1. История развития производства вяжущих

Минералы, содержащиеся в глинах

• 
  Каолинит (Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O)
  
• 
  Андалузит, дистен и силлиманит (Al₂O₃·SiO₂)
  
• 
  Галлуазит (Al₂O₃·SiO₂·H₂O)
  
• 
  Гидраргиллит (Al₂O₃·3H₂O)
  
• 
  Диаспор (Al₂O₃·H₂O)
  
• 
  Корунд (Al₂O₃)
  
• 
  Монотермит (0,2[K₂MgCa]0·Al₂O₃·2SiO₂·1,5H₂O)
  
• 
  Монтмориллонит (MgO·Al₂O₃·3SiO₂·1,5H₂O)
  
• 
  Мусковит (K₂O·Al₂O₃·6SiO₂·2H₂O)
  
• 
  Наркит (Al₂O₃·SiO₂·2H₂O)
  
• 
  Пирофиллит (Al₂O₃·4SiO₂·H₂O)
  

74Водные свойства глин проявляются при их свободном взаимодействии с водой. Поэтому для раскрытия и понимания механизма этих свойств необходимо прежде всего рассмотреть строение системы глина - вода.
В обычном житейском понимании вода представляется нам средой вполне однородной, а молекула воды - электрически нейтральной. Однако по отношению к воде, окружающей элементарное зерно глинообразующего минерала, это вовсе не так. В действительности отдельные слои водной оболочки, окружающей глинистый минерал, физически неоднородны, а молекула воды имеет дипольное строение и, следовательно, концы ее электрически заряжены. Элементарное зерно глинообразующего минерала имеет всегда отрицательный электрический заряд либо вследствие явлений изоморфного замещения катионов в кристаллической решетке, либо вследствие наличия оборванных некомпенсированных связей на ее концах. С учетом этих факторов строение комплекса глина — вода для элементарного глинистого зерна в самом схематическом приближении можно представить в следующем виде. Поверхность зерна / глинообразующего минерала имеет отрицательные заряды (знаки минус), которые создают вокруг него силовое поле. Под его воздействием дипольные молекулы воды своим положительным концом Н+ ориентируются по направлению к отрицательному заряду зерна и плотно окружают его поверхность, образуя мономолекулярный 2 и далее полимолекулярный слой адсорбированной воды. Эти слои, будучи сильно сжаты под воздействием силового поля, образуют (по терминологии почвоведов) прочно связанную воду, обладающую особыми свойствами. По мере удаления от поверхности зерна напряженность силового поля, а следовательно и интенсивность притяжения молекул воды, убывает. Молекулы воды, относительно удаленные от поверхности зерна, но все же находящиеся под воздействием его силового, хотя и слабого поля, имеют уже некоторую свободу перемещения. Они образуют диффузный слой, в котором вода является (по той же терминологии) рыхлосвязанной. Таким образом, зерно глинообразующего минерала окружено несколькими концентрическими слоями воды, каждый из которых удерживается частицей с различной силой, убывающей от ее поверхности к периферии. Поскольку связанная вода находится в сильно сжатом состоянии под давлением, достигающим 3000 кГ/см2, то ее свойства резко отличны от свойств обычной воды и сходны со свойствами твердого тела: ее теплоемкость составляет всего 0,7 ккал/кг - град, она не растворяет некоторых веществ (например, сахара), хорошо растворяющихся в обычной воде, плотность ее составляет у каолинов 1,065, а у глин 1,114 г/см3, она не обладает электропроводностью, температура замерзания ее достигает минус 70° С.
Схематическое строение водной оболочки вокруг зерна глинообразующего минерала

1 - зерно глинистого минерала; молекулы воды; 2 - мономолекулярного адсорбированного слоя; 3 - полимолекуляриого адсорбированного слоя; 4 - диффузного слоя.
Представленная на рис. схема строения водной оболочки справедлива для чистой воды, не содержащей каких-либо примесей. В реальных условиях этого не бывает; вода в глине всегда имеет некоторое количество растворенных солей молекулы которых диссоциируют на ионы. Катионы этих солей, являясь носителями положительных зарядов, также окружены «собственной» водной оболочкой и вместе с ней могут находиться либо в диффузном слое, либо адсорбироваться на поверхности зерна глинообразующего минерала, создавая так называемый сорбированный комплекс. С учетом этого, строение водной оболочки схематически представлено на рис.
Гидратная оболочка глинообразующего минерала

Рассмотренным строением водной оболочки объясняются многие свойства глин, в том числе и водные, главнейшими из которых являются влагоемкость, набухание, размокаемость и тик-сотропное упрочнение.
Влагоемкость представляет собой способность глины вмещать в себя определенное количество воды и удерживать ее вопреки действию силы тяжести. Вода в глине удерживается не только силами молекулярного притяжения; в диффузный слой часть воды проникает также путем осмотического всасывания, а в порах глинистой породы вода может удерживаться еще и капиллярными силами. И осмотические и капиллярные силы от-носительно невелики по сравнению с силами молекулярного
притяжения, поэтому осмотическая и капиллярная вода образуют группы свободной воды. Величина влагоемкости глины зависит от ее дисперсности и минералогического состава: с увеличением дисперсности, а следовательно и удельной поверхности глины, ее влагоемкость возрастает. Монтмориллонитовые глины обладают наибольшей влаго-емкостью, каолинитовые - наименьшей.
Набуханием называют способность глины увеличивать свой объем за счет поглощения влаги из воздуха или при ее непосредственном контакте с жидкой водой. Количественно степень набухания измеряется относительным увеличением первоначального объема, выраженным в процентах, или приростом объема поглощенной влаги по отношению к первоначальному весу глины.
Частица глинистого вещества представляет собой агрегат из слипшихся первичных зерен глинообразующих минералов, иногда сцементированных природными цементами катионного комплекса. Набухание глин происходит вследствие того, что поляризованные молекулы воды вклиниваются между отдельными слипшимися зернами глины и, адсорбируясь на их поверхности, раздвигают их, создавая вокруг водную оболочку. У минералов с раздвигающейся кристаллической решеткой молекулы воды проникают также в пространство между отдельными слоями (пакетами) решетки, образуя межслоевую воду.
Степень набухания зависит от дисперсности глин и состава их глинообразующих минералов. У высокодисперсных глин степень набухания наибольшая вследствие большой величины их удельной поверхности. У монтмориллонитовых глин, которые характеризуются подвижностью кристаллической решетки, степень набухания выше, чем у каолинитовых. Структура пакета кристаллической решетки каолинита такова, что один его конец представлен ионом Н+, а второй - ОН-. Поэтому концы двух пакетов прочно сцеплены между собой ионами, имеющими противоположные заряды, и раздвинуть такую решетку молекулы воды не могут, их взаимодействие ограничивается лишь адсорбцией на поверхности минерального зерна. У монтмориллонита строение кристаллической решетки симметричное: одноименные заряды кислорода на концах пакетов смыкаются, создавая непрочную связь. Поэтому молекулы воды легко вклиниваются в межпакетное пространство решетки монтмориллонита, раздвигая ее. Запесоченность глин понижает их набухание.
При набухании глины происходит ее контракция: объем набухшей глины меньше суммы объемов глины и воды, что объясняется сжатием воды и повышением ее плотности при адсорбировании зернами глинистых частиц. Процесс набухания во времени затухает. Рыхлые глины набухают быстрее, чем плотные. Монтмориллонитовые глины набухают быстрее, чем каолинитовые.
Размокание представляет собой распад в воде агрегированных глинистых частиц на более мелкие частицы или элементарные зерна с образованием полидисперсной системы.
Природа прочности глин объясняется несколькими факторами. Одним из них являются силы вторичных валентностей (ван-дер-ваальсовы силы), т.е. силы межмолекулярного притяжения. Они возникают вследствие поляризации молекул, а также дисперсионного взаимодействия, при котором движение электронов во взаимодействующих молекулах приводит к появлению мгновенных диполей и, как следствие, к взаимному их притяжению. Сцепление отдельных зерен минералов может происходить также за счет цементации ионами различных примесей, особенно если они сами окружены гидратной оболочкой.
Первой стадией диспергирования (распада) глинистой частицы является ее набухание, когда молекулы воды, втягиваясь в промежутки между зернами агрегата, расклинивают их. По мере возрастания толщины водной оболочки она все больше и больше экранирует действие межмолекулярных сил сцепления, ослабляя связь между отдельными зернами частицы. При достаточно толстых водных оболочках внешние их слои удерживаются уже не силами межмолекулярного притяжения, а капиллярным давлением внутри относительно крупных пор, если они не целиком заполнены водой. В этом случае силы капиллярного давления стягивают отдельные зерна частицы, мешая им окончательно разъединиться. Когда же поры целиком окажутся заполненными водой, мениски исчезнут и одновременно прекратится действие сил капиллярного давления. После этого ничто уже не будет удерживать зерна-вблизи друг друга и они начнут свободно перемещаться в воде, находясь в ней во взвешенном состоянии, что и будет означать полное размокание глины.
Процесс размока-ния начинается с поверхности глиняного куска. Набухшие его наружные слои, испытывая напряжения скалывания, постепенно отделяются, обнажая новые поверхности для взаимодействия с водой. Однако в плотных глинах отделения таких слоев почти не происходит, а гидратация их затрудняет доступ воды во внутренние слои куска. Поэтому плотные глины размокают очень трудно. Перемешивание глины, сопровождающееся механическим разрушением ее отдельных кусков, обусловливает интенсивное обнажение новых поверхностей для взаимодействия с водой и тем самым ускоряет процесс размокания. Подогрев воды также ускоряет этот процесс вследствие уменьшения вязкости воды при нагреве, что облегчает ее проникание на большую глубину внутрь куска. Интенсивность размокания глины имеет большое практическое значение при приготовлении однородного пластичного теста и в особенности глиняных шликеров.
Под тиксотропным упрочнением понимают способность влажной глиняной массы самопроизвольно восстанавливать нарушенную структуру и упрочняться при неизменной влажности. С течением времени прочность глиняной массы возрастает. В этот момент структуру принудительно разрушают (например, разбалтывают шликер) и ее прочность падает до первоначальной, после чего она вновь восстанавливается. После вторичного разрушения она вновь восстанавливает свою прочность и т.д.
Самоупрочнение глины происходит вследствие процесса переориентации частиц глины и молекул воды таким образом, что они стыкуются концами, имеющими разноименные заряды, что увеличивает силу их сцепления. Очевидно, при этом также происходит процесс перехода части воды из свободных форм в связанные вследствие более глубокой с течением времени гидратации отдельных зерен глинистой массы. Интенсивность и величина тиксотропного упрочнения различна.
Тиксотропия глин отражается на литейных свойствах шликеров и используется для улучшения формовочных и сушильных свойств глин при приготовлении пластичного теста
75 вопрос
Полимерные материалы относятся к числу наиболее эффективных строительных материалов.
Полимеры – высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из большого числа элементарных звеньев одинакового состава и структуры. Такие элементарные звенья образуются простыми органическими веществами (мономерами).
У ВМС молекулярная масса свыше 5000 до миллионов, у низкомолекулярных – менее 500.

Благодаря способности в процессе переработки принимать требуемую форму и сохранять ее после снятия действующих усилий полимерные материалы называют также пластмассами.

Природные полимеры – целлюлоза, белки, природные смолы, каучуки.
Первые синтетические полимеры – лаккаин (конденсация фенола с формальдегидом), бакелит (фенопласт), эбонит.
Середина прошлого века – полистирол, пвх, полиамиды, кремнийорганические соединения, полиуретановые и др.

Органические соединения – вещества, в состав которых входит углерод. По способности соединяться друг с другом углерод занимает особое положение в периодической системе. Известно около 100 тысяч соединений, образуемых всеми элементами периодической системы, за исключением углерода. Соединений же только одного углерода изучено около 2 миллионов.

Атомы углерода способны связываться (ковалентно) друг с другом, образуя молекулярные цепи различной длины и конфигурации. Углеродные цепи могут быть линейными, а также образовывать замкнутые циклы. Кроме того, отдельный атом углерода может затрачивать на связь с соседним атомом углерода затрачивать не одну валентность, а две и три. Углерод может соединяться почти со всеми химическими элементами в образованием молекул цепной и циклической структуры. В состав цепей и циклов могут входить кислород, сера, азот, фосфор, кремний и др.
Важнейшим достоинством синтетических полимеров является возможность проектирования макромолекул с предсказуемым комплексом свойств материала на их основе. Разработаны способы компьютерного конструирования полимерных материалов.
Сырье для получения синтетических полимеров – природные и нефтяные газы, аммиак, каменный уголь, углекислота и др.