Материаловедение и технология конструкционных материалов для строительства* Конспект лекций (стр. 7 )

Известняки-ракушечники применяют в строительстве в виде строительного камня. Способ­ность легко распиливаться, небольшая плотность (от 0,8 до 1,8 г/см3), малая теплопроводность – характерные свойства этого материала.

2.1.3. Метаморфические горные породы

Метаморфизмом называют преобразование горных пород, происходящее в недрах земной коры под влиянием высоких тем­ператур и давлений. В этих условиях может происходить кри­сталлизация минералов без их плавления. Главными факторами метаморфизма являются температура, давление и химически активные вещества – растворы и газы, под действием которых породы любого состава и генезиса (магмати­ческие, осадочные или уже ранее метаморфизированные) подвер­гаются изменениям.

При формировании структурно-текстурных особенностей ме­таморфических пород велика роль направленного давления. При одностороннем давлении кристаллы деформируются в направле­нии, перпендикулярном направлению наибольшего давления, и видоизмененные породы приобретают сланцевое строение (гнейс, глинистые сланцы и т. п.).

Главные  породообразующие минералы. Минералы, слагающие метаморфические породы, можно раз­делить на группы: минералы, широко распространен­ные как в метаморфических, так и в магматических породах (по­левые шпаты, кварц, слюда, роговая обманка, большинство пироксенов, оливин и др.); типичные для осадочных пород минера­лы (кальцит, доломит); минералы, которые могут находиться в магматических породах в качестве вторичных, а также слагать типичные метаморфические породы (серпентин и др.); специфи­ческие метаморфические минералы, присутствие которых воз­можно только в глубоко преобразованных метаморфических по­родах.

Основные разновидности метаморфических горных пород. Кристаллические сланцы имеют мелкозернистое строение с полностью утраченными первичными текстурами и структурами. Цвет их от темно - до светло-серого. Основная часть породы со­стоит из зерен кварца, биотита и мусковита.

Некоторые разновидности глинистых, кремнистых, слюдистых и иных сланцев являются естественными кровельными материа­лами – кровельными сланцами. Эти сланцы легко раскалываются по плоскостям сланцеватости на ровные и тонкие (2-8 мм) пло­ские плитки. Они должны отвечать определенным требованиям: иметь достаточную плотность и вязкость, твердость, малое водопоглощение, высокую водостойкость, стойкость к выветри­вания. Плотность кровельных сланцев около 2,7-2,8 г/см3, по­ристость 0,3-3 %, предел прочности при сжатии 50-240 МПа. Большое значение имеет также прочность на излом перпендику­лярно сланцеватости.

Кровельные сланцы используют в производстве кровельных плиток и некоторых строительных деталей (плит для внутренней облицовки помещений, лестничных ступеней, плит для пола, по­доконных досок и т. п.).

Гнейсы – породы метаморфического генезиса, образовавшиеся при температуре 600-800 °С и высоком давлении. Исходными яв­ляются глинистые и кварцево-полевошпатовые (граниты) породы. Гнейсы по механическим и физическим свойствам не уступают гранитам, однако сопротивление на излом парал­лельно сланцеватости у них в 1,5-2 раза меньше, чем в перпенди­кулярном направлении. По плоскостям сланцеватости они раска­лываются на плиты, легко расслаиваются при замерзании и от­таивании.

Применяют гнейсы при бутовой кладке, для кладки фундамен­тов, в качестве материала для щебня и отчасти в виде плит для мощения дорог. Щебень из сильно сланцеватого гнейса не использу­ют для бетона и дорожного строительства из-за нежелательной формы зерен.

Образование кварцитов связано с перекристаллизацией пес­чаников. Важными свойствами кварцитов являются высокая огнеупорность
(до 1710-1770 °С) и прочность на сжатие (100-450) МПа. В строительстве кварциты используют в качестве стенового камня, подферменных камней в мостах, бута, щебня и брусчатки, а кварциты с красивой и неизменяющейся окраской – для облицовки зданий. Кварциты применяют в производстве динаса – огнеупора, обладающего высокой кислотостойкостью.

Мрамор – мелко-, средне - и крупнозернистая плотная карбонатная порода, состоящая главным образом из кальцита и представляющая собой перекристаллизованный известняк. Прочность на сжатие составляет 100-300 МПа. Мрамор легко поддается обработке, вследствие малой пористости хо­рошо полируется. Мрамор широко применяется для внутренней от­делки стен зданий, ступеней лестниц и т. п. В виде песка и мелкого щебня (крошки) его используют для цветных штукатурок, облицо­вочного декоративного бетона и т. п. В условиях сульфатной коррозии для наружных облицовок мрамор не применяют.

2.2. Техногенные вторичные ресурсы

По данным ЮНЕСКО, в мире ежегод­но извлекают из недр более
120 млрд. т руд, горючих ископаемых, другого сырья (20 т сырья на каждого жите­ля планеты). По масштабам извлекаемого и перерабатываемого сырья хозяйственная деятельность человека превзошла вулка­ническую
(10 млрд. т в год) и размыв суши всеми реками мира (25 млрд. т в год). Эта деятельность, кроме того, сопровождается образованием колоссального количества отходов. Основными «производителями» многотоннажных отходов яв­ляются:  горнообогатительная,  металлургическая,  химическая, лесная и деревообрабатывающая, текстильная отрасли промышленности; энергетический комплекс; промышленность строительных материалов; агропромышленный комплекс; быто­вая деятельность человека.

Из отраслей материального производства, способных потреблять промышленные (техногенные) отходы, наиболее емкой является промышленность строительных материалов. Отходы произ­водства или побочные продукты промышленности являются вторичными материальными ресурсами. Многие отходы по своему составу и свойствам близки к при­родному сырью. Установлено, что использование промышленных отходов позволяет покрыть до 40 % потребности строительства в сырьевых ресурсах. Применение промышленных отходов позво­ляет на 10-30 % снизить затраты на изготовление строительных материалов по сравнению с производством их из природного сы­рья, создавать новые строительные материалы с высокими технико-экономическими показателями и, кроме того, уменьшить загрязнение окружающей среды.

Все техногенные отходы можно разделить на две большие группы: мине­ральные и органические. Преобладающее значение имеют мине­ральные отходы: их больше, они лучше изучены и имеют наи­большее значение для производства строительных материалов.

В зависимости от преобладающих химических соединений минеральные от­ходы делят на силикатные, карбонатные, известковые, гипсовые, железистые, цинксодержащие, щелочесодержащие и т. д. Наи­большую практическую применимость имеет классификация от­ходов по отраслям промышленности их образующим и классифи­кации для отдельных видов отходов.

Шлаки черной металлургии – побочный продукт при выплавке чугуна из железных руд (доменные, мартеновские, ферромарганцевые). Выход шлаков очень велик и составляет от 0,4 до 0,65 т на 1 т чугуна. В их состав входит до 30 различных химических элементов, главным образом в виде окси­дов. Основные оксиды: SiO2, Аl2О3, CaO, MgO. В меньших коли­чествах присутствуют FeO, MnO, P2O5, ТiO2, V2O5 и др. Состав шлака зависит от состава кокса, пустой породы и определяет особенности приме­нения шлака.

В производстве строительных материалов используется 75 % общего количества доменных шлаков. Основным потребителем является цементная промышленность. Ежегодно она потребляет миллионы тонн гранулированного доменного шлака. Грануляция заключается в быстром охлаждении шла­кового расплава, в результате чего шлак приобретает стекловид­ную структуру и, соответственно, высокую активность.

Сталеплавильные (мартеновские) шлаки применяются в мень­шей степени. Трудности их использования связаны с неоднород­ностью, непостоянством химико-минералогического состава и физико-механических свойств.

Шлаки цветной металлургии чрезвычайно разнообразны по составу. Наиболее перспективное направление их использования – ком­плексная переработка: предварительное извлечение цветных и редких металлов из шлака; выделение железа; использование си­ликатного остатка шлака для производства строительных мате­риалов.

При получении цветных металлов с помощью так называемых «мокрых» технологий образуются не шлаки, а шламы (букваль­ный перевод с немецкого - «грязь»). Это общее название осадков суспензий, получаемых в металлургических и химических произ­водствах в результате процессов, осуществляемых гидрохимиче­ским способом. Например, побочным продуктом при производ­стве алюминия является бокситовый шлам - рыхлый сыпучий материал красного цвета. При получении глинозема из нефелинового сырья в качестве побочного продукта образуется нефелиновый шлам. Иначе он называется белитовым шламом, так как в основном состоит из мелких кристаллов минерала белита. Если глинозем получают из высокоалюминатных глин, в каче­стве побочного продукта образуется каолиновый шлам и т. д. Ос­новное применение все эти шламы находят в цементном произ­водстве.

Золы и шлаки тепловых электростанций (ТЭС) – минеральный остаток от сжигания твердого топлива. Одна ТЭС средней мощ­ности ежегодно выбрасывает в отвалы до 1 млн. т золы и шлака, а ТЭС, сжигающая многозольное топливо, – до 5 млн. т. По химиче­скому составу топливные золы и шлаки состоят из SiO2, AI2O3, СаО, MgO и др., а также содержат несгоревшее топливо. Используются топливные золы и шлаки всего на 3-4 % от их еже­годного выхода.

Использование зол ТЭС в строительстве и других отраслях сдерживается целым рядом факторов, в частности тем, что на многих ТЭС используется гидроудаление золы, и получаемые золошлаковые отходы (ЗШО) неоднородны и имеют нестабильные физико-химические характеристики.

На современных ТЭС уголь сжигают в пылевидном состоянии. Шлак образуется в результате слипания размягченных частиц золы в объеме топки и накапливается в шлаковом бункере под топкой. Размер зерен шлака
1-50 мм. Зола уносится из топки с дымовыми газами (зола уноса) и улавливается при их очистке в циклонах и электрофильтрах. Размер частиц золы колеблется от нескольких микрон до 50-60 мкм. Большинство зол имеют сферическую форму частиц, гладкую остеклованную поверхность.