Ситаллы

Ситаллы представляют собой стеклокристаллические (микрокристаллические) материалы, получаемые путем направленной (катализированной) кристаллизации стекол специальных составов, протекающей в объеме заранее отформованного изделия. Ситаллы состоят из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределенных в стекловидной фазе.

Ситаллы — это относительно новые силикатные материалы (60-х года XX столетия), обладающие высокой термической, коррозионной стойкостью и механической прочностью. Ситаллы получаются из стекла полной или частичной его кристаллизацией, шлакоситаллы — из металлургических шла­ков в жидкотекучем состоянии с добавкой катализаторов. Термин предложен И.И. Ки­тайгородским и происходит от сочетания слов «стекло (сили­кат)» и «кристалл». От стекла ситаллы отличаются минералогическим составом и микрокристалли­ческим строением.

Главная особенность ситаллов - тонкозернистая равномерная стеклокристаллическая структура, обусловливающая сочетание высокой твердости и механической прочности с отличными электроизоляционными свойствами, высокой температурой размягчения, хорошей термической и химической стойкостью.

Ситаллы имеют мелкокристаллическую структуру с разме­рами кристаллов менее 1 мкм. Содержание кристаллической фазы в них достигает 96%, а аморфной фазы не более 50%.

Состав ситаллов весьма разнообразен: наиболее распростра­нены литиевые ситаллы Li₂O—Аl₂Оз—SiO₂, отличающиеся вы­сокой термостойкостью и малым коэффициентом термического расширения; магниевые ситаллы МgО—Аl₂Оз—SiO₂, обладаю­щие, помимо этих свойств, оптической и радиопрозрачностью, кальциевые, цинковые, кадмиевые и марганцевые ситаллы со­става: Ме—Аl₂Оз—SiO₂, где Ме = Са, Zn, Сd, Мn, характеризую­щиеся высокой диэлектрической постоянной, термостойкостью и прозрачностью для видимого и инфракрасного излучения.

Сырьем для производства ситаллов служат горные породы, металлургические и топливные шлаки, отходы стекольного произ­водства. Кристаллизация стекла в производстве ситаллов осу­ществляется из расплавленной стекломассы определенного хими­ческого состава, в которой для создания центров кристаллизации присутствуют катализаторы. Катализаторами кристал­лизации служат металлы (Аg, Аu, Сu, Рt) в коллоидно-дисперсном состоянии, которые выделяются в стекле в результате облучения изделий радиацией (фотоситаллы), а также фториды и фосфаты ще­лочных и щелочноземельных металлов, двуокись титана и другие (термоситаллы). В результате такой термообработки получаются из­делия кристаллического строения (до 95% кристаллической фазы).

Из этой массы получают изделия, ко­торые находятся при охлаждении в стеклообразном состоянии.

При повторном их нагревании до температуры стеклования (400-600° С) в стекле возникают зародыши кристаллизации (кристаллы катализатора); зародыши растут до определенных размеров, обра­зуя центры кристаллизации для других фаз, выделяющихся при дальнейшем нагревании изделий. Термическую обработку проводят в две стадии при 500-700 и 900-1000° С.

Ситаллы имеют высокую температуру размягчения 900—1000° С. Для них характерны высокая (до 1450°С) темпера­тура плавления, малая пористость и газонепроницаемость, хи­мическая и термическая стойкость. Ситаллы стойки в щелочах, во всех кислотах, кроме плавиковой. Такие материалы устойчивы к действию смеси азотной и серной кислот при температурах до 300° С.

Для ситаллов характерна высокая твердость и меха­ническая прочность. По механическим свойствам ситаллы превосходят сталь, уступая ей лишь в отношении ударной вязкости, по которой некоторые образцы («пирокам») девять раз превосходят стекла, имеют ма­лый коэффициент термического расширения, износоустойчивость и выдерживают резкие колебания тем­ператур (до 1000° С).

Ситаллы имеют низкие диэлектрические потери при высоких частотах и температурах, высокую диэлектрическую постоянную при высоких частотах, поэтому применяются для изготовления изоляторов. Из ситаллов изготовляют обтекатели управляемых снарядов, трубы диаметром от 3 до 100 мм,подшипники, работаю­щие без смазки при 540° С; поршни и цилиндры двигателей внутрен­него сгорания, футеровку мельниц, резцы, буры и т. п.

Ситаллы и шлакоситаллы приме­няют для изготовления строитель­ных деталей (плитки, ступени, по­доконники), труб, подшипников, работающих без смазки до 500°С, поршней и цилиндров двигателей внутреннего сгорания, режущих элементов буров, обкладки шаро­вых мельниц, обтекателей ракет.

Прозрачная посуда предназначена для микроволновых печей, непрозрачная - для любых нагревателей. ИК-прозрачный цветной ситалл для тонкостенных настилов (панелей) электропечей с различными типами нагревателей, поддонов для микроволновых печей, смотровых окон бытовых каминов обладает высокой термостойкостью, низкой тепловой инертностью, высокой химической стойкостью.

В ситаллах, изготовленных из светочувствительных стекол, получают непрозрачные белые или цветные трехмерные изображения. Различная растворимость кристаллической и прозрачной стекловидной фаз открывает возможности получения выпуклого изображения и производства из фотоситаллов технических изделий с сеткой прецизионно выполненных отверстий любого сечения.

Термическая устойчивость ситаллов обеспечивается очень небольшими, а иногда и коэффициентом термического расширения. Оптическое кварцевое стекло может быть заменено прозрачными ситаллами, которые имеют перед ним то преимущество, что в силу малых коэффициентов теплового расширения оно не чувствительно к тепловым ударам.

Фотоситаллы получают их стекол литиевой системы с добавлением специальных коллоидных красителей. Фотохимический процесс протекает при облучении стекла ультрафиолетом или рентгеновскими лучами, при этом внешний вид стекла не изменяется. Фотоситаллы используются для получения фотоизображения. Их разрешающая способность гораздо выше фотоэмульсий.

Шлакоситаллы, разработанные в СССР под руководством проф. И. И. Китайгородского, могут широко использоваться в машино­строении, приборостроении, строительстве.

Вяжущие вещества

Вяжущими называют порошкообразные минеральные ве­щества, образующие при смешении с водой (затворении) пластичную, удобную для формования массу, которая со временем затвердевает в прочное, камневидное тело. По основному назначению и свойствам вяжущие вещества делятся на три группы: воздушные, способные твердеть и сохранять прочность только на воздухе, гидравлические, способные твердеть и сохранять прочность также и в воде, и кисло­тоупорные, которые после твердения устойчивы к действию мине­ральных кислот.

В зависимости от состава и свойств вяжущие вещества подразде­ляются на три группы (Рис. 8.1..)

Рис. 8.1. Классификация вяжущих веществ.

Воздушными вяжущими материалами называются матери­алы, которые после затворения водой твердеют и длительное время сохраняют прочность только на воздухе.

Гидравлически­ми вяжущими материалами называются материалы, которые после затворения водой и предварительного затвердевания на воздухе продолжают твердеть в воде.

К кислотостойким вяжущим материалам относятся такие, которые после затвердевания на воздухе сохраняют прочность при воздействии на них минеральных кислот. Это достигается тем, что для их затворения используют водные растворы силиката натрия, а в массу материала вводят кислотостойкие наполнители (диабаз, андезит и др.).

Сырьем для производства силикатных материалов, исполь­зуемых в качестве вяжущих, служат природные минералы - гипсовый камень, известняк, мел, глины, кварцевый песок, а также промышленные отходы - металлургические шлаки, ога­рок колчедана, шламы переработки нефелина.

К воздушным вяжущим веществам относятся воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие материалы.

Воздушная известь получается обжигом известняка в известково-обжигательных печах.

Различают следующие виды строительной воздушной извести:

· негашеная комовая известь-кипелка, состоящая главным обра­зом из СаО, представляет собой пористые куски белого или серого цвета;

· негашеная молотая известь - измельченная комовая известь;

· гидратная известь-пушонка - тонкий порошок, полу­чаемый гашением комовой извести определенным количеством воды и состоящий в основном из Са(ОН)₂;

· известковое тесто - мате­риал пластичной консистенции, получаемый гашением комовой из­вести избытком воды и состоящий главным образом из Са(ОН)₂ и воды. Гашение извести сопровождается выделением большого ко­личества тепла.

Схватывание гашеной извести — длительный процесс, так как образующаяся на поверхности частиц корка СаСО₃ затрудняет диффузию воздуха в глубь массы и выделение из нее воды.

Воздушная известь применяется для каменной кладки, для шту­катурных работ, в производстве кирпича, блоков, плит, в качестве вяжущего материала.

Гипсовые вяжущие вещества. Эти вещества получают из при­родного двуводного гипса СаSO₄*2 Н_аО, природного ангидрита СаSО₄ или из промышленных отходов, содержащих сульфат кальция.

Гипсовые вяжущие вещества подразделяются на две группы: первая группа - низкообжиговые гипсовые вещества, получаемые при обжиге двуводного гипса при низких температурах (150-200° С).

Представителем низкообжигового материала является строи­тельный или полуводный гипс СаS0₄-0,5Н₂О. Строительный гипс применяется для изготовления строитель­ных деталей, для штукатурных работ, отливки форм в производстве керамических изделий; в медицине его используют для наложения гипсовых повязок, зубоврачевания и пр. Из строительного гипса вместе с асбестом изготовляют теплоизоляционные материалы.

Вторая группа - высокообжиговые материалы, полу­чаются в процессе обжига природного гипса при высоких температурах (600—700° С). В этих условиях происходит полное обезво­живание.

К высокообжиговым вяжущим материалам относится ангид­ритовый цемент и высокообжиговый гипс. Для получения ангидритового цемента обжиг производится при 600 - 700° С. Об­разовавшийся ангидрит измельчается в тонкодисперсный порошок, смешивается с некоторыми минеральными веществами, например из­вестью, сульфатом или бисульфатом натрия и другими, ускоряю­щими схватывание цемента, так как ангидрит почти не схватывается.

Ангидритовый цемент используется для приготовления строи­тельных растворов в смеси с песком или со шлаком, для изготов­ления теплобетонных блоков, обыкновенного бетона низких марок и др.

Высокообжиговый гипс получается обжигом природного гипса или природного ангидрита при 800—1000° С.

Обожженный материал, содержащий СаО и СаSО₄, затем тонко из­мельчают. Схватывание высокообжигового гипса происходит вслед­ствие превращения СаО в гидроокись, а затем в карбонат кальция и СаSО₄. Высокообжиговый гипс характеризуется высокой сопро­тивляемостью истиранию. Его используют для изготовления бесшов­ных полов, кладочных и штукатурных растворов и бетонов для под­земных сооружений, а также для изготовления искусственного мра­мора и различных строительных деталей.

Среди гипсовых вяжущих веществ наиболее распространено производство и применение низкообжиговых материалов, в частности строительного гипса.

К магнезиальным вяжущим веществам относятся каустический магнезит Мg0 и каустический доломит, содержащий наряду с МgО неразложившийся СаС0₃ и небольшое количество СаО. Они получаются обжигом магнезита МgСО₃ или доломита СаСО₃*МgС0₃ в шахтных или вращающихся печах при 800 - 850° С.

Обожженный материал измельчается в шаровой мельнице и затворяется в отличие от других вяжущих веществ не водой, а раствором хлористого магния, так как при затворении водой об­разуется медленно схватывающийся материал малой прочности. Магнезиальные вяжущие вещества хорошо связывают добавляемые к ним наполнители. На основе этих вяжущих веществ изготовляются ксилолит, фибролит, искусственные жерновые камни, точильные круги и др.

Ксилолит — спрессованная масса, состоящая из древесных опилок и магнезиального цемента; используется для настила по­лов, изготовления лестничных ступеней, подоконников и т. п., а также в качестве тепловой изоляции.

Фибролит — строительный тепло- и звукоизоляционный ма­териал. Получается прессованием смеси древесных стружек с магнезиальным цементом и последующей сушкой спрессованного материа­ла.

Гидравлические вяжущие вещества. К этому классу веществ относятся: гидравлическая известь, портланд-цемент, пуццолановые цементы, шлаковые цементы, глино­земистый цемент и др.— гидравлические вяжущие вещества.

Гидравлическая известь - вяжущее вещество, получаемое не доводимым до спекания обжигом мергелистых извест­няков при 900 - 1100° С. Применяются известняки, содержащие от 6 до 20% глинистых веществ. Обжиг производится в шахтных печах непрерывного действия.

В зависимости от соотношения между основными и кислотными окислами изменяются свойства гидравлической извести

При добавлении к гидравлической извести воды образуется тесто, которое начинает твердеть на воздухе и продолжает твердеть под во­дой без доступа воздуха. Чем больше величина гидравлического мо­дуля (Отношение воды к извести), тем быстрее и полнее гасится гидравлическая известь. Гид­равлическая известь применяется главным образом для кладки фундаментов и других частей небольших сооружений как подвергающихся, так и не подвергающихся действию воды.

Портландцемент - (гидравлический цемент)называ­ется гидравлический вяжущий материал, состоящий из сили­катов, и алюмосиликатов кальция различного состава.

Основ­ными компонентами портланд-цемента являются следующие соединения:

- алит (трикальцийсиликат) ЗСаО * SiO₂,

- белит (дикальцийсиликат) 2СаО * SiO₂

- трикалъцийалюминат ЗСаО • А1₂Оз.

Помимо этих соединений в портланд-цементе содержатся примеси трикальцийалюмоферрита ЗСаО • А1₂Оз • Fе₂Оз, окси­дов кальция и магния.

Характеристиками портланд-цемента являются «марка» и «модуль».

Маркой цемента называется предел прочности на сжатие об­разца цемента после затвердевания его в течение двадцати вось­ми суток, выражаемый в кг/см². Чем больше марка цемента, тем выше его качество. Существуют марки 400, 500 и 600.

Модулем цемента называется показатель, выражающий со­отношение между оксидами в нем. Различают три вида моду­лей цемента.

Силикатный (кремнеземный) модуль - отношение содер­жания оксида кремния к суммарному содержанию оксидов алюминия и железа (1,7 – 3,5).

Глиноземный модуль - отношение содержания оксида алюминия к со-держанию оксида железа (1- 2,5).

Гидравличесий модуль - отношение содержания основ­ного оксида кальция к суммарному содержанию кислотных ок­сидов кремния, алюминия и железа.

Сырье для производства портланд-цемента: различные виды известковых пород, большей частью известняк, мел, доломит и глина, а также мергели, пред­ставляющие собой однородную смесь тончайших частиц извест­няка и глины.

Производство портланд-цемента включает приготовление сырье­вой смеси, ее обжиг и измельчение обожженного продукта. Произ­водство портланд-цемента осуществляют двумя способами: мокрым и сухим, различающимися приготовлением сырьевой смеси.

Наибольшее распространение получил мокрый способ производ­ства, при котором легче получить однородную сырьевую смесь, обеспечивающую постоянство свойств выпускаемого продукта, а также наблюдается меньшее по сравнению с сухим способом пылеобразование. Недостаток мокрого способа заключается в том, что он требует большого расхода топлива.

По мокрому способу сырье измельчают и смешивают в присут­ствии большого количества воды. Образующаяся сметанообразная пульпа - шлам - содержит 32—45% воды.

Мокрый способ применяется для переработки мягких материа­лов с высокой влажностью, легко диспергируемых водой или имею­щих различный химический состав; в этом случае сырьевой смеси, подготовленной мокрым способом, легче придается однородность.

Требования к портланд-цементу определяют­ся областями его применения. Одним из важнейших качеств, харак­теризующих портланд-цемент, является прочность. В соответствии с ГОСТ 970—61 портланд-цемент делится по прочности на пять ма­рок: 300, 400, 500, 600 и 700, что означает предел прочности на сжа­тие (кг/см²)через 28 суток.

Начало схватывания портланд-цемента должно наступать не ранее чем через 45 мин, конец схватывания - не позднее чем через 12 чс момента затворения.

Портланд-цемент должен быть морозостойким, хорошо сцепляться со стальной арматурой, быть стабильным при хранении и т. п.

Для придания цементам тех или иных свойств и для их удешев­ления применяют различные добавки: гидравлические (активный кремнезем, трепел, диатомит, измельченные вулканиче­ские породы), повышающие их водостойкость и способствующие твер­дению под водой; пластифицирующие (поверхностно-активные вещества), повышающие эластичность; кислотостой­кие (андезит, бештаунит, гранит), придающие коррозионную стойкость; инертные (песок, известняк, доломит), удешевляющие портланд-цемент.

Кроме портланд-цемента промышленность выпускает шлаковый портланд цемент (введение шлаков снижает стоимость цемента), пуццолановый (пуццоланы – вулканическая порода)глиноземистые (быстротвердеющий, но дорогой).

Портланд-цемент применяют главным образом для бетонных и железобетонных конструкций в наземных, подземных и подвод­ных сооружениях. Этот цемент широко используется для изготов­ления различных сборных железобетонных деталей, асбоцементных материалов и ряда других строительных изделий.

Бетоном называется искусст­венный камень, получаемый при затвердевании затворенной водой смеси цемента, песка и заполнителя. В качестве запол­нителей используют:

· в обыкновенных бетонах - песок, гравий, щебень;

· в легких бетонах - различные пористые материалы (пем­за, шлак);

· в ячеистых бетонах - замкнутые поры, образующиеся при разложении вводимых в бетонную смесь газо- и пенообразова­телей;

· в огнеупорных бетонах - шамотовый порошок;

· в железобетоне - металлическая арматура.

Бетоны, широко используемые для различных сооружений, зна­чительно дешевле цементов и более надежны. Активными состав­ными частями бетонной смеси являются вяжущие вещества и вода, между которыми протекают реакции, обуславливающие твердение. Заполнители при обычных температурах не вступают в химическое взаимодействие с вяжущими веществами и водой.

Производимые бетоны можно разделить на несколько типов:

Обыкновенные бетоны имеют в качестве заполнителя песок и гравий или щебень.

Легкие бетоны имеют пористые заполнители: туф, пем­зу, шлаки, керамзит и др. Применяются в основном для стен зданий в виде камней, крупных блоков и панелей.

Ячеистые бетоны имеют замкнутые поры, получаются при введении в цементное тесто газообразователей и пенообразова­телей. Используются ячеистые бетоны для тепловой изоляции кон­струкций зданий, а также для строительства холодильников.

Огнеупорные,бетоны в качестве заполнителей имеют хромистый железняк, шамот и др. Они обладают высокой тер­моустойчивостью и применяются для футеровки печей, котлов и т. п.

Железобетон — это бетон, армированный сталью, железом (каркасы, трубы, стальные пруты и пр.) Железобетон имеет высокий предел прочности на растяжение, в то время как бетоны хо­рошо противостоят сжатию. Из железобетона сооружают трубы высотой 30 - 40 м и более, фермы для покрытия больших пролетов, колонны для цехов, фундаментные балки, изготовляют различные изделия для крупноблочного жилищного строительства и т. п.

Кислотоcтойкие вяжущие вещества. Эти вещества разделяются на кислотоупорные цементы и замазки.

Кислотоупорный цемент изготовляют смешением растворимого стекла -водный раствор силикатов щелочных метал­лов (К, Na)₂О*n SiO₂), - тонкоизмельченных кислотостойких на­полнителей (андезит, диабаз, кварц) и кремнефтористого натрия (Na₂SiF₆) без последующего обжига. Кислотоупорные цементы используются для футеровки химической аппаратуры. На основе кислотоупорного цемента получают кислотоупорные замазки.

Дата добавления: 2015-09-05