Химические свойства материалов

5.4.1. Химические свойства
Химические свойства материалов характеризуют их спо- собность вступать в химические взаимодействия с различными веществами окружающей среды.
В зависимости от результата химических превращений ма- териалов (полезные и вредные) условно химические свойства можно разделить на группы.
1. Свойства, характеризующие химическую активность вяжущих веществ. В результате химического взаимодействия образуются новые соединения, обеспечивающие формирование структуры и комплекса полезных свойств композиционных ма- териалов.
Твердение неорганических вяжущих веществ основано, главным образом, на химических реакциях минералов вяжущих веществ с водой.
Например,
– твердение строительного гипса: CaSO4·0,5H2O + 1,5 H2O = CaSO4·2H2O;
– твердение извести:
а) гашение: CaO + H2O = Ca(OH)2;
б) карбонизация: Ca(OH)2+ CO2= CaCO3+ H2O;
– твердение цемента:
а) трехкальциевый силикат (алит) взаимодействует с водой с образованием гидросиликатов кальция переменного состава (ГСК) и гидроксида кальция:

3CaO·SiO2+ nH2O = 2CaO·SiO2(n – 1)H2O + Ca(OH)2;

б) трехкальциевый алюминат взаимодействует с водой в присутствии гипса с образованием гидросульфоалюмината кальция – минерала эттрингита:

3CaO·Al2O3+ 3CaSO4·2H2O + (25–26)H2O =
= 3CaO·Al2O3·3CaSO4·(31–32)H2O;

кроме этого образуются гидроалюминаты кальция;
в) при взаимодействии с водой двухкальциевого силиката (белита) образуются гидросиликаты.

Химическая активность вяжущих веществ зависит от хими- ческого и минерального состава.
Для воздушной извести, например, основной показатель, от которого зависит сорт извести, – это активность, которая опре-
деляется содержанием активных CaOи MgOв %. Например, из- весть 1-го сорта должна содержать не менее 90 % (CaO + MgO) активных, т.е. вступающих в реакцию с водой в процессе гаше- ния.
Для других вяжущих (цемент, гипс) активность оценивает- ся по способности обеспечивать прочностные свойства к опре- деленному сроку твердения.
Об активности вяжущих можно также судить по количеству тепла, которое выделяется в ходе химических реакций.
2. Свойства, характеризующие способность материалов сопротивляться действию химически агрессивной среды, вызы- вающей в них обменные реакции и приводящие к разрушению материалов.
Это кислотостойкость, щелочестойкость, стойкость к одно- временному действию комплекса химически активных агентов и др. Кроме того, для некоторых материалов химические свойства оцениваются по способности не разлагаться, не разрушаться с течением времени (органические вяжущие вещества, полимеры и материалы на их основе).
Химическая стойкость зависит от:
− химического состава;
− минерального (фазового) состава;
− микроструктуры (соотношения кристаллических и аморфных фаз: у аморфных фаз выше химическая ак- тивность, чем у кристаллических);
− макроструктуры: чем плотнее материал (ниже порис- тость), тем выше химическая стойкость.
Кислото- и щелочестойкость – свойства материалов, ха- рактеризующие их способность противостоять разрушающему действию, соответственно, растворов кислот или их смесей и водных растворов щелочей. Эти свойства характеризуются по- терей массы измельченного материала при обработке опреде- ленными растворами кислот или щелочей (в %).
О химической стойкости материалов можно приблизитель- но судить по химическому составу и по модулю основности:
%CaO+ %MgO + %Na2O(K2O)
Mo= .
%SiO2 + %Al2O3


(5.22)

При низких значениях модуля основности (много SiO2в со- ставе) материалы стойки к кислотам, но способны к взаимодей- ствию со щелочами – кварц, гранит, кварцит, силикатное стек- ло. Кроме этого, кислотостойки углеродистые стали, чугуны, содержащие более 2,5 % углерода, титан.
При высоких значениях модуля основности материалы ще- лочестойки, но разрушаются кислотами.
Например, Мо цементного камня ~ 3/2 – цементные мате- риалы разрушаются большинством кислот и щелочестойки. У горных пород, состоящих из кальцита СаСО3 (известняк, мра- мор), модуль основности имеет очень большое значение – поро- ды легко разрушаются кислотами, но щелочестойки.
К щелочестойким материалам относятся известняки, мра- мор, бетоны на основе портландцемента и глиноземистого цемента, специальные хромоникелевые стали, никелевые лату- ни, стекло, содержащее оксид бора и др.
Степень стойкости материалов к разрушающему действию растворов различных кислот или щелочей различна и требует конкретной оценки в зависимости от предполагаемой области применения.
Битум не устойчив в щелочной среде, а древесина не устой- чива ни в щелочной, ни в кислой среде.
Достаточно высокую стойкость к действию растворов ще- лочей и кислот проявляют керамические материалы, диабаз и базальт, шлакоситаллы, многие пластмассы.
Важным свойством, характеризующим стойкость органиче- ских строительных материалов, в первую очередь полимерных материалов, является их маслобензостойкость (топливостой- кость) – способность этих материалов противостоять действию жидких углеводородных топлив. При контакте с углеводорода- ми и маслами минерального происхождения многие полимеры, особенно резины, набухают. У резиновых материалов степень
набухания может достигать нескольких сотен процентов. Мас- лобензостойкость необходимо учитывать при выборе материа- лов для покрытия полов гаражей, станций технического обслу- живания, некоторых промышленных зданий, животноводческих помещений и т.п.
При выборе химически стойких материалов необходимо учитывать также способность материалов противостоять дейст- вию растворов солей, газов и одновременному действию не- скольких агентов в химически агрессивных средах.
К физико-химическим свойствам материалов относят их адгезионную способность. Адгезия (от лат. adhaesio – «прилипа- ние») – сцепление и связь между находящимися в контакте по- верхностями разнородных по составу (твердых или жидких) тел (фаз), обусловленные межатомными силами притяжения. Это свойство имеет большое значение при сварке и пайке мате- риалов, склеивании, нанесении защитно-декоративных (эмале- вых, лакокрасочных и др.) покрытий, создании композицион- ных материалов – пластмасс, бетонов.
В связи со все расширяющимся внедрением в строительную практику синтетических полимерных материалов (и особенно отделочных пластмасс) важным критерием аттестации качества строительных материалов и изделий является оценка их сани- тарно-гигиенических характеристик – токсичности, биологи- ческого действия вредных для людей химических загрязнений внешней среды и интенсивного запаха в результате миграции из материалов остаточных мономеров, катализаторов, стабилиза- торов, пластификаторов, растворителей и других низкомолеку- лярных соединений, а также в результате деструкции в процессе переработки и эксплуатации. Применение в зданиях и сооруже- ниях материалов, обладающих любой степенью токсичности, категорически запрещается.
Коррозия (от лат. сorrodo – «разъедаю») – процесс разру- шения материала под действием агрессивных факторов окру- жающей среды.
Коррозия металлов – разрушение вследствие химического и электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой; коррозию железа и сплавов на его основе называют ржавлени- ем. Коррозию горных пород называют выветриванием. Корро- зия бетона – разрушение бетона в результате физического, хи- мического, физико-химического и биологического взаимодейст- вия с внешней средой.
Коррозионная стойкость – способность материала сопро- тивляться разрушению в результате действия внешней агрес- сивной среды.
Коррозионная стойкость – это комплексное, а не только химическое свойство строительных материалов.
Коррозионная стойкость определяется составом и структу- рой материала, наличием механических напряжений, состояни- ем поверхности, условиями воздействия агрессивной среды.
Количественно коррозионная стойкость материалов оцени- вается по 10-балльной шкале (табл. 5.9), характеризующей уменьшение толщины материала (в мм/год).

Таблица 5.9 Шкала оценки коррозионной стойкости материалов
Группа стойкости материалов
Скорость коррозии,
мм/год
Балл
Совершенно стойкие
Менее 0,001

Весьма стойкие
0,001…0,005


0,005…0,01

Стойкие
0,01…0,05


0,05…0,1

Понижено стойкие
0,1…0,5


0,5…1

Малостойкие
1…5


5…10

Нестойкие
Более 10

Материалы, отличающиеся коррозионной стойкостью в различных агрессивных средах (оценка по шкале не выше 5 баллов), называются коррозионностойкими. К ним относятся керамические материалы с плотным черепком, стекла, асбесты, легированные стали, сплавы титана и алюминия, многие пласт- массы и др.
Коррозионная стойкость металлов оценивается также по потере массы материала с единицы площади (в г/(м²·ч)), по по- тере механической прочности, пластичности и по другим пока- зателям.
Коррозионную стойкость металлов повышают легирова- нием, рафинированием, нанесением защитных покрытий, хими- ко-термической обработкой и другими способами.

5.4.2.Выветривание горных пород и способы защиты Выветривание – процесс разрушения горных пород и ка-
менных материалов под действием различных факторов окру- жающей среды.
Стойкость к выветриванию зависит от минерального соста- ва и строения. Устойчивым к выветриванию является кварц, ма- лоустойчивыми – полевые шпаты ортоклаз и микроклин, неус- тойчивыми – основные плагиоклазы, оливин, кальцит, доломит, гипс, химически активные минералы – сульфиды, сульфаты.
Факторы, вызывающие разрушение каменных материалов:
· физико-механические:
− суточные колебания температуры (возникновение внутренних напряжений за счет разного изменения объема зерен различных минералов с отличными пока- зателями температурного линейного и объемного рас- ширения);
− совместное действие воды и мороза (возникновение на- пряжений, связанных с проникновением и замерзанием воды в порах и микротрещинах материалов, в том чис- ле возникающих при добыче и переработке горной по- роды);

· физико-химические:
− действие воды на минералы с повышенной раствори- мостью (гипс, карбонаты) (растворение и вымывание);
− действие воды, содержащей растворенные газы, в том числе от промышленных выбросов, особенно CO2, SO3, SO2, NO2 и др., приводящей к образованию но- вых и легко растворимых соединений.

Например:
– для карбонатных пород:
CaCO3+ H2O +CO2® Ca(HCO3)2
соединение хорошо
с низкой растворимое
растворимостью соединение

CaCO3+ 2HNO3® Ca(NO3)2+ H2O + CO2­
соединение хорошо
с низкой растворимое
растворимостью соединение

– для полевошпатных пород:
K2O·Al2O3·6SiO2+ 2H2O + CO2®Al2O3·2SiO2·2H2O+ 4SiO2+
+K2CO3
полевой шпат-ортоклаз
каолинит
аморфный
растворимое соединение

кремнезем

− действие органических кислот, образующихся при жизнедеятельности микроорганизмов на поверхности и в трещинах камня.

Способы защиты от выветривания подразделяются на три группы:
1. Конструктивные:
− придание изделиям и конструкциям такой формы, кото- рая обеспечивает хороший сток воды с поверхности камня;
− повышение плотности и гладкости поверхности путем шлифования и полирования.
2. Физико-химические способы защиты, направленные на уплотнение поверхности и повышение водостойкости:
− обработка гидрофобными составами, например, крем- нийорганическими жидкостями (уменьшение смачивае- мости поверхности, скорости капиллярного подсоса);
− пропитка пористых горных пород растворами солей кремнефтористоводородной кислоты (H2SiF6) – флюата- ми (способ флюатирования). Применяется непосредст- венно для карбонатных пород, другие породы предвари-
тельно пропитываются раствором известковой соли, а затем флюатом.

2CaCO3+ MgSiF6= 2CaF2+ MgF2+ SiO2+ 2CO2­
соединения с низкой
растворимостью

При флюатировании образуется защитный слой из нерас- творимых соединений, заполняющих поверхностные поры, в ре- зультате уменьшается водопоглощение, увеличивается морозо- стойкость;
− обработка поверхности добавками оксида свинца или железистых соединений увеличивает погодоустойчи- вость.
3. Физико-химические способы защиты, направленные на образование водонепроницаемых пленок на поверхности:
− обработка полимерами (например, раствором мочевино- формальдегидной смолы) или мономерами с последую-
щей полимеризацией в порах камня;
− пропитка горячим льняным маслом;
− покрытие слоем воска, растворенного в скипидаре, па- рафина, растворенного в нефтяном дистилляте или ка- менноугольном дегте.
5.4.3.Коррозия цементных материалов и способы повышения коррозионной стойкости
В результате химического взаимодействия продуктов гид- ратации клинкерных минералов с водой и содержащимися в ней веществами происходит так называемая химическая коррозия цементного камня и бетона. Различают три вида коррозии:
· 1-й вид коррозии – разложение составляющих частей цементного камня практически чистой водой, например пре- сной, растворение и вымывание образующегося при этом и уже ранее имевшегося гидроксида кальция;
· 2-й вид коррозии – образование легкорастворимых солей в результате взаимодействия составляющих цементного камня с веществами, находящимися в окружающей среде, растворение и вымывание этих солей, а также образование рыхлых продуктов, не обладающих прочностью. Наиболее характерны углекислот- ная и магнезиальная коррозии.
Например, за счет обменных реакций образуются раство- римые соли кальция и аморфный осадок Mg(OH)2:
Са(ОН)2+ MgС12® СаС12+ Mg(OH)2
· 3-й вид коррозии – образование в цементном камне под
влиянием проникающих в него веществ таких соединений, ко- торые имеют больший объем, чем исходные вещества. В ре- зультате возникают внутренние напряжения, которые приводят к появлению трещин.
Например, в воде, содержащей сульфат магния, протекает ряд реакций:
Са(ОН)2+ MgSO4® СаSО4·2Н2О + Mg(OH)23CaO·Al2O3+ 3MgSO4+ 12Н2О ® СаSО4·2Н2О + Al(OН)3+
+ Mg(OH)2
3CaO·Al2O3+ СаSО4·2Н2О ® 3CaO·Al2O3·3СаSО4·(31–32)Н2О
эттрингит
где Al(OН)3и Mg(OH)2– рыхлые осадки.

СаSО4·2Н2О и эттрингит – кристаллы, вызывающие напря- жение. Особенно опасно образование эттрингита в порах бетона, так как это призматические или игольчатые кристаллы, у которых объем более чем в 2 раза превышает объем исходных фаз.
Меры предотвращения коррозии (кроме общекислотной):
· Использование цементов с пониженным содержанием алита и С3А в клинкере, при этом в цементном камне уменьша- ется содержание Са(ОН)2и неустойчивых высокоосновных гид- роалюминатов кальция.
· Введение при помоле оптимального количества гипса, который должен полностью связываться в первые 24–48 часов твердения цемента.
· Введение активных минеральных добавок – в результате происходит связывание Са(ОН)2в низкоосновные гидросилика- ты кальция; уменьшение размеров кристаллов Са(ОН)2; уплот- нение структуры за счет дополнительно образующихся гидро- силикатов кальция.
· Все меры, направленные на снижение водопотребности цемента, снижение пористости камня, уплотнение структуры (например, снижение В/Ц при использовании пластифицирую- щих добавок).
· Для защиты бетона также применяют защитные покрытия.