Лекция 6. Специальные вопросы химии

Специальные вопросы химии

Вяжущие материалы

Вяжущими материалами называют вещества минерального или органического происхождения, применяемые для изготовления бетона и растворов, соединения строительных конструкций, гидроизоляции и др. Минеральные вяжущие материалы – порошкообразные вещества, обладающие способностью при смешивании с водой образовывать пластичную массу, затвердевающую в прочное камневидное тело. Основными качественными признаками минеральных вяжущих веществ являются их способность реагировать с водой, образуя тестообразную массу, с течением времени утрачивающую пластичность, возможность формирования изделий и затвердевающую самопроизвольно в атмосферном или водном режиме. К органическим вяжущим материалам относятся битумы, асфальты, клеи, различные полимеры (смолы). Эти вяжущие практически не растворимы в воде и не взаимодействуют с ней. Их можно сделать более активными путем нагревания или растворения в органических соединениях. В смеси с наполнителями и заполнителями они образуют пластичное тесто, способное пол влиянием физико-химических воздействий переходить в твердое состояние.

Минеральные вяжущие материалы подразделяются на гидравлические, которые после смешивания с водой и начального затвердевания на воздухе(схватывание) сохраняют и увеличивают свою прочность в воде (различные по составу цементы, гидравлическая известь и др.); воздушные, затвердевающие и продолжительно сохраняющие свою прочность только на воздухе строительный гипс, ангидритовый цемент, магнезиальные вяжущие –каустический магнезит и доломит, магнезиальный цемент, воздушная известь и др.); автоклавные, эффективно твердеющие лишь при обработке в автоклавах в течение 10-15 часов (известково-кремнеземистые, известково-нефелиновые вяжущие, песчанистый портландцемент и др.). Сырьем для производства вяжущих материалов являются природные минералы –известняк, доломит, гипс, глинистые соединения, кварцевый песок, мергели и т.п. материалы.

Основная масса вяжущих материалов получается из силикатного сырья. При сплавлении кварцевого песка с карбонатом или сульфатом натрия (или калия) образуется так называемая силикат-глыба, мало растворимая в воде при комнатной температуре, но хорошо – при 120-170^оС: Na₂CO₃ + SiO₂ = Na₂SiO₃ + CO₂

Его используют для приготовления кислотоупорного цемента, в качестве воздушного вяжущего материала, клея, которым промазывают швы и склеивают строительные изделия для антикоррозионной защиты бетона.

Силикаты кальция – главная составная часть гидравлических вяжущих материалов, входят в состав промышленных стекол и огнеупоров. Трехкальциевый силикат 3CaO*SiO₂ cодержит 73, 6 масс.% СаО и 26, 4 масс.%SiO₂ образуется в портландцементном клинкере и металлургических шлаках. По отношению к воде и кислотам трехкальциевый силикат не устойчив:

1) для нейтральной среды (рН=7) 3CaO*SiO₂ + nH₂O ↔ 3Ca(OH)₂ + SiO₂*(n-3)H₂O

2) при наличии извести (pH> 10) 3CaO*SiO₂ + nH₂O ↔ 2Ca(OH)₂ +2CaO*SiO₂*(n-1) H₂O

3) при рН=10 3CaO*SiO₂ + nH₂O ↔ 2Ca(OH)₂ + CaO*SiO₂*(n-1) H₂O

Эти процессы очень важны для понимания явлений схватывания и твердения портландцемента. На основе силикатного и других цементов в промышленности производится самый распространенный строительный материал –бетон. Бетонами называют смеси, состоящие из цемента природного или искусственного наполнителя (мелкого и крупного), различных добавок и воды. Эти смеси в течение определенного времени с момента приготовления проявляют способность к формованию. Благодаря протеканию в свежеприготовленном бетоне химических реакций между цементом, водой и наполнителем, тестообразная масса постепенно приобретает прочность и затвердевает. Бетон имеет небольшую прочность при растяжении, поэтому при действии растягивающих нагрузок изделия из бетона укрепляют стальной арматурой. В противном случае в таких балках возникают трещины, которые приводят к разрушению.

В качестве вяжущего материала широко используется гидратированная известь, получаемая при обжиге карбоната кальция и последующего гашения:

СаСО₃ → СаО + СО₂

СаО + Н₂О → Са(ОН)₂

Основным процессом, приводящим к затвердеванию воздушной извести, является карбонизация извести и в дальнейшем ее рекристаллизации. Будучи сильным основанием, гидроксид кальция присоединяет углекислоту воздуха и образует малорастворимый карбонат кальция

Са(ОН)₂ + СО₂ ↔ СаСО₃

Известковое тесто при потере влаги испытывает сильную усадку и растрескивается, потому в него вводят песок (2-4 объемные части) и используют в виде известково-песчаного строительного раствора. Этим достигается пластичность и удобообрабатываемость, а также удешевление раствора, облегчение испарения из него воды и проникновения в глубину углекислоты. Сцепление (адгезия) частиц песка и извести достигает обычно большой величины. Наряду с кристаллизацией и твердением известково-песчаной массы, образуются силикаты кальция за счет связывания диоксида кремния, введенного в виде мелкого песка. Строительная известь идет на производство силикатного кирпича, силикатобетонных блоков.

К гипсовым вяжущим материалам относятся композиции, основной частью которых является полуводный гипс, а добавками – известь, цемент, доменные шлаки.

Природный гипс с повышением температуры постепенно теряет часть кристаллизационной воды, переходя в полугидрат

CaSO₄*2H₂O → CaSO₄*0, 5H₂O + 1, 5H₂O

Твердению будет соответствовать обратный процесс.

При взаимодействии оксида магния с хлоридом магния в водном растворе получают магнезиальный цемент

MgO + MgCl₂ + H₂O → 2MgOHCl

Магнезиальные вяжущие следует отнести к высокопрочным воздушным вяжущим веществам.

К воздушным вяжущим материалам относят жидкое стекло, в котором вяжущую функцию имеет продукт гидролиза силиката натрия – гель SiO₂*2H₂O. На основе раствора жидкого стекла и кварцевого песка готовят кислотоупорный цемент и бетон.

Самый распространенный вяжущий материал – это цемент. Цемент представляет смесь оксидов кальция, алюминия, кремния и железа, образующаяся в процессе обжига. В результате обжига происходит твердофазное спекание с образованием 2CaO*SiO₂, 3CaO*3Al₂O₃, 4CaO*3Al₂O₃*Fe₂O₃ и т.д.

Основными стадиями процесса гидратации и твердения цемента являются:

1) растворение зерен клинкерных материалов в воде4

2) выделение из растворов новых соединений в виде гидратов;

3) перекристаллизация кристаллогидратов в прочные и устойчивые соединения.

А.А Байков разработал теорию твердения вяжущих веществ, которая объясняет его совокупностью кристаллизационных и коллоидных процессов.

К основным характеристикам цемента относятся: водопотребность, выражаемая в 5 на 100 г цемента; время схватывания; равномерность изменения объема; усадка и набухание; тепловыделение; морозостойкость; огнестойкость; коррозионная стойкость; водоотделение.

Для повышения качества цемента вводят различные добавки: соли натрия, калия, железа (III), алюминия, кальция, а также высокомолекулярный жирные кислоты, мыла для придания цементу пластичности и гидрофобности.

Применение пластмасс в дорожном деле

и строительстве

Традиционными строительными материалами являются бетон, железо, дерево и алюминий. Доля пластмасс пока еще невелика, но тенденция к повсеместному ее увеличению наблюдается повсюду. Стела, окна, рамы, устойчивые к внешним воздействиям, трубы из полихлорвинила, трубопроводы для транспортировки газа под давлением и агрессивных химических соединений – с этой целью применяют полиэтилен, полиэфиры, полибутилен. Для заполнителей швов и герметизации зазоров между бетонными деталями используют полиуретаны, силиконы, акрилаты, эпоксидные смолы.

nO=C─ N─ (CH₂)₆─ N─ C=O + nHO─ (CH₂)₄─ OH → (─ C─ NН─ (CH₂)₆─ NH─ C─ O─ (CH₂)₄─ O─)_n

║ ║

O O

Гексаметилендиизоцианат бутандиол полиуретан

Очень перспективны для строительства пенопласты, полимерные волокнистые материалы, выполняющие функции армирующих, фильтрующих материалов, а также полимерцементы, полимербетоны, стеклопластики. Полимерцементы –это материалы на основе цемента или гипса с введением полимеров или латексов, что улучшает физические и другие свойства вяжущих. Поимерными добавками служат полиэфиры, поликарбамиды, эпоксиды и др.

nНООС─ С₆Н₄─ СООН + nНО─ (СН₂)₂─ ОН → (─ О─ С─ С₆Н₄─ С─ О─ (СН₂)₂─ О─)_n

║ ║

О О

Терефталевая кислота этиленгликоль полиэтиленгликольтерефталат

Полимербетоны состоят из минеральных заполнителей в виде песка, щебня и полимерных вяжущих, например, фенолформальдегидных, эпоксидных, поливинилацетатных видов. По свойствам поимербетоны превосходят обычные бетоны химической стойкостью, высокой прочностью, морозостойкостью.

Стеклопластики, используемые в качестве конструкционных материалов, состоят из полимера (полиэфиры, фенолформальдегидные и др.) и заполнителя (волокна, ткани и нити из стекла).

Полимерные пленки –один из видов стройматериалов получают на основе полиэтилена низкого давления и полипропилена.

nCH₂=CH₂ → (─ CH₂─ CH₂─)_n

полиэтилен низкого давления

nCH₂=CH₂ → (─ CH₂─ CH─)_n

│

СН₂─ СН₂─

полиэтилен высокого давления

Пленки используются для защиты гидросооружений, фундаментов, туннелей, плотин и т.д.

Органические вяжущие материалы

Битумы – это вяжущие, состоящие из различных углеводородов и кислородных органических соединений азота и серы. Они растворимы в органических растворителях и подразделяются на природные и нефтяные. Битумы – сложные органические вяжущие, представляющие собой коллоидные системы, в которых дисперсионной средой являются масла и смолы, а дисперсной фазой – асфальтены. Масляные фракции битумов состоят из углеводородов со средней молекулярной массой 600 а.е.м.. У смол она около 800 а.е.м.. Сера, кислород и азот входят в состав активных групп OH, NH, SH, COOH. В битумах имеются углеводороды метанового, нафтенового и бензольного рядов и представляют свыше нескольких сот тысяч соединений.

Свойства битумов оценивают по температуре размягчения, твердости и растяжимости, которые характеризуют их пластичность и способность связывать минеральные материалы. Парафины ухудшают свойства битумов, повышая хрупкость при низкой температуре. С течением времени происходит медленное изменение свойств битумов –их старение. Хрупкость и твердость битумов при этом возрастают.

Асфальт –смесь битума и тонко измельченных минеральных материалов, которые придают им прочность при изменении температуры. Разновидностями природных асфальтов являются горные смолы, асфальтиды, асфальтовые породы. В асфальтовых породах преобладают минеральные вещества типа известняков и песчаников (до70-80%). Асфальты получают также искусственно путем смешения порошкообразного известняка с битумом, количество которого колеблется в пределах от 13 до 60%.

Асфальтены –наиболее высокомолекулярные вещества природной нефти, массовый вес которых колеблется в пределах 600-6000а.е.м. В зависимости от химического состава нефти они могут находиться в виде истинных или коллоидных растворов. Асфальтены в основном состоят из С (80-86%), О(1-9%), N(lj 2%), S(0-9%), количество которых зависит от состава нефти. Асфальтены рассматривают как продукты конденсации нефтяных смол. Это темно-бурые порошки, легко растворимые в бензоле, хлороформе, сероуглероде, что используется для выделения из нефти и нефтепродуктов.

Асфальтовые растворы приготовляют из смеси нефтяного битума с тонкодисперсными минеральными добавками (известняк, шлаки, кварцевый песок и т.п.). Их включение в битумы повышает твердость и температуру размягчения раствора. Асфальтовые растворы водоенпроницаемы, атмосферостойки, достаточно прочны и применяются для покрытия тротуаров, нанесения гидроизоляции и защиты от коррозии.

Если в асфальтовый раствор ввести крупный заполнитель, то получают асфальтобетоны, которые затем укладывают в горячем виде при покрытии автодорог. На основе битумов и латексов производят рубемаст, стеклобит, стеклопласт, битумно-полимерный элабит, обладающий высокой эластичностью на холоде при большой механической прочности.

Новый рулонный гидроизоляционный материал фольгорубероид изготовляют из алюминиевой фольги, битумного вяжущего и картона. Он применяется для защиты и теплоизоляции трубопроводов при температурах от -40 до +70^оС. Выпускается также битумная черепица различного цвета, стойкая в суровых климатических условиях.