Лекции_строительные материалы и конструкции

виды коррозии металлов. Наиболее распространена электрохимическая коррозия в нейтральных и щелочных растворах, протекающая с участием кислорода. Если в растворе электролита есть кислород, то он в присутствии воды принимает электрон, образуя гидрооксид:

Fе+2OН=Fе (ОН)2 ;

4Fе(ОН)2+O2+2Н2O = 4Fе(ОН)3.

При дальнейшем взаимодействии с кислородом и последующем отщеплении воды образуется FеО(ОН) – важнейшая составляющая ржавчины nFe2О3mН2О.

Довольно часто строительные конструкции поражаются атмосферной коррозией. Эта разновидность электрохимической коррозии металлов развивается под тонким, часто невидимым слоем влаги, образующимся на поверхности вследствие адсорбции или конденсации, агрессивность которой повышается при последующем растворении в ней газов и солей. Атмосферная коррозия металлов может развиваться при относительной влажности воздуха 70 % и выше. Оксидные соединения серы, содержащиеся в воздухе, повышают точку росы, снижают критическую влажность, при которой возможна атмосферная коррозия.

При коррозии в среде сухих газов, обычно протекающей при высоких температурах, имеет место непосредственное соединение металла с агрессивными химическими агентами. К химическому виду коррозии относится окалинообразование в кислородосодержащих газах.

Например, при высоких температурах железо окисляется кислородом с образованием окалины - прочного и плотного слоя оксидов.

По характеру распространения различают коррозию:

1)- равномерную поверхностную, которая приводит к равномерному уменьшению толщины изделия. Скорость равномерной коррозии выражают глубинным показателем - проникновением коррозии в глубину в мм/год;

2)– точечную, или язвенную. Это неравномерная коррозия, при которой относительно небольшая потеря в массе может вызвать очень глубокие повреждения;

3)- межкристаллитную, при которой разрушение происходит по границам зерен металла и распространяется вглубь металла. Межкристаллитная коррозия, при воздействии на металлическую конструкцию знакопеременных нагрузок, вызывает коррозионную усталость металла;

131

4) - контактную, при которой происходит преимущественное разрушение одного из металлов пары.

Для предотвращения коррозии металлов применяют различные способы защиты. Широко известны защитные лакокрасочные покрытия. Образующаяся при их нанесении пленка изолирует металл от действия внешней среды.

К более эффективным способам защиты от коррозии относят легирование, воронение, металлическое покрытие. Легирование состоит в сплавлении металла с легирующими веществами. Воронение способствует образованию на поверхности изделия защитного слоя, состоящего из оксидов данного металла.

Металлические покрытия производят осаждением на поверхности изделия металла из раствора (гальванические покрытия), обрызгиванием или погружением в ванну с другим расплавленным металлом. При этом возникает плотный контакт двух металлов – основного и защитного. Из двух металлов, находящихся в контакте, коррозии будет подвергаться металл, у которого электродный потенциал в данном растворе более электроотрицателен. Этот металл в паре металлов будет являться анодом. Второй металл будет более электроположительным электродом – катодом. Электроны с анода будут перемещаться на катод по внешней цепи. Ионы водорода из электролита будут присоединять электроны, переходить в состояние молекул и выделяться из раствора электролита.

Бельгийская кампания Zinga Metall разработала покрытие, сочетающее преимущества активного и пассивного способов защиты. Это антикоррозионный состав Zinga для холодной гальванизации. Состав представляет собой однородное соединение, состоящее на 96 % из электролитического цинка с чистотой 99,995 % с размерами частиц 3…5 мкм, затворенного полимерным связующим. Покрытие толщиной 40 мкм гарантирует защиту стальных конструкций на 10 лет, а при толщине 120 мкм соответственно более чем на 25 лет. Защита оказалась лучше, чем горячая оцинковка. Возможно проведение противокоррозионных работ при высокой влажности в широком диапазоне температур. Холодная гальванизация - одно из лучших защитных покрытий в мире.

К числу основных мероприятий по предупреждению коррозии арматуры в железобетонных конструкциях относят понижение проницаемости бетона интенсивным уплотнением при укладке,

132

введением уплотняющих добавок и увеличением толщины защитного слоя.

При влажности среды более 70 % регламентируется предельное значение водоцементного отношения. Устраивается наружная защита бетона покраской поверхности, покрытием цементосодержащими

водонепроницаемость, или устройством оклеечной изоляции с

применением стеклоткани на эпоксидной смоле. Вводят в бетон ингибиторы коррозии, например, нитрид натрия в количестве до 2 % от массы цемента.

9. ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Горные породы – это огромные скопления минеральных масс, представляющие собой продукты природных физико-химических процессов или жизнедеятельности растительных или животных организмов. Горные породы состоят из одного или нескольких минералов - природных веществ, отличающихся более или менее однородным химическим составом и постоянными физическими свойствами. Все горные породы, применяемые в строительстве, принято называть природными каменными материалами. Природные каменные материалы отличаются высокой прочностью, долговечностью, исключительной архитектурной выразительностью. Большая группа горных пород используется в производстве строительных материалов как сырье.

9.1. Важнейшие породообразующие минералы

Минералы группы кварца состоят из свободного оксида кремния - SiO2. Оксид кремния содержится в земной коре в наибольшем количестве. В природе встречается в виде молочного, дымчатого кварца, а также других его разновидностей – горного хрусталя, аметиста, халцедона, агата, опала. Характерными признаками этих минералов являются отсутствие спайности и стеклянный блеск. Минералы группы кварца стойки к действию кислот, кроме плавиковой. Прочность кристаллов кварца очень высока и достигает 2000 МПа. Твердость – 7 по шкале Мооса. При 575 °С кварц из β- модификации пере-ходит в α-модификацию, увеличиваясь в объеме на 1,5 %. При 870 °С переходит в тридимит, кристаллизуясь в виде

133

шестигранных пластин. Кварц плавится при 1710 °С и при быстром охлаждении переходит в кварцевое стекло. В природе кварц наиболее часто встречается в виде месторождений песка, а также содержится в составе кислых горных пород - гранита, порфира, гнейса и др.

К группе алюмосиликатов относят полевые шпаты, слюды, каолинит. Известны две разновидности минералов полевого шпата:

алюмосиликаты. К глинистым минералам относят каолинит Аl2O3.2SiO2.2H2O, который состоит из мельчайших тонких чешуек, способных с водой образовывать пластичную массу. Твердость минералов слюд (мусковита, биотита, вермикулита) находится в пределах 2…3 по Моосу. Слюды присутствуют в составе гранитов и его аналогов.

Характерной особенностью группы железисто-магнезиальных силикатов является темная окраска. Твердость минералов этой группы составляет 5,5…7,7 по шкале Мооса. Минерал оливин имеет зеленоватую окраску. Под влиянием кислорода, углекислого газа и воды

Mg6.Si4.O10.(OH)8, состоящий из тонких прочных волокон. Встречается он в составе темноокрашенных изверженных горных пород, таких как габбро, базальт, диабаз.

К группе карбонатов относят минералы: кальцит СаСО3 , магнезит MgCO3, доломит СаСО3.МgСО3. Кальцит отличается ярко выраженной спайностью в трех плоскостях, твердость – 3, слабо растворим в воде. Кальцит содержится в таких горных породах, как мрамор, известняк, известковый туф. Магнезит мономинеральная горная порода с твердостью 4…5. Доломит по свойствам близок к кальциту, но более тверд и прочен, менее растворим в воде.

Из группы сульфатов в строительной индустрии применяют

134

несколько выше, чем у природного гипса. Природный гипс и ангидрит слабо растворимы в воде.

9.2. Строение и свойства горных пород

По условиям образования горные породы делят на три группы:

Изверженные горные породы, которые формировались на большой глубине от поверхности земли при медленном остывании магмы, называют глубинными. Они обладают крупнокристаллическим строением, прочными межкристаллитными связями, высокой

механической прочностью при сжатии, которая составляет 100…300 МПа, долговечностью, высокими плотностью и морозостойкостью, низким водопоглощением.

Изверженные породы, которые возникли из магмы на поверхности или в слоях, прилегающих к поверхности земной коры, при быстром остывании и без внешнего давления, называют излившимися. Они породы имеют, как правило, скрытокристаллическую порфировую структуру с вкраплением отдельных крупных кристаллов.

В зависимости от степени пористости эти породы делят на две подгруппы: пористые и плотные.

К плотным излившимся породам относят базальт, состоящий из полевого шпата и авгита, кварцевый порфир – аналог гранита по минералогическому составу, обсидиан – вулканическое стекло. Плотные излившиеся породы так же, как и глубинные, имеют высокую механическую прочность. Часть излившихся пород имеет пористую структуру. Относительная пористость таких излившихся пород, как вулканическая пемза и вулканический туф, достигает 40…80 %.

Осадочные породы по условиям образования делят на механические, химические и органогенные. Химические осадочные породы формировались в процессе осаждения минеральных солей из природных водных растворов с последующим уплотнением,

135

породам относят природный песок, гравий, глину. Конгломераты, брекчии, песчаники - сцементированные породы. В зависимости от цементирующего природного вещества они могут иметь как низкую, так и достаточно высокую механическую прочность.

Органогенные осадочные породы представляют собой минеральные остатки простейших организмов. К органогенным породам относят раковистые известняки, мел, сложенные в основном из раковин, сцементированных под влиянием давления воды. Трепел, диатомит, опока – разновозрастные породы, образовавшиеся из минеральных остатков диатомовых водорослей. Характерной особенностью осадочных пород является слоистость залегания, с различными плотностью и составом в отдельных слоях.

Метаморфические породы образовались вследствие перекристаллизации изверженных или осадочных пород под действием высоких температур и давления в глубинах земной коры. Гнейс сформировался из гранита, мрамор из известняка, кварцит из кремнистого песчаника. Мрамор имеет высокую плотность и прочность, хорошо пилится, шлифуется и полируется.

9.3. Строительные материалы из природного камня

Природные каменные материалы классифицируют по средней плотности на тяжелые с показателем не менее 1800 кг/м3 и легкие со средней плотностью менее 1800 кг/м3. По пределу прочности при сжатии тяжелые материалы делят на марки М100…М1000, легкие соответственно – М4…М200. Тяжелые материалы имеют марки по

морозостойкости F15…F500, а легкие – F10…F25.

Стеновые блоки и камни из горных пород изготавливают главным образом из доломита, песчаников, вулканического туфа, известняков. Они должны иметь плотность в пределах 900…2200 кг/м3, предел прочности при сжатии 0,4…50 МПа и морозостойкость не ниже марки

F15.

Облицовочные архитектурные детали применяют в виде облицовочных плит для стен, цоколей, элементов лестниц, парапетов, ограждений. Для наружной облицовки используют гранит, габбро, базальт, кварцит. Для внутренней облицовки чаще применяют мрамор, вулканический туф, известковый туф, гипсовый камень. Облицовка из природного камня долговечна, отличается низким уровнем затрат на эксплуатацию, исключительной архитектурной выразительностью.

136

Каменные изделия для дорожного строительства изготавливаются в виде бортовых камней, брусчатки и колотого камня. Бортовые камни делают в виде бруса длиной 700…2000 мм, шириной 100…200 мм и высотой 300…400 мм. Верхняя часть бортового камня обтесывается чисто, а нижняя, находящаяся при эксплуатации в грунте, – грубо. Брусчатка для мощения дорог имеет форму прямоугольного параллелепипеда с размерами сторон – по длине – 150…250 мм, по высоте – 100…160 мм, по ширине – 120…150 мм. Для дорожных материалов применяют изверженные породы с прочностью при сжатии не ниже 100 МПа и осадочные породы с прочностью не менее 60 МПа. Они должны иметь водопоглощение не более 1 % и среднюю плотность не менее 2100 кг/м3.

Каменные плиты для подземных сооружений и мостов изготавливают из гранита, базальта, диабаза, габбро с прочностью при сжатии не ниже 100 МПа и морозостойкостью не менее F100.

Бутовый камень представляет собой камни неправильной формы с размером в поперечнике 150…500 мм. Используют его при возведении стен, в том числе стен фундаментов. Осадочные породы слоистой структуры при разрушении образуют так называемый постелистый бут, имеющий две параллельные грани, облегчающие процесс возведения стен на кладочном растворе. Для приготовления бетонов применяют щебень и гравий. Предельный размер частиц щебня и гравия 5…150 мм. Щебень является продуктом дробления горных пород. В отличие от щебня, гравий – продукт естественного разрушения горных пород, частицы гравия имеют округлую, окатанную форму. Песок – рыхлая смесь частиц горных пород крупностью 5…0,14 мм. Применяется как мелкий заполнитель для бетонов и строительных смесей.

10. КЕРАМИЧЕСКИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Основным сырьем для производства керамических изделий являются глины. При смешивании с водой глины образуют пластичное тесто, которое при высыхании способно сохранять приданную ему форму, а при обжиге оно приобретает прочность и водостойкость. Пластичные свойства глинам придают глинистые минералы: каолинит – Аl2O3. 2SiO2. 2H2O, монтмориллонит – Al2O3. 4SiO2. nH2O, галлуазит – Al2O3. 2SiO2. 4H2O. Они состоят из мельчайших частиц чешуйчатого строения. Наиболее распространены и применимы каолиновые глины. Помимо глинистых минералов в составе глин могут присутствовать

137

примеси в виде частиц кварца, слюды, карбонатов, оксиды железа, титана.

По огнеупорности глины делят на огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие. Огнеупорные глины с показателем огнеупорности свыше 1580 °С после обжига приобретают белый цвет. Это наиболее чистые глины, содержащие минимум примесей. Их используют в качестве сырья для производства огнеупорных изделий, фаянса и фарфора. Тугоплавкие глины с небольшим содержанием примесей имеют огнеупорность в пределах 1350…1580 °С. Они применяются в производстве облицовочного кирпича, плиток для полов, канализационных труб. Легкоплавкие глины с огнеупорностью ниже 1350 ◦С используются в производстве кирпича, черепицы. Огнеупорность глин выражается той температурой, при которой конус Зегера, сформованный из керамического сырья в форме узкой усеченной трехгранной пирамиды высотой 30 мм, размягчаясь, оседает, касаясь вершиной подставки, на которой он стоит.

Важнейшим техническим свойством глин является их пластичность. Чем выше пластичность глины, тем больше воды требуется для приготовления формовочной массы, тем больше воздушная усадка при сушке (табл.10.1). Повышенная водопотребность высокопластичного сырья и связанная с ней большая усадка при сушке являются причиной образования трещин на поверхности изделий.

Таблица 10.1

Зависимость свойств керамического сырья от его пластичности

С целью понижения трещинообразования в состав сырья вводят так называемые отощающие добавки: обожженную и размолотую тугоплавкую (шамот) и легкоплавкую дегидратированную глину, шлаки, золы, кварцевый песок.

Для повышения пористости, способствующей снижению массы, теплопроводности и условий обжига изделий, вводят порообразующие добавки. В качестве порообразователей могут служить выгорающие добавки, в частности древесные опилки, каменный уголь, а также

138

диссоциирующие добавки, выделяющие при нагревании газообразные продукты. Например, доломит при нагреве до 700 °С диссоциирует, выделяя углекислый газ:

MgCO3 СаСО3 = MgO СаСО3 + CO2.

Подготовка сырьевой смеси состоит в получении однородной удобоформуемой массы. Разрушается природная структура глины. Глину рыхлят в глинорыхлителях, дробят на вальцах грубого и тонкого помола и, смешивая с добавками, увлажняют и обрабатывают на бегунах. Полученная смесь подвергается формовке методом литья, пластическим или полусухим способом.

По литьевой технологии в шаровых мельницах приготавливают шликер – жидкую массу влажностью 30…34 %. Формовка ведется методом литья в гипсовые разъемные формы. С течением времени стенки гипсовых форм поглощают влагу и адсорбируют на своей поверхности плотный слой керамической массы. Оставшуюся часть шликера сливают и после подсушивания изделия отделяют от форм.

При формовке пластическим способом сырьевая смесь влажностью 14…25 % направляется в вакуумный ленточный пресс, из которого выдавливается брус заданного профиля, соответствующего размерам поперечного сечения изделия.

При полусухой технологии сырьевая смесь влажностью 2…14 % прессуется на прессе под давлением 15…50 МПа. Ввиду исходной пониженной влажности сырья снижаются затраты на сушку.

При производстве изделий по литьевой и пластической технологии

сушку сырца производят в естественных условиях или в сушилках. В камерных и туннельных сушилках сушка осуществляется обычно подогретым до 60 °С воздухом. При сушке изделия испытывают воздушную усадку, связанную со сближением частиц вследствие удаления воды.

После сушки изделия подвергают обжигу. Для обжига применяются электрические, туннельные, кольцевые и вращающиеся печи. При обжиге изделия нагреваются, обжигаются и охлаждаются. При температуре около 100 °С удаляется механически связанная вода. Химически связанная вода отделяется при температуре 400 °С. Разложение безводного каолинита на оксиды происходит в интервале температур 700…800 °С. Начиная с 900 °С оксид кремния вновь соединяется с оксидом алюминия, образуя минерал муллит3Al2O3. 2SiO2, отличающийся водостойкостью, термостойкостью и прочностью. Силикатный расплав при охлаждении цементирует твердые частицы

139

керамического изделия. При обжиге повышается плотность изделий, что связано с огневой усадкой, происходящей под влиянием сил поверхностного натяжения расплава.

Кирпич керамический полнотелый получают из легкоплавких глин с корректирующими порообразующими и отощающими добавками. В качестве добавок применяют обычно древесные опилки, молотый каменный уголь, дегидратированную глину. Кирпич изготавливают пластическим или полусухим способом.

По пластической технологии кирпич формуют на ленточном

Затем сырец направляют на сушку в туннельные или камерные сушилки, в которых происходит сушка до влажности не более 8 % отходящими газами печей обжига. Высушенный сырец перекладывают на огнеупорные вагонетки и обжигают в туннельных или кольцевых печах.

Наиболее прогрессивна по устройству туннельная печь. Она представляет собой туннель длиной 90…130 м, в котором по рельсам периодически перемещаются вагонетки с высушенным сырцом. В средней зоне печи находятся газовые или мазутные горелки, здесь происходит обжиг кирпича. В конце туннельной печи располагаются вентиляторы для охлаждения обожженного кирпича. В кольцевой печи, представляющей собой замкнутый кольцевой туннель, кирпич в процессе обжига неподвижен, а перемещается зона сжигания топлива.

Кирпич одинарный изготавливают размером 250х120х65 мм. Утолщенный кирпич имеет толщину 88 мм. По прочности кирпич керамический выпускают марок 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300.

Качество кирпича по внешнему виду оценивается по наличию пороков, включая отклонения от линейных размеров, неперпендикулярность граней, присутствие сквозных трещин, отбитостей ребер и углов, степень обжига. Водопоглощение кирпича марок ниже 150 не должно быть ниже 8 % по массе. Для кирпича марок 150 и выше нормируется водопоглощение по массе не ниже 6 %. По морозостойкости кирпич должен иметь марку не ниже F15. Кирпич применяют для возведения наружных и внутренних стен.

Кроме полнотелого кирпича выпускается кирпич керамический пустотелый. Он изготавливается преимущественно пластическим способом из тщательно переработанной сырьевой смеси на вакуумных ленточных прессах, оборудованных пустотообразователями и на прессах экструдерах формующих кирпич при давлении около 30

140