ТСМ I

Классификация вяжущих веществ

В основу классификации вяжущих веществ положены условия, в которых последние проявляют свои вяжущие свойства. С этой точки зрения вяжущие вещества можно разделить на 4 группы:

Воздушные

Гидравлические

Автоклавные

Термотвердеющие

Воздушные вяжущие вещества при затворении водой схватываются, твердеют и превращаются в камень только на воздухе. Образовавшийся камень длительно сохраняет прочность только в воздушной среде. Такие материалы применяют лишь в надземных сооружениях, не подвергающихся действию воды, и для внутренних помещений. К этой группе относятся воздушная строительная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие вещества.

Гидравлические вяжущие вещества способны при затворении водой после предварительного затвердевания на воздухе продолжать твердеть в воде, сохраняя и наращивая свою прочность. К ним относятся портландцемент, глиноземистый цемент, шлакопортландцемент, гидравлическая известь и др.

Автоклавные вяжущие вещества превращаются в камень лишь при гидротермальной обработке в среде насыщенного водяного пара при температурах 150–200 С и давлении 0,9–1,3 МПа, т.е в автоклаве. Это известково-кремнеземестые, известково-шлаковые, известково-зольные вяжущие, на основе которых получают силикатный кирпич и силикатные бетоны.

Термотвердеющие вяжущие вещества твердеют только при повышенных температурах (100–400 С), например фосфатные цементы.

По способности применения вяжущие вещества различают:

Строительного назначения

Нестроительного назначения

Строительные вяжущие вещества можно разделить на два класса:

Общие строительные вяжущие вещества, к которым не предъявляется особых специфических требований за исключением обычных строительно-технических свойств (портландцемент, известь, гипс и т.д.)

Специальные строительные вяжущие вещества, предназначенные для особых условий применения (декоративные, сульфатостойкие, тампонажные, полимерные, глиноземистые цементы)

11

Вяжущие вещества нестроительного назначения используются в других областях техники:

Для изготовления литейных форм (жидкое стекло);

Для окомкования руд (известь, жидкое стекло);

Для высокотемпературных материалов (фосфатные связки);

Для защиты от радиоактивных излучений (бариевые цементы);

Для укрепления грунтов (полимерцементы, жидкое стекло);

Зубные цементы (фосфатные связки) и др.

Это деление весьма условно, т.к. одно и то же вещество может использоваться по разному назначению.

12

Классификация керамических материалов и изделий

В зависимости от областей применения их можно разделить на: Строительную керамику – изделия, предназначенные для кладки стен

и наружной облицовки зданий и сооружений, внутренней облицовки стен, санитарно-технические изделия, керамические трубы и изделия для прокладки подземных коммуникаций и др.

Химически стойкая (кислотоупорная) керамика – изделия,

предназначенные для транспортировки и хранения агрессивных веществ, а также для облицовки помещений химических производств.

Тонкая керамика – хозяйственная и химическая посуда, декоративнохудожественные и электрохимические изделия.

Специальная керамика – изделия, применяемые в радиоэлектронике, авиационной, космической и других отраслях науки и производства.

Огнеупорная керамика – изделия, применяемые для службы в условиях высоких температур в теплотехнических, энергетических, металлургических агрегатах.

По плотности черепка (степени спекания):

Пористые изделия, имеющие тусклый, землистый излом и значительную пористость.

Спекшиеся, плотные и прочные изделия, имеющие блестящий, раковистый излом.

Технологические виды керамики:

Терракота – керамические неглазурованные изделия с цветным пористым черепком, после обжига имеют цвет от светло-кремового до красно-коричневого и черного.

Майолика – изделия из цветной обожженной глины с крупнопористым черепком покрытые глазурью или керамика с цветными глазурями на белом или цветном черепке.

Фаянс – это плотные, мелкозернистые, белые или равномерно окрашенные изделия, имеющие сравнительно высокие пористость и водопоглащение (~12%).

Фарфор – изделия тонкой керамики, спекшиеся, без пор, непроницаемые для воды и газа, обычно белые, звонкие, просвечивающиеся в тонком слое.

Каменная масса (каменный товар) – керамические изделия, близкие к фарфору, но непрозрачные, имеющие плотный, почти без пор, серый или коричневый черепок.

13

Классификация стекла и стеклокристаллических материалов и изделий

По назначению стекло различают:

Строительное – это прежде всего листовое стекло, которое вырабатывают в виде плоских листов различной толщины; узорчатое стекло; армированное стекло; полированное стекло.

Архитектурно-декоративное – относятся конструкционностроительные элементы из стекла (пустотелые стеклянные блоки, плитки и черепица, профильное и волнистое стекло)

Техническое – это изделия, предназначенные для использования в определенных узких отраслях техники.

Химико-лабораторное – стеклянная лабораторная посуда и изделия из него.

Электровакуумные – стекла применяемые в электронной промышленности (оболочки ламп накаливания, телевизионные телескопы, устройства рентгеновской техники и т.д. и т.п.).

Оптическое – это стекла образующие оптическое изображение или преобразующие в заданном направлении пучки световых лучей.

Тарное – стекло предназначенное для расфасовки, хранения, транспортировки жидких, пастообразных и твердых продуктов.

Посудное (сортовое стекло) – это обширный класс стеклоизделий, получаемых из хрустальных и окрашенных стекол. Она служит для употребления в быту, хранения и розлива жидких пищевых продуктов, украшения жилища, оформления культурно-бытовых учреждений.

Художественное – это прежде всего мозаика, скульптура, витражи,

розетки, фризы и др.

Стеклокристаллические материалы – особая группа материалов,

получаемая из стекла путем направленной объемной и равномерной кристаллизации последнего. Различают стеклокристаллические материалы технического и строительного назначения. Классифицируют их чаще всего по виду используемых сырьевых материалов – ситаллы, шлакоситаллы, золоситаллы, петроситаллы.

Используется классификация по минералогическому составу основной кристаллической фазы – ситаллы кордиеритовые, сподуменовые, флогопитовые и др.

14

Основные понятия и термины

Технология (в перев. с греч. – «учение о ремеслах») – это совокупность приемов, способов получения, обработки и переработки сырья, материалов, полуфабрикатов, в результате которых достигаются заданные качественные изменения обрабатываемых объектов. С другой стороны под технологией понимают науку, разрабатывающую и совершенствующую производственные процессы.

Задача технологии как науки – выявление химических, физических, механических и др. закономерностей с целью использования эффективных и экономических процессов, требующих минимальных затрат времени и материальных ресурсов.

Различают технологию:

Механическую

Химическую

Механическая технология – изучает процессы и методы переработки сырья, в результате которых меняются внешний вид и форма исходных материалов (дробление, помол, формование изделий и др.).

Химическая технология – изучает процессы, протекающие с изменением химического состава исходных веществ обжиг извести, получение ПЦК и т.д.).

Производство ТНиСМ, как правило, представляет собой сложный процесс, состоящий из элементов механической и химической технологии. Исходные вещества поступающие на переработку, называют сырьем.

Для получения большинства вяжущих веществ, керамики и стекла необходимо несколько видов сырьевых материалов, из которых составляют сырьевую смесь в виде сухой шихты или водной суспензии (шлама, шликера) и т.д.

По способу организации технологические процессы делят:

Периодические

Непрерывные

15

Принципиальные технологические схемы получения вяжущих материалов, керамики, стекла и ситаллов

Из представленных на рисунке схемах следует, что они отличаются друг от друга несущественно. Первые три этапа – общие.

Подготовка исходных компонентов должна обеспечить заданный химикоминералогический состав, необходимую степень чистоты, а также физическое состояние и влажность, требуемые для последующей переработки. Эта стадия включает:

Процесс обогащения минералогического сырья, т.е. промывку водой, флотацию, сортировку, магнитную и ситовую сепарацию, химическую очистку;

Сушку сырья до влажности, обеспечивающей возможность эффективного измельчения и т.д.

Выбор способа подготовки определяется видом сырья и предъявленными к нему требованиями.

Измельчение компонентов обеспечивает получение размеров их частиц

всоответствии с особенностями последующей технологии и требованиями к свойствам изделий. Для твердых пород измельчение как правило производится в две стадии (грубое и тонкое), для мягких – в одну. Помол может осуществляться как в сухом виде, так и в воде. Выбор схемы измельчения также определяется видом сырья и способом последующей обработки.

Смешивание компонентов должно обеспечивать получение однородной композиции (шихты, массы, шлама, шликера) определенного химико-минералогического и зернистого состава. После весовой или объемной дозировки компоненты смешивают в периодических или непрерывно действующих смесителях. В ряде случаев процессы смешивания компонентов совмещаются с тонким измельчением в мельнице.

Тепловая обработка – это общая стадия производства для всех видов ТНСМ. Именно на этом этапе происходят те физико-химические процессы в сырьевой смеси, которые и обеспечивают превращение ее в вяжущие, керамику, стекло. Температура тепловой обработки может изменяться от 100 до 2500С для разных материалов. После тепловой обработки все материалы подвергаются охлаждению.

Отличия технологий проявляются либо на стадии подготовки к тепловой обработке (керамика), либо после нее. В технологии керамики обжигают предварительно сформованные изделия, поэтому перед тепловой обработкой появляются дополнительные операции, связанные с формованием сырца (полуфабриката) и удаления временной связки (сушка).

Процессы формования должны придавать полуфабрикату (сырцу, заготовке) требуемую форму и размеры с учетом последующих изменений их при сушке и обжиге. Одновременно сырец должен иметь плотность, однородность и механическую прочность, которые обеспечивали бы

16

РАЗДЕЛ №1. Общая характеристика строительных материалов

Состав и строение материалов

Вещества, из которых состоят материалы, обладающие формой и размерами, состоят из молекул наименьших частиц данного вещества, сохраняющих его состав. Молекулы, в свою очередь, состоят из атомов. Атомы различаются между собой по массе, способности соединяться с другими атомами, а также определенными качественными характеристиками, которые принято называть их химическими свойствами. Они остаются электрически нейтральными, но в центре атома находится ядро, в котором сосредотачивается его основная масса. Ядро имеет положительный заряд, в то время как окружающие его электроны отрицательный. Электроны вращаются вокруг ядра по своим орбитам.

Отдельные виды атомов с одинаковыми химическими свойствами называются химическими элементами. Они могут быть как свободными, так и соединенными в молекулах.

Хим. элементы могут образовывать простые вещества (металлы и металлоиды), если их молекулы состоят из атомов одного химического элемента, и сложные вещества, если их молекулы состоят из атомов разных химических элементов. Среди сложных веществ, встречающихся при образовании строительных материалов, наиболее распространены оксиды (молекулы состоят из атомов кислорода и другого элемента), основания (молекулы состоят из атома металла и связанных с ним гидроксильных групп ОН), кислоты (в молекулах содержатся атомы водорода, способные замещаться атомами металлов) и соли (молекулы состоят из атомов металла и кислотных остатков).

Различные атомы и их скопления (ансамбли) под влиянием действия разных типов связей ионных, ковалентных, молекулярных, водородных и металлических образуют различные материалы. В чистом виде эти связи встречаются редко, как правило, налагается от двух и более видов.

В результате таких объединений образуется либо упорядоченная структура кристалла, либо неупорядоченная структура аморфного тела.

Кристаллическими называют тела, в которых атомы (или молекулы) расположены в правильном геометрическом порядке, причем этот общий порядок соблюдается как для атомов, расположенных в непосредственной близости друг от друга, так и на значительном расстоянии (дальний порядок).

Каждому типу связи соответствует свой характерный тип кристаллической решетки: ионная; молекулярная, или поляризационная, формирующаяся с помощью сил Ван-дер-Ваальса; атомная с резко выраженной в решетке ковалентной связью; металлическая или решетка с водородными связями.

Особенностью твердых тел является взаимозависимость положений соседних атомов с ближним и дальним порядками. В кристаллических решетках

18

дальний порядок распространяется на большие области, а ближний порядок на окружение данного атома. Атомы и молекулы вещества стремятся занять такое положение относительно друг друга, чтобы силы их взаимодействия оказались максимально уравновешены. Такой геометрически правильный и повторяющийся в пространстве порядок расположения атомов (молекул) называют кристаллической решеткой. Атомы в кристалле располагаются так, что одна и та же конфигурация повторяется через равные интервалы во всех трех измерениях. Такая повторяющаяся конфигурация образует элементарную ячейку кристалла, совокупность которых в свою очередь создает пространственную решетку.

У твердых тел имеются значимые признаки их кристалличности: определенная температура плавления; определенная геометрическая форма кристаллов, которая остается характерной для данного вещества; анизотропия, т.е. неодинаковость свойств в различных направлениях.

Одно и то же кристаллическое вещество может находиться в различных формах (модификациях) существования кристаллов т.н. полиморфизм. Полиморфизм вызывает изменение свойств при сохранении состава вещества, что лишний раз указывает на важнейшую роль структур в становлении качества материалов (например, алмаз и графит).

Аморфными называют тела, в которых только ближайшие друг к другу атомы находятся в более или менее упорядоченном расположении; дальний же порядок отсутствует.

Беспорядочное расположение атомов и молекул в аморфных телах усложняет изучение их структуры. О ней нередко судят по косвенным показателям. Так, например, аморфные вещества при нагревании способны плавиться постепенно, не имея определенной температуры плавления; они обладают изотропностью, т.е. одинаковыми свойствами во всех направлениях.

Различие в строении кристаллических и аморфных веществ определяет различие в их свойствах. Так, аморфные вещества, обладая нерастраченной внутренней энергией кристаллизации, химически более активны, чем кристаллические такого же состава. Аморфное строение имеют также горные породы, применяемые в качестве активных минеральных добавок к цементам (туфы, пемзы и т.д.).

Кристаллическое и аморфное строение нередко может быть присуще одному и тому же веществу, например кристаллический кварц (кристобалит) и кварцевое стекло имеют общий химический состав SiO2. При быстром охлаждении расплавленного кварца затвердевание происходит без кристаллизации с сохранением хаотического расположения атомов и некоторого запаса внутренней энергии. В результате образуется аморфное вещество кварцевое стекло.

На качественные характеристики материала, именуемые его свойствами, оказывают влияние его вещественный состав и особенности строения структуры. Знание закономерностей их взаимосвязи со свойствами позволяет

19

обеспечить получение необходимых показателей качества строительных материалов.

Структурой, или внутренним строением строительных материалов называют пространственное расположение частиц различной степени дисперсности с совокупностью устойчивых взаимных связей и порядком сцепления их между собой. Кроме того, в понятие структуры входит расположение пор, капилляров, микротрещин и других структурных элементов.

Под микроструктурой подразумеваются расположение, взаимоотношение и взаимосвязь различных по размеру атомов, ионов и молекул, из совокупности которых слагаются различные вещества в твердом, жидком и газообразном состояниях.

В зависимости от характера связей контактируемых частиц однородные микроструктуры делят на коагуляционные, конденсационные и кристаллизационные.

Коагуляционными называют структуры, в образовании которых участвуют сравнительно слабые силы молекулярного взаимодействия между частицами ван-дер-ваальсовы силы сцепления, действующие через прослойки жидкой среды.

Конденсационными называются структуры, возникающие при непосредственном взаимодействии частиц, или под влиянием химических соединений в соответствии с валентностью контактирующих атомов, или под влиянием ионных и ковалентных связей.

Кристаллизационными (или кристаллическими) называют структуры, образовавшиеся путем выкристаллизовывания твердой фазы из расплава или раствора и последующего прямого срастания отдельных кристаллов в прочный их агрегат, в том числе под влиянием химических связей.

Микроструктура и кинетика ее изменения изучаются с помощью оптических методов, электронной микроскопии, дифференциальнотермического анализа, рентгенографии и др.

Определенный объем в микроструктуре занимают поры: замкнутые или сообщающиеся, либо и те и другие вместе. По своему размеру они бывают мелкими, до 1-2 10-7 см и, как правило, замкнутыми, но могут быть и более крупными после, например, испарения капиллярной влаги с размером в до 5 мкм.

Макроструктура различима невооруженным глазом. Для наиболее распространенных строительных материалов с конгломератным типом структуры она образована совмещением микроструктуры и грубодисперсных частиц заполнителя, а также в ней содержится капиллярно-поровая часть.

Структурные характеристики получаемого материала, например толщины пленок среды, содержание пор и их размер и др., изменяются при разных технологиях. Так, макроструктура прессованных изделий отличается от получаемых при литьевой технологии из одинаковых по качеству компонентов; микроструктура вяжущей части изделий после твердения в

20