Материаловедение и технология конструкционных материалов для строительства* Конспект лекций (стр. 11 )

4.2. Стекло и изделия из минеральных расплавов

4.2.1. Стекло и изделия из стекла

К строительным стеклам относятся материалы и изделия из силикатных  расплавов, полученные в результате переохлаждения  последних.

Основные сырьевые материалы для получения стекла: кварцевый песок, сода, известняк, сульфат натрия. В производстве стекла используют чистые кварцевые пески с небольшим количеством железа. Из расплава смеси кварцевого песка и соды (сода уменьшает температуру плавления) получают стеклообразное вещество, растворимое в воде  (растворимое стекло). Известняк и доломит в составе сырьевой смеси придают стеклу нерастворимость в воде.  Кроме того, в сырьевую смесь добавляют осветлители, глушители (для получения непрозрачного стекла).

Свойства строительного стекла. Плотность стекла равна 2,5 г/см3. Стекло обладает высокой прочностью на сжатие, малой ударной прочностью, имеет относительно невысокую теплопроводность (0,7-0,8 Вт/ м. єС) вследствие аморфной структуры. Важнейшее свойство стекла – светопропускание – находится на уровне 88-90 %. Стекло имеет химическую стойкость к большинству агрессивных веществ за исключением плавиковой и фосфорной кислот и является долговечным материалом.

Основные виды листового стекла. Оконное (обычное) стекло выпускают толщиной от 2 до 6 мм. Сорт стекла зависит от наличия дефектов (волнистость, газовые пузыри и т. д.). Оконное стекло пропускает видимые и инфракрасные лучи и плохо пропускает ультрафиолетовое излучение.

Теплоотражающее и низкоэмиссионное стекло получают путём нанесения на поверхность тонких плёнок металлов или оксидов. С внешней стороны эти стёкла имеют разные цвета (голубой, золотистый). При этом теплоотражающее стекло не пропускает большую часть инфракрасного излучения внутрь помещения, что необходимо для жарких южных районов. Низкоэмиссионное стекло, напротив, отражает тепло внутрь помещения, что позволяет существенно экономить на отоплении (по сравнению с обычным стеклом).

Теплопоглощающее стекло имеет в своем составе добавки кобальта, железа и др. Оно поглощает большую часть инфракрасного излучения, при этом саморазогреваясь, что требует больших зазоров при установке. Имеет синий  или зеленоватый оттенок.

Увиолевое стекло получают из шихты с минимальными примесями оксидов железа, хрома. Пропускает больше ультрафиолетовых лучей, чем обычное стекло. Применяют в больницах, санаториях.

Светорассеивающие стёкла: матовые и узорчатые. Матовое стекло получают за счёт пескоструйной обработки обычного листового стекла, а узорчатое – способом проката.

Армированное стекло получают путём армирования сеткой из стальной проволоки. Будучи запрессованной в стекло металлическая сетка служит каркасом, удерживающим мелкие осколки стекла при его повреждении.

К безопасным стеклам относят закалённое и многослойное стекло. Закалённое или молированное (упрочненное безопасное) стекло получают путём нагрева при температуре около 1500 єС и быстрого охлаждения, при этом стекло получает в 3-4 раза большую ударную прочность. Нередко молированное стекло делают изогнутым – для придания определенных эстетических качеств. Многослойное или слоистое стекло (триплекс) включает полимерную плёнку, которая предотвращает появление осколков.

Изделия из стекла. Стеклопакет представляет собой единый неразборный блок из двух или нескольких стёкол, соединенных между собой с герметически замкнутыми прослойками, заполненными сухим воздухом или, что лучше, инертным газом для более высоких теплозвукоизолирующих свойств. Внутри конструкции находится адсорбирующий порошок (обычно технический силикагель или гранулированный цеолит), который исключает образование конденсата на внутренних поверхностях стекол. Стеклопакеты, состоящие из двух листов стекла, называются однокамерными, их трех – двухкамерными и т. д. Толщина одно - или двухкамерного стеклопакета составляет 30-50 мм.

Стеклоблоки получают путём сварки двух половинок (как правило, из узорчатого стекла). Для них характерны высокая прочность, теплозащитные свойства, светорассеивание.

Профильное стекло (стеклопрофилит) – это изделия таврового, швеллерного, коробчатого профилей. Применяются для заполнения больших проемов, а также монтажа стен, перегородок, покрытий.

4.2.2. Изделия из минеральных расплавов

Ситаллы – это стеклокристаллические материалы, получаемые из силикатного расплава путем направленной кристаллизации за счет добавок титана, циркония, лития. Последние позволяют получать в структуре ситалла мельчайшие равномерно распределенные кристаллы, соединенные прослойками стекла (5-10 % по объему). Ситаллы представляют собой тонкозернистые материалы с очень высокими физико-механическими свойствами. Один из видов ситалла – шлакоситалл – получают на основе доменных шлаков. Этот материал обладает высокой прочностью (в том числе ударной), диэлектрической непроницаемостью, химической стойкостью, малыми температурными деформациями, износостойкостью. Применяют для фундаментов машин, подоконников, ступеней, облицовочных плит, полов химических производств и труб для агрессивных сред.

Литые каменные изделия изготовляют из расплавов магматических горных пород – базальта, диабаза (темное литье), а также карбонатных горных пород – доломита, известняка, мрамора, кварцевого песка (светлое литье). Изделия обладают высокой плотностью, прочностью, химической стойкостью и, в том числе, кислотостойкостью. Получают плотные каменные изделия (облицовочные плитки для предприятий химической промышленности, мелкоштучные дорожные изделия – брусчатка, бордюрный камень), а также волокнистые материалы (минеральная вата и изделия из нее) и др.

5. МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

5.1. Классификация и основные виды

минеральных вяжущих

Минеральные (неорганические) вяжущие вещества представляют собой искусственные тонкоизмельченные порошки, способные при смешивании с водой (в отдельных случаях с растворами некоторых солей) образовывать пластично-вязкую массу (тесто вяжущего), которая в результате физико-химических процессов постепенно затвердевает и переходит в камневидное тело.

Неорганические вяжущие вещества в зависимости от их способности твердеть и сохранять свою прочность в определенной среде делят на воздушные, гидравлические и кислотостойкие. Воздушные вяжущие (гипсовые и ангидритовые вяжущие, известь воздушная, магнезиальные вяжущие, растворимое стекло) твердеют и длительно сохраняют прочность лишь в воздушной среде. Вяжущие вещества, способные твердеть и длительно сохранять или повышать прочность не только на воздухе, но и еще лучше в воде, называют вяжущими водного твердения или гидравлическими (гидравлическая известь, портландцемент и его разновидности, глиноземистый и расширяющий цементы, шлаковые вяжущие вещества). В отдельную группу кислотостойких вяжущих входит кислотоупорный кварцевый цемент.

В самостоятельную группу часто выделяют вяжущие вещества автоклавного твердения (известково-кремнеземистые, известково-нефелино-вые, известково-шлаковые), хотя по существу они относятся к гидравлическим вяжущим.

Почти все минеральные вяжущие получают обжигом горных пород с последующим тонким помолом продукта обжига. Твердение минеральных вяжущих происходит в результате их взаимодействия с водой (реакций гидратации). Условно принято различать два периода в процессе твердения вяжущего вещества – схватывание и собственно твердение. Момент, когда пластичное тесто вяжущего начинает загустевать и теряет пластичность, соответствует началу схватывания. Далее тесто вяжущего все больше и больше уплотняется, полностью загустевает и постепенно превращается в твердое каменное тело, не обладающее еще заметной прочностью. Этот момент считают концом схватывания. Прочность вяжущих изменяется во времени, поэтому оценивают вяжущие по прочности, набранной за определенное время твердения в условиях, установленных стандартом. Этот показатель принимают за марку вяжущего.

5.2. Гипсовые и ангидритовые вяжущие вещества

Гипсовые вяжущие – это порошкообразные материалы, состоящие из полуводного гипса (CaSO4 · 0,5H2O) и получаемые тепловой обработкой при температуре в пределах 105-180 єС природного двуводного гипса (СаSO4 · 2H2O) или гипсосодержащих техногенных отходов (вторичных ресурсов).

При термообработке двуводного гипса в паровой среде под давлением в автоклавах или в водных растворов некоторых солей при атмосферном давлении образуется б-полуводный сульфат кальция (гипсовое вяжущее  б-модификации). При обжиге сырья при 130-180 єС получают в-полувод-ный сульфат кальция (гипсовое вяжущее в-модификации). Модификации полуводного гипса отличаются размерами и формой кристаллов: б-моди-фикация имеет более крупные кристаллы без пустот и пор; в-модифика-ция – бесформенные кристаллы, в которых много пор. Вследствие этого гипсовое вяжущее б-модификации имеет меньшую водопотребность, а затвердевший гипс из б-полугидрата приобретает повышенную плотность и прочность по сравнению с в-полугидратом.

Гипсовые вяжущие по традиции с некоторой условностью, отвечающей практическим целям, разделяют: на строительный гипс, состоящий из в-полугидрата; формовочный гипс того же состава с повышенными техническими свойствами; высокопрочный гипс, состоящий из б-полугидрата.

Твердение гипсовых вяжущих. При твердении идет реакция гидратации CaSO4 · 0,5H2O + 1,5H2O = CaSO4 · 2H2O.

Существует три основные теории твердения минеральных вяжущих, в том числе и гипсовых: Ле-Шателье, Михаэлиса, Байкова. Наиболее часто твердение полуводного гипса описывают кристаллизационной теорией  Ле-Шателье. Согласно этой теории полуводный гипс, обладая достаточно высокой растворимостью в воде (8 г/л), присоединяет воду в растворе и превращается в двуводный гипс, который имеет меньшую растворимость (2 г/л) и выпадает в виде осадка из раствора. При этом раствор по отношению к полуводному гипсу вновь становится ненасыщенным, что вызывает растворение новых порций гипса. По мере увеличения количества кристаллов новой фазы они срастаются между собой, образуя кристаллический «сросток», являющийся основой твердеющей системы.

Свойства применение гипсовых вяжущих. Гипсовые вяжущие различают по тонкости помола. Существуют следующие индексы помола:  I – грубый; II – средний; III – тонкий. С увеличением тонкости помола качественные показатели гипсовых вяжущих улучшаются.