8.Выветривание природных каменных материалов. Защита природного камня от разрушения.

Каменные материалы в условиях службы в конструкциях и сооружениях могут подвергаться медленному разрушению. Этот процесс называют выветриванием. Основные причины разрушения каменных материалов в сооружениях:

-растворяющее действие воды, усиливающееся растворенными в ней газами (SO₂,CO₂ и др.);

-замерзание воды в порах и трещинах, сопровождающееся появлением в материале больших внутренних напряжений;

-резкое изменение температур, вызывающее появление на поверхности материала микротрещин.

Стойкость материалов против выветривания тем выше,чем больше их относительная плотность (меньше пористость) и чем меньше растворимость.

Все мероприятия по защите каменных материалов от выветривания направлены на повышение их поверхностной плотности и на предохранение от воздействия влаги.

Во избежание разрушения камня необходимо применять:

1.Конструктивные меры - устройство хорошего стока воды.

2.Механическую защиту – создание на поверхности материала непроницаемого слоя при помощи полировки, шлифовки.

3.Консервирование камня – пропитку верхнего слоя такими растворами, которые в дальнейшем затвердевают, заполняя поры материала нерастворимыми веществами. Сюда относятся:

-силикатирование – пропитка верхнего слоя камня жидким стеклом R₂O_mSiO₂;

-флюатирование – уплотнение поверхности материала путем пропитки ее солями кремнефтористоводородной кислоты, которая вступает в химическое взаимодействие с минералом камня. При этом растворимые вещества переходят в нерастворимое состояние.

Взаимодействие солей с минералами, образующими породы, можно выразить уравнением

2CaCo₃ + MgSiF₆ = 2CaF₂ + MgF₂ + SiO₂ + 2CO₂

В результате реакции в порах камня и на его поверхности выделяются нерастворимые вещества, состоящие из CaF₂, MgF₂,SiO₂,повышающие не только прочность и морозостойкость камня, но и стойкость его по отношению к воздействию химических факторов. Кроме флюата магниевой соли применяют также алюминиевый флюат. Водопоглащение камней, обработанных химическим способом, значительно понижается.

Породы, не содержащие карбонатов, обрабатываются методом аванфлюатирования – предварительного пропитывания раствором хлористого кальция, а после просушки – раствором соды.

Карбонат кальция образуется по реакции: CaCl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃ + 2NaCl

Последующее флюатирование, вызывая активную реакцию MgSiF₆ с карбонатом кальция, уплотняет поверхность камня. Реакция между гидратом окиси кальция и флюатом аналогична приведенной ранее.

Уплотнение поверхности камня достигается также последовательной пропиткой спиртовым раствором калийного мыла и уксуснокислого алюминия. В этом случае в порах камня отлагается алюминиевая соль жирной кислоты.

Гидрофобизация, т.е. пропитка пористого каменного материала гидрофобными (водоотталкивающими) составами, резко понижающими проникание влаги в материал, в частности путем капиллярного подсоса, также повышает стойкость материалов против выветривания.

9.Глины: условия образования, составы и основные свойства глин.

Глины - осадочные обломочные горные породы, способные с водой образовывать пластичное тесто, по высыхании сохраняющее приданную форму, а после обжига приобретающее просность и твердость камня. Глинистое вещество (с частицами меньше 0,005 мм) состоит преимущественно из каолинита Al₂O₃*2SiO₂*2H₂O и родственных ему минералов – монтмориллонита Al₂O₃*4SiO₂*nH₂O,галлуазита Al₂O₃*2SiO₂*4H₂O.

Глины бывают первичные (оставшиеся на месте образования) и вторичные (перенесенные)

В глинах могут быть примеси, снижающие температуру плавления: карбонат кальция, полевой шпат, Fe(OH)₃, Fe₂O₃.

Глины характеризуются 4 составами :

1)Минеральный (показывает из каких минералов состоит глина) - каолинит Al₂O₃*2SiO₂*2H₂O, монтмориллонит Al₂O₃*4SiO₂*nH₂O,галлуазит Al₂O₃*2SiO₂*4H₂O.

2)Химический (показывает из каких и в каком количестве оксидов состоит глина) – SiO₂-40-80%, Al₂O₃-10-40%, Fe₂O₃-до 10%,CaO+MgO – до 15%, Na₂O + K₂O – до 5%, TiO₂-до 3%.

3)Гранулометрический (показывает из размеров каких частиц состоит глина и в каком количестве)

1.глинистые (<0,005 мм)

2.пыль (от 0,005 до 0,15мм)

3.песок (>0,15 до 2мм)

4)Вещественный (показывает соотношения содержания глинистых субстанций и примесей)

Примеси: кварцевый песок, карбонаты, CaCO₃, MgCO₃,железосодержащие примеси(усложнение процессов обжига), растворимые соли(образование высолов), органические вещества (черная сердцевина).

Основные свойства глин:

1.пластичность глины – свойство во влажном состоянии принимать под влиянием внешнего воздействия желаемую форму без образования разрывов и трещин и сохранять полученную форму при последующей сушке и обжиге.

Уравнение Шведова-Бингама: Ф = τ₀/η – физический показатель пластичности (τ₀ – предельное напряжение сдвига, η- пластическая вязкость).

Тело не будет пластичным, если Ф = 0. Это возможно в 2ух случаях: 1- когда система текучая и τ₀ = 0, 2- когда тело хрупкое и η→∞. Кривые зависимости показателя Ф от влажности глины позволяют установить оптимальную влажность, при которой проявляется наибольшая пластичность.

Техническим показателем пластичности является число пластичности : Пл = W_т – W_р (где W_т и W_р - значения влажности, соответствующие пределу текучести и пределу раскатывания глиняного жгута,%)

Непластичные – Пл<3, малопластичные – Пл=3-7 – плохо формуются, умеренно пластичные – Пл=7-15 среднепластичные – Пл=15-25 а высокопластичные – Пл>25 – растрескиваются при сушке и требуют отощения.

2.Усадка – уменьшение линейных размеров и объема глиняного сырца при его сушке(воздушная усадка) и обжиге(огневая усадка) глин. Усадку выражают в % от первоначального размера изделия.

Для различных глин линейная воздушная усадка колеблется от 2-3 до 10-12% в зависимости от содержания тонких фракций. Для уменьшения усадочных напряжений к жирным глинам добавляют отощатели. Поверхностно-активные вещества(СДБ), введенные в глиняную массу в количестве 0,05-0,2%, улучшают смачивание частиц глины водой, позволяя сократить формовочную влажность и снизить воздушную усадку.

Огневая усадка получается из-за того, что в процессе обжига легкоплавкие составляющие глины расплавляются, и частицы глины в местах их контакта сближаются. Огневая усадка может составлять 2-8% в зависимости от вида глины. Полная усадка, равная алгебраической сумме воздушной и огневой усадок, колеблется от 5 до 18%.

3.Спекаемость глин – свойство уплотняться при обжиге и образовывать камнеподобный черепок.

С повышением температуры обжига возрастает степень спекания и уменьшается водопоглащение до точки, при температуре которой отмечаются признаки пережога – оплавление и вспучивание материала. Интервал спекания легкоплавких глин (для производства кирпича, керамзита) 50-100°С, огнеупорных глин - 400°С.

Огнеупорные глины противостоят действию высоких температур, не деформируясь и не расплавляясь. Чистый каолинит плавится при 1770°С, однако различные примеси понижают эту температуру. Глины не имеют определенной температуры плавления, при750-800 °С вследствие частичного плавления легко плавких эвтектических смесей начинается уплотнение черепка и закрытие пор, т.е. происходит спекание.

4.Связующая способность – проявляется в способности глин связывать частицы непластичных материалов, образуя сырец достаточной прочности.

5.Цвет : беложгущиеся( фарфоровые, фаянсовые), светложгущиеся (гончарные), красножгущиеся(клинкерные, кирпичные).

Цвет глины после обжига имеет существенное значение для облицовочных керамических изделий, а также для тонкой керамики. Для получения белого черепка обжиг ведут в восстановительной среде (при наличии свободных СО и Н₂ в газах) и при определенных температурах, чтобы Fe₂O₃ перевести в FeO. Не желательны в глине крупные зерна пирита FeS₂ и оксидов железа, образующие на черепке после обжига черные точки. Выделение свободного оксида железа при нагревании между 450 и 800°С придают изделию красноватое и желтоватое окрашивание. Оксиды титана вызывают глубокую синеватую окраску черепка. Для получения некоторых видов цветной керамики в сырьевую массу добавляют оксиды металлов (железа, кобальта, хрома и др.).

6.Зерновой состав (<0,001мм):– высокодисперсные глины (>85% зерна <0,001)- высокие пластичность, водопотребность, усадка, связность.

-среднедисперсные (60-85%)

-низкодисперсные (30-60%)

-грубодисперсные(<30%)

Коэффициент пластичности: k=P(d₁-d₂) : 1.тощие глины k<2.4

2.средней пластичности 2,4<k<3.6

3.пластичные k>3.6

Способы повышения пластичности: добавка более пластичных глин; введение поверхностно-активных веществ; вылеживание (3-6 мес. в теплом влажном помещении); выветривание (8-10 мес.); отмачивание(вода); биологически.