Билет № 26 Железо. Свойства. Применение. Получение.

Металлургия черных металлов включает производство железа и спла­вов на его основе - чугуна, стали, ферросплавов, является ведущей отраслью промышленности. Сталь и чугун - это сплавы железа с углеро­дом. Чугуном называют сплав, содержащий более 2,14 % углерода, сталью - меньше 2,14 % углерода. Кроме углерода сталь и чугун всегда содержат в небольших количествах марганец, кремний, фосфор, серу, что связано с особенностями их выплавки. Ферросплавы (специальные чугуны) состав­ляют 2-3 % всего производства чугуна и имеют в своем составе повышен­ное содержание некоторых элементов: ферросилиций (9-13 % Si), ферромарганец (10-25 % Мn), богатый ферромарганец (70-75 % Мn) и др. Ферросплавы при­меняют для раскисления и легирования сталей.

Железо - блестящий пластичный металл серебристо-белого цвета, хо­рошо поддается ковке, прокатке и другим видам механической обработки, т. пл. 1539 °С, плотность при 20 °С составляет 7,87 г/см³.

Железо относительно легко проводит электрический ток (около 19 % от электропроводности серебра).

Во влажном воздухе железо быстро ржавеет, превращаясь постепенно в FeO(OH), а также другие соединения, которые вследствие своей рыхлости не защищают железо от дальнейшего окисления; при нагревании на воздухе до красного каления образуется Fe₃О₄. В воде железо интенсивно корроди­рует. В разбавленных кислотах железо легко растворяется с образованием солей Fe(II) и выделением водорода. Концентрированные азотная и серная кислоты пассивируют железо, что используется в технике. При обычных условиях оно не взаимодействует с растворами щелочей.

Железо - один из самых распространенных элементов в природе, его содержание в земной коре составляет 4,65 % (по массе). Известно свыше 300 минералов железа. Наряду с полезными примесями - Мn, Сr, V, Ti, Ni, Co железные руды содержат вредные примеси - фосфор, серу и др.

Железо и его сплавы составляют основу современной техники. Технически чистое железо (0,02 % С, 0,035 % Мn, 0,14 % Сr, 0,02 % S, 0,015 % Р) выплавляют из чугуна в сталеплавильных печах или кислород­ных конвертерах. Технически чистое железо является материалом для сер­дечников электромагнитов и якорей электромашин, пластин аккумулято­ров. Чистое железо получают различными методами (электролиз, разложе­ние пентакарбонила Fe(CO)₅, восстановлением оксидов железа Н₂, СО и др. восстановителями). Особо чистое железо получают зонной плавкой и дру­гими методами. Чистое железо (губчатое железо с добавками) используется в качестве катализаторов. Чистое и особо чистое железо применяют в электротехнике, где используют его магнитные свойства, а также при производстве специальных сталей.

Существует метод прямого восстановления железа из руд с помощью смешанного газа (СО + Н₂), в результате так называемых процессов внедоменной металлургии. Прямым восстановлением железо получают в виде железной губки (97-99 % Fe) в твердом состоянии. При данном методе улучшается экология, отпадает необходимость в дорогостоящем коксе, что кроме экономии определяет отсутствие в полученном железе вредных при­месей серы и фосфора, переходящих при доменной плавке из кокса. Поэто­му содержание серы (менее 0,01 %) и фосфора (менее 0,003 %) в железной губке невелико и зависит только от наличия их в руде.

Материалы для изготовления бетонов

Вяжущее вещество. Для изготовления обычного бетона наиболее ши­роко применяют минеральные вяжущие вещества, прежде всего портланд­цемент и его разновидности. Цемент и вода являются активными состав­ляющими бетона; в результате реакции между ними образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителей в единый монолит.

Заполнители часто называют инертными материалами. Однако они су­щественно влияют на структуру и свойства бетона. Заполнители создают же­сткий каркас и поэтому значительно уменьшают деформации бетона при твердении и под нагрузкой. В качестве заполнителей преимущественно ис­пользуют местные горные породы и вторичные ресурсы (шлаки и др.). При­менение этих дешевых заполнителей снижает стоимость бетона, так как на их долю обычно приходится до 80 % объема бетона. Легкие пористые заполни­тели снижают плотность бетона и улучшают его теплотехнические свойства.

В бетоне применяют мелкий и крупный заполнители. Мелким заполни­телем (менее 5 мм) для тяжелого бетона является природный или искусст­венный песок. Наиболее часто используемый в качестве мелкого заполнителя природный песок представляет собой рыхлую смесь зерен, образовавшуюся в результате выветривания горных пород. При отсутствии природного песка применяют песок, получаемый путем дробления твердых горных пород. Эко­номически целесообразно в качестве мелкого заполнителя использовать со­ответствующие по крупности отходы обработки природных каменных мате­риалов.

Крупный заполнитель (обычно 5-70 мм, иногда до 150 мм) для тяжело­го бетона подразделяют на гравий и щебень. Гравием называют рыхлый не­органический материал, образовавшийся в результате естественного разру­шения (выветривания) горных пород. Гравий состоит из более или менее окатанных зерен. В нем могут содержаться зерна высокой прочности (на­пример, гранитные) и слабые зерна пористых известняков. Обычно он со­держит примеси пыли, глины, иногда и органических веществ, а также пес­ка. При большом содержании песка такой материал называют песчаногравийной смесью или гравелистым песком. Щебнем называют крупный заполнитель для бетона, полученный в результате дробления горных пород. Зерна щебня имеют угловатую форму. Желательно, чтобы по форме они приближались к кубу. Более шероховатая, чем у гравия, поверхность зерен способствует лучшему их сцеплению с цементным камнем, поэтому для бе­тона высокой прочности обычно применяют щебень, а не гравий.

К заполнителям бетона предъявляются различные требования. Наи­большее значение имеют зерновой состав и содержание вредных примесей, а для плотных заполнителей тяжелого бетона — еще и прочность, морозо­стойкость, содержание естественных радионуклидов и стойкость к различ­ным формам распада.

Зерновой (гранулометрический) состав показывает соотношение в за­полнителе зерен разной крупности. Оптимальный зерновой состав обеспе­чивает плотную упаковку зерен заполнителя, что снижает расход цемента и повышает прочность бетона. Различают заполнители с непрерывной и пре­рывистой гранулометрией. В первом случае в заполнителе встречаются черна всех размеров в диапазоне от наименьшего до наибольшего. Если же в заполнителе отсутствуют зерна каких-либо промежуточных фракций, то его гранулометрию называют прерывистой. Обычно прерывистая грануло­метрия обеспечивает меньшую пустотность заполнителя, однако в этом случае уменьшается подвижность бетонной смеси вследствие защемления мелких зерен между крупными, и для получения пластичной бетонной смеси толщина обмазки зерен заполнителя цементным тестом должна быть больше. В результате уменьшается возможность экономии цемента за счет снижения пустотности заполнителя.

Зерновой состав песка определяют просеиванием его через стандарт­ный набор сит с отверстиями в свету 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315; 0,14 мм. Про­центное отношение массы остатка на сите к массе взятой пробы называется частным остатком (Xi ( %) и вычисляется по формуле

где G_i — остаток на i-м сите, г; G — масса пробы песка, г.

Полный остаток на любом сите Аi ( %) равен сумме частных остатков на ситах с большими размерами, включая и данное сито:

Модуль крупности песка Мк вычисляют по формуле

где А_2,5, А_1,25 ,А_0.63, А_0.315, А_0,14 — полные остатки на соответствующих ситах, %.

Песок в зависимости от значений нормируемых показателей качества (зернового состава, содержания пылевидных и глинистых частиц) подраз­деляют на два класса: I и II. По крупности песок подразделяют на группы: очень крупный, повышенной крупности, крупный, средний и мелкий; а во II классе выделяют еще очень мелкий, тонкий и очень тонкий. Результаты просеивания песка часто представляют графически в виде ломаной линии (кривой просеивания), наносимой на область допустимых значений на гра­фике зернового состава. При этом содержание в песке зерен круп­ностью свыше 10 и 5 мм, а также менее 0,14 мм, пылевидных и глинистых частиц, а также глины в комках ограничивается. Органические примеси (например, гумусовые) допускаются только в очень незначительном коли­честве, т.к. они сильно снижают прочность и даже разрушают бетон.

Зерновой состав крупного заполнителя характеризуют наибольшей и наименьшей крупностью его зерен. Наибольшая крупность щебня (гравия) определяется размером отверстия сита, на котором полный остаток не пре­вышает 5 %, наименьшая - размером сита, на котором полный остаток не менее 95 %. Кривая просеивания щебня (гравия) должна располагаться в пределах заштрихованной площади графика зернового состава, т.е. в облас­ти плотных смесей.

Пустотность крупного заполнителя не должна превышать 45 %. Ще­бень чище гравия, обычно он не содержит органических примесей. Пре­дельное содержание глинистых и пылевидных примесей по массе в щебне из изверженных пород допускается не более 1 % (для бетонов всех классов); в щебне из карбонатных пород — 2 % (для бетонов класса В 22,5 и выше) и 3 % (для бетонов класса В 20 и ниже). С целью радиационно-гигиенической оценки заполнителей бетона контролируют удельную эффективную актив­ность естественных радионуклидов.

Добавки классифицируют по основному эффекту действия:

1) наполни­тели и микронаполнители, улучшающие структуру бетона на микроуровне, т.е. структуру связующего вещества;

2) регуляторы свойств бетонной смеси — пластификаторы и суперпластификаторы, водоудерживающие добавки;

3) ре­гуляторы сроков схватывания и твердения бетона - ускорители, замедлители, противоморозные добавки;

4) регуляторы структуры — газообразователи, пе­нообразователи, уплотняющие добавки;

5) ингибиторы коррозии стальной ар­матуры;

6) придающие бетону специальные свойства — расширяющиеся, гидрофобизирующие, антикоррозионные, электропроводные добавки, пиг­менты и др. Некоторые добавки обладают полифункциональным действием, например, одновременно пластифицирующим и воздухововлекающим, пла­стифицирующим и замедляющим эффектами и т.п. Применение разнообраз­ных химических добавок и дисперсных минеральных компонентов в сочета­нии с соответствующим подбором состава бетона позволяет эффективно управлять его технологией на всех этапах и получать строительные компози­ты с заданными структурой и свойствами.