Вяжущие материалы

Лекция 17

Вяжущими материалами (или просто вяжущими) называют тонкодисперсные порошкообразные вещества или композиции веществ, образующие при взаимо­действии с жидкостями высокополимерные твердые материалы. В качестве вя­жущих материалов могут быть вещества органической, элементоорганической и неорганической природы. В качестве жидкости для неорганических вяжущих материалов обычно используют воду, иногда — ортофосфорную кислоту.

Алебастр. Встречающийся в природе гипс CaSО₄·2Н₂О частичным обез­воживанием при 160°С переводят в так называемый жженый гипс - смесь CaSО₄·0,5Н₂О и высокодисперсного CaSO₄, или алебастр:

2CaSО₄· 2Н₂О = CaSО₄· 0,5Н₂О + CaSО₄ + 3,5Н₂О

Жженый гипс довольно быстро за­твердевает, снова превращаясь в CaSО₄·2Н₂О. Благодаря этому свойству гипс применяется для изготовления отливочных форм и слепков с различных пред­метов, а также в качестве вяжущего материала для штукатурки стен и потолков. Получают также гипсобетонные изделия, содержащие в материале кроме гипса различные наполнители. В хирургии при переломах используют гипсовые по­вязки.

Известковый раствор. Смесь гашеной извести с песком и водой называ­ется известковым раствором и служит для скрепления кирпичей при кладке стен. Гашеную известь применяют также в качестве штукатурки. Затвердевание извести происходит сначала из-за испарения воды, а затем в результате погло­щения гашеной известью диоксида углерода из воздуха и образования карбоната кальция:

Са(ОН)₂ + СО₂ = СаСОз + Н₂О.

Вследствие небольшого содержания СО₂ в воздухе процесс затвердевания про­текает очень медленно, а так как при этом выделяется вода, то в зданиях, по­строенных с применением известкового раствора, долго держится сырость. При затвердевании известкового раствора также протекает процесс:

Са(ОН)₂ + SiО₂ = CaSiО₃ + Н₂0.

Цемент. К важнейшим материалам, изготовляемым силикатной промышлен­ностью, относится цемент, потребляемый в огромных количествах при стро­ительных работах.

Обычный цемент (силикатцемент) получают путем обжига смеси глины с известняком. При обжиге цементной смеси карбонат кальция разлагается на диоксид углерода и оксид кальция; последний вступает во взаимодействие с глиной, причем получаются силикаты и алюминаты кальция.

Цементная смесь обычно приготовляется искусственно. Но местами в природе встречаются известково-глинистые породы — мергели, которые по составу как раз подходят к цементной смеси.

Химический состав цементов выражают обычно в процентах (масс.) содержащихся в них оксидов, из которых главными являются СаО, Аl₂Оз, SiO₂ и Fе₂Оз.

При замешивании силикатцемента с водой получается тестообразная, через некото­рое время затвердевающая масса. Переход ее из тестообразного состояния в твердое называется «схватыванием».

Процесс затвердевания цемента протекает в три стадии. Первая стадия заключается во взаимодействии поверхностных слоев частичек цемента с водой согласно схеме:

ЗСаО · SiO₂ + nН₂О = 2СаО · SiO₂ · 2Н₂О + Са(ОН)₂ + (n - 3)Н₂О.

Из содержащегося в цементном тесте раствора, насыщенного гидроксидом кальция, последний выделяется в аморфном состоянии и, обволакивая цементные зерна, превра­щает их в связанную массу. В этом состоит вторая стадия - схватывание цемента. Затем начинается третья стадия - кристаллизация или твердение. Части­цы гидроксида кальция укрупняются, превращаясь в длинные игольчатые кристаллы, которые уплотняют массу силиката кальция. Вместе с тем нарастает механическая прочность цемента.

При употреблении цемента в качестве вяжущего материала его обычно сме­шивают с песком и водой; эта смесь называется цементным раствором.

При смешивании цементного раствора с гравием или щебнем получают бетон. Бетон — важный строительный материал: из него строят своды, арки, мосты, бассейны, жилые дома и т. п. Сооружения из бетона с основой из стальных балок или стержней называются железобетонными.

Кроме силикатцемента, выпускаются и другие виды цементов, в частности глинозе­мистый и кислотоупорный.

Глиноземистый цемент получают сплавлением тонко размолотой смеси боксита (природного оксида алюминия) с известняком. Этот цемент содержит в процентном отношении больше оксида алюминия, чем силикатцемент. Главными соединениями, входящими в его состав, являются различные алюминаты кальция. Глиноземистый цемент затвердевает гораздо быстрее, чем силикатный. Кроме того, он лучше противо­стоит действию морской воды. Глиноземистый цемент гораздо дороже силикатцемента, поэтому он применяется в строительстве лишь в специальных случаях.

Кислотоупорный цемент представляет собой смесь тонко размолотого кварцевого песка с «активным» кремнеземистым веществом, обладающим высокоразвитой поверх­ностью. В качестве такого вещества применяют или трепел, подвергнутый предвари­тельно химической обработке, или искусственно полученный диоксид кремния. После прибавления к указанной смеси раствора силиката натрия получается пластичное те­сто, превращающееся в прочную массу, противостоящую всем кислотам, кроме фтороводорода.

Кислотоупорный цемент применяется в качестве вяжущего веще­ства при футеровке химической аппаратуры кислотоупорными плитками. В ряде слу­чаев им заменяют более дорогой свинец.

Магнезиальный цемент. Технический продукт, получаемый путем замеши­вания прокаленного при 800°С оксида магния с 30% (масс.) водным раствором хлорида магния, носит название магнезиального цемента (цемента Сореля). Та­кая смесь через некоторое время затвердевает, превращаясь в плотную белую, легко полирующуюся массу. Затвердевание можно объяснить тем, что основная соль, первоначально образующаяся согласно уравнению

MgO + MgCl₂ + H₂O = 2MgCl(OH),

затем полимеризуется в цепи типа - Mg - О----- Mg – O – Mg -, на концах которых находятся атомы хлора или гидроксильные группы.

Магнезиальный цемент в качестве вяжущего материала применяется при из­готовлении мельничных жерновов, точильных камней, различных плит. Его смесь с древесными опилками (ксилолит) используют для покрытия полов.

Металлофосфатные вяжущие материалы. Широкое применение находят вяжущие материалы на основе оксидов различных металлов и ортофосфоной кислоты (или ее солей). Особенностями получаемых на их основе веществ являются повышенная адгезия к различным материалам, жаропрочность и жа­ростойкость.

Впервые фосфатные вяжущие материалы были применены в зубоврачебной практике (их так же, как и магнезиальный цемент, называют цементом Сореля) на основе гидрофосфата и гидроксофосфата цинка. Этот цемент получается из оксидов цинка, магния, кремния и висмута. Смесь после обжига измельчают в порошок и обрабатывают ортофосфорной кислотой. Образующаяся пластичная масса схватывается за 1-2 мин.

Растворы цинкфосфатных и алюмофосфатных связующих с мольным отноше­нием оксидов цинка и алюминия к оксиду фосфора (V) 1:5 после нанесения на древесину создают тонкослойное (толщиной менее 1 мм) покрытие, переводят древесину в категорию трудносгораемых материалов.

Производство алюмохромфосфатного вяжущего материала сводится к получению смеси соединений хрома (+3), гидроксида алюминия и ортофосфорной кислоты. Полученный вязкий прозрачный раствор зеленого цвета отвечает составу Аl₂Оз·0,8Cr₂O₃·3P₂O₅. На основе фосфатных связок разработаны антикоррозионные, огнезащитные и декоративные покрытия и краски, жаростойкие бетоны, обмазки, клеи и керамические огнеупорные, теплоизоляционные и конструкционные материалы.

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.

Дата добавления: 2014-01-07