Строительство. Стройматериалы

Строительные материалы и изделия

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Стадия отвердевания завершает цепь формирования искусственного строительного конгломерата и, как правило, является результатом специальной обработки отформованных и уплотненных изделий: тепловой, тепловлажностной, химической, электрофизической, автоклавной, вакуум-пропиточной, радиационной и др. Основная цель обработок - обеспечить развитие процессов микро- и макроструктурообразования с возможно более полным переводом систем из метастабильного состояния в термодинамически устойчивое. И хотя соответствующие процессы могут продолжаться и после произведенной обработки, в том числе и в период эксплуатации конструкции, однако их большая часть протекает на стадии обработки, реже - на стадии выдерживания изделий в обычных (нормальных) условиях.

Скорость химических реакций быстро возрастает с повышением температуры согласно уравнению Аррениуса

Относительная плотность равна отношению величин средней плотности изделия к его истинной плотности.

Избыточное количество энергии, которым обладает молекула в момент эффективного столкновения с другой при образовании химической связи; R - газовая постоянная.

Из уравнения следует, что константа скорости реакции и скорость реакции изменяются с колебаниями температуры сильнее в тех реакциях, которые имеют повышенную энергию активации. Чтобы повысить энергию реагирующих молекул, т. е. активировать их, используют различные методы.

Скорость химических реакций зависит не только от температуры, но и от концентрации реагирующих веществ. В простейших случаях, когда имеются гомогенные реакции и протекают они в сильно разбавленных растворах, работает закон действия масс: при постоянной температуре скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций с реагирующих веществ, возведенных в степени их стехиометрических коэффициентов. Этот закон лежит в основе химической кинетики, но при сложных реакциях его действие становится менее надежным.

Кроме химических реакций, к образованию новой фазы приводит кристаллизация растворенного вещества из пересыщенного раствора. Пересыщение возникает по разным причинам, таким как: удаление части жидкой дисперсионной среды, понижение температуры насыщенного раствора, изменение внешнего давления, химическое взаимодействие исходных компонентов в сложном растворе и др.

При использовании минеральных вяжущих структурные связи образуются за счет гидратационного или контактного твердения (при получении безобжиговых материалов) и спекания либо плавления (при производстве обжиговых материалов).

Основу процессов, сопровождающих образование структурных связей в обжиговых материалах - конденсационно-кристаллизационных (керамика) или конденсационных (стекло), составляет переход под действием тепловой энергии порошкообразных веществ в искусственный камень заданной формы через спекание или плавление. Результатом этих процессов является образование керамического черепка, стеклокристаллического или стекловидного тела, характеризующихся водостойкостью,

Процесс образования структурных связей по механизму гидратационного твердения протекает на ионно-молекулярном уровне, включая реакции через раствор, топохимиче-ские, анионной конденсации, образования твердых растворов внедрения.

Контактное твердение подразумевает образование из дисперсных макрочастиц вещества нестабильной структуры (аморфного или субмикрокристаллического) водостойкого камня непосредственно при возникновении контактов между ними. Формирование структурных связей в этом случае происходит без изменения химического состава вещества (в отличие от условий гидратационного твердения) и его агрегатного состояния (в отличие от твердения через высокотемпературные процессы). Водостойкое тело образуется на уровне физического взаимодействия между макрочастицами.

При использовании органических связующих образование структурных связей в материале также определяется типом самого связующего. Материалы на основе термопластичных связок образуют водостойкие конденсационные структуры по механизму полимеризации, в основе которого лежат реакции получения нового продукта с большей молекулярной массой из низкомолекулярных веществ - мономеров. Причем этот процесс сопровождается изменением агрегатного состояния вещества, однако новое соединение имеет одинаковый состав с мономером.

Материалы на основе термореактивных связок образуют водостойкие конденсационные структуры по механизму поликонденсации, в основе которого лежат реакции взаимодействия между собой мономеров, сопровождающиеся изменением химического состава вещества. В результате этот процесс уподобляется гидратационному твердению, при котором химический состав вещества изменяется при переходе его из дисперсного в конденсированное твердое тело.

Таким образом, в зависимости от исходного сырья и физического состояния структуры его вещества синтез определенных искусственных тел происходит как следствие образования различных типов структур за счет возникающих между микро- и макрочастицами контактов и структурных связей

По определяющим признакам - способности восстанавливаться после разрушения и противостоять действию воды -структурные связи и контакты, по П. А. Ребиндеру, делятся на:

1)         коагуляционные с пленочными неводостойкими контактами;

2)         псевдоконденсационные с точечными неводостойкими контактами, не противостоящими диспергирующему действию воды; 3) конденсационно-кристаллизационные и конденсационные с фазовыми водостойкими контактами, противостоящими этому действию. Разрушение структур с контактами первого типа носит обратимый характер, а структуры с контактами второго и третьего типов разрушаются необратимо.

Каждая разновидность неорганических и органических вяжущих веществ отвердевает под влиянием специфических факторов.

И. А. Рыбьев в теории отвердевания вяжущих веществ выделяет две стадии: 1) диспергирование; 2) конденсацию и консолидацию.

Первая стадия процесса отвердевания характеризуется массовым переходом твердого вещества в состояние высокой дисперсности до размеров молекул, атомов, ионов или более крупных макромолекул и т. п. Такое диспергирование благоприятствует переводу частиц в системе в наименее устойчивое, метастабильное и в то же время в наиболее энергетически активное состояние. Эти условия способствуют свободному перемещению частиц с неизбежным тепловым движением их в окружающей среде, образованию при столкновениях под действием энергии активации ранее отсутствовавших соединений, ассоциаций и агрегатов, новых фаз.

Переход веществ в состояние высокой дисперсности происходит под влиянием различных факторов: химических (гидролиз), механических, тепловых, пептизации и др. Подобные высокодисперсные системы образуются в виде истинных и коллоидных растворов, суспензий, расплавов, эмульсий и пен.

Вторая стадия отвердевания является основной и характеризуется постепенным или ускоряющимся процессом перехода системы в твердый камневидный продукт. По мере упорядочения структуры с укрупнением микрочастиц до макроскопического размера уменьшается свободная энергия системы. При этом вещество стремится перейти в кристаллическое состояние с минимумом свободной энергии. Все это сопровождается уменьшением размеров тел в результате усадки и ползучести, увеличением плотности и другими явлениями, связанными с самоорганизацией вещества.

Отвердевшие матричные вещества, т. е. перешедшие в кам-невидное состояние, например в цементный камень, гипсовый камень, наполненный полимер, материалы, полученные высокотемпературной обработкой - керамику, стекло, шлаки, каменное литье и другие, занимают определенную часть структуры в соответствующих искусственных конгломератах, выполняя в них функцию цементирующей связки. Крупнозернистая (тонкодисперсная) минеральная или органическая смесь, составляющая гораздо большую часть конгломерата и выполняющая в нем функцию заполнителя (наполнителя), скрепляется, образуя с вяжущей частью, как матрицей, единый монолит. Тонкий контактный слой вяжущего, непосредственно примыкающий к поверхности зерен заполнителя (наполнителя), образует адсорбционно-сольватную оболочку. Она обладает повышенной плотностью и твердостью по сравнению с остальной (объемной) матричной частью. Контактный слой составляет в структуре искусственного конгломерата непрерывную пространственную сетку вяжущего вещества или матрицу конгломерата.