Вяжущие силикатные материалы
Силикатные цементы в зависимости от их состава, т.е. от преобладания в них кислотных или щелочных окислов, могут обладать кислотостойкостью или щелочностойкостью. В первом случае преобладает кремнезем, а во втором обычно окись кальция или окись магния.
3.1 Кислотоупорный цемент:
Он изготавливается путем смешения двух порошкообразных компонентов - наполнителя и ускорителя твердения с водным раствором силиката натрия (жидкого стекла). В качестве наполнителей используют измельченные богатые кремнеземом естественные породы (андезит, гранит, кварцевый песок) или искусственные силикатные материалы (плавленые диабаз, базальт, фарфор). Силикатные кислотоупорные цементы обозначают по роду наполнителя андезитовый, диабазовый. В качестве ускорителя твердения применяют кремнефтористый натрий(Na2SiF6).
 |
Na2SiO3 Na2OSiO2 водные растворы жидкое стекло
K2SiO3 K2OSiO2
Механизм твердения цемента
2 Na2SiO3 + Na2SiF6 + 6Н2О = 3 Si(OH)4 + 6 NaF
Si(OH)4 → SiO2 + 2 Н2О
Кислотоупорные вяжущие на основе жидкого стекла (Na2O∙nSiO2 или K2O∙nSiO2) в процессе твердения образуют гель кремниевой кислоты Si(OН)4, цементирующий частицы наполнителя. В дальнейшем происходит выделение из твердеющей массы воды с образование SiO2,что приводит к получению затвердевшей плотной массы цементного камня.
Гель кремниевой кислоты растворим в воде, поэтому кислотоупорные цементы нельзя применять в воде, слабокислых средах. Они подвержены также разрушению при воздействии щелочей, НF и Н3РО4 при повышенной температуре. Обладают высокой стойкостью в концентрированных НNО3, НСl, Н2SО4.
3.2 Строительный цемент (портланд-цемент):
Могут применяться в качестве самостоятельного конструкционного материала или для изготовления бетона.
Цемент представляет из себя смесь 3СаО·SiО2, 2СаО·SiО2, CaO·Al2O3·Fe2O3
Механизм твердения цемента:
3СаО·SiО2 + nН2О = 2СаО·SiО2·2Н2О + Са(ОН)2+ (n-3)Н2О
строительный портландцемент
Са(ОН)2 придает твердость цементу
3.3 Строительные бетоны:
Получают на основе портландцемента, который состоит преимущественно из окислов Са и различных наполнителей. Размеры наполнителя применяемого для изготовления бетона от 0,15до 30-40 мм.
Материалы на основе таких цементов абсолютно неустойчивы в кислых средах. В щелочах строительные бетоны более стойки, но из-за наличия в цементном камне, так называют затвердевший цемент, и заполнителе кремнезема применение строительных бетонов в щелочных средах ограничено.
Коррозию бетона могут вызывать вода и присутствующие в ней соли, воздушная среда особенно в условиях химических производств.
Выделяют 3 основных вида коррозии строительных бетонов:
1. Процесс разрушения бетонов под действием пресной воды с малой временной жесткостью.
Временная жесткость при кипячении
Са(НСО3)2 = СаСО3↓ + СО2 + Н2О
гидрокарбонат кальция
Этот процесс связан с растворением составных частей цементного камня. Наиболее растворимым является Са(ОН)2. Этот процесс характерен для проточной воды. Для борьбы с такой коррозией в цемент вводят гидравлические добавки, которые связывают Са(ОН)2 в малорастворимый гидросиликат Са. Вследствие этого количество свободного Са(ОН)2 уменьшается и значительно уменьшается процесс разрушения бетона.
Гидравлические добавки не только связывают гидрат окиси Са, но и значительно повышают плотность бетона, понижая его водопроницаемость.
3. Процесс разрушения бетона при взаимодействии его с химическими веществами, содержащимися в окружающей среде (углекислота, сернокислые и хлористые соли), действие которых приводит к протеканию обменных реакций в бетоне, в результате которых образуются продукты. Эти продукты либо легко растворяются и вымываются из бетона, либо выделяются в виде аморфных новообразований, которые не обладают достаточной плотностью и не препятствуют проникновению агрессивной среды в бетоны. Меры борьбы гидравлические добавки и уплотнения бетона.
3. Третий вид коррозии бетона возникает при воздействии на него сильноминерализованных вод, когда в его порах накапливаются кристаллы солей, а также продукты реакции, образующиеся при взаимодействии среды с цементным камнем. Под действием твердых новообразований возникают значительные растягивающие усилия в стенках пор и капилляров, приводящие к их разрушению.
Такое разрушение бетона вызывают воды, содержащие сульфаты в виде растворенного Ca2SO4 (гипса [Ca2SO4 * 2H2O]) и другие сульфаты.
Гипс, выделяющийся из раствора или образующийся при взаимодействии других солей сульфатов CA(OH)2 откладывается в порах цементного камня. Кроме того, сульфаты, взаимодействуя с одним из компонентов цементного камня трёхкальциевым алюминатом 3CaО*Al2O3, образуют труднорастворимый гидросульфоалюминат кальция, объём которого увеличивается примерно в 2,5 раза, вследствие чего бетон разрушается (рост бетона).
Материалы органического происхождения (полимерные материалы)
К органическим материалам, применяемым в промышленности, относятся пластмассы, лаки, клеи на основе полимеризационных и конденсационных смол, битумы, каучуки, графит.
Пластмассы делятся на 2 группы: термопласты и реактопласты.
Термопласты – материалы, постоянно сохраняющие способность к формованию при определенных температурах и давлении, и теряющие частично или полностью эту способность только после длительного термического воздействия.
Реактопласты (термореактивные смолы)–при нагревании легко переходят в вязкотекучее состояние, но с увеличением температуры и длительности его действия они необратимо переходят в твердое нерастворимое и неплавкое состояние вследствие происходящих химических реакций. Большинство термореактивных смол отверждаются по принципу поликонденсации (фенолформальдегидные). Эти материалы способны формоваться при нагреве под давлением только на определенной стадии производства и быстро теряющие способность к формованию в результате термического воздействия.
Действие агрессивных сред на полимеры.
1. Физически активные среды.
Их действие заключается в основном в проникновении их в полимер, т.е. протекают процессы адсорбции и сорбции агрессивной среды. Адсорбция приводит к изменению поверхности энергии на границе полимер - среда. Сорбция агрессивных сред вызывает, как правило, ослабление межмолекулярного взаимодействия в полимерах. В результате протекания этих процессов могут происходить изменения различных свойств полимера: механических, диэлектрических и адгезионных.
2. Химически активные среды.
Химически активные среды при контакте с полимерами вызывают необратимые изменения химической структуры полимерных материалов. Совокупность химических процессов, приводящих под действием агрессивных сред к изменению химической структуры полимера, его молекулярной массы называется химической деструкцией. К таким средам относятся окислительные среды.
При действии агрессивной среды на полимерные материалы могут протекать следующие превращения:
- уменьшение степени полимеризации в результате распада основной цепи макромолекул в полимерах;
- отщепление молекул мономера от конца цепи макромолекул – деполимеризация;
- превращение группы атомов в составе макромолекул при сохранении исходной степени полимеризации;
- образование новых химических связей между макромолекулами, т.е. реакции сшивания, структурирования.
Особенности действия агрессивных сред на композиционные материалы.
Основными компонентами композиционных материалов является полимерная основа (матрица) и наполнитель (дисперсный или волокнистый). Химическая стойкость композиционного материала определяется химической стойкостью, как полимерной основы, так и наполнителя.