![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Природные каменные материалы 8 страница
Находящиеся в растворе пары Ионов соединяются в молекулы, вторые оказываются достаточно устойчивыми к диссоциации. Ре-кции становятся необратимыми с образованием новых, сравни-льно стабильных соединений (твердых веществ). Часть новых об-а.чующихся соединений нерастворима в воде, ассоциации их моле-ул соединяются в более крупные скопления и выпадают в кри-аллнческий или аморфный осадок. При благоприятных условиях Нападение нерастворимого осадка может продолжаться до тех пор,: ока не израсходуются все взаимодействующие между собой ионы. роме нерастворимых химических новообразований, в результате онных реакций могут выделяться растворимые соли или основа-ия и тогда они накапливаются в растворе до стадии насыщения. Кристаллы и кристаллогидраты выделяются не только в ре-ультате химических реакций, но и в связи с пересыщением раст-оров, в которых они становятся менее растворимыми, чем исход-ые вяжущие вещества. Сначала в растворе выделяются микроза-одыши, которые в последующий период самопроизвольно крупняются до размеров кристалликов. Одновременно могут дей-твовать и другие внешние факторы, способствующие кристаллиза-ии из пересыщенных растворов: испарение воды, присутствие до-авок— понизителей растворимости, понижение температуры и т. п. ни благоприятствуют переходу жидкой метастабильной системы более устойчивые кристаллические и относительно устойчивые гелеобра'зные) фазы. Образование кристаллов из ионов, атомов и молекул всегда сопровождается выделением энергии кристаллических решеток. От ее суммарной величины зависят упругость " ормирующихся твердых кристаллов и агрегатов, а также проч-сть, твердость, растворимость и другие свойства. Та часть ве-еств, которая не успевает перейти в стабильное кристаллическое стояние и остается в виде гелевой фазы, обладает большой внут-нней энергией и меньшей устойчивостью структуры. По этой кинетической схеме твердеют портландцемент, глинозе-истый цемент, гипсовые и другие неорганические вяжущие ве-цества. Процессы их отвердевания в результате взаимодействия с юдой определяют обычно как гидролиз, т. е. как реакцию обменного разложения водой и как гидратацию, т. е. взаимодействие ио-Йов с полярными молекулами воды, с появлением новых — гидратных соединений. При твердении портландцемента (клинкерной его части) алит следствие гидролиза выделяет два гидратных соединения — кислую соль и основание, а именно: Ca3Si05 + 5H20=CaH8Si08 + -т-Са (ОН)ф-< £ г растворе, кров1#'; %Я^>. накапливаются гидро& сильнь*' Белит, имеющий сравнительна малую внутреннюю энергию > и отличащуюся поэтому слабой диссоциацией молекул в водной среде, в результате присоединения нескольких молекул воды образует Ca2H8Si08. Трехкальциевый алюминат '-(CaeAljOe) в провесе взаимодействия с водой образует осадО$; * виде кубических*|фисталлов кислой соли Ca2Hi2Al20, 2. Это новообразование имеете обратимый характер, так как может сравн! |! Я£ Льно легко растворяться с. расщеплением молекул кислой солнн» отдельные ионы и с выделением больших количеств теплоты (я«И! ра«нению с теплотой, выделяемой при диссоциации других минералов клинкера). Гидратные новообразования возникают и при взаимодействии четвертого компонента клинкера — четырехкальциевого алюмофер-рита (Ca4Al2Fe20io) с водой. Под влиянием гидролиза образуются кислые соли СазН^АЬО^аНзРезОб. В среде с значительным содержанием в ней основания Са(ОН)2 кислая соль (однокальциевый гидроферрит —CaHaFe^Os) вступает в химическую реакцию: CaH2Fe205-f 3Ca(OHh-M6HaO с образованием нового гидратного соединения СачН28Ре20з1. Присутствующий в водной среде сульфат кальция (Са2++ -(-SCV-), добавлявшийся в виде гипса при помоле портландцемент-ного клинкера, участвует в формировании комплексного соединения— гидросульфоалюмината кальция (эттрингита), имеющего ярко выраженную форму крупных кристаллогидратов. Более удобной и общепринятой формулой записи состава эттрингита является: 3CaO-Al203-3CaS(V31HaO. В результате процесса гидролиза и гидратации портландцемент-ного клинкера в системе формируются новые кристаллические, а также амортизированные гидратные фазы. Особенно широко представлены в системе гидросиликаты кальция. Их высокодисперсные субмикрокристаллы волокнистой формы с размером менее 1 • 10~8 м в ранние и до 1 • Ю-7 м в более поздние сроки твердения составляют гелевую часть отвердевшего вяжущего вещества цементного камня. Только относительно крупные микрокристаллы гидрооксида кальция, гидроалюминатоа и эттрингита достигают значительных размеров (более 0, 5 мкм). Их можно наблюдать в микроскопе (с увеличением до 2000), тогда как частицы гидросиликатов обнаруживаются лишь с помощью электронного микроскопа и рентгено-структурного анализа. Таким образом, к завершающему этапу второй стадии твердения портландцементного клинкера формируется кристаллическая (сросшиеся между собой кристаллогидраты) и гелевая части цементного камня. Последний обладает определенной микроструктурой, составом и свойствами. Сростки кристаллогидратов в этой формирующейся микроструктуре образуют либо непрерывную пространственную сетку, как остов цементного камня, либо они более 204 ш менее равномерно распределены j* гелевой части. Гидрое*глика* К занимают в ней примерно 70...75% общего объема. Кроме того, На имеет тончайшие гелевые поры Диаметром (15...30) -10-10 м, ЯВнтракционные — от 0, 01 до 0, 1 мкм, аозникшие вследствие усадки Шн образовании новых химических соединений, капиллярные — Вазмером от 0, 1...0, 5 до 50 мкм и более, оставшиеся от испарения В|ободной воды, физических усадочных явлений. К В сформировавшемся цементном камне, даже после большого Юрок а его твердения, сохраняются не полностью гидратированные истицы клинкера, рассредоточенные среди гидратных новообразований. Нормальному процессу электролитической диссоциации этих ■ астиц клинкера могли помешать более крупный размер частиц, ■ Ограниченное количество воды, введенной в тесто: чем меньше жид-ЁСон среды, тем труднее проходит диссоциация; экранирующие твердые оболочки из новообразований, осаднвшихся на поверхности ча-Ктиц цемента, что затруднило диффузию воды к новым поверхностям частиц цемента, и т. п. i В упрочнении цементного камня с уплотнением его пор может Участвовать углекислый газ: Са(ОН)2+С02=СаС03+Н20. Образующаяся соль углекислого кальция практически нерастворима в роде, а ее кристаллы заполняют поры, особенно в поверхностных ■ Слоях цементного камня, так как в процессе карбонизации объем кгвердой фазы увеличивается на 10...11%.. с Под влиянием процессов отвердевания цементного теста на вто-frpoii стадии принятое количество воды уменьшается, тогда как маска твердой фазы возрастает за счет гидратных новообразований. Шасть воды переходит в кристаллизационную, другая — в цеолнт-уиую*, а некоторая доля воды находится в пленочном и свободном [(объемном) состояниях. | Аналогичные явления обменных реакций с образованием новых ггидратных соединений происходят также при взаимодействии с во-£ дой или водным раствором соли других неорганических веществ. ^Схема процессов на второй стадии их отвердевания остается преж-|ней: формирование кристаллогидратов в условиях насыщенных ра-; -створов с выделением: при глиноземистом цементе — СазНиАЬОм. чему всегда способствует повышенный водородный показатель среды рН; при извести — Са (ОН) 2; при гипсовых вяжущих веществах— CaS04-2H20; при магнезиальных вяжущих веществах — 3MgOMgCl2H20. Кроме основной части —кристаллической фазы— сохраняются в некотором количестве метастабильные фазы, [не успевшие принять устойчивое (кристаллическое) состояние, что •аналогично формированию микроструктуры портландцементного камня. Таким образом, тесто, получаемое при объединении каждого неорганического вяжущего вещества с водой (или зодным раствором * ЦеолнтноЙ называется вода, которая размещается в пустотах между 'ионами или слоями ионов, удерживаясь вследствие поляризационной взаимосвязи ее молекул. соли), переходит из вязкошн& тичного в твердое камневиДное вещество. В нем упорядочена микроструктура за счет образования кристаллической фазы; в достаточной мере устойчивой (в заданных условиях) является и другая, гелевая часть. Но отвердевшее кам-невидное вещество еще в течение длительного времени (иногда многие годы) способно при благоприятных условиях к процессам дальнейшего упорядочения структуры и ее уплс*№ения. у.;, ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ. - 1. На какие виды делят неорганические вяжущие вещества? Область их применения. 2. Какова технология производства воздушной извести? 3. Производство строительного гипса, его свойства и применение. Чем отличается высокопрочный гипс от строительного? 4. Сухой и мокрый способы производства портландцемента. 5. Каков химяко-минералогический состав клинкера портландцемента и от чего он зависит? 6. Основные свойства портландцемента. 7. Сущность теории твердения, портландцемента и других вяжущих веществ, в. Виды коррозии цементного камня и меры борьбы с коррозией. 9. Что такое пуццола-новый портландцемент, его свойства и область применения? 10. Расскажите о шлаковом портландцементе и других шлаковых цементах. 11. Глиноземистый цемент, его свойства и применение. 12. Расширяющиеся цементы, области их применения. 8.2. Органические вяжущие вещества, физико-химические основы их производства и применения Органические вяжущие вещества представляют собой природные или искусственные твердые, вязкопластичные или жидкие (при комнатной температуре) продукты, способные изменять свои физико-механические свойства в зависимости от температуры. По химическому составу это либо сложные смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных серы, азота, кислорода (битумы и дегти), либо карбоцепные и гетероцепные соединения, состоящие в основном из атомов углерода в сочетании с атомами водорода, азота, серы, кислорода и кремния (полимеры). Органические вяжущие вещества разделяют на три основные группы: битумы природные и нефтяные; дегти каменноугольные, сланцевые, торфяные и древесные; полимеры полимеризационные и поликонденсационные (см. § 8.3). В единой классификации строительных конгломератов органические вяжущие вещества располагаются в группе безобжиговых материалов и характеризуются следующими общими признаками: 1. Химический состав их представлен органическими соединениями и все они относятся к продуктам химической переработки природного или синтетического сырья, в основном нефти, каменного угля, горючих сланцев, торфа, древесины, природных газов, неф-тегаза, мономеров и т. п. 2. Для получения матрицы (в конгломерате) требуется, чтобы вяжущие вещества обладали заданной консистенцией, обеспечивающей образование тонкой пленки на поверхности заполнителя ли нагюлнителя, что достигают разными способами — нагревани-м, растворением, эмульгированием и т. п. 3. Они имеют хорошую адгезию к заполнителям (наполните- акро- и микроконгломераты, относящиеся, как и вяжущие, к груп-ё безобжиговых материалов. 4. В той или иной мере они являются гидрофобными и придают одоотталкивающие свойства материалам. 5. Хорошо растворяются в органических растворителях — бензо-е, бензине, керосине, толуоле и других, за некоторым исключени- , когда только набухают. 6. Многие органические вяжущие вещества имеют склонность к зменению своих первоначальных свойств под воздействием кисло-ода воздуха, ультрафиолетовых лучей, повышения температуры, юлнечной радиации и некоторых других факторов. 7. Практически все они способны гореть, некоторые из них ток-ичны. При отверждении в присутствии минеральных заполнителей -(наполнителей) органические вяжущие вещества образуют асфальтовые или полимерные конгломераты и подобно другим имеют заполняющую часть, вяжущее вещество, контактную зону и поры. Шри этом вяжущая часть в них может рассматриваться как своеобразный микроконгломерат, активно участвующий в формировании ^макроструктуры. Строительные материалы и изделия с конгломератным типом структуры в виде асфальто- и дегтебетонов и растворов, пластических масс и других при оптимальной структуре подчиняются основным законам общей теории ИСК. I Битумы нефтяные, состав, структура и свойства. Нефтяные би-|тумы представляют собой твердые, вязкопластичные или жидкие рродукты переработки нефти. По химическому составу битумы — ксложные смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметал-Цлических производных азота, кислорода и серы, полностью растворимые в сероуглероде. Элементарный состав битумов (% по мас-Ьсе): углерода — 70...80, водорода—10...15, серы — 2...9, кислорода—1...5 и азота 0...2. Для исследования битумов их разделяют на основные группы углеводородов (близкие по свойствам) — *масла, смолы, асфальтены, асфальтогеновые кислоты и их ^.ангидриды. Г Масла — смесь циклических углеводородов (в основном нафтенового ряда) светло-желтой окраски с плотностью менее 1 и молекулярной массой 300...500; повышенное содержание масел в биту-'■ мах придает им подвижность, текучесть. Количество масел в биту-: мах колеблется в пределах 45...60%. Смолы — вязкопластичные вещества темно-коричневого цвета с плотностью около 1 и молекулярной массой до 1000. Смолы имеют более сложный состав углеводородов, нежели масла. Они состоят в основном из кислородных гетероциклических соединений нейтрального характера и придают битумам большую тягучесть и эластичность. Содержание смол в битумах находится в пределах Асфальтены и их модификации (карбены и карбоиды) —твердые, неплавкие вещества с плотностью несколько больше 1 и молекулярной массой 1000...5000 и более. Эта группа углеводородов является существенной составной частью битумов,.. Повышенное содержание асфальтенов в битуме определяет егфлВысокие вязкость и температурную устойчивость. Общее содержание асфальтенов в различных битумах составляв 5...30% и более. ~- Карбены и карбоиды встречаются в битумах'Сравнительно редко в малом количестве (1.«.2%) и способствуют повышению хрупкости битума. Асфальтовые кислоты и-их ангидриды — вещества коричневатого цвета смолистой консистенции с плотностью более 1. Они относятся к группе полинафтеновых кислот и могут быть не только вязкими, но и твердыми^, Асфальтогеновые кислоты являются поверхностно-активной частью битума и способствуют повышению сцепления его с поверхностью минеральных заполнителей. Содержание их в нефтяных битумах составляет около 1 %• Вышеуказанные группы углеводородов битума образуют сложную дисперсную систему — коллоидный раствор, в котором жидкая среда — это масла и раствор смол в маслах, а твердая фаза представлена асфальтенами, на поверхности которых адсорбированы асфальтогеновые кислотьь Масла, смолы и асфальтены входят в состав битумов в различных соотношениях и тем самым предопределяют их структуру. В зависимости от количественного содержания масел, смол и асфальтенов (а также от температуры нагрева) коллоидная структура битума — «гель», «золь», «зольгель» претерпевают изменения от типа «золь» до типа «гель». Структура гель — характерна для твердых битумов при температуре 20...25°С и обусловливается обычно повышенным содержанием асфальтенов. Структура золь присуща битумам жидкой консистенции с повышенным содержанием смол и масел. Важнейшими свойствами битумов, характеризующими их качество, являются вязкость, пластичность, температуры размягчения и хрупкости; кроме того, следует отметить высокую адгезию, обусловливающую способность битумов сцеплять в монолит минеральные зерна заполнителей; они способны также придавать гидрофобные свойства материалам, обработанным битумом. Основной характеристикой структурно-механических свойств битумов является вязкость, зависящая главным образом от температуры и группового состава. Вязкость — сопротивление внутрен них слоев битума перемещению относительно друг друга. Для многих битумов вязкость непостоянна и уменьшается с увеличением напряжения сдвига или градиента скорости деформации. При повышении температуры вязкость снижается, при ее понижении вяз-кость быстро возрастает, а при отрицательных температурах битум становится хрупким. Н Для измерения структурной вязкости применяют различные р^рнборы, позволяющие определить вязкость в абсолютных единицах Mfla-c) или выразить ее в условных единицах. Для характеристики (•'.резкости, точнее величины обратной вязкости, т. е. текучести биту-/нов, принимается условный показатель—глубина проникания иг-^лы в битум (пенетрация). Глубину проникания иглы в битум опре-* деля ют на приборе — пенетрометре (рис. 8.4) при действии на иглу ' груза массой 100 г в течение 5 с при температуре 25°С или 0°С ■ t при грузе 200 г в течение 60 с. Пенетрация твердых или вязких би~ j" тумов выражается в единицах (градусах), равных 0, 1 мм проника-/ ния иглы в битум. Чем больше вязкость, тем меньше проникание \ иглы в битум. J Пластичность является важным свойством битумов. Она i; повышается с увеличением содержания масел, длительности дей-t ствия нагрузки и повышения температуры. Пластические свойства; твердых и вязких битумов условно характеризуются растяжимо- \ стью (дуктильностью) —способностью вытягиваться в тонкие нитн | под действием внешних постоянных сил. Растяжимость определяют [на специальном приборе — дуктилометре (рис. 8.5) при скорости деформации образца битума в виде «восьмерки» 5 см/мин, температурах испытания 25 и 0°С. Показателем растяжимости служит; длина нити в момент разрыва образца, выраженная в сантиметрах. Пластические свойства битума зависят от температуры, группового состава и структуры. Так, например, с повышением содер-| жания смол и асфальтенов пластичность при постоянной темпера-! туре битумов возрастает. | Существенной характеристикой свойств битума является также и температура размягчения, определяемая на приборе «кольцо и шар» («К и Ш»). Температура размягчения битума, выраженная в градусах Цельсия, соответствует температуре водяной бани в стакане прибора (рис. 8.6) в момент, когда битум, имеющийся в латунном кольце (диаметр 16, 0 мм), деформируясь под воздействием металлического шарика массой 3, 5 г и постепенного нагрева воды; со скоростью 5°С в минуту, коснется нижней полки подставки, ■ Нижняя полка подставки прибора находится на стандартном рас- \ стоянии от кольца, равном 25 мм. Температура размягчения вязких ) и твердых битумов колеблется в, пределах от 20 до 95°С. I Для характеристики тепловых свойств битумов кроме темпера-[ туры размягчения определяют температуру хрупкости. ' Температуру хрупкости битума определяют на специ-;. альном приборе Фрааса (рис. 8.7). Для этой цели испытуемый битум наносят тонким слоем на латунную пластинку, которая вместе: с битумом может охлаждаться и изгибаться с помощью приспособления, имеющегося на приборе. За температуру хрупкости принимают ту температуру, при которой на тонком изгибаемом слое битума образуется первая трещина. Температура хрупкости, например, дорожных битумов может быть от —20 до +5°С. Очевидно, что чем
Рис. 8.4. Автоматический пенетрометр для определения глубины проникания иглы в битум: 1— окуляр для наблюдения за отсчетами; 2 — автоматическое устройство для погружения иглы в битум; 3~~ игла со стержнем; 4 — кристаллизатор с водой; 5 — установочный столвк; в —подставка; 7 — чашечка с битумом Рис. 8.6. Прибор «Кольцо и шар» для определения температуры размягчения битума: I — стеклянный сосуд; 2 — термометр; 3 — подставка стандартная; 4 —- кольцо н шар; 5 — начальное положение шара до нагрева; 6 — газовая горелка; 7—штатив; в —положение шара в момент нагрева * ниже температура хрупкости битума, тем больше его морозостой-I кость и выше качество. < JLe^nepaTypa вспышки-температура, при которой пары,. бракующиеся при нагревании битума в открытом тигле, воспламеняются от поднесенного пламени. Температуру вспышки определяет на стандартном приборе (рис. 8.8) и отмечают по показанию-гермометра в момент вспышки паров битума. Температура вспыщ- 1ки твердых и вязких битумов обычно выше 200°С и характеризует
—Я----- tS' ' м------ И----- Й---- " 2Г------- " *\ \Щ-
......... " * Рис. 8.7. Прибор для определения температуры хрупкости (отвердевания) битума: / — механизм для нэгнбання пластинки с битумной пленкой; 2 —двойная трубка; 3 — стеклянный стакан; 4~ наружная пробирка; 5, fi —латунная-пластинка Рис. 8.8. Стандартный прибйр для определение температуры вспышки: 1 — песчаная баня; 2 — тигель- 3 —
■ с? £ 2Ь Рис. 8.5. Схема дуктнлометра и формы «восьмерок» для битума Существенной особенностью битумов является их высокая адгезия—прилипание к поверхности различных минеральных и органических материалов. Для определения адгезии существует много методов и приборов. Одним из них является визуальный метод раз работанныи СоюзДорНИИ, по которому степень прилипания биту-
Таблица 8.3. Ь Битумы нефтяные дорожные (БНД) (ГОСТ 22245-76)
2. Битумы нефтяные строительные (ГОСТ 6617—76)
3. Битумы нефтяные кровельные (ГОСТ 9548—74)
плохое прилипание, оцениваемое в один балл, когда пленка битума после кипячения полностью смещается с минеральных зерен и всплывает на поверхность воды. В зависимости от показателей основных свойств, особенно вязкости, пластичности и температуры размягчения, нефтяные битумы делятся на марки (табл. 8.3): ^1. Для дорожного строительства по ГОСТу предусмотрены пить арок от БНД (битум нефтяной дорожный)-200/300 до БНД-40/60, дв цифры дроби указывают на допустимые для данной марки пределы изменения показателей пенетрации при 25°С и четыре марки 'Н от 200/300 до БН-60/90.
2. Для строительных работ по ГОСТу предусмотрено три марки, Н-90/10, где цифры числителя гюби соответствуют показателю мпературы размягчения по «К Ш» (кольцо и шар), а знаме-ателя — указывают на средние начения пределов изменения пе-етрации при 25°С. 3. Для кровельных работ по Ш», а знаменатель — среднему начению показателей пенетра-ии на 25°С.
Кроме твердых и вязкопла-тнчных битумов указанных ма-ок существуют жидкие битумы. идкие битумы при комнатной 'емпературе имеют незначитель-: ую вязкость, т. е. жидкую кон-истенцию, и применяются в троительстве в холодном или егка подогретом (до 50...60°С) состоянии. Важнейшими характеристиками жидких битумов являются их язкость, фракционный состав и температура вспышки, Вязкость жидких битумов определяют с помощью тандартного вискозиметра и выражают временем истечения (в секундах) 50 мл испытуемого материала при определенной темпера-уре и заданном диаметре отверстияприбора. В нашей стране приято определять вязкость битумов при температуре 60°С и диамет-е отверстия истечения испытуемого материала 5 мм. Обычно вяз-ость в секундах обозначают буквой С и записывают в виде С5ю (рис. 8.9)f
|