Основные понятия

Горно-химическая промышленность

Каменноугольная смола

Бензол

Металлургический кокс

Надсмольная вода

Шихта

Полукокс

Коксовая печь

Коксовая батарея

Коксовыталкиватель

Вертикалы

Сырая нефть

Электродегидратор

Обезвоженная нефть

Ректификационная колонна

Фракционный состав флегмы

Лигроины

Масляные дистилляты

Синтез аммиака

Крекинг

Пиролиз

Риформинг

Каталитическая конверсия метана

Аммиачная селитра

Карбамид

Вопросы для обсуждения

1. Понятие о химическом производстве.

2. Что представляет собой кокс и каковы области его применения?

3. Показатели качества кокса.

4. Основные компоненты, получаемые при коксовании угля, и их особенности.

5. Охарактеризуйте сырье для получения кокса.

6. Раскройте сущность коксохимического процесса и этапы технологического процесса.

7. Устройство и работа коксовой батареи.

8. Перечислите продукты, получаемые из сухой шихты.

9. Пути повышения экономической эффективности коксохимического производства.

10. Перечислите компоненты сырой нефти.

11. На чем основан процесс перегонки нефти?

12. Ректификационная колонна, устройство и принцип работы.

13. Продукты прямой перегонки нефти и их применения.

14. Крекинг, пиролиз и риформинг нефтепродуктов, сущность процессов и получаемые продукты.

15. Производство аммиака.

16. Производство азотной кислоты.

17. Производство минеральных удобрений.

Глава 10. Строительные материалы и изделия из них

10.1. Свойства строительных материалов

Пригодность строительных материалов для конкретных условий определяют по их свойствам. Свойства материалов многообразны, что обусловлено главным образом их вещественным составом. Выделяют физические, механические, химические и другие свойства.

Физические свойства характеризуют физическое состояние материала (фазовое состояние, плотность, структуру), а также определяют его отношение к физическим процессам окружающей среды. При этом физические процессы в материале не изменяют строение его молекул. Обычно к таким свойствам относят плотность, объемную массу, теплопроводность, теплоемкость, звукопроницаемость, влажность, водопроницаемость, водопоглощение, усадку, огнеупорность, огнестойкость, светостойкость, электросопротивление.

Механические свойства – способность материала сопротивляться деформированию и разрушению под действием напряжений, возникающих в результате приложения внешних сил (прочность, упругость и вязкость, пластичность и хрупкость, релаксация, ползучесть, твердость материалов и др.).

Химические свойства материала определяют его способность вступать в химическое взаимодействие с веществами среды, в которой он находится, при этом появляются новые вещества. К химическим свойствам можно отнести растворимость и кристаллизацию, коррозионную стойкость, старение, атмосферостойкость, адгезию, горючесть, токсичность и др.

Свойства материалов не остаются стабильными, они изменяются под воздействием физических, химических, механических и физико-химических факторов, например, прочность древесины (сосны) при увлажнении до 20% снижается в 1,5 раза по сравнению с воздушно-сухим состоянием и т.п.

Показатели свойств материалов являются важнейшими критериями их качества. Они нормированы в государственных стандартах и других нормативно-технических документах.

Физические свойства. Важнейшими из физических свойств материала являются плотность и объемная масса.

Плотность – масса вещества материала в единице его объема. Плотность строительных материалов больше единицы.

Объемная масса – масса единицы объема материала в естественном состоянии (с порами, пустотами и т.д.). Объемная масса строительных материалов обычно меньше плотности (табл. 10.1). Чем меньше пористость материала, тем ближе значения объемной массы и плотности.

Таблица 10.1

Объемная масса и плотность строительных материалов

Пористость характеризует количество пор и микротрещин в единице объема материала

^,

где γ₀ – объемная масса; γ – плотность материала.

Чем больше пористость, тем меньше прочность и теплопроводность, больше водо- и газопроницаемость.

Обычно материалы имеют влагу на внутренней поверхности пор, микротрещин и других дефектов.

Влажность определяют в процентах по объему или массе:

или ,

W_О = W_Т g ,

где m_В и m_С – масса влажного и сухого образца материала, г; V – объем материала; g – объемная масса материала.

Водопоглощение – количество воды, которое может поглотить погруженный в воду материал, а затем удержать молекулярными и капиллярными силами при атмосферном давлении.

Водонасыщение определяется количеством воды, которое может поглотить материал при вакууме или повышенном давлении. Тогда из открытых пор вытесняется воздух, вследствие чего материал насыщается водой больше, чем при атмосферном давлении. Водопоглощение и водонасыщение изменяются в пределах у гранита 0,02-0,7, асфальтобетона 2-5, кирпича 8-15, пористых теплоизоляционных материалов до 100%.

Пористые строительные материалы изменяют свой объем при изменении влажности. Усадкой называют изменение размеров материала при его высыхании; набухание – увеличение объема при насыщении материала водой. Усадка (набухание) древесины изменяется в пределах 30-100, кирпича – 0,03-0,1, гранита – 0,02-0,06 мм/м. Многократное высыхание и увлажнение материала ускоряет его разрушение.

Водонепроницаемость (газонепроницаемость) – способность материала не пропускать воду (газ) при заданных условиях. Она измеряется величиной предельного давления (МПа), при котором вода (газ) не проходит через данный слой материала.

Теплопроводность – способность материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Ее характеризуют коэффициентом теплопроводности, измеряемым в единицах Вт/(м·°С). Коэффициент теплопроводности колеблется от 0,06 (минеральная вата) до 58 (сталь), для кирпича он равен 0,82, бетона 1,28-1,55, гранита 2,92.

Звукопроницаемость – способность материала пропускать звуковую волну, обратное свойству звукоизоляции.

Механические свойства.

Прочность – важнейшее свойство материала, в большинстве случаев определяет возможность его использования в строительной конструкции. В настоящее время принято, что прочность материалов измеряется мегапаскалями (МПа).

Наиболее прочными являются металлы, например, сталь (150-500 МПа), прочность гранитов при сжатии 120-150 МПа, при растяжении менее 10 МПа, прочность бетонов при сжатии изменяется от 1 до 100 МПа, а при растяжении их прочность в 10-15 раз меньше.

Наряду со статической прочностью в необходимых случаях определяют динамическую прочность (при однократной динамической нагрузке) и усталостную (при повторных нагрузках).

Упругость – свойство материала обратимо поглощать энергию, передаваемую внешними воздействиями, что выражается в восстановлении первоначальной формы и объема образца после прекращения действия внешних сил, под влиянием которых форма материала в той или иной мере изменилась.

Вязкость – свойство твердых тел под воздействием внешних сил необратимо поглощать механическую энергию при пластической деформации.

С вязкостью и упругостью материалов в известной мере связаны пластичность и хрупкость.

Пластичность – способность материала необратимо деформироваться под влиянием действующих на него усилий без разрыва сплошности (образования трещин).

Хрупкость – свойство материалов под влиянием внешних сил разрушаться, не давая остаточных пластических деформаций. Хрупкость противоположна пластичности. Хрупкость и пластичность материалов изменяются от температуры и режима нагружения. Например, битумы хрупки при пониженной температуре и быстро нарастающей нагрузке и пластичны при медленно действующей нагрузке и повышенной температуре. Глины хрупкие в сухом состоянии и пластичны во влажном. Хрупкие материалы плохо сопротивляются растяжению, динамическим и повторным нагрузкам.

Ползучесть – способность материалов длительно деформироваться под действием постоянной нагрузки. Ползучесть материалов возрастает с уменьшением их вязкости, поэтому большей ползучестью обладают вязкие, пластичные материалы (например, асфальтобетон) и меньшей – хрупкие, упругие материалы (например, цементобетон). Ползучесть учитывают, если ее деформации влияют на прочность или эксплуатационные свойства материалов в сооружении.

Химические свойства учитывают при оценке пригодности материала для тех или иных целей в строительстве.

Растворимость – способность образовывать истинные растворы в результате взаимодействия материала с водой или другими растворителями. Строительные материалы в большинстве случаев должны быть нерастворимыми в условиях их эксплуатации.

Коррозионная стойкость – свойство материала не разрушаться в агрессивных средах (щелочная, кислотная среда, проточная вода и др.). Наиболее стойкими по отношению к агрессивным средам (воздействию кислот и щелочей) являются керамические материалы, а также изделия из пластмасс. Неустойчивы в кислой среде известняки, доломиты, древесина, портландцементы, в щелочной среде – древесина, битумы.

Атмосферостойкость – свойство материала не разрушаться под воздействием климатических условий (температура воздуха, осадки, солнечная радиация и др.). С атосферостойкостью материала часто связана его склонность к старению вследствие протекания в нем физико-химических процессов и ухудшения свойств. Старение характерно для полимеров, битумов, асфальтобетонов.

Твердение – свойство материала затвердевать (переходить из пластичного состояния в твердое) в результате химических и физико-химических процессов и приобретать ряд новых свойств – сопротивляемость различным по виду и характеру нагрузкам, агрессивным воздействиям внешней среды. Твердение обычно оценивают показателями прочности и их изменением во времени.

Адгезия – свойство одного материала прилипать к поверхности другого. Измеряют адгезию прочностью сцепления при отрыве одного из них от другого. Адгезия имеет важное значение в технологии изготовления материалов и конструкций.

Горючесть – свойство материалов принимать участие в быстропротекающей химической реакции, сопровождающейся выделением тепла и света. Материалы могут быть негорючими, горючими, трудно и легко сгораемыми, что учитывают в противопожарных нормах при проектировании и эксплуатации зданий и сооружений.

Токсичность – свойство некоторых материалов вызывать отравление и заболевание у людей. В работе с такими материалами (дегти, клеи и др.) необходимо строго соблюдать правила охраны труда. Перечисленные свойства не исчерпывают многообразие свойств строительных материалов ни по их перечню, ни по их классификации.

В соответствии с функциональным назначением выделим такие строительно-технические свойства материалов, как конструкционные, изоляционные, технологические, эксплуатационные, декоративные.

Конструкционные свойства обусловливают возможность создания из материала конструкции с заданными механическими свойствами. Поэтому наряду с механическими свойствами к этой группе относят твердость, истираемость, износ материалов, их коэффициент конструктивного качества и др.

Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него более твердого материала. От твердости зависит, в частности, истираемость поверхности слоев дорожных покрытий. Для металлов твердость определяют методом вдавливания шарика (метод Бринеля), величиной отскока падающего груза (метод Шора).

Истираемость – способность материала уменьшаться в массе и объеме под действием истирающих усилий. Истираемость определяют на стандартных машинах, вычисляя массу истертого образца к его площади (г/см²). Истираемость имеет большое значение для строительных материалов, используемых в дорожных покрытиях.

Износ – свойство материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов.

Изоляционные свойства включают: тепло-, электро-, свето-, звукопроводность, газо-, водо-, паропроницаемость и др. Эти свойства способствуют созданию оптимальных условий в помещениях для работы, жизни человека, эксплуатации машин, оборудования за счет изоляции помещения от окружающей среды. В последнее время все большее значение приобретают свойства материала, обуславливающие радиационную защиту (радиационная проницаемость материала).

Технологические свойства характеризуют поведение материала при технологических процессах, его обработке и переработке (например, буримость, дробимость скальных горных пород, формуемость, слеживаемость, нерасслаиваемость бетонных смесей, вязкость жидкообразных материалов и смесей, твердение, адгезия и др.). По технологическим свойствам судят о возможности переработки и получения доброкачественной продукции из исходных материалов при принятой технологии и имеющемся технологическом оборудовании.

Названные и многие другие свойства оцениваются количественно условными показателями, не согласующимися с принятой международной системой единиц. Поэтому эти показатели в разных странах неодинаковы, в большинстве случаев они нормированы в пределах одной страны, а иногда – в пределах отрасли.

Эксплуатационные свойства. Долговечность материала характеризует продолжительность его работы (срок службы) в конструктивных элементах сооружений и в условиях эксплуатации до предельно допустимого изменения свойств. Долговечность обусловлена способностью материала сопротивляться комплексному воздействию механических нагрузок, изменению температуры и влажности, действию растворов солей, газов, совместному воздействию воды, мороза, солнечных лучей. Критерии долговечности материала комплексны, они зависят от его физических, механических и химических свойств.

С долговечностью материалов связывают выносливость – способность сопротивляться многократно прилагаемым механическим воздействиям, которые ускоряют разрушение строительных материалов, вследствие чего ухудшается их долговечность. Выносливость обычно измеряется количеством нагрузок, которые выдержал материал до разрушения.

Часто долговечность материала характеризуют морозостойкостью – его способностью при попеременном замораживании и оттаивании не проявлять заметных признаков разрушения. При воздействии знакопеременных температур вследствие изменения объемов составляющих материал компонентов (кристаллы, зерна и др.) постепенно нарушаются микросвязи между ними, что приводит к снижению физико-механических свойств. Более интенсивно проявляется воздействие переменных температур на водонасыщенные каменные материалы (строительный кирпич, пористые горные породы, тяжелый цементобетон). В этом случае вода, находящаяся в порах и микротрещинах, замерзая при понижении температуры, переходит в твердое состояние и увеличивается в объеме примерно на 10%. Возникающее давление льда при многократном повторении замораживания–оттаивания постепенно разрушает материал.

Морозостойкость каменных материалов зависит от крупности составляющих, объемной массы и пористости.

Чем мельче кристаллы, больше плотность и меньше открытых пор, тем выше морозостойкость. Чем меньше диаметр пор, тем ниже температура замерзания воды, заключенной в них. Так, при диаметре капилляра 1,5 мм температура замерзания воды 6,4°С, при 0,24 мм – 13,3, при 0,16 мм – 14,6, при 0,06 – 18,4°С.

В зависимости от климатических условий, в которых будет работать материал, к нему предъявляются различные требования по показателю морозостойкости, определяемой количеством циклов попеременного замораживания и оттаивания до разрушения материала. Часто коэффициент морозостойкости определяют как отношение показателя прочности материала в водонасыщенном состоянии после испытания на морозостойкость к показателю прочности до испытания.

Декоративные свойства обеспечивают эстетические требования к сооружению. К ним относят цвет, яркость, рисунок и особенности поверхности материалов (шероховатость и др.). Этим свойствам все больше и больше уделяют внимания.

Исследованиями установлено, что производительность труда работающих в значительной мере определяется эстетическим оформлением помещений и оборудования.