Часть ιι

Практические и лабораторные 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 и химического состава горных пород, Изменение составов под воздействием различных природных факторов.

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%, железисто-магнезиальные 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 составляющих минералов, содержащих щелочные оксиды, он быстрее других подвержен выветриванию и химическому воздействию. Разрушаясь, ведёт к разрушению и те породы, в которых он присутствует. Кроме того в нём содержатся и наиболее растворимые соединения, оголяющие при растворении более прочные включения, такие, как железисто-магнезиальные минералы.

К железисто-магнезиальным минералам относятся: оливины-Mg₂SiO₄,Fe₂SiO_4, 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]).

К породам, содержащим полевые шпаты, пироксены, амфиболы или слюду, относятся такие магматические породы как 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 разнообразных жильных образованиях. В зависимости от степени чистоты и условий образования различают многочисленные разновидности кварца: горный хрусталь, 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 и смеси, состоящие из тех же минералов, что и магматические породы. Породообразующими в осадочных породах остаются железисто-магнезиальные минералы, кварц, слюды и появились после разрушения полевых шпатов алюмосиликаты. Разрушающиеся камни магматических пород при воздействии воды частично растворяются и в воду уходят наиболее растворимые минералы и элементы, которые при пересыщении раствора выпадают в осадок или взаимодействуют с газами, кислотами и образуют новые породообразующие минералы. Так в осадочных породах появились химические осадки – карбонаты, сульфаты и выпавшие из раствора кварц, фосфорнокислая известь, глинистые железняки, лимониты и др.: CaCO₃, MgCO₃, CaSO₄, Na₂SO_4, Са₅(РО₄)₃ и др.

Процессы окисления минералов протекают в присутствии воды и 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 скопления 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 структура, так иногда и химический состав первоначальной породы, подвергающейся при повышенной температуре насыщению подземными растворами и большому давлению. 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 SiO_2, рутил TiO₂, пиролюзит MnO₂, шпинель MgAl₂O₃, магнетит Fe∙Fe₂O₄, хромит FeCr₂O₄, ильменит FeTiO₃и др. А также сульфиды и галоидные соединения.

Химический состав песчаников, глинистых пород и известняков содержит кремнезёма (соответственно-78,33%, 58,1% и 5,19%), глинозёма- (4,77%, 15,4%, 0,81%), оксидов 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 действуют физические, химические и биологические факторы, связанные с состоянием 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 камня, крошиться и камень рассыпается.

Ещё сильнее действует вода, попадающая в трещины и пустоты, и замерзающая там при снижении температуры воздуха. Разрушающаяся магматическая порода постепенно превращается в осадочную рыхлозернистую 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 приморских зонах изменяют состав воздуха, насыщая его солями, растворёнными в атмосферной влаге, и вызывают химическую коррозию камней.

В воздухе 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 окисление, 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 + 2H₂SO₄или

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 происходить их восстановление.

В этом случае окись железа переходит в закись железа (Fe₂O₃→FeO).

Каолинизация – образование каолинита при разрушении минералов полевого шпата под воздействием углекислых вод:

K₂O∙ Al₂O₃∙ 6SiO₂ + CO₂ + 2H₂O→Al₂O₃ ∙2SiO₂ ∙2H₂O + K₂CO₃ + 4SiO₂, т.е.

происходит образование глинистого минерала каолинита и ещё карбоната калия - карбонизация– образование солей угольной кислоты.

Органогенное выветривание скальных пород происходит под воздействием лишайников и мхов. Мельчайшие споры заносит 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).

Используя вышеизложенное и лекционный материал, предложить студентам самостоятельно ответить на вопросы первой темы.

Вопросы для самостоятельной работы:

1. Каким операциям подвергают добываемые горные породы, для производства каких строительных материалов?

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

3. Что называют породообразующим минералом? Назовите их в разных по происхождению породах.

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

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

6. Что называют органогенными породами, из каких минералов они состоят, где их используют?

7. Как появляются конгломераты и брекчии, из чего они состоят?

8. Что такое цементация горных пород? Приведите примеры сцементированных пород, чем?

9. Как появились карбонаты, каков их химический состав, что из них производят?

10. Как появился аморфный кремнезём, для чего он используется?

11. Откуда взялись кварцевые пески, какой минерал, с какой структурой их представляет?

12. Чем отличается прочность глубинных и поверхностных изверженных пород, отличаются ли они химическим составом?

13. Каков химический состав глинистых пород, что называют каолинизацией? Как произошли глины, из каких пород?

14. Виды выветривания горных пород, что называют химическим, а что физическим выветриванием?

15. Что называют карбонизацией, что при этом образуется (напишите формулы), где применяется?

16. Приведите примеры использования минеральных промышленных отходов для производства строительных материалов.

17. Какие горные породы называют силикатами, каков их химический состав, где их используют?

18. Какие горные породы используют для получения строительных материалов в Коми республике?

19. Приведите химический состав промышленных отходов, сравните его с химическим и минеральным составом силикатов.

20. Какие минералы называют алюмосиликатами, в каких горных породах они присутствуют, что из них получают?

21. Как появились сульфаты, в состав каких пород они входят, что из них делают?

22. Опишите способы получения композиционных материалов, сколько есть способов, какие материалы относят к композиционным?

23. Перечислите горные породы, из которых производят строительные материалы.

Занятие №2.

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

Цель работы: Образование осадочных пород, получение из них строительных материалов, определение их активности.

Минеральный и химический состав извести, гипса, магнезита.

Минералы полевого шпата – анортит (основный плагиоклаз), а также известково-натриевые плагиоклазы – 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, и его обжигают с целью получения строительной извести – оксида кальция: СаСО₃→СаО + СО_2.

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

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂ + 65,5кДж.

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 ввести 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 на 250мл и 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, пошедшее на титрование до нейтральной среды (обесцвечивания раствора). Когда окраска 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:

А= ;

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

V-объём раствора соляной кислоты, пошедшей на титрование извести, мл;

Q- масса навески извести, г.

Если для титрования брали известковое тесто, то в знаменателе формулы навеску необходимо умножить: Q∙(100-W), учитывающую 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 пол молекулы 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 и 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. Полученный продукт 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 от количества воды затворения, тонкости помола гипса, примесей. На химическую реакцию гидратации требуется всего 18,6% воды. Для получения теста нормальной густоты (удобоукладываемого) необходимо больше. Насколько больше добавлено воды, можно определить на приборе Суттарда по расплыву теста (180 мм), настолько 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.

Получают 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, 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/м⁰С. 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, гипсовым камнем? Как образовался гипсовый камень?

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

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

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

7. Что называют карбонизацией изделий, меняется ли от неё минеральный состав гидратов? Напишите реакцию карбонизации.

8. Как получают строительный гипс, 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, часто берут больше, что получают? 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 получают магнезиальное вяжущее, при какой температуре? Напишите реакцию.

15. Для изготовления каких строительных материалов используют известь как вяжущее, что ещё 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 в известковый раствор кладут песок, в каком количестве?

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.

21. Почему гипсовый камень инертен, а строительный гипс активно гидратируется? Напишите реакцию.

22. Под воздействием чего известковый раствор приобретает прочность? Напишите реакцию твердения.

23. Может ли происходить химическая реакция между песком и известью в известковом растворе? Как ускоряют твердение между этими компонентами?

Занятие №3.

Тема: Образование глин, их минеральный состав, изменение минерального состава после обжига.

Цель работы: Состав и свойства глин, их образование, реакции при обжиге.

Как известно, в результате выветривания полевых шпатов образуется минерал каолинит. Кроме полевых шпатов в первичной породе содержались ещё кварц, слюда, железистые минералы, зёрна неразложившегося полевого шпата. Каолинит смешивается с ними, образуется смесь, называемая первичной глиной. Глинами называют тонкообломочные породы (≤ 0,01 мм), состоящие преимущественно из глинистых минералов (алюмосиликатов). При переносе водой или ветром первичная глина смешивается с илом, пылью, известняком и другими отложениями и образуется вторичная глина. Если глина содержит незначительное количество примесей, она имеет белый цвет и называется каолином.

Но, в зависимости от химического характера примесей различают разновидности каолина: чистый, если содержит не более 6% кварца и не более 2% щелочей; щелочной, если содержит до 7% оксидов калия и натрия; кремнезёмистый, если содержит до 20% и более тонкозернистого кварцевого песка; железистый – с наличием более 2% оксидов железа, придающих глине желтую окраску. При большом содержании железа глины переходят в охры, применяемые как минеральные краски.

Химический состав глин меняется в пределах: SiO₂ – 40-80%, Al₂O₃ – 8-50%, Fe₂O₃ – 0-15%, CaO – 0,5-25%, MgO – 0-4%, R₂O – 0,3-5%.

Глины называют мергелистыми, если они содержат значительное количество углекислого кальция; флоридиновыми, содержащими кроме оксидов кальция ещё оксиды магния. Такие глины обладают высокой адсорбционной способностью, но низкой пластичностью. Бентонитовыми- если глины содержат большое количество оксидов щелочных и щелочноземельных металлов, поэтому они кажутся жирными на ощупь. Обладают способностью омылять и поглощать жиры, эти глины используются в качестве эмульгаторов. Они содержат частицы монтмориллонита размером ≤0,001мм до 90%.

Лёссовидные глины состоят из смеси глинистого вещества и пылевидных примесей. Такие глины 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% -глины называются высокоосновными, если от 30 до 40% - основными, полукислыми – с содержанием оксидов алюминия от 15 до 30% и кислыми – до 15%.

Частицы глинистых минералов имеют размер менее 0,005мм, хорошо смачиваются водой и дают пластичное тесто (легко формуется). Чем больше таких частиц в глинистом 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 таким количеством воды имеют рабочее тесто с нормальной влажностью; к среднепластичным относят глины с количеством глинистых частиц до 60%, она удерживает меньше воды – до 28%; и к сухим, непластичным глинам относят сырьё, если водоудерживающая способность 15-20% и глинистых частиц всего от 5 до 30%. Глинистые частицы относятся к группе алюмосиликатов, их состав в своей основе содержит оксиды алюминия, кремния и кристаллизационной воды с разными коэффициентами, и разными примесями: Al₂O₃∙2SiO₂∙2H₂O - каолинит, Аl₂O₃∙4SiO₂∙4H₂O–монтмориллонит, Al₂O₃∙2SiO₂∙2H₂O – галлуазит и др. Различное сочетание химического, минералогического и гранулометрического составов разных компонентов и различные 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, увеличивается пористость, увеличение содержания железистых оксидов снижает огнеупорность глин. Присутствие тонкодисперсного известняка придаёт светлую окраску готовому изделию, более крупные частички известняка вызывают появление «дутиков», понижают огнеупорность глин. Щелочные металлы снижают температуру плавления глин, способствуют уплотнению и повышению прочности глиняного черепка, но и повышению усадки.

Чтобы получить нужные качества, надо составить сырьевую смесь, поэтому в глину вводят технологические добавки. В пластичные глины вводят отощающие добавки (до 50%), уменьшающие усадку при сушке и обжиге, позволяющие при меньшем количестве воды, сохранить пластичность и объём формовочной массы. Это, как правило, кварцевые пески, молотые шлаки, золы и для более лёгких изделий берут молотые диатомиты, пористые породы. Чтобы изделие из глины было более лёгким и лучше сохраняло тепло, вводят порообразующие и выгорающие добавки, они 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 увеличиваются в объёме. Процесс набухания глины связан с её адсорбционными свойствами, образуются электрохимические связи частиц и воды, вода теряет свободное состояние, так как находится в тончайшей плёнке между частицами и выполняет роль смазки (адсорбционно-связанная влага). Поверхностное натяжение плёнки воды скрепляет глинистые частички и масса становится пластичным тестом с упругими свойствами и начальной прочностью. В этом состоянии формируются самые тонкие капилляры в структуре. Как только доливают больше воды, суспензоиды раздвигаются, теряется рабочая консистенция, тесто начинает течь и при обжиге такой массы формируется более крупная водопроницаемая капиллярная структура. Более крупные частички песка образуют каркас структуры и после обжига равномерно распределены 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.

В процессе сушки свободная влага испаряется, остаётся химически связанная в глинистых минералах и она удаляется только при обжиге в печи. При температуре 430-750°С двуводный каолинит переходит в каолиновый ангидрид Al₂O₃∙2SiO₂, из глины выгорают органические примеси, закись железа в результате окислительного процесса переходит в окись Fe₂O_3, изделия обретают цвет, глина при этом теряет пластичность, появляются капилляры там, где была вода. При повышении температуры до 900°С каолиновый ангидрид распадается на свободные окислы и при 1000°С они соединяются в других соотношениях, образуя новые минералы: силлиманит-Al₂O₃∙ SiO₂ и муллит -3Al₂O₃ ∙2SiO₂. После этого превращения глина безвозвратно теряет пластичность, 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, более низкую прочность и называется недожогом. Если еще выше поднять температуру спекания, 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 кирпича дешевле, не требует сушки сырца.

С целью облегчения массы кирпича вводят лёгкие отощители, а для придания ему повышенной пористости в глину вводят добавки, выгорающие при высокой температуре и оставляющие поры. Получают после обжига эффективный кирпич для кладки наружных стен, теплоизоляционных перегородок и др.

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

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 и замёрзшая часть кирпича отслаивается при оттаивании, кирпич постепенно разрушается. По морозостойкости кирпич делят на марки, высокими они не бывают, самая высокая марка F50.

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 замораживания 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 прочность менее 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, 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, 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. Почему изделия из глин обжигают, зачем их сушат, когда? При какой температуре обжигают? Как изменяется минеральный состав глин после обжига, к чему это приводит?

10. Что называют недожогом, что пережогом? Как это отразится 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, 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 происходит при спекании, при какой температуре оно происходит? Какова роль спекания в технологическом процессе производства изделий из глин?

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

19. Какие облицовочные материалы делают из глин? Чем они отличаются от грубой керамики, к какой керамике относят их?

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

Занятие №4.

Тема: Классы и марки стали, применяемые в строительстве. Воздействие агрессивной среды, коррозия стали, защита от коррозии металлических изделий.

Цель работы: Состав металлических сплавов, используемых в строительной практике, коррозионные процессы, защита 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. 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), или 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, 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, образуют 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: листовую сталь, профилированную, трубы, профилированный настил и специального профиля, в том числе арматурную сталь. (Образцы выпускаемого сортамента показать студентам и зарисовать).

Разрушение металла под воздействием окружающей среды называется коррозией. Коррозия 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⁺ + 4OH⁻→ 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, 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 на поверхности защитной плёнки оксида хрома Cr₂O_3.

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 подразделяются 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. Образуется плёночное покрытие, которое должно иметь хорошее сцепление с металлом, обладать механической прочностью, газонепроницаемостью.

3) Это также активный способ защиты - создание на поверхности металла тонкой плёнки оксидов, приводящих металл в пассивное состояние. Наиболее распространёнными способами пассивации являются: воронение (термическая обработка, после которой появляется тонкий слой окисла металла на поверхности), фосфатирование – также образование тонкой защитной плёнки из Fe(H₂PO₄)₂ и др.

4) Рациональное конструирование сооружений.

На стадии проектирования необходимо учитывать климатические и гидрогеологические условия при строительстве и эксплуатации сооружения. Имеет значение форма конструкции, доступность возобновления антикоррозионных покрытий, регулярный контроль за состоянием элементов конструкции, имеющих контакт с агрессивной средой. Эти меры защиты относятся к пассивной защите, также как выбор марки стали и класс бетона.

Вопросы для самостоятельной работы:

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

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. Что называют сортаментом стали? Какие виды изделий его представляют?

6. Как получается шлак, из каких оксидов он образуется? Какая структура у него должна быть, чтобы его использовали для изготовления строительных материалов?

7. Из чего получают сталь, при какой температуре?

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 и какие фазы 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 стали разделяют по химическому составу? Какую сталь 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. Какие причины вызывают коррозию стали, каков механизм возникновения коррозии?

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 каком 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?

Занятие №5.

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

Цель работы: знать 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 его составе 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 кварца (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 или органогенные отложения кремнистого тонкокристаллического или аморфного строения из панцирей диатомовых водорослей, скелета губок, радиолярий. Древние отложения уплотнялись, наслаивались, прессовались и всё равно отличаются от кристаллического кварца значительной пористостью. Наиболее плотными кремнистыми породами являются опоки, так как они сцементированы кремнистым веществом. Сложены эти породы 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, и 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, и 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. Активность его 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%. Минеральная добавка считается активной, если она обеспечивает конец схватывания теста, приготовленного из неё с добавкой извести-пушонки не позднее 7 суток и водостойкость его 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. Аморфный кремнезём содержится в лёгких вулканических породах (вулканическое стекло), которые размалывают и добавляют при помоле в цемент, получая пуццолановый цемент. Когда измельчённый аморфный кремнезём вводят непосредственно в бетон, заменяя часть цемента, эту добавку называют активной минеральной добавкой (АМД), так как она вступает в реакцию с гидроксидом кальция, образуя гидросиликаты и укрепляя структуру.

Определить водо- и солестойкость образцов с активной минеральной добавкой и без неё можно по «Методическим указаниям» ч.3.

Если нет активной минеральной добавки, работу можно провести, имея чистоклинкерный и пуццолановый цементы. Пуццолановый цемент её содержит до 40%. Изготовить по 3 балочки каждого состава, пропарить через сутки, оставить твердеть ещё до 7 суток и положить их в приготовленный раствор соли на 2 недели, оставив по одному образцу в нормальных условиях. Образцы взвесить и испытать на прочность.

Классификация активных минеральных добавок:

Естественные добавки		Искусственные
Вулканические породы (пуццоланы)	Осадочные породы	Доменные гранулированные шлаки, топливные шлаки, золы угля, сланц. (алюмосиликаты)
Пеплы, пемзы, трассы, туфы (метаморфические разновидности туфов)	Диатомиты, опоки, трепел (породы, содержащие водный кремнезём)
Вулканическое стекло, витрофиры	Глиежи	Нефелиновый шлам, 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 своему составу топливные шлаки и золы, поэтому при необходимости их использования делают химический и минералогический анализы. Если в них содержится СаО до 20% и более, они обладают вяжущими свойствами и могут твердеть без цемента.

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, разрываются связи –SiO - SiO- , образуются новые группы-Si–OH и 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.

Вопросы для самостоятельной работы.

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

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

3. Покажите разнообразие песков по минеральному и гранулометрическому составу. Что характеризует модуль крупности песков? Как его определяют?

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, с чем кварцевый песок? В каких условиях эти реакции происходят?

8. Какие реакции называют первичными при гидратации цемента в бетоне, 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: 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.

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. Этот слой предохраняет нижние слои стекла от дальнейшего разрушения.

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, 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.), и 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 питьевую воду. Такое стекло не взаимодействует с водой и бетоном, а силикатное стекло не может долго соседствовать со щелочной средой.

Если расплавляют каменные горные породы или шлаки, 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 др. 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 и она становится пористой и лёгкой. Так получают газостекло, если используют пенообразователи – пеностекло, теплопроводность такого стекла 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. Получают длинные нити или короткие волокна, которые используют или 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 с [8].

Вопросы для самостоятельной работы.

1. Как получают из силикатного расплава стекло? 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 стекол используют в строительстве, как их получают?

6. Как получают теплоизоляционные структуры?

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

8. Охарактеризуйте химическую стойкость стекла, его физико-механические свойства.

9. Из какого сырья и как получают стеклянное волокно, каменное литьё?

10. Как подбирают сырьевой состав, чтобы получить стеклянную арматуру, где её используют?

11. Как структура стекла связана со свойствами, как изменяют свойства, изменяя структуру?

Занятие №7.

Тема: Гидравлические вяжущие вещества, их разновидности, минеральный и химический состав цементов.

Цель работы: Изучение свойств цементов, их разновидности и применение.

Гидравлическими называют вяжущие, образующие после соединения с водой и схватывания камень, способный набирать прочность и работать во влажных условиях и даже в воде. Эту способность приобретают минералы, образующиеся при гидратации силикатов и алюминатов кальция.

Гидравлические вяжущие разделяют на чистые составы, смешанные вяжущие и специальные составы для применения в особых условиях.

Чистый состав	Смешанные цементы	Специальные цементы
портландцемент	пуццолановый	Кислотостойкие вяжущие
сульфатостойкий	шлакопортландцемент	Жароупорные вяжущие
глинозёмистый	Гипсо-цементно-пуццолан.	Полимерцементные
белый	вяжущее и др. гидравл. смеси	Серные
романцемент		Битумные

Всё разнообразие вяжущих веществ получают тремя способами:

1-подбор минерального состава сырья, соответствующего получению обычного состава портландцемента или любого другого чистого состава;

2-смешивание с активной минеральной добавкой и воздушными вяжущими;

3- изменение степени размола цементного клинкера и добавок к нему.

Специальные цементы могут и не содержать самого цемента, как, например, кислотостойкое вяжущее. В его составе жидкое стекло, кремнефтористый натрий и заполнители из кислых горных пород, т.е. пород, содержащих более 45% кристаллического кварца (гранитные магмы, кварцевые породы). Не содержат цемента и полимербетоны, и серные составы. В жароупорных вяжущих может быть шлакопортландцемент и пористые температуростойкие заполнители.

Чистыми составами называют тонкомолотый цементный клинкер, в который при помоле добавили от 5% до 15% активной минеральной добавки и 3-3,5% гипсового камня для регулирования сроков схватывания. Только сам клинкер для чистых цементов обжигают из разных сырьевых материалов. Для портландцемента готовят на обжиг смесь из 75-78% известняка и 22-25% глины. Для сульфатостойкого цемента готовят не глину, а полевые шпаты, в которых меньше алюминатов, так как сульфатостойкий цемент отличается от нормального портландцемента малым содержанием алюминатов (всего до 5%).

Глинозёмистый цемент отличается, наоборот, большим содержанием алюминатов и вместо глины берут в сырьевую смесь бокситы, богатые алюминатами. Температура спекания глинозёмистого цемента выше (до 1700°С), чем при спекании клинкера для нормального и сульфатостойкого цементов (1450°С). Из такого состава образуются одноосновные алюминаты кальция, обеспечивающие быстрое твердение.

Белый цемент также готовится из сырьевой смеси с особо чистыми компонентами. Глина в составе не должна содержать соединений железа, которые при обжиге придают цвет, поэтому берут чистые каолины.

Романцемент в настоящее время выпускают там, где есть подходящее сырьё. Сырьём для такого цемента могут быть известняки, засорённые глинистыми более чем на 25%. Чаще выпускают белитовый цемент, используя отходы при производстве бокситов или других продуктов. Эти цементы отличаются низким содержанием алита и высоким содержанием белита – двухкальциевого силиката. Получают медленно твердеющее вяжущее, обладающее низкой экзотермией и высокой коррозионной стойкостью.

Минеральный состав нормального портландцемента представлен искусственными минералами, образовавшимися в обжигательной печи при температуре спекания:

3CaO ∙SiO₂ - алит (45-60%) , 2CaO∙ SiO₂–белит (20-30%), 3CaO ∙Al₂O₃-трёхкальциевый алюминат (12%), 4CaO ∙Al2O3∙ Fe2O3 – четырёхкальциевый алюмоферрит (10-20%), а также клинкерное стекло (5-15%), которое состоит в основном из оксидов:CaO, Al₂O₃, Fe₂O₃, MgO, K₂O, Na₂O.

Химический состав цементного клинкера: CaO, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ в сумме составляют 95-97%, и 3-5% могут быть оксиды MgO, SiO₂, TiO₂, Cr₂O₃. K₂O, Na₂O, P₂O₅.

Изменяя количественное соотношение минералов получают алитовый или белитовый цементы, изменяя степень помола и состав минералов клинкера, получают быстро- или медленно твердеющие вяжущие.

Для характеристики любого цемента надо знать главные показатели, которые указывают на упаковке: водопотребность цемента и его марку (класс). Определяются эти показатели в соответствии с [І].

Вопросы для самостоятельной работы.

1. Почему вяжущее называют гидравлическим? Какие вяжущие относят к гидравлическим, каковы их разновидности?

2. Какими способами получают разные цементы?

3. Откуда у цемента избыток энергии, к чему он приводит?

4. Что имеет большую растворимость: цементные зёрна или новообразования? Как это влияет на реакцию гидратации?

5. Какие стадии проходит цементный раствор при затвердевании?

6. Что называют схватыванием, как определяют время схватывания? Какие преобразования в структуре происходят при схватывании?

7. Когда можно определить марку цемента, почему не раньше? Что произошло в структуре за это время?

8. Что называют новообразованиями, в каком состоянии они находятся при взаимодействии цемента с водой?

9. Из какого сырья делают цемент, при какой температуре обжигают, почему гидравлическую известь обжигают при более низкой температуре?

10. Какие минералы образуются в обжигательной печи из цементного сырья? Напишите их.

11. Почему получают не одинаковое количество разных минералов в цементе? Напишите каких сколько.

12. Напишите химический состав цементного клинкера, зачем его быстро охлаждают?

13. Зачем надо размалывать цементный клинкер, что добавляют при помоле, какова роль этих добавок?

14. Что называют цементным гелем, какие минералы цементного клинкера быстрее реагируют с водой и больше дают геля?

15. Как называют новообразования после гидратации цементных минералов? Напишите реакции.

16. Как определяют водопотребность цемента? Что можно сказать о цементе, зная его водопотребность?

17. Перечислите названия искусственных минералов цементного клинкера и напишите их состав.

18. Чем чистоклинкерные цементы отличаются от смешанных, сколько их?

19. Зачем при помоле клинкера вводят добавки, какие?

20. Какова дисперсность нормального цемента, как её определяют?

Занятие №8.

Тема: Гидратация цементов, взаимодействие с добавками, условия формирования плотной структуры.

Цель работы: Понять процессы, происходящие при взаимодействии цемента с водой, образование цементного камня, влияние добавок.

При соединении цемента с водой образуется суспензия, если воды берут в небольшом количестве – получают вязкую суспензию, которую называют цементным тестом. Необходимое количество воды определяется на цементном тесте с помощью прибора Вика. Когда тесто не расплывается и хорошо формуется без водоотделения, такая консистенция называется тестом нормальной густоты. Это количество воды и есть водопотребность цемента, по которой можно судить об использовании цемента в разных условиях. Смешивая его с мелким заполнителем, приготавливают строительный раствор стандартной консистенции. Только с такой консистенцией теста можно изготавливать стандартные образцы для определения марки (класса) вяжущего.

Цементное тесто – это концентрированная водная суспензия, содержащая от 25 до 45% воды от массы цемента, обладающая вязкостью, небольшой прочностью и тиксотропией, т.е. способностью восстанавливать структурные связи после механического разрушения. Если воды взяли больше, появляется опасность расслаивания смеси, если меньше – трудности при укладке в форму. Минеральные добавки увеличивают вязкость смеси, увеличивают водоудерживающую способность смеси. Поверхностно-активные добавки (ПАВ) уменьшают вязкость теста, улучшают удобоукладываемость смеси, если достаточно тонкодисперсных частиц в смеси. Если мало тонкодисперсных фракций, эффекта воздействия ПАВ не произойдёт.

ПАВ - это органические вещества (жирные кислоты, соли жирных кислот с большим углеводородным радикалом), понижающие поверхностное натяжение воды. Характерной особенностью строения ПАВ является дифильность молекулы, т.е. молекула содержит гидрофобную часть (неполярный углеводородный радикал) и гидрофильную часть (полярную – группы ОН^⁻,СООН⁻,NН₂⁻ и др.). Полярные группы, обладающие большим дипольным моментом, обуславливают сродство ПАВ к полярным молекулам воды. При увеличении концентрации молекулы ПАВ располагаются перпендикулярно к поверхности воды, образуя мономолекулярный или полимолекулярный слой. Наблюдается улучшение смачивания твёрдых частичек, смесь легко перемешивается и формуется.

Изменение реологических свойств строительных растворов можно наблюдать на простом эксперименте: готовят два одинаковых состава 1:1 (цемент : песок). Отвешивают 200 г цемента и 200 г мелкого песка, перемешивают. В первый состав добавляют 80 мл воды (В/Ц= 0,4), однородно перемешивают и помещают в малый конус для встряхивания на столике по стандарту 30 раз. Фиксируют расплыв конуса.

В другой такой же состав вместе с водой затворения добавляют поверхностно-активное вещество (С-3, ЛСТ, ПС-1 и др.) в количестве 0,1-0,5% от массы цемента – 1 г. Смесь тщательно перемешивают, помещают также в малый конус и встряхивают на столике. Фиксируют расплыв конуса, сравнивают показатели.

Так как введение пластификатора позволяет снизить количество воды затворения без снижения удобоформуемости, то в составе останется меньше свободной воды, не вступившей в химическую реакцию с цементными частичками. Значит, формируется меньше капилляров, цементный камень будет более плотным и прочным.

Зёрна цемента, начиная гидратацию с водой, выделяют тепло, так как эти реакции взаимодействия экзотермические. Начавшись, гидратация проходит самопроизвольно, так как идет уменьшение свободной энергии. Чем больше СаО в минерале, тем больше тепла выделяется. Это нежелательно для массивных железобетонных конструкций, поэтому в смесь вводят минеральные добавки, снижающие экзотермию вяжущего. При длительном выделении тепла в массивной конструкции испаряется много необходимой для гидратации влаги и на поверхности могут появиться усадочные трещины.

Химический механизм твердения минералов цемента сложен, процесс твердения длителен. Схватывание происходит через 2-3 часа после затворения цемента водой, но марочную прочность цементный камень приобретает к 28 суткам нормального твердения. Между различными цементами существуют различия в сроках твердения и все цементы завершают процесс отвердевания примерно через год. Среди минералов цементного клинкера наибольшую скорость взаимодействия с водой демонстрирует 3СаО ∙Al₂O₃ – трёхкальциевый алюминат, а наименьшую – 2СаО ∙SiO₂ (белит). Реакция взаимодействия с водой происходит на поверхности каждого зёрнышка, так как частицы цемента нерастворимы в воде. Образуются сложные составы гидросиликатов, гидроалюминатов и гидроферритов кальция, которые по мере изменения в растворе щёлочности, температуры, наличия электролитов и других условий, изменяют свой состав. И все они называются новообразованиями, заполняющими пространство, занятое вначале водой затворения. Появляющиеся гидраты представляют собой (в нанометрах) волокнообразные и пластинчатые сплетения с отдельными кристалликами гидроксида кальция и сульфоалюминатов. Внутри этого сплетения ещё есть непрогидратированные до конца цементные зёрнышки. По мере гидратации цементных частиц, увеличения количества гидратов, т.е. роста степени гидратации, растёт количество новообразований, заполняется капиллярное пространство, уплотняется цементный камень, нарастает прочность. При этом в разы увеличивается удельная поверхность цементного камня. Если степень измельчения цемента (дисперсность) соответствует удельной поверхности 2500-3000 см²/г, то в цементном камне она увеличивается до 250-300 м²/г. В цементе были твёрдые и плотные, хотя и очень маленькие частички - камушки размером от 5 до 45 мкм, после его гидратации вместо плотных частиц образуются частицы коллоидного размера (10⁻⁷см), называемые цементным гелем. Произошла диспергация клинкерных частиц, каждая частица после полной гидратации увеличивается в объёме более чем в два раза. Коллоидные частицы заполняют капиллярное пространство, переплетаясь и постепенно перекристаллизовываясь, превращаются в кристаллогидраты, увеличивая прочность. Частички геля находятся на расстоянии друг от друга, измеряемом также в нанометрах (3-5), их называют порами геля. Гель образуется при гидратации силикатов кальция.

Цементные минералы – алит и белит вносят решающий вклад в суммарную прочность цементного камня. Вначале схватывания сульфоалюминаты образуют по всему объёму пространственную сетку из более крупных кристаллов, заполняющуюся по мере гидратации цементным гелем. Их структуры близки к структурам известных кристаллических гидросиликатов кальция, входящих в состав горных пород и силикатных изделий. В затвердевшем цементном камне выявляют такие новообразования как гиролит – 4СаО∙ 6SiO₂ ∙4H₂O, тоберморит - 5CaO∙ 6SiO₂ ∙9H₂O, ксонотлит - 6CaO ∙6SiO₂ ∙H₂O, дженнит - 9CaO ∙6SiO₂ ∙11H₂O, гиллебрандит- 2CaO ∙SiO₂ ∙H₂O и другие основные гидросиликаты кальция. Выделяющийся в первые минуты гидратации гидроксид кальция (минерал портландит-Са(ОН)₂) быстро насыщает воду и среда становится щелочной, в ней формируются и могут существовать все искусственные минералы цементного камня. Как только щелочность падает, минералы цементного камня начинают её восстанавливать, отдавая в раствор СаО, и, постепенно снижая основность, распадаются.

После всех преобразований во времени при гидратации формируются в основном четыре минерала цементного камня: Са(ОН)₂, гидросиликаты кальция (гель), которые коротко записывают как С-S-H-фаза, гидроалюмоферритная фаза–3СаО ∙Al₂∙O₃ ∙6H₂O и СaO ∙Fe₂O₃∙ xH₂O, и гидросульфоалюминатная фаза - 4СаО ∙Al₂O₃ ∙SO₃ ∙12H₂O. При образовании гидросульфоалюминатов кальция объём, в сравнении с исходными частицами, увеличивается 4,6 раза, гидросиликатов - более чем в два раза. Возникающие новообразования размещаются в поровом пространстве цементного камня. Чем оно больше, тем больше продуктов гидратации может разместиться. Если В/Ц низкое, капиллярного пространства не хватает для размещения продуктов гидратации, структура уплотняется, становится прочнее, если совсем негде размещаться, начинаются деструктивные процессы, разуплотняющие и разрушающие цементный камень. Чтобы получить наиболее прочный цементный камень, для каждого состава надо подобрать своё оптимальное В/Ц и условия твердения. Обычно в цементном тесте содержится 30-50% воды и лишь 10-15% связываются химически и входят в состав новообразований. Чем тоньше помол цемента, тем больше степень гидратации цементных зёрен, тем больше новообразований формируется в короткий срок, т.е. скорее идёт набор прочности.

Для регулирования сроков схватывания и твердения цемента используются неорганические и органические добавки. Наиболее доступной и давно применяемой добавкой является хлорид кальция в виде кристаллогидрата CaCl₂ ∙2H₂O. Два процента этой добавки сокращают время твердения в три раза, повышают суточную прочность цементного камня в два раза. Механизм его воздействия связан с отнятием молекул воды из гидратных оболочек коллоидных частиц, что приводит к их разрушению и коагуляции гидрозоля, ускоряется стадия коллоидации. На стадии твердения происходит частичный гидролиз хлорида кальция, приводящий к снижению щёлочности и ускорению перекристаллизации. Недостатком этого электролита является его сильное корродирующее воздействие на стальную арматуру в железобетоне (ион Сl⁻ ускоряет коррозию стали) и поэтому его не используют в качестве ускорителя, а чаще используют в качестве добавки, снижающей температуру замерзания воды в капиллярах бетона. В качестве ускорителей твердения применяют формиат кальция Са[ОС(О)Н]₂. Соли – электролиты, по разному воздействуют на процесс твердения, но они способствуют образованию более мелких кристаллогидратов. Одни повышают растворимость силикатных составляющих цемента (NaCl, NaNO₂,), другие – понижают растворимость, но увеличивают скорость кристаллизации новообразований (Ca(NO₃)₂, CaCl₂), третьи уплотняют структуру, ускоряют твердение, увеличивают деформативность бетона (FeCl₃, Fe₂(SO₄)₃, Al₂(SO₄)₃. Сода - Na₂CO₃ действует осаждая ионы Са²⁺ из раствора в виде карбоната, что ускоряет процесс растворения клинкерных минералов. Фторид натрия NaF, жидкое стекло Na₂Si₃O₇, поташ K₂CO₃, щавелевая кислота [HOC(O)]₂ осаждают кальций в виде фторида, силиката, карбоната и оксалата. Чтобы не снижать прочность, делают комплексные добавки, воздействующие одновременно на все стороны

Введение в состав бетонной смеси солей-электролитов для снижения температуры замерзания воды (наиболее распространёнными противоморозными добавками являются растворы СаСl₂, NaCl, Ca(NO₃)₂, NaNO₂, NaNO₃ и др.) эффективно лишь в случае, когда температура воздуха не ниже точки эвтектики этих солей. Если кристаллизация раствора соли произойдёт при более высокой отрицательной температуре, чем температура окружающей среды, разрушающее действие солей при морозе будет усилено. При частом замораживании и оттаивании электролиты снижают морозостойкость бетона, поэтому применение их должно быть продуманным.

Ускоряет твердение введение в состав бетона активной минеральной добавки, которая приводит к образованию дополнительных гидросиликатов, гидроалюминатов и гидроалюмосиликатов кальция. Пластификаторы, наоборот, тормозят процесс схватывания, но позволяют снизить количество воды затворения, а значит и пористость, что ведёт к росту прочности.

От В/Ц и водопотребности цемента зависит плотность цементного камня, которую можно получить после гидратации. Все смешанные цементы, содержащие в своём составе минеральные добавки или воздушные вяжущие, имеют более высокую водопотребность. Из таких цементов невозможно сформировать наиболее плотную структуру, так как уже при изготовлении вода формирует систему капиллярных пор, которые могут остаться не заполненными продуктами гидратации.

Вопросы для самостоятельной работы.

1. Как определяют, какое количество воды необходимо взять для каждого цемента? Почему не берут одинаково?

2. Когда появляется тиксотропия? Почему этого свойства нет у мокрого песка?

3. Какие добавки изменяют водопотребность цемента? К чему это приводит?

4. Что такое ПАВ? Каков механизм их действия, когда их применяют?

5. При гидратации цемента выделяется или поглощается тепло, почему это происходит? Когда опасно выделение тепла и когда его не хватает? Что предпринимают в этих случаях?

6. Как изменяется удельная поверхность цемента после гидратации? Она становится больше или меньше? Напишите числовые значения и объясните.

7. Какие поры называют порами геля, чем они отличаются от других капилляров? Сколько их?

8. Каков рН цементного раствора? Какой минерал обеспечивает эту среду? Какой минерал выделяет тепло при гидратации больше других?

9. Перечислите минеральный состав продуктов гидратации, напишите их. Где они размещаются в твердеющем цементном камне?

10. Как получают наиболее плотный и прочный цементный камень? Чем ускоряют твердение?

11. Какие добавки называют противоморозными? Имеет ли значение при какой температуре их можно применять? Когда применять опасно?

12. Что изменяется при добавлении в цементный раствор активной минеральной добавки? С чем она взаимодействует? Напишите реакцию.

13. Когда начинается стадия перекристаллизации? За счёт чего укрепляется структура цементного камня?

14. Какой заполнитель вводят в известковый или цементный растворы? Почему не делают раствор только из вяжущего, как с гипсом?

15. Какие вещества можно использовать в качестве активной минеральной добавки? Что изменяется при введении её в цемент или цементное тесто?

16. Из каких компонентов состоит бетон? Что в бетоне является матрицей, какова её роль?

17. Что называют степенью гидратации, как на неё можно влиять? Изменяется ли она с ростом прочности и плотности цементного камня?

18. Напишите минералы цементного камня, сформировавшиеся после кристаллизации.

19. Какой минерал цементного камня имеет наибольшую растворимость в воде? Что происходит с вымыванием его из структуры?

20. Как пластификаторы действуют на скорость твердения и на формирование структуры?

Занятие №9.

Тема: Структура цементного камня, влияние условий твердения и добавок на формирование капиллярной структуры.

Цель работы: Изучение капиллярной структуры цементного камня, классификация добавок и порового пространства цементного камня.

Прочность затвердевшего цементного камня зависит от структуры и пористости. Чем больше твёрдой фазы и чем более она закристаллизована, тем выше прочность, так как она обеспечивается прочностью силоксановых связей в самих новобразованиях, перекристаллизацией цементного геля, за счёт водородных связей между волокнистыми и пластинчатыми структурами, силами Ван-дер-Ваальса. Формирование твёрдого тела идёт через образование коагуляционной, конденсационной или кристаллизационной структуры. Коагуляционная микроструктура создаётся пространственными микросетками, возникающими из беспорядочного сцепления мельчайших частиц через тонкие прослойки воды за счёт сил Ван-дер-Ваальса. Такая структура характеризуется низкой прочностью, тиксотропностью, пластичностью. Конденсационная микроструктура – хрупкая пространственная сетка, образующаяся из коагуляционной при испарении жидкой фазы. Характеризуется возникновением непосредственного контакта между частицами, вследствие чего теряется пластичность, тиксотропия, но появляется прочность. В кристаллических структурах начинается срастание отдельных кристаллов новообразований, вследствие чего увеличивается прочность.

Для строительных растворов и бетонов характерна коагуляционная микроструктура с образующимися частицами коллоидных размеров с водными прослойками, создающими гель.

В условиях нормального твердения объём цементного геля составляет 39% от объёма твёрдой фазы. При повышении температуры твердения (пропаривание или электропрогрев) объём геля снижается, образуется больше капиллярных и воздушных пор. Гель постепенно превращается в кристаллики и прочность возрастает. Самые благоприятные условия для гидратации и образования геля возникают при нормальных условиях твердения, при прогревах появляется пар, разрыхляющий структуру, но ускоряющий гидратацию цементных зёрен и переход геля в кристаллогидраты. Мелкие кристаллики обладают большей растворимостью, избытком энергии, поэтому перекристаллизация в более крупные кристаллы – неизбежный процесс. Но наибольшей прочностью обладает мелкокристаллическая структура, поэтому перекристаллизация ведёт к снижению прочности. С уплотнением структуры перекристаллизация затормаживается.

Капиллярные поры формирует свободная вода. По мере гидратации она уходит в состав новообразований и частично испаряется. Но часть воды остаётся, размещаясь между частичками и оставляя до 40% и более пор. Эти капилляры и поры являются основными каналами, через которые в структуру проникают газы и агрессивные соли вместе с водой. Структура цементного камня при сильном увеличении под микроскопом представляет собой рисунок шлифованного бетона: видны частички непрогидратировавшего цемента и минеральных добавок, а также поры среди сплетений гидросиликатов.

Поровое пространство имеет большое влияние на стойкость и прочность цементного камня. Поэтому его разделяют по размерам на капиллярные поры, поры геля и воздушные: П = П_к + П_г + П_в. Это разделение характеризует структуру, так как в зависимости от размеров капиллярного пространства цементный камень способен или нет противостоять морозу или агрессивным воздействиям. К капиллярным относятся поры с размером сечения более 0,01 мкм до нескольких микрон (микрокапилляры от 0,01 до 0,1 мкм и макрокапилляры ≥0,1 мкм), поры геля<0,01мкм и воздушные поры, которые могут быть от нескольких микрон до 2-3 мм.

Воздушные поры специально делают при формовании лёгких бетонов или с воздухововлекающими добавками в тяжёлых бетонах, они играют положительную роль, увеличивая морозостойкость материала, если не сообщаются между собой. Самыми опасными порами являются капиллярные, они формировались лишней водой при изготовлении изделия, поэтому чаще всего сообщающиеся, по ним вода свободно перемещается и замерзает там при понижении температуры, увеличиваясь в объёме. Поры геля настолько малы, что воды в свободном состоянии там нет, а присутствует адсорбционно-связанная влага, обладающая аномальными свойствами. Между адсорбированной молекулой воды и поверхностью твёрдого тела образуется химическая или валентная связь. Такая вода не замерзает при самом глубоком охлаждении, уплотняясь при этом, удерживается твёрдым телом силами Ван-дер-Ваальса. Плотность может быть ≥1 г/см³.

От соотношения этих пор в структуре зависят качества бетона и цементного камня. Чем выше степень гидратации, тем больше геля – пор геля, тем выше плотность цементного камня, меньше капиллярных пор, наполняющих структуру водой, при погружении в неё. Воздушные поры, располагаясь по всему объёму, способствуют снижению напряжения при замерзании воды в капиллярном пространстве, так как располагаясь рядом с капилляром, могут принять часть воды при замерзании. Нежелательно при изготовлении бетона улучшать удобоукладываемость бетонной массы за счёт увеличения количества воды затворения. Воды должно быть столько, чтобы смочить все компоненты, перемешать однородно тесто и уложить, уплотнив его. Отслаивания не должно быть, В/Ц должно быть минимальным, чтобы было минимальным капиллярное пространство. Пористость зависит от состава цемента и водоцементного отношения.

Чтобы снизить В/Ц в настоящее время предложены эффективные добавки – поверхностно-активные вещества (ПАВ). С их помощью решается проблема с введением тонкодисперсных минеральных наполнителей без увеличения воды затворения в смесь. В результате получают смеси с меньшим количеством воды и большим содержанием твёрдой фазы при хорошей удобоформуемости. Такой состав позволяет получать наиболее плотные составы с небольшим содержанием воды (иногда, даже на пределе необходимого для химической реакции) и потому с низким содержанием пор и капилляров.

Наибольшая плотность цементного камня формируется из цементно - водной смеси при консистенции нормальной густоты. Формируются поры преимущественно размером ≤5 10^-7 см (5 нм). При добавлении в состав кварцевого песка 1:1 и В/Ц≤0,3 образуется структура с размерами капилляров до 100 нм (0,1 мкм) с замедленной капиллярной фильтрацией. Такие микрокапилляры зарастают в течение 3-7 дней во влажной среде и структура становится водонепроницаемой. А наиболее крупные капилляры, размером более 1 мкм формируются с добавлением песка до соотношения 1:3 с возрастанием водо-цементного отношения до более чем 0,7. Капилляры такого размера не смогут заполниться новообразованиями и будут водопроницаемы. В такие составы необходимо вводить для уплотнения структуры минеральные добавки, лучше активные для осуществления вторичных реакций с гидроксидом кальция и образованием дополнительных гидросиликатов. Кроме этого в настоящее время разработаны специальные добавки – модификаторы с комплексом средств для увеличения плотности, водонепроницаемости и морозостойкости бетонов. Необходимо учитывать условия формирования плотной структуры. Наиболее плотный цементный камень формируется в условиях нормального твердения, менее плотный получается при пропаривании и наиболее капиллярная структура получается при воздействии воды в парообразном состоянии – в автоклаве.

Автоклавная обработка, как правило, эффективна для силикатных составов, иногда с небольшой добавкой цемента для начала кристаллизации. При высокой температуре и давлении песок частично растворяется в щелочном растворе и потому химическая реакция между кварцевым песком и известью проходит активно и образуется сразу кристаллическая фаза из новообразований, обеспечивающая прочность. Кристаллическая структура является носителем прочности, при автоклавной обработке она формируется сразу и 100% прочность получается за время обработки (6-8 часов).

При нормальном твердении и пропаривании цементных вяжущих формируется гель, а не кристаллы и потребуется длительный период для перекристаллизации части гелевой фазы в кристаллическую с нарастанием прочности во времени. Марочную прочность определяют чаще в 28-суточном возрасте, и это может составлять всего 60-70% потенциальной возможности цементного бетона и до конца в неблагоприятных условиях 100% прочности от возможного он не достигает никогда. Поэтому так необходима предварительная выдержка бетона перед термообработкой и даже перед укладкой бетона в формы, когда смесь структурируется, образуя мицеллы, постепенно превращающиеся в сплошной гель. А под влиянием условий твердения гель переходит в кристаллы и бетон обретает прочность.

Вопросы для самостоятельной работы.

1. Из каких частиц состоит коагуляционная структура, из каких кристаллическая? Какая структура имеет большую прочность, почему?

2. В каких условиях твердения формируется наиболее плотная и прочная структура?

3. Какие виды пор формируются при гидратации цемента, как их классифицируют по размерам?

4. Можно ли без пор сформовать цементный камень? Какие поры способствуют повышению морозостойкости и водонепроницаемости, а какие снижают эти свойства?

5. От чего зависит пористость искусственного камня, сколько процентов пор приблизительно в тяжелом и лёгком растворе? Какая добавка помогает снизить количество пор?

6. Какими способами можно получить наиболее плотный и прочный цементный камень?

7. Какие составы целесообразно подвергать автоклавной обработке, какие не целесообразно?

8. Опишите последовательность стадий твердения цементного камня по теории Байкова. На какой стадии появляется прочность, что произошло?

9. Какие добавки-электролиты ускоряют твердение цементного камня? Почему ограничивают их применение?

10. Что называют микробетоном, почему не все частицы прогидратировали?

11. Опишите роль заполнителя в создании прочной структуры. Какие породы могут быть заполнителем в цементных бетонах?

12. Кроме добавок есть ли технологические приёмы для создания плотных структур?

13. Как порошковый материал – цемент превращается в суспензию и склеивающий гель? Чем становится эта масса, когда добавляют в неё заполнитель?

14. На каких матрицах получают разновидности бетонов ещё?

15. Как определяется консистенция бетонной смеси, от чего она зависит?

16. От чего зависит удобоукладываемость бетонной смеси? От чего зависит количество раствора в бетоне?

17. В каких условиях должен твердеть бетон? Что происходит при повышении или понижении температуры при его твердении?

18. Сколько воды берут в известково-кремнезёмистые смеси? В каких условиях они набирают прочность, почему?

19. Какими способами тяжёлый бетон превращается в лёгкий? Напишите уравнение газообразования при формовании лёгкого бетона.

20. Что представляет собой минерал асбест? Каково соотношение его с цементом в композиционном материале?

21. Какие микроструктуры формируются в различных условиях при гидратации вяжущих?

22. В каких условиях может формироваться конденсационная или кристаллическая микроструктуры?

Занятие №10.

Тема: Фазовый состав воды в структуре цементного камня.

Цель работы: Понять влияние фазового состава воды на стойкость и долговечность цементного камня.

Любые строительные материалы из неорганических вяжущих изготавливают с использованием воды. Вода находится в непрерывном взаимодействии с компонентами до их формования во время смачивания, при формовании и после, когда происходит твердение, нарастание прочности, уплотняется структура изготовленного материала. Смачивание – физико-химическое явление самопроизвольного увеличения площади контакта жидкости с поверхностью твёрдого тела под действием капиллярных сил. Химические связи уравновешиваются валентностями, физические – силы межмолекулярного притяжения становятся заметными при повышении давления и понижении температуры, когда проявляются силы Ван-дер-Ваальса. Вода может в структуре одновременно находиться в трёх фазах: в виде пара, воды и льда.

Смачивают поверхность только те жидкости, которые понижают поверхностное натяжение твёрдого вещества на границе с воздухом. Поверхности, смачиваемые водой, называют гидрофильными, при смачивании выделяется теплота. Не смачиваемые твердые вещества называются гидрофобными. Для их смачивания снижают поверхностное натяжение воды поверхностно-активными веществами (ПАВ).

Вода является слабым электролитом, в ней непрерывно идёт распад на ионы Н⁺ и ОН⁻. Под воздействием поверхностного натяжения небольшие количества воды стремятся принять шарообразную форму, соответствующую наименьшей величине поверхности. В узких трубках (капиллярах) смачивающая жидкость у стенок имеет более высокий уровень и чем выше поверхностное натяжение жидкости, тем выше мениск в трубке, а чем оно ниже, тем ниже мениск. Капилляры в пористой структуре цементного камня имеют очень узкое сечение, неправильную форму, извилисты, их заполнение происходит более сложно. Над вогнутой поверхностью мениска пар быстрее конденсируется и может быть пересыщенным при нормальном давлении в свободном пространстве. Тогда капилляры заполняются влагой, изменяя характеристики материала. При охлаждении воды до 0°С в узких капиллярах она не замерзает и может оставаться в жидком состоянии. Влага с поверхности и заполняющая микрокапилляры, имеет сильную энергетическую связь с твёрдым телом. Плёнка воды связана с ним силами Ван-дер-Ваальса и называется адсорбционно-связанной влагой. Она отличается большей плотностью и поэтому не замерзает при низких температурах. Поверх этой влаги в капиллярах может быть свободная вода, связанная с твёрдым телом механически, гравитационными силами. Свободная влага при низких температурах замерзает в диапазоне температур, чем тоньше капилляр, тем при более низкой температуре она замёрзнет. В пористой структуре бетона есть капилляры разного сечения. Чем тоньше капилляры, тем будет больше незамерзающей воды, тем будет выше морозостойкость бетона. Поэтому при изготовлении бетона стараются использовать все способы, снижающие количество свободной воды, так как вода, не участвующая в химической реакции гидратации, формирует капилляры и тем более широкие, чем её больше. Морозостойкость зависит от структуры бетона и его водонасыщения. Зимой в структуре может быть как замёрзшая вода – лёд, так и незамерзающая – адсорбционно-связанная. Уже при температуре +4°С плотность воды возрастает от 0,998 до 1 г/см³, объём её при этом сокращается и, если изделие лежит в воде, в это пространство ещё засасывается дополнительное количество воды. При дальнейшем снижении температуры уже большее количество воды переходит в твёрдую фазу – замерзает. При этом плотность льда уменьшается до 0,917 г/см³, объём – увеличивается на 9,4%. Содержащаяся в структуре влага переходит в твёрдую фазу в диапазоне температур до -60°С. Образующийся лёд разрушает неокрепшие новообразования возрастающим давлением на них, капилляры и структура по мере продолжающихся колебаний температуры (замерзание – оттаивание) всё больше разрушается. Основываясь на этом, разработан ГОСТ по испытанию бетонов на морозостойкость. Измеряется морозостойкость в циклах. Цикл состоит в полном водонасыщении в течение 4-х суток опытных образцов, замораживании их в водонасыщенном состоянии в течение 2-4 часов до полного промерзания и оттаивании в воде комнатной температуры. Сколько таких циклов выдержат образцы, столько и будет их морозостойкость. Обозначаются марки по морозостойкости F25, F50, F100, F200, F300, F400, F500. Чем больше циклов выдержит бетон не разрушаясь, тем он качественнее. Допускаются потери по прочности до 5% и потери массы – до 3%. Испытания на морозостойкость по ГОСТ 10060.2-95.

Адсорбционно-связанная влага с понижением температуры уплотняется и теряет свою текучесть, растёт её вязкость. Чем выше степень гидратации, тем больше новообразований, тем больше адсорбционно-связанной влаги, которая не замерзает. Увеличение относительного содержания адсорбционной влаги при уменьшении капиллярной является одним из главных путей повышения морозостойкости бетона. С применением пластификаторов при перемешивании бетонных смесей снижается количество воды затворения (В/Ц), снижается количество крупных капилляров и избыточное давление от перехода воды в твёрдую фазу, что сказывается на повышении морозостойкости.

Стойкость бетона обеспечивается увеличением его плотности, водонепроницаемости и прочности за счёт возрастающей степени гидратации. Происходят изменения в структуре даже за счёт предварительной выдержки бетона до тепловой обработки, когда формируется структура быстро нарастающими новообразованиями. Благоприятные условия твердения увеличивают морозостойкость в несколько раз. Слитная плотная структура бетона морозостойка и более стойка в агрессивной среде.

Вопросы для самостоятельной работы.

1. Что представляет собой вода, когда она начинает воздействовать на твёрдое вещество?

2. В каком состоянии вода может находиться в пористой структуре материала?

3. Как вода связана с твёрдым материалом? Какие силы взаимодействия препятствуют замерзанию воды в пористой структуре?

4. Что называется адсорбционно-связанной влагой? Какие свойства отличают её от свободной воды?

5. От чего зависит морозостойкость цементного камня? Как её определяют?

6. Что такое удельная поверхность? Зависит ли от неё количество адсорбционной влаги в материале?

7. Зависит ли удельная поверхность цементного камня от степени гидратации цемента?

8. От чего зависит стойкость цементного раствора или бетона?

9. Чему равна сила поверхностного натяжения воды? Как её снижают, для чего?

10. Почему вода в структуре цементного камня замерзает при более низкой температуре?

11. Почему с увеличением удельной поверхности цементного камня возрастает его плотность и морозостойкость?

12. Вода имеет полярность или не имеет? Для чего добавляют ПАВ в воду затворения?

13. Как и на что расходуется вода затворения при твердении цементного камня?

Занятие №11.

Тема: Воздействие агрессивной среды на цементный камень, коррозия бетона, методы защиты.

Цель работы: Классифицировать процессы, происходящие при коррозии цементного камня, способы защиты.

Наряду с механическими (удар, вибрация) и физическими (замораживание-оттаивание), разрушают бетон, в первую очередь цементный камень, химические воздействия воды и растворённых в ней веществ. Процессы химического разрушения материала под действием агрессивных факторов окружающей среды называются коррозией. При длительном контакте с водой, даже мягкой проточной происходят необратимые процессы, разрушающие цементный камень. К разрушению приводит изменяющийся под воздействием агрессивных веществ химический и минералогический состав цементного камня. В зависимости от того, сопровождается ли коррозия химическими реакциями, называют её физической или химической.

Физическая коррозия представляет собой процесс вымывания из цементного камня водорастворимых компонентов. В отличие от воздушных вяжущих веществ, где этот вид коррозии является главной причиной разрушения камня, портландцемент значительно более устойчив к физической коррозии вследствие меньшей водопроницаемости и низкой растворимости большинства минералов цементного камня. Только минерал портландит Са(ОН)₂ характеризуется умеренно высокой растворимостью в воде от 0,7 в кипящей воде, до 1,7 г/л при понижении температуры до 0°С. При непрерывной фильтрации воды сквозь бетон (плотины, резервуары, опоры), проникая в поры, вода насыщается гидроксидом кальция и выносит его на поверхность изделия. Образуются потёки, высолы, которые вступают во взаимодействие с углекислотой воздуха, карбонизируясь, превращаются в СаСО₃ и остаются на стене белым налётом, испортив поверхность. А на месте, где были расположены эти кристаллы портландита внутри цементного камня остаются пустоты, нарушаются контакты между компонентами камня и прочность изделия падает. Когда вымывается значительная часть гидроксида кальция, снижается рН поровой жидкости, начинаются реакции гидролитического распада гидросиликатов кальция (СSН). Система стремится поддерживать необходимую рН≥12 и из гидросиликатов опять выделяет гидроксид кальция, который снова выносится водой и в результате щёлочность снижается:

2CaO ∙SiO₂ ∙2H₂O→CaO∙ SiO₂ ∙H₂O + Ca(OH)₂.

Эту коррозию относят к первому виду и называют процесс разрушения выщелачиванием. Если вода, контактирующая с бетоном, содержит растворённые вещества, то к физической прибавляется химическая коррозия, что ускоряет процессы разрушения цементного камня. В зависимости от вида растворённого соединения, вызывающего коррозию, различают углекислотную, магнезиальную и сульфатную коррозию. Углекислотная и магнезиальная относятся ко второму виду коррозии –кислотному. Воздействие углекислого газа воздуха даже полезно для цементного камня, когда в поверхностном слое образуются кристаллики СаСО₃, укрепляющие и увеличивающие его долговечность:

2CaO ∙SiO₂ ∙2H₂O+СО₂ = CaO ∙SiO₂ ∙H₂O + CaСО₃.

Поверхностная корочка уплотняется за счёт увеличивающегося объёма на 11% СаСО₃, становится меньше пор на поверхности, коррозионная стойкость увеличивается.

Углекислотная коррозия начинается тогда, когда углекислоту содержит вода. Вода может её содержать 20 мг/л и более, если находится в контакте с воздухом, где концентрация СО₂≥1%. Как только рН снижается ˂ 7 возникает избыточная СО₂, вступающая в реакцию. При действии такой воды на цементный камень карбонат кальция переходит в растворимую соль:

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О →Са(НСО₃)₂ и выносится водой.

Вода обогащается углекислотой, просачивается внутрь к новым частицам гидроксида и гидросиликатов кальция, растворяя их до полного разрушения гидросиликатной составляющей в цементном камне. Возникающая дополнительная пористость приводит к падению прочности и исчезновению цементной связки. Скорость коррозии зависит от агрессивности среды, состава цемента, плотности цементного камня, напряженного состояния, температуры и скорости обновления воды. При жёсткости воды ≥5° выщелачивание замедляется и при повышении жёсткости бикарбонат начинает взаимодействовать с гидроксидом кальция:

Са(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ → 2СаСО₃ + 2Н₂О.

Магнезиальная коррозия происходит в воде, содержащей растворённые соли магния. Это морская вода, промышленные стоки, когда содержание катиона магния превышает его содержание в речной воде примерно в 100 раз. Эти соли опасны тем, что могут начать реагировать не только с гидроксидом кальция, но сразу с гидросиликатами кальция, образуя в воде растворимую соль и аморфный гидроксид магния:

nCaO ∙SiO₂ ∙ Н₂O + MgCl₂ = CaCl₂ + Mg(OH)₂ + SiO₂(m+n)H₂O.

Кроме того, морской водой из цементного камня извлекается гидроксид кальция в большем объёме, чем пресной водой. Существенно падает щёлочность до рН ≤ 10, что нарушает целостность камня и он разрушается.

При взаимодействии с водой, содержащей кислоты, стойкость цементного камня недостаточна. Поэтому принимают специальные меры по предотвращению химического воздействия растворов кислот на цементный камень.

Сульфатная коррозия – третий вид коррозии происходит при воздействии воды, содержащей растворённые сульфаты (кальция, магния, натрия и др.). В морской воде содержится ионов SО₄^-⁻в среднем около 2,5 г/л. Кроме того вода содержит ионы SО₄⁻⁻ при контакте с гипсовыми породами, гипсовой штукатуркой и т.п. В этом случае сульфаты вступают в химическое взаимодействие с гидроалюминатами кальция с образованием гидросульфоалюминатов, реагируют и с гидроксидом кальция, образуя соединения, занимающие больший объём, чем исходные минералы:

Na₂SO₄ + Ca(OH)₂ = CaSO₄ + 2NaOH

3CaO∙Al₂O₃ 6H₂O + 3CaSO₄ + 26H₂O = 6CaO∙Al₂O₃ 3SO₃ 32H₂O.

В период эксплуатации бетонных сооружений выделяют три главные причины, действующие разрушительно,:1 – растворение и вымывание растворимых компонентов, что ведёт к потере прочности и снижению сцепления цемента с заполнителем;

2 – создание внутренних или поверхностных напряжений, вызванных изменениями объёма поровой среды (влага при замерзании, соли) или деформациями от удара, нагрузки, трения, образования пустот (неоднородности в структуре);

3 –химические реакции и физико-химические процессы, в результате которых образуются соли и возникает осмотическое давление.

Огромное значение для долговечности бетона имеет его однородность, являющаяся результирующей однородности составляющих его материалов (цемента, заполнителей, добавок), их соотношения, технологии гомогенизации и укладки в формы. Количество цемента должно приниматься в соответствии с объёмом пустот и величиной удельной поверхности заполнителей. Расход цемента на 1 м³ бетона не менее 250 кг/м³ для формирования долговечности более необходим, чем для формирования прочности бетона. Недостаточное заполнение пустот повышает пористость и проницаемость, ослабляет контакт с заполнителем, малое количество цемента не обеспечит высокое рН. Если есть возможность использовать активную минеральную добавку в составе бетона, количество цемента снижают, если позволяет прочность бетона.

При наличии сульфатной агрессии в воде, контактирующей с сооружениями, рекомендуются чистоклинкерные сульфатостойкие цементы, с умеренной экзотермией, лучше пластифицированные. Желательны воздухововлекающие добавки. Для повышения водонепроницаемости используют уплотняющие добавки в виде 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 – углеродсодержащие вещества (уголь, графит, сажа и даже шерсть). К первичным мерам 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 угрозу представляет коррозия арматуры, воздействие сульфатов и замораживание влажного бетона. Эти факторы возможны 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?

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 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?

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 дерева. Деревья разделяют на две основные группы: хвойные и лиственные. Древесина хвойных пород применяется для изготовления конструкций жилых, общественных, промышленных зданий и др. сооружений. Древесину лиственных пород применяют для изготовления конструкций и изделий (за исключением берёзы), работающих под крышей и внутри помещения, а также для временных сооружений и 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 приготовить их 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. Кроме того 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 того или другого назначения. Поэтому древесина и отходы из неё перерабатываются механически (распаривают, разрыхляют, дробят, просеивают и др.), а затем подвергают химической обработке(в растворе хлористого кальция, в автоклаве, в щелочной среде и др.). 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.). 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 150⁰С волокна смешивают с водой и другими добавками, в смесь вводят феноло-формальдегидный полимер и масса отливается. Затем её уплотняют, обезвоживают, вакуумируют и разрезают на плиты. Для получения твёрдых плит необходимо прессование массы при температуре 150-165⁰С 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 текстурной бумаги, имитируя рисунок древесины.

Целлюлоза – главный компонент древесины как хвойных, так и лиственных пород, занимающий примерно половину её объёма. Она представляет собой линейный полимер с высокой молекулярной массой (от 30000 до 5000000), основной компонент клеточных стенок растения. Общая формула целлюлозы С_mН_2nО_n(относится к классу углеводов или полисахаридов). Степень её полимеризации «n» от 175 до 30000.В листьяхдерева из атмосферного углекислого газа и воды под действием солнечного света образуется глюкоза (С₆Н₁₂О₆)n. В растворённом виде глюкоза 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. Упрощённо реакцию образования целлюлозы из глюкозы можно написать:

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 механическими и проводящими. Механические клетки (опорная ткань) – наиболее прочные и стойкие к загниванию веретёнообразные волокна. Проводящие клетки – сосуды, представляют собой тонкостенные трубочки, расположенные вдоль ствола, по которым влага передвигается от корней к кроне. У хвойных пород эту функцию выполняют трахеиды. Структура древесины с её развитой удельной поверхностью, обилием капилляров и влаги является питательной средой для жизни микроорганизмов и грибов. Питательной средой является глюкоза, в которую они при воздействии ферментов превращают целлюлозу:

(C₆H₁₀O₅)n + nH₂O → n(C₆H₁₂O₆).

Гниение древесины развивается при влажности более 18-20%, хотя споры грибов сохраняются и в сухой древесине. Чтобы споры грибов не развивались, древесина должна быть сухой. Её защищают от увлажнения, пропитывают лакокрасочными составами, обеспечивают проветривание и обрабатывают антисептиками.

Антисептики – яды для грибов и насекомых. Они могут быть растворимыми в воде и масляными, неорганическими и органическими. Это фторид натрия, кремнефторид натрия, смесь хлорида цинка, хромпика и медного купороса, растворы пентахлорфенола, арсенаты металлов, дёготь и его масла. Эти вещества вводят в пропиточные, окрасочные и пастовые составы. Древесина, предназначенная для работы на земле, – в бактерицидной среде, пропитывается в ванне при высокой температуре в каменноугольном масле. Из древесины удаляется влага и антисептик проникает по капиллярам, так происходит полная стерилизация древесины.

В сухих условиях при проветривании древесина сохраняется долго. Долговечна она и в воде без доступа воздуха. Попеременное увлажнение и высыхание деревянных элементов создаёт благоприятную среду для гниения древесины. На древесину влияет химический состав воды. В морской воде она сохраняется хуже, чем в речной. При повышении температуры увеличивается растворимость экстрактивных веществ. При температуре 150-175⁰С растворяется более 20% древесного вещества, начинают разлагаться углеводы. Концентрированные кислоты вызывают гидролиз полисахаридов. Растворы щелочей действуют на углеводы, большая часть экстрактивных веществ удаляется щелочными растворами. При взаимодействии целлюлозы со щелочными металлами образуется щелочная целлюлоза, которая идёт на производство вискозных волокон. Температура воспламенения древесины 250-300⁰С, однако длительный нагрев древесины при более низкой температуре (120-150⁰С) тоже может быть опасен вследствие постепенного обугливания. Для предупреждения возгорания деревянных конструкций удаляют от дерева источники нагревания, изолируют малотеплопроводным минеральным материалом, поверхность покрывают огнезащитными составами, используют фосфорилированную древесину (обработка целлюлозы и древесины эфирами кислот фосфора). Огнезащищённость на её основе обусловлена уменьшением выхода горючих продуктов при терморазложении (СО, СН₄) и увеличением слоя кокса. Образовавшийся на поверхности древесины кокс как шубой укрывает поверхность и предохраняет от разрушения. Защитное действие антипиренов основано на том, что при пожаре они плавятся и покрывают древесину плёнкой, затрудняющей доступ кислорода. Другие антипирены выделяют негорючие газы, снижающие концентрацию кислорода. К первым относится бура (Na₂B₄O₇ 10H₂O), ко вторым фосфорно-кислые и серно-кислые соли аммония, диссоциирующие при нагревании,: (NH₄)₂SO₄→ 2NH₃ + H₂SO₄.

Древесина гигроскопичный материал, увлажняясь до 30%, теряет прочность на 70%. Увеличение влажности ведёт к загниванию. Чтобы она меньше впитывала влаги, её обрабатывают гидрофобизаторами. Традиционными гидрофобизаторами древесины являются кремнийорганические соединения. Для создания устойчивого эффекта гидрофобизации проводят силилирование древесины: пропитка в автоклаве методом горяче-холодных ванн длительностью не менее 7 часов. Древесина после процессов мягкого фосфорилирования – силилирования переходит в разряд трудносгораемых, биостойких материалов с наличием гидрофобных свойств.

Сушка древесины не только повышает прочность, но обеспечивает длительную её сохранность. Сушка может быть естественной и искусственной. Естественная сушка длительный процесс, она происходит на складах лесоматериалов. Получают воздушно-сухую древесину с влажностью 15-18%.

Искусственная сушка проходит быстрее и древесина высыхает до влажности 6-10%. Древесина становится дороже, поэтому искусственную сушку применяют для высококачественных древесных изделий. Если сухую древесину склеивают полимерными составами при высокой температуре под прессом, то получают клееную древесину, прочность которой равна прочности стали. Древесный шпон, склеенный полимером в несколько слоёв называется древесно-слоистым пластиком. Его прочность при растяжении составляет 250, при изгибе 280 МПа. Применяют такой композиционный материал в строительных конструкциях, от которых требуется химическая стойкость, немагнитность, высокое сопротивление истиранию.

Вопросы для самостоятельной работы.

1. Сколько и какой древесины идёт на конструкции, на переработку и в отходы? Как используют отходы?

2. Какие вещества входят в состав древесины, что является основным компонентом? Напишите формулу.

3. Какие материалы изготавливают из отходов? Как приготавливают отходы к применению?

4. Какое строение имеет древесная клетка? Из чего образуется целлюлоза? Напишите реакцию её образования.

5. Какова удельная поверхность древесины? Зависят ли свойства древесины от удельной поверхности, какие?

6. Что такое гниение? Что происходит с целлюлозой при гниении? Напишите реакцию разрушения целлюлозы.

7. Как защищают древесину от вредных насекомых, а как от гниения?

8. Какова химическая стойкость древесины? Что такое фосфорилирование и силицирование?

9. Какими свойствами обладают антипирены? Что к ним относится? Можно ли вместо антипиренов применить фосфорилирование?

10. Что называется антисептиками? Какие вещества используют в этом качестве?

11. Какова влажность конструкций из древесины? Меняется ли она с изменением атмосферной влажности? Как при этом меняется прочность изделий? Что делают для стабилизации влажности изделий?

12. Почему древесину называют гигроскопическим материалом? Почему она не разрушается от замораживания?

13. Что можно предпринять для уменьшения гигроскопичности древесины?

14. Что называют силицированием древесины? Для чего его делают?

15. Как получают клееную древесину? Какими свойствами она обладает?

16. Как разделяют древесину по способу переработки, в каком виде её используют в строительстве?

17. Какие виды строительных материалов делают из древесины? Что идёт в качестве компонентов в композиционные материалы?

18. Что такое химическая переработка древесины? Какие виды продукции при этом получают? Используют ли опилки и лигнин?

19. Как древесину разделяют по плотности? Какая более стойкая и долговечная?

20. Что такое окисление древесины? Какие меры можно предпринять против этого? Напишите реакцию окисления.

21. Чем и зачем модифицируют древесину?

22. Как повышают биостойкость изделий, что означает слово «консервация»?

Занятие №13

Тема: Органические вяжущие вещества в строительстве.

Цель работы: Использование битумно-дёгтевых композиций в строительстве.

Органические вяжущие вещества делят на битумные и дёгтевые. В качестве вяжущих больше применяют битумные вещества, так как производство битума более распространено и битумы не имеют такого резкого запаха, как у дёгтя, поэтому нет столько ограничений. Битумы получают при переработке нефти. Они состоят из углеводородов метанового (С_nН_2n+2), нафтенового (С_n Н_2n), ароматического (С_n Н_2n-6) рядов предельных углеводородов с примесями кислородных, серных и азотистых производных.

Природные битумы встречаются не часто и, если ведут их разработку, используют исключительно для получения хороших атмосферостойких битумных лаков. Искусственные битумы получают на нефтеперерабатывающих заводах из гудрона несколькими способами:

1 -высокотемпературной отгонкой с отбором смол–остаточный битум (крекинговый);

2 – воздушной продувкой при температуре 450-600⁰С – окисленный битум;

3 –осаждением смол растворителем (пропаном) – экстрактный битум;

4 – нейтрализацией кислых гудронов – кислотный битум.

Получают битумы (полутвёрдые остатки), в составе которых содержатся масла – 45-65%, смолы -15-30%, асфальтены (твёрдые углеродистые частицы) – 10-30%, а также парафины, асфальтогеновые кислоты, анионактивные вещества и др.

По своему строению битум – коллоидная система, в которой диспергированы асфальтены, а дисперсионной средой являются масла и смолы. Асфальтены имеют размер 18-20 мкм, каждая частичка находится как в капсуле – в смоле и эти капсулы плавают в масле. Свойства битума определяются соотношением смол, масел и асфальтенов. Повышение содержания асфальтенов влечет за собой возрастание вязкости и твёрдости, температуры размягчения и хрупкости битума. Они в мицелле являются центром структурообразования. Образуется мицеллярная пространственная сетка – гель. Под влиянием кислорода асфальтены могут переходить в карбены и карбоиды, теряя способность растворяться в дисперсионной среде и образовывать мицеллы. Происходит полимеризация и окислительная модификация смол и масел с нарастанием вязкости и хрупкости – химическое старение битума.

Масло – раствор низкомолекулярных углеводородов образует дисперсионную среду. При увеличении в составе количества масла снижается твёрдость битума, он становится легкоплавким, текучим, подвижным.

Смолы содержат наибольшее количество кислородных, сернистых и азотистых производных углеводородов. Это легкоплавкие, высокоэластичные вещества, придающие битуму пластичность и водоустойчивость. Смолы служат стабилизаторами, они снижают силу связи между частицами, от чего появляется способность растягиваться. Парафин растворён в масле, увеличивает хрупкость битума при низких температурах. Анионактивные вещества – это поверхностно-активные вещества, обеспечивают битуму хорошую адгезию к карбонатным породам.

Чтобы с битумом работать, его надо перевести в рабочее состояние. Есть три способа перевода битума в пластичное состояние:

расплавление при температуре 140-170⁰С, когда смолы растворяются в маслах

; растворение битума в органическом растворителе (нефтяные масла, сырая нефть) без нагрева – холодные растворы;

эмульгирование и получение эмульсий и паст.

Для битума характерны такие свойства как вязкость, пластичность, гидрофобность, твёрдость при нормальной температуре, растворимость в органических растворителях, размягчение вплоть до расплавления и проникаемость в капиллярную структуру другого пористого материала. Поверхностное натяжение битумов при нормальной температуре составляет 25-35 эрг/см². Наиболее важным свойством является химическая стойкость битумов и битумных материалов к действию агрессивных веществ, вызывающих коррозию цементных бетонов, металлов и др. строительных материалов. Битумные составы хорошо сопротивляются действию щелочей, и даже концентрированных кислот, кроме азотной. Химическая стойкость в сочетании с лёгкостью нанесения покрытия делают битум необходимым в производстве строительных работ.

Плотность битумов в зависимости от состава может быть от 0,8 до 1,3 г/см³.Температурный коэффициент объёмного расширения 5-8∙10^-4 ⁰С^-1 температура вспышки 230-240⁰С. Битум, как все углеводороды, может «стареть», когда под воздействием ультрафиолетовых лучей и кислорода воздуха рвутся углеводородные связи в молекуле, уменьшается количество масляных и смолистых веществ, битум становится хрупким. Его структуру модифицируют (улучшают) введением в состав полимеров, наполнителей, пластификаторов, стабилизаторов и даже антисептиков, так как есть бактерии, разрушающие битум.

Строители используют битум для гидроизоляции конструкций, приготовления на его основе паст, мастик, пропиточных смесей и асфальтовых растворов. Чтобы эффективнее его использовать, определяют его марки. Марка определяется твёрдостью, температурой размягчения и растяжимостью. (Методические указания, часть 2)

Прочные связи битум образует с катионами кальция и магния, поэтому асфальтовую связку (вяжущее) приготавливают только с тонкомолотыми карбонатными породами – известняковой, доломитовой мукой, отходами цемента. Тонкий порошок карбонатов является для битума и наполнителем и стабилизатором, защищая его от атмосферных воздействий. Поэтому его в составе асфальтовой связки содержится не менее 75-80%. В асфальтовом растворе – битума ещё меньше, так как добавляют мелкий заполнитель, в асфальтобетоне – всего 5-7,7%, при большем количестве битума асфальт становится пластичным.

Биостойкость битумов повышают сплавляя с дёгтем, являющимся лучшим антисептиком. Такая смесь называется сплавом, она биостойка, пластична и морозостойка.

Вопросы для самостоятельной работы.

1. Как получают органические вяжущие из нефтепродуктов и других горючих материалов?

2. Опишите вещественный состав битумов и дёгтей. Как влияют составляющие на их свойства?

3. Как определяют марку битума? Имеет ли значение температура размягчения для его использования?

4. В каком виде завод выпускает битум? Как его приводят в рабочее состояние?

5. Какова химическая стойкость битума? В качестве какой защиты его используют для пористых строительных материалов?

6. Как модифицируют битум? Какие его свойства при этом улучшаются? Где используют модифицированный битум?

7. Какова биостойкость битумов? Как её поднимают, чем и зачем наполняют битумы?

8. Какие составы в строительстве делают из битумов? Как называют состав с крупным заполнителем? Из каких горных пород он должен быть?

9. Что входит в состав асфальтового вяжущего, какова роль компонентов?

Занятие № 14.

Тема: Полимеры в строительстве.

Цель работы: Изучение структуры полимерных материалов, применение полимеров в технологии строительных материалов.

Полимеры это общее название, данное широкому кругу веществ, обладающих высокой молекулярной массой, «комплекс свойств которых остаётся практически неизменным при добавлении или удалении одного или нескольких составных звеньев». Молекулы полимеров называют макромолекулами, они являются основой живой материи. Есть природные органические полимеры неорганические и получаемые искусственно. В основе получения искусственных полимеров лежат процессы полимеризации и поликонденсации. Строение молекул поэтому также отличается. Полимеры, полученные первым способом, имеют линейное строение, полученные вторым, – пространственное. По этой причине они по-разному реагируют на изменение температуры.

Термопластичными называют полимеры, легко размягчающиеся при повышении температуры. Под воздействием температуры они многократно могут изменять свою структуру, переходя из кристаллического в аморфное состояние, из твёрдообразного в жидкое состояние. Как правило это линейные структуры, температуростойкость их 60-120°С, при повышенной температуре они не могут быть твёрдыми. К таким полимерам относятся: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат, полиизобутилен, полистирол, поливинилхлорид, поливиниловый спирт, кумароно-инденовые полимеры и др.

Термореактивные полимеры более прочны, необратимы, способны держать силовые нагрузки даже при повышенных температурах, так как после отверждения не размягчаются, приобретают пространственную структуру и работают до температуры обугливания 200-400°С. Это феноло-формальдегидные, мочевино-формальдегидные, меламино-формальдегидные смолы, полиэфиры, эпоксидные полимеры, фурановые, кремнийорганические (силиконы) и др.

По характеру поведения при действии механических нагрузок все высокомолекулярные соединения делятся на три группы:- текучие полимеры, необратимо изменяющие свою форму под действием небольших механических нагрузок; что связано с взаимным перемещением макромолекул в структуре (полиизобутилен, полиуретановые каучуки);

• высокоэластичные – эластомеры – деформируются обратимо при воздействии нагрузок, так как подвижны отдельные участки. Подвижные участки, ориентируясь в поле сил, приобретают всё более упорядоченное состояние, которое сохраняется длительное время. Высокоэластичное состояние можно рассматривать как промежуточное между текучим и стеклообразным. После снятия нагрузки макромолекула возвращается в наиболее привычное свёрнутое состояние.

• твёрдые полимеры мало изменяют свою форму даже при больших механических нагрузках. После снятия нагрузки полностью восстанавливают свою первоначальную форму. Твёрдые полимеры могут быть кристаллическими и аморфными (стеклообразными). Аморфные полимеры обладают определённой упорядоченностью, для них характерно глобулярное строение. Глобулы – это свёрнутый клубок макромолекулы, с наименьшей энергией.

Подвижность атомов, групп и самих макромолекул связана с температурой. Полимеры аморфные линейной структуры могут находиться в любом из трёх состояний: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. При отрицательной температуре ниже температуры хрупкости полимер разрушается уже при незначительных механических воздействиях, а при температуре выше температуры разложения происходит его термическая деструкция с разрывом макромолекул. При воздействии нормальной температуры возврат в исходное состояние не происходит мгновенно, требуется промежуток времени для релаксации, связанный с перестройкой внутренней структуры макромолекул. С увеличением жёсткости полимеры теряют способность переходить из стеклообразного в вязкотекучее состояние. Это состояние отсутствует и у полимеров пространственной трёхмерной структуры, у них отсутствует высокоэластичная деформация. В строительной практике стеклообразные полимеры используют как твёрдые пластики, и нижней предельной температурой эксплуатации изделий из них является температура хрупкости, а верхний температурный предел будет определяться приложенной нагрузкой, которую должно выдержать изделие из него без значительной деформации.

Под воздействием химических, физических, ионизирующих факторов в процессе эксплуатации происходит деструкция – постепенное разрушение полимеров. Даже механические напряжения могут вызывать изменения структуры и свойств, связанные с разрывом макромолекул. С целью замедления этих процессов и старения полимеров в их состав добавляют стабилизаторы, антиоксиданты, пассиваторы, наполнители. Антиоксиданты в составе полимера выполняют роль ингибитора, обрывают цепной процесс окисления, блокируют образующиеся радикалы. Стабилизаторы также повышают устойчивость, тормозят старение, поглощают выделяющиеся при окислении вещества. Наполнители – повышают температуростойкость, твёрдость и прочность композиции.

Полимеры, имея такие особенности, в чистом виде для изготовления строительных изделий не используются. Они используются или в качестве связующего в композиционных материалах или в качестве модифицирующего материала для улучшения свойств других материалов. В качестве связующего вещества их применяют для получения пластмасс. Это древесно-слоистые пластики, стеклопластики, полимербетоны, а также древесно-стружечные плиты, древесно-волокнистые плиты и фанера.

Древесно-слоистые пластики изготавливают прессованием пакетов древесного шпона, пропитанного фенолформальдегидным полимером. Одинаковые механические свойства в разных направлениях обеспечиваются при взаимно перпендикулярном расположении волокон. Собранные в несколько слоёв шпона пакеты прессуют при температуре 140-150⁰С и давлении 15-16 МПа. Такие композиции превосходят по основным физико-механическим свойствам исходную древесину и используются для изготовления несущих конструкций, вспомогательных, крепёжных и монтажных элементов.

Стеклопластики формуют так, что стекловолокнистый наполнитель армирует полиэфиры, эпоксидные или феноло-формальдегидные полимеры. Такие композиции могут выдерживать длительные эксплуатационные нагрузки, могут использоваться для конструкций, подвергающихся вибрации, они прозрачны. Их применяют в виде плоских и волнистых листов для прозрачной кровли, теплиц, трёхслойных панелей ограждений и покрытий, оболочек и куполов, оконных и дверных блоков и др.

Полимербетоны изготавливают на феноло-формальдегидных, фурановых, эпоксидных смолах с расходом наполнителя 1:5 – 1:12 по массе. Твердение полимербетонов идёт быстрее цементных при нормальной температуре, хотя термообработка ускоряет твердение. Предел прочности при сжатии 60-120 МПа. Выше водо- и морозостойкость, износостойкость и химическая стойкость, чем у бетонов на минеральном вяжущем. Их можно усиливать металлической и неметаллической арматурой. Применяют для возведения износостойких покрытий, ирригационных плотин и конструкций портовых сооружений, для изготовления химически стойких полов, сточных каналов, лотков и др.

Для отделочных работ больше используют полимеризационные линейные полимеры, легко размягчающиеся при повышении температуры. Из полиэтилена, поливинилхлорида, полипропилена методом вальцевания, каландрирования, экструзии или напыления делают рулонные материалы: плёнки, влагостойкие бумажные обои, плинтусы, поручни для лестниц, балконов, наличники, профили для крепления и обработки швов и др. Наиболее известны покрытия для пола и другие рулонные отделочные материалы, герметики, гидро- и теплоизоляционные изделия, а также трубы и санитарно-технические устройства. В последние годы особенно широко используют плёночные воздухоопорные и пневматические конструкции из полимерных листовых материалов и тканей, пропитанных силиконовыми составами.

Кремнийорганические полимеры сочетают в себе эластичность органических полимеров с высокими тепло- и морозостойкими свойствами. Термостойкость этих полимеров также выше других – до 330⁰С. Их применяют для создания лаков, клеев, эмалей и смазок, обладающих жаростойкими и атмосферостойкими свойствами, а также при изготовлении водостойких герметиков, стеклотекстолита. Они используются в качестве гидрофобизаторов строительных материалов. 50% эмульсия ГКЖ-94 (этилдихлорсилан), при введении в растворную смесь в количестве 0,05-0,1% обеспечивает не только физическую адсорбцию (гидрофобизацию), но происходит химическое взаимодействие с гидроксидом кальция, образуются пузырьки водорода, выделяющиеся в объёме смеси, улучшающие перемешивание её и морозостойкость.

Кроме использования полимеров в качестве связующего они являются отличным пропиточным материалом. Имея низкую температуру размягчения в горячем пластичном состоянии, проникают в капиллярную систему другого пористого материала (лучше под давлением или в вакууме), улучшая его свойства. Так делают бетонополимеры, гидроизолируют теплоизоляционные материалы, кровельные листы. Пропитка древесины и склеивание фрагментов из неё дало возможность получать клееную древесину с высокими физико-механическими показателями. Добавляя полимер в составы битумных композиций, получают модифицированный битум с лучшими свойствами, особенно пластичностью при низких температурах.

Вопросы для самостоятельной работы.

1. Какие высокомолекулярные соединения бывают в природе? Какими способами получают искусственные полимеры?

2. Какова термостойкость полимеров? Зависит ли термостойкость от степени полимеризации? Где используют полимеры с низкой термостойкостью, как их называют?

3. В каком фазовом состоянии могут быть полимеры, бывают ли в газообразном? Изменяется ли состояние от воздействия температуры? Что означает предельная температура эксплуатации?

4. Назовите причины деструкции полимеров? Есть ли способы замедления деструктивных процессов, какие?

5. В составе каких строительных материалов используют полимеры? Используют ли их в чистом виде, как?

6. Может ли быть полимер матрицей? С какими наполнителями применяют полимеры? Как такие материалы называют?

7. Какие есть способы получения полимеров? Зависит ли использование полимера от способа его получения? Приведите примеры.

8. Какие полимеры называют кремнийорганическими? Чем они отличаются от органических полимеров, как их применяют?

9. В каких строительных материалах полимер является модификатором? Какие свойства материала улучшаются с ним?

10. Из чего получают полимеры? Что такое степень полимеризации? Как изменяются свойства полимера с ростом степени полимеризации?

11. Какие углеводороды называют карбоцепными? Где они применяются, что из них производят?

12. Какие полимеры называют эластомерами? Могут ли они находиться в трёх состояниях?

13. Чем термопластичные полимеры отличаются от термореактивных? Назовите некоторые из них.

14. Что называют старением полимеров? Можно ли затормозить этот процесс, чем?

15. Каков механизм воздействия пластификаторов в композиционном материале? С какой целью вводят наполнители, какие они бывают?

16. Что называют пластмассой? Каков коэффициент конструктивного качества пластмасс? Он выше или ниже материалов на минеральном вяжущем?

17. Назовите достоинства полимеров? Какие их свойства надо улучшать? В связи с этим поясните, какова область их применения?

18. Какие полимеры по способу получения применяют для строительных конструкций? Почему?

19. Какие наполнители используют для получения пластмасс? Как называют пластмассы с пластинчатыми наполнителями?

20. Какие полимеры используют для получения полимербетонов? Какие свойства они придают бетону?

21. Почему нашли широкое применение в строительстве полистирол и полиуретаны? В каком состоянии и для получения каких строительных материалов их используют?

22. Какие строительные материалы изготавливают из тканей, пропитанных полимерами, назовите эти полимеры?

Занятие №15.

Тема: Защита строительных материалов от агрессивной среды.

Цель работы: Изучение классификации агрессивной среды, способов защиты материалов от неё.

Все строительные объекты подвергаются воздействию окружающей среды. В зависимости от выполняемых функций конструкции делают из того или другого материала. Поэтому по назначению они разделены на две группы:

1 – материалы для несущих конструкций (лесные, каменные, металлы, конструкционные пластмассы, керамика, конструкционное стекло);

2 – материалы специального назначения, необходимые для защиты конструкций от неблагоприятных воздействий (гидроизоляционные, теплоизоляционные, антикоррозионные, жаростойкие и др.)

Только при соответствии свойств материала внешним воздействиям возможна длительная жизнь конструкции. Долговечность строительных сооружений измеряется сроком службы без потери эксплуатационных качеств. Для железобетонных конструкций нормами предусмотрены три стадии долговечности:

І – не менее 100 лет; ІІ – 50 лет; ІІІ – 25 лет службы.

По условиям работы конструкции делят на:

α) работающие внутри помещения (нормальные условия);

б) в сырых условиях с выпадением конденсата;

в) наружные условия, но в закрытых помещениях;

г) наружные открытые и подземные условия;

д) постоянное воздействие химических реагентов.

Развивающиеся под воздействием различных факторов деструктивные процессы в материале вызывают разрушения, причинами которых являются:

1 –нарушение правил эксплуатации (перегрузка, проливы агрессивных жидкостей, выделения агрессивных газов, усталость и т.п.);

2 – истирание и износ (дорожное, аэродромное покрытие, морские причалы и др.);

3 – постоянная смена температуры и влажности, замораживание – оттаивание;

4 – химическое воздействие веществ в воздушной среде или в воде;

5 – растворение и вынос компонентов из структуры материала конструкции;

6 – коррозия арматуры или самой конструкции;

7 – термическая несовместимость материалов и др.

Наибольшую угрозу представляют: коррозия арматуры, воздействие сульфатов и воздействие мороза на увлажнённый материал.

Усугубляет положение напряженное состояние конструкции. Поэтому ещё на стадии проектирования учитывают условия работы конструкции, выбирают материал для изготовления конструкций. Это называется пассивной или первичной защитой и эта защита приоритетна.

По степени воздействия на строительные материалы СНиП окружающую среду разделяет на: неагрессивную (Н), слабоагрессивную (Сл), среднеагрессивную (Ср), и сильноагрессивную (Си). Степень агрессивности определяется по допустимой глубине разрушения материала за 50 лет эксплуатации. Агрессивными по отношению к бетону являются водяные пары, кислород, углекислый газ, аммиак, окислы азота, сероводород, хлор, сернистые газы и др. Агрессивность многих веществ зависит от влажности среды. Среда называется сухой, если влажность воздуха ≤60%, нормальной, если влажность в диапазоне 61 – 75% и влажной, если влажность превышает 75%. Чем более влажная среда, тем большая степень агрессивности по отношению к строительной конструкции. Степень агрессивного воздействия жидкости зависит от концентрации водородных ионов, содержания свободной СО₂, солей. Степень кислотности или щёлочности разделяется в соответствии с водородным показателем: рН=7 –нейтральная среда, рН=8-10 – слабощелочная среда, рН=11-14 – сильнощелочная среда. При кислой реакции - рН <7. Жёсткость воды определяется наличием растворённых в ней солей кальция и магния и обозначается в градусах, (1⁰жёсткости равен содержанию 0,01 г СаО на 1 литр воды или 0,00718 г МgО). Жёсткость бывает временной и постоянной. Временная жёсткость снижается после кипячения, так как карбонаты кальция и магния выпадают в осадок из воды (карбонатная жёсткость), постоянная жёсткость сохраняется после кипячения, так как соли сильных кислот остаются в воде. Вода с жёсткостью <6⁰ (0,06 г/л) считается мягкой, средней жёсткости – 6-15⁰, жёсткой – 15-24⁰ и весьма жёсткой ≥24⁰.

В мягкой воде лучше растворяются (выщелачиваются) как новообразования цементного камня, так и природные камни, в этом случае надо предусматривать меры защиты от первого вида коррозии. Это использование активной минеральной добавки, связывающей гидроксид кальция в малорастворимые гидросиликаты, применение пуццолановых и шлакопортландцементов как первичной защиты и активной защиты: в виде металлизации поверхности из легкоплавких и стойких металлов, гидрофобные пропитки и отвод воды.

Если вода не проточная, всё равно происходит омывание поверхности бетона, на испаряющей поверхности в наружных слоях структуры происходит накопление солей при попеременном увлажнении и высыхании её, в результате начнётся кристаллизация солей с разрушением пор. Появляются растягивающие напряжения, характер разрушения подобен третьему виду коррозии – солевой или сульфатной. В этом случае первичной защитой также является правильный выбор цемента – чистоклинкерного сульфатостойкого, лучше с гидрофобизацией или пластифицированного. Эффективна обработка поверхности бетона SiF₄, при этом уплотняется поверхность за счёт образования СаF₂ ,повышается водонепроницаемость и кислотостойкость.

В условиях бактериальной коррозии и при наличии в воде нефти и нефтепродуктов, применяется пропитка каменноугольной смолой или дёгтем. Для получения плотных бетонов и маслонепроницаемых поверхностей используют уплотняющие добавки в виде гидратов окисла железа, хлорного железа с ПАВ, натриевой бентонитовой глины и жидкого стекла.

В агрессивных грунтовых водах и промышленных стоках с высокой минерализацией и кислой реакцией следует использовать бетоны на полимерных вяжущих или применять пропитку полимером, битумом, петролатумом, обмазку химически стойкими материалами.

Агрессивность твёрдых сред – пыли, аэрозолей, грунтов, сажи, солей определяется дисперсностью, растворимостью их в воде, гигроскопичностью и влажностью среды. Эти вещества могут быть малорастворимыми – (<2 г/л) и хорошо растворимыми, гигроскопичными, поглощающими влагу из воздуха с влажностью <60%, и малогигроскопичными, поглощающими влагу из влажного воздуха ≥60%. Хорошо растворимые и гигроскопичные вещества растворяются на поверхности бетона и воздействуют как агрессивные вещества по тем же схемам. Чтобы не скапливались пылеобразные частицы на поверхности конструкций, конструкции должны иметь геометрические формы, исключающие их скопление.

Неметаллические материалы разрушаются при механических и химических воздействиях, металлические ещё и от электрохимического воздействия.

К конструкционным материалам, не требующим специальной защиты, относятся: естественный камень, каменное литьё, керамика. Более того, естественные камни изверженных и метаморфических пород кислотостойки и используются в качестве заполнителя в кислотостойких составах. Камни карбонатных пород щёлочестойки (известняки, доломиты, мергели). Керамика, стекло и ситаллы кислото-и щёлочестойки. Не требуют специальной защиты и пластмасса, композиционные материалы на основе полимеров и их пропитки. Битумы и мастики на их основе стойки к кислотам и слабым щелочам.

Железобетон и силикатный тяжёлый бетон более долговечны в сухих условиях. Металлы требуют антикоррозионной защиты, древесные конструкции – защиты от гниения и огня. Защиту конструкций разделяют на пассивную и активную. Пассивная – это меры, предусмотренные до изготовления конструкции: выбор стойких материалов для изготовления конструкций, выбор технологии получения наиболее плотных структур, высоких марок, введение ингибиторов в состав, пассивация и выбор стали для арматуры. Активная защита осуществляется после изготовления конструкций в соответствии с условиями, в которых будут работать конструкции. Это отвод воды, если в этом есть необходимость, электродренаж, электрозащита (катодная, анодная) металлических конструкций, промазки, окраски, пропитки, огнезащита, футеровки, облицовки и т.д.

Все виды воздействия на строительные материалы можно разделить на агрессивные, стабилизирующие и упрочняющие. Агрессивные ведут к разрушению конструкции, если не принять мер защиты. Есть вещества даже стимулирующие коррозию арматуры, в их присутствии разрушение ускоряется. Это электролиты – противоморозные добавки СaCl₂, NaCl, и О₂, СО₂, содержащиеся в атмосферном воздухе, и др. Стабилизирующие способствуют сохранению эксплуатационных качеств, это пассиваторы, ингибиторы, гидрофобизаторы. Упрочняющие вещества способствуют уплотнению структуры, упрочнению новообразований, это активные минеральные добавки, микрокремнезём, СаСО₃, пропиточные составы.

Вопросы для самостоятельной работы:

1. Из каких материалов изготовленные конструкции надо защищать от вредных воздействий?

2. Как разделяют условия эксплуатации конструкций по степени вредного воздействия?

3. Какие факторы воздействия окружающей среды, вредно влияют на строительные материалы?

4. Как разделяют по степени агрессивности различное влияние окружающей среды?

5. Имеет ли значение рН и жёсткость окружающей воды для стойкости бетона?

6. Какие меры относят к первичным (пассивным) для увеличения стойкости материалов?

7. Почему мягкая проточная вода опаснее жёсткой? Какой должна быть защита бетона в этих условиях?

8. Что можно предпринять при воздействии кислой среды на бетон? Что относится к активной защите?

9. Для каких материалов целесообразно флюатирование, Какой это способ защиты?

10. У каких материалов развивается биокоррозия, какие меры защиты от неё наиболее эффективны?

11. Чем и для каких материалов опасна оседающая пыль и твёрдые частички, витающие в воздухе? Как этого можно избежать?

12. Какие воздействия на металлическую конструкцию вызывают коррозию? Что можно предпринять для защиты?

13. Есть ли строительные материалы, способные работать в любых природных условиях без специальной защиты?

14. Для чего вводят ингибиторы в состав бетона? Что защищают таким способом?

15. Почему не следует в любом случае применять соли-электролиты для ускорения твердения бетона?

16. Какие вещества называют пассиваторами? Для защиты каких материалов их применяют?

Занятие №16.

Тема: Укрепление поверхностного слоя материалов с помощью окраски, пропитки, импрегнирования.

Цель работы: Ознакомить со способами активной защиты строительных материалов.

Чаще разрушение материала начинается с поверхности, с разрушения его микро- и мезоструктуры. Оно может происходить под влиянием механических повреждений, физических явлений (насыщение водой, попеременного замораживания и оттаивания, высыхания и увлажнения), а также под воздействием агрессивных химических веществ, попадающих на поверхность материала, и физико-химических изменений в структуре (увеличение объёма солей в порах). Поэтому поверхность конструкций, подвергающихся таким воздействиям, защищают, увеличивая их срок службы.

Только первичной защиты бывает недостаточно. Разработаны защитные покрытия и пропитки, укрепляющие, уплотняющие и удлиняющие работоспособность конструкций. Это:-лакокрасочные покрытия толщиной защитного слоя 0,1-0,3 мм выровненной поверхности металла, древесины, бетона;

• облицовка или обкладка слоем толщиной 2-5 мм из раствора на основе битума, полимера, серы или минерального вяжущего;

• футеровка (слой раствора, покрытый плиткой или плёнкой) слоем 1,5-6 мм;

• герметизирующие составы на основе полимерных смол;

• пропитки и обмазки жидкими составами, затвердевающими при нормальной температуре;

• пропитки под давлением или в вакууме (импрегнирование) защитными составами;

• нанесение специальной смеси на основе минерального вяжущего (кольматрон) для обработки поверхности пористых материалов.

Изоляция бетонных поверхностей осуществляется с помощью покрытий из масляных красок, полимерных лаков или расплавов полимеров или эмульсий. Эмульсии могут быть прямыми и обратными. Прямыми называют включения жирных капель с эмульгатором в воду. Из таких составов делают готовые краски, пропитки. Эти покрытия наносят на сухую поверхность, они водонепроницаемы, но легко повреждаются механически. Обратные эмульсии содержат капли воды в масле. Эти эмульсии более устойчивы, они более вязки, нет расслоения. Такие эмульсии используют в качестве смазок, например, форм для железобетона. Другой вид покрытия - защитная плёнка из кремнегеля создаётся при флюатировании. Кремнегель по мере высыхания уплотняется и создаёт защитную плёнку, обладающую высокой стойкостью к действию кислот и кислотных оксидов (SO₂,SO₃,NO₂,CO₂ и др.). Но более надёжны защитные обмазки на основе органических вяжущих веществ или на жидком стекле, поскольку прочность и толщина защитного слоя может превышать 1-3 см. Твердение защитной обмазки на растворимом стекле закрепляется кремнефтористым натрием:

2(Na₂O 3SiO₂) + Na₂SiF₆ + 14H₂O = 6NaF + 7(SiO₂ ∙2H₂O).

Известен способ гидрофобизации изделий из бетона путём пропитки поверхностного слоя мономерами с последующей полимеризацией или расплавами полимеров, битума, серы. Чтобы полимеры покрывали всю внутреннюю поверхность пор, в бетонную смесь вводят полимер с водой затворения. После отвердевания бетона полимер закупоривает мелкие капилляры и резко снижает проницаемость цементного камня.

Введением в бетонную смесь активной минеральной добавки снижают содержание в цементном камне гидроксида кальция – самого растворимого компонента в структуре, можно это сделать в специальной камере (карбонизационной), превратить его в СаСО₃ и укрепить поверхностный слой.

В последние годы создан эффективный материал проникающего действия для восстановительных работ, защиты от коррозии и протечек для пористых структур –кольматрон. Это сухая смесь из цемента, песка и химически активных компонентов при затворении водой и нанесении на поверхность бетона формирует малорастворимые новообразования, закупоривающие поры и капилляры. Материал приобретает стойкость в агрессивной среде, снижается водо- и маслопроницаемость, растворимость в воде.

Для металлических конструкций также создаются защитные покрытия. Они могут быть металлическими, оксидными, лакокрасочными, из органических составов. Материалами для металлических защитных покрытий могут быть как чистые металлы (цинк, кадмий, алюминий, олово, никель, медь, хром и др.), так и их сплавы (бронза, латунь и др.). К катодным покрытиям относятся покрытия, потенциалы которых в данной среде имеют более положительное значение, чем потенциал основного металла (медь, никель, серебро). Катодные покрытия могут защищать металл от коррозии лишь при отсутствии повреждений на защите. Анодные покрытия имеют более отрицательный потенциал, чем потенциал основного металла (например, цинк на стали). Основной металл становится катодом и он не корродирует. Для получения металлических покрытий применяются различные способы: электрохимический (гальванические покрытия), погружение в расплавленный металл, металлизация, термодиффузный и химический. Из расплава получают покрытие цинком (горячее цинкование) и оловом (горячее лужение).

Металлизация – способ получения защитного покрытия на сооружениях (мосты, детали судов, большие баки и др.), когда расплавленный металл с помощью струи сжатого воздуха наносится на защищаемую поверхность. Можно получать слой любой толщины на смонтированных конструкциях и на предварительно нанесённый слой полимера.

Термодиффузный способ нанесения покрытия получают, когда изделие помещают в смесь, содержащую порошок металла покрытия. При повышенной температуре происходит диффузия порошка металла в поверхность защищаемого металла:

3CrCl₂ + 2Fe→ 2FeCl₃ + 3Cr.

Химический способ получения металлических покрытий заключается в восстановлении соединений металла с помощью восстановителей. Например, медное покрытие получают восстановлением ионов меди формальдегидом:

Cu²⁺ + CH₂O + 4OH^-→ Cu + 2HCOO^- + H₂ + 2H₂O.

Химико-термическая обработка стали: цементация (нанесение слоя 1-2 мм из атомов углерода), азотирование (слоя азота), цианирование (поверхность насыщается одновременно углеродом и азотом), диффузная металлизация алюминием, хромом, кремнием, бором при высокой температуре придаёт стали высокую поверхностную твёрдость и жаростойкость.

Неметаллические защитные покрытия могут быть неорганическими и органическими. Защитное действие их сводится в основном к изоляции металла от окружающей среды. В качестве неорганических покрытий применяют неорганические эмали, оксиды металлов, соединения хрома, фосфора и др. К органическим покрытиям относятся лакокрасочные, покрытия смолами, пластмассами, полимерными плёнками, резиной.

Эмалированию подвергают чёрные и цветные металлы, предназначенные для фармацевтической, химической, пищевой отраслей и для изделий домашнего обихода.

Оксидные покрытия на металле возникают при воздействии температуры, электрохимическом оксидировании, в концентрированных растворах щелочей и др. Фосфатные покрытия получают из растворов ортофосфорной кислоты и ортофосфатов марганца или цинка. Их используют в качестве подложки под покраску, что повышает сцепление лакокрасочного покрытия со сталью и уменьшает коррозию в местах царапин. Защитные свойства улучшаются, если их пропитывают маслом, лаком или воском.

Древесные материалы в условиях избыточного увлажнения подвержены биокоррозии (гниению). Если плесень почти не изменяет механические свойства древесины, то дереворазрушающие грибы снижают качество древесины. Питательной средой для них является растворимый сахар (глюкоза), продукт разлагаемой ими целлюлозы. В теле гриба глюкоза окисляется кислородом, образуя углекислый газ и воду. Следовательно, для жизнедеятельности гриба необходимы влага и кислород воздуха. Гниение развивается при влажности более 18-20% при положительной температуре. Основным средством предотвращения гниения является применение сухой древесины и гидроизоляция её. Использование гидроизоляционных прокладок, окраска защитными составами (лаки, эмали, масляные краски), создание естественной вентиляции, предотвращающей накопление влаги в деревянных конструкциях. В случаях эксплуатации древесины на открытом воздухе её необходимо антисептировать. Антисептики не должны понижать прочность древесины или вызывать коррозию металлических креплений, они должны сохраняться в условиях эксплуатации. Для воздушных условий применяют антисептики, растворимые в воде. Если конструкции подвергаются действию воды (шпалы, сваи, столбы), антисептирование осуществляют маслянистыми нерастворяющимися веществами. Водорастворимые антисептики применяют в виде водных растворов и антисептических паст, это соли (фторид и кремнефторид натрия, смеси хлорида цинка, медный купорос и др.). Органорастворимые препараты, содержащие арсенаты металлов, динитрофенолы.

Маслянистые антисептики не растворяются в воде, их используют для консервации древесины, находящейся на открытом воздухе, в воде или в земле. Антраценовое, сланцевое масло, креозотовое масло обладают токсичностью, древесина после пропитки ими приобретает тёмный цвет, имеет резкий фенольный запах, не поддаётся окраске, становится более горючей.

Кроме этого приготавливают антисептические пасты, состоящие из трёх частей: водорастворимого антисептика, связующего вещества, обеспечивающего сцепление пасты с поверхностью древесины, и наполнителя, например торфяного порошка. Связующим в пастах служит битум, жидкое стекло или сульфитный щёлок. Пасты применяют как обмазки при повышенной влажности, в грунтах.

Древесину подвергают стерилизации путём радиоактивного облучения по определённому режиму, а также горячим воздухом, вызывающим гибель грибов и насекомых. В настоящее время разрабатываются защитные композиции, обеспечивающие не только пропитку, но и образование прочных химических связей между компонентами древесины и модификатором, что обеспечивает длительный защитный эффект. Так происходит при последовательном поверхностном модифицировании древесины растворами фосфор- и кремнийорганических соединений.

Вопросы для самостоятельной работы.

1. Какие существуют способы активной защиты строительных материалов?

2. Что называют эмульсией, какие есть разновидности эмульсий, где их используют?

3. Что такое краски, из чего их готовят, с какой целью?

4. Из каких материалов можно сделать защитное покрытие на бетонной поверхности?

5. Что означает слово «гидрофобизация», какие материалы её обеспечивают?

6. Какие составы закупоривают капилляры пористых строительных материалов и делают материалы более стойкими?

7. Какие есть способы активной защиты металлических изделий при опасности коррозии?

8. Какие меры относятся к химическим способам защиты металла?

9. Какие покрытия относят к неметаллическим для защиты металлов?

10. Почему необходима гидроизоляция для деревянных конструкций? Какие существуют способы их защиты от биокоррозии?

Занятие №17

Зачетная работа по индивидуальным заданиям: