Химические свойства материалов

 

5.4.1. Химические свойства

Химические свойства материалов характеризуют их спо- собность вступать в химические взаимодействия с различными веществами окружающей среды.

В зависимости от результата химических превращений ма- териалов (полезные и вредные) условно химические свойства можно разделить на группы.

1. Свойства, характеризующие химическую активность вяжущих веществ. В результате химического взаимодействия образуются новые соединения, обеспечивающие формирование структуры и комплекса полезных свойств композиционных ма- териалов.

Твердение неорганических вяжущих веществ основано, главным образом, на химических реакциях минералов вяжущих веществ с водой.

Например,

– твердение строительного гипса: CaSO4·0,5H2O + 1,5 H2O = CaSO4·2H2O;

– твердение извести:

а) гашение: CaO + H2O = Ca(OH)2;

б) карбонизация: Ca(OH)2+ CO2= CaCO3+ H2O;

– твердение цемента:

а) трехкальциевый силикат (алит) взаимодействует с водой с образованием гидросиликатов кальция переменного состава (ГСК) и гидроксида кальция:

 

3CaO·SiO2+ nH2O = 2CaO·SiO2(n – 1)H2O + Ca(OH)2;

 

б) трехкальциевый алюминат взаимодействует с водой в присутствии гипса с образованием гидросульфоалюмината кальция – минерала эттрингита:

 

3CaO·Al2O3+ 3CaSO4·2H2O + (25–26)H2O =

= 3CaO·Al2O3·3CaSO4·(31–32)H2O;

 

кроме этого образуются гидроалюминаты кальция;

в) при взаимодействии с водой двухкальциевого силиката (белита) образуются гидросиликаты.

 

Химическая активность вяжущих веществ зависит от хими- ческого и минерального состава.

Для воздушной извести, например, основной показатель, от которого зависит сорт извести, – это активность, которая опре-

деляется содержанием активных CaOи MgOв %. Например, из- весть 1-го сорта должна содержать не менее 90 % (CaO + MgO) активных, т.е. вступающих в реакцию с водой в процессе гаше- ния.

Для других вяжущих (цемент, гипс) активность оценивает- ся по способности обеспечивать прочностные свойства к опре- деленному сроку твердения.

Об активности вяжущих можно также судить по количеству тепла, которое выделяется в ходе химических реакций.

2. Свойства, характеризующие способность материалов сопротивляться действию химически агрессивной среды, вызы- вающей в них обменные реакции и приводящие к разрушению материалов.

Это кислотостойкость, щелочестойкость, стойкость к одно- временному действию комплекса химически активных агентов и др. Кроме того, для некоторых материалов химические свойства оцениваются по способности не разлагаться, не разрушаться с течением времени (органические вяжущие вещества, полимеры и материалы на их основе).

Химическая стойкость зависит от:

− химического состава;

− минерального (фазового) состава;

− микроструктуры (соотношения кристаллических и аморфных фаз: у аморфных фаз выше химическая ак- тивность, чем у кристаллических);

− макроструктуры: чем плотнее материал (ниже порис- тость), тем выше химическая стойкость.

Кислото- и щелочестойкость – свойства материалов, ха- рактеризующие их способность противостоять разрушающему действию, соответственно, растворов кислот или их смесей и водных растворов щелочей. Эти свойства характеризуются по- терей массы измельченного материала при обработке опреде- ленными растворами кислот или щелочей (в %).

О химической стойкости материалов можно приблизитель- но судить по химическому составу и по модулю основности:

%CaO+ %MgO + %Na2O(K2O)

Mo= .

%SiO2 + %Al2O3

 

 

(5.22)

 

При низких значениях модуля основности (много SiO2в со- ставе) материалы стойки к кислотам, но способны к взаимодей- ствию со щелочами – кварц, гранит, кварцит, силикатное стек- ло. Кроме этого, кислотостойки углеродистые стали, чугуны, содержащие более 2,5 % углерода, титан.

При высоких значениях модуля основности материалы ще- лочестойки, но разрушаются кислотами.

Например, Мо цементного камня ~ 3/2 – цементные мате- риалы разрушаются большинством кислот и щелочестойки. У горных пород, состоящих из кальцита СаСО3 (известняк, мра- мор), модуль основности имеет очень большое значение – поро- ды легко разрушаются кислотами, но щелочестойки.

К щелочестойким материалам относятся известняки, мра- мор, бетоны на основе портландцемента и глиноземистого цемента, специальные хромоникелевые стали, никелевые лату- ни, стекло, содержащее оксид бора и др.

Степень стойкости материалов к разрушающему действию растворов различных кислот или щелочей различна и требует конкретной оценки в зависимости от предполагаемой области применения.

Битум не устойчив в щелочной среде, а древесина не устой- чива ни в щелочной, ни в кислой среде.

Достаточно высокую стойкость к действию растворов ще- лочей и кислот проявляют керамические материалы, диабаз и базальт, шлакоситаллы, многие пластмассы.

Важным свойством, характеризующим стойкость органиче- ских строительных материалов, в первую очередь полимерных материалов, является их маслобензостойкость (топливостой- кость) – способность этих материалов противостоять действию жидких углеводородных топлив. При контакте с углеводорода- ми и маслами минерального происхождения многие полимеры, особенно резины, набухают. У резиновых материалов степень

набухания может достигать нескольких сотен процентов. Мас- лобензостойкость необходимо учитывать при выборе материа- лов для покрытия полов гаражей, станций технического обслу- живания, некоторых промышленных зданий, животноводческих помещений и т.п.

При выборе химически стойких материалов необходимо учитывать также способность материалов противостоять дейст- вию растворов солей, газов и одновременному действию не- скольких агентов в химически агрессивных средах.

К физико-химическим свойствам материалов относят их адгезионную способность. Адгезия (от лат. adhaesio – «прилипа- ние») – сцепление и связь между находящимися в контакте по- верхностями разнородных по составу (твердых или жидких) тел (фаз), обусловленные межатомными силами притяжения. Это свойство имеет большое значение при сварке и пайке мате- риалов, склеивании, нанесении защитно-декоративных (эмале- вых, лакокрасочных и др.) покрытий, создании композицион- ных материалов – пластмасс, бетонов.

В связи со все расширяющимся внедрением в строительную практику синтетических полимерных материалов (и особенно отделочных пластмасс) важным критерием аттестации качества строительных материалов и изделий является оценка их сани- тарно-гигиенических характеристик – токсичности, биологи- ческого действия вредных для людей химических загрязнений внешней среды и интенсивного запаха в результате миграции из материалов остаточных мономеров, катализаторов, стабилиза- торов, пластификаторов, растворителей и других низкомолеку- лярных соединений, а также в результате деструкции в процессе переработки и эксплуатации. Применение в зданиях и сооруже- ниях материалов, обладающих любой степенью токсичности, категорически запрещается.

Коррозия (от лат. сorrodo – «разъедаю») – процесс разру- шения материала под действием агрессивных факторов окру- жающей среды.

Коррозия металлов – разрушение вследствие химического и электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой; коррозию железа и сплавов на его основе называют ржавлени- ем. Коррозию горных пород называют выветриванием. Корро- зия бетона – разрушение бетона в результате физического, хи- мического, физико-химического и биологического взаимодейст- вия с внешней средой.

Коррозионная стойкость – способность материала сопро- тивляться разрушению в результате действия внешней агрес- сивной среды.

Коррозионная стойкость – это комплексное, а не только химическое свойство строительных материалов.

Коррозионная стойкость определяется составом и структу- рой материала, наличием механических напряжений, состояни- ем поверхности, условиями воздействия агрессивной среды.

Количественно коррозионная стойкость материалов оцени- вается по 10-балльной шкале (табл. 5.9), характеризующей уменьшение толщины материала (в мм/год).

 

Таблица 5.9 Шкала оценки коррозионной стойкости материалов

Группа стойкости материалов	Скорость коррозии, мм/год	Балл
Совершенно стойкие	Менее 0,001
Весьма стойкие	0,001…0,005
	0,005…0,01
Стойкие	0,01…0,05
	0,05…0,1
Понижено стойкие	0,1…0,5
	0,5…1
Малостойкие	1…5
	5…10
Нестойкие	Более 10

Материалы, отличающиеся коррозионной стойкостью в различных агрессивных средах (оценка по шкале не выше 5 баллов), называются коррозионностойкими. К ним относятся керамические материалы с плотным черепком, стекла, асбесты, легированные стали, сплавы титана и алюминия, многие пласт- массы и др.

Коррозионная стойкость металлов оценивается также по потере массы материала с единицы площади (в г/(м²·ч)), по по- тере механической прочности, пластичности и по другим пока- зателям.

Коррозионную стойкость металлов повышают легирова- нием, рафинированием, нанесением защитных покрытий, хими- ко-термической обработкой и другими способами.

 

5.4.2.Выветривание горных пород и способы защиты Выветривание – процесс разрушения горных пород и ка-

менных материалов под действием различных факторов окру- жающей среды.

Стойкость к выветриванию зависит от минерального соста- ва и строения. Устойчивым к выветриванию является кварц, ма- лоустойчивыми – полевые шпаты ортоклаз и микроклин, неус- тойчивыми – основные плагиоклазы, оливин, кальцит, доломит, гипс, химически активные минералы – сульфиды, сульфаты.

Факторы, вызывающие разрушение каменных материалов:

· физико-механические:

− суточные колебания температуры (возникновение внутренних напряжений за счет разного изменения объема зерен различных минералов с отличными пока- зателями температурного линейного и объемного рас- ширения);

− совместное действие воды и мороза (возникновение на- пряжений, связанных с проникновением и замерзанием воды в порах и микротрещинах материалов, в том чис- ле возникающих при добыче и переработке горной по- роды);

 

· физико-химические:

− действие воды на минералы с повышенной раствори- мостью (гипс, карбонаты) (растворение и вымывание);

− действие воды, содержащей растворенные газы, в том числе от промышленных выбросов, особенно CO2, SO3, SO2, NO2 и др., приводящей к образованию но- вых и легко растворимых соединений.

 

Например:

– для карбонатных пород:

CaCO3+ H2O +CO2® Ca(HCO3)2

соединение хорошо

с низкой растворимое

растворимостью соединение

 

CaCO3+ 2HNO3® Ca(NO3)2+ H2O + CO2­

соединение хорошо

с низкой растворимое

растворимостью соединение

 

– для полевошпатных пород:

K2O·Al2O3·6SiO2+ 2H2O + CO2®Al2O3·2SiO2·2H2O+ 4SiO2+

+K2CO3

полевой шпат-ортоклаз	каолинит	аморфный
растворимое соединение		кремнезем

 

− действие органических кислот, образующихся при жизнедеятельности микроорганизмов на поверхности и в трещинах камня.

 

Способы защиты от выветривания подразделяются на три группы:

1. Конструктивные:

− придание изделиям и конструкциям такой формы, кото- рая обеспечивает хороший сток воды с поверхности камня;

− повышение плотности и гладкости поверхности путем шлифования и полирования.

2. Физико-химические способы защиты, направленные на уплотнение поверхности и повышение водостойкости:

− обработка гидрофобными составами, например, крем- нийорганическими жидкостями (уменьшение смачивае- мости поверхности, скорости капиллярного подсоса);

− пропитка пористых горных пород растворами солей кремнефтористоводородной кислоты (H2SiF6) – флюата- ми (способ флюатирования). Применяется непосредст- венно для карбонатных пород, другие породы предвари-

тельно пропитываются раствором известковой соли, а затем флюатом.

 

2CaCO3+ MgSiF6= 2CaF2+ MgF2+ SiO2+ 2CO2­

соединения с низкой

растворимостью

 

При флюатировании образуется защитный слой из нерас- творимых соединений, заполняющих поверхностные поры, в ре- зультате уменьшается водопоглощение, увеличивается морозо- стойкость;

− обработка поверхности добавками оксида свинца или железистых соединений увеличивает погодоустойчи- вость.

3. Физико-химические способы защиты, направленные на образование водонепроницаемых пленок на поверхности:

− обработка полимерами (например, раствором мочевино- формальдегидной смолы) или мономерами с последую-

щей полимеризацией в порах камня;

− пропитка горячим льняным маслом;

− покрытие слоем воска, растворенного в скипидаре, па- рафина, растворенного в нефтяном дистилляте или ка- менноугольном дегте.

5.4.3.Коррозия цементных материалов и способы повышения коррозионной стойкости

В результате химического взаимодействия продуктов гид- ратации клинкерных минералов с водой и содержащимися в ней веществами происходит так называемая химическая коррозия цементного камня и бетона. Различают три вида коррозии:

· 1-й вид коррозии – разложение составляющих частей цементного камня практически чистой водой, например пре- сной, растворение и вымывание образующегося при этом и уже ранее имевшегося гидроксида кальция;

· 2-й вид коррозии – образование легкорастворимых солей в результате взаимодействия составляющих цементного камня с веществами, находящимися в окружающей среде, растворение и вымывание этих солей, а также образование рыхлых продуктов, не обладающих прочностью. Наиболее характерны углекислот- ная и магнезиальная коррозии.

Например, за счет обменных реакций образуются раство- римые соли кальция и аморфный осадок Mg(OH)2:

Са(ОН)2+ MgС12® СаС12+ Mg(OH)2

· 3-й вид коррозии – образование в цементном камне под

влиянием проникающих в него веществ таких соединений, ко- торые имеют больший объем, чем исходные вещества. В ре- зультате возникают внутренние напряжения, которые приводят к появлению трещин.

Например, в воде, содержащей сульфат магния, протекает ряд реакций:

Са(ОН)2+ MgSO4® СаSО4·2Н2О + Mg(OH)23CaO·Al2O3+ 3MgSO4+ 12Н2О ® СаSО4·2Н2О + Al(OН)3+

+ Mg(OH)2

3CaO·Al2O3+ СаSО4·2Н2О ® 3CaO·Al2O3·3СаSО4·(31–32)Н2О

эттрингит

где Al(OН)3и Mg(OH)2– рыхлые осадки.

 

СаSО4·2Н2О и эттрингит – кристаллы, вызывающие напря- жение. Особенно опасно образование эттрингита в порах бетона, так как это призматические или игольчатые кристаллы, у которых объем более чем в 2 раза превышает объем исходных фаз.

Меры предотвращения коррозии (кроме общекислотной):

· Использование цементов с пониженным содержанием алита и С3А в клинкере, при этом в цементном камне уменьша- ется содержание Са(ОН)2и неустойчивых высокоосновных гид- роалюминатов кальция.

· Введение при помоле оптимального количества гипса, который должен полностью связываться в первые 24–48 часов твердения цемента.

· Введение активных минеральных добавок – в результате происходит связывание Са(ОН)2в низкоосновные гидросилика- ты кальция; уменьшение размеров кристаллов Са(ОН)2; уплот- нение структуры за счет дополнительно образующихся гидро- силикатов кальция.

· Все меры, направленные на снижение водопотребности цемента, снижение пористости камня, уплотнение структуры (например, снижение В/Ц при использовании пластифицирую- щих добавок).

· Для защиты бетона также применяют защитные покрытия.