Учебные пособия и методические указания / Химия в строительстве. Курс лекций. Григорьева Л.С
Григорьева Л.С. Химия в строительстве: Курс лекций. /Моск. гос. строит. ун-т. М.: МГСУ, 2010. – 104 с.
Конспект лекций по дисциплине «Химия в строительстве» составлен в соответствии с программой курса. В учебном пособии рассмотрены основы химической термодинамики, термохимии, поверхностных явлений. Даны классификации дисперсных систем. Представлены теоретические основы коррозионных процессов. Учебное пособие предназначено для студентов строительных вузов.
Р е ц е н з е н т ы
проф., канд. техн. наук А.М. Орлова, проф., д-р техн. наук, зав. лаб ИНЭОС РАН А.А. Аскадский
Компьютерная правка и верстка О.В. Суховой
Лицензия ЛР №020675 от 09.12.97 г.
Подписано в печать 25.01. 2010 г.
ГОУ ВПО Московский государственный строительный университет.
Ред.-изд. отдел. Тел. (499) 183-97-95, e-mail rio@mgsu.ru. Типография МГСУ. Тел. (499) 183-91-90, (499) 183-67-92, (499) 183-91-44
Л е к ц и я 1. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ. ЗАКОН ГЕССА
Современное строительство использует великое множество самых разнообразных строительных материалов, из которых при помощи определенных строительных технологий и строится здание или сооружение. Основой технологических процессов, как производства строительных материалов, так и собственно технологии строительного производства являются основные законы природы. Поэтому при возведении любого здания необходимо учитывать самые разнообразные химические и физические процессы, происходящие в материалах при строительстве, сразу же после него или в процессе эксплуатации.
Теоретическим фундаментом таких процессов, прежде всего, являются основные положения термодинамики и, в частности, химической термодинамики.
Основываясь на теоретических положениях химической термодинамики можно рассчитывать и прогнозировать прочность твердых тел, устойчивость гидратных образований, определяющих прочность бетонов, обосновывать направление, по которому протекают процессы гидратации минеральных вяжущих. Знание максимального тепловыделения, скорости этого процесса необходимо при выборе цемента для гидротехнических и иных видов строительства. Без термодинамического анализа трудно оценить процессы коррозии строительных материалов и их защиты.
Классическая термодинамика первоначально занималась изучением теплоты, но в дальнейшем, она включила изучение превращений энергии во всех её формах.
Химическая термодинамика изучает:
1. Соотношения между теплотой и другими формами энергии в процессе химических реакций;
2. Возможность самопроизвольного протекания химических реакций в данных условиях;
3. Условия, при которых реакция находится в состоянии химического равновесия.
Термодинамика оперирует понятиями система, термодинамический процесс. Система – совокупность тел, выделенных фактически
или мысленно из окружающей среды и находящихся во взаимодействии с окружающей средой. Если между этой системой и средой отсутствует какой-либо обмен энергией и веществом, то она называется изолированной (объем и энергия такой системы постоянны). Система называется закрытой, если между системой, и средой взаимодействие осуществляется только за счет обмена энергией, но без обмена веществом.
Система называется открытой, если взаимодействие между системой и средой выражается как в обмене энергией, так и в обмене веществом.
Термодинамический процесс – совокупность последовательных состояний, через которые проходит термодинамическая система при её взаимодействии с окружающей средой.
Состояние системы характеризуют параметрами: объемом V, давлением р, температурой Т, концентрацией С и т. д.
Параметры, не зависящие от пути перехода системы из одного состояния в другое, а зависящие только от начального и конечного состояний, называют функциями состояния, например, внутренняя энергия тела. Эта энергия складывается из кинетической энергии молекул, энергии колебательного движения атомов, энергии электронов, внутриядерной энергии, энергии взаимодействия молекул и т.д., за исключением кинетической энергии системы в целом и потенциальной энергии ее положения в пространстве.
Все изменения внутренней энергии при ее переходе от одного тела к другому можно разбить на две группы. В первую группу входит форма перехода энергии за счет хаотического столкновения молекул двух соприкасающихся тел. Мерой передаваемой таким способом энергии является теплота.
Теплота представлена интенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это вещество состоит, т.е неупорядоченным движением микрочастиц.
Во вторую группу входят многие формы перехода энергии при перемещении масс, состоящих из большого числа частиц, под дейст-
вием каких-либо сил. Общей мерой, передаваемой таким образом энергии является работа, т.е. работа включает в себя упорядоченную макроскопическую форму движения.
Теплота Q и работа А в общем виде не являются функциями состояния и характеризуют способы передачи энергии.
Взаимосвязь между внутренней энергией, теплотой и работой устанавливается на основе первого начала термодинамики.
Первое начало (закон) термодинамики непосредственно связано с законом сохранения и превращения энергии, который устанавливает эквивалентность ее форм. Этот закон является универсальным и подтверждается всем опытом человечества
«Во всех явлениях природы энергия не может исчезнуть бесследно или возникнуть из ничего. Энергия только превращается из одной формы в другую в строго эквивалентных соотношениях». Иногда этот закон формулируют в другой форме:
«Вечный двигатель первого рода невозможен, т.е. невозможно построить машину, которая выполняла бы механическую работу, не затрачивая на это соответствующего количества молекулярной энергии».
«В изолированной системе внутренняя энергия постоянна и определяется природой составляющих ее веществ, их массой и условиями существования».
Внутренняя энергия может изменяться только под влиянием внешних воздействий, то есть в результате сообщения системе количества теплоты Q и совершения над ней работы (А).
Условились считать положительными величинами теплоту, полученную системой, и работу, совершенную системой. Тогда из первого начала термодинамики следует, что теплота, подводимая к системе, идет на приращение внутренней энергии системы и на совер-
шение работы против внешних сил:
Данное уравнение представляет собой математическую форму-
лировку первого закона термодинамики.
При изохорном процессе (V = const)
теплота равна прираще-
нию внутренней энергии
т.е. все тепло расходуется на изменение внутренней энергии. Уравнение первого начала термодинамики применительно к изобарным процессам, в которых совершается только работа расши-
Химия в строительстве
Химия в строительстве
Химия- наука, связанная со многими областям деятельности. Не обошла она стороной и один из наиболее интересных видов деятельности – архитектуру.
Так при строительстве и отделки зданий трудно обойтись без цемента, бетона, гипса. Всё это примеры вяжущих веществ, которые при смешивании с водой образуют тестообразную массу. При высыхании масса превращается в монолит. Медленно затвердевая, так называемый раствор связывает друг с другом кирпичи, каменные блоки или иные материалы, соприкасающиеся с ним.
Просмотр содержимого документа
«Химия в строительстве»
Химия в строительстве
Химия- наука, связанная со многими областям деятельности. Не обошла она стороной и один из наиболее интересных видов деятельности – архитектуру.
Так при строительстве и отделки зданий трудно обойтись без цемента, бетона, гипса. Всё это примеры вяжущих веществ, которые при смешивании с водой образуют тестообразную массу. При высыхании масса превращается в монолит. Медленно затвердевая, так называемый раствор связывает друг с другом кирпичи, каменные блоки или иные материалы, соприкасающиеся с ним.
Одним из древнейших вяжущих веществ является гипс, известный ещё в Древнем Египте. Это вещество представляет собой двуводныйсульфак кальция, встречающийся в природе в виде минерала. Обжиг гипса при 150Сприводит к потере значительной части кристаллизационной воды:
Образующийся при этом полуводный сульфак кальция называют жженым гипсом. При разведении водой он быстро твердеет (схватывается), снова превращаясь в дигидрат. Это сопровождается увеличением объёма на 1%. Расширяясь в процессе схватывания, гипс с высокой точностью воспроизводит поверхность формы, в которую он помещен. Благодаря этому жжёный гипс применяют как материалы для слепков, точных копий скульптуры. В отличие от мрамора, гипс – мягкий материал, даже при слабом нажиме ноготь оставляет на нём след. Для увеличения прочности в него квасцы.
При кладке кирпичных стен и для штукатурных работ строители используют известковый раствор – взвесь порошка гашёной извести (гидроксида кальция) и кварцевого песка (оксида кремния) в воде. Обычно на одну частьизвести берут две части песка. Иногда для большей прочности связывания добавляют цемент, такой раствор строители называют известково-цементным.
При высыхании из раствора выделяются кристаллы гидроксида кальция, которые срастаются друг с другом. Чтобы поверхность стены получалась ровной, а также для лучшего сцепления штукатурки с кладкой её затирают специальными тёрками. Со временем гидроксид кальция постепенно реагирует с углекислым газом, в небольшом количестве содержащимся в воздухе. Образующийся при этом порошок карбоната кальция представляют собой рыхлую массу, которая заполняет все пустоты, способствуя ещё более прочному сращиванию отдельных зёрен кварцевого песка. Для полного высыхания известкового раствора необходимо несколько недель. Как можно ускорить высыхание? Для этого требуется повысить концентрацию углекислого газа в воздухе. Например, в оштукатуренном помещении ставят жаровню с раскалёнными углями, плотно закрывают двери и окна.
Стены, покрытые штукатуркой, можно расписать. Технику росписи стен по сырой, свеженанесённой штукатурке красками, разведёнными на воде, называют фреской. Краски закрепляются на поверхности стены, покрываясь тонкой кристаллической плёнкой карбоната кальция, образующейся при взаимодействии извести с углекислым газом. Для образования такой плёнки требуется 3-4 часа, поэтому в один день расписывают лишь небольшую часть стены. При внимательном изучении стены, расписанных фресками, удаётся заметить едва заметные швы, разделяющие участки, расписанные в разные дни. Перед росписью известковый раствор наносят на стену в несколько слоёв. Первый слой, называемый итальянцами arriziato, может быть нанесен весь сразу за несколько дней до росписи. Для лучшего сцепления со вторым слоем его оставляют шероховатым и, пока он сырой, специально царапают. Второй слой, называемый intonaco,по которому непосредственно исполняется роспись, наносят сразу перед работой живописца. Мельчайшие кристаллы пигментов попадают в неровности поверхности, покрытой штукатуркой, и при высыхании прочно «врастают» в неё, удерживаемые плёнкой карбоната кальция. Всё это объясняет прочность и долговечность фресковых росписей, которые в сухих помещениях могут сохраняться веками. Если же краска наносится на уже высохшую поверхность стены, то частицы пигмента прочно не могут на ней закрепится и со временем осыпаются. Такая техника живописи используется в основном для реставрации фресок. Росписью стен по штукатурке занимались уже в древнем Египте, а также в Древнем Риме. До наших дней дошли многие средневековые фрески в древнерусских городах, на Балканах, в странах Западной Европы. Однако наивысшего расцвета фрески достигла в Италии в эпоху Возрождения. Итальянскими живописцами была разработана сложная многослойная технология нанесения слоёв штукатурки и красок.
Известь, необходимую для штукатурных работ, получают обжигом известняка в специальных печах. Для приготовления извести годятся только известняка, не содержащие примесей, а также мрамор и раковины. Грязные известняки, в состав которых, наряду с карбонатом кальция, входят доломит, глина или песок, при обжигании дают нечистую известь. Раньше её называли тощей, в отличие от жирной, получаемой из чистого известняка. При обжиге выделяется углекислый газ и остаётся плотная каменистая масса оксида, называемая негашёной известью или кипелкой. Для гашения извести порошок оксида обливают водой, которую берут в массовом соотношении 1 : 1. Реакция взаимодействия оксида кальция с водой протекает настолько энергично, что от выделяющейся теплоты раствор начинает кипеть, поднимаются клубы пара. Каменистая масса негашёной извести, поглотив воду, рассыпается в порошок. Такую известь, представляющую собой гидроксид кальция, называют пушонкой. Её и используют для приготовления цементного раствора. Иногда гашение извести проводят прямо на месте.Для этого выкапывают в земле яму, укрепляют её стены досками, заполняют примерно на треть кипелкой и добавляют воду.
Внутренние поверхности зданий после штукатурки шпатлюют – покрывают тонким белым слоем, состоящим мела или гипса. Поверхность него клеят обои или наносят краску. Традиционно используемые масляные краски содержат пигмент, льняное масло, которое при высыхании образует прозрачную плёнку, и растворитель, например скипидар или керосин, запах растворителя при покраске чувствуется за несколько десятков метров, и длительно находиться в таком помещении опасно для здоровья. Использование водоэмульсионных красок, представляющих собой водные эмульсии синтетических полимеров на основе поливинилацетата, полиметилметакрилата, полистирола, гораздо более удобно. Они практически не имеют запаха. По мере испарения воды полимер, в котором растворен красителей, превращается в тонкую эластичную плёнку.
При кладке стен, помимо известкового раствора, используют цемент. Римлянеполучали его из извести и вулканического пепла. Римский учёный Плиний Старший писал о цементе, что это порошок «может служить оплотом против волн морских и, и будучи погружён в воду, превращается в твёрдый камень, для волн неодолимый, и становится ежедневно твёрже». Вулканический пепел для получения цемента продолжали использовать вплот до XIX в., когда ему на смену пришёл цемент, изготовляемый из извести и глины. Новый цемент, в отличие от старого, римского, называли портланд-цемент, по имени местечка в Англии, где залегают песчаники, впервые использованные для его производства. Портланд-цемент представляет собой серый порошок, полученный при обжиге смеси трёх частей известняка и одной части глины. В печах при температуре 1400 С известняк разлагается до оксида кальция, который взаимодействует с обезвоженной глиной, превращаясь в силикаты и алюминаты кальция: алит, белит, трёхкальциевый алюминат. Оксид железа, придающий глине характерный землистый цвет, превращается в алюмоферрит. Все эти вещества входят в состав цементного клинкера – массы, образовавшейся в результате обжига. После охлаждения клинкер размалывают и просеивают через тончайшие сита. Чем тоньше помол, тем прочнее цемент. В зависимости от прочности цемент делят на марки: 300, 400, 500, 600.
Для затвердевания клинкер смешивают с водой – на 1 кг порошка в среднем берут 450 мл воды. Приготовленная взвесь, называемая цементным раствором, со временем твердеет. При добавлении воды многие вещества, входящие в состав клинкера, переходят в раствор, а со временим кристаллизуются из него в виде гидратов.
Эти вещества, представляют собой химические соединения, условно записываемые для простоты в виде комбинации оксидов, и составляют основу цементного камня, образующегося при затвердевании цементного раствора. Они придают ему прочность и долговечность. Бетон, в состав которого введена железная арматура, называют железобетоном.
При затвердевании цемент даёт усадку – уменьшается в объёме. Для уменьшения усадки и увеличения прочности в него добавляют песок, щебень, мраморную крошку и иные наполнители. Полученный материал называют бетоном. Бетон используют для заливки фундаментов зданий, изготовления панелей, применяемых в массовом жилом строительстве. Он служит также материалом для скульптуры. Гигантская фигура Родины-Матери на Мамаевом кургане в Волгограде выполнена из прочного железобетона. Несмотря на то что толщина бетонной оболочки памятника не превышает 30 см, его масса при высоте фигуры 85 м составляет 6 тысяч тонн. Выполненный из стали меч длиной 29 м весит 14,3 тонны.
Под действием влаги воздуха, углекислого газа и перепадов температур цемент и бетон постепенно разрушаются – они теряют прочность гораздо быстрее, чем природный камень. Попадая в поры, вода растворяет и разлагает соединения кальция, которые придают материалу прочность.
Химия- наука, связанная со многими областям деятельности. Не обошла она стороной и один из наиболее интересных видов деятельности – архитектуру.
Так при строительстве и отделки зданий трудно обойтись без цемента, бетона, гипса. Всё это примеры вяжущих веществ, которые при смешивании с водой образуют тестообразную массу.
Одним из древнейших вяжущих веществ является гипс, известный ещё в Древнем Египте. Это вещество представляет собой двуводный сульфат кальция, встречающийся в природе в виде минерала. Образующийся при этом полуводный сульфат кальция называют жженым гипсом. При разведении водой он быстро твердеет (схватывается), снова превращаясь в дигидрат.
При кладке кирпичных стен и для штукатурных работ строители используют известковый раствор – взвесь порошка гашёной извести (гидроксида кальция) и кварцевого песка (оксида кремния) в воде.
При высыхании из раствора выделяются кристаллы гидроксида кальция, которые срастаются друг с другом. Чтобы поверхность стены получалась ровной, а также для лучшего сцепления штукатурки с кладкой её затирают специальными тёрками. Со временем гидроксид кальция постепенно реагирует с углекислым газом, в небольшом количестве содержащимся в воздухе. Образующийся при этом порошок карбоната кальция представляют собой рыхлую массу, которая заполняет все пустоты, способствуя ещё более прочному сращиванию отдельных зёрен кварцевого песка.
Известь, необходимую для штукатурных работ, получают обжигом известняка в специальных печах. Для приготовления извести годятся только известняки, не содержащие примесей, а также мрамор и раковины.
Внутренние поверхности зданий после штукатурки шпатлюют – покрывают тонким белым слоем, состоящим мела или гипса. Поверхность него клеят обои или наносят краску. Традиционно используемые масляные краски содержат пигмент, льняное масло, которое при высыхании образует прозрачную плёнку.
При кладке стен, помимо известкового раствора, используют цемент. Римляне получали его из извести и вулканического пепла. Римский учёный Плиний Старший писал о цементе, что это порошок «может служить оплотом против волн морских и, будучи погружён в воду, превращается в твёрдый камень, для волн неодолимый, и становится ежедневно твёрже». Вулканический пепел для получения цемента продолжали использовать вплоть до XIX в., когда ему на смену пришёл цемент, изготовляемый из извести и глины.
При затвердевании цемент даёт усадку – уменьшается в объёме. Для уменьшения усадки и увеличения прочности в него добавляют песок, щебень, мраморную крошку и иные наполнители. Полученный материал называют бетоном.
Под действием влаги воздуха, углекислого газа и перепадов температур цемент и бетон постепенно разрушаются – они теряют прочность гораздо быстрее, чем природный камень. Попадая в поры, вода растворяет и разлагает соединения кальция, которые придают материалу прочность. Т.к. все старинные театры были построены из природного камня, их части сохранились и по сей день.