ХИМИЧЕСКИЕ свойства строительных материалов.

Химические свойства характеризуют способность материала вступать в химическое взаимодействие с веществами внешней среды, в которой он находится, или сохранять свой состав и структуру в условиях инертной окружающей среды. Последнее связано с тем, что некоторые материалы за счет неустановившегося равновесия внутренних химических связей склонны к самопроизвольным структурным изменениям («старению»). Оба явления могут изменить первоначальные основные свойства материала, иногда улучшая (например, взаимодействие вяжущих веществ с водой), а в большинстве случаев ухудшая показатели свойств, что приводит к уменьшению срока нормальной службы конструкций или сооружений (например, разрушение бетонных конструкций агрессивными жидкостями и газами, старение пластмасс).

Некоторые из этих свойств (растворимость, кристаллизация) известны студентам из курса химии, другие (твердение, старение, контракция, стойкость против гниения, горючесть, температура размягчения, скорость отверждения) будут описаны в соответствующих разделах книги. Здесь же ограничимся лишь описанием кратких сведений о дисперсности, адгезии, реологических свойствах и химической стойкости материалов.

Дисперсность — характеристика размеров твердых частиц и капель жидкости. Многие строительные материалы (гипсовые вяжущие, цемент, глины, пигменты и т. п.) находятся в тонкоизмельченном (дисперсном) состоянии и обладают большой суммарной поверхностью частиц. Величина, характеризующая степень раздробленности материала и развитости его поверхности, называется удельной поверхностью sye — поверхность единицы объема (см2/см3) или массы (см2/г) материала.

Физико-химические свойства поверхностного слоя дисперсных частиц сильно отличаются от свойстк этого же вещества «в массе». Причина этого в том, что атомы (молекулы) вещества, находящиеся внутри материала, уравновешены действием окружающих атомов (молекул), в то время как атомы (молекулы) на поверхности вещества находятся в неуравновешенном состоянии и обладают особым запасом энергии. С увеличением удельной поверхности вещества возрастает его химическая активность (например, цемент с удельной поверхностью 3000...3500 см2/г через 1 сут твердения связывает 10... 13 % воды, а с удельной поверхностью 4500...5000 см2/г — около 18 %).

Адгезия — свойство одного материала прилипать к поверхности другого. Адгезия двух различных материалов зависит от природы материала, формы и состояния поверхности, условий контакта и т. д. Она появляется и развивается в результате сложных поверхностных явлений, возникающих на границе раздела фаз, и характеризуется прочностью сцепления при отрыве одного материала от другого. Важное значение адгезионные свойства имеют при получении композиционных материалов и изделий (бетонов разных видов, клееных изделий и конструкций, отделочных материалов).

Многие строительные материалы в процессе их изготовления и применения проходят стадию пластично-вязкого состояния (гипсовое, цементное, глиняное тесто, свежеприготовленные растворные и бетонные смеси, мастики, формуемые материалы из полимеров и т. д.). По своим физическим свойствам пластично-вязкие тела занимают промежуточное положение между жидкими и твердыми телами. Так тесто можно разрезать ножом (что нельзя сделать с жидкостью), но вместе с тем это же тесто принимает форму сосуда, в который оно помещено, т. е. ведет себя, как жидкость. Пластично-вязкие смеси характеризуют реологическими показателями — структурной прочностью, вязкостью и тиксотропией.

Структурная прочность — прочность внутренних связей между частицами материала. Ее оценивают предельным напряжением сдвига, соответствующим напряжению в материале, при котором он начинает течь подобно жидкости (от). Это происходит тогда, когда в материале нарушаются внутренние связи между его частицами — разрушается его структура.

Вязкость — способность материала поглощать механическую энергию при деформировании образцов. Когда пластично-вязкий материал начинает течь, напряжения в материале зависят уже от скорости его деформации. Коэффициент пропорциональности, связывающий скорость деформации и необходимое для этого напряжение, называют вязкостью ц (Па-с).

Модель упругопластично-вязкого материала можно представить себе как систему последовательно соединенных элементов: пружины (характеризует упругие свойства материала), груза, лежащего на плоскости (пластические свойства), и поршня, движущегося в цилиндре с маслом (вязкость). Если начать тянуть за пружину с возрастающей силой F, то сначала растягивается пружина, а остальные элементы остаются в покое (если силу убрать, система вернется к исходному состоянию). Когда сила F станет равной силе трения Fo, то вся система начнет двигаться. При этом, чтобы увеличить скорость движения, надо преодолеть возрастающее сопротивление масла в поршне, т. е. увеличить силу F.

Тиксотропия — способность пластично-вязких смесей обратимо восстанавливать свою структуру, разрушенную механическими воздействиями. Физическая основа тиксотропии — разрушение структурных связей внутри пластично-вязкого материала, при этом материал теряет структурную прочность и 'Превращается в вязкую жидкость, а после прекращения механического воздействия материал обретает структурную прочность. Явление тиксотропии используют при виброуплотнении бетонных и растворных смесей, при нанесении мастичных и окрасочных составов шпателем или кистью и т. д. вызвать его разрушение (коррозию). Степень разрушения зависит от многих факторов и прежде всего от состава материала и его плотности. Коррозионную стойкость оценивают химическим анализом.

При небольшом модуле основности, когда в неорганическом материале преобладает кремнезем, наблюдается высокая стойкость к кислотам. Когда в составе неорганического материала преобладают основные оксиды и модуль основности достаточно высок, то этот материал обычно нестоек к кислотам, но щелочами не разрушается. Органические материалы (древесина, битумы, пластмассы) при обычных температурах относительно стойки к действию слабых кислот и щелочной среды. Однако значительная часть строительных материалов не обладает достаточной стойкостью к действию агрессивной среды и требует специальной защиты от коррозии.

Для правильной и полной оценки материалов при их изготовлении, выборе и эксплуатации в конструкциях необходимо знать и учитывать их химические и физико-химические свойства.
Химические свойства выражают степень активности материала к химическому взаимодействию с реагентами внешней среды и способность сохранять постоянными состав и структуру материала в условиях инертной окружающей среды.
Некоторые материалы склонны к самопроизвольным внутренним химическим изменениям в обычной среде.
Ряд материалов проявляет активность при взаимодействии с кислотами, водой, щелочами, растворами, агрессивными газами и т. д. Химические превращения протекают также при технологических процессах производства и применения материалов.
Химическая стойкость — свойство материалов противостоять разрушающему действию химических реагентов — кислот, щелочей, растворенных в воде солей и газов.
Она зависит от состава и структуры материалов. Так, мрамор, известняки, цементный камень в строительных растворах и бетонах, в химическом составе которых преобладает оксид кальция (СаО), легко разрушаются кислотами, но стойки к действию щелочей.
Силикатные материалы, содержащие в основном диоксид кремния (ЗЮа), стойки к действию кислот, но взаимодействуют при повышенной и нормальной температуре со щелочами.

Медленное или быстрое изменение структуры материала под влиянием внешней агрессивной среды называют коррозией. Она бывает химическая, электрохимическая, биологическая.
Коррозионная стойкость — свойство материала сопротивляться коррозионному воздействию среды.
Распространенной и благоприятной средой для развития химической коррозии является вода (пресная и морская). Агрессивность воды зависит от степени ее минерализации, жесткости, щелочности или кислотности.
На развитие коррозионных процессов влияют растворенные в воде соли (сульфаты, хлориды и др.) и газы. Химически агрессивной средой является также воздух, содержащий пары оксидов азота, хлора, сероводорода и т. д.
Особым видом коррозии является биокоррозия — разрушение материалов под действием живых организмов - грибов, насекомых, растений, бактерий и микроорганизмов. К коррозии относят также «старение» пластмасс — изменение их химического состава и структуры под воздействием ультрафиолетовых лучей солнца и искусственных источников света, кислорода воздуха и повышенных температур.
Коррозия опасна не столько изменением химического состава, сколько структуры и физико-механических свойств материалов.
Кислоте- и щелочестойкость — свойство материала не разрушаться под действием кислот и щелочей.
Кислоты весьма агрессивны к металлам, штукатурке, бетону, ряду осадочных горных пород, силикатному кирпичу.
Кроме минеральных агрессивны также органические кислоты — уксусная, масляная, молочная.
Агрессивны к бетону и другим материалам растворы сахара, патока, фруктовые соки и т. д. Кислотостойкими материалами являются некоторые природные камни — диабаз, базальт, андезит, гранит, но и они разрушаются плавиковой кислотой. Кислотостойки плотная керамика, стекло и большинство материалов из пластмасс. Из щелочей весьма агрессивны концентрированные растворы едкого кали и каустической соды.
Щелочестойкими должны быть пигменты, применяемые для цветной штукатурки и различных окрасок по бетону, цементным и известковым штукатуркам, содержащим известь — сильную щелочь.
Нещелочестойкие пигменты врастворах и окрасках быстро обесцвечиваются.
Газостойкость — свойство материала не вступать во взаимодействие с газами окружающей среды.
Строительные материалы должны быть стойкими к сероводороду, углекислоте и другим газам.
Пигменты, в состав которых входят свинец и медь, чернеют под влиянием сероводорода. Между тем взаимодействие гидрата оксида кальция, находящегося в бетоне, штукатурке, силикатном кирпиче, с углекислым газом воздуха способствует увеличению прочности этих материалов.
Важно отметить, что большинство строительных материалов не обладает химической и коррозионной стойкостью.
Так, почти все цементы, бетоны и строительные растворы плохо сопротивляются действию кислот; битумы сравнительно быстро разрушаются под действием концентрированных растворов щелочей; древесина не стойка к действию тех и других.
Многие соли, особенно образующие в воде щелочную и кислую среду, достаточно агрессивны. Растворы солей разрушают материалы также из-за кристаллизации в их порах.
Из физико-химических свойств важны в первую очередь дисперсность, гидрофильность и гидрофобность.