Контрольная работа по "Строительным материалам"

Задание 1.

Известь строительная воздушная, её свойства и область применения в строительстве.

 

Известь известна человечеству не одно тысячелетие и все это время активно используется им в строительстве и многих других отраслях. Это объясняется доступностью сырья, простотой технологии и достаточно хорошими свойствами извести.

Воздушная известь  - единственное вяжущее, которое превращается в  тонкий порошок не только размолом, но и путем гашения водой.

Известковое тесто состоит  из насыщенного водой раствора Ca(OH)₂ и мельчайших не растворившихся частиц извести. По мере испарения из него воды образуется пересыщенный раствор Ca(OH)₂, из которого выпадают кристаллы, скрепляющие отдельные частицы в единый монолит. При это происходит усадка твердеющей системы, которая в определенных условиях (например, при твердении известковой смеси на жестком основании – штукатурный слой) может вызвать растрескивание материала. По этому известь всегда применяют с заполнителями (например известково-песчаные растворы) или в смеси с другими вяжущими для придания материалу пластичности.

Известковое тесто, защищенное от высыхания, неограниченно долго  сохраняет пластичность, т.е. у извести  отсутствует процесс схватывания. Затвердевшее известковое тесто при увлажнении вновь переходит в пластичное состояние (известь – не водостойкий материал). Однако при длительном твердении (десятилетия) известь приобретает довольно высокую прочность и относительную водостойкость (например в кладке старых зданий). Это объясняется тем, что на воздухе известь реагирует с углекислым газом, образуя нерастворимый в воде и довольно прочный карбонат кальция, т.е. как бы обратно переходит в известняк. Процесс этот очень длительный и полной карбонизации извести практически не происходит.

Существует мнение, что  при длительном контакте извести  с кварцевым песком в присутствии  влаги между этими компонентами происходит взаимодействие с образованием контактного слоя из гидросиликатов. Это так же повышает прочность и водостойкость бетонов и кирпичной кладки на извести, имеющих возраст более 200-300 лет.

Воздушную известь применяют  для приготовления кладочных  и штукатурных растворов как  самостоятельное вяжущее, так и в смеси с цементом; при производстве силикатного кирпича и силикатобетонных изделий; для получения смешанных вяжущих (известково-шлаковых, известково-зольных и др.) и для красок.

 

 

 

 

 

 

 

Задание 2.

Сырье, технология, структура  и основные свойства стекла.

 

Стеклами называют переохлажденные  жидкости, не успевшие при остывании  перейти в кристаллическое состояние. Иными словами – это жидкости, имеющие бесконечно большую вязкость. Последнее и придает им  многие свойства твердого тела. В отличие  от истинно твердых тел стекла при нагревании не плавятся, а размягчаются, постепенно переходя в пластичное, а затем и в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в  обратной последовательности. Еще одна отличительная черта стекол – изотропность – одинаковость свойств во всех направлениях.

Химический состав обыкновенного  оконного стекла по основным оксидам  следующий: SiO₂ – 71…72%; Na₂O – 15..16%; CaO – 5…7%; MgO – 3…4%; Al₂O₃ – 2…3%; содержание Fe₂O₃ не более 0,1%  так как оксиды железа придают стеклу  зеленовато-коричневый (бутылочный) цвет и снижают светопропускание. Основные оксиды вводятся в сырьевую шихту в виде следующих оксидов.

Кремнезем (SiO₂) вводят в виде кварцевого песка, молотых кварцитов или песчаников. Основное требование к кремнеземистому сырью – минимальное количество примесей, особенно оксидов железа. Это основной стеклообразующий оксид, повышающий тугоплавкость и химическую стойкость стекла.

Глинозем (Al₂O₃)  поступает в сырьевую шихту в виде полевых шпатов и каолина. Его влияние на свойство стекла аналогично действию SiO₂.

Оксид натрия (Na₂O) вводят в стекло в виде соды и сульфата натрия. Na₂O понижает температуру плавления стекла, повышает коэффициент термического расширения и уменьшает химическую стойкость.

Оксид кальция (CaO) и магния (MgO) вводят в стекольную шихту в виде мела, мрамора, известняка, доломита и магнезита. Эти оксиды повышают химическую стойкость стекла.

В специальные стекла вводят оксиды свинца, бария, бора и др.

Вспомогательные сырьевые материалы делят по своему назначению на следующие подгруппы: осветлители – вещества, способствующие удалению из стекломассы газовых пузырей; обесцвечиватели – вещества обесцвечивающие стекольную массу; глушители – вещества, делающие стекло непрозрачным.

Красители для стекла могут  быть молекулярными, полностью растворяющимися  в стекломассе, и коллоидными, равномерно распределяющимися в стекломассе  в виде мельчайших (коллоидных) частиц. К первым относятся соединения кольбата (синий цвет), хрома (зеленый), марганца (фиолетовый), железа (коричневый и сине-зеленые тона), а ко вторым – металлическое золото (рубиновый), серебро (желтый), селен (розовый).

Перед варкой стекла сырьевые материалы измельчают, тщательно смешивают в требуемых соотношениях, брикетируют и подают в стекловаренную печь.

Стекловарение. Обычное стекло получают в непрерывно действующих ванных печах с полезным объемом до 600 м³ и суточной производительностью более 300 т. Для варки специальных (оптических, цветных и др.) стекол применяют периодически действующие ванные, а так же горшковые печи.

Стекловарение – главнейшая операция стекольного производства. На первой стадии этого процесса – сикатообразовании – щелочные компоненты образуют с частью кремнезема силикаты, плавящиеся уже при 1000…1200^оС. В этом расплаве при дальнейшем нагревании  растворяются наиболее тугоплавкие компоненты SiO₂ и Al₂O₃. Образующаяся при этом масса неоднородная по составу и насыщена газовыми пузырьками.

Удаление пузырьков и  полная гомогенизация расплава осуществляется на второй наиболее  длительной стадии стекловарения – стеклообразовании – при температуре 1400…1600^оС. Третья заключительная стадия – студка – охлаждение стекломассы до температуры, при которой она приобретает оптимальную для данного метода формования стеклоизделий вязкость.

Силикатные стекла отличаются необычным сочетанием свойств, высокой  прочностью и ярко выраженной хрупкостью, свето- и радио-прозрачностью, абсолютной водонепроницаемостью и универсальной  химической стойкостью. Все это объясняется  спецификой состава и строения стекла.

Плотность стекла зависит от химического состава и для обычных строительных стекол составляет 2400…2600 кг/м³. Плотность оконного стекла  - 2550 кг/м³. Высокой плотностью отличаются стекла, содержащие оксид свинца («богемский хрусталь») – более 3000 кг/м³. Пористость и водопоглащение стекла практически равны 0%.

Механические  свойства. Стекло в строительных конструкциях чаще подвергается изгибу, растяжению и удару и реже сжатию, по этому главными показателями , определяющими его механические свойства , следует считать прочность при растяжении и хрупкость.

Теоретическая прочность стекла при растяжении - (10…12)*10³ МПа. Практически же эта величина ниже в 200…300 раз и составляет от 30 до 60 МПа. Это объясняется тем, что в стекле имеются ослабленные участки (микронеоднородности, дефекты поверхности, внутренние напряжения). Чем больше размер стеклоизделий, тем вероятнее наличие таких участков. Примером зависимости прочности стекла от размера испытуемого изделия служит стеклянное волокно. У стекловолокна диаметром 1…10 мкм прочность при растяжении 300…500 МПа, т.е. почти в 10 раз выше, чем у листового стекла. Сильно снижают прочность стекла на растяжение царапины; на этом основана резка стекла алмазом.

Прочность стекла при сжатии высока – 900…1000 МПа, т.е. почти как у стали и чугуна. В диапазоне температур от -50 до +70^оС прочность стекла практически не изменяется.

Стекло при нормальных температурах отличается тем, что у  него отсутствуют пластические деформации. При нагружении оноподчиняется закону Гука вплоть до хрупкого разрушения. Модуль упругости стекла Е=(7…7,5)*10⁴ МПа.

Хрупкость – главный недостаток стекла. Основной показатель хрупкости – отношение модуля упругости к прочности при растяжении E/R_p. У стекла оно составляет  1300…1500 (у стали 400…600, каучука 0,4…0,6). Кроме того, однородность строения (гомогенность) способствует беспрепятственному  развитию трещин, что является необходимым условием для проявления хрупкости.

Твердость стекла, представляющего собой по химическому составу вещество, близкое к полевым шпатам, такая же как у этих минералов, и в зависимости от химического состава находится в пределах 5…7 по шкале Мооса.

Оптические  свойства стекла характеризуются светопропусканием (прозрачностью), светопреломлением, отражением, рассеиванием и др. Обычные силикатные стекла, кроме специальных, пропускают всю видимую часть спектра (до 88…92%) и практически не пропускает ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Показатель преломления строительного стекла (n=1,5…1,52) определяет силу отраженного света . При изменении угла падения света с 0 до 75^о светопропускание стекла уменьшается с 90 до 50%.

Теплопроводность различных видов стекла мало зависит от их состава и составляет 0,6…0,8 Вт/(м*К), что почти в 10 раз ниже, чем у аналогичных кристаллических минералов. Например теплопроводность кристалла кварца – 7,2 Вт/(м*К).

Коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР) стекла относительно невелик ( для обычного стекла 9*10^-6* К^-1). Но из-за низкой теплопроводности и высокого модуля упругости напряжения, развивающиеся в стекле при резком одностороннем нагреве (или охлаждении), могут достигать значений, приводящих к разрушению стекла. Это объясняет относительно малую термостойкость (способность выдерживать резкие перепады температур) обычного стекла. Оно составляет 70…90^оС.

Звукоизолирующая  способность стекла довольно высока. Стекло толщиной 1 см по звукоизоляции примерно соответствует кирпичной стене в полкирпича – 12 см.

Химическая  стойкость силикатного стекла – одно из самых уникальных его свойств. Стекло хорошо противостоит действию воды, щелочей и кислот (за исключением плавиковой и фосфорной). Объясняется это тем, что при действии воды и водных растворов из наружного слоя стекла вымываются ионы Na⁺ и Ca⁺⁺ и образуется химически стойкая пленка, обогащенная SiO₂. Эта пленка защищает стекло от дальнейшего разрушения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание 3.

Бетоны на пористых заполнителях: состав, свойства и область применения.

 

Легкие бетоны на пористых заполнителях – наиболее распространенный вид легких бетонов. Свидетельства  их применения известны еще в древнем  Риме. Для получения легких бетонов  тогда использовали природный заполнитель  – пемзу или туф, а так же бой керамики и даже пустые глиняные сосуды. В настоящее время эти  заполнители так же используют как  местный материал. Широкое развитие легкие бетоны получили во второй половине ХХ века, когда началось массовое производство искусственных пористых заполнителей: керамзита, аглопорита, шлаковой пемзы и др.

Структура и свойства легких бетонов. Пористые заполнители имеют шероховатую поверхность, по этому сцепление цементного камня с заполнителем не является слабым звеном легких бетонов. Этому способствует так же химическая активность вещества заполнителей, содержащих аморфный SiO₂, способный взаимодействовать с Ca(OH)₂ цементного камня. Плотность и прочность контактной зоны «цементный камень – пористый заполнитель» объясняют парадоксально высокую водонепроницаемость и прочность легких бетонов на пористых заполнителях.

Для легких бетонов установлены  следующие классы по прочности (МПа) от В2 до В40. Прочность легких бетонов зависит от качества заполнителей, марки и количества использованного цемента. При этом, естественно, изменяется и плотность бетона.

Для легкого бетона установлены 19 марок по плотности (кг/м³)  от D200 до D2000 (с интервалом 100 кг/м³). Пониженная плотность легких бетонов может быть достигнута поризацией цементного камня.

Теплопроводность легкого бетона зависит от его плотности и влажности. Увеличение объемной влажности на 1% повышает теплопроводность бетона на 0,015…0,035 Вт/(М*К).

Морозостойкость пористых бетонов при их структуре довольно высокая. Рядовые легкие бетоны имеют морозостойкость в пределах F25…F100. Для специальных целей могут быть получены легкие бетоны с морозостойкостью F200, F300 и F400.

Водонепроницаемость у легких бетонов высокая и увеличивающаяся по мере твердения бетона за счет уплотнения контактной зоны «цементный камень – заполнитель», являющейся самым уязвимым местом для проникновения воды в обычном бетоне. Установлены следующие марки для легких бетонов по водонепроницаемости: W0,2; W0,4; W0,6; W0,8; W1; W1,2 (давление воды, МПа, не вызывающее фильтрации при стандартных испытаниях).

Бетоны на пористых заполнителях обладают хорошими теплоизолирующими  свойствами и применяются для  возведения стен жилых и промышленных зданий.

 

 

 

 

Задание 4.

Органические теплоизоляционные  материалы и изделия.

 

Органические  теплоизоляционные  материалы получают как из природного сырья (древесины, сельскохозяйственных отходов, торфа и т.п.), так и на основе синтетических полимеров.

Материалы из сельскохозяйственных отходов, камыша, торфа – местные теплоизоляционные материалы. У них не очень высокие технические характеристики и небольшая долговечность, но они выгодны экономически.

Материалы на основе древесного сырья: изоляционные древесноволкнистые плиты (ДВП), фибролит и арболит имеют более высокие технические характеристики и соответственно находят большее применение в строительстве, в частности, для малоэтажных зданий.

Изоляционные  древесноволокнистые плиты (мягкие и полутвердые ДВП) изготовляют из неделовой древесины, измельчая ее в воде на отдельные волокна. Полученную массу, в которую вводят гидрофобизирующие и антисептирующие добавки, отливают на частую медную сетку, слегка подпрессовывают и высушивают (если эту массу сушить на прессах под большим давлением, то получается твердая отделочная древесноволокнистая плита – «оргалит»).

Толщина изоляционных древесноволокнистых  плит 10...25 мм. Плотность таких плит — 150...350 кг/м3, теплопроводность 0,05...0,09 Вт/(м • К); прочность при изгибе 0,4...2 МПа.