1 химический и минеральный состав природных каменных материалов магматического происхождения

1 химический и минеральный состав природных каменных материалов магматического происхождения

Магматические породы образовались в результате застывания магмы. Процесс их образования состоит в постепенной кристаллизации последней с последовательным выделением твердых минеральных компонентов при ее остывании до полного перехода в твердое состояние. При этом имеют огромное значение величины давлений, температура и содержание в ней минерализаторов — паров воды, углекислоты и др.

породы разделяются на глубинные (интрузивные), излившиеся (эффузивные) и полуглубинные (гипабиссальные). Глубинные породы образуются на больших глубинах в условиях высоких температуры и давления, медленного и равномерного остывания магмы. Оно завершается формированием разновидностей с полнокристаллической структурой, массивной текстурой и равномерным распределением минеральных составных частей в массе породы, любые участки которой одинаковы по составу и структуре. Излившиеся породы появляются на поверхности земли в условиях низкой температуры и атмосферного давления при быстрой отдаче теплоты и быстром выделении газообразных веществ из лавы с образованием в ней многочисленных пор, сохраняющихся и после затвердевания. Поэтому они отличаются неполнокристаллической структурой с обилием аморфного стекла, неоднородной текстурой и чередованием в ее объеме участков с неодинаковыми составом и структурой.

В составе магматических пород существенное значение имеют оксиды SiO2; А12О3; FeO; MgO; CaO; Na2O; K2O; H2O и особенно первый, являющийся надежной характеристикой их химического состава. В зависимости от количественного содержания кремнезема все магматические породы разделяются на: ультракислые — свыше 75%; кислые — от 65 до 75%; средние — от 52 до 65%, основные — от 40 до 52% и ультраосновные— менее 40% кремнезема. С уменьшением его содержания возрастает плотность и темнеет окраска магматических пород, так как в их составе увеличивается количество более тяжелых железисто-магнезиальных силикатов. Главнейшими минералами магматических пород являются кварц, полевые шпаты, плагиоклазы, нефелин, слюды, авгит, роговая обманка и др. Калиевые полевые шпаты и кислые плагиоклазы, кварц и слюды встречаются преимущественно в кислых породах; средние плагиоклазы и роговая обманка — в средних, а основные плагиоклазы и авгит — в основных породах. Формы залегания магматических пород разнообразны. Глубинные породы залегают в виде батолитов - огромных (до 160 000 км2) массивов неправильной формы; штоков— массивов изометричной формы; отличающихся от батолитов меньшими (до 100 км2) размерами; лакколитов— грибообразных тел, соединяющихся подводящими каналами с очагами магмы и жил — плитообразных тел, образованных внедрением магмы в трещины пород. Типичными формами излившихся пород являются потоки, покровы и купола (конусы). Потоки представляют собой плоские тела, вытянутые в направлении движения жидких лав. Покровы в отличие от потоков имеют равновеликие длину и ширину и образуются при массовых трещинных излияниях лав на больших площадях. Купола представляют собой конусообразные массы излившихся пород, приуроченных к месту поверхностного излияния. Остывание магматических массивов сопровождается значительным сокращением их объема с появлением многочисленных, закономерно расположенных трещин, разбивающих массив на отдельные блоки различной величины и формы— отдельности. Установление направления трещин отдельности имеет большое практическое значение при разработке магматических пород: оно облегчает их добычу, упрощает механическую разделку пород и вместе с тем эти трещины в известной степени ограничивают возможность использования их трещиноватых разновидностей в строительных целях, так как они становятся досадными дефектами изготовляемой штучной продукции.

Глубинные породы имеют высокие показатели прочности, средней плотности, а также незначительную пористость, с которой связаны весьма низкое водопоглощение, высокие теплопроводность и морозостойкость. Из этой группы рассматриваются граниты, сиениты, диориты, габбро, перидотиты и пироксениты, расположенные в приведенном порядке по мере уменьшения в них кремнезема. Граниты сиениты диориты

Излившиеся породы являются аналогами глубинных по составу, но сильно отличаются от них по структурным и текстурным особенностям. Наличие неполнокристаллической и стекловатой структур, а также немассивной часто пористой текстуры неблагоприятно отражается на стойкости их к выветриванию и стабильности прочностных показателей. Однако среди них обнаруживается немало плотных и прочных разновидностей, широко применяемых в строительстве. Из их числа рассматриваются кварцевые порфиры и липариты; бескварцевые порфиры (ортофиры) и трахиты; порфириты и андезиты; диабазы и базальты, расположенные в приведенном порядке по тому же признаку уменьшения кремнезема, что и в группе глубинных пород.

2 химический и минеральный состав природных каменных материалов осадочного происхождения

Осадочные породы представляют особый интерес для строителей, так как они служат основаниями и средой для различных сооружений и повсеместно доступны в качестве строительных материалов. Они имеют вторичное происхождение, поскольку исходным материалом для их формирования являются продукты разрушения ранее существовавших пород. Процесс образования осадочных пород протекает по схеме: физическое и химическое выветривание пород, механический и химический перенос, отложение и накопление продуктов их разрушения и, наконец, уплотнение и цементация рыхлого осадка с превращением его в породу. Общими свойствами осадочных пород являются одинаковые формы залегания в виде пластов, с которыми связаны их характерные текстурные признаки - слоистость и пористость. Последняя особенно важна, так как оказывает большое влияние на физико-механические свойства пород: прочность, плотность и среднюю плотность, водопоглощение, морозостойкость, механическую обработку и др.

Осадочные породы отличаются многообразием структур с широким варьированием формы, размеров частиц и их соотношения у различных представителей. Для них характерно значительное разнообразие минеральных компонентов, более простых по химическому составу и являющихся преимущественно осадочными новообразованиями, совпадающими по составу с некоторыми магматическими минералами. Среди породообразующих минералов встречаются осажденные из водных растворов карбонаты, сульфаты, водный кремнезем; вторичные (глинистые) продукты выветривания материнских пород - каолинит, монтмориллонит; слюдистые минералы, гидроксиды А1 и Fe; реликтовые минералы, сохранившиеся без изменения, - магматический кварц, полевые шпаты, а также обломки пород различного генезиса и остатки организмов. Некоторые представители осадочных пород растворяются в воде, например каменная соль, гипс, известняки.

По условиям образования осадочные породы делятся на три группы: обломочные, химические и органогенные. Между ними существуют переходные разновидности смешанного генезиса.

3 химический и минеральный состав природных каменных материалов метаморфического происхождения

Метаморфические (вторичные) породы образовались под воздействием высоких температуры и давления, химически активных газообразных веществ и горячих растворов, циркулирующих в породах. Воздействию этих факторов, особенно проявляющихся при тектонических процессах, подвергаются как магматические, осадочные, так и ранее метаморфизованные породы. Результатом такого воздействия является изменение структурных и текстурных свойств, а иногда и химического состава пород. Минеральный состав метаморфических пород сходен с составом материнских пород, но наряду с первичными минералами: кварцем, полевыми шпатами, амфиболами, слюдами - появляются вторичные, характерные только для метаморфических пород, - гранаты, хлориты, серпентин и другие.

Они имеют кристаллически-зернистую (кристаллобластовую) структуру с вытянутой формой частиц и разнообразные виды текстур. Наиболее типичными текстурами являются сланцеватая с параллельным расслоением в одном направлении чешуйчатых, листоватых, пластинчатых минералов; полосатая (гнейсовая) с линейным расположением чередующихся полос различного минерального состава, а также массивная текстура, развивающаяся при перекристаллизации однородных первичных пород без изменения расположения их зерен. Формы залегания метаморфических пород соответствуют формам залегания материнских магматических и осадочных пород. К наиболее распространенным метаморфическим породам относятся гнейсы, кристаллические сланцы, кварциты и мраморы.

5 химический состав воздушной извести твердение

Сырье и производство. Для получения воздушной извести пригодны карбонатные породы (известняки, мел, ракушечник, доломитизированные известняки), в которых содержание примесей глины, кварцевого песка и т. п. не превышает 6 %.

Обжиг такого сырья производится до полного удаления диоксида углерода, в результате получают продукт, состоящий в основном из СаО и MgO. Чем выше суммарное содержание свободных оксидов кальция и магния, тем выше качество извести. В зависимости от содержания оксида магния различают следующие виды воздушной извести: кальциевую — MgO не более 5%, магнезиальную — 5...20 %, доломитовую — 20...40 %.

Обжиг сырья производят в шахтных печах, реже во вращающихся или установках для обжига во взвешенном состоянии и кипящем слое. Основные реакции, происходящие при обжиге:

СаСО8 = СаО + СО2 и MgCO3 = MgO + СО2

Известь применяют в виде строительных растворов, т.е. в смеси с песком и другими заполнителями. На воздухе известковый раствор постепенно отвердевает под влиянием двух одновременно протекающих процессов: а) высыхания раствора, сближения кристаллов Са(ОН)2 и их срастания; б) карбонизации извести под действием углекислого газа, который в небольшом количестве содержится в воздухе: Са(ОН)2 + С02 -» СаС03 + Н20.

Образующийся карбонат кальция срастается с кристаллами Са(ОН)2 и упрочняет известковый раствор. При карбонизации выделяется вода, поэтому штукатурку и стены, в которых применены известковые растворы, подвергают сушке. Известковые растворы твердеют медленно, сушка ускоряет процесс их твердения. Для ускорения твердения к извести добавляют цемент и гипс. Цемент и активные минеральные добавки повышают также водостойкость известковых растворов.

Известковое тесто, защищенное от высыхания, неограниченно долго сохраняет пластичность, т. е. у извести отсутствует процесс схватывания. Затвердевшее известковое тесто при увлажнении вновь переходит в пластичное состояние (известь - неводостойкий материал).

Однако при длительном твердении (десятилетия) известь приобретает довольно высокую прочность и относительную водостойкость (например, в кладке старых зданий). Это объясняется тем, что на воздухе известь реагирует с углекислым газом, образуя нерастворимый в воде и довольно прочный карбонат кальция, т. е. как бы обратно переходит в известняк:

Са(ОН)2 + С02 -» СаС03 + Н20

6 химический состав гипсовых вяжущих твердение

Гипсовые вяжущие — группа воздушных вяжущих веществ, в затвердевшем состоянии состоящих из двуводного сульфата кальция (CaSO4 • 2Н2О), включает в себя собственно гипсовые вяжущие (далее для краткости — гипс) и ангидритовые вяжущие (ангидритовый цемент и эстрихгипс).

Гипс (в строительной практике иногда используют устаревший термин алебастр от гр. alebastros — белый) — быстротвердеющее воздушное вяжущее, состоящее из полуводного сульфата кальция CaSO4 • 0,5Н2О, получаемого низкотемпературной (< 200° С) обработкой гипсового сырья.

Сырьем для гипса служит в основном природный гипсовый камень, состоящий из двуводного сульфата кальция (CaSO4•2Н2О) и различных механических примесей (глины и др.). В качестве сырья могут использоваться также гипсосодержащие промышленные отходы, например, фосфогипс, а также сульфат кальция, образующийся при химической очистке дымовых газов от оксидов серы с помощью известняка. Все это указывает на то, что проблем с сырьем для гипсовых вяжущих нет.

Химизм твердения гипса заключается в переходе полуводного сульфата кальция при затворении его водой в двуводный:

CaSO4 • 0,5Н2О + l,5H2O → CaSO4 • 2Н2О

Внешне это выражается в превращении пластичного теста в твердую камнеподобную массу.

Причина такого поведения гипса заключается в том, что полуводный гипс растворяется в воде почти в 4 раза лучше, чем двуводный (растворимость соответственно 8 и 2 г/л в пересчете на CaSO4). При смешивании с водой полуводный гипс растворяется до образования насыщенного раствора и тут же гидратируется, образуя двугидрат, по отношению к которому раствор оказывается пересыщенным. Кристаллы двуводного гипса выпадают в осадок, а полуводный вновь начинает растворяться и т. д. В дальнейшем процесс может идти по пути непосредственной гидратации гипса в твердой фазе.

Конечной стадией твердения, заканчивающегося через 1...2 ч, является образование кристаллического сростка из достаточно крупных кристаллов двуводного гипса. Часть объема этого сростка занимает вода (точнее, насыщенный раствор CaSO4 • 2Н2О в воде), не вступившая во взаимодействие с гипсом. Если высушить затвердевший гипс, то прочность его заметно (в 1,5...2 раза) повысится за счет дополнительной кристаллизации гипса из указанного выше раствора по местам контактов уже сформированных кристаллов. При повторном увлажнении процесс протекает в обратном порядке, и гипс теряет часть прочности.

7 химический состав магнезиальных вяжущих твердение

Известны два магнезиальных вяжущих вещества: каустический магнезит и каустический доломит. Каустическим магнезитом называется продукт, получаемый обжигом магнезита (МgСО3) с последующим его измельчением в тонкий порошок. Каустический доломит отличается от каустического магнезита тем, что сырьем для его изготовления служит не магнезит, а доломит «CaСО*МgСО3). Оба эти вяжущие вещества затворяют раствором хлористого магния, сернокислого магния или некоторых других солей.

Магнезиальный цемент является быстротвердеющим вяжущим. По СНиП (Строительные нормы и правила) марки каустического магнезита: 400, 500 и 600

агнезиальные вяжущие являются воздушными, слабо сопротивляющимися действию воды, которая вымывает из них растворимые соли (MgCI2 и др.). Их можно использовать только при твердении на воздухе с относительной влажностью менее 60%.

Если затворить каустический магнезит водой, то затвердевший материал будет обладать сравнительно невысокой прочностью, тогда как при затворении раствором хлористого магния или сернокислого магния получится высокопрочное вяжущее вещество.

В качестве затворителей для магнезиальных вяжущих могут применяться также растворы хлористого или сернокислого железа, хлористого цинка, рапы (отходы при извлечении брома из морских озер), искусственного карналлита.

Процесс твердения каустического магнезита заключается по А. А. Байкову в гидратации окиси магния в растворе MgCI2.

В. В. Шелягин считает, что наряду с образованием гидрата окиси магния происходит взаимодействие между окисью магния и хлористым магнием с образованием окись магния 3MgO* MgCI2 *6Н2О, который в отличие от гидрата окиси магния легко разлагается водой. В настоящее время можно считать установленным, что при твердении каустического магнезита образуются в основном два соединения: гидрат окиси магния и оксихлорид магния.

При затворении каустического магнезита раствором хлористого магния часть окиси магния растворяется до образования насыщенного по отношению к MgO и пересыщенного по отношению к Mg(ОН)2 раствора, из которого выделяется гидрат окиси магния.

8 химический и минеральный состав гидравлической воздушной извести Гидравлическую известь получают умеренным обжигом (т.е. не до спекания) мергелистых известняков, содержащих 6...20% глины. В процессе обжига образуются силикаты, алюминаты и ферриты кальция, придающие извести гидравлические свойства. Поскольку в продукте содержится значительная часть СаО и MgO, способных только к воздушному твердению, гидравлическая известь сочетает в себе свойства как воздушного), так и гидравлического вяжущего. Поэтому изделия из гидравлической извести должны некоторое время (1...2 недели) твердеть на воздухе. Лишь после этого возможно их дальнейшее твердение в воде.

Прочность гидравлической извести после комбинированного твердения (7 сут на воздухе и 21 сут в воде) составляет 2...5 МПа. Это выше, чем у воздушной извести, но все же гидравлическая известь значительно уступает по прочности современным цементам. Основное назначение ее — изготовление строительных растворов низких марок.

Для твердения гидравлической извести вначале необходимы, как н для воздушной извести, воздушно-сухие условия, а затем — влажные, чтобы обеспечить гидратацию силикатов, алюминатов и ферритов кальция. Чем больше в извести свободного оксида кальция, тем более продолжительным должно быть начальное твердение в воздушной среде (обычно 7...15 сут).

Различают слабогидравлическую (гидравлический модуль 4,5......9,0) и сильногидравлическую (модуль 1,7...4,5) известь. Прочность при сжатии растворов должна быть не менее 1,7 МПа — для слабогидравлической извести и не менее 5 МПа — для сильногидравлической.

Романцемент является особой разновидностью сильногидравлической извести с модулем основности меньше 1,7. Романцемент получают обжигом при 1000...1100 °С мергелей, в которых глинистых примесей больше 25 %, с последующим помолом в тонкий порошок. Романцемент почти целиком состоит из низкоосновных силикатов, алюминатов и ферритов кальция и не способен гаситься. Марки ро-ыанцемента 25, 50 и 100 (2,5...10 МПа).

Гидравлическую известь и романцемент применяют для изготовления штукатурных и кладочных растворов, в том числе во влажных условиях, бетонах низких марок, смешанных вяжущих и т. п., что позволяет экономить энергоемкий и дорогой портландцемент.

9 химический и минеральный состав портландцемента

велись поиски более совершенного вяжущего вещества. Практически одновременно (1824— 1825) независимо друг от друга Егор Челиев в России и Джозеф Аспдин в Англии путем высокотемпературного обжига до спекания смеси известняков и глины получили вяжущее, обладающее большей водостойкостью и прочностью.

Портландцемент — гидравлическое вяжущее, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера и небольшого количества гипса (1,5...3 %). Клинкер получают обжигом до спекания сырьевой смеси, обеспечивающей в портландцементе преобладание силикатов кальция. К клинкеру для замедления схватывания цемента добавляют гипс. Для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости портландцемента допускается введение минеральных добавок.

Соотношение компонентов сырьевой смеси выбирают с таким расчетом, чтобы полученный при обжиге клинкер имел следующий химический состав (%): СаО — 62...68, SiO2 — 18..26, А12О3 — 4...9, Fe2O3 — 2...6

Как видно из таблицы, портландцементный клинкер в основном (на 60...80%) состоит из силикатов кальция, из-за чего портландцемент также называют силикатным цементом.

Для получения портландцемента клинкер размалывают в трубных или шаровых мельницах с гипсом и другими добавками. Свойства портландцемента зависят от его минерального состава и тонкости помола клинкера.

10 Твердение портландцемента

При смешивании с водой частицы портландцемента начинают растворяться, причем одновременно может происходить гидролиз (разложение водой) и гидратация (присоединение воды) продуктов растворения с образованием гидратных соединений.

По этой схеме (гидролиз и гидратация) взаимодействуют с водой главные компоненты клинкера алит C3S и белит C2S:

2(ЗСаО • SiO2) + 6Н2О → ЗСаО • SiO2 • ЗН2О + ЗСа(ОН)2

2(2СаО• SiO2) + 4Н2О→ ЗСаО • SiO2 • ЗН2О + Са(ОН)2

Основной продукт твердения портландцемента — гидросиликаты кальция — практически нерастворимы в воде. Они выпадают из раствора сначала в виде геля (жесткого студня). Этот гель пронизывают, укрепляя его, кристаллы Са(ОН)2. Гель гидросиликатов кальция со временем кристаллизуется. Остальные продукты взаимодействия клинкера с водой также участвуют в формировании структуры цементного камня и, естественно, влияют на его свойства.

Процесс гидратации зерен портландцемента из-за малой их растворимости растягивается на длительное время (месяцы и годы). Чтобы этот процесс мог протекать, необходимо постоянное присутствие воды в твердеющем материале. Однако нарастание прочности со временем замедляется. Поэтому качество цемента принято оценивать по прочности, набираемой им в первые 28 суток твердения.

11 химическая стойкость цемента в агрессивных средах

Самым нестойким компонентом бетона является цементный камень, как наиболее химически активный и вследствие этого подверженный опасности разрушения в результате химического действия агрессивной окружающей среды.

При соединении цемента с водой происходят процессы гидролиза и гидратации минералов цементного клинкера, в результате чего образуются сложные гидратированные соединения.

В период эксплуатации сооружений возможна так называемая коррозия выщелачивания. Степень опасности процессов выщелачивания определяется прежде всего условиями взаимодействия бетона и воды. Наиболее опасна фильтрация воды через тело бетона под напором. При этом известь и гипс выщелачиваются из бетона, а затем растворяются с разложением на гидросиликаты и гидроалюминаты кальция.

В ряде случаев конструкции и сооружения находятся под воздействием природных1 или промышленных вод с повышенной кислотностью.

Степень кислотности воды характеризуется водородным показателем рН. Считается, что кислотность раствора тем больше, чем больше кислоты диссоциирует на ионы. Кислотность раствора поИнтенсивную коррозию в бетонных и железобетонных конструкциях может вызывать вода, содержащая сернокислые соли. К наиболее распространенным в природных водах сернокислым солям, которые называются сульфатами, относятся сернокислый кальций (гипс), сернокислый натрий и сернокислый магний.

При обычной температуре водные растворы этих солей имеют различную растворимость, поэтому они по-разному взаимодействуют с компонентами цементного камня в бетоне. Продукты реакции каждой из этих солей получаются также различные.вышается и с увеличением концентрации кислоты.

Одновременное увеличение тонкости помола и количества гипса значительно повышает стойкость цементного камня к действию растворов сульфатов, при этом обязательным является совместный тонкий помол цемента и гипса.

Таким образом, в случае действия сульфатов бетон разрушается тем интенсивнее, чем больше его пористость и проницаемость.

Разрушение бетона возможно из-за накопления в его порах солей, кристаллизации их и дальнейшего перехода этих солей из безводной или маловодной формы в кристаллогидраты с высоким содержанием воды.

Коррозия арматуры может возникнуть в результате карбонизации извести в бетоне защитного слоя. Это происходит в результате воздействия углекислоты, содержащейся в воздухе, которая нейтрализует известь цементного камня и приводит к потере щелочности. Процесс карбонизации ускоряется при наличии в защитном слое трещин и недостаточной плотности бетона.

Один из основных путей повышения долговечности бетонных конструкций при воздействии различных агрессивных сред — создание плотного бетона.

Одним из радикальных средстз защиты конструкций от воздействия агрессивных сред является применение различного вида покрытий [68]. Покрытия, нанесенные после распалубки на поверхность конструкции, способствуют нормальному процессу твердения бетона и в значительной степени предупреждают появление и развитие усадочных трещин.

12 химический состав стекла

В состав стекла входят разнообразные химические элементы. Основными составными частями стекла являются: кислотные окислы — кремнезем SiО2 борный ангидрид В2О3, фосфорный ангидрид Р2О5 и др.; щелочные окислы — окись натрия Na2О, калия К2О и др.; щелочноземельные окислы — кальция СаО, магния MgO. В состав стекла вводят также окись алюминия А12Оз, свинца РbО, Рbз04, соединения титана, фтора, лантана, циркония и другие соединения, которые придают ему особые свойства.

Состав стекла зависит от его назначения и особенностей выработки. Стекла получают названия по главным стеклообразующим окислам или по химическим элементам, входящим в их состав.

Различают силикатное стекло (73—75% кремнезема); кварцевое, состоящее почти полностью из кремнезема; боратное, содержащее борный ангидрид; бороси-ликатное — кремнезем и борный ангидрид, фосфатное, содержащее фосфорный ангидрид.

Наиболее распространены силикатные стекла, которые подразделяют на обычные, или базисные, жаростойкие, хрустальные и цветные.

Обычные стекла — известково-натриевое, известково-калиевое, известково-натриево-калиевое.

Известково-натриевое (содовое), или натрий-кальций-магний-силикатное, стекло применяют для выработки оконных стекол, стеклотары, столовой посуды.

Известково-калиевое (поташное), или калий-кальций-магний-силикатное, стекло обладает более высокой термостойкостью, повышенным блеском и прозрачностью; используется для выработки высококачественной посуды.

Известково-натриево-калиевое (содово-поташное), или натрий-калий-кальций-магний-силикатное, стекло имеет повышенную химическую стойкость, благодаря смешению окислов натрия и калия; наиболее распространено в производстве посуды.

Жаростойкие стекла применяют для изготовления изделий, эксплуатируемых в особых условиях. К ним относятся боросиликаТное, лабораторное стекло и си-таллы.

Боросиликатное стекло имеет высококремнеземистый, малощелочный состав с содержанием 6—18% В2О3. Выдерживает разность температур 150—220°С; отличается повышенной механической прочностью. Из боросиликатного стекла изготовляют жаростойкую кухонную посуду (кастрюли, жаровни, сковороды, формы для запекания и др.).

Хрустальные стекла (хрусталь) — высокосортные стекла, обладающие особым блеском и способностью сильно преломлять свет. Различают свинцовосодержа-щие и бессвинцовые хрустальные стекла.

14 химический состав древесины

Как и любое органическое вещество древесина имеет свой химический состав. Древесина (полностью сухая) имеет следующий химический состав: кислород — 44,2%, углерод - 49,5% и водород - 6,3%. Соответственно из этих химических элементов состоят сложные органические вещества, которые входят в состав клеточной ткани древесины, — лигнин, гемицеллюлоза, целлюлоза, которые составляют 90-96% массы абсолютно сухой древесины. Остальные 4-10% остаются на экстрактивные вещества, которые извлекаюися из древесины различными растворителями. Главные из них — дубильные вещества и смолы. Кроме этого, в древесине содержится 0,3-1,8% массы неорганических веществ, которые вырабатываются из золы после сжигания древесины. Это соли калия, кальция, магния, натрия. Стволовая древесина дает меньше золы чем листья и кора.

Целлюлозу из древесины получают путем отделения ее от лигнина и гемицеллюлозы. Процесс отделения целлюлозы от этих веществ основан на ее высокой стойкости к химическим соединениям и в частности к растворам кислот и щелочей, в которых менее стойкие лигнин и гемицеллюлоза переходят в раствор. Древесную же щепу варят в котлах в щелочной (сульфатный способ) или кислотной (сульфитный способ) среде при высокой (130-180°С) температуре и высоком (0,6-1,1МПа) давлении. После нескольких часов варки целлюлозу промывают, очищают, отбеливают. Целлюлоза является исходным материалом для производства ваты, бумаги, искусственных мехов, искусственных волокон (вискозный шелк, штапель) и кожи, фото- и кинопленок, целлофана, лаков, пластмасс, пороха и других материалов.

Лигнин и гемицеллюлозу, перешедшие в раствор при варке, после дальнейшей гидролизной и химической переработки используют для получения кормовых дрожжей, этилового спирта, углекислоты, ванилина, сухого льда, фурфурола. Этиловый спирт является первичным сырьем для получения уксуса, искусственного каучука, эфира.

Смола, находящаяся в стволе хвойных пород, имеет слабую связь с тканью древесины, благодаря этому свойству она сравнительно легко извлекается. Извлечение смолы выполняют либо экстракцией сильно осмоленной древесины, либо подсочкой растущего дерева. При экстракционной переработке древесины смолистые вещества сначала растворяют в бензине, а затем полученный экстракт разгоняют на канифоль и скипидар. При подсочке делают поверхностные раны на стволе живого дерева, из которых вытекает смола — живица. В результате переработки живицы получают канифоль и скипидар.

Канифоль используется для изготовления лаков, получения мыла, красок, эфиров, линолеума, а также применяют во многих отраслях (кожевенной, кабельной, резиновой, нефтяной) промышленности. Скипидар используют в медицине, применяют как растворитель для лаков и красок, а также как сырье для производства других продуктов.

Дубильные вещества (танниды) - получают из измельченной коры и древесины экстрагированием горячей водой. Дубильные вещества используют в кожевенной промышленности для дубления кож, придавая ей гибкость, мягкость, стойкость к гниению и набуханию. Танниды можно растворить в спирте и воде при соединении с солями различных металлов в результате чего получить красители различных оттенков от светло-желтых до иссиня-черных, применяемых для глубокого крашения древесины.

15 химический состав битумов

Битумы относятся к наиболее распространенным органическим вяжущим веществам.

Элементарный состав битумов колеблется в пределах: углерода 70 — 80%, водорода 10 — 15%, серы 2 — 9%, кислорода 1 — 5%, азота 0 — 2%. Эти элементы находятся в битуме в виде углеводородов и их соединений с серой, кислородом и азотом. Химический состав битумов весьма сложен. Так, в них могут находиться предельные углеводороды от С9Н20 до С30Н62. Все многообразные соединения, образующие битум, можно свести в три группы: твердая часть, смолы и масла.

Твердая часть битума — это высокомолекулярные углеводороды и их производные с молекулярной массой 1000–5000, плотностью более 1, объединенные общим названием асфальтены». В асфальтенах содержатся карбены, растворимые только в СCl4, и карбоиды, не растворимые в маслах и летучих растворителях. В состав битумов могут входить также твердые углеводороды — парафины.

Смолы представляют собой аморфные вещества темно-коричневого цвета с молекулярной массой 500–1000, плотностью около 1.

Масляные фракции битумов состоят из различных углеводородов с молекулярной массой 100–500, плотностью менее 1.

По своему строению битум представляет коллоидную систему, в которой диспергированы асфальтены, а дисперсионной средой являются смолы и масла. Асфальтены битума, диспергированные в виде частиц размером 18–20 мкм, являются ядрами, каждое из них окружено оболочкой убывающей плотности — от тяжелых смол к маслам.

16 химический состав дёгтей

Дегти — органические вяжущие вещества вязкой или жидкой консистенции, получаемые как побочный продукт при сухой (дест-, руктивной, без доступа воздуха) перегонке твердых топлив (каменного или бурого угля, торфа, сланцев, древесины). Наибольшим распространением в строительстве пользуются каменноугольные дегтевые вяжущие вещества. Широко применяют также и сланцевые дегти, называемые сланцевыми битумами. Ниже рассмотрены технологии каменноугольных и сланцевых дегтей

Элементарный состав колеблется в довольно широких пределах, что является характерной особенностью дегтя: углевода 55—80%, водорода 6—10%, кислорода 7—-35%, серы 1,2—11%, азота 0,2—4,5%. Групповой состав,%: масла 46—60, смолы 18—27, асфальтены 12—30.

Сырой деготь содержит большое количество легколетучих и кристаллических, а также токсичных и окисляемых веществ, что приводит к резкому ухудшению его свойств во времени (старению).

17 химический состав полимерных материалов

Полимерными материалами или полимерами называются высокомолекулярные химические соединения, состоящие из многочисленных маломолекулярных звеньев (мономеров) одинакового строения. Чаще всего для получения полимеров применяют следующие мономеры: этилен, винилхлорид, винилацетат, винилденхлорид, тетрафторэтилен, пропилен, метилметакрилат, стирол, мочевину, фенол, меламин, формальдегид.

Особенностью молекул полимеров является их большая молекулярная масса (М > 5•103). Соединения с меньшей молекулярной массой (М = 500 – 5000) называются олигомерами, у низкомолекулярных соединений М < 500.

Различают природные и синтетические полимеры. К полимерам, встречающимся в природе, относятся натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, шерсть и т. д. Однако ведущее место занимают синтетические полимеры, получаемые в процессе химического синтеза из низкомолекулярных соединений.

В зависимости от способа образования высокомолекулярных синтетических соединений различают полимеры, получаемые либо в процессе поликонденсации, либо в результате реакции присоединения.

По составу все полимеры делятся на органические, элементоорганические и неорганические. Органические полимеры, составляющие наиболее обширную группу соединений, состоят из атомов углерода, водорода, кислорода, азота, серы и галогенов. Элементоорганические соединения содержат в составе основной цепи, кроме перечисленных, атомы кремния, титана, алюминия и других элементов, сочетающихся с органическими радикалами. В природе таких соединений нет. Это чисто синтетические полимеры. Их характерными представителями являются кремнийорганические соединения, основная цепь которых построена из атомов кремния и кислорода. Неорганические полимеры (силикатное стекло, керамика, слюда, асбест и др.) не содержат атомов углерода. Основой их являются оксиды кремния, алюминия, магния и др.

Для получения материалов с заданными свойствами в технике часто используют не сами полимеры, а их сочетания с другими материалами как органического, так и неорганического происхождения (металлопласты, пластмассы, полимербетоны, стеклопластики и др.).

Своеобразие свойств полимеров обусловлено их структурой. Различают следующие типы полимерных структур: линейную, линейно-разветвленную, лестничную и пространственную с громоздкими молекулярными группами и специфическими геометрическими построениями

18 влияние хим состава и структуры на свойства полимеров

Полимеры с линейной структурой представляют собой длинные зигзагообразные или закрученные в спираль цепочки (рисунок 15.1, а). Их макромолекулы характеризуются повторениями вдоль цепи одной и той же структурной группы – звена или химической единицы цепи. Для полимеров с линейной структурой существенно наличие достаточно длинных макромолекул с резким различием характера связи вдоль цепи и между цепями (химические и межмолекулярные связи). Для макромолекул полимеров с линейной структурой характерна высокая гибкость. Гибкость – основное свойство полимерных цепей, приводящее к качественно новым свойствам: высокой эластичности и отсутствию хрупкости в твердом состоянии. Полимеры с линейно-разветвленной структурой помимо основной цепи имеют боковые ответвления (рисунок 15.1, б). К типичным полимерам с линейной структурой относится полиэтилен, с линейно-разветвленной – полиизобутилен и полипропилен.

Молекула полимера с лестничной структурой (рисунок 15.1, в) состоит из двух цепей, соединенных химическими связями. Полимеры с лестничной структурой, к которым относятся, например, кремнийорганические полимеры, характеризуются повышенной термостойкостью, жесткостью, они нерастворимы в органических растворителях.

Полимеры с пространственной структурой (рисунок 15.1, г) образуют при соединении макромолекул между собой в поперечном направлении прочные химические связи. В результате такого соединения макромолекул образуется сетчатая структура с различной густотой сетки или пространственная сетчатая структура. Полимеры с пространственной структурой обладают большей жесткостью и теплостойкостью, чем полимеры с линейной структурой. Полимеры с пространственной структурой являются основой конструкционных неметаллических материалов.

В зависимости от химического состава, строения и взаимного расположения макромолекул свойства полимеров могут меняться в очень широких пределах. Так, 1,4-цис-полибутадиен, построенный из гибких углеводородных цепей, при температуре около 20°С — эластичный материал, при температуре -60°С он переходит в стеклообразное состояние; полиметилметакрилат, построенный из более жестких цепей, при температуре около 20°С — твердый стеклообразный продукт, переходящий в высокоэластическое состояние лишь при 100°С. Целлюлоза — полимер с очень жесткими цепями, соединенными межмолекулярными водородными связями, вообще не может существовать в высокоэластическое состоянии до температуры ее разложения. Большие различия в свойствах полимеров могут наблюдаться даже в том случае, если различия в строении макромолекул на первый взгляд и невелики. Так, стереорегулярный полистирол — кристаллическое вещество с температурой плавления около 235°С, а нестереорегулярный (атактический) вообще не способен кристаллизоваться и размягчается при температуре около 80°С.

Дата добавления: 2015-11-04