё появляются высокая механическая прочность, неразмокаемость в воде. При температуре спекания частицы начинают размягчаться, склеиваться между собой, количество пор снижается, формируется плотный камень (черепок). Кирпич, обожжённый при более низкой температуре, не проходит температуру спекания, поры не заплавляются размягчённой массой, не образуется новых устойчивых минералов. Изделие имеет более яркий цвет, низкую прочностьиназываетсянедожогом.

Если еще выше поднять температуру спекания, то происходит полное склеивание частиц, свободное пространство заполняется расплавом, глиняный черепок приобретает плотность. Так получают плотную плитку или черепицу.

Некоторые виды глины (с содержанием железистых примесей) во время спекания и размягчения массы могут вспучиваться вследствие выделения газов, что даёт возможность получать пористые материалы (керамзитовый гравий, пористую керамику). Лучшее сырьё для производства керамзита – легкоплавкие глины, содержащие 8-12% оксидов железа и органические вещества (гумус). Применяют керамзитовый гравий как искусственный заполнитель для изготовления лёгких бетонов.

Кирпич является одним из наиболее важных керамических стеновых материалов. В зависимости от состава глин применяют два способа механизированного изготовления кирпича: пластический и полусухой. Пластический способ возможен, если в глине достаточно влаги (до 25-35%), мягкое тесто позволяет выдавливать пластичную массу из мундштука (экструдёра) влажным бесконечным бруском, который разрезают на отдельные изделия – кирпич-сырец. По полусухому способу кирпич изготавливают прессованием сырца из малопластичной массы с влажностью всего 8-10%. Если для пластического способа берут пластичные глины, то для полусухого можно взять тощие и сланцевые. Полусухой способ производства кирпичадешевле, оннетребуетсушки сырца.

Сцельюоблегчения массы кирпичавводятлёгкие отощители, адляпридания ему повышенной пористости в глину вводят добавки, выгорающие при высокой температуре и оставляющие поры. Получают после обжига эффективный кирпич длякладкинаружныхстен, теплоизоляционныхперегородокидр.

Такие изделия как: унитазы, умывальники, гигиенические приборы изготавливают из фаянсовой глины и полевого шпата. Чтобы придать фаянсу водонепроницаемость, его покрывают глазурью.

104

структура, так и химический состав первоначальной породы, насыщающийся при повышенной температуре и высоком давлении подземными растворами и газами. Гидростатическое давление приводит к изменению объёма породы, одностороннее давление вызывает нарушение форм и слоистость. Для глинозёмистых и мергелистых пород характерно развитие слюд, амфиболитов, гнейсов. Для кремнезёмистых – грейзенов, кварцитов. Для железисто-магнезиальных – серпентинитов, оливинов, серицитов, хлоритов. Для карбонатных пород – мраморов, роговиков.

Химический состав минералов представлен силикатами: с изолированными группами [SiO4] – группы граната, силлиманита; с кольцевыми силикатными группами – группа полевых шпатов; оксиды: периклаз MgO, корунд Al2O3, гематит Fe2O3, кварц SiO2, рутил TiO2, пиролюзит MnO2, шпинель MgAl2O3, магнетит FeFe2O4, хромит FeCr2O4, ильменит FeTiO3 и др., а также сульфиды и галоидные соединения.

В химический состав песчаников, глинистых пород и известняков входит кремнезём (соответственно 78,33%, 58,1% и 5,19%), глинозём (4,77%, 15,4%, 0,81%), оксиды железа (1,37%, 6,47%, 0,54%), СаО (5,3%, 3,11%, 42,57%), МgО (1,16%, 2,44%, 7,80%) и др.

Все горные породы с течением времени разрушаются или выветриваются. Одни породы быстрее, другие – медленнее. На камень в разных условиях дей-

ствуют физические, химические, биологические факторы, связанные с состоя-

нием атмосферы, воды, с деятельностью растительных и животных организмов. Физическое выветривание связано с попеременным нагреванием и охлаждением каменных пород. При нагревании тела расширяются, при охлаждении – сжимаются. Непрерывное изменение состояния кристаллической структуры ведёт к её расшатыванию. Возникают сначала волосяные трещины, затем они увеличиваются, структура разрыхляется, сцепление минералов ослабевает. Это

приводит к тому, что начинают отделяться куски породы, и она рассыпается. Ещё сильнее действует вода, попадающая в трещины и пустоты и замер-

зающая там при снижении температуры воздуха. Разрушающаяся магматическая порода постепенно превращается в осадочную рыхло-зернистую породу. Наиболее прочные минералы остаются, менее прочные продолжают крошиться и растворяться в затопляющей их воде.

Под химическим выветриванием подразумеваются процессы, изменяющие химический состав минералов, входящих в состав горных пород. Главным растворителем является вода, особенно, если она содержит углекислый газ, кислород и другие химические агенты. Пыль, дымовые и выхлопные газы, морские ветры в

93

приморских зонах изменяют состав воздуха, насыщая его солями, растворёнными

ватмосферной влаге, и вызывают химическую коррозию камней.

Ввоздухе промышленных центров содержится больше углекислого газа, несгоревших частичек угля, которые осаждаются на камнях и строениях, адсорбируют, сгущают пары влаги на поверхности, что ведёт к ещё более быстрому разрушению каменных изделий. Поэтому в городских условиях известняк и мрамор быстро теряют полировку и тускнеют.

Остатки угля содержат серу, которая легко образует с водой сернистый, а затем серный ангидрид и переходит в серную кислоту, под воздействием которой карбонаты превращаются в сернокислые соединения:

CaCO3 + H2SO4 +2H2O → CaSO4 · 2H2O + CO2 + H2O.

Под химическим выветриванием имеются в виду и гидратация, и окисле-

ние, восстановление, каолинизация, карбонизация, кристаллизация аморфных веществ, растворение их и обменное разложение.

Гидратация – присоединение воды в кристаллическую решётку минерала. Ангидрит превращается в двуводный гипсовый камень:

CaSO4 + 2H2O→CaSO4 · 2H2O.

Процесс гидратации сопровождается увеличением объёма пород, что необходимо учитывать, когда производят крепление пород.

Окисление обычно протекает при наличии воды в породах, содержащих закисные формы железа, сернистые соединения:

2FeS2 + 7O2 + 16H2O → FeSO4 · 7H2O + 2H2SO4

или

6FeSO4 + 3O + 3H2O → 2Fe2(SO4)3 + 2Fe(OH)3.

Образующаяся кислота, соприкасаясь с другими горными породами, а также с бетоном, начинает их разрушать. Окисление также может сопровождаться увеличением объёма породы.

Под влиянием органических кислот, часто содержащихся в воде, а также сероводорода и бактерий, отнимающих от минерала кислород, может происхо-

дить их восстановление.

В этом случае окись железа переходит в закись железа (Fe2O3 → FeO). Каолинизация – образование каолинита при разрушении минералов поле-

вого шпата под воздействием углекислых вод:

K2O · Al2O3 · 6SiO2 + CO2 + 2H2O → Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O + K2CO3 + 4SiO2,

94

отощающие добавки (до 50%), уменьшающие усадку при сушке и обжиге, позволяющие при меньшем количестве воды сохранять пластичность и объём формовочной массы. Это: кварцевые пески, молотые шлаки, золы; для более лёгких изделий берут молотые диатомиты, пористые породы. Чтобы изделие из глины было лёгким и лучше сохраняло тепло, вводят порообразующие и выгорающие добавки, они же могут играть роль и отощающих. К ним относятся: древесные опилки, угольная пыль, молотый известняк и др. С целью снижения температуры спекания огнеупорных глин в состав вводят плавни – полевые шпаты, железную руду, доломит, пегматит, стеклобой и др. Чтобы не снижалась пластичность формуемой массы, в неё вводят пластификаторы, в роли которых могут быть как поверхностно-активные вещества, так и бентониты. Введение в сырьевую смесь песка, затворённого жидким стеклом, повышает кислотоупорность керамических изделий; добавление пигментов придаёт окраску или цветной тон готовому изделию.

Глинистые частицы (суспензоиды) могут удерживать много воды – до 50-250%, поэтому они увеличиваются в объёме. Процесс набухания глины связан с её адсорбционными свойствами, образуются электрохимические связи частиц и воды, которая теряет свободное состояние, так как находится в тончайшей плёнке между частицами и выполняет роль смазки (адсорбционносвязанная влага). Поверхностное натяжение плёнки воды скрепляет глинистые частички, масса становится пластичным тестом с упругими свойствами и начальной прочностью. В этом состоянии формируются самые тонкие капилляры

вструктуре. Как только доливают больше воды, суспензоиды раздвигаются, теряется рабочая консистенция, тесто начинает течь, а при обжиге такой массы формируется более крупная водопроницаемая капиллярная структура. Более крупные частички песка составляют каркас структуры и после обжига равномерно распределяются в оплавленной матрице, образующейся из спекшейся глины. Повышение пластичности смеси достигается за счёт дополнительного размола на вальцах или бегунах и вакуумирования массы перед прессованием сырца. Когда удаляется воздух и частички сближаются, воды становится меньше, капилляры тоньше.

Впроцессе сушки свободная влага испаряется, остаётся химически связанная

вглинистых минералах, которая удаляется только при обжиге в печи. При темпера-

туре 430-750°С двуводный каолинит переходит в каолиновый ангидрид Al2O3 · 2SiO2, в глине выгорают органические примеси, закись железа в результате окислительного процесса переходит в окись Fe2O3, изделия обретают цвет, глина при этом теряет пластичность, появляются капилляры там, где была вода. При по-

103

глощать жиры; их используют в качестве эмульгаторов. Такие глины содержат частицы монтмориллонита размером ≤ 0,001 мм до 90%.

Лёссовидные глины состоят из смеси глинистого вещества и пылевидных примесей, они занимают промежуточное положение между суглинками и мергелистыми глинами.

Сухарные глины отличаются высоким содержанием глинозёма, они в воде не распускаются и не дают пластичного теста. Если оксидов алюминия содержится более 40%, то глины называются высокоосновными, если от 30 до 40% – основными, полукислыми – с содержанием оксидов алюминия от 15 до

30%, кислыми – до 15%.

Частицы глинистых минералов имеют размер менее 0,005 мм, хорошо смачиваются водой и дают пластичное тесто (легко формуется). Чем больше таких частиц в сырье, тем выше пластичность и воздушная усадка глины. В зависимости от того, сколько воды требует глина для придания состояния формуемого пластичного теста, глины относят к высокопластичным или сухим.

Высокопластичные называют жирными, если глинистых частиц до 80-90%. Такие глины удерживают много воды (28-40%) и с этим количеством образуют

рабочее тесто с нормальной влажностью; к среднепластичным относят глины с количеством глинистых частиц до 60%, они удерживают меньше воды – до 28%; к сухим, непластичным глинам относят сырьё, если водоудерживающая способность 15-20%, а глинистых частиц всего от 5 до 30%. Глинистые частицы относятся к группе алюмосиликатов, которые в своей основе содержат оксиды алюминия, кремния и кристаллизационной воды с разными коэффициентами, и разными примесями: Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O – каолинит, Аl2O3 · 4SiO2 · 4H2O – монтмориллонит, Al2O3 · 2SiO2 · 4H2O – галлуазит и др.

Различное сочетание химического, минералогического и гранулометрического составов разных компонентов, примеси обуславливают различные свойства глины и её назначение. С увеличением количества глинозёма повышается пластичность и огнеупорность глин, а с повышением содержания кремнезёма снижается пластичность, прочность глиняного черепка, возрастает пористость. Увеличение содержания железистых оксидов снижает огнеупорность глин. Присутствие тонкодисперсного известняка придаёт светлую окраску готовому изделию, более крупные его частички вызывают появление «дутиков», понижают огнеупорность глин. Щелочные металлы снижают температуру плавления глин, способствуют уплотнениюиповышениюпрочностиглиняногочерепка, ноиповышаютусадку.

Чтобы получить нужные качества, надо составить сырьевую смесь, поэтому в глину вводят технологические добавки. В пластичные глины вводят

102

т. е. происходит образование глинистого минерала каолинита и карбоната калия – карбонизация – образование солей угольной кислоты.

Органогенное выветривание скальных пород происходит под воздействием лишайников и мхов. Мельчайшие споры заносятся ветром или водой в самые узкие щели и трещинки. Прорастая, они «грызут» камень и через несколько лет разъедают его.

Отмирание живых организмов ведёт к накоплению в горных породах органического вещества, что является хорошей питательной средой для микроорганизмов. Коррозионный процесс распространяется дальше.

Когда происходит переработка сырьевых материалов – это добыча, измельчение, сортировка, обогащение, – появляются промышленные отходы, содержащие те же минеральные вещества, что и горные породы. Поэтому они органично входят в составы искусственных каменных изделий после технологической обработки.

Композиционные материалы получают:

−добавляя к вяжущему с водой заполнители или обработанные промышленные отходы (бетоны);

−с помощью высокотемпературного обжига, когда образуется скрепляющий компоненты расплав (кирпич);

−запариванием кремнезёмсодержащих компонентов с активной известью при высоком давлении и температуре (силикатные материалы);

−склеивая органическим вяжущим разнородные компоненты (мастики, пластмассы, гидроизоляция).

Вопросы для самостоятельной работы.

1.Каким операциям и с какой целью подвергают обработке добываемые горные породы для производства строительных материалов?

2.Какова структура магматических горных пород? Из каких минералов они состоят?

3.Дайте определение породообразующих минералов. Назовите их в разных по происхождению породах.

4.Какие породы используют для получения вяжущих веществ? Напишите их формулы.

5.Назовите осадочные породы и их породообразующие минералы. Как они образовались?

95

6.	Что называют органогенными породами? Из каких минералов они со-	21. Почему гипсовый камень инертен, а строительный гипс активно гид-
стоят, где их используют?		ратируется? Напишите реакцию.
7. Как появляются конгломераты и брекчии? Из чего они состоят?		22. Под воздействием чего известковый раствор приобретает прочность?
8.	Что такое цементация горных пород? Приведите примеры сцементи-	Напишите реакцию твердения.
рованных пород разными связующими веществами.		23. Может ли происходить химическая реакция между песком и известью
9. Как образовались карбонаты? Каков их химический состав? Что из них		в известковом растворе? Как ускоряют твердение между этими компонентами?
производят?
10.	Как образовался аморфный кремнезём? Для чего он используется?
11.	Как образовались кварцевые пески? В каких породах присутствуют	Занятие № 3.
эти минералы?		Тема: Образование глин, их минеральный состав, изменение минераль-
12.	Чем отличается прочность глубинных и поверхностных изверженных	ного состава после обжига.
пород? Есть ли разница в их химическом составе?		Цель работы: Изучить состав и свойства глин, их образование, реакции
13.	Каков химический состав глинистых пород? Что называют каолини-	при обжиге.
зацией? Из каких пород и как произошли глины?		Как известно, в результате выветривания полевых шпатов образуется ми-
14.	Назовите виды выветривания горных пород. Что называют химиче-	нерал каолинит. Кроме полевых шпатов в первичной породе содержатся: кварц,
ским, а что физическим выветриванием?		слюда, железистые минералы, зёрна неразложившегося полевого шпата. Као-
15.	Что такое карбонизация? Что при этом образуется (напишите форму-	линит смешивается с ними, образуется смесь, называемая первичной глиной.
лы)? Где применяются продукты карбонизации?		Глинами называют тонкообломочные породы (≤ 0,01 мм), состоящие пре-
16.	Приведите примеры использования минеральных промышленных от-	имущественно из глинистых минералов (алюмосиликатов). При переносе водой
ходов для производства строительных материалов.		или ветром первичная глина смешивается с илом, пылью, известняком и други-
17.	Какие горные породы называют силикатами? Каков их химический	ми отложениями. Образуется вторичная глина. Если глина содержит незначи-
состав? Где используют силикаты?		тельное количество примесей, то она имеет белый цвет и называется каолином.
18.	Какие горные породы используют для получения строительных мате-	В зависимости от химического характера примесей различают разновид-
риалов в Республике Коми?		ности каолина: чистый, если содержится не более 6% кварца и не более 2% ще-
19.	Опишите химический состав промышленных отходов. Сравните его с	лочей; щелочной, если до 7% оксидов калия и натрия; кремнезёмистый, если до
химическим и минеральным составом силикатов.		20% и более тонкозернистого кварцевого песка; железистый – с наличием более
20.	Какие минералы называют алюмосиликатами? В каких горных поро-	2% оксидов железа, придающих глине жёлтую окраску. При большом содержа-
дах они присутствуют? Что из них получают?		нии железа глины переходят в охры, применяемые как минеральные краски.
21.	Как появились сульфаты? В состав каких пород они входят? Где ис-	Химический состав глин меняется в пределах: SiO2 – 40-80%, Al2O3 – 8-50%,
пользуются сульфаты?		Fe2O3 – 0-15%, CaO – 0,5-25%, MgO – 0-4%, R2O – 0,3-5%.
22.	Опишите способы получения композиционных материалов.	Глины называют мергелистыми, если они содержат значительное количе-
23. Назовите горные породы, из которых производят строительные ма-		ство углекислого кальция; флоридиновыми, содержащими кроме оксидов каль-
териалы.		ция ещё оксиды магния. Такие глины обладают высокой адсорбционной
		способностью, но низкой пластичностью. Бентонитовые глины содержат боль-
		шое количество оксидов щелочных и щелочноземельных металлов (поэтому
		они кажутся жирными на ощупь). Они обладают способностью омылять и по-
	96	101

4.Из каких горных пород какие виды известкового вяжущего получают? Напишите реакции.

5.От чего зависит активность извести, как её определяют? Как определяют сортность?

6.Какую известь используют для производства строительных материалов? Напишите реакцию получения и гашения извести.

7.Что называют карбонизацией известкового камня? Меняется ли от неё минеральный состав гидратов? Напишите реакцию карбонизации.

8.Как получают строительный гипс и эстрих-гипс? Напишите реакции получения, чем они отличаются?

9.Почему строительный гипс не имеет такой прочности, как высокопрочный гипс? Напишите реакции гидратации.

10.Почему строительный гипс быстро твердеет? Какие замедлители схватывания можно ввести? Объясните механизм твердения гипсового вяжущего.

11.Сколько воды необходимо взять для гашения извести? Что произойдёт, если воды будет больше? Напишите реакцию гашения извести.

12.Что называют тестом нормальной густоты? Зачем его готовят? Как определяют для гипса?

13.К какому виду вяжущего относится известь? При какой температуре её обжигают? Сколько примесей допускается в известняке? Что получают, если их больше?

14.Из какой породы и при какой температуре получают магнезиальное вяжущее? Напишите реакцию.

15.Для изготовления каких строительных материалов используют известь как вяжущее? Что ещё кроме известковой смеси входит в состав? Напишите реакцию твердения этой смеси.

16.Чем затворяют магнезиальное вяжущее? Как называют затвердевший раствор и какова его прочность?

17.Какова дисперсность извести? Для чего и в каком количестве в известковый раствор добавляют песок?

18.Почему известь в силикатных изделиях вступает в химическую реакцию с заполнителем? Укажите с каким? Напишите реакцию твердения смеси.

19.Что получают из карбонатной породы с большим количеством глинистых примесей? При какой температуре его обжигают? Как называется это вяжущее?

20.Чем гидросиликатное твердение отличается от карбонатного? Меняется ли при этом минеральный состав раствора? Напишите реакции.

100

Занятие № 2.

Тема: Реакции образования известняков, гипса и др. химических осадков в природе. Получение вяжущих веществ, определение их активности.

Цель работы: Изучить способы образования осадочных пород и получения из них строительных материалов. Определить их активность.

Минеральный и химический состав извести, гипса, магнезита.

Минералы полевого шпата: анортит (основный плагиоклаз), а также из- вестково-натриевый плагиоклаз – лабрадор, подвергаясь воздействию углекислого газа и воды, превращаются в карбонаты и глинистые минералы:

СаО · Аl2O3 · 2SiO2 + CO2 + H2O → CaCO3 + Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O.

Добываемый в карьерах известняк идёт в качестве сырья для получения цемента, извести, щебня, известняковой муки. его обжигают с целью получения строительной извести – оксида кальция:

СаСО3 → СаО + СО2.

Комовая известь очень активное вещество, бурно реагирует с водой, превращаясь в гидроокись кальция и выделяя тепло:

СаО + Н2О = Са(ОН)2 + 65,5 кДж.

На реакцию гашения извести требуется 32,13% воды от её массы. В этом случае получают пушистый сухой порошок, если воды добавляют до 50% – получают известковое тесто.

В зависимости от засорённости известняков получают более или менее активную известь, которая расходуется на строительные нужды: получение строительных растворов, силикатных изделий, добавок в строительные смеси. Чем меньше в сырье глинистых и кремнезёмистых примесей, тем активнее будет известь, значит можно в строительный раствор вводить большее количество наполнителя для получения качественного раствора.

Активность извести определяют, рассчитывая количество активных оксидов – СаО и МgО: 1 г негашеной или гашеной извести разрыхляют в ступке, помещают в колбу объёмом 250 мл, заливают дистиллированной водой – 150 мл, помешивая стеклянной палочкой. Можно слегка подогреть. Затем с помощью капли фенолфталеина показывают щелочную реакцию в колбе (малиновый цвет) [7].

Однонормальным раствором соляной кислоты титруют раствор извести, взбалтывая и добавляя кислоту из бюретки, отмечая количество, израсходованное на титрование до нейтральной среды (обесцвечивания раствора). Когда ок-

97

раска исчезнет и не появится через 5 минут выдерживания раствора в колбе, можно посчитать расход кислоты на нейтрализацию извести.

Содержание активных окисей кальция и магния (в %) вычисляют по формуле:

A = TCaO V 100 ,

Q

где ТСаO – титр 1N соляной кислоты, г.;

V – объём раствора соляной кислоты, израсходованной на титрование извести, мл;

Q – масса навески извести, г.

Если для титрования используют известковое тесто, то в знаменателе формулы навеску необходимо умножить: Q · (100-W), учитывая количество воды в известковом тесте.

Определение титра соляной кислоты:

CaO + 2HCl = CaCl2 + H2O.

Молекулярная масса СаО равна 56 г-экв. На нейтрализацию одной г-молекулы СаО идет 2 г-молекулы соляной кислоты, одна г-молекула кислоты идёт на полмолекулы СаО, т. е. 28 г-экв. Однонормальный раствор НСl в одном литре воды содержит 36,45 г-экв НСl, 1 мл раствора содержит 0,036 г-экв. НСl, на нейтрализацию которой идёт 0,028 г-экв. СаО. Это и есть титр – ТCаО.

В зависимости от содержания активных оксидов (СаО и МgО), считая на сухое вещество, известь подразделяется на кальциевую (маломагнезиальную), магнезиальную, доломитовую. К первому сорту относят известь с содержанием активных оксидов ≥ 85%, ко второму сорту – до 80%, к третьему сорту – до 70%.

Строительный гипс получают, выпаривая кристаллизационную воду из гипсового камня, который формируется в природе гидратацией ангидрита – СаSO4, превращаясь в СаSO4 · 2Н2О. Выпаривая 1,5 молекулы воды из двуводного гипса, получают полуводный гипс, называемый строительным. Продукт этот активен, так как у него нарушено энергетическое равновесие, он быстро с выделением тепла присоединяет отнятую во время варки воду и переходит опять в двуводный:

CaSO4 · 0,5H2O + 1,5H2O → CaSO4 · 2H2O.

Двуводный гипс затвердевает, превращаясь в камень, становится опять инертным, так как вода затворения превратилась в кристаллизационную воду и наступило энергетическое равновесие. Прочность искусственного камня зависит

98

от количества воды затворения, тонкости помола гипса, примесей. На химическую реакцию гидратации требуется всего 18,6% воды, для получения теста нормальной густоты (удобоукладываемого) её необходимо брать больше. На сколько больше добавлено воды можно определить на приборе Суттарда по расплыву теста (180 мм), на столько меньше будет прочность изделия из этого теста.

Согласно [1], изготовить стандартные образцы из строительного гипса и определить их прочность, коэффициент размягчения.

Магнезиальное вяжущее получают обжигом при температуре 800-850°С магнезита:

MgCO3 → MgO + CO2.

Образуется каустический магнезит (MgO) – порошок белого цвета, плохо реагирующий с водой, поэтому его затворяют раствором хлористого магния MgCl2 · 6H2O или сернокислого магния, можно даже растворами серной и соляной кислоты. Раствор хлористого магния является лучшим затворителем: он даёт большую прочность при реакции с MgO и называется цементом Сореля:

2MgO + MgCl2 · 6H2O → 3MgO · MgCl2 · 6H2O.

MgSO4 хорош тем, что придаёт материалам, изготовленным на магнезиальном вяжущем, высокую прочность и наименьшую гигроскопичность.

Ньювель – теплоизоляционный материал на магнезиальном вяжущем, изготовляемый из смеси асбеста и основной магнезиальной соли состава:

4MgCO3 · Mg(OH)2 · 4H2O.

Основный гидрокарбонат магния содержит много воздушных пор между мельчайшими кристалликами ньювеля, плотность его не более 350 кг/м3, коэффициент теплопроводности – не более 0,07 Вт/м°С. 15% асбестового волокна придают материалу необходимую прочность.

В порошковом виде ньювель используют для приготовления мастичной изоляции или формования плит и скорлуп.

Вопросы для самостоятельной работы.

1.Из каких горных пород под влиянием каких процессов образуются карбонаты?

2.Из каких горных пород получают гипсовые вяжущие вещества? Сколько их? Перечислите.

3.Что называют ангидритом, а что гипсовым камнем? Как образовался гипсовый камень?

99

Древесно-волокнистые плиты изготовляют путём горячего прессования волокнистой массы из древесины, наполнителей, полимера и технологических добавок (антисептиков, антипиренов, гидрофобизирующих веществ). Предварительно древесину на рубильных машинах перерабатывают в щепу, которую проваривают в 1-2% щелочном растворе. Затем щепу в других машинах превращают в волокна и после дополнительной обработки паром при температуре 150°С волокна смешивают с водой и другими добавками, в смесь вводят феноло-формальдегидный полимер и отливают массу. Далее её уплотняют, обезвоживают, вакуумируют и разрезают на плиты. Для получения твёрдых плит необходимо прессование массы при температуре 150-165°С и давлении 1-5 МПа. Горячее прессование ускоряет отверждение термореактивного полимерного связующего. Меняя давление, получают плиты разной плотности с различными физико-механическими свойствами. Отделочные плиты облицовывают синтетической плёнкой с прокладкой текстурнойбумаги, имитируярисунокдревесины.

Целлюлоза – главный компонент древесины как хвойных, так и лиственных пород, занимающий примерно половину её объёма. Целлюлоза представляет собой линейный полимер с высокой молекулярной массой (от 30000 до 5000000). Это основной компонент клеточных стенок растения. Общая формула целлюлозы СmН2nОn (относится к классу углеводов, или полисахаридов), степень её полимеризации «n» от 175 до 30000 .

В листьях дерева из атмосферного углекислого газа и воды под действием солнечного света образуется глюкоза (С6Н12О6)n, которая в растворённом виде по внутренним каналам дерева поступает к растущим клеткам камбия. В камбиальном слое молекулы глюкозы соединяются своими концами между собой, так как молекула глюкозы изогнута в пространстве. Происходит реакция поликонденсации под воздействием поляризации связей С = 0 и 0-Н, выделяется молекула воды, и образуется целлюлоза.

Упрощённореакциюобразованияцеллюлозыизглюкозыможнонаписать:

n(С6Н12О6) → (С6Н10О5)n + nН2О.

Вода уходит в сок дерева, клетки целлюлозы – в годовые кольца роста. Целлюлоза – это линейный природный полимер, нитевидные цепи которого жестко связаны (сшиты) гидроксильными связями.

Рассматривая клетки древесины под микроскопом, можно увидеть, что основную её массу составляют клетки веретёнообразной формы, вытянутые вдоль ствола. В зависимости от выполняемых функций клетки называют меха-

ническими и проводящими.

140

Определить водо- и солестойкость образцов с активной минеральной добавкой и без неё можно по [9].

Если нет активной минеральной добавки, то работу можно провести, имея чистоклинкерныйипуццолановыйцементы, последнийсодержитеёдо40%.

Для работы надо изготовить по 3 балочки каждого состава. Пропарить, через сутки оставить твердеть ещё на 7 суток, затем положить их в приготовленный растворсолина2 недели, оставив поодномуобразцувнормальныхусловиях.

Образцы взвесить и испытать на прочность.

Классификация активных минеральных добавок

	Естественные добавки		Искусственные
	Вулканические породы	Осадочные породы	Доменные гранулированные
	(пуццоланы)
			шлаки, топливные шлаки,
	Пеплы, пемзы, трассы,	Диатомиты, опоки, трепел
			золы угля, сланцы
	туфы (метаморфические	(породы, содержащие
			(алюмосиликаты)
	разновидности туфов)	водный кремнезём)
	Вулканическое стекло,	Глиежи	Нефелиновый шлам,
	витрофиры		керамзит, цемянки

Все эти добавки называют кислыми, потому, что они связывают основание – Са(ОН)2. Если естественные минеральные добавки стабильны по своему составу, то искусственные зависят от состава сырья. Разнообразны по составу топливные шлаки и золы, поэтому при необходимости их использования делают химический и минералогический анализы. Если в них содержится СаО до 20% и более, то они обладаютвяжущими свойствамиимогуттвердетьбезцемента.

Вяжущее на основе извести и активной минеральной добавки твердеет медленно и не даёт достаточной прочности в нормальных условиях твердения. При тепловой обработке и повышенном давлении (условия автоклава) кремнезём частично растворяется в щелочном растворе, при этом разрываются связи -SiO – SiO-, образуются новые группы – Si – OH. Чем выше рН ≥ 12, тем активнее идёт реакция образования гидросиликатов кальция, тем больше нарастает прочность силикатных композиций:

Са(ОН)2 + SiO2 · mH2O + aq → CaO · SiO2 · nH2O.

В минеральной добавке кроме SiO2 содержится некоторое количество Al2O3, Fe2O3 и других примесей, которые также взаимодействуют с Са(ОН)2, придавая гидравлические свойства твердеющему камню.

Если нет возможности обрабатывать изделия в автоклаве, то в составы вводят добавку цемента, получают смешанное вяжущее, которое твердеет, постепенно набирая прочность. Такие составы дешевле, не дают усадки, имеют хорошую прочность и водостойкость.

113

Вопросы для самостоятельной работы.

1.Что называется песком? К какой горной породе по происхождению относятся пески? Напишите их минеральный и химический состав.

2.Что составляет основу силикатных пород? Когда происходят полиморфные превращения? Чем они опасны для изделий?

3.Покажите разнообразие песков по минеральному и гранулометрическому составу. Чтохарактеризуетмодулькрупностипесков? Какегоопределяют?

4.Какие соединения называют силикатами? Способны ли они к полимеризации?

5.Чем кристаллическое строение структуры вещества отличается от аморфного? В каком состоянии кремнезём более активен? Как это объяснить?

6.В каких породах и промышленных отходах кремнезём находится в аморфном состоянии? Как его используют?

7.С чем реагирует аморфный кремнезём в строительных смесях, а с чем кварцевый песок? В каких условиях происходят эти реакции?

8.Какие реакции называют первичными при гидратации цемента в бетоне, а какие вторичными? К какой реакции относится взаимодействие активного кремнезёма в составе бетона?

Занятие № 6.

Тема: Минеральный состав и структура стекла, ситаллов, каменного литья, минеральных волокон. Их использование в строительстве.

Цель работы: Изучить получение силикатных материалов разной структуры, их использование.

Из минерального расплава при быстром охлаждении кристаллическая структура не образуется, молекулы замедляют своё движение, и структура охлаждается в большей степени хаотично. Образуется аморфная структура, которую можно рассматривать как очень вязкую твёрдоподобную жидкость. Из-за отсутствия кристаллов стекло прозрачно, не проводит ток, имеет низкий коэффициент теплопроводности (0,36-0,83 Вт/м°С), высокую прочность при растяжении – до 1000 МПа, плотность – 2,2-6,3 г/см3(свинцовое стекло). Коэффициент линейного температурного расширения оконного стекла в зависимости от химического состава находится в пределах 90-150 · 10 7град 1, для кварцевого стекла – 5,8 · 10 7град 1.

114

Занятие № 12.

Тема: Древесина, химические процессы при получении строительных материалов из неё.

Цель работы: Изучение состава древесины и способов модификации древесных строительных материалов.

Качество древесины зависит от породы деревьев, которые делят на две основные группы: хвойные и лиственные.

Древесина хвойных пород применяется для изготовления конструкций жилых, общественных, промышленных зданий и других сооружений. Древесину лиственных пород применяют для изготовления конструкций и изделий (за исключением берёзы), работающих под крышей и внутри помещения, а также для временных сооружений, вспомогательных устройств.

После механической переработки древесины остаётся очень много отходов, кроме того, есть некондиционная древесина, не пригодная для изготовления пиломатериалов. Эти продукты являются сырьём для производства композиционных строительных материалов. Чтобы изготовить из них изделия, надо их обработать для безопасного использования в композиционных материалах.

Клетки древесины кроме целлюлозы содержат лигнин и гемицеллюлозу, клеточный сок, полисахара, дубильные вещества, которые не способствуют хорошему контакту древесных материалов с другими компонентами. Древесные компоненты в композиционном материале должны быть однородными и по химическому составу и по фракциям: опилки, стружка, кора, волокна и др. Каждый из этих компонентов может быть использован для получения материала определённого назначения. Поэтому древесина и отходы из неё перерабатываются механически (распаривают, разрыхляют, дробят, просеивают и т. п.), а затем подвергают химической обработке (в растворе хлористого кальция, в автоклаве, в щелочной среде и т. п.).

Специально подготовленную древесную стружку смешивают с жидкими термореактивными полимерами (феноло-формальдегидными, карбамидными), горячим прессованием формуют древесно-стружечные плиты. В качестве декоративной отделки, защищающей плиты от увлажнения и истирания, применяют полимерные плёночные материалы, бумагу, пропитанную смолами. Если поверхность шлифуют, то покрывают водостойкими лаками. Для придания плитам биостойкости в полимерно-стружечную массу добавляют антисептики (фторид и кремнефторид натрия, буру и др.).

139

4.Что характерно для I вида коррозии? Как она называется? Напишите реакцию.

5.Какие виды воздействий относят ко II виду коррозии? Напишите реакции, объясните.

6.Что относят к III виду коррозии, как она называется? Что образуется в капиллярах цементного камня? Напишите реакцию.

7.Назовите способы защиты от коррозии. Какие меры первичны?

8.В какой среде останавливается углекислотная коррозия, а в какой идёт? Напишите реакцию.

9.Почему при опасности коррозии увеличивают содержание цемента в бетонной смеси?

10.Какими средствами можно увеличить плотность цементного камня?

11.Назовите способы защиты от первого вида коррозии; в чём состоит её опасность?

12.Назовите способы защиты при втором виде коррозии. Можно ли защитить цементный бетон от разрушения?

13.Перечислите способы защиты при опасности третьего вида коррозии. Напишите реакцию, объясните, в чём её опасность?

14.Какие виды цемента можно использовать при опасности выщелачивания бетона? Напишите реакцию выщелачивания.

15.Какие способы защиты материалов относят к вторичным (активным), почему? Напишите реакцию флюатирования.

16.Опишите механизм морозного разрушения. Как можно защитить бетон от мороза?

17.В каком случае предпочтительнее сульфатостойкий цемент для изготовления железобетонных конструкций? Будет ли это мерой защиты, какой?

18.Какая структура цементного камня более стойка в агрессивной среде? Как её создать?

19.Что можно предпринять для защиты металлической арматуры в структуре бетона в агрессивных условиях работы?

20.В чём заключается активная защита железобетона и арматуры?

138

Большинство стёкол являются силикатными, т. е. в них в качестве основного стеклообразующего окисла присутствует оксид кремния – SiO2, а также оксид алюминия, бора, щелочные оксиды (Na2O, K2O) и щелочноземельные металлы. Химическая стойкость стекла зависит от его состава, силикатные стёкла химически стойки к большинству агрессивных сред за исключением плавиковой и фосфорной кислот. При попадании влаги на поверхность стекла начинается процесс выщелачивания, происходит медленный гидролиз силикатов стекла. Едкие щёлочи, образующиеся на стекле в результате гидролиза, хорошо растворимы, вымываются водой, а кремневая кислота образует защитный гелеобразный слой, который предохраняетнижниеслоистеклаотдальнейшегоразрушения.

Сырьём для изготовления стекла является преимущественно кварцевый песок с содержанием кремнезёма 98%, известняк, кальцинированная сода (Na2CO3) или сульфат натрия (Na2SO4). В присутствии сульфатов или хлоридов стекло становится прозрачным, закись железа превращается в окись с потерей коричневого цвета. Состав силикатного стекла можно выразить формулой

Na2CaSi6O14 или Na2O · CaO · 6SiO2.

Для придания стеклу непрозрачности («глушения» стекла) применяют фтористые соединения. Если стеклу требуется придать матовую поверхность, то его подвергают обработке пескоструйным аппаратом. Для получения на стекле морозных узоров матовое стекло покрывают горячим раствором столярного клея и высушивают покрытие. Стекло при этом расширяется, а клей, уменьшаясь в объёме, отрывает от стекла тонкие плёнки отвердевшего геля кремнекислоты, создавая игольчатый рисунок, напоминающий иней.

Термическая обработка (закалка) стекла повышает прочность: она становится в 5-7 раз выше, чем у обычного стекла. Прочность при ударе повышают, армируя стекло стальной сеткой при разливке. Таким стеклом закрывают фонари верхнего света, проёмы лестничных клеток, конструктивные элементы в здании.

Кроме листового стекла из расплавленной стекломассы делают: стеклоблоки, плитку, карнизы, плинтусы, дверные ручки, а также стекложелезобетон (панели для устройства сводов над бассейнами, рынками и др.), желоба для стока воды, трубы для химической и пищевой промышленности. Трубы формуют, используя способ вертикального вытягивания жидкой массы.

Из малощелочного или бесщелочного стекла, которое получают из кварцевого песка, каолина, плавикового шпата и доломита, делают арматуру в цементные бетоны, трубы из него можно замоноличивать в бетонные или деревянные стены, подавать по ним питьевую воду. Такое стекло не взаимодей-

115

ствует с водой и бетоном, а силикатное стекло не может долго соседствовать со щелочной средой.

Если расплавляют каменные горные породы или шлаки, то из такого расплава отливают очень прочные и плотные изделия, называемые каменным литьём. Так делают очень износостойкую брусчатку для мощения площадей, пола в цехах с агрессивными жидкостями, отливают кислотостойкие трубы, желоба и другие изделия. Из такого расплава можно получить и горное волокно по технологии стекловолокна (базальтовое, шлаковое).

Освоена технология получения пористого стекла из порошков боя стекла. Порошок смешивают с газообразующими веществами (кокс, антрацит, карбонаты, сода), выделяющими газ при высокой температуре, расплавляют. Образующиеся газы раздувают стекломассу, она становится пористой и лёгкой. Так получают газостекло, если используют пенообразователи – пеностекло, теплопроводность которого в 10-15 раз меньше, чем у кирпича. Применяют изделия из пористого стекла как теплоизоляционные материалы.

К теплоизоляционным относятся волокнистые материалы, которые также получают из расплавленной стекломассы, пропуская её через тонкие отверстия (фильеры) под давлением горячего пара. Образуются длинные нити или короткие волокна, которые используют в качестве арматуры или в качестве теплоизоляционных рулонов. Если волокно тонкое (5-10 мкм), то делают теплоизоляционные рулоны, маты и другие изделия. Обработкой стеклонитей или тканей из стекловолокна синтетической смолой получают материал, обладающий большой прочностью (стеклопластики, текстолиты и др.).

Определение плотности волокнистых и сыпучих теплоизоляционных материалов провести согласно [8].

Вопросы для самостоятельной работы.

1.Как получают стекло из силикатного расплава? Какое строение характерно для структуры стекла?

2.При какой температуре плавят шихту? Что вводят в расплав для получения прозрачных стекол?

3.Как получают жидкое стекло? Как его переводят в нерастворимое состояние?

4.Какова роль химических добавок для получения специальных стекол?

5.Какие виды стёкол используют в строительстве. Как их получают?

6.Как получают теплоизоляционные структуры?

7.Чем ситаллы отличаются от стекла, а чем от керамики?

116

жидкого стекла, хлорного железа с пластификатором, натриевой бентонитовой глины, микрокремнезёма и др. Для кислых сред используют в качестве наполнителей минеральные породы: кварц, андезит, гранит, асбестит и др. Для щелочных сред лучше использовать карбонатные породы; для переменных сред – углеродсодержащиевещества (уголь, графит, сажаидажешерсть).

К первичным мерам защиты добавляют вторичные, предотвращающие проникание агрессивных веществ к поверхности цементного камня: покраска, обмазки, оклейки, пропитки бетона химически стойкими материалами (битумом, серой, каменноугольной смолой, полимерами). Пропитка бетона на глубину 10 мм повышает предел прочности на растяжение при изгибе на 20-25%, а при глубине 20 мм – на 35-45%.

При действии напорной чистой воды хорошо сохраняет поверхность бетона металлизация – тонкое покрытие из легкоплавких и стойких металлов. Такое покрытие не пропускает воду под давлением до 15 атм и защищает от воздействия сульфатных вод.

Повышает водонепроницаемость и кислотостойкость бетона обработка поверхности SiF4 за счёт уплотнения и образования CaF2 (флюатирование).

Прогоны и плиты перекрытий следует выполнять из предварительно напряжённого бетона простых сечений с гладкой поверхностью, так как поверхность подлежит защите лакокрасочными покрытиями.

Из всех факторов, влияющих на долговечность бетона, наибольшую угро-

зу представляет коррозия арматуры, воздействие сульфатов и замораживание влажного бетона. Эти факторы могут действовать в случае присутствия воды в порах бетона. Возможность проникания воды в структуру бетона является решающим фактором для большинства разрушающих процессов, поэтому пористость, и водопроницаемость наиболее важные свойства для долговечности изделий. Самыми опасными и нежелательными являются открытые поры и полости, трещины и сквозные капилляры, другие дефекты.

Вопросы для самостоятельной работы.

1.От чего начинает разрушаться цементный камень? Какие воздействия вызывают опасность для его долговечности?

2.Что называют коррозией цементного камня? Воздействуют ли те же причины на бетон?

3.Перечислите виды коррозии цементного камня, как они называются? Что происходит с цементным камнем при каждом виде коррозии?

137