Реферат Строительные материалы. Строительные_материалы_Реферат_ЗавадскаяКВ_П91. Рефераты по практическому занятию Строительные материалы
 Скачать 1.46 Mb.
|
|
Теплофизические свойства (теплоемкость, тепловое расширение, теплопроводность, температура плавления, температуропроводность). К тепловым процессам относят процессы, скорость которых определяется скоростью переноса энергии в форме теплоты – нагревание, охлаждение, конденсация и испарение. Тепловые процессы часто сопутствуют другим технологическим процессам: химическим превращениям, разделению гомогенных смесей, сушке и т.д., которые сопровождаются подводом или отводом тепла. Для тепловых процессов в химической промышленности характерны широкий диапазон изменения температуры (от нескольких тысяч градусов до близких к абсолютному нулю) и количеств передаваемой теплоты. Такой широкий диапазон требует применения различных способов передачи теплоты и материалов, которые наилучшим способом обеспечивают этот процесс. Производства химической технологии, требующие больших затрат тепловой энергии, обычно комплексно связаны с тепловыми энергетическими установками. Рациональное расходование теплоты – важный экономический показатель эффективности работы аппаратуры и организации технологического процесса. Перенос теплоты, происходящий между телами с различной температурой, носит название теплообмена. В соответствии со вторым законом термодинамики перенос тепла самопроизвольно происходит от тела с более высокой температурой к телу с меньшей температурой. Таким образом, причиной направленного теплопереноса является разность температур – температурный напор, который есть движущей силой переноса тепла. При выравнивании температур наступает равновесие. Температура t, как известно, являясь параметром состояния тела, характеризует степень его нагретости и выражается в градусах. Отсчет (как от нуля) температуры ведут либо от температуры таяния льда (градусы Цельсия, °С), либо 16 от абсолютного нуля (градусы Кельвина, К). Шкалы Цельсия и Кельвина лишь смещены одна относительно другой на 273,16 градуса, при этом цена деления, т.е. размер одного градуса, у них одинакова. Поэтому разности температур и численные значения величин, приходящихся на один градус, в этих шкалах совпадают. Физические, в том числе и теплофизические свойства тел, в той или иной степени зависят от температуры, которая на практике изменяется в широких пределах. Для упрощения инженерных расчетов вводится так называемая определяющая температура t опр , по которой находят все физические константы. Величина определяющей температуры не имеет универсального значения, а выбирается при построении расчетных зависимостей по-разному, исходя из лучшего их согласования с опытом. Чаще всего в качестве определяющей принимается либо среднеарифметическая температура потока жидкости или газа, либо средняя температура омываемой потоком поверхности стенки, либо среднеарифметическая температура из значений температуры жидкости или газа и стенки. Теплоемкость c – это количество теплоты, необходимое для нагревания вещества на один градус. Обычно оперируют удельной теплоемкостью, отнесенной к единице массы тела и измеряемой в Дж/(кг*К). Теплоемкость, соответствующая бесконечно малому повышению температуры, называют истинной c ист : Среднюю теплоемкость определяют при условии повышения температуры на конечную величину: 17 Если теплоемкость отнесена к одному молю вещества, то она носит название молярной и измеряется в Дж/моль*К. Различают теплоемкость при постоянном объеме и теплоемкость при постоянном давлении ; в первом случае в процессе нагревания вещества поддерживается постоянным объем, во втором случае – давление. Удельная теплоемкость при постоянном давлении всегда больше, чем удельная теплоемкость при постоянном объеме, т.е. , так как в случае нагревания при постоянном давлении часть теплоты идет на работу расширения вещества, а часть – на увеличение его внутренней энергии, в то время как в случае нагревания при постоянном объеме вся теплота расходуется только на увеличение внутренней энергии. Для твердых и жидких веществ разность между и мала. Для идеальных газов , где R – универсальная газовая постоянная. Теплопроводность характеризует способность тела проводить теплоту, зависит от природы вещества, являясь его индивидуальным свойством. Коэффициент теплопроводности l выражает количество тепла, передаваемое за 1 с через 1 м 2 поверхности при градиенте температуры 1 °С на 1 м длины нормали к изотермической поверхности. Численные значения коэффициентов теплопроводности определяются опытным путем и приводятся в справочной литературе. Измеряется коэффициент теплопроводности в Дж/м*К. Из сопоставления опытных данных следует, что значения коэффициента теплопроводности для разных веществ сильно разнится, а для одного и того же вещества зависит от температуры, плотности, структуры, влажности и других факторов. Наибольшая теплопроводность наблюдается у металлов, для которых значения l при 20 °С находятся в пределах 2,3–418 Вт/(м×К), причем наибольшее значение соответствует серебру. Высокий коэффициент теплопроводности имеют также 18 медь (l » 395), золото (l » 300), алюминий (l » 210), цинк (l » 113). На коэффициенты теплопроводности металлов оказывают большое влияние примеси и их концентрация, а также структурные изменения, вызванные термической обработкой, ковкой, вытяжкой и т.д. Коэффициенты теплопроводности неметаллических материалов лежат в пределах 0,02–3 Вт/(м×К) и зависят от природы этих материалов, их плотности, пористости, влажности, структурных особенностей. С повышением температуры значения l для неметаллических материалов, как правило, возрастают, а с увеличением пористости уменьшаются. Увлажнение пористых материалов вызывает рост значения коэффициента теплопроводности вследствие вытеснения воздуха водой, отличающейся более высокой теплопроводностью. При этом l влажного материалов часто превышает значения этого коэффициента для сухого материала и воды в отдельности. Коэффициенты теплопроводности жидкостей составляют 0,09–0,7 Вт/(м×К), причем в области низких давлений для всех жидкостей, кроме воды и глицерина, они снижаются с повышением температуры. В области же высоких давлений наблюдается рост l с увеличением как температуры, так и давления. Влияние давления на знаяения l оказывается большим для жидкостей с более высокой сжимаемостью и более низкой температурой кипения. Коэффициенты теплопроводности газов находятся в пределах 0,006–0,6 Вт/(м×К), они растут, как правило, с температурой, но не зависят от давления в средней его области. При высоких давлениях l увеличивается, а при давлениях ниже 0,13 Па уменьшается. С ростом молекулярной массы газа значения коэффициента теплопроводности, как правило, снижается. Коэффициенты теплопроводности газовых смесей, как и жидких, не подчиняются правилу аддитивности. Температуропроводность характеризует скорость изменения температуры вещества. Чем выше коэффициент температуропроводности тела а, тем больше в нем скорость распространения температуры. т.е. тем быстрее оно нагревается или 19 охлаждается при прочих равных условиях. В качестве коэффициента температуропроводности принят комплекс физических величин, в который входят коэффициент теплопроводности l, удельная теплоемкость с р и плотность ρ вещества, м 2 /с: Энтальпия , I – тепло, которое содержит в себе тело (теплосодержание), измеряется в Дж/кг. Энтальпию принято отсчитывать от некой температуры t°, при которой энтальпия принята равной нулю (i = 0). В качестве такой температуры чаще всего принимают 0 °С. При рабочей температуре, если отсутствует изменение агрегатного состояния вещества, энтальпию определяют интегралом Если изменением теплоемкости с изменением температуры можно пренебречь (с = const), то , а при В практических расчетах в подавляющем большинстве случаев оперируют разностями энтальпий, поэтому точка отсчета энтальпий и их абсолютные значения роли не играют. Если вещество при имеет иное агрегатное состояние по отношению к рабочей температуре , то энтальпия определяется с учетом теплоты фазовых превращений: 20 , где – удельная теплота фазового превращения (парообразования, конденсации, плавления и т.д.), Дж/кг. Удельной теплотой плавления (затвердевания) называют количество теплоты, необходимой для плавления (выделяющейся при затвердевании) 1 кг вещества. В большинстве случаев слабо зависит от температуры. Характер зависимости от давления в соответствие с правилом Ле-Шателье определяется соотношением плотностей вещества в жидком и твердом состоянии. Измеряется удельная теплота плавления также в Дж/кг. Аналогичным образом вводится понятие о теплоте сублимации (десублимации). Тепловое расширение – свойство материала расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении – характеризуется температурными коэффициентами объёмного и линейного расширения. Коэффициент линейного температурного расширения (КТЛР)характеризует удлинение материала при нагревании его на 1ºС. Коэффициенты линейного температурного расширения у разных материалов значительно отличаются (см. табл.) 21 Неорганические (минеральные) вяжущие вещества, их классификация по условиям твердения и эксплуатации. Для получения большинства искусственных строительных материалов, в первую очередь бетонов и растворов, а также для склеивания штучных материалов в изделиях и конструкциях широко используют вяжущие вещества, которые могут быть неорганическими (известь, гипс, цемент) или органическими (битумы, дегти, смолы). Наиболее широко в строительстве используются неорганические вяжущие, которые и будут рассмотрены ниже. Неорганическими вяжущими веществами называются тонкоизмельченные порошки, образующие с водой клейкое пластичное тесто, постепенно загустевающее и переходящее в камнеподобное состояние. Превращение вяжущего порошка в камень происходит в результате его химического взаимодействия с водой. В зависимости от условий твердения неорганические вяжущие делятся на три группы: 1. воздушные вяжущие — способны твердеть и набирать прочность только в воздушно-сухих условиях. К ним относятся воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие, жидкое стекло; 2. гидравлические вяжущие — способны твердеть и набирать прочность не только на воздухе, но и в воде, причем во влажных условиях эти процессы идут лучше, т.е. прочность набирается быстрее и ее конечная величина выше. К этой группе относятся гидравлическая известь, романцемент, портландцемент и его разновидности, глиноземистый цемент и др.; 3. вяжущие автоклавного твердения — это вяжущие, для твердения которых необходимо создание специальных условий — температуры 175…200 °С в среде нагретого насыщенного пара при его давлении 0,9…1,6 МПа. Собственно говоря, для твердения этих вяжущих достаточно только вышеуказанной температуры, но 22 если повысить температуру, то вода, необходимая для процесса твердения, испарится и твердение прекратится. Воздушные вяжущие вещества затвердевают и длительное время сохраняют прочность только в воздушной среде. Во влажных условиях они частично или полностью теряют прочность. К таким вяжущим относятся воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие, растворимое стекло, которые применяются для конструкций, находящихся в воздушно-сухих условиях. Гидравлические вяжущие вещества могут затвердевать не только на воздухе, но и в воде. К этим веществам относятся гидравлическая известь, портландцемент, глиноземистый цемент и многие другие. Свойства гидравлических вяжущих позволяют использовать их для конструкций, находящихся как в сухих, так и во влажных условиях, — для стен, фундаментов, гидротехнических сооружений и т. д. Эти вяжущие обладают и более высокой прочностью, чем воздушные, поэтому в современном строительстве применяются более широко. Неорганические вяжущие вещества используются в основном для изготовления искусственных каменных материалов. В зависимости от состава различают следующие виды строительных смесей на основе вяжущих веществ: — цементное тесто — смесь вяжущего вещества и воды; отвергшее цементное тесто называют цементным камнем; — строительный раствор — отвердевшая смесь вяжущего вещества, воды и песка; до затвердевания эта смесь называется растворной смесью; — бетон — отвердевшая смесь вяжущего вещества, воды, песка и гравия (или 23 щебня); до затвердевания она называется бетонной смесью. В виде теста вяжущие находят сравнительно редкое применение. Обычно они применяются в смеси с заполнителями, т.е. в виде растворов или бетонов. При использовании заполнителей уменьшается расход вяжущих, повышаются технические качества изделий из них, уменьшается усадка и снижается стоимость бетонов и растворов, так как песок и гравий (щебень) в 2-3 раза дешевле вяжущих. Основные свойства вяжущих Тонкость помола — влияет на водопотребность, скорость набора и конечную прочность, а также степень гидратации вяжущего. Тонкость помола вяжущих принято характеризовать остатками при просеивании через сита, размер которых указан в нормативных документах (% по массе), или удельной поверхностью частиц вяжущего (см 2 /г; м 2 /кг). Тонкость помола регламентируется нормативными документами. Водопотребность — характеризуется нормальной густотой теста вяжущего. Нормальная густота выражается процентным содержанием воды от массы вяжущего, при котором тесто обладает определенной пластичностью. Сроки схватывания — характеризуются началом и концом схватывания. Начало схватывания — промежуток времени от момента затворения до момента, когда пластичное тесто вяжущего начинает терять пластичность. Далее тесто вяжущего постепенно уплотняется, загустевает и полностью теряет пластичность. Конец схватывания — промежуток времени от момента затворения до момента полной потери тестом вяжущего пластичности, после чего начинается непосредственно твердение и набор прочности. 24 ВОЗДУШНАЯ СТРОИТЕЛЬНАЯ ИЗВЕСТЬ Сырьем для получения воздушной извести служат карбонатные породы (известняки, мел, ракушечник, доломитизированные известняки), в которых содержание примесей глины не превышает 6 %. Обжигая такое сырье до возможно более полного удаления СО2, получают продукт, состоящий в основном из СаО и МgO. 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 — МgO не более 5 %, магнезиальную — МgO от 5 до 20 %, доломитовую — МgO от 20 до 40 %. Обжиг сырья производят в шахтных или, реже, во вращающихся печах, а также в установках для обжига во взвешенном состоянии и кипящем слое. Известь, выходящую из печи обычно в виде кусков различной величины (комья), называют комовой негашеной известью. Это полупродукт, который для превращения в вяжущее предварительно измельчают химическим путем — гашением водой (гашеная известь) или механическим — размолом в мельницах (молотая негашеная известь). Гашение извести заключается в том, что вода, соприкасаясь с кусками негашеной извести, поглощается ею, всасываясь в поры, и одновременно химически взаимодействует с оксидами кальция и магния, образуя гидраты: СаО + Н2О = Са(ОН)2 и MgO + H2O = Mg (OH)2. При этом 1 кг извести-кипелки выделяет 1160 кДж тепла, которое переводит часть воды в парообразное состояние. Пар вызывает в извести внутренние растягивающие напряжения, под действием которых происходит ее измельчение в тонкий порошок. 25 В зависимости от количества воды, взятой при гашении, можно получить гидратную известь (пушонку), известковое тесто или известковое молоко. Для получения извести-пушонки, представляющей собой тонкий белый порошок, теоретически достаточно 32,13 % воды от массы извести-кипелки. Практически воды берут в 2…3 раза больше (60…80 %), так как при гашении часть ее испаряется. Порошок извести-пушонки состоит из очень тонких частиц и в 2…3 раза и более превышает объем исходной извести-кипелки. При гашении извести в тесто расход воды увеличивают до двух- трех частей (по массе) на 1 часть извести-кипелки; при еще большем количестве воды получают известковое молоко. По скорости гашения (времени достижения максимальной температуры гашения) воздушная известь бывает: быстрогасящаяся со скоростью гашения не более 8 мин; среднегасящаяся — до 25 мин и медленногасящаяся — не менее 25 мин. Рис.1 Воздушная известь 26 Гидравлические вяжущие вещества Гидравлические свойства этой группы вяжущих обусловлены присутствием в их составе силикатов, алюминатов, ферритов кальция и характеризуются модулем основности а также зависят от температуры обжига. Основным гидравлическим вяжущим является портландцемент. ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ. СЫРЬЕ И ПРОИЗВОДСТВО Портландцемент — это медленно схватывающееся и медленно твердеющее гидравлические вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения клинкера и незначительной (до 3,5 %) добавки природного гипса, который вводится для регулирования сроков схватывания. Клинкер получается путем обжига до спекания, т.е. частичного плавления сырьевой смеси, состоящей приблизительно из 75 % известняка и 25 % глины. В качестве сырья возможно также использовать мел, мергель, глинистые сланцы и отходы различных производств, в качестве топлива — природный газ, мазут и уголь. Производство портландцемента — сложный технологический и энергоемкий процесс. Подготовка сырьевой смеси может осуществляться мокрым, сухим или комбинированным способами, которые были рассмотрены выше и каждый из которых имеет свои плюсы и минусы. 27 Рис. 2 Портландцемент Трехкальциевый силикат (алит) — 3СаОSiO 2 (сокращенное обозначение С 3 S) — главный минерал клинкера, обладает большой активностью в реакции с водой. Быстро твердея, набирает высокую прочность и выделяет большое количество тепла. Двухкальциевый силикат (белит) — 2СаОSiO 2 (сокращенно — С 2 S) — значительно менее активен, чем алит. В начальные сроки твердения обладает низкой прочностью и незначительным тепловыделением. Однако при благоприятных условиях (положительной температуре и высокой влажности) способен набирать прочность в течение длительного времени (до двух и более лет), которая сопоставима с прочностью алита. Трехкальциевый алюминат — 3СаОAl 2 O 3 (сокращенно — C 3 A) — самый быстротвердеющий минерал клинкера, однако продукты его твердения имеют низкую прочность, повышенную пористость и низкие морозостойкость и долговечность. Обладает очень большим тепловыделением в начальные сроки твердения. Быстрое твердение С 3 А вызывает раннее структурообразование и сильно сокращает сроки схватывания портландцемента. Если не ввести при 28 помоле клинкера добавку гипса, сроки схватывания цемента будут близки к срокам схватывания строительного гипса. Четырехкальциевый алюмоферрит — 4СаОAl 2 O3Fe 2 O 3 (сокращенно — C 4 AF) — характеризуется умеренным тепловыделением. Прочность продуктов его гидратации в ранние сроки твердения ниже, чем у алита, и несколько выше, чем у белита. ТВЕРДЕНИЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА Превращение цементного теста в камневидное состояние обусловлено сложнейшими химическими и физико-химическими процессами, в результате которых образуются гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция, практически нерастворимые в воде. В упрощенном виде взаимодействие клинкерных минералов с водой можно описать химическими реакциями: 2(3CaOSiO 2 ) + 6H 2 O = 3CaO 2 2SiO 2 3H 2 O + 3Ca(OH) 2 ; 2CaOSiO 2 + 4H 2 O = 2CaOSiO 2 4H 2 O; 3CaOAl 2 O 3 + 6H 2 O = 3CaOAl 2 О 3 6H 2 O; 4CaOAl 2 O 3 Fe 2 O 3 + mH 2 O = 3CaOAl 2 O 3 6Н 2 O + CaOFe 2 O 3 nH 2 O. Выделяющийся при твердении Са(ОН)2, с одной стороны, несколько повышает прочность цементного камня за счет его карбонизации углекислым газом воздуха, с другой — является причиной коррозии цементного камня. Добавка природного двуводного гипса СаSO 4 2H 2 O, вводимого в количестве до 3,5 % для регулирования сроков схватывания, также принимает участие в твердении. Взаимодействуя на ранних сроках схватывания с 3СаОAl 2 O 3 c присоединением большого количества молекул кристаллизационной воды, она образует соединение эттрингит 3СаОAl 2 O 3 3CaSO 4 (31-32)H 2 O. Эттрингит, осаждаясь на поверхности частиц 3СаОAl 2 O 3 , замедляет их гидратацию. Кроме этого, эттрингит имеет объем, в 2…3 раза больший, чем сумма объемов исходных реагентов. Учитывая, что образование эттрингита идет в пластичной системе, его увеличение в объеме приводит к уплотнению цементного камня. 29 ГЛИНОЗЕМИСТЫЙ ЦЕМЕНТ Глиноземистый цемент — быстротвердеющее и высокопрочное гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения клинкера, содержащего преимущественно низкоосновные алюминаты кальция. Для получения клинкера глиноземистого цемента в качестве главных компонентов сырьевой массы берут известняк СаСО3 и породы, содержащие глинозем (Al2O3nH2O), например, бокситы. Глиноземистый цемент обладает высокой прочностью только в том случае, если твердеет при умеренных температурах, не свыше 25 °С, поэтому вследствие большого тепловыделения при твердении и разогрева бетона его нельзя применять для бетонирования массивных конструкций, а также подвергать тепловлажностной обработке. Глиноземистый цемент выпускается марок 400, 500 и 600. Марочная прочность определяется в возрасте 3 сут, при этом уже через сутки он набирает прочность, равную приблизительно 90 % марочной. При столь быстром твердении глиноземистый цемент обладает нормальными сроками схватывания, почти такими же, как у портландцемента. Начало схватывания глиноземистого цемента должно наступать не ранее 30 мин (у портландцемента не ранее 45 мин), а конец — не позднее 12 ч от начала затворения. Тепловыделение глиноземистого цемента при твердении примерно в 1,5 раза больше, чем у портландцемента. В продуктах гидратации глиноземистого цемента не содержится гидроксида кальция и трехкальциевого шестиводного гидроалюмината (если температура не превышает 25 °С), поэтому бетон на глиноземистом цементе более стоек по сравнению с портландцементом против выщелачивания Са(ОН)2, а также к сульфатной коррозии. |