§ 57 Силикатные материалы

• Приведите примеры сооружений из стекла кирпича и бетона.

Человеческую цивилизацию с полным основанием можно назвать силикатной цивилизацией, так как силикаты, т. е. соединения кремния — материалы, который она использует в наибольших масштабах. Фарфоровые чашки и панели многоэтажных зданий, сантехника и кирпичи, изоляция для высоковольтных проводов и оконное стекло — всё это силикаты. Силикатные материалы — основа современного строительства.

Основа современных силикатных строительных материалов — цемент.

Его можно рассматривать как смесь оксидов кальция, кремния и алюминия, хотя на самом деле в его состав входят силикаты и алюмосиликаты кальция. Смесь порошка цемента с водой представляет собой вязкую массу, которой можно придать разную форму. Однако через несколько часов эта смесь начинает затвердевать и в конце концов превращается в каменистую массу. Процесс необратим, т. е. застывший цемент можно сколько угодно поливать водой — он не размокнет.

С химической точки зрения процесс застывания цемента очень сложен, хотя в первом приближении можно сказать, что при этом происходит реакция оснований и основных оксидов с кислотными:

CaO + H2O = Ca(OH)2

CaO + SiO2 = CaSiO3(тв.) Ca(OH)2 + СO2(из воздуха) = CaCO3(тв.)

Кроме того, вода включается в кристаллическую структуру образующегося материала в виде кристаллогидратов.

Смесь цемента с водой можно использовать не позже, чем через 2—6 ч после приготовления, после чего она начинает затвердевать. Однако считается, что для окончательного «созревания» застывшего цемента при 20 °С

требуется 28 суток. Это связано, во-первых, с медленным проникновением CO2 в толщу цемента, а во-вторых, с медленным укрупнением кристаллов силикатов.

Вспомните тему «Скорость реакции» и скажите, как зависит скорость затвердевания цемента от температуры.

Существует ли некая критическая температура, ниже которой запрещено оставлять застывающий цемент?

286

Цемент, как правило, не используют в чистом виде. Во-первых, чистый цемент — довольно дорогой материал, а во-вторых, он при затвердевании даёт усадку и трескается. Чаще цемент смешивают с наполнителями — твёрдыми инертными частицами (песком, щебнем и т. п.). Объёмная доля цемента в таких смесях должна быть около 30 %. Если она будет меньше, цемент не сможет заполнить все пустоты между наполнителем, и прочность получившегося материала уменьшится.

Свежеприготовленную смесь цемента с наполнителями и водой используют в качестве строительного раствора для скрепления элементов строительных конструкций. Из неё же изготавливают сами элементы. Застывший цемент с наполнителями называют бетоном (рис. 61). Чтобы конструкции

не рассыпались, при их изготовлении в них закладывают железную арматуру, получая тем самым железобетон.

Совсем другой тип силикатного материала — стекло. Его тоже можно

рассматривать как соединение оксида кремния, оксида кальция и оксида натрия, однако оксид кремния в нём преобладает. Стекло — аморфное вещество, т. е. вещество, не имеющее чёткой кристаллической структуры. Кремнекислородные тетраэдры в нём связаны друг с другом относительно беспорядочно. Так же беспорядочно в каркас из тетраэдров встроены ионы кальция и натрия.

Из-за аморфной структуры стекло обладает рядом уникальных свойств. Во-первых, стекло очень плохо проводит тепло, поэтому стеклянную трубку, которая нагревается на огне, можно держать руками (рис. 62). Вовторых, стекло очень сильно расширяется при нагревании, поэтому стекло нельзя резко нагревать и охлаждать, иначе оно может треснуть. И наконец, у стекла нет определённой температуры плавления. В отличие от кристаллических веществ, которые плавятся при строго определённой темпе-

287

Рис. 63. Археологические раскопки. Изделия из керамики

ратуре, стекло при нагревании сначала размягчается (химическое стекло начинает размягчаться при 600 °С), потом становится вязкотекучим (около 800 °С) и лишь при более высокой температуре становится жидким, поэто-

му стекло очень удобно обрабатывать.

Третий тип силикатных материалов — так называемая керамика (фар-

фор, фаянс, силикатный кирпич). Керамику тоже можно рассматривать как соединение оксидов кремния, алюминия, железа и щелочных металлов. Изделия из керамики изготавливают иначе, чем из стекла и бетона. Если изделие из бетона застывает при комнатной температуре, а изделия из стекла выдувают или отливают из расплава стекломассы, то керамические изделия сначала делают из влажной глины, а потом обжигают. Глина состоит из слоистых минералов, причём на поверхности слоёв находятся гидроксильные группы. При обжиге минералы теряют воду и слои связываются ковалентными связями, образуя каркас. В результате слоистая структура превращается в каркасную, которая уже не размягчается водой. При испарении воды остаются поры. Важно не пережечь керамику, иначе она оплавится и вместо пористой массы образуется стеклообразная.

В зависимости от состава глины керамика по-разному сохраняет форму при обжиге и содержит поры разной величины. От состава глин также зависит и цвет керамики: чем больше в глине железа, тем керамика краснее. Из некоторых видов глин можно делать только достаточно грубые изделия (кирпичи или керамические горшки), из других — тончайшие фарфоровые чашки.

Керамические изделия люди научились изготавливать в глубокой древности и изготавливали в огромных количествах. При археологических раскопках именно остатки керамических изделий составляют основную массу

288

находок (рис. 63). Обычно именно по специфическим особенностям керамики археологи определяют, каким людям (как говорят археологи, какой культуре) принадлежала та или иная стоянка.

Цемент. Бетон. Керамика

1.В жару застывающий цемент поливают водой или укутывают водонепроницаемой плёнкой. Зачем?

2.Перед укладкой на цементный раствор кирпичи смачивают водой. Почему?

3.Сухая смесь — готовая смесь цемента и наполнителя. Какой объём воды нужно к ней добавить, чтобы использовать её в качестве строительного раствора?

4.Можно ли стеклянную бутылку нагревать на открытом огне?

5.Существует два вида кирпича: рядовой (его используют для внутренней части кладки) и облицовочный (его кладут в наружный ряд). У какого из них поверхность должна быть более пористой?

6.Чем плохи кирпичи из пережжённой керамики? недообожжённые кирпичи?

7.При охлаждении обожжённых кирпичей нельзя допускать сильных перепадов температур. Почему?

8.Можно ли изготовить белый фарфор из железосодержащей глины?

9.Приближённая формула оконного стекла — Na2O Ч CaO Ч SiO2. Рассчитайте

массы соды Na2CO3, известняка CaCO3 и кварцевого песка SiO2, которые потребуются, чтобы получить одну тонну стекла.

10.Домашний эксперимент. Если у вас есть цемент или сухая смесь, заме-

шайте его с водой и сделайте кубик с ребром примерно 5 см. Раз в полчаса надавливайте на стенку кубика торцом спички. Сколько времени потребуется цементу, чтобы затвердеть и не продавливаться под действием спички? Сколько времени изменяется цвет цемента? Появляются ли через какое-то время трещины?

Язнаю наиболее распространённые силикатные материалы.

Ямогу объяснить, на каких свойствах силикатных материалов основано их

применение

289