Понятие о связи между классами неорганических соединений

Выше мы упоминали о том, что некоторые вещества получают только косвенным путем, посредством нескольких реакций. Существует связь между классами неорганических соединений, о которой можно говорить в связи с тем, что различные сложные элементы вступают в реакции между собой, образуя новые вещества. Например, соль образуется при взаимодействии кислот с основаниями. Это так называемая генетическая связь классов неорганических соединений, суть которой в том, что взаимодействие происходит между разными классами неорганических веществ. Так, в реакции вступают основные и кислотные оксиды, основания и кислоты, металлы и неметаллы и т. д. Основные классы неорганических соединений, взаимодействуя, обеспечивают химические свойства этих групп веществ.свойства классов неорганических соединений

 

Вот некоторые из примеров, подтверждающих генетическую связь между разными классами соединений:

•Металлы при взаимодействии с неметаллами образуют соли.

•Металлы при взаимодействии с кислородом образуют оксиды.

•Неметаллы, соответственно, образуют в реакции с кислородом оксиды неметаллов.

•Основные и амфотерные оксиды, вступая в реакцию с кислотами или кислотными оксидами, образуют соли.

•Кислотные оксиды образуют соли при реакции с основаниями или основными оксидами.

•Кислотные оксиды вступают в реакцию с водой и образуют кислоты.

•Основания, вступая в реакцию с амфотерными гидроксидами, образуют соли.

 

Таким образом, деление на классы неорганических соединений позволяет сгруппировать их огромное количество и определить принципы их взаимодействия между собой и другими веществами. Кроме того, подобная группировка способствует более легкому усвоению и запоминанию свойств различных неорганических соединений.

 

 

Лекция №11-12. Неорганические вяжущие

Общие сведения вяжущих материалов. Неорганические вяжущие

Глина как вяжущее.

 

Вяжущие вещества — вещества, способные затвердевать в результате физико-химических процессов.

Схватывание - явление, характерное для вяжущих, твердеющих по физико-химическому механизму (гипс, цементы).

Глина — осадочная горная порода, основные свойства которой определяются свойствами мельчайших частиц размером менее 5 мкм, которые принято называть глинами.

1 Вяжущими веществами называют материалы, способные в определенных условиях (при смешивании с водой, нагревании и др.) образовывать пластично-вязкое тесто, которое самопроизвольно или под действием определенных факторов со временем затвердевает.

Переходя из пластично-вязкого состояния в камневидное, вяжущие вещества могут скреплять между собой камни (например, кирпич) или зерна песка, гравия и щебня. Это свойство вяжущих используется для получения бетонов, строительных растворов различного назначения, силикатного кирпича, асбестоцемента и других безобжиговых искусственных каменных материалов.

Начало использования человеком вяжущих открыло новую эпоху в строительстве: вместо обтесывания камней строители с помощью вяжущих и камней произвольной формы могли делать любые конструкции, не беспокоясь о плотном прилегании одного камня к другому.

Современные вяжущие вещества в зависимости от состава делят на:

• неорганические (известь, цемент, гипсовые вяжущие и др.), которые для перевода в рабочее состояние затворяют водой (реже водными растворами солей);

• органические (битумы, дегти, синтетические полимеры и олигомеры), которые переводят в рабочее состояние нагревом либо с помощью органических растворителей, либо сами они представляют собой вязкопластичные жидкости.

В строительстве в основном используют неорганические (минеральные) вяжущие вещества.

Подавляющее число неорганических вяжущих способно твердеть самопроизвольно, без создания каких-либо условий. Однако находят применение и вяжущие, которые твердеют при определенных условия и при введении специальных добавок, например вяжущие автоклавного твердения, способные твердеть только в среде насыщенного водяного пара при температуре 150...200°С и при повышенном давлении (в автоклаве). К последним относятся известково-кремнеземистые, известково-зольные, известково-шлаковые и другие вяжущие.

Главным качественным показателем вяжущих является отношение к воздействию воды. По этому признаку их делят на воздушные и гидравлические.

Воздушные вяжущие способны затвердевать и длительно сохранять прочность только на воздухе. По химическому составу можно выделить четыре группы воздушных вяжущих:

1 — известковые, состоящие, в основном, из гидрооксида кальция Са(ОН)₂;

2 — гипсовые, состоящие из сульфата кальция (CaSO₄•0,5Н₂О или CaSO₄);

3 — магнезиальные, главным компонентом которых служит MgO;

4 — жидкое стекло — раствор силиката натрия или калия. Последнее из-за способности сохранять прочность в кислых средах называют кислотоупорным вяжущим.

Гидравлические вяжущие способны твердеть и длительное время сохранять прочность не только на воздухе, но и в воде. Причем, находясь в воде, они могут повышать свою прочность. По химическому составу гидравлические вяжущие представляют собой сложные системы, состоящие в основном из соединений четырех оксидов: СаО - SiO₂ - А1₂О₃ - Fe₂O₃. Эти соединения образуют основные типы гидравлических вяжущих (приводятся в исторической последовательности):

1) гидравлическая известь и романцемент;

2) силикатные цементы, состоящие преимущественно из силикатов кальция (портландцемент и его разновидности);

3) алюминатные цементы, состоящие в основном из алюминатов кальция (глиноземистый цемент и его разновидности);

4) вяжущие эттрингитового типа, основными компонентами которых являются алюминаты кальция и сульфат кальция (расширяющиеся и безусадочные цементы).

Общая классификация вяжущих веществ по А.А.Пащенко в зависимости от характера процессов происходящих при их твердении представлена в таблице 1.1.

Главнейшие показатели качества вяжущих как воздушных, так и гидравлических,- прочность и скорость твердения.

Таблица 1.1- Общая классификация вяжущих веществ по А.А.Пащенко

Группа вяжущего по основному характеру процессов твердения	Группа по химическому составу ВВ	Виды вяжущего вещества
I группа гидратационные вяжущие 1) воздушного твердения	неорганические	Гипсовые вяжущие (строительный гипс, высокопрочный гипс, формовочный гипс, медицинский гипс, ангидритовое вяжущее, высокообжиговый гипс, безобжиговый гипсовый цемент) Воздушная известь Магнезиальные вяжущие
2) гидравлического твердения	неорганические	Гидравлическая известь
Романцемент
Портландцемент и его разновидности Пуццолановые цементы (пуццолановый цемент, известково-пуццолановые, известково-зольные, известково-глинистые)
Шлаковые цементы (шлакопортландцемент, сульфатно-шлаковые цементы, известково-шлаковый цемент, шлакощелочные вяжущие)
Глиноземистый цемент
Расширяющиеся цементы
3) автоклавного твердения	неорганические	Автоклавные вяжущие (известко-кремнезе-мистые, шлаковые, известково-нефелиновые, силикатно-гидрогранатные и др.)
II группа коагуляционные вяжущие	неорганические	Глина
органические	Битум и деготь
III группа (поликондинсационные (полимеризационные) вяжущие	неорганические	Растворимое стекло и вяжущие на его основе
Серный цемент
Фосфатные цементы
органические	Фенолформальдегидные, фурановые, полиэфирные, эпоксидные и др. смолы
элементо-органические	Кремне-органические смолы Гидрализаторы этилсиликата Глетгрицериновый цемент
К первой группе относятся все традиционные вяжущие материалы, твердеющие после смешивания с водой. Для этой группы вяжущих материалов характерны реакции гидратации и гидролитической диссоциации:   А + аq -→ А • аq, A + aq →• А' • aq + A' • aq, А + В-+ aq →• АВ • aq.   Ко второй группе могут быть отнесены вяжущие, представляющие собой типичные коллоидные системы и твердеющие за счет коагуляционного структурообразования. К третьей группе относятся вяжущие материалы, твердеющие за счет реакций полимеризации и поликонденсации. Для этой группы вяжущих материалов характерны следующие реакции: n А → [—А—]n nА→ [—А'— ]n + mА'',   Рассматриваемые группы вяжущих веществ отличаются как по своим свойствам, строению и типу химической связи, так и по процессам твердения. Вид химической связи (ионная, ковалентная) между отдельными атомами и группами атомов, а также размеры отдельных атомов и ионов или молекулярных групп и способность атомов к изменению координации определяют сложность строения веществ, используемых в качестве вяжущих.

 

Прочность вяжущих изменяется во времени, поэтому ее оценивают по прочности (обычно на сжатие и изгиб) стандартных образцов, твердевших определенное время в условиях, установленных стандартом. По этим показателям устанавливают марку вяжущего. Например, марка гипсовых вяжущих определяется по прочности образцов из гипсового теста спустя 2 ч после их изготовления, а портландцемента - по прочности образцов из цементно-песчаного раствора — через 28 суток твердения во влажных условиях при температуре (20 ± 2)°С.

Скорость твердения — другая не менее важная характеристика вяжущих. Очень высокой скоростью твердения обладают гипсовые вяжущие: они полностью затвердевают за несколько часов; очень медленно твердеет воздушная известь: процесс ее твердения длится сотни лет.

В процессе твердения строители различают две стадии: схватывание и набор прочности (собственно твердение). Такое членение процесса имеет весьма условный характер, но оно удобно для практических целей.

Схватывание — потеря тестом вяжущего пластично-вязких свойств и формирование структуры с молекулярными, ван-дер-ваальсовыми связями. Момент, когда появляются признаки загустевания теста, т. е. оно начинает терять пластичность, говорит о начале схватывания. Момент, когда тесто превращается в твердое тело, окончательно теряя пластичность, но не приобретая еще практически значимой прочности, называют концом схватывания. Сроки схватывания гипса 4...30 мин, портландцемента — несколько часов. У простейших вяжущих (глина, известь), твердеющих в результате испарения воды, этап схватывания растягивается на очень длительный период времени, поэтому принято считать, что он просто отсутствует.

Сроки схватывания необходимо знать, так как все работы со смесями на основе вяжущих должны заканчиваться до начала их схватывания, пока они не потеряли пластичности. Повторное перемешивание после схватывания, особенно с добавлением воды, может привести к существенному снижению прочности материала на этом вяжущем.

2 В минералогической энциклопедии глинами называют частицы размером менее 2мкм. Глинистые частицы обычно имеют пластинчатое строение и хорошо смачиваются водой (гидрофильны). Благодаря большой общей поверхности частиц глина способна поглощать и удерживать большое количество воды (до 20...30 % по массе). При этом она разбухает и переходит в вязкопластичное состояние.

При высыхании глиняное тесто уменьшается в объеме (10...20 %): частицы глины, сближаясь, начинают прочно удерживаться друг около друга силами поверхностного натяжения тончайших пленок воды, остающейся между ними. Происходит затвердевание глины. Прочность высохшей глины достаточно велика (до 10 МПа).

Глиняное тесто при высыхании из-за сближения частиц дает зна-чительную усадку. Чтобы уменьшить усадку и предотвратить растрескивание, в глиняное тесто добавляют более крупнозернистые материалы (песок, опилки).

При повторном увлажнении глина вновь размягчается, поэтому затвердевший глиняный материал необходимо предохранять от воздействия воды.

Глину в качестве вяжущего применяют как местный материал в сельском строительстве для штукатурных и кладочных растворов. Особенно широко применяют глины для кладки печей. Из глины с добавлением соломы получают также материал для кладки стен - саман.

Благодаря высокой пластичности и способности удерживать воду на поверхности своих тонкодисперсных частиц глину используют в качестве пластифицирующей добавки к цементу в строительных растворах.

 

Контрольные вопросы:

1 Дайте определение вяжущим веществам.

2 Перечислите простейшие вяжущие.

3 Дайте определение воздушным вяжущим.

4 Дайте определение гидравлическим вяжущим.

5 Дайте определение скорости твердения.

6 Дайте определение процессу схватывания.

7 Современные вяжущие вещества в зависимости от состава подразделяют?

8 Дайте определение глине как вяжущему веществу.

Список литературы:

1 Петрова, Л. В. Химия вяжущих строительных материалов: учебноепособие / Л. В. Петрова, Е. С. Гиматова. – Ульяновск: УлГТУ, 1999; 2002. – 67 с.

2 Шмитько Е.И. и др. Химия цемента и вяжущих веществ: Учебник. – СПб: Проспект науки, 2006. – 206с.

3 Таймасов Б.Т. Химическая технология вяжущих материалов: Учебник. – Шымкент: ЮКГУ им. М.Ауэзова, 2014. – 444с.

4 Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Строительные материалы из отходов промышленности. – Ростов н/Д: Феникс, 2007. – 368с.

5 Русина В.В. Минеральные вяжущие вещества на основе многотоннажных промышленных отходов. Учебное пособие. – Братск ГОУ ВПО «БрГУ», 2007.- 224 с.

6 Мчедлов – Петросян, О. П. Химия неорганических строительных материалов / О. П. Мчедлов-Петросян. – М.: Стройиздат, 1988.

7 Наназашвили, И. Х. Строительные материалы, изделия и конструкции: справочник / И. Х. Наназашвили. – М.: Высшая школа, 1990. – 495 с.

8 Общий курс строительных материалов: учебное пособие для строит. спец. Вузов / И. А. Рыбьев, Т. И. Арефьева, Н. С. Баскаков, Е. П. Казенова, Б. Д. Коровников. – М.: Высшая школа, 1987. – 584 с.

9 Лугинина И.Я. Химия и химическая технология неорганических вяжущих веществ. В 2ч. – Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г.Шухова, 2004. – Ч.1. – 240с., Ч.2. – 199с.