Контрольная: Материаловедение

СОДЕРЖАНИЕ

1. Тенденции использования топливных шлаков и зол в отечественном

строительном

производстве.................................................................

................................. 3

2. Ячеистый бетон........................................................5

3. Теплоизоляционные материалы...........................................7

4. Использованная литература............................................12

1. ТЕНДЕНЦИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПЛИВНЫХ ШЛАКОВ И ЗОЛ В ОТЕЧЕСТВЕННОМ

СТРОИТЕЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Золы и шлаки ТЭЦ при правильном и эффективном их ис­пользовании представляют

собой огромное богатство и ис­точник расширения сырьевых ресурсов различных

отраслей промышленности, в первую очередь промышленности стро­ительных

материалов. В нашей стране выполнены большие научно-исследовательские работы

и накоплен значительный опыт по использованию золошлаковых отходов

электростанций.

Большой практический интерес представляет исследование возможностей массового

использования золошлаковых сме­сей в качестве заполнителей в бетоны

различного назначения. Это обусловлено как зерновым и химическим составом,

так и физико-механическими характеристиками отходов ТЭЦ. Зерновой состав

смеси соответствует рекомендуемым составам пес­ков для бетонов, модуль

крупности составляет 3,42, что по­зволяет отнести его по существующей

классификации к круп­ным пескам. По химическому составу материал на 80 %

со­стоит из кремнезема, глинозема и гематита. Результаты испытаний на

прочность золошлаковых бетонов естественно­го твердения, подвергнутых

тепловлажностной обработке, показывают, что расход цемента для получения

требуемой прочности не превышает нормы.

Для изучения изменения прочности золошлакобетона во времени были проведены

исследования бетонов на основе золошлако­вых смесей с золоотвалов Беловской

ГРЭС, Кемеровской ГРЭС, Новокемеровской ТЭЦ. Бетонная смесь готовилась в трех

ви­дах смесителей: турбулентном, гравитационном, принудитель­ного

перемешивания. Образцы-кубики 100x100x100 мм под­вергались термообработке по

режиму 3,5 + 8 + 2 ч. при температуре 90° С, а часть образцов твердело в

нормальных условиях. Изменение прочности бетона во времени опреде­ляли по

результатам испытания образцов в возрасте 1,7, 14, 28, 180 и 1340 сут. Анализ

полученных данных показал, что прочность золошлакобетона в возрасте 180 сут.

составляет 116 ...128 % от марочной, а через 1340 сут. — 51 ... 68 % в

зависимости от состава, условий приготовления и твердения. Таким образом,

вопросы повышения долговечности материа­лов из отходов являются весьма

актуальными.

В 1988—1989 гг. Кузбасским политехническим институтом проводились

исследования, подтверждающие возможность при­менения смеси топливных и

доменных шлаков для изготовле­ния тяжелых цементных бетонов классов от В7,5

до В35. Эти бетоны обладают физико-механическими и деформативными

характеристиками, не уступающими, а иногда и превышающи­ми соответствующие

показатели бетонов на природных мате­риалах. Морозостойкость бетона на

шлаковом заполнителе составляет F 100 ... F 400, водонепроницаемость

W4...W12, предел прочности при сжатии после пропаривания 16...50 МПа.

Шлаковый бетон коррозиестоек в условиях сульфатной агрессии и действия жидкой

среды жизнедеятельности животных. Технология изготовления бетона на

заполнителе из смеси доменного и топливного шлаков легко вписывается в

технологические схемы действующих предприятий строительной индустрии.

Растущий дефицит в строительстве вяжущих веществ, в част­ности

портландцемента, заставил ученых и практиков искать пути снижения его расхода

в растворах и бетонах без ухудше­ния их свойств. Эффективные смешанные

вяжущие с исполь­зованием местных материальных ресурсов были разработаны в

Казанском инженерно-строительном институте. Вяжу­щие получали путем

повторного помола рядовых портландцементов с грубодисперсными минеральными

порошками природного и искусственного происхождения, такими, как реч­ной

песок, доломитовая и известняковая мука, формовочная смесь, зола ТЭЦ. Механо-

химическая активация поверхности цемента и минеральной добавки позволяет

повысить проч­ность портландцемента на 20...24 %. Эффект увеличения прочности

может быть усилен введением суперпластификато­ров. Цементно-песчаные растворы

и мелкозернистые бето­ны, полученные на смешанных вяжущих, дали хорошие

ре­зультаты.

Зола электрофильтров и золошлаковые смеси из отва­лов — эффективный компонент

сырьевой смеси при произ­водстве портландцементного клинкера для замены

глинистого и карбонатного компонентов или как корректирующая добавка.

Известен метод Л. Триефе для получения вяжущего из расплава известняка и

золы, резко охлаждаемого водой, ко­торый затем подвергается помолу и сушке.

Этот метод по­зволяет уменьшить количество известняка до одной трети,

отказаться от глины и известняка при получении цемента.

Одним из главных утилизаторов топливных зол и шлаков являются строители

дорог. Наблюдения за опытными участка­ми дорог, построенными в разное время в

нашей стране и за рубежом, подтверждают возможность использования золы во

всех слоях оснований дорожных одежд для любой транс­портной нагрузки.

Дорожные одежды с использованием зол и шлаков имеют достаточную прочность,

морозостойкость, долговечность. Стабилизированные с помощью цемента и золы,

материалы продолжают увеличивать свою прочность с течени­ем времени, а

наиболее интенсивное нарастание прочности наблюдается в возрасте 90—120

суток.

На протяжении последних 10 лет изготовлено свыше 100 тыс. м3 дорожных

плит, дорожного и газонного бордюра, тротуарной плитки, колец и других изделий

на золе сухого удаления и гранулированного шлака, полученных от сжигания

каменных углей Львовско-Волынского бассейна. Золошлаковые смеси применялись в

качестве активных минеральных добавок, микронаполнителей, заполнителей. Изделия

для дорожного строительства изготавливались из бетонов классов В15 ...

В35. При этом расход золы на 1 м3 бетона составил 50...100

кг, шлака — 200 ... 400 кг. Наилучшие результаты получены при замене 40 %

мелкозернистого песка гранулированным шпаком.

Многочисленные исследования, проведенные в последнее время, говорят о том,

что введение в состав бетонов золош­лаков кислого состава повышает их

стойкость в агрессивных средах.

Большой экономический эффект дает применение топлив­ных золошлаков в качестве

вяжущего для стабилизации грун­тов.

Необходимо отметить более высокую жесткость бетонных смесей на золошлаке по

сравнению с бетонными смесями на традиционных заполнителях, что объясняется

высокой адсорб­цией золошлаковых смесей, способствующей снижению

водоцементного отношения, а следовательно, и удобоукладываемости. Прочность

золошлаковых бетонов выше, чем у бето­нов на традиционных заполнителях. Это

связано со многими причинами: во-первых, снижение водоцементного отношения

ведет к повышению плотности, а следовательно, и прочности бетона; во-вторых,

сказывается эффект "мелкозернистых по­рошков"; в-третьих, высокая прочность в

поздние сроки твер­дения объясняется эффектом пуццоланизации, характерным для

топливных отходов. По результатам исследований постро­ено несколько участков

дорог, устроено основание из укаты­ваемого бетона на золошлаковых смесях.

Таким образом, диапазон применения золошлаковых сме­сей гидроудаления и зол-

уноса ТЭЦ весьма обширен. Резуль­таты научных исследований, опытные работы

позволяют сде­лать вывод о замене некоторых традиционных материалов на отходы

промышленности. При этом свойства материалов с использованием зопошлаков не

только не уступают традици­онным, но в некоторых случаях и превосходят их.

Надо ска­зать, что несмотря на большой объем научных разработок в области

использования отходов, в нашей стране отходы ис­пользуются еще очень cлa6o.

2. ЯЧЕИСТЫЙ БЕТОН

Ячеистые бетоны на 60...85% по объему состоят из замкнутых пор (ячеек)

размером 0,2...2 мм. Ячеистые бетоны получают при затвердевании насыщенной

газовыми пузырьками смеси вяжущего, кремнезимистого компонента и воды.

Благодаря высокопористой структуре средняя плотность ячеистого бетона невелика

— 300...1200 кг/м3; он имеет низкую теплопроводность при достаточной

прочности. Бетоны с желаемыми характеристиками (плотностью, прочностью и

теплопро­водностью) сравнительно легко можно получать, регулируя их пористость

в процессе изготовления.

Состав и технология ячеистых бетонов. Вяжущим в ячеистых

бетонах может служит портландцемент (или известь) с кремнеземистым компонентом.

При применении известково-кремнезёмистых вяжущих получаемые бетоны называют

газо- и пеносиликаты.

Кремнеземистый компонент — молотый кварцевый лесок, гранули­рованные

доменные шлаки, зола ТЭС и др. Кремнеземистый компо­нент снижает расход

вяжущего и уменьшает усадку бетона. Применение побочных продуктов

промышленности (шлаков и зол) для этих целей экономически выгодно и

экологически целесообразно.

Соотношение между кремнеземистым компонентом и вяжущим устанавливается

опытным путем.

Для получения ячеистых бетонов используют как естественное твердение вяжущего,

так и активизацию твердения с помощью пропаривания (t = 85...90°С) и

автоклавной обработки (t = 175° С). Лучшее качество, имеют бетоны,

прошедшие автоклавную обработку. В случае применения извести в составе вяжущего

автоклавная обработка обя­зательна.

По способу образования пористой структуры (методу вспучивания вяжущего)

различают: газобетоны и газосиликаты; пенобетоны и пе­носиликаты.

Газобетон и газосиликат получают, вспучивая тесто вяжущего газом,

выделяющимся при химической реакции между веществом-газообразователем и

вяжущим. Чаще всего газообразователем служит алюми­ниевая пудра, которая,

реагируя с гидратом оксида кальция, выделяет водород

ЗСа(ОН)2 + 2Аl + 6Н2О g ЗСаО • Аl2О3 - 6Н2О + H2h

Согласно уравнению химической реакции, 1 кг алюминиевой выделит до 1,25 м3

водорода, т. е. для получения 1 м3 газобетона требуется 0,5...0,7 кг

пудры.

Пенобетоны и пеносиликаты получают, смешивая тесто вяжущего с заранее

приготовленной устойчивой технической пеной. Для образования пены используют

пенообразователи, получаемые как модификацией побочных продуктов других

производств (гидролизованная кровь, клееканифольный пенообразователь), так и

синтезируемые специально (сульфанол и т. п.).

Свойства ячеистых бетонов определяются их пористостью, видом

вяжущего и условиями твердения.

Как уже говорилось, пористость ячеистых бетонов — 60...85%. Характер пор

— замкнутый, но стенки пор состоят из затвердевшего цементного камня, который,

как известно, пронизан порами, в том числе и капиллярными. Для движения воздуха

поры в ячеистом бетоне замкнуты, а для проникновения воды — открыты. Поэтому

водопоглощение ячеистого бетона довольно высокое и морозостой­кость

соответственно пониженная по сравнению с бетонами слитной структуры.

Гидрофильность цементного камня и большая пористость обуслов­ливают высокую

сорбционную влажность. Это сказывается на тепло­изоляционных показателях

ячеистого бетона. Поэтому при использовании ячеистого бетона в ограждающих

конструкциях его наружную поверхность необходимо защищать от контакта с водой

или гидрофобизировать.

Прочность ячеистых бетонов зависит от их средней плотности и находится в

пределах 1,5...15 МПа. Модуль упругости ячеистых бетонов ниже, чем у обычных

бетонов, т. е. они более деформативны. Кроме того, у ячеистого бетона

повышенная ползучесть.

Ячеистые бетоны и изделия из них обладают хорошими звукоизо­ляционными

свойствами, они огнестойки и легко поддаются механи­ческой обработке (пилятся

и сверлятся).

Наиболее рациональная область применения ячеистых бетонов — ограждающие

конструкции (стены) жилых и промышленных зданий: несущие — для малоэтажных

зданий и ненесущие — для многоэтажных, имеющих несущий каркас.

3. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Номенклатура теплоизоляционных материалов очень широка. Но около 90% от

общего объема применения в строительстве составляют два вида изделий: из

искусственных минеральных волокон (около 70%) и ячеистых пластмасс –

пенопластов (около 20%). Это объясняется простотой технологии их производства

(это касается пенопластов), огромной сырьевой базой ( это касается

минеральных волокон) и высокими эксплуатационными свойствами.

Неорганические материалы изготавливаются на основе минерального сырья

(горных пород, шлаков, стекла, вяжущих веществ, асбеста и т.п.). К этим

материалам относятся изделия из минеральной ваты, пеностекло, ячеистые бетоны,

асбестосодержащие засыпки и мастичные составы, а также пористые заполнители,

используемые как теплоизоляционные засыпки (керамзит, перлит, вермикулит и

др.). Неорганические теплоизоляционные материалы теплостойки, негорю­чи, не

подвержены зашиванию. Как уже говорилось, наибольшее применение находят изделия

на основе минеральной ваты.

Минераловатные изделия получают на основе коротких и очень тонких

минеральных волокон (минеральной ваты), скрепляемых в изделия с помощью

связующего или другими способами.

Минеральную вату вырабатывают из силикатных расплавов, сырьем для которых

служат металлургические шлаки, осадочные (мергели, каолины и др.) и изверженные

(базальт и др.) горные породы, отходы стекла и другие силикатные материалы.

Название минеральная вата получает по виду сырья: например, шлаковая,

базальтовая или стекло­вата. Вид сырья определяет, в частности,

температуростойкость ваты (у базальтовой ваты — до 1000° С, а у стекловаты

550...650° С), тонкость и упругость волокна и другие свойства.

Силикатный расплав раздувом или разбрызгиванием центрифугой превращают в

тончайшие стекловидные волокна диаметром 1...10 мкм и длиной в несколько

сантиметров. Волокно собирается в камере волокноосаждения на непрерывно

движущейся сетке. Сюда же пода­ется связующее вещество для получения из

рыхлого минерального волокна ковра и дальнейшего формования изделий (в

исходном виде минеральная вата в настоящее время не применяется).

Минераловатные изделия применяют для тепловой изоляции в широком диапазоне

температур: — 200... + 600° С; изделия на основе специальных минеральных

волокон (на­пример, базальтовых) выдерживают до 1000° С. Они слабо

адсорбируют влагу, не поражаются грызунами.

Производят следующие виды минераловатных изделий: мягкие плиты (ми­неральный

войлок) и прошивные маты, полутвердые и твердые плиты и скорлу­пы (рис. 1).

Рис.1. Теплоизоляционные изделия из минеральной ваты:

а — минеральный войлок; б — полужесткие плиты; в —

полуцилиндры; г — прошивной мат

Мягкие маты и плиты (минеральный войлок) получают как с помощью прошивки

минерале ватного ковра, сдублированного с фольгой или метал­лической сеткой,

так и с помощью ми­нерального связующего путем его лег­кой подпрессовки. Такие

маты выпускают в виде рулонов. Плотность 30...100 кг/м3;

теплопроводность 0,033...0,035 Вт/(м∙К).

Полужесткие и жесткие плиты и фасонные изделия получают с использованием

полимерных связующих (размер плит обычно 600´1200 мм при толщине от 50 до

120 мм). Для получения большой жесткости плиты без увеличения ее плотности

применяют технологию с частичной вертикальной ориентацией волокон. Плотность

плит 50...150 кг/м3; теплопроводность 0,04...0,06 Вт/(м∙К).

Подобные плиты используют для устройства теплоизоляции стен и кровельных

покры­тий. Плиты легко режутся и укрепляются на стенах клеющими масти­ками.

Скорлупы и сегменты используют для изоляции трубопроводов.

Пеностекло (ячеистое стекло) — материал, получаемый термиче­ской

обработкой порошкообразного стекла (обычно для этого исполь­зуется стеклобой),

смешанного с порошком газообразователя (мел, известняк, кокс). В момент

перехода стекла в пластично-вязкое состо­яние газообразователь выделяет газ (в

данном случае СО2), который вспучивает стекломассу.

Пеностекло имеет как бы двойную пористость: стенки крупных пор (диаметром

0,5..,2 мм) содержат микропоры (рис. 2.). При этом все поры замкнутые. Такое

строение пеностекла объясняет его низкую теплопроводность при достаточно

высокой прочности и практически нулевое водопоглощение и паронепроницаемость.

Теплопроводность пеностекла при плотности 200...300 кг/м3 составляет

0,06...0,12 Вт/(м∙К), а прочность на сжатие — 3...6 МПа.

Рис. 2. Структура пеностекла:

1– поры; 2 – стеклянные прослойки

Ячеистое стекло легко обрабатывается (пилится, сверлится), хоро­шо сцепляется с

цементными материалами. Пеностекло применяют Для изоляции металлоконструкций,

при бесканальной прокладке тру­бопроводов и благодаря паронепроницаемости и

минимальному водопоглощению (>1%) для теплоизоляции стен, потолков

промышленных холодильников.

Теплоизоляционные бетоны — бетоны плотностью не более 500

кг/м3 по структуре могут быть трех видов:

§ слитного строения на пористых заполнителях (например,

керам­зитовом гравии и перлитовом песке) и цементном или полимерном? вяжущем;

§ крупнопористые (беспесчаные) на однофракционном керамзито­вом

гравии и цементном или полимерном связующем;

§ ячеистые.

Крупнопористые бетоны используют в виде плит, заменяющих засыпную теплоизоляцию.

Ячеистые бетоны — наиболее перспективный вид теплоизоляцион­ных бетонов,

отличающиеся сравнительно простой технологией полу­чения. Их широкому

распространению препятствует высокое водопоглощение и гигроскопичность. Сухой

ячеистый бетон при плотности 300...500 кг/м3 имеет теплопроводность

0,07...0,1 Вт/(м∙К); при влаж­ности 8% теплопроводность возрастает до

0,15...0,18 Вт/(м∙К). При­меняют ячеистые бетоны в виде камней правильной

формы, заме­няющих 8...16 кирпичей.

Монтажная теплоизоляция — специальная группа неорганических

теплоизоляционных материалов (засыпки и мастики) и готовых изде­лий (листы,

плиты, скорлупы), используемых для изоляции трубопро­водов и агрегатов с

высокими температурами поверхности. К таким материалам относятся

асбестосодержащие материалы (чисто асбесто­вые и смешанные), теплоизоляционная

керамика и др. использование асбеста в монтажной теплоизоляции основывается на

его огнестойко­сти и низкой теплопроводности, а в мастичных материалах он

выпол­няет также армирующие функции. Последнее объясняется волок­нистым

строением асбеста.

Асбестовый картон и бумагу изготовляют из асбеста 4—5 сортов с

использованием органических клеев (крахмала, казеина). Асбестовая бумага

толщиной 0,3...1,5 мм и плотностью 450...900 кг/м3 имеет X —

=0,15...0,25 Вт/(м • К). Ее используют для изоляции поверхностей, работающих при

температурах до 500° С.

Асбестовый картон более толстый, чем бумага (2...10 мм). Его применяют для

предохранения деревянных и других конструкций из легкогорючих материалов для

защиты от возгорания. У асбеста для этого есть два необходимых свойства:

огнестойкость и низкая тепло­проводность.

Асбестосодержащие смешанные материалы представляют собой порошки

из асбеста с различными добавками (слюды, диатомит, минеральные вяжущие и т.

п.). При затворении водой эти смеси превращаются в пластичное тесто, способное

при высыхании затвердевать. Из него получают покрытия на изолируемых

поверхностях или производят изделия — полуфабрикаты (плиты, скорлупы).

Изоляция подобного типа выдерживает температуры до 900° С; при этом

теплопроводность таких материалов составляет ОД...0,2 Вт/(м∙К). Имея

открытую пористость и высокое водопоглощение, асбесто­содержащие материалы

требуют защиты от увлажнения; тем более, что большинство из них не

водостойки.

Наиболее известны среди таких материалов вулканит и совелит. Вулканит

получают из смеси диатомита (60 %), асбеста (20%) и извести (20 %).

Плотность вулканитовых изделий не более 400 кг/м3; тепло­проводность

< 0,1 Вт/(м∙К). Совелит получают из смеси асбеста с основным

карбонатом кальция и магния, получаемого из доломита; используют его при

температурах до 500° С.

Приготовление и нанесение асбестосодержащих теплоизоляцион­ных материалов,

сопряженное с выделением асбестовой пыли, должно вестись с соблюдением

требований Санитарных правил и норм.

Для высокотемпературной теплоизоляции (1000° С и более)

применяют пенокерамические материалы и легковесные огнеупоры.

ЛИТЕРАТУРА

1. Баженов Ю.М., Технология бетона. – М.: Стройиздат, 1978.

2. Горлов Ю.П., Технология теплоизоляционных материалов. – М.:

Стройиздат, 1989.

3. Попов К.Н., Каддо М.Д., Строительные материалы и изделия. – М.:

Высшая школа, 2002.

4. Юдина Л.В., Юдин А.В., Металлургические и топливные шлаки в

строительстве. – Ижевск: Удмуртия, 1995.