Глуховский - Основы технологии отделочных тепло- и гидроизоляционных материалов

В.Д. ГЛУХОВСКИИ, Р.Ф. РУНОВА, Л.А. ШЕЙНИЧ, А.Г. ГЕЛЕВЕРА

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ОТДЕЛОЧНЫХ, ТЕПЛО- И ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования УССР в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по специальности «Производство строительных изделий и конструкций»

КИЕВ

ГОЛОВНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ИЗДАТЕЛЬСКОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ

«ВИЩА ШКОЛА»

1986

Основы технологии отделочных, тепло- и гидроизоляционных  материалов / В. Д. Г л у X о в с к и и, Р. Ф. Р у н о в а, Л. А. Ш е й н н ч, А. Г. Геле вер а.—К.: Вища шк. Головное изд-во, 1986.—303 с.

В учебнике нашли отражение научные основы, общие принципы и особенности технологий отделочных, тепло- и гидроизоляционных материалов, применяемых в индустриальном строительстве. Уделено внимание экономически целесообразным технологиям с учетом  сырьевой, энергетической и экологической проблем.

Для студентов вузов, обучающихся по специальности  «Производство строительных изделий и конструкций».

Табл, 75. Ил. 135. Библиогр.: 51 назв.

Рецензенты: доктор технических наук профессор В, А.  Вознесенский (Одесский инженерно-строительный институт), кандидат технических наук доцеит В. А. Матвиенко (Макеевский инженерно-строительный институт)

Редакция учебной и научной литературы по строительству и  архитектуре

Зав. редакцией В. В. Гаркуша

© Издательское объединение

 «Вища школа», 1986

ПРЕДИСЛОВИЕ

Реализация задач капитального строительства, намеченных XXVII съездом КПСС, требует качественного совершенствования как методов его ведения, так и структуры конструктивных  решений строящихся объектов. Применение индустриальных методов, прежде всего крупнопанельного домостроения на современном уровне, позволяет решать комплексно в заводских условиях такие вопросы, как отделка зданий, обеспечение теплофизических  характеристик ограждающих конструкций, гидроизоляцию и  герметизацию узлов и сооружения в целом.

Технико-экономические преимущества крупнопанельного  домостроения привели к тому, что его удельный вес в общем объеме  жилищного строительства превышает 60 %, при этом более половины домостроительных предприятий перешли на выпуск жилых домов с улучшенной планировкой квартир и качеством их отделки.

Одна из важнейших задач индустриального домостроения— снижение материалоемкости строительства — решается за счет применения эффективных материалов, позволяющих управлять  конструктивными и теплоизоляционными свойствами сборных  элементов. К настоящему времени номенклатура таких материалов  чрезвычайно расширилась, диапазон их функциональных возможностей увеличился. Этому способствовали разработки специальных  научно-исследовательских организаций и опытных производств, труды советских и зарубежных ученых.

Основная тенденция развития и применения отделочных  материалов для индустриального строительства — максимальное  снижение трудоемкости процесса отделки конструкции или сооружения. К важнейшим критериям оценки способов отделки и самих  материалов относятся эстетичность, долговечность, индустриальность технологии и экономичность.

Определяющей тенденцией в развитии производства  теплоизоляционных материалов является снижение их средней плотности и улучшение технологичности. Технологичность этих материалов определяется, прежде всего, возможностью их переработки в  изделия полной заводской готовности с минимальными энергетическими затратами.

Развитие производства гидроизоляционных материалов  определяется общими требованиями индустриального строительства — простотой и надежностью применения при минимальных  трудозатратах. Сочетание материалов перечисленных групп имеет место в  современной технологии сборного железобетона — прежде всего в жилищном и гражданском строительстве.

Инженер-технолог на предприятии сборного железобетона  должен владеть знаниями не только основного производства, но и  хорошо ориентироваться в основах технологии материалов для отделки, тепло- и гидроизоляции. Как организатор и руководитель  производства он должен обеспечивать грамотное применение  материалов в конструкциях, способствовать комплексному использованию сырьевых ресурсов и решению экологических вопросов. 

Приобретение таких знаний и предусматривает курс «Основы технологии отделочных, теплоизоляционных и гидроизоляционных материалов и изделий для индустриального строительства», изучаемый  студентами по специальности «Производство строительных изделий и конструкций». Курс основан на знаниях, полученных студентами при изучении общенаучных дисциплин — общей, физической и  органической химии, физики, термодинамики, а также специальных — строительных материалов, вяжущих веществ, тепловых установок, механического оборудования и др. Знание  общественно-политических дисциплин предопределяет мировоззрение будущего  специалиста при изучении таких вопросов курса, как комплексное использование сырья, экологические проблемы, энергосберегающие технологии и др.

Авторами обобщены результаты работ ведущих в  рассматриваемых областях научно-исследовательских и проектных  организаций: ВНИИТеплоизоляция, НИПИСиликатобетон, ВНИИТеплопроект, ВНИИстром, УралНИИстромпроект, Гипростроммашина, НИИСМИ (г. Киев); отражены достижения кафедр строительных материалов и технологии производства бетонных и железобетонных конструкций МИСИ им. В. В. Куйбышева, ЛИСИ, ВЗИСИ, КИСИ; учтен передовой опыт промышленных предприятий по  совершенствованию как самих материалов, так и их технологии.

Большое разнообразие строительных материалов,  применяющихся для отделки, тепло- и гидроизоляции в современном  индустриальном строительстве, вызвало необходимость рассмотрения общих принципов их технологии. В связи с этим в первой главе даются представления о роли физического состояния вещества в  формировании материалов различных групп как о самом общем критерии технологии безотносительно к какому-либо конкретному материалу.

Показано, что свойства материалов зависят от типа дисперсной структуры и характера образующих ее контактов, С учетом этого стало возможным предложить самую общую классификацию  материалов, охватывающую и рассматриваемые в учебнике группы. 

Такой подход предполагает становление и развитие у будущего  специалиста научно-обоснованных взглядов на разнообразные явления, учит мыслить обобщенными категориями.

В последующих главах характеризуются основы технологии  отделочных, тепло- и гидроизоляционных материалов и изделий, включая сырьевую базу, общие свойства, технологические  переделы, уровень современного производства и перспективы развития с учетом экономических и экологических факторов.

Показатели свойств материалов и изделий приведены в  соответствии с действующими на 01.01.85 г. ГОСТами и другими  техническими документами, а параметры их производства — с  действующими нормами технологического проектирования. При оценке  экономических показателей использованы цены на 01.01.85 г.

1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ОТДЕЛОЧНЫХ, ТЕПЛО- И ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ОСНОВЫ КЛАССИФИКАЦИИ

Несмотря на большое многообразие отделочных, теплоизоляционных и гидроизоляционных материалов, им свойственны общие тенденции развития из дисперсных систем, связанные с условиями движения микрочастиц слагающего их вещества при формировании макроструктуры и свойств физических тел. Поэтому в настоящем курсе все искусственные материалы этих групп наиболее  целесообразно классифицировать по основным технологическим  принципам производства с учетом определяющего фактора — условий  формирования структурных связей и контактов в материалах, условно объединенных И. А. Рыбьевым общим названием искусственный строительный конгломерат.

Большинство материалов рассматриваемых трех групп представлены твердыми телами, под которыми подразумевают одно из четырех агрегатных состояний вещества, отличающееся от других агрегатных состояний (жидкость, газ, плазма) стабильностью  формы, а также характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания вокруг положений равновесия. Различают  кристаллические и аморфные твердые тела.

Кристаллическое твердое тело представлено устойчивой (стабильной) кристаллической системой, в которой частицы (атомы или молекулы) расположены в строгом порядке и связаны друг с  другом наиболее прочными для частиц данного вещества связями. Оно характеризуется пространственной периодичностью в расположении равновесных положений атомов, упорядоченной структурой и  фиксированными размерами.

В аморфных твердых телах атомы колеблются вокруг  хаотически расположенных точек. С термодинамической точки зрения, аморфные твердые тела находятся в метастабильном или  нестабильном состоянии и с течением времени должны кристаллизоваться, т. е. переходить в кристаллические твердые тела.

Материалы минерального происхождения (бетон, керамика и стекло) — нестабильные или метастабильные конденсированные системы, находящиеся в аморфном или субмикрокристаллическом состоянии. Они самопроизвольно стремятся к стабильному  состоянию с упорядоченной структурой и фиксированными размерами, т. е. к состоянию, которое характеризуется как твердое  кристаллическое тело. Процесс перехода в это состояние сопровождается  выделением теплоты, уменьшением объема, увеличением плотности и другими явлениями, сопутствующими упорядочению  кристаллической структуры вещества и приводящими вначале к росту  прочности физического тела (искусственного камня), а затем к ее  стабилизации. Скорость процесса упорядочения структуры определяется характером искусственного камня, его вещественным составом и условиями эксплуатации: в металлах и искусственном камне на основе минеральных  вяжущих, в которых преобладают ионные связи, процесс протекает наиболее интенсивно; в бетонах, в которых используются вяжущие с преобладающими ковалентными связями, его также легко  фиксировать; в керамике и стекле он менее выражен, так как растянут во времени и фиксировать его сложно; в системах, богатых щелочноземельными и щелочными  оксидами, процесс этот ускоряется, а амфотерные оксиды замедляют его; при повышенных и отрицательных температурах, во  влажных условиях и в воде он ускоряется, а в стандартных условиях (температура (20±5) ^оС, атмосферное давление) протекает  медленно.

Причиной процесса упорядочения структуры вещества макрочастиц, слагающих искусственный камень, служит его  кинетическая (свободная) энергия: при переходе вещества из нестабильного состояния в стабильное (упорядоченное) она стремится к  минимуму.

Какие же силы являются доминирующими в этом процессе  стабилизации, упорядочения (самоорганизации) вещества? Что служит причиной этого необратимого движения материальных частиц?  Ответы на эти вопросы можно получить, рассмотрев процессы  упорядочения структуры вещества с точки зрения динамической теории твердого тела.

Согласно этой теории, в состоянии твердого тела скрыты все  известные агрегатные состояния вещества: жидкость, газ и плазма. В атомах твердого тела происходит никогда не прекращающееся квантовое движение. В них даже при абсолютном нуле движутся электроны, хотя сами атомы при этом совершают нулевое  движение. Эти электроны в металлах, например, образуют электронную жидкость, которая по своим свойствам может быть отнесена к  квантовым жидкостям. Электронная жидкость подобна всем другим жидкостям — она делает металл пластичным, создает нечто вроде смазки, по которой могут перемещаться дефекты кристаллов.

В полупроводниках, в которых свободных электронов гораздо меньше, чем в металлах, и расстояния между ними сравнительно велики, электроны движутся независимо друг от друга и образуют электронный газ.

В некоторых полупроводниках в равных количествах  содержатся электроны и так называемые «дырки» (пустые места в  электронных оболочках атомов), ведущие себя подобно положительным  зарядам. Электроны и дырки вместе составляют плазму.

Согласно современной динамической теории, любое твердое тело можно считать своеобразным сосудом, содержащим особый,  типично квантовый газ квазичастиц, среди которых преобладают фотоны — кванты, порции колебаний, распространяющихся внутри  твердого тела.

Любое движение, происходящее в твердом теле, сопровождается или вызывается движением этих квазичастиц, характеризующих коллективные, обобщенные движения в веществе. Поэтому можно читать, что свойства макрочастиц определяются внутренними микроскопическими движениями, которыми оно заполнено. Кроме того, находясь в аморфном или субмикрокристалличеком состоянии, твердое тело является источником фотонов —  квантов электромагнитного излучения в виде теплового потока во  внешнюю среду по мере его перехода в состояние кристаллического твердого тела.

Динамическая теория твердого тела позволяет высказать предположение, что переход из твердого аморфного состояния, в котором находится искусственный камень в момент конденсации из  дисперсных частиц, в состояние кристаллического твердого тела также  вызывается движением микрочастиц, различными видами движений квазичастиц внутри аморфного твердого тела и сопровождается распространением упругих волн, выделением теплоты и т. п. При том, вероятно, изменяются характеры электронного газа,  электронной жидкости и состояние вещества, которое выше названо плазменным. Эти изменения должны быть достаточно существенными и подаваться учету с помощью современных методов исследований Многие технические системы, достигшие в процессе конденсации атомно-молекулярного уровня, могут находиться в стабильном или метастабильном состоянии. С этих позиций рассмотрим наиболее распространенные вещества, представленные кремний- и углеродсодержащими системами.

Кремнийсодержащие минеральные вещества представлены водными и безводными образованиями, которые, как это показано на рис. 1.1, могут находиться в 12 условно выделенных состояниях. Стадийные переходы из состояния 1 в состояние 5 характерны для процессов формирования структурных связей материалов на основе вяжущих гидратационного твердения; переходы 3-5 и 6-8 - для материалов на основе вяжущих контактного твердения; переходы для керамических материалов на основе глин; переходы11 9 — для материалов на основе стекла и металлов; переходы 5—11 или 8—11 — для получения расплава. При этом в случае получения расплава из кристаллической безводной фазы (переход 8—11) состояние 9 характеризуется как подобное метамиктному (по В. С. Бреггеру), а в случае формирования структурных связей в материале, образующемся на основе такого расплава (переход II—9), это же состояние характеризуется как  субмикрокристаллическое. Это обусловлено тем, что в первом случае идет процесс, связанный с нарушением связей в кристаллической решетке под действием тепловой энергии, а во втором — процесс, связанный с выделением энергии за счет образования субмикрокристаллов.

Достаточно простым примером стадийного перехода вещества из 1-го состояния в 12-е могут служить превращения в цементном тесте жароупорного бетона печного агрегата, происходящие с  момента затворения бетонной смеси водой. Так, в первый момент затворения портландцемента водой часть вещества, растворяясь,  образует молекулярный или истинный раствор (состояние I),  постепенно формируется система золей (состояние 2), представленных мицеллами — частицами, свободно участвующими в броуновском движении. Эти золи, коагулируя, конденсируются в студенистые тела, механические свойства которых в большей или меньшей  степени подобны механическим свойствам твердых тел (состояние 3),— нестабильные системы, которые кристаллизуясь, в начале формируют субмикрокристаллическую, тоже нестабильную фазу  (состояние 4), а затем и стабильную кристаллическую гидратную систему (состояние 5).

При нагревании печи сформировавшиеся в процессе твердения бетона гидратные системы дегидратируются и аморфизуются, в  результате чего вещество цементного камня переводится в нетастабильное состояние (состояние 6); дальнейшее нагревание приводит к формированию субмикрокристаллической метастабильной  (состояние 7), а затем и стабильной кристаллической безводной фазы  (состояние 8).

В отдельных локальных участках футеровки могут создаться условия, приводящие к значительному перегреву жароупорного бетона. В результате этого вещество или часть его, поглощая  тепловую энергию, из стабильного кристаллического состояния 8 может перейти в метамиктное состояние 9, промежуточное между  структурой кристалла и соответствующего стекла. Это состояние  сохраняется до момента почти полного разрушения исходной  кристаллической фазы и перехода ее в стекловидную, т. е. в состояние 10, затем вещество может полностью расплавиться (состояние II) и даже сублимировать (состояние 12).

В состояниях 5 и 8 силикатное вещество представляет собой кристаллическое твердое тело, т. е. максимально конденсированные стабильные кристаллические системы, в которых частицы  (молекулы) расположены на минимальных расстояниях, в строгом  порядке и связаны друг с другом максимальными для частиц данного  вещества связями или силами взаимного притяжения. Внутренняя энергия такого твердого тела слагается из энергии теплового движения молекул в узлах кристаллической решетки, которой в стандартных условиях (температура 25 X и давление 0,1 МПа) можно пренебречь, так как ее недостаточно, чтобы изменить его  агрегатное состояние, и потенциальной энергии связи между ними.

Поэтому в этих состояниях тело может находиться сколь угодно долго. В состояниях 1—12 силикатное вещество в результате  преодоления сил молекулярных связей максимально диспергируется до размера молекул и находится в состоянии, которое условно можно аналогизировать с газообразным агрегатным состоянием, так как представляет собой дисперсную систему, в которой дисперсионной средой служит вода или воздух. В этих состояниях частицы  вещества обладают максимальной кинетической энергией (энергией движения) и минимальной (близкой к 0) потенциальной энергией связи между молекулами силикатного вещества. Плотность  силикатного вещества в этих состояниях минимальна. Система очень динамична. Веществу можно придавать любую форму. При переходе вещества в состояния 2 и II во внешнюю среду излучается тепловой поток, энергия движения частиц уменьшается. Поэтому между ними возникают связи, способные удерживать их вместе, но еще не способные препятствовать движению и  скольжению молекул друг относительно друга. Такое состояние  соответствует жидкому агрегатному состоянию.