Меры защиты от выветривания. Минералогический состав портландцемента

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Введение

Материалы обладают отличающимися друг от друга свойствами, каждое из них зависит от особенностей внутреннего строения материала. Материаловедение как наука занимается изучением строения материала в тесной связи с их свойствами. Основные свойства материалов можно подразделить на механические, физические, технологические и эксплуатационные. От физических и механических свойств зависят технологические и эксплуатационные свойства материалов.

Целью данной контрольной работы является ряд рассмотрение следующих вопросов:

- Что представляет собой выветривание горных пород и какие меры принимаются для защиты природных каменных материалов от выветривания.

- Химико-минералогический состав портландцементов его процессы, протекающие при обжиге исходного сырья.

-Химический состав, структура нефтяных битумов и основные группы углеродов входящих дорожно вязкие битумы.

- Что такое асфальтобетон: классификация по ГОСТ.

Вопрос №1.Что такое выветривание горных пород и какие меры принимаются для защиты природных каменных материалов от выветривания?

Выветривание- процесс разрушения и изменения горных пород в условиях земной поверхности под влиянием механического и химического воздействия атмосферы, грунтовых и поверхностных вод и организмов.

По характеру среды, в которой происходит выветривание, различают атмосферное и подводное.

По роду воздействия выветривание на горные породы различают:

· физическое выветривание, ведущее только к механическому распаду породы на обломки;

· химическое выветривание, при котором изменяется химический состав горной породы с образованием минералов, более стойких в условиях земной поверхности;

· органическое (биологическое) выветривание, сводящееся к механическому раздроблению или химическому изменению породы в результате жизнедеятельности организмов.

· своеобразным типом выветривание является почвообразование, при котором особенно активную роль играют биологические факторы.

Выветривание горных пород совершается под влиянием воды (атмосферные осадки и грунтовые воды), углекислоты и кислорода, водяных паров, атмосферного и грунтового воздуха, сезонных и суточных колебаний температуры, жизнедеятельности макро- и микроорганизмов и продуктов их разложения.

На скорость и степень выветривания, мощность продуктов выветривания и на их состав, кроме перечисленных агентов, влияют также рельеф и геологическое строение местности, состав и структура материнских пород. Подавляющая масса физических и химических процессов выветривания (окисление, сорбция, гидратация, коагуляция) происходит с выделением энергии.

Физическое происходит главным образом в условиях сухого и жаркого климата и связано с резкими колебаниями температуры горных пород при нагревании солнечными лучами (инсоляция) и последующем ночном охлаждении; быстрое изменение объёма поверхностных частей пород ведёт при этом к их растрескиванию. В областях с частыми колебаниями температуры около 0°С механическое разрушение пород происходит под влиянием морозного; при замерзании воды, проникшей в трещины, объём ее увеличивается и порода разрывается. Химические и органические свойственны главным образом пластам с влажным климатом. Основные факторы химического -- воздух и особенно вода, содержащая соли, кислоты и щелочи. Водные растворы, циркулирующие в толще пород, помимо простого растворения, способны производить также сложные химические изменения.

Выветривание горных пород - сложный процесс, в котором выделяется несколько форм его проявления:

· 1-я форма - механическое дробление горных пород и минералов без существенного изменения их химических свойств - называется механическим или физическим выветриванием.

· 2-я форма - химическое изменение вещества, приводящее к превращению исходных минералов в новые - называется химическим выветриванием.

· 3-я форма - органическое (биологохимическое) выветривание: минералы и горные породы физически и главным образом химически изменяются под воздействием жизнедеятельности организмов и органического вещества, образующегося при их разложении.

Меры защиты от выветривания камня в конструкциях:

Непременным условием длительной службы каменных материалов в сооружениях является правильный их выбор с учетом эксплуатационной среды, химико-минералогического состава и структуры материала. Однако даже самые прочные породы, из которых выполнен материал, под непрерывным механическим и химическим воздействием атмосферных факторов и различных микроорганизмов разрушаются.

Основные причины выветривания природных каменных материалов в сооружениях: замерзание воды в порах и трещинах, вызывающее внутреннее напряжение; частое изменение температуры и влажности, вызывающее появление микротрещин; растворяющее действие воды и понижение прочности при водонасыщении; химическая коррозия под действием газов (О2, СО2 и др.), содержащихся в атмосфере, и веществ, растворенных в грунтовой или морской воде. Различные микроорганизмы и растения (мхи, лишайники), поселяясь в порах и трещинах камня, извлекают для своего питания щелочные соли и выделяют органические кислоты, вызывающие биологическое разрушение камня.

Стойкость материалов против выветривания тем выше, чем меньше их пористость и растворимость. Поэтому все мероприятия по защите каменных материалов от выветривания направлены на предохранение их от воздействия воды и на повышение поверхностной плотности. Эти меры могут быть конструктивными и химическими.

Конструктивно защиту конструкций от увлажнения осуществляют путем устройства надлежащих стоков воды, придания каменным материалам гладкой поверхности и такой формы, при которых вода, попадающая на них, не задерживается и не проникает внутрь материала.

К химическим мероприятиям относят создание на лицевой поверхности камня плотного водонепроницаемого слоя или ее гидрофобизацию.

Одним из способов повышения поверхностной плотности является флюатирование, при котором карбонатные породы пропитывают солями кремнефтористоводородной кислоты, например флюатами магния. В результате происходящей реакции:

2СаСО3 + MgSiF,, = 2CaF2 + MgF2 + SiOa + 2CO2

в поверхностных порах камня выделяются практически нерастворимые в воде фториды кальция и магния и кремнезем, уменьшая пористость и водопоглощение поверхностного слоя и несколько препятствуя загрязнению облицовки пылью.

Некарбонатные пористые породы предварительно обрабатывают водными растворами кальциевых солей, например хлористым кальцием, а после просушки -- содой, затем флюатом.

Гидрофобизация, т. е. пропитка пористого каменного материала гидрофобными (водоотталкивающими) составами, препятствующими проникновению влаги в материал, также повышает их стойкость против выветривания. Хорошие результаты дает пропитка кремнийорганическими жидкостями и другими полимерными материалами, а также, растворами парафина, стеарина или металлических мыл (алюминиевого, цинкового и др.) в легкоиспаряющихся органических растворителях (бензине, лаковом керосине и т.д.).[1]

Долговечность пористого камня значительно увеличивает пропитка его поверхностного слоя раствором мономера с последующей полимеризацией мономера в порах камня при термокаталитической или радиационной обработке.

Вопрос №2. Приведите химико-минералогический состав портландцементов и опишите процессы, протекающие при обжиге исходного сырья?

Для приготовления бетона в строительных конструкциях наиболее широко используют неорганические вяжущие вещества. Эти вещества при смешивании с водой под влиянием внутренних физико-химических процессов способны схватываться (переходить из жидкого или тестообразного состояния в камневидное) и твердеть (постепенно увеличивать свою прочность). Наиболее широкое применение в производстве бетона получил портландцемент. Портландцемент - гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде или на воздухе. Он представляет собой порошок серого цвета, получаемый тонким помолом клинкера с добавкой гипса. Клинкер - обожженная до спекания смесь, в которой преобладают силикаты кальция. Для получения цемента высокого качества необходимо, чтобы его химический состав сырьевой смеси были устойчивы. При помоле к цементному клинкеру можно добавлять до 20 % гранулированных доменных шлаков или активных минеральных добавок.

Его минералогический состав приближается к C3As.Вещества одного и того же химического состава в аморфном, стеклообразном и кристаллическом состоянии значительно различаются по своим свойствам.

Введение хлористого кальция в состав бетонной смеси повышает интенсивность нарастания прочности, и этот ускоритель применяют при необходимости бетонирования при пониженных температурах (в районах с температурой от --11 до --7° С) или при срочном ремонте.

В действительности это предположение делается на основе расчета состава товарных цементов; расчетный состав определяется по известному содержанию окислов в клинкере исходя из предположения о полной кристаллизации соединений в состоянии равновесия.

Наибольшая крупность заполнителя может быть различной, однако любой заполнитель содержит зерна неодинакового размера, распределение зерен по фракциям называют зерновым составом заполнителя.

Поэтому свойства заполнителей полностью зависят от свойств исходной горной породы, например химико-минералогического состава, петрографических характеристик, удельного веса, твердости, прочности, физико-химической стойкости, пористости и цвета.

Классификация по минералогическому составу помогает предварительной оценке свойств заполнителя, однако на ее основе нельзя точно предсказать целесообразность применения того или иного заполнителя в бетоне, поскольку универсальных минералов, наличие которых в заполнителе желательно во всех случаях, не существует.

В результате обжига при 1450С образуются следующие основные клинкерные минералы:

Алит, трех кальциевый силикат - состава 3CaO*SiO2 или C3S . Основной минерал, оказывающий влияние на качество цемента. Алит обладает свойствами быстротвердеющего гидравлического вещества высокой прочности. Цементы высоких марок и быстротвердеющие цементы изготавливают с повышенным содержанием трехкальциевого силиката. Содержание в цементе - 37-60%.

Белит, двух кальциевый силикат - состава 2СаО*SiO2 или C2S. Медленнотвердеющее гидравлическое вяжущее средней прочности. Цементы с повышенным содержанием белита медленно твердеют, однако прочность их нарастает в течение длительного времени и в возрасте нескольких лет, может оказаться достаточно высокой. Содержание в цементе - 15-37%.

Трех кальциевый алюминат - состава 3СаО*Al2O 3 или С3А. Минерал-плавень, главная задача которого понижение температуры спекания сырьевой смеси. Твердеет быстро, но имеет низкую прочность. Содержание в цементе - 5-15%.

Четырех кальциевый алюмоферрит - состава 4CaO*Al2O3*Fe2O3 или С4AF. Минерал-плавень. Твердеет быстрее силикатов, но медленнее алюмината. Содержание в цементе - 10-18%.

Сырьевую смесь приготовляют сухим или мокрым способом. В соответствии с этим различают и способы производства цемента -- сухой и мокрый. Важнейшим преимуществом сухого способа производства является не только снижение расхода теплоты на обжиг в 2 раза, чем при мокром, но и более высокие удельные съемы в печах сухого способа.

Обжиг сырьевой смеси чаще осуществляют во вращающихся печах, но иногда (при сухом способе) в шахтных.

Вращающаяся печь представляет собой сварной стальной барабан длиной до 185 м и более, диаметром до 5-7 м, футерованный изнутри огнеупорными материалами. Барабан уложен на роликах под углом 3-4° к горизонту и медленно вращается вокруг своей оси. Благодаря этому сырьевая смесь, загруженная в верхнюю часть печи, постепенно перемещается к нижнему концу, куда вдувают топливо, продукты горения которого просасываются навстречу сырьевой смеси и обжигают ее. Характер процессов, протекающих при обжиге сырьевой смеси, приготовленной по сухому и мокрому способам, по существу, одинаков и определяется температурой и временем нагревания материала в печи.

В зоне сушки поступающая в верхний конец печи сырьевая смесь встречается с горячими газами и постепенно при повышении температуры с 70 до 200°С (зона сушки) подсушивается, превращаясь в комья, которые при перекатывании распадаются на более мелкие гранулы. По мере перемещения сырьевой смеси вдоль печи происходит дальнейшее постепенное ее нагревание, сопровождаемое химическими реакциями.

В зоне подогрева при 200-700°С сгорают находящиеся в сырье органические примеси, удаляется химически связанная вода из глинистых минералов и образуется безводный каолинит Al2O3-2SiO2. Подготовительные зоны (сушки и подогрева) при мокром способе производства занимают 50-60 % длины печи, при сухом же способе подготовки сырья длина печи сокращается за счет зоны сушки.

В зоне декарбонизации при температуре 700-l 100 °С происходит процесс диссоциации карбонатов кальция и магния на CaO, MgO и СО2, алюмосиликаты глины распадаются на отдельные оксиды SiO2, A12O3 и Fe2O3 с сильно разрыхленной структурой. Термическая диссоциация СаСО3 -- этоэндотермический процесс, идущий с большим поглощением теплоты (1780 кДж на 1 кг СаСО3), поэтому потребление теплоты в третьей зоне печи наибольшее.

В зоне экзотермических реакций обжигаемая масса, передвигаясь, быстро нагревается от 1100 до 1300°С, при этом образуются более основные соединения:трех-кальциевый алюминат ЗСаО-А12О3(С3А), четырехкальциевый алюмоферрит 4CaO-Al2O3-Fe2O3(C4AF), но часть оксида кальция еще остается в свободном виде.

В зоне спекания при 1300-1450 °С обжигаемая смесь частично расплавляется. В расплав переходят С3А, C4AF, MgO и все легкоплавкие примеси сырьевой смеси. По мере появления расплава в нем растворяются и, вступая во взаимодействие друг с другом, образуют основной минерал клинкера -- трехкальциевый силикат, который плохо растворяется в расплаве и вследствие этого выделяется из расплава в виде мелких кристаллов, а обжигаемый материал спекается в кусочки размером 4-25 мм, называемые клинкером.

В зоне охлаждения (заключительная стадия обжига) температура клинкера понижается с 1300 до 1000°С, происходит окончательная фиксация его структуры и состава, включающего C3S, C2S, C3A, C4AF, стекловидную фазу и второстепенные составляющие.

По выходе из печи клинкер необходимо быстро охладить в специальных холодильниках, чтобы предотвратить образование в нем крупных кристаллов и сохранить в не-закристаллизованном виде стекловидную фазу. Без быстрого охлаждения клинкера получится цемент с пониженной реакционной способностью по отношению к воде.

После выдержки на складе 1-2 недели клинкер превращают в цемент путем помола его в тонкий порошок, добавляя небольшое количество двуводного гипса. Готовый портландцемент направляют для хранения в силосы и далее на строительные объекты.

Сухой способ производства цементазначительно усовершенствован. Наиболее энергоемкий процесс -- декарбонизация сырья -- вынесен из вращающейся печи в специальное устройство -- декарбонизатор, в котором он протекает быстрее и с использованием теплоты отходящих газов. По этой технологии сырьевая мука сначала поступает не в печь, а в систему циклонных теплообменников, где нагревается отходящими газами и уже горячей подается в декарбонизатор. В декарбонизаторе сжигают примерно 50 % топлива, что позволяет почти полностью завершить разложение СаСО3. Подготовленная таким образом сырьевая мука подается в печь, где сжигается остальная часть топлива и происходит образование клинкера. Это позволяет повысить производительность технологических линий, снизить топливно-энергетические ресурсы, примерно вдвое сократить длину вращающейся печи, соответственно улучшить компоновку завода и занимаемой им земельной территории.[4]

Вопрос№3. Охарактеризуйте химический состав, структуру нефтяных битумов и назовите основные группы углеродов входящих дорожно вязкие битумы?

Битум -- это продукт черного цвета с плотностью около единицы, с низкой тепло- и электропроводностью. Он прекрасно противостоит воздействию различных химических реагентов, водо- и газонепроницаем, устойчив к действию различных видов радиации и длительному тепловому воздействию. Именно такие ценные качества битумов в сочетании с низкой стоимостью и массовым производством сделали их незаменимыми во многих областях хозяйства.

Будучи веществом аморфным, битум не имеет температуры плавления. Переход от твердого состояния к жидкому характеризуется температурой размягчения, которая обычно определяется по методу «кольца и шара». Битумы не растворимы в воде, полностью или частично растворимы в бензоле, хлороформе, сероуглероде и др. органических растворителях; плотностью 0,95--1,50 г/см3.

нефтяные битумы по способу производства делятся на остаточные, окисленные и компаундированные. Остаточные битумы - мягкие легкоплавкие продукты, окисленные - эластичные и термостабильные. Битумы, получаемые окислением крекинг-остатков, содержат большое количество карбенов и карбоидов, которые нарушают однородность битумов и ухудшают их цементирующие свойства.

Химический состав битумов:

C - 84...87 %,

N до 0,2 %,

H - 12...14 %,

O до 10 %,

S - 0,01...7 %.

Групповой состав битумов.

Перечень найденных в битумах углеводородов состоит из более 300 наименований. Выделить же индивидуальные углеводороды из битумов весьма сложно. Поэтому для исследования структуры и свойств битумов пользуются, так называемым, групповым составом, т.е. выделяют отдельные группы углеводородов с более или менее сходными свойствами.

Масла - жидкие при обычной температуре улеводороды с плотностью меньше 1 г/см3. Содержание их в битуме - 40-60 %. Масла определяют подвижность и текучесть битума.

Смолы - легкоплавкие вязкопластичные вещества твердые или полутвердые при обычной температуре с плотностью около 1 г/cм3. Содержатся в битуме в количестве 20-40 %, определяют эластичность и растяжимость вяжущего.

Асфальтен - твердые неплавкие вещества с плотностью немного более 1 г/см3. Содержатся в битуме в количестве 10-25 %, определяют процессы структурообразования, повышают вязкость и температуроустойчивость битума.

Асфальтогеновые кислоты и их ангидриды - густой смолистой или масляной консистенции вещества с плотностью более 1 г/см3. Содержатся в битуме в количестве 1 %, за счет присутствия в них большого количества гетероатомов определяют интенсивность прилипания вяжущего к каменным материалам.

Карбены и карбоиды- твердые вещества. Содержатся в основном в крекинг-битумах в количестве 1-2 %, повышают вязкость и хрупкость битума.

Парафин - твердое вещество, при содержании его более 3,5% снижается растяжимость , ухудшается структура и повышается температура затвердевания битума.[1]

Малейшие изменения в исходном сырье и технологии его переработки ведут к изменению состава битума и его свойств.

Вопрос №4.Что такое асфальтобетон: классификация по ГОСТ?

Асфальтобетон -- искусственный строительный материал, полученный в результате уплотнения и специально приготовленной смеси (асфальтобетонной смеси) минерального материала (щебня, песка, минерального порошка) и битума. В РФ требования к асфальтобетону и асфальтобетонной смеси изложены в ГОСТ 9128.

Асфальтобетонную смесь приготовляют смешением в смесительных установках в нагретом состоянии щебня (гравия), природного или дробленого песка, минерального порошка и нефтяного дорожного битума, взятых в соотношениях, определяемых требованиям и настоящего стандарта.

Классификация Асфальтобетонной смеси подразделяют на щебеночные, гравийные и песчаные.

Смеси в зависимости от вязкости битума и условий применения подразделяют на виды:

горячие -- приготовляемые с использованием вязких битумов и применяемые непосредственно после приготовления с температурой не ниже 120 °С;

теплые -- приготовляемые с использованием как вязких, так и жидких битумов и применяемые непосредственно после приготовления с температурой не ниже 70 °С;

холодные -- приготовляемые с использованием жидких битумов, допускаемые к длительному хранению и применяемые с температурой не ниже 5 °С.

Горячие и теплые смеси в зависимости от наибольшего размера зерен минеральных материалов подразделяют на:

крупнозернистые -- с зернами размером до 40 мм;

мелкозернистые » » » » 20 мм;

песчаные » » » » 5 мм.

Холодные смеси подразделяют на мелкозернистые и песчаные.

Асфальтобетоны из горячих и теплых смесей в зависимости от значения остаточной пористости подразделяют на:

плотные с остаточной пористостью от 2 до 7% включ.;

пористые с остаточной пористостью св. 7 до 12% включ.:

высокопористые с остаточной пористостью св. 12 до 18% включ.

Щебеночные и гравийные смеси в зависимости от содержания в них щебня или гравия, и песчаные смеси, в зависимости от вида песка подразделяют на типы, указанные в табл. 1.

Горячие и теплые смеси типа А в зависимости от качественных показателей подразделяют на две марки: I и II, типов Б, В и Г -- на три марки: I, II и III, типа Д -- на две марки: II и III.

Холодные смеси типов Бх и Вх подразделяют на две марки: I II, типа Гх могут быть только I марки, типа Дх -- только II марки.

Горячие и теплые смеси для пористых и высокопористых асфальтобетонов подразделяют на две марки: I и II.

Вопрос№5. Задача 1. Во сколько раз пористость камня А отличается от пористостости камня В, сели известно,что истинная плотность обоих камней практически одинакова и составляет 2,72 г/см3, но средняя плотность камня А на 20 %о больше, чем камня В, у которого водопоглощение по объёму а 1,8 раза больше поглощения по массе?

Решение.

Исходя из того, что у камня В водопоглощение по объему больше в 1,8 раза,чем у камня А, то можно сделать вывод что,средняя плотность камня

А = 1,8 г/см3.

Находим среднюю плотность камня Б: 1,8 + (1,8 * 0,2) = 2,16 г/см3.

Вычислим по формуле плотность камней А и Б.

Вм = ( тнас. ? тсух. ) / 100%

Па=(1-1,8/2,72)*100%=33,8%

Пб=(1-2,16/2,72)*100%=20,6%

Отличие пористости камня А от камня Б составляет:

с м = Во / Вм =20,6/33,8=0,61 раза.

Ответ: Пористость камня А больше плотности камня Б.

Заключение

Выветривание горных пород - это процесс разрушения и химического изменения горных пород под влиянием температуры, химического и механического воздействия на них атмосферы, воды и организмов.

Все мероприятия по защите каменных материалов от выветривания направлены на предохранение их от воздействия воды и на повышение поверхностной плотности. Эти меры могут быть конструктивными и химическими.

Конструктивные защищают конструкций путем устройства надлежащих стоков воды, придания каменным материалам гладкой поверхности и такой формы, при которых вода, попадающая на них, не задерживается и не проникает внутрь материала.

К химическим относят создание на лицевой поверхности камня плотного водонепроницаемого слоя или ее гидрофобизацию. т. е. пропитка каменного материала гидрофобными (водоотталкивающими) составами, препятствующими проникновению влаги в материал, также повышает их стойкость против выветривания.

Портландцемент -- продукт тонкого измельчения клинкера, получаемого обжигом до спекания, т. е. частичного плавления сырьевой смеси, обеспечивающей преобладание в нем высокоосновных силикатов кальция.

Технология портландцемента в основном сводится к приготовлению сырьевой смеси надлежащего состава, ее обжигу до спекания и помолу в тонкий порошок. Сырьевую смесь приготовляют сухим или мокрым способом. Важнейшим преимуществом сухого способа производства является не только снижение расхода теплоты на обжиг в 2 раза, чем при мокром, но и более высокие удельные съемы в печах сухого способа.

Мокрый способ изготовления цементного вяжущего используют в том случае, когда свойства компонентов не позволяют применить сухой способ более экономный и рациональный. Мокрый метод заключается в измельчении и перемешивании сырьевых материалов, усреднении и корректировании смеси при воздействии некоторого количества воды.

Асфальтобетон -- искусственный строительный материал, полученный в результате уплотнения рационально подобранной и специально приготовленной смеси минерального материала (щебня, песка, минерального порошка) и битума.

Нефтяные битумы представляют собой твердые, вязкопластичные или жидкие продукты переработки нефти. По химическому составу битумы -- сложные смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных азота, кислорода и серы, полностью растворимые в сероуглероде. Для исследования битумов их разделяют на основные группы углеводородов -- масла, смолы, асфальтены, асфальтогеновые кислоты и их ангидриды. Структура битума подразделяется на три типа.

Структура I типа.К первому структурно-реологическому типу относят битумы, скорость сдвига которых при постоянном напряжении подчиняется закону Ньютона выветривание горный портландцемент битум

Структура II типа.Разбавленная суспензия асфальтенов в структурированной солями дисперсионной среде.В битумах второго типа асфальтены не связаны друг с другом и не взаимодействуют. Такие битумы имеют узкий интервал пластичности, не тиксотропны, резко изменяют вязкость при нагревании.Их получают незначительным доокислением гудрона после глубокого отбора из него масляной фракции.

Структура битумов третьего типа определяется взаимосопряженными сетками отдельных агрегатов асфальтенов и адсорбированных на их поверхности тяжелых смол, пронизывающих весь объем системы.Битумы третьего типа более предпочтительны для приготовления асфальтовых бетонов и других битумоминеральных смесей.

Размещено на Allbest.ru