Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химическая стойкость материалов. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное
автономное образовательное
учреждение высшего образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
В. В. ЧЕРНЯВИНА
ХИМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ
МАТЕРИАЛОВ
Учебное пособие
Ростов-на-Дону – Таганрог
Издательство Южного федерального университета
2023
2
УДК 54:620.193(075.8)
ББК 24+30.3я73
Ч49
Печатается по решению кафедры электрохимии химического факультета
Южного федерального университета (протокол № 10 от 4 мая 2023 г.)
Рецензенты:
кандидат химических наук, доцент кафедры химии
Донского государственного технического университета Л. М. Астахова;
кандидат химических наук, доцент кафедры физической и коллоидной
химии имени профессора В. А. Когана Южного федерального университета
Ю. П. Туполова
Чернявина, В. В.
Химическая стойкость материалов : учебное пособие / В. В. Чер-
Ч49 нявина ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ;
Таганрог : Издательство Южного федерального университета,
2023. – 98 с.
ISBN 978-5-9275-4520-9
В пособии рассматриваются различные неметаллические материалы, широко используемые в различных отраслях промышленности. Изложены не только теоретические основы разрушения этих
материалов, но и способы повышения их химической стойкости в
агрессивных средах и при механическом воздействии.
Предназначено для студентов бакалавриата, обучающихся по
направлению подготовки 04.03.01 «Химия», специализирующихся
в области материаловедения и химической стойкости материалов.
ISBN 978-5-9275-4520-9
УДК 54:620.193(075.8)
ББК 24+30.3я73
© Южный федеральный университет, 2023
© Чернявина В. В., 2023
© Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2023
3
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................... 5
МОДУЛЬ 1. МИНЕРАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ................................... 7
1.1. Общие особенности и свойства минеральных материалов....... 7
1.2. Процессы твердения в бетоне....................................................... 8
1.3. Стойкость бетона к химической коррозии................................. 10
1.3.1. Коррозия бетона I вида.................................................... 10
1.3.2. Коррозия бетона II вида.................................................. 15
1.3.3. Коррозия бетона III вида................................................. 18
1.4. Биологическая коррозия бетона................................................. 20
1.5. Радиационная стойкость минеральных материалов............... 21
1.6. Влияние пористости бетона на его химическое
сопротивление агрессивному воздействию............................... 22
1.7. Стойкость к температурно-влажностным воздействиям......... 24
1.8. Особенности коррозии других минеральных материалов...... 30
МОДУЛЬ 2. ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ.................................... 35
2.1. Основные физико-химические свойства полимеров................ 36
2.2. Понятие о коррозионном разрушении
полимерных материалов............................................................ 38
2.3. Виды деструкции полимеров...................................................... 42
2.3.1. Окислительная деструкция............................................ 42
2.3.2. Радиационная деструкция............................................... 42
2.3.3. Механическая деструкция............................................... 44
2.3.4. Биологическая деструкция.............................................. 45
2.3.5. Термическая деструкция................................................. 45
2.3.6. Химическая деструкция................................................... 50
2.4. Основные типы распада полимерных молекул........................ 51
2.4.1. Кислотно-каталитический распад амидов................. 52
2.4.2. Основно-каталитический распад амидов.................... 52
2.4.3. Разрыв сложноэфирных связей....................................... 53
2.4.4. Распад соединений с силоксановой связью.................... 53
4
2.5. Особенности деструкции полимеров
неоднородной структуры.......................................................... 54
2.6. Особенности поведения эластомеров....................................... 57
2.7. Особенности поведения полимерных материалов
под нагрузкой............................................................................. 59
2.8. Теории прочности материалов.................................................. 63
2.9. Ползучесть полимеров под нагрузкой..................................... 68
2.10. Коррозионное растрескивание полимеров.............................. 72
2.11. Кинетика разрушения напряженных полимеров.................. 76
МОДУЛЬ 3. БИТУМНЫЕ, ДРЕВЕСНЫЕ
И КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ....................................... 80
3.1. Основные свойства битумов........................................................ 80
3.2. Материалы на основе................................................................... 82
3.3. Нанесение защитных битумных покрытий.............................. 84
3.4. Основные свойства древесины................................................... 85
3.5. Защита древесины лакокрасочными покрытиями.................. 88
3.6. Основные свойства и особенности композиционных
материалов................................................................................... 89
3.7. Классификация композиционных материалов........................ 92
3.8. Влияние различных факторов на состав
и механизм образования комбинированных покрытий..........93
Литература................................................................................................ 96
5
ВВЕДЕНИЕ
В современном мире технический прогресс связан с получением и применением различных материалов. Новые материалы широко используются в разных отраслях промышленности и вытесняют традиционные, превосходя их по свойствам. Большое внимание направлено на использование неметаллических материалов, к которым относятся бетон и железобетон, пластические массы, резины, стекла, керамика
и др. Применение разных материалов во всех сферах жизни
человека предполагает их эксплуатацию в различных условиях. В связи с этим внедрение и использование новых материалов возможно только при изучении их свойств, а также
условий, которые вызывают их разрушение.
Наличие сильноагрессивных сред на предприятиях химической, коксохимической, целлюлозно-бумажной и нефтеперерабатывающей промышленности приводит к снижению
стойкости конструкций. Агрессивные среды делятся на физически и химически активные. Физически активные среды
вызывают обратимые изменения материала (набухание,
сорбция среды). В данном случае протекают физические процессы, не сопровождающиеся разрывом химических связей.
Химически активные среды вызывают только необратимые
изменения, связанные с протеканием химических процессов.
Результаты их взаимодействия могут быть одинаковыми (изменение твердости, растрескивание, полное растворение), но
характер протекающих в них процессов будет различным.
Деление сред на физически и химически активные – условное, поскольку характер действия среды определяется по отношению к каждому конкретному материалу.
6
При взаимодействии с окружающей средой всех изделий и
конструкций ухудшаются их эксплуатационные свойства.
Окисление кислородом воздуха – один из распространенных
видов взаимодействия. Содержащиеся в атмосфере озон, оксиды азота и серы, соединения хлора, фтора, аммиака, сероводорода, различные углеводороды также являются агрессивными по отношению к материалам. Сернистый газ и двуокись азота образуют серную и азотную кислоты, которые активно взаимодействуют с полимерными и минеральными
материалами, разными видами древесины. Наличие кислорода и ультрафиолетового излучения усиливает это взаимодействие, что приводит к значительному снижению стойкости материалов.
Для оценки особенностей разрушения и стойкости материалов их классифицируют по основным общим свойствам на
три группы: минеральные, органические и композиционные.
К группе минеральных материалов относят бетон и железобетон, природные каменные материалы, плавленые силикатные материалы и керамику. Плавленые силикатные материалы, в свою очередь, делятся на каменное литье, различные виды стекол, ситаллы и шлакоситаллы. Керамика
делится на кирпич и облицовочные плитки. К группе органических материалов относят битумные и дегтевые материалы, полимеры и древесину.
Для прогнозирования стойкости материалов в различных
условиях эксплуатации необходимо знание теоретических
основ их химического сопротивления агрессивному воздействию, что и является предметом изучения курса «Химическая стойкость материалов».
7
МОДУЛЬ 1. МИНЕРАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
1.1. Общие особенности и свойства
минеральных материалов
Под влиянием внешней среды в материалах возможно развитие процессов, сопровождающихся снижением их физикомеханических свойств, появлением трещин и разрушением.
Минеральные материалы имеют сложный состав, поскольку они получены в результате комбинации большого числа
минеральных компонентов. Общей особенностью минеральных материалов является их пористость. Стойкость материалов данной группы определяется этими двумя особенностями.
Наиболее подробно коррозионные процессы этих материалов
изучены на примере бетона. Для других минеральных материалов будут протекать подобные процессы, но с некоторыми
специфическими особенностями, зависящими от индивидуальных свойств каждого материала и его компонентов [7; 9].
Слово beton – французского происхождения, означает «искусственный камень». Его получают в результате твердения
смеси, состоящей из вяжущего, заполнителя и воды. В зависимости от условий эксплуатации в бетон вводят различные
добавки, придающие ему специфические свойства. Вяжущее
вещество является основным компонентом цементного камня
и состоит из порошкообразных растворимых силикатов. При
смешении вяжущего с водой образуется пластичная вязкая
масса, переходящая при твердении в камнеподобное состояние. Щебень, гравий и песок используют в качестве заполнителя. Вяжущие вещества подразделяют на воздушные и гидравлические. Воздушные вяжущее можно применять только
8
в сухой атмосфере, а гидравлические способны твердеть даже
в воде. Из воздушных вяжущих наиболее широко применяется жидкое стекло, из гидравлических – различные марки цементов.
Цемент представляет собой порошок, который получают
совместным прокаливанием до спекания известняка и глины, при этом образуются силикаты и алюминаты кальция.
Процесс взаимодействия цемента с водой называется за-
творением. Воду при получении бетонной смеси берут в из-
бытке. Какое-то количество воды остается в свободном состоянии, а другая ее часть вступает в химическое взаимодействие с цементом. При испарении избыточной воды образуется разветвленная сеть капилляров и пор в бетоне.
Водоцементное отношение (В/Ц) – это отношение химически связанной воды к массе цемента. Это важная характеристика бетона, которая является определяющим фактором регулирования его пористости. Оптимальное значение В/Ц составляет 0,4–0,6. Снижение В/Ц приводит к уменьшению пористости и проницаемости бетонной массы, так как избыточной воды меньше. Одновременно возрастает жесткость бетонной массы, она становится менее удобоукладываемой, что
создает трудности при проведении бетонных работ. При высоких значениях В/Ц (> 0,6) укладка бетона облегчается, но
после затвердевания при испарении избыточной воды бетонная масса имеет высокую пористость, облегчающую проникновение агрессивной среды, что снижает стойкость [2].
1.2. Процессы твердения в бетоне
Процесс твердения вяжущего включает два этапа: схватывание и твердение. При схватывании происходит потеря подвижности бетонной массы. Технологические свойства бетонной массы определяются временем до начала схватывания.
9
Чем больше этот отрезок времени, тем более технологичен
бетон. Эксплуатационные свойства бетона зависят от промежутка времени до окончательного твердения. Короткий отрезок времени до твердения свидетельствует о высоких эксплуатационных характеристиках цементного камня [2].
Процесс твердения бетонов является сложным и зависит
от состава и природы вяжущих материалов. Как пример
можно привести процесс твердения, когда в качестве вяжущего используют один компонент – растворимый силикат
калия или натрия.
В результате гидролиза жидкого стекла образуется кремневая кислота, имеющая вид геля (коллоида):
Na2SiO3 + 2H2O H2SiO3 + 2NaOH (1)
Гель кремневой кислоты обладает вяжущими свойствами.
Со временем он высыхает, превращается в аморфный кремнезем и окончательно затвердевает. Ускорить процесс твердения можно введением кремнефтористого натрия Na2SiF6,
получаемого из отходов суперфосфатного производства. Процесс твердения в этом случае происходит в результате протекания реакции с образованием труднорастворимого осадка
фторида натрия. Равновесие реакции сдвинуто вправо, и процесс твердения ускоряется:
2Na2SiO3 + Na2SiF6 + 3H2O
3H2SiO3 + 6NaF 3SiO2 ∙ H2O
(2)
Состав цементного клинкера более сложен, поэтому процесс твердения при использовании цемента значительно
усложняется. Минералы, входящие в его состав, при взаимодействии с водой гидратируются, гидролизуются и образуют
коллоидную систему, состоящую из нескольких компонентов.
Основным продуктом гидратации цементного клинкера
является Ca(OH)2. В процессе твердения также образуются
гидросиликаты кальция mCaO ∙ SiO2 ∙ nH2O, гидроалюми-
10
наты кальция mCaO ∙ Al2O3 ∙ nH2O, гидроферриты кальция mCaO ∙ Fe2O3 ∙ nH2O, гидроалюмоферриты кальция
mCaO ∙ Al2O3 ∙ Fe2O3 ∙ nH2O. Коллоидные образования постепенно теряют воду, кристаллизуются и затвердевают. Поскольку они имеют различный состав, то кристаллизация
идет с разной скоростью. В результате образуется смешанная
система, которая включает как кристаллические образования, так коллоидные. Когда большинство гелеобразных веществ кристаллизуется, система твердеет и цементный камень приобретает максимальную прочность. Таким образом,
бетон после затвердевания представляет собой капиллярнопористое тело, состоящее из газовой и твердой фазы. Газовая
фаза – это воздух и водяные пары, твердая фаза – это конгломерат, состоящий из кристаллических и коллоидных образований.
1.3. Стойкость бетона к химической коррозии
1.3.1. Коррозия бетона I вида
При эксплуатации бетонных конструкций в различных
средах возможно развитие физико-химических процессов, вызывающих снижение их стойкости. Температура, напор и скорость потока жидкости, рН среды, концентрация свободной
углекислоты, магнезиальных солей, едких щелочей и сульфатов определяют агрессивность среды. Масла, нефтепродукты, растворители также могут снижать стойкость минеральных материалов [7].
Агрессивность присутствующих в атмосфере газов зависит
от их природы и влажности. При высокой влажности особенно опасны кислотообразующие газы. Кислые газы практически не разрушают бетон, а могут даже увеличивать стойкость
к разрушению при влажности меньше 60 %.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]