книги / Строительные материалы

правлениях, однако благодаря их беспорядочной ориен­ тации анизотропия р ситаллах отсутствует.

Таким образом, ситаллы отличаются от керамики зна­ чительно меньшими размерами кристаллов, а от стекол тем, что имеют поликристаллическое строение. Благода­ ря этому ситаллы, сохраняя положительные свойства стекла, лишены его недостатков: хрупкости, малой проч­ ности при изгибе, низкой термостойкости.

Для изготовления ситаллов используют те же исход­ ные компоненты, что и для стекла, а также специальные добавки-катализаторы кристаллизации (соединения ги­ тана, лития, циркония и др.). Однако при производстве ситаллов предъявляются повышенные требования в от­ ношении чистоты сырья и соблюдения установленного технологического режима.

Получение ситаллов включает следующие технологи­ ческие операции. Шихта, содержащая катализатор, под­ вергается плавлению, при этом катализатор кристалли­ зации растворяется в расплавленном стекле. Из расплава формуется изделие теми же методами, что и при произ­ водстве стекла. Затем изделие охлаждается до темпера­ туры выделения микроскопических частиц катализатора, которая обычно превышает температуру отжига стекла. На этой стадии производится выдержка для образования максимального количества частиц катализатора. На следующей стадии термообработки изделие нагревают до температуры, соответствующей максимальной скоро­ сти образования и роста кристаллов ситалла, и выдер­ живают при этой температуре до возможно более пол-' ного завершения кристаллизации. Наконец, ситалловое изделие охлаждают до комнатной температуры. Регули­ руя режимы термообработки, можно изменить степень кристаллизации, размеры кристаллов, что отражается на свойствах изделия.

§ 6. СВОЙСТВА СИТАЛЛОВ И ИЗДЕЛИЙ ИЗ НИХ

Ситаллы обладают благоприятным сочетанием многих важ ны х свойств: высокой механической прочностью, влаго- и газонепроницаемостью, термостойкостью, высо­ кой температурой размягчения, хорошими диэлектричес­ кими свойствами, химической стойкостью.

Ситаллы выдерживают сравнение с рядом конструк­ ционных материалов (легированными сталями, черными

металлами, алюминием) и превосходят по своим свойст­ вам стекло. Твердость некоторых ситаллов приближается к твердости закаленной стали и почти в 25 раз больше твердости шлифованного оконного стекла. Ситаллы об­ ладают высокой стойкостью к действию сильных кислот (кроме плавиковой) и щелочей. Значительная механиче­ ская прочность, а также химическая стойкость способст­ вуют применению ситалловых изделий в химической и нефтехимической промышленности. Термостойкость из­ делий из ситалла составляет 200—700°С, а иногда и 1100°С.

Высокие термомеханические свойства предопределяют использование ситалловых изделий в специальных об­ ластях строительства. Они находят применение для из­ готовления деталей, сохраняющих стабильные размеры при изменениях температуры (например, фундаменты особо точных станков). Трубы из ситаллов применяют для изготовления теплообменников.

Получены ситаллы, поглощающие медленные нейтро­ ны, а также отличающиеся жаростойкостью и способно­ стью герметически паяться со сталью. Эти ситаллы ис­ пользуют при изготовлении стержней в атомных реакто­ рах и для устройства биологической защиты.

В СССР разработан эффективный и экономически выгодный способ получения ситаллов* из огненно-жидких металлургических шлаков. Для получения шлакоситаллов в расплавленный шлак вводят корректирующие добавки и добавки-катализаторы, ускоряющие кристалли­ зацию шлаков. В качестве кристаллизаторов использу­ ют чаще всего ТЮ2, Р2О5, CaF2, сульфаты тяжелых ме­ таллов Fe и Мп в количестве 4—5%. При охлаждении огненно-жидкого шлака происходит выделение тонко­ дисперсных частичек катализатора, которые являются зародышами кристаллизации расплава. Отформованное из расплава изделие подвергают термообработке по оп­ ределенному режиму.

Плотность шлакоситаллов 2500—2650 кг/м3, предо прочности при сжатии 500—650 МПа, при изгибе 90— 130 МПа, модуль упругости 1Ы 0 4 МПа, рабочая темпе­ ратура до 750°С, температура размягчения около 950 °С,

водопоглощение практически равно нулю.

По внешнему виду шлакоситаллы представляют собой плотный, тонкозернистый, непрозрачный материал. Прак тически можно получить шлакоситалл любого цвета пу-

тем использования в процессе изготовления изделий различных керамических красок. Из шлакоситаллов'изго­ товляют дешевые и высококачественные изделия, отлича­ ющиеся высокой долговечностью и используемые в жи­ лищном и промышленном строительстве для устройства лестничных ступеней, плиток для полов, подоконников, внутренних перегородок и др. Волнистые и плоский лис­ товой шлакоситаллы можно применять как кровельный и стеновой материалы.

Шлакоситаллы применяют в гидротехническом строи­ тельстве для облицовки ответственных частей гидросо­ оружений, а также в дорожном строительстве в качестве плит для тротуаров, дорожных покрытий, бортовых кам­ ней. Листовой шлакоситалл можно использовать и как декоративно-отделочный материал для наружной и вну­ тренней облицовки различных сооружений.

Вспененный шлакоситалл (пеношлакоситалл) имеет ячеистую структуру, как и пеностекло, но отличается от него своим строением. Пеношлакоситалл является эффек­ тивным теплоизоляционным материалом, поскольку он обладает незначительным водопоглощением и малой гигроскопичностью. Его используют для утепления стен и перекрытий, а также для звукоизоляции помещений. Изделия из пеношлакоситалла могут работать при тем­ пературе до 750 °С, поэтому их применяют также для изоляции трубопроводов теплотрассы и промышленных печей.

§ 7. ПОНЯТИЕ О ПОЛУЧЕНИИ ПЛАВЛЕНЫХ КАМЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ

Плавленые каменные изделия (каменное литье) — искусственные силикатные материалы, получаемые рас­ плавлением горных пород, шихты из них, а также вто­ ричного сырья (доменных и мартеновских шлаков и шла­ ков цветной металлургии) разливкой расплава в формы с последующей термической обработкой, включающей прцоессы кристаллизации и отжига. Это производство / дает возможность быстро и экономично изготовить изде­ лия требуемой формы.

Из основных пород (базальта) и шлаков получают изделия темного цвета. Для светлого каменного литья используют карбонатные горные породы и пески.

Для понижения температуры плавления и уменьше­ ния вязкости расплава применяют добавки — плавни, на­ пример, плавиковый шпат CaF2. С целью получения мел­ козернистой однородной структуры и ускорения процес­ са кристаллизации в расплав добавляют так называемые минерализаторы (хромит, магнезит и др.). Изменяя хи­ мический состав сырьевой смеси, можно регулировать термостойкость, температурный коэффициент линейного расширения и другие свойства изделий.

Шлаки экономически выгодно использовать для изго­ товления литых изделий разнообразных видов. Произ­ водство при этом упрощается: расплавленный шлак по­ ступает непосредственно из металлургических печей в обогреваемый миксер, куда могут вводиться специальные добавки для улучшения свойств шлакового литья. При температуре плавления массы 1350—1450 °С происходит химическое взаимодействие компонентов шихты: образу­ ются силикаты и алюмосиликаты кальция, магния и же­ леза. Изделия изготовляют из расплава центрифугирова­ нием, отливкой в кассетных формах, а также прокатом па специальных станах или штампованием. Затем изделия проходят стадии кристаллизации и отжига. Их помещают в печь для отжига, где выдерживают при температуре 900—1000°С в течение определенного времени, чтобы получить кристаллическую структуру и снять внутрен­ ние напряжения, возникшие при остывании отливки.

§ 3. СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАВЛЕНЫХ КАМЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ

По своим техническим свойствам изделия из плавле­ ных горных пород и шлаков не уступают природным ка­ менным-материалам.

Плавленые изделия отличаются большой плотностью (2900—3000 кг/м3). Вследствие малой пористости (не более 1—2 %) и ее замкнутого характера плавленые из­ делия почти не поглощают воду, поэтому они морозостой­ ки, хорошо сопротивляются коррозии, в том числе деи ствию концентрированных серной и соляной кислот. Вы­ сокая долговечность сочетается с большой прочностью. Предел прочности при сжатии составляет 200—240 МПа, при изгибе 40—50 МПа, при растяжении 20—30 МПа. Истираемость каменного литья составляет 0,7 г/см2, т. е. в 2—5 раз меньше, чем гранита, базальта, диабаза.

Плавленые каменные изделия обладают хорошими диэлектрическими свойствами и отличаются высокой термостойкостью, их можно армировать и сваривать.

Плавленые каменные изделия применяют для конст­ рукций, испытывающих многократное замораживание и оттаивание, интенсивное истирание, воздействие агрес­ сивных химических веществ. Поэтому основными вида­ ми изделий, выпускаемых камнелитейными заводами, являются брусчатка для мощения дорог, облицовочные плитки для предприятий химической промышленности, мелющие тела для мельниц, трубы. Трубы из каменного литья диаметром 200—1200 мм, длиной до 2 м, отли­ ваемые в формах или получаемые центробежным спосо­ бом, заменяют металлические трубы. Диэлектричес­ кие свойства каменного литья нужны в электроизоля­ торах.

Плавленые каменные изделия светлых тонов исполь­ зуют как облицовки фасадов зданий и сооружений (плит­ ки, пояски, цоколи), в виде архитектурных и других де­ талей.

ГЛАВА 5. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Неорганическими вяжущими веществами называют порошкообразные материалы, которые при смешивании с водой образуют пластично-вязкое тесто, способное со временем самопроизвольно затвердевать в результате физико-химических процессов. Переходя из тестообраз­ ного в камневидное состояние, вяжущее вещество скреп­ ляет между собой камни либо зерна песка, гравия, щеб­ ня. Это свойство вяжущих используют для изготовления бетонов, силикатного кирпича, асбестоцементных и дру­ гих необожженных искусственных материалов, строитель­ ных растворов (кладочных, штукатурных и специаль­

ных)- Вяжущие вещества по составу делят на две большие

группы: 1) неорганические (известь, цемент, гипсовые вя­ жущие, жидкое стекло и др.), которые затворяют водой (ре>ке водными растворами солей); 2) органические

(битумы, дегти, животный клей, полимеры), которые пе­ реводят в рабочее состояние нагреванием, расплавлением или растворением в органических жидкостях.

Неорганические вяжущие вещества включают воздуш­ ные, гидравлические и вяжущие автоклавного твердения.

Воздушные вяжущие способны затвердевать и дли­ тельное время сохранять прочность только на воздухе. По химическому составу они делятся на четыре группы: 1) известковые вяжущие, состоящие, главным образом, из оксида кальция СаО; 2) магнезиальные вяжущие, со­ держащие каустический магнезит MgO; 3) гипсовые вя­

Гидравлические вяжущие твердеют и длительное вре­ мя сохраняют прочность (или даже повышают ее) не только на воздухе, но и в воде. По своему химическому составу гидравлические вяжущие представляют собой сложную систему, состоящую в основном из соединений четырех оксидов: СаО — Si02 — А120 3 — Fe20 3. Эти сое­ динения образуют три основные группы гидравлических вяжущих: 1) силикатные цементы, состоящие преимуще­ ственно (на 75 %) из силикатов кальция; к ним относят­ ся портландцемент и его разновидности — главные вяжу­ щие современного строительства; 2) алюминатные це­ менты, вяжущей основой которых являются алюминаты кальция; главным из них является глиноземистый це­ мент и его разновидности; 3) гидравлическая известь и романцемент.

среде насыщенного водяного пара, затвердевать с обра­ зованием прочного цементного камня. В эту группу вхо­ дят: известково-кремнеземистые, известково-зольные, известково-шлаковые вяжущие, нефелиновый цемент и др.

§ 2. ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА СИСТЕМЫ СаО—Si02—А120 3—Fe20 3

Квяжущим данной системы принадлежат воздушная

игидравлическая известь, романцемент, портландцемент

иего разновидности. Химико-минеральный состав и свой­

ства указанных вяжущих зависят от гидравлического мо­ дуля и температуры обжига сырья. Гидравлический мо­ дуль т выражает содержание основного оксида СаО по отношению к суммарному количеству кислотных окси­ дов, %:

СаО

гп = ---------------------------------

S1O2 ~Ь AI2O3 + ИегОз

Для каждого вяжущего вещества характерен свой гидравлический модуль. Поскольку воздушная известь изготовляется из известняков лишь с небольшой приме­ сью глинистого вещества, у нее самый большой гидрав­ лический модуль (более 9). Воздушная известь не обла­ дает гидравлическими свойствами, ее прочность на сжа­ тие после 28 сут твердения невелика — около 0,4 МПа; т гидравлической извести составляет 1,7—9; романцемента т < 1 ,7 . Портландцемент, получаемый из тщатель­ но составленной искусственной смеси известнякового и глинистого компонента, характеризуется гидравлическим модулем (1,9—2,4) примерно таким же, как у романцемента. Однако показатели прочности портландцемента во много раз превосходят прочность романцемента. Объяс­ няется это тем, что при получении романцемента (и гид­ равлической извести) сырье обжигают не до спекания (при температуре около 1000°С), и в этих условиях об­ разуются низкоосновные силикаты и алюминаты кальция, обладающие в гидратированном виде невысокой прочно­ стью. В технологии портландцемента обжиг сырьевой смеси доводится до частичного плавления при темпера­ туре около 1450°С и только при наличии жидкой фазы (расплава) происходит синтез трехкальциевого силика­ та, обусловливающего высокие показатели прочности и гидравлические свойства. Усиление гидравлических свойств при переходе от воздушной к гидравлической из­ вести и романцементу вследствие уменьшения гидравли­ ческого модуля с 9 до 2 при одинаковой температуре обжига 1000°С видно из рис. 5.1. В точке 3 кривой 1—4 количественное изменение температуры обжига сырья (с

1000 до 1450 °С) привело к скачкообразному увеличению прочности и появлению качественно нового вяжущего — портландцемента.

tsoo

I, mol

tooo\

600eoo I

Рис. 5.1. Зависимость марки вяжуще­ го вещества (кривая 1—i) от гидрав­

лического модуля и температуры об­ жига (кривая У—4')

1, У — воздушная известь; 2, 2' — гид­ равлическая известь; 3, 3' — романцемент; 4, 4' — портландцемент

§3. ВОЗДУШНАЯ ИЗВЕСТЬ

1.Получение и гашение

Известь (как и гипс) — древнейшее вяжущее вещество. Ее применяли за несколько ты­ сяч лет до нашей эры.'.Воздуш­ ная известь — продукт умерен­ ного обжига кальциево-магние­ вых карбонатных горных пород: мела, известняка, доломитизированного известняка, доломи­ та с содержанием глины не более 6 %. Известняк состоит в основном из карбоната кальция

СаС03. Обжигают известняк при 900—1200 °С до возмож­ но более полного удаления С02 по реакции СаС03 — = СаО+С02.

Продукт обжига содержит, кроме СаО (главной со­ ставной части), также и некоторое количество оксида магния, образовавшегося в результате термической дис­ социации содержащегося в известняке MgC03= M gO +

+ С 0 2.

Известняк обжигают чаще всего в шахтных печах, в которые известняк поступает в виде кусков размером 8—20 см; обжиг мелких кусков известняка может произ­

зогревом массы вследствие выделения значительного ко­ личества теплоты.

Стехиометрически для полного гашения СаО требует­ ся 32,1 % воды (по массе), практически в зависимости от способа гашения берут воды в 2—3 раза больше, так как часть воды теряется в виде пара.

Известь гасят на специализированных растворных за­ водах в известегасильных машинах. Механизирован­ ное гашение ускоряет процесс, повышает качество изве­ сткового теста. На небольших стройках известь сначала гасят в творилах и известковое тесто через сетку слива­ ют в известегасильную яму, в которой завершается га­ шение. Известковое тесто выдерживают в известегасиль­ ной яме не менее двух недель. Нельзя применять известковое тесто, в котором осталась непогасившаяся известь, так как ее гашение в штукатурке и кладке вы­ зовет растрескивание затвердевшего известкового рас­ твора.

В зависимости от количества воды, добавляемой к комовой извести, можно получить известковое тесто или гидратную известь (пушонку) в виде порошка.

Гашение извести в пушонку осуществляют в гидраторах непрерывного действия, в которых выделяющаяся теплота и водяные пары используются для превращения комовой извести в тончайший рыхлый порошок насыпной плотностью 400—450 кг/м3. При гашении в пушонку из­ весть увеличивается в объеме в 2—3,5 раза; в большей степени «распушивается» высокоактивная известь с вы­ соким содержанием СаО.

В процессе гашения куски негашеной извести само­ произвольно диспергируются, распадаясь на тонкие час­ тицы Са(ОН)2 размером в несколько микронов (тоньше, чем у цемента). Воздушная известь отличается от других вяжущих веществ тем, что превращается в тонкий поро­ шок при помоле, а также путем гашения водой. Громад­ ная удельная поверхность частиц Са(ОН)2 обусловлива­ ет большую водоудерживающую способность и пластич­ ность известкового теста. После отстаивания известко­ вое тесто содержит около 50 % твердых частиц Са(ОН)2 и 50 % воды. Каждая частица окружена тонким слоем адсорбированной воды, играющей роль своеобразной гид­ родинамической смазки. Высокая пластичность известко­ вого теста в смеси с песком — это свойство, которое так ценится при изготовлении строительных растворов.