Химия в строительстве

Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа № 412 Петродворцового района города Санкт-Петербурга

Реферативная работа по химии

Химия в строительстве

Выполнил:

Ученик 11 «А» класса

Серин Алексей



Содержание

1. Связь химии с производством

2. Металлы

3. Коррозия металлов

4. Бетоны

5. Лакокрасочные материалы

6. Минеральные вяжущие вещества

7. Механизм твердения вяжущих веществ

8. Воздушные вяжущие вещества

Используемая литература



1. Связь химии с производством

Химия - наука о веществах и их превращениях. Человек с древних времёниспользовал то, что ему давала природа: строил жилища из природного материала,выплавлял металлы из руд, обжигал глину, известняк и не подозревал, что происходят химические процессы: из одного вещества получается другое. Можно ли ускорить процесс, получить материал с заданными свойствами? Почему однуразновидность глины надо обжигать при 1000°С, а другую при 1300°С? Почему известь надо обжигать, а гипс варить? С какими элементами сталь станет прочнее ипочему внутри бетона она может разрушаться от коррозии?

Чтобы ответить на эти и другие вопросы надо знать природу материала, его молекулярное строение, состав, способность взаимодействовать с другими веществами. Нельзя с материалами работать наугад. За многие века накапливался опыт работы с каждым материалом, появилась наука и практика лабораторного анализа и эксперимента, научились получать чистыми химические элементы, соединять их для создания сплавов с новыми свойствами. Но на это ушли века.

Знания позволили человеку решать поставленные проблемы гораздо быстрее. Проникновение физики в химию и химии в другие области знания обогатило науку новыми направлениями, новыми материалами. Везде, где химия соприкасалась с другими отраслями производства, возникали «точки роста» новых наук. Изучение химических процессов в живых организмах привело к появлению биохимии, химический анализ горных пород привёл к развитию геохимии, химии полимеров, нефтехимии.

В основе современных строительных технологий лежат химические процессы. Строительство представляет собой важную ветвь химической технологии, использующей разные разделы неорганической, органической и коллоидной химии.

Проблемы строительства решаются и совершенствуются с помощью разделов физической химии о создании поверхностно-активных веществ, об ускорении или замедлении твердения вяжущих материалов, их гидрофобизации. Изучение состава материала, плотности, взаимодействия с компонентами воздуха, с минерализованной водой, матрицы с армирующим компонентом и другими веществами приводят к оптимальному решению при создании и эксплуатации строительных конструкций. Знание химических свойств материалов позволяет правильно организовать их защиту от воздействия вредной среды.

Совершенствованию строительных технологий способствуют достижения в химии: получение синтетических волокон, каучуков, пластмасс; склеивание разнородных материалов; использование катализаторов, сварки в строительной практике, тончайших защитных покрытий. Понимание законов химии, их использование исключительно важно при решении проблемы повышения эффективности производства и качества продукции, так как его ухудшение вызывается нежелательными химическими процессами, например коррозией металла или старением полимера, растрескиванием гидроизоляции и т. п. Химия создала материалы, из которых строят не только дома, но и самолёты, автомобили, электронно-вычислительные машины, конструкционные материалы для станков, ракет и ядерных установок.

2. Металлы

В технике к металлам относят как собственно металлы, так и сплавы, для которых также характерны металлические свойства: высокая электропроводимость и теплопроводность, металлический блеск, пластичность. Кроме того, они обладают специфическими механическими свойствами: большой прочностью при растяжении и сжатии, способностью к ковке, отрицательным коэффициентом электрической проводимости (понижением электрической проводимости с ростом температуры). Металлические свойства присущи металлам в твёрдом и жидком состоянии, пары металлов прозрачны и не проводят электрический ток.

К наиболее распространённым в природе металлам относятся: алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний, титан. Большая часть металлов находится в земной коре в виде химических соединений - минералов. Самыми распространёнными минералами, содержащими соединения металлов, являются:

силикаты, оксиды, сульфиды, карбонаты, сульфаты, фосфаты, галогениды.

Чёрные металлы.

Чёрными металлами называют сталь и чугун, которые получают из таких минералов как: магнетит Fe₃O₄, гематит Fe₂O₃, гетит Fe₂O₃ Fe(OH)₃, хромистый железняк FeO ? Сr₂O₃, боксит Al₂O₃ ? H₂O, пиролюзит MnO₂, гаусманит Mn₃O₄, куприт Cu₂O₃, валентинит Sb2O3, сервантит Sb₂O₄ и сульфиды FeS₂ (железный колчедан). Исходным сырьём для получения металлов являются руды.

Руда - это природное минеральное образование с таким содержанием полезных минералов, которое обеспечивает экономическую целесообразность их извлечения. Руду обрабатывают, отделяют пустую породу для увеличения концентрации металла. Большинство металлов в природе находится в окисленном состоянии, извлечение их основано на восстановлении и отделении от примесей.

Железо и его сплавы составляют основу современной техники. Основную массу железа выплавляют в виде чугуна и стали. Железную руду дробят и плавят в доменных печах, где поддерживают высокую температуру, сжигая кокс (специально обработанный уголь).

При сжигании угля образуется углекислый газ, который, проходя через слой раскалённого угля, восстанавливается до оксида углерода:



С+О₂ = СО₂ > СО₂ + С = 2СО.

Оксид углерода восстанавливает руду (Fe₂O₃). По мере повышения температуры железо восстанавливается сначала при 400-500°С:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂.

При температуре 600°С превращается:

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂.

При температуре 700-900°C железо восстанавливается до металлического:

FeO + CO = Fe + CO₂.

При ещё более высокой температуре 1000-1100°С всё железо восстанавливается углеродом:

FeO + C = Fe + CO.

Восстановленное железо частично взаимодействует с оксидом углерода, образуя карбид железа:

3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂ .

В результате науглероживания железо переходит в жидкое состояние и стекает в нижнюю часть печи.

Пустую породу в руде составляют в основном оксиды кремния SiO₂, алюминия Al₂O₃ и другие оксиды, относящиеся к тугоплавким веществам. Для превращения тугоплавких примесей в более легкоплавкие соединения к руде добавляют флюс. В качестве флюса используют известняк или доломит.

При температуре 900°С известняк превращается в оксид кальция (известь):

СаСО₃>СаО + СО₂.

Оксид кальция, являясь активным веществом, при температуре 1000-1200°С взаимодействует с веществами пустой породы, образуя шлаки, состоящие главным образом из силикатов и алюмосиликатов кальция.

В зоне высоких температур параллельно с восстановлением оксидов железа частично восстанавливается кремний:

SiO₂ + 2C = Si + 2CO.

Восстанавливаются марганец и фосфор, а сера превращается в сульфиды.

Сульфид железа хорошо растворим в чугуне. Снижение сульфида железа в чугуне осуществляется с помощью образующейся извести, часть серы переходит в шлак в виде сульфида кальция (СаS). Расплавленное железо при температуре 1600-1750°С растворяет в себе углерод, цементит, кремний, марганец, фосфор, серу, и образуется чугун.

Шлак имеет плотность 2,5 г/см3, чугун - 6,9 г/см3, поэтому шлак собирается над чугуном, предохраняя его от окисления. Жидкий чугун и шлак легко отделяются друг от друга, вытекая из доменной печи через отверстия, расположенные на разных уровнях. Получаемый чугун содержит около 93% железа; от 2,5 до 5% углерода, а также 0,5-4% кремния; 1-3% марганца; 0,02-2,5% фосфора и 0,005-0,08% серы.

В зависимости от условий охлаждения получаются два вида чугуна: белый и серый. При быстром охлаждении чугуна углерод выделяется в виде цементина Fe3C, образуется белый чугун, который имеет высокую твёрдость, но очень хрупок, поэтому его перерабатывают на сталь (передельный чугун).

Выплавляют сталь кислородно-конверторным, мартеновским, бессемеровским способами, а для выплавки качественных и высоколегированных сталей всё более широкое применение получил электросталеплавильный метод, позволяющий производить плавку в вакууме под высоким давлением при температуре расплава свыше 3000°С.

При медленном охлаждении жидкого чугуна углерод выделяется в виде графита, образующийся чугун имеет серый цвет, поэтому его называют серым чугуном. Он характеризуется высокими литейными свойствами и применяется в машиностроении для отливки тяжёлых частей машин, маховиков, поршней, цилиндров и др. Это наиболее распространённый литейный сплав.

80-85% чугуна расходуется на получение стали. При переработке чугуна в сталь из него удаляют примеси серы, фосфора, кремния, содержание углерода снижается до 2,14% и менее. В результате выплавки из чугуна стали получают более пластичный материал, который подвергают легированию и раскислению.

С помощью раскисления восстанавливается железо, снижается красноломкость:

FeO + Mn = Fe + MnO или 2FeO + Si = 2Fe + SiO+О₂

Для полного удаления кислорода в конце процесса добавляется немного алюминия:

2FeO + Al = 2Fe + Al₂O₃.



По степени раскисления сталь делят на спокойную, полуспокойную и кипящую.

Кристаллизация нераскисленной стали сопровождается выделением газообразного оксида углерода СО, металл как бы кипит. Такая сталь называется кипящей. Кипящие стали дешевле, но более деформативны, из них не делают ответственных конструкций.

Образующиеся оксиды кремния, марганца и алюминия переходят в шлак.

Всё многообразие способов получения металлов разбивают на три процесса: пирометаллургические, гидрометаллургические и электрометаллургические процессы. Металлургические процессы, протекающие при высоких температурах, называются пирометаллургическими. Такие малоактивные металлы как: железо, цинк, свинец, медь и др. получают из оксидов восстановлением углеродом.

Самым замечательным свойством металлов является очень высокая электрическая проводимость, которая объясняется наличием свободных подвижных электронов в атоме металла. Движением электронов объясняется и большая теплопроводность металлов и даже их непрозрачность. Так как металлы почти полностью отражают свет всех длин волн спектра, то они имеют цвет серебристобелый (алюминий серебро, никель) или серебристо-серый (железо, свинец).

Механические свойства металлов - прочность, твёрдость, упругость - характеризуют их способность сопротивляться деформации и разрушению при воздействии внешних напряжений. Большая или меньшая пластичность зависит от структуры металлической кристаллической решётки. Важное значение при использовании металлов в качестве конструкционных материалов имеет сочетание их пластичности с прочностью, твёрдостью и упругостью. Особые свойства металлов объясняются кристаллической структурой и особым типом химической связи - металлической связью. В металлическом кристалле распределение электронов изменяется, так как кристаллическая решётка металлов образована положительно заряженными ионами.

Большая прочность и твёрдость металлов объясняется максимально плотной упаковкой частиц и прочностью самих кристаллических решёток. Пластичность можно объяснить скольжением слоёв частиц, образующих металлическую решётку. Они сдвигаются относительно друг друга без разрыва, так как при этом сохраняются связи между слоями.

В строительстве металлы в чистом виде используют очень редко. Чаще применяют металлические сплавы, которых насчитывается десятки тысяч марок. Металлические сплавы - это макроскопические однородные системы, состоящие из двух или большего числа металлов и неметаллов с характерными металлическими свойствами.

Сплавом называют однородную смесь компонентов, где основного компонента более 50%. Многие сплавы, такие как: сталь, чугун, бронза, были известны в глубокой древности и имели практическое применение. Техническое значение металлических сплавов объясняется тем, что многие их свойства (твёрдость, прочность, коррозионная стойкость и др.) значительно выше, чем у составляющих их чистых металлов.

Металлы (или неметаллы), вводимые в сплавы для улучшения их свойств, называют легирующими элементами, а сам процесс - легированием. Сплавы в твёрдом состоянии представляют собой поликристаллические тела, состоящие из множества мелких (10-3-10-7 м), различно ориентированных относительно друг друга кристаллов, называемых кристаллитами или зёрнами.

Свойства стали зависят от состава, структуры сплава, термической обрботки и др.

3. Коррозия металлов

Коррозия - самопроизвольное разрушение металлов под действием окружающей среды. Это окислительно-восстановительный процесс, происходящий на поверхности металла. По нарушениям поверхности металла различают равномерную, точечную, питтинговую, межкристаллитную коррозию.

Особенно опасна 38 межкристаллитная коррозия, при которой разрушение происходит по границам зёрен,из которых состоит металл, что приводит к быстрому разрушению изделия.

Изучение причин, вызывающих начало коррозии, выявило 3 фактора:

1) химическая природа металла, его микроструктура;

2) химическая природа окружающей среды, содержание в ней агрессивных веществ;

3) температура и влажность окружающей среды.

По механизму коррозионных процессов различают химическую и электрохимическую коррозию. Химическая происходит в атмосфере сухих газов (при высокой температуре) и в растворах неэлектролитов. Иначе её называют газовой коррозией. К ней относятся процессы окисления клапанов двигателей внутреннего сгорания, лопаток газовых турбин, жаровых труб и др.

Окисление металла в атмосфере кислорода при высокой температуре проходит:

2Fe + O₂ > 2FeO и далее: 6FeO + O₂ > 2Fe₃O₄.

Образуется окалина - плёнка продуктов из нескольких слоёв при их окислении кислородом. Малая химическая активность некоторых металлов (Ti, Zr, Аl) обусловлено образованием на их поверхности тонкой, но очень прочной защитной плёнки МеО2. Переход металла в пассивное состояние называется пассивацией.

На поверхности образуется пассивирующий слой, представляющий собой прочную тонкую сплошную плёнку толщиной до нескольких нм. Пассивация металлов обеспечивает коррозионную стойкость в агрессивной среде конструкций из алюминия, титана, хрома, никеля и других металлов.

Углеродистые стали и чугун подвергаются быстрому окислению с образованием непрочной окалины при температурах выше 600°С.

При газовой коррозии чугуна иногда наблюдается увеличение его объёма в результате образования на границе зёрен металла и графита оксидов, занимающих больший объём, чем исходные кристаллиты. Появляются многочисленные трещины.

Окалиностойкость зависит от природы металла.

Алюминий при обычных температурах покрывается прочной оксидной плёнкой, не разрушающейся даже при температуре плавления алюминия. Поэтому такие металлы как: алюминий, медь, никель, хром и сплавы на их основе применяют как жаростойкие конструкционные материалы.

При температуре выше 700°С в среде водяного пара процесс коррозии углеродистых сталей значительно ускоряется, так как одновременно с окислением происходит разрушение цементита:



Fe₃C + O₂ = 3Fe + CO₂.

Обезуглероживание вызывает ухудшение структуры стали и приводит к снижению прочности, понижает предел усталости. Помимо кислорода при высоких температурах становятся более агрессивными к металлам фтор, хлор, диоксид серы, сероводород, хлористый водород и др. Химическая стойкость металлов зависит от природы металла.

Химическая активность газов при температуре выше 200-300°С значительно возрастает, поэтому скорость газовой коррозии с повышением темпера- усиливается. Агрессивные среды, транспортируемые по трубопроводам от нефтяных и газовых месторождений, вызывают внутреннюю коррозию труб и оборудования. В нефтехимических производствах углеродистые стали применяются только до температуры 200°С. Совместное действие влаги и агрессивной среды в процессе добычи и транспортировки нефти, природного газа значительно усиливают коррозию металлов. В этом случае процесс коррозии протекает по другому механизму - электрохимическому. Электрохимическая коррозия отличается отсутствием контакта металла с окислителем, воздействие на металл происходит через возникновение гальванических пар, образующихся за счёт разности потенциалов на разных участках металлической конструкции. Разность потенциалов возникает при наличии контакта металла с электролитом - тонкой водяной плёнкой, образующейся на углекислый газ и другие газы, что приводит к увеличению электропроводности и агрессивности среды.

4. Бетоны

Бетонами называют искусственно сцементированные (склеенные) заполнители размером от 0,16 мм до 40 мм в единое тело заданной формы. Клеющим (цементирующим) веществом обычно являются различные минеральные или органические вяжущие. В качестве минеральных вяжущих применяют цемент, известь, гипс и даже глину и др. Бетон на основе цемента называют цементным бетоном, на основе известково-кремнезёмистой смеси - силикатным, на гипсовом вяжущем - гипсобетоном, на основе глины - глинобетоном.

Бетон на основе битума чаще называют асфальтобетоном или просто асфальтом, бетоны на смолах и латексах называют пластмассами, пластбетонами, полимербетонами. В качестве заполнителей используют наиболее доступные и дешёвые природные материалы - щебень или гравий плотных горных пород и песок. Заполнителями их называют потому, что они почти полностью (на 80 и более чем на 90%) заполняют объём бетона. При изготовлении бетона с использованием в качестве заполнителя одних только мелких фракций каменных горных пород его называют мелкозернистым бетоном, чаще - строительным раствором. Каким образом цемент - порошковый материал - склеивает разный заполнитель в одно целое, превращая смесь в камень? После смешивания цемента с водой, между его зёрнами и водой начинается химическое взаимодействие.

Вокруг каждого зёрнышка образуется гель - масса, поглощающая часть воды и способная склеивать все сыпучие материалы в замесе. Чем меньше она разжижена, тем лучше связывает все компоненты, превращая массу в бетон после отвердевания.

В технологии бетонных работ различают подвижные и жёсткие смеси.

Подвижность определяется осадкой изготовленного из смеси конуса (ОК). Чем больше осадка, тем подвижнее бетонная смесь. Жёсткой называют смесь, которая не имеет осадка (ОК = 0 см), малоподвижная - имеет ОК = 1-4 см, подвижная - 5-9 см, весьма подвижная - 10-15 см, текучая - 16-20 см, более 21 см - литая смесь.

Жёсткую и малоподвижную бетонную смесь укладывают в неармированные или малоармированные конструкции: фундаменты, полы, дорожные покрытия, а также используют при изготовлении железобетонных изделий.

Подвижную смесь укладывают в конструкции с редким расположением арматуры: колонны, массивные балки и плиты. Более подвижные смеси применяют в железобетонных конструкциях, обильно насыщенных арматурой: ажурных конструкциях, тонких стержнях, бункерах и т. п. Количество воды затворения, влияющее на подвижность бетонной смеси, определяют, исходя из требуемых показателей удобоукладываемости, пользуясь таблицами и графиками, составленными на основании практических данных с учётом вида и крупности заполнителя. Удобоукладываемость бетонной смеси зависит от вязкости цементного раствора и объёма вяжущего вещества.

Для получения прочного бетона следует брать меньше воды, но смесь должна быть однородной и при укладке в форму обладать такой подвижностью, чтобы частички как можно ближе и плотнее прилегали одна к другой. Если будет мало воды, не все зёрна цемента будут достаточно смочены, не появится в достаточной мере цементного клея (геля), смазывающего и склеивающего все заполнители. Кроме того, цементный гель уменьшает трение между зёрнами заполнителя, они легче перемешиваются до однородного состояния, плотнее укладываются, легче формуются, снижается пустотность, что ведёт к снижению расхода вяжущего и повышению плотности бетона.

Для упрочнения свежеуложенный бетон должен твердеть при температуре 15-20°С и высокой влажности 95-100%. Это объясняется тем, что процесс твердения происходит лишь в том случае, если вода находится в жидком состоянии. Если высокая температура, то вода испаряется и её не хватает на гидратацию, если вода замерзает, то реакции гидратации нет, строение молекулы воды видоизменяется, активность воды понижается. Цементный гель в отсутствии воды обезвоживается, происходит усадка.

Цементный гель лучше всего скрепляется с заполнителями, имеющими шероховатую остроугольную поверхность. Поэтому горные и овражные пески, а также дроблёный угловатый крупный заполнитель предпочтительнее речных и морских песков, а также гладко-окатанного гравия, но в овражных песках бывают вредные примеси в виде слюды, гипса, глины, гумуса и др., препятствующие лучшему сцеплению с цементным гелем. Частички глины способны разбухать от воды, органические примеси (гумусовые кислоты) вступают в химическое соединение с частицами цемента, что не способствует качеству бетона, снижает его химическую стойкость и долговечность. Поэтому все сырьевые материалы подлежат стандартным испытаниям, фракционированию (разделению по размерам) и очищению (обогащению). химия бетон лакокрасочный сталь

Подобными мелкозернистому бетону являются силикатные материалы, в том числе силикатный кирпич. Его изготавливают из смеси кварцевого песка (на 92-95%) и извести 8-5% в расчёте на оксид кальция с помощью прессования под большим давлением. Воды вводят всего 8-10%. Благодаря запариванию острым паром под давлением 0,8-1,2 МПа при температуре 175°С в автоклаве частично растворённый в воде кварцевый песок начинает реагировать с известью с образованием прочных гидросиликатов кальция:

Са(ОН₎₂ + SiO₂ = CaO SiO₂ H₂O.

Чтобы увеличить прочность, водостойкость и морозостойкость силикатных изделий, их после изготовления выдерживают на складе не менее двух недель. За это время происходит упрочнение с поверхности за счёт реакции углекислого газа с оставшейся свободной известью. При выгрузке из автоклава эта известь карбонизируется, постепенно переходит в карбонат кальция, что приводит к повышению прочности и твёрдости силикатных изделий. Если хотят уменьшить плотность и коэффициент теплопроводности, например силикатного кирпича, часть песка в его составе заменяют шлаком или золой.

Силикатный кирпич применяют для кладки внешних и внутренних стен, но нельзя его использовать для кладки печей и труб. При воздействии высокой температуры(выше 500°С) в нём происходит дегидратация свободной извести Са(ОН)2 с растрескиванием, при более высокой температуре - полиморфные превращения кварца, содержащегося в песке, а при температуре 900°С - разлагается карбонат кальция.

Лёгкие бетоны получают из тех же вяжущих и той же известковокремнезёмистой смеси, что и тяжёлые, но с добавлением в растворную смесь до её отвердевания порообразователей: пенообразователей или газообразователей. Если смешать пену с цементным тестом, получится подвижная пенистая масса, состоящая из пены и цементного геля. По мере затвердевания этой массы образуется ячеистый материал, где ячейки (пузырьки) занимают до 90% всего объёма, поэтому такой материал называют ячеистым бетоном.

Плотность его может иметь показатели в зависимости от количества введённой пены от 250 до 700 кг/м3. В наименовании полученного бетона звучит способ образования ячеек и взятое вяжущее: пенобетон, пеносиликат, пеногипс, или пеномагнезит. Ячеистый бетон, полученный с помощью газообразователя (химическим способом), также звучит в названии разновидностей ячеистого бетона: газобетон, газосиликат, газогипс и другие.

Газообразование, обеспечивающее получение ячеистой массы, происходит вследствие химической реакции между газообразователем и гидратом окиси кальция.

В качестве газообразователя используют порошки алюминия, цинка, кальция, карбида кальция, перекись водорода и др. Чаще используют алюминиевую пудру, вступающую во взаимодействие с гидроксидом кальция. При этом выделяется на 1 г порошка 1,4 л водорода, вспучивающего растворную смесь по реакции:

3Al + 3Ca(OH)₂ + 6H₂O = 3CaO Al₂O₃ 6H₂O + 3H₂^.



Впоследствии водород из ячеек газобетона улетучивается, и они заполняются воздухом. Теплопроводность такого бетона намного ниже теплопроводности плотного бетона. Прочность тоненьких перегородок между ячейками незначительна, поэтому стремятся её увеличить и ускорить набор прочности с помощью добавок растворимого стекла, большего количества цемента на 1 м3 бетона и тепловой обработкой отформованных изделий.

При монолитном бетонировании, когда нет возможности организовать теплопрогрев забетонированной конструкции, прибегают к помощи ускорителей твердения, изготавливая безгипсовый цемент.

Введение наполнителей с пуццоланической активностью также способствует повышению прочности ячеистой структуры. К ним относятся: тонкоизмельчённые шлаки, золы, диатомиты и микрокремнезём. Тонкое измельчение их (? 0,16 мм) способствует образованию стойкой ячеистой массы, ускорению химической реакции с гидроксидом кальция, повышению прочности тонких перегородок между ячейками.

Соли - ускорители твердения цемента вступают в реакцию взаимодействия с минералами, входящими в состав цемента, образуя при этом комплексные соединения: гидрохлоралюминаты и гидрохлорсиликаты кальция:

3CaO · Al₂O₃ · nCaCl₂ ? mH₂O; 3CaO · SiO₂ · CaCl₂ ·? nH₂O;

3CaO · 3Ca(OH)₂ ? 12H₂O; CaCl₂ · Ca(OH)₂ ?· H₂O.

Эти соединения вызывают увеличение активной поверхности цементных зёрен, скорость взаимодействия цемента с водой, укрепляют цементный камень.

Ячеистые бетоны могут быть армированы стальной, стеклянной и синтетической арматурой (волокном). Прочность сцепления со стальной арматурой круглого сечения доходит до 12-16 кг/см2.

Для получения газогипса в качестве газообразователя используют измельченные карбонатные породы в смеси с растворами минеральных кислот - серной, соляной и другими. В результате реакции выделяются газообразные продукты, вспучивающие гипсовое тесто:

CaCO₃ + H₂SO₄ + nH₂O = CaSO₄ · 2H₂O + CO₂^ + (n-1)H₂O

или

CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + CO₂^ + H₂O.

Смешивая гипс повышенным количеством воды затворения (150-250%), легко можно получить ещё вид ячеистого гипсового материала - микропористый гипс, хорошо фильтрующий воду.

Применяют ячеистые структуры в основном как тепло- и звукоизоляционный материалы (в междуэтажных и чердачных конструкциях), а также в качестве стенового материала в жилищном и промышленном строительстве, при устройстве холодильных камер, изоляции паровых камер, сушилок и пр.

5. Лакокрасочные материалы

Эти материалы предназначены для облагораживания внешнего вида строений и защиты их от воздействия метеорологических факторов. Лакокрасочные материалы - композиционные материалы, формирующие на подложке (металлической, деревянной или бетонной) покрытие с заданным комплексом свойств.

В состав красочной композиции входят следующие компоненты: плёнкообразователи, пигменты - растворимые красители, наполнители, растворители и целевые добавки.

На основе различных плёнкообразователей получают не только краски, но и лаки, эмали, грунтовки, шпатлёвки. Эти покрытия необходимы при подготовке поверхности к покраске, для выравнивания подложки.

Лаки - растворы плёнкообразователей (синтетической смолы или битума), а часто и красителей, в органических растворителях или в воде. В этом случае нужны пластификаторы, способствующие однородному распределению красителя в растворителе.

Эмали - суспензии пигментов или их смесей с наполнителями в лаках.

Грунтовки - дисперсии пигментов и наполнителей в растворе или эмульсии плёнкообразователя. Грунтовки служат для обеспечения адгезии покрытия при нанесении красок, эмалей, лаков, а также для придания подложке коррозионной стойкости.

Шпатлёвки в своём составе помимо основного компонента - плёнкообразователя - содержат наполнители и пигменты. Количество твёрдых компонентов (наполнителя и пигментов) должно превышать количество плёнкообразователя, так как шпатлёвки применяют для заделывания различных пор, углублений и дефектов на окрашиваемой поверхности.

Число слоёв покрытия определяется типом подложки и условиями эксплуатации окрашиваемого изделия. Каждый слой имеет своё назначение. Грунтовка обеспечивает адгезию, уменьшает напряжения, возникающие в покрытии.

В составе на стальные покрытия содержится добавка (пигмент), тормозящая коррозию металла (рис. 11).

Плёнкообразователи - вещества, образующие на поверхности после высыхания сплошную тонкую твёрдую плёнку. Это олифы, виниловые, акриловые полимеры, нитроцеллюлоза, неорганические вяжущие вещества, клеи и даже вода. Плёнки образуются в результате испарения растворителя или реакции полимеризации под воздействием температуры, кислорода воздуха или катализатора.

Для ускорения процесса полимеризации растительные масла подвергают термической обработке при 150-170°С с добавлением 2-4% сиккативов (окислители, растворяющиеся в нагретом масле - марганцевые, кобальтовые соли жирных и нафтеновых кислот). После такой обработки получают из масла олифу, которая при полимеризации на воздухе переходит в твёрдое состояние, образуя плёнку на покрытой поверхности. Красители для получения красок используют как природные, так и синтетические. Глаз человека воспринимает вещества окрашенными, если они поглощают свет в видимой области спектра (400-760 нм). Яркие краски обусловлены поглощением света в узком диапазоне, неяркие - в широком. Нерастворимые красители называют пигментами.

Пигменты - это твёрдые частички, практически нерастворимые в плёнкообразующем веществе. В зависимости от их дисперсности находятся такие свойства как: укрывистость, цвет, интенсивность. Чем более полярны и гидрофильны молекулы пигмента, тем они лучше диспергируются и обеспечивают большую стабильность красящего состава. Неорганические пигменты более полярны и гидрофильны, чем органические, поэтому могут участвовать в образовании связей с молекулами воды.

Растворители - это органические летучие жидкости (уайт-спирит), регулирующие вязкость лакокрасочных материалов, но от них зависит токсичность, скорость испарения, запах, горючесть, стоимость. При изготовлении и использовании водорастворимых плёнкообразователей можно полностью или частично исключить применение органических растворителей.

В состав вододисперсионных лакокрасочных материалов помимо плёнкообразователей и пигментов входят различные добавки специального назначения - эмульгаторы, стабилизаторы, загустители, диспергаторы, антисептики, ингибиторы коррозии и др. Эмульгаторы и стабилизаторы обеспечивают агрегативную устойчивость водных дисперсий полимеров. Эти компоненты по своей природе являются поверхностно-активными веществами (ПАВ). Эмульгаторы необходимы для получения водной дисперсии нерастворимого в воде полимера. Стабилизаторы вводятся в готовую дисперсию для усиления действия эмульгатора.

Для стабилизации водных дисперсий применяют защитные коллоиды (поливиниловый спирт, карбоксиметилцеллюлозу). ПАВ являются также и диспергаторами. Загустители повышают вязкость составов, чтобы получить покрытие необходимой толщины. В качестве загустителей применяют водорастворимые высокомолекулярные соединения.

Наполнители - это белые или светлые неорганические соединения. От белых пигментов они отличаются отсутствием укрывистости в лакокрасочных составах. Наполнители повышают адгезию к подложке, водостойкость и твёрдость покрытия, удешевляют краску. В качестве наполнителей используют: бариты, гипс, ангидрит, мел, кремнезём, диатомит, глину, тальк, слюду.

Отвердители добавляют к некоторым полимерным материалам для получения нерастворимого продукта. Ускорители вводят для повышения скорости отверждения.

Кроме этого в качестве целевых добавок используют сиккативы, способствующие образованию плёнки на масляных красках, т. е. ускоряющие полимеризацию масла. При выполнении отделочных работ пары растворителей, попадая в окружающий воздух, оказывают негативное воздействие на здоровье человека. По-этому в настоящее время наметились тенденции на производство красок, не содержащих растворителей, а также на увеличение ассортимента красок на водной основе. Порошковые краски - это композиции из твёрдого плёнкообразователя, пластификатора, пигмента, отвердителя и других добавок.

Преимущество порошковых красок - отсутствие загрязнения окружающей среды при их использовании . Для их получения используют термореактивные и термопластичные плёнкообразователи (полиэтилен, полипропилен, полистирол, силиконовые полимеры и др.). Полимеры перед нанесением диспергируются в воде, затем водные порошковые суспензии с пигментом наносят методом электроосаждения. Для их использования необходимо специальное оборудование, процесс пожароопасен. Применяют такие краски для защиты и декоративных покрытий металла, бетона, керамики и даже стекла.

6. Минеральные вяжущие вещества

Вяжущими эти вещества называют за способность с небольшим количеством воды образовывать пластичное тесто, связывающее в единый материал все сыпучие компоненты и постепенно затвердевающее в камень. Важнейшим условием проявления вяжущих свойств является высокая степень измельчения материала, так как минеральные порошки вступают во взаимодействие с водой только на поверхности раздела жидкой и твёрдой фаз. Скорость твердения будет тем выше, чем больше величина поверхности раздела, т. е. выше дисперсность порошка. Тонкое измельчение является необходимым условием для вяжущих веществ. Например: размер частиц цемента на 60-80% составляет от 1 до 40 мкм.

Характерным для вяжущих является:

1) невысокая растворимость в воде, поэтому реакция взаимодействия с водой начинается на твёрдой частичке вяжущего, а так как частиц много, то площадь поверхности, контактирующей с водой, велика;

2) гидрофильность поверхности порошка необходима для хорошего смачивания его и образования однородного пластичного теста с полярными группами (анион-катион);

3) поляризация ионов, способствующая химическому взаимодействию с водой (гидратации), образованию гидратов, занимающих больший объём, чем исходный порошок, и потому уплотнению и затвердеванию смеси.

Вяжущие обладают избытком свободной энергии, при их гидратации происходит снижение свободной энергии, поэтому образующиеся гидраты более устойчивы. Силы взаимодействия между частичками зависят от расстояния между ними, т. е. от количества воды затворения. Чем тоньше частички, тем сильнее капиллярные силы, удерживающие их поверхностным натяжением воды.

По условиям твердения и водостойкости цементного камня минеральные вяжущие вещества подразделяют на воздушные и гидравлические.

К воздушным относят вяжущие, способные затвердевать и набирать прочность только на воздухе. Изделия на воздушных вяжущих теряют прочность при намокании, поэтому их используют только в сухих помещениях (воздушная известь, гипс, магнезиальное вяжущее).

К гидравлическим вяжущим относят минеральные порошки, способные после смешивания с водой затворения твердеть и набирать прочность как в воздушных условиях, так и в воде. К гидравлическим относят: портландцемент, смешанные цементы на его основе, сульфатостойкий, глинозёмистый и белый цементы.

И воздушные, и гидравлические вяжущие получают в основном из мономинеральных горных пород. Минералы в природе подвержены всем метеорологическим воздействиям и не реагируют на дождь или снег, они инертны. Чтобы их активировать, надо разрушить кристаллическую решётку минералов, увеличить удельную поверхность, передать им энергию, поляризовать. Для этого разработана технологическая переработка горных пород, главными операциями в которой являются процессы термической обработки (обжиг, варка, запаривание) и тонкий помол (диспергация).

Механизм активации веществ проходит по трём схемам:

а) при обжиге или варке происходит удаление веществ из кристаллической решётки минерала. Эти реакции эндотермические, идут с поглощением энергии. Отдав газ или воду, под воздействием этой энергии минералы изменяют химический состав, становятся энергетически неуравновешенными, так как они получены и стабильны при высокой температуре. При нормальной температуре только после взаимодействия с водой или химическим раствором вяжущее вещество приходит в равновесное состояние, насыщая кристаллическую решётку гидратами;

б) при обжиге до появления расплава, когда при высокой температуре плавления происходят гетерогенные реакции обмена, образования новых минералов с другими свойствами, новых фаз, отсутствующих в составе до плавления;

в) при измельчении веществ, когда повышается их удельная поверхность вместе с передачей энергии и образованием дополнительных центров активизации на кристаллической решётке диспергированного вещества. Чем выше удельная поверхность, тем больше избыток свободной энергии.

7. Механизм твердения вяжущих веществ

Главным свойством вяжущих является способность к самопроизвольному твердению, т. е. к превращению пластичного теста в камневидное тело. Процесс твердения разделяют на две стадии: схватывание и твердение.

Схватывание начинается от момента потери тестом пластичности до момента отвердевания. Сроки схватывания определяют на приборе Вика с помощью иглы, опускаемой в тесто: они характеризуют начало процесса структурообразования в вяжущем тесте. Минеральные вяжущие вещества имеют невысокую растворимость в воде (от 0,1 до 3,0 г/л), но и она в несколько раз выше, чем растворимость продуктов их твердения. Вода затворения после смешивания с вяжущим становится насыщенным раствором по отношению к вяжущему и пересыщенным - к продуктам гидратации. Продукты гидратации из пересыщенного раствора кристаллизуются в межзерновом пространстве. Постепенным наполнением и переплетением кристаллогидратов объясняется нарастание прочности во времени. Вяжущее, гидратируясь, переходит в твёрдый камень.

Процесс твердения объясняет теория академика Байкова. Вяжущее после соединения с водой проходит три физико-химические стадии реакции:

1 - стадия растворения, образования насыщенного водного раствора;

2 - стадия коллоидации - начальный период схватывания. Образуются гидраты, составляющие пересыщенный раствор. Когда воды становится меньше, начинается коагуляция - объединение коллоидных новообразований во флоккулы (сгустки), структурирующие смесь. По мере гидратации цементных зёрен частиц коллоидного размера (продуктов гидратации) становится всё больше, водные промежутки между частицами превращаются в тончайшие плёнки, вода становится неподвижной и формируются мицеллы, где вода обладает зарядом, она энергетически связана. Вода становится упругой и стягивает частицы, ионы воды электрически ориентированы. Такая вода называется адсорбционно-связанной. Цементное тесто теряет пластичность;

3 - схватывание заканчивается и постепенно наступает стадия кристаллизации - твердения, когда новые порции гидрата дополняют начальную структуру, уплотняя и упрочняя её. Постепенно увеличивающиеся кристаллогидраты сближаются, срастаются и переплетаются. Коагуляционная структура переходит в кристаллизационную, способную воспринимать механические нагрузки.

8. Воздушные вяжущие вещества

Воздушная известь - древнейший строительный материал, который получают при обжиге известняка, состоящего более чем на 90% из минерала кальцита - СаСО3. Основными примесями в известняке являются доломит, глина и песок. Температура обжига известняка составляет не менее 900-1000°С, так как разложение карбоната кальция начинается при температуре 850°С по реакции:

СаСО₃ > СаО + СО₂ - 178 кДж/моль.

Повышение температуры обжига нецелесообразно не только по причине расхода энергии. При высокой температуре оксид кальция образует более крупные кристаллы, что в дальнейшем замедляет процесс гашения извести, а также появляется жидкая фаза в печи и сплавление продуктов обжига.

Из обжигательной печи выгружают оксид кальция, который называется негашёной известью или «кипелкой». Примесями могут быть: до 5% MgO и не более 10% силикатов и алюминатов кальция. При обжиге из состава уходит 44% СО2, поэтому обожжённые куски становятся легче, они пронизаны порами, благодаря чему имеют развитую удельную поверхность с повышенными запасами энергии и химической активности.

Эта активность проявляется при гашении извести водой: реакция идёт сразу по всему объёму, поэтому бурно, с выделением тепла, образованием пара, рассыпающего твёрдый кусок извести в тонкий порошок:

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂ + 65 кДж/моль.

Получается гашёная известь в мелкодисперсном состоянии, помола её не требуется. Гашёная известь ещё называется «пушонкой», если при гашении в неё добавили 32% воды, т. е. столько, сколько требуется на химическую реакцию превращения СаО в Са(ОН)2. Образуется сухой пушистый порошок, который используют в смеси с песком и водой для получения строительных растворов. Если берут воды до 50% - получают известковое тесто, если воды ещё больше - известковое молоко. Чем выше сорт извести, т. е. больше активных оксидов (СаО, МgО), тем большее количество песка можно положить в раствор, тем выше выход известкового теста. Массовое отношение песок: гашеная известь берётся в пропорции 2-5 : 1. Песка берут больше для сокращения усадочных трещин при высыхании известкового раствора, для ускорения сушки и твердения известково-песчаного раствора.

Кроме того, процесс кристаллизации ускоряется на границах раздела фаз.

Этим объясняется структурообразующая роль песка в процессе твердения и извести и цемента.

После нанесения песчано-известкового раствора на открытую поверхность происходит схватывание, в ходе которого выделяется аморфный гелеобразный гидрат Са(ОН)2 ? Н2О, постепенно прорастающий выпадающими кристаллами Са(ОН)2 - стадия коллоидации. Это медленный процесс, прочность за месяц всего 2-3 МПа. Твердеют известковые растворы медленно и по причине выделения воды при взаи-модействии извести с диоксидом углерода, содержащимся в воздухе. При этом образуется карбонат кальция и начинается кристаллизация и перекристаллизация непрореагировавшего с углекислым газом Са(ОН)2:

Са(ОН)₂ + СО₂ = СаСО₃ · Са(ОН)₂ + Н₂О.

Углекислота более эффективно проникает в глубь раствора по поверхности контакта извести с песком, поэтому наличие в смеси песка ускоряет твердение. Процесс карбонизации с поверхности проходит медленно - в год на 1-2 мм при достаточной влажности.

Ещё более медленная реакция (сотни лет) проходит между известью и кристаллическим диоксидом кремния, составляющим основу песка. Она называется реакцией силикатизации и приводит к значительному упрочнению известкового камня и его химической стойкости:



Са(ОН)₂ + SiO₂ = CaO ? SiO₂ ? H₂O.

Чтобы ускорить реакцию силикатизации песок заменяют на молотую кремнезёмистую породу, содержащую кремнезём в аморфной форме. Это могут быть: вулканические и органогенные породы или золы, шлаки, обожжённая глина (пуццолановая добавка). Скорость твердения возрастает, образуются гидросиликаты и гидроалюминаты, значительно повышающие механические свойства камня и его водостойкость. Введение древними римлянами пуццолановой (вулканической) добавки в состав извести положило начало изобретению пуццолановой или гидравлической извести, что стало революцией в строительной практике, сравнимой с изобретением цемента в ХIХ веке.

Ещё быстрее идёт реакция соединения извести с кремнезёмом в условиях автоклава, когда высокая температура (170-180°С) и давление (9-12 атм.) частично растворяют кварц. Реакция силикатизации проходит за 6-8 часов при запаривании в автоклаве. Образуются гидросиликаты (б-гидрат, ксонотлит, тоберморит, гиролит и др.), формирующие механически прочные и химически стойкие материалы, получившие название - силикатные (кирпич, бетон).

Гипсовые вяжущие - строительный гипс, высокопрочный гипс, ангидрит, эстрих-гипс.

Строительный гипс, или по названию горной породы - алебастр, получают нагреванием (варкой) в котлах природного гипсового камня, обеспечивая свободный выход образующемуся пару. При этом происходит частичное обезвоживание дигидрата с образованием полугидрата - строительного гипса:

CaSO₄ ? 2H₂O > CaSO₄ ? 0,5H₂O + 1,5H₂O.



Так как реакция дегидратации проходит в условиях выхода водяного пара при температуре 120-160°С, кристаллизация строительного гипса без влаги затруднена, и полугидрат образуется в микрокристаллической в-форме (модификации), характеризующейся повышенным запасом энергии и развитой внутренней поверхностью. Когда готовят тесто, то мелкокристаллический в-гипс для смачивания частиц требует много больше воды затворения, а присоединяет недостающую воду в кристаллическую решётку в соответствии с реакцией меньше, превращаясь в дигидрат. Оставшаяся неиспользованной вода формирует капилляры в затвердевающем камне, который становится энергетически насыщенным и опять инертным:

CaSO₄ ? 0,5H₂O + 1,5H₂O = CaSO₄ ? 2H₂O.

На эту химическую реакцию требуется 18,6% воды от массы строительного гипса. Но с таким количеством воды невозможно сделать удобоформуемое тесто, воды не хватает. Если увеличить произвольно количество воды затворения, то будет жидкое тесто и после замедленного отвердевания - низкая прочность гипсового камня. Поэтому берут определённое количество воды затворения, делая тесто нормальной густоты. Нормальной густотой для гипсового теста считается расплыв его на диске прибора Суттарда до D = 180 мм (±0,5). Так как сырьё разное (гипсовый камень в природе одинаковым не бывает), режимы термообработки разные, получаемый строительный гипс одинаковым также не бывает, имеет разную водопотребность. Чем она ниже, чем меньше воды потребуется для получения теста нормальной густоты, тем будет прочнее гипсовый камень. Тесто нормальной густоты имеет хорошую формовочную консистенцию и по нему определяют марки прочности и сроки схватывания гипса.

Растворимость полуводного гипса в три раза выше двуводного, реакция твердения проходит за 2 часа, а схватывание - за несколько минут: быстро твердеющий - за 6-15 мин.; нормально твердеющий - за 15-30 мин.; медленно твердеющий - за время более 30 мин.

С гипсовым тестом, схватывающимся в течение 6-15 минут, работать невозможно, поэтому в состав вводят замедлители схватывания: крахмал, желатин, органические клеи и даже известь или цемент. Эти вещества тормозят стадию насыщения раствора, отодвигают начало коллоидации, потому можно спокойно проводить малярные работы. Затвердевая, образующийся дигидрат увеличивается в объёме на 1-2%, принимая воду в структуру, что обеспечивает отсутствие трещин, усадки у гипсового камня.

Высокопрочным гипсом называют б-форму (модификацию) полугидрата.

Эту разновидность гипсового вяжущего получают при повышенном давлении в автоклаве при температуре 105-130°С или варкой в водных растворах солей.

Реакция идёт по той же формуле, только она проходит в водных условиях. Формирующиеся кристаллы полуводного гипса имеют возможности для роста. В результате они получаются достаточно крупными и плотными. Удельная поверхность такого порошка вяжущего ниже, растворимость ниже, чем у в-гипса, поэтому на получение теста нормальной густоты требуется меньше воды затворения. Затвердевание проходит медленнее, гипсовый камень содержит меньше капилляров и получает большую прочность.

Ангидрит - безводный сульфат кальция - получают обжигом в печи при температуре 500-800°С из гипсового камня или безводного минерала ангидрита CaSO4. Растворимость его в воде меньше, чем у полугидрата, гидратация идёт медленно. Для ускорения твердения вводят ускорители или катализаторы твердения - гашёную или негашёную известь в количестве 5-10% при помоле или сульфаты. Так получают ангидритовый цемент, имеющий более высокую прочность (до 20 МПа) и водостойкость. И он и эстрих-гипс относятся к высокотемпературным видам гипса, которые не варят, а обжигают.

Эстрих-гипс получают путём обжига природного гипса или ангидрита при температуре ?1000°С, при которой происходит частичная диссоциация ангидрита с выделением СаО и SO2:

CaSO₄ > CaSO₄ ? CaO + SO₂^.

Получаемый продукт близок по своему составу к ангидритовому цементу, образующаяся известь так же играет роль ускорителя твердения. После гидратного твердения и карбонизации извести затвердевший камень становится прочным и более водостойким, чем другие гипсовые вяжущие. Поэтому эстрих-гипс называют гидравлическим гипсом. Его используют для получения искусственного мрамора, которым отделывают внутренние поверхности стен, подоконные доски, лестничные ступени и даже архитектурную лепнину на фасадах зданий.

Магнезиальное вяжущее или цемент Сореля, названный так в честь его изобретателя, является мономинеральным вяжущим, получаемым из минерала магнезита при обжиге:

MgCO₃ > MgO + CO₂^.

В зависимости от температуры обжига получают оксид магния в различных формах, отличающихся по химическим свойствам: при температуре обжига 500-700°С получают лёгкую магнезию, реагирующую с водой и разбавленными кислотами, но твердеющую долго и потому вызывающую рост внутренних напряжений уже в затвердевшем изделии; - при температуре 700-900°С получают каустический магнезит со средней реакционной способностью, активнее реагирующий с растворами солей