Химические свойства строительных материалов
Химические свойства строительных материалов характеризуют способность материалов реагировать на внешние воздействия, ведущие к изменению химической структуры, а также воздействовать в этом отношении на другие материалы.
Основные химические свойства:
растворимость и стойкость к коррозии
Стойкость к коррозии. Стойкость к коррозии является свойством материала сохранять свои качества в условиях агрессивной среды. Такой средой могут быть вода, газы, растворы солей, щелочей, кислот, органические растворители, а также биологические организмы (бактерии, водоросли и т.п.). Древесина, пластмассы, битумы и некоторые другие органические материалы при обычных температурах относительно стойки к действию кислот и щелочей средней и слабой концентрации.
Адгезия. Адгезия представляет собой соединение, сцепление твердых и жидких материалов по поверхности. Это свойство обусловлено межмолекулярным взаимодействием. Адгезионные силы сцепления очень важны при получении строительных материалов, состоящих из многих компонентов, например железобетон.
Кристаллизация. Кристаллизация представляет собой процесс образования кристаллов из паров, растворов, расплавов при электролизе и химических реакциях, который сопровождается выделением тепла.
Знание этих и других свойств позволяет сравнивать материалы между собой и определять область их применения с учетом технико-экономической целесообразности. Так, в условиях эксплуатации гидротехнических сооружений строительные материалы, изделия и конструкции, из которых они построены, подвергаются периодическому или постоянному воздействию воды и агрессивных сред, поэтому к ним предъявляются повышенные требования по водостойкости, морозостойкости, водонепроницаемости, коррозионной стойкости и др.
Многие материалы под влиянием водопоглощения ярко проявляют повышенные пластические свойства. Практика строительства показывает, что выбор технически целесообразного материала обосновывают не только его прочностные характеристики, но стойкость к воздействию внешней среды, в которой работает конструкция. Обычно эта стойкость материала во времени (долговечность) неразрывно связана с его химическими и физико-химическими свойствами. Физико-химические в свою очередь тесно связаны со структурой материала и зависят от ее изменения под влиянием внешних и внутренних факторов.
Способность поддаваться такой обработке является порой решающим показателем при выборе материала. Так, при массовой заготовке щебня для бетонных работ учитывается способность горной породы дробиться без образования плоских щебенок, поэтому при выборе материалов всегда учитывают его способность реагировать на отдельные или взятые в совокупности следующие факторы: физические, механические, внешнюю среду, температуру и ее колебания, химические реагенты, технологические операции и т.д. Эта способность материала реагировать на указанные факторы определяется его свойствами.
Оценить технические свойства и сравнить материалы между собой возможно по показателям, которые получают при испытании материалов в полевых, производственных или лабораторных условиях. Полученные знания основных технических свойств строительных материалов и изделий дают возможность рационально их использовать в строительстве. Например, по известным значениям истинной и средней плотности строительных материалов можно рассчитать, какой плотностью (или пористостью) обладают эти материалы, и составить достаточно полное представление о прочности, теплопроводности, водопоглощении и других важных характеристиках строительных материалов, чтобы в дальнейшем на этом основании решать вопрос об их применении в тех или иных сооружениях и конструкциях.
Для расчета нагрузок при определении массы сооружений для транспортных расчетов и выбора емкости складских помещений необходимо знать величину средней плотности строительных материалов. Без данных о прочности применяемых материалов невозможны расчеты прочности и устойчивости сооружений и конструкций. Прогноз их долговечности невозможен без знания таких свойств материала, как отношение к влаге, воздействию окружающей среды, смене температур и др.
Свойства строительных материалов не остаются постоянными, а изменяются во времени в результате механических, физико-химических и биохимических воздействий среды, в которой эксплуатируется строительная конструкция или изделие. Эти изменения могут протекать и медленно (разрушение горных пород), и быстро (вымывание из бетона растворимых веществ). Следовательно, каждый материал должен обладать не только свойствами, позволяющими применять его по назначению, но и определенной стойкостью, обеспечивающей долговечную эксплуатацию изделия или конструкции.
Знание основных свойств строительных материалов необходимо также для выполнения расчетов, позволяющих оценить их качество, соответствие техническим требованиям, возможность применения в конкретных условиях эксплуатации.
Употребляемые в строительстве материалы должны удовлетворять определенным требованиям, которые устанавливаются государственными стандартами (ГОСТами). В строительстве соответствие поступающих материалов требованиям ГОСТа проверяют специальные лаборатории.
Любой вид продукции обладает определенными свойствами, представляющими интерес для потребителей. Для строительных материалов важны такие качества, как прочность, плотность, теплопроводность, морозостойкость, стойкость по отношению к действию воды, агрессивных сред и др. Качеством называется сумма свойств, определяющих пригодность материала и изделия для использования по назначению. Так, для кровельных материалов оценка их качества производится по сумме таких свойств, как водостойкость, водонепроницаемость, термостойкость, прочность на изгиб, атмосферостойкость и др.
Контроль качества строительных материалов и изделий проводят по разработанным нормам, требованиям и правилам. В зависимости от контролируемого производственного этапа различают контроль входной, технологический и приемочный.
Входной контроль включает проверку соответствия поступающих материалов и изделий установленным требованиям. Например, на предприятиях сборного железобетона проверяют качество поступающих исходных материалов: заполнителей и цемента для бетона, арматурной стали, закладных деталей, отделочных и других материалов.
Технологический контроль состоит в проверке соответствия установленным требованиям температуры, давления, времени выдерживания, тщательности перемешивания и других показателей технологического процесса.
Приемочный контроль заключается в проверке соответствия готовых изделий требованиям стандартов или технических условий.
ТЕРМОДИНАМИКА КАК ОСНОВА СТРОИТЕЛЬНОЙ ХИМИИ
Термодинамика является экспериментальной наукой. Взаимодействуя с химией, термодинамика помогает выяснить, можно ли осуществить химическую реакцию, а также установить предельную планку её протекания, выявляет максимальный выход продуктов реакции, а также тепловые эффекты, сопровождающие химические превращения.
Наиболее значимые термодинамические положения представляются в виде трех ее законов. Используя первый закон, рассчитывают энергетические балансы химических процессов, относящиеся к термохимическим. Благодаря использованию второго и третьего законов, производят расчёты химических равновесий, а значит концентрации исходных веществ и продуктов реакции, которые находятся в сбалансированном состоянии в определённых условиях [2].
Первое начало термодинамики. Первое начало термодинамики говорит о внутренней энергии системы как функции состояния. При сообщении системе некоторого количества теплоты Q, происходит изменение внутренней энергии системы ∆U и система совершает работу:
Первое начало термодинамики говорит о том, что каждое состояние системы объясняется уникальным значением внутренней энергии U, не обращая внимания на то, каким путем приведена система в данное состояние. В отличие от значений U значения A и Q зависимы от процесса, в следствии которого произошло изменение состояния системы. Если первоначальное и конечное состояния a и b бесконечно близки, первое начало термодинамики записывается в виде:
Это означает, что бесконечно малое изменение внутренней энергии dU является полным дифференциалом функции состояния, т.е. интеграл
тогда как бесконечно малые кол-ва теплоты и работы не являются дифференциальными величинами, т.е. интегралы от этих бесконечно малых величин зависят от выбранного пути перехода между состояниями а и b.
Для любых процессов (обратимых и необратимых) второе начало термодинамики может быть обобщено записью
Третье начало термодинамики . Первое и второе начала термодинамики не позволяет определить значение энтропии при абсолютном нуле Т = 0 К. На основании обобщения экспериментальных исследований свойств различных веществ при сверхнизких температурах был установлен закон, устранивший указанный недостаток. Сформулировал его в 1906 г. ученый Нернст. Позже М. Планк распространил его на случай любых систем, находящихся в термодинамическом равновесии. Как первое и второе начала термодинамики, теорема Нернста может рассматриваться как результат обобщения опытных фактов, поэтому ее часто называют третьим началом термодинамики, которое можно сформулировать следующим образом: при абсолютном нуле температуры любые изменения термодинамической системы происходят без изменения энтропии:
Отсюда следует, что при T> 0 интеграл сходится на нижнем пределе, т.е. имеет конечное значение S(0) = const или S(0) = 0, причем равенство нулю рассматривается как наиболее вероятное. А нулевое значение энтропии (меры беспорядка) соответствует отсутствию теплового движения при абсолютном нуле. При T = 0 внутренняя энергия и тепловая функция системы прекращают зависеть от температуры, кроме того, используя метод термодинамических функций, можно показать, что, при T =0, от температуры не зависит коэффициент объемного расширения, термический коэффициент давления и другие параметры системы. Согласно классическим представлениям, при абсолютном нуле возможно непрерывное множество микросостояний системы. Объяснение теоремы Нернста можно дать только на основании квантово-механических представлений [3].
Быстро развивающаяся промышленность всё в большем количестве требует прочных, термически устойчивых и огнеупорных материалов для строительства. В следствии этого, работа химиков направлена на создание различного рода тугоплавких соединений, таких как силикаты. Известно, что свойства соединений связаны главным образом с особенностями строения веществ и типами образующих их химических связей.
Основу земной коры составляют силикаты и алюмосиликаты, на долю которых приходится в базальтовых породах около 50 и 16 % (масс.) соответственно. Состоят эти неорганические полимеры в основном из тетраэдров [SiO4] 4- с силоксановыми (примерно 31% ионности) связями Si-O и Si-O-Si. Отличительной их чертой является способность сочетаться друг с другом, составляя циклические, двумерные, длинные ленточные и слоистые структуры. Атомы Li, Na, K, Be, Mg, Ca, Fe, B, Al, которые так или иначе входят в состав силикатов, объединены ковалентно-ионными связями с атомами кислорода. Склонность к постоянному образованию твёрдых растворов приводит к значительному усложнению состава силикатов [4].
3. Гидратационное твердение вяжущих веществ
Во всем мире разрабатываются новые виды вяжущих материалов и совершенствуются процессы получения основных видов товарных цементов. Налаживается производство расширяющихся и напрягающихся цементов, получаемых по разным технологическим схемам и рецептурам: сульфатостойких баритовых цементов, особо быстротвердеющих, тампонажных цементов; вяжущих фосфатного твердения, жидкостекольных, а также других специальных цементов и бесклинкерных вяжущих веществ. Расширяется производство так называемых цементов с регулируемыми сроками схватывания, содержащих вместо трехкальциевого алюмината безводные галоалюминаты кальция, в молекулы которых входят атомы хлора или фтора [6].
Проблема обеспечения строительства вяжущими материалами охватывает не только технические, но и экологические аспекты народнохозяйственного значения. Важное место в этой многоплановой проблеме занимают вопросы утилизации отходов различных производств, например металлургического, а также комплексного и безотходного использования сырья. Примером решения экологических вопросов является организация производства шлакопортландцементов на кислых и основных шлаках, пуццоланового и золоцементового, глиноземистого цемента, бесцементных шлаковых вяжущих, смешанных вяжущих и т.д. [7].
Работа с этими и некоторыми другими вяжущими материалами требует учета особенностей их гидратационного твердения. Такие вяжущие придают бетонам новые необычные свойства, которые следует максимально использовать. Например, бетоны на пуццолановых цементах отличаются высокой сульфатостойкостью, а на глиноземистых — очень короткими сроками схватывания и повышенной кислотостойкостью. После пропаривания структура цементного камня бетона на шлакопортландцементе лучше, чем цементного камня на портландцементе. Поэтому задача управления свойствами бетона, а также кинетикой схватывания и твердения бетонной смеси нуждается в тщательном изучении. В настоящее время эта проблема относится к числу самых сложных. Благодаря привлечению к теории твердения минеральных вяжущих веществ современных методов физико-химических исследований удалось получить новые результаты [6].
Рассмотрим термодинамические основы процессов гидратационного твердения вяжущих веществ. С точки зрения термодинамики, процесс сводится к превращению в воде вяжущих веществ, обладающих избытком свободной энергии, в гидратные новообразования. Свободная энергия последних меньше, поэтому они термодинамически более устойчивы в данных условиях. Таким образом, процессы гидратационного твердения связаны с уменьшением свободной энергии и поэтому протекают самопроизвольно. Однако термодинамическое рассмотрение процессов твердения вяжущих веществ ничего не дает в отношении механизма протекания этих сложных процессов, так как при таких расчетах оперируют только начальным и конечным состояниями системы, не зависящими от пути реакции. Для установления всей сложной картины механизма гидратационного твердения важно знать, протекают ли процессы как параллельные, последовательные или последовательно-параллельные, а также каковы промежуточные стадии реакции, в первую очередь контролирующей. Существенное значение имеют кинетические характеристики каждой из промежуточных стадий процесса, и особенно лимитирующей. Так, можно считать доказанным, что процессы гидратационного твердения минеральных вяжущих представляют собой совокупность последовательно протекающих процессов растворения исходных вяжущих материалов и выделения соединений в форме гидратов [6]. Следовательно, для понимания механизма твердения цемента необходимо вначале рассмотреть основные закономерности развития этих более простых процессов, причем по возможности на мономинеральных вяжущих.
4. Термодинамический метод оценки устойчивости бетона к коррозии
Благодаря исследованиям железобетона и бетона видно, что прочность и выносливость цементного камня в большей степени обуславливается средой агрессивного характера, а также веществами, входящих в состав железобетона и бетона.
Самым простым и непрочным элементом в составных материалах считается цементный камень. Надёжность данного материала обосновывается не только агрессивностью среды протекания реакции, но ещё и биохимическими, химическими, физическими и физико-химическими процессами.
Оценить процессы коррозии по количественному признаку позволяет расчет термодинамических функций готовых продуктов кристаллизации и гидратации. Так же, термодинамический метод применяют для определения условий устойчивости составных соединений и минералов бетона под воздействием агрессивных сред с различными концентрациями газов или ионов в растворах [8].
Взаимодействие окружающей среды с цементным камнем (данный процесс называется коррозией) берёт своё начало с поверхностного слоя, а в дальнейшем агрессивный компонент переходит внутрь разрушаемой среды, в результате чего коррозия смещается вглубь бетона. Такой процесс следует одновременно с уменьшением механической прочности, изменением пористости поверхности, плотности, проницаемости и многих других свойств. Возможность протекание реакции обосновывается уменьшением энергии Гиббса, а полнота протекания процесса – величиной константы равновесия.
Реакция возможна, так как ΔG 1, т.е. процесс идет практически до конца
Люди с древнейших времен употребляли все то, что давала им природа: обжигали глину, использовали природный материал в строительстве жилищ, обрабатывали металлы и руды и не подозревали, что основу их действий составляют химические процессы.
Одной из главных ветвей химических технологий является строительство. В своей профессиональной деятельности строитель прибегает к таким отраслям науки, как коллоидная, органическая и неорганическая химия. Благодаря физической химии строительная отрасль решает многие проблемы: создаются поверхностно-активные вещества, разрабатываются методы ускорения или замедления твердения вяжущих веществ, проводятся исследования материалов и их взаимодействий с воздухом и минерализованными растворами. Для правильной организации защиты материалов от влияния окружающей среды необходимо знать их свойства, и в этом важнейшую роль играет химическая термодинамика.
1. Чаус К.В., Чистов Ю.Д., Лабзина Ю.В. Технология производства строительных материалов, изделий и конструкций. –М, 2014. – 448 с.
2. Бажин Н.М., Термодинамика для химиков / Н.М. Бажин, В.А. Иванченко, В.Н. Пармон. – 3-е изд., перераб. и доп. – М., 2016. – 416 с.
3. Пригожин И., Дэфей. Р. Химическая термодинамика: Пер. с англ. В.А. Михайлова – Новосибирск, 2015. – 502 с.
4. Ратинов В.Б., Иванов Ф.М., Химия в строительстве. – М.: Стройиздат, 2014. – 198 с.
5. Бабушкин В.И., Термодинамика силикатов / В.И. Бабушкин, Г.М. Матвеев, О.П. Мчедлов-Петросян – М.: Стройиздат, 2013. – 407с.
6. Полак А. Ф. Теория твердения мономинеральных вяжущих веществ – М.: Стройиздат, 2017. – 263с.
8. Алексеев С. Н. Коррозия и защита арматуры в бетоне. – М.: Стройиздат, 2013. – 186 с.