Технология местных кровельных материалов

Содержание
Нормативные ссылки………………………………………………………………….7
Определения…………………………………………………………………………….7
Обозначения и сокращения………...…………………………………………………7
Введение….. ……………………….…………………………………………………..8
1. Физико-механические свойства серы…...…………....………………………....9
2. Влияние температуры на свойства полимерсерных бетонов………….........11
3. Исследование влияния модификаций серы на структуру мастик………...15
4. Исследование влияния пятиоксида фосфора на свойства мастик…………22
Выводы.………………………………………………………………………………….29
Литература……………………………………………………………………………...30
Введение.
Сера находит применение во многих отраслях народного хозяйства нашей республики. Около 50% серы расходуется на получение серной ки¬слоты, 25% - на получение сульфидов, используемых в бумажной про¬мышленности, остальная часть - на борьбу с болезнями растений, вулка¬низацию, синтез красителей, производство спичек, строительство и др.
Впервые использование серы в строительстве в качестве вяжущего в производстве композиционных материалам относятся к патентам Англии и США 140-летней давности Л/. В основу изобретения использовано свойство серы : плавится при 112,8°С. а при охлаждении ниже этой темпе¬ратуры - кристаллизоваться с приобретением определенной прочности. Но до 30 х годов XX в. сера использовалась только для крепления болтов в бетонных фундаментах, стоек перил лестниц и ограждений балконов. Это было связано с тем, что сера являлась дефицитным веществом, а сам материал на ее основе получался хрупким и неморозостойким. Эти недос¬татки были выявлены, а затем устранены результатами исследований С. П. Рейна и В.В.Дюккера. Они улучшили свойства серных мастик и использовали их для футеровки травильных ванн в качестве кислотоупор¬ного кирпича. Однако дальнейшего развития и широкого применения ма¬териалы на основе серы не получили из-за двух причин. Во-первых: они получались по тем временам дорогими по сравнению с цементными рас¬творами и бетонами, а во-вторых: были вытеснены пластмассами на осно¬ве попутных продуктов переработки нефти, появившимися в 40-х годах. Поэтому в последующие 25 лет к применению серы как связующего мате¬риала для приготовления мастик, растворов и бетонов почти не возвраща¬лись. Только лишь в конце 60-х годов вновь появился интерес к ней в США и особенно в Канаде, где накопились большие неиспользованные запасы регенерированной серы и стоимость бетонов на основе серы оказа¬лась ниже цементных.
В настоящее время перспективность применения серы в строительстве обусловлена возможностью получения серы из вторичных источников в результате утилизации серосодержащих отходящих газов, отходов произ¬водства серы и серной кислоты, а также очистки нефти, что особенно важно при быстро развивающейся нефтедобывающей промышленности Казахстана. Поэтому толчком к резкому увеличению производства серы будет не только спрос на нее как к сырью, но и как результат усиливаю¬щейся борьбы за охрану окружающей среды от вредного воздействия промышленных газов и продуктов переработки различных видов сырья.
Показана перспективность использования в качестве вяжущего серы для изготовления полимерсерного бетона, набор прочности которого при¬обретает 90% путем простого охлаждения до температуры окружающего воздуха, в то время как для портландцементного бетона он ускоряется за счет применения быстротвердеющих бетонов или использования метола горячего формования, что влечет за собой существенное увеличение себе¬стоимости. Поэтому обоснована и экономическая эффективность приме¬нения полимерсерных бетонов и изделии на их основе в строительной ин¬дустрии Казахстана, климат которого резко континентальный.
Кроме того, результаты исследований позволят утилизировать вторич¬ные продукты фосфорной промышленности, развитой на базе богатейшего месторождения фосфоритов Карауского бассейна, накопленных в отвалах и занимающих ограниченные территории и негативно действующих на эколо¬гию региона.
Введение Лист
8
Изм. Лист № документа подпись дата
1. Физико-механические свойства серы.
Несмотря на то, что применение серы для строительных целей известно давно, данных о физико-механических свойствах серы мало. Для Sα проч¬ность серы на растяжение Rbt составляет 14 кгс/см2. W/ Rennie показал, что с изменением температуры Rbt изменяется в зависимости от формы образцов. Так, для баночек с сечением 5см2 в интервале -42...+90,50С Rbt изменяется от 5,2 до 5,1 кгс/см2, достигая максимума в 20,8кгс/см2 при 28°С, а для нитей с диаметром 1 мм2 в интервале -45...+88°С значения Rbt изменяются от 100,7 до 120 кгс/см2 при максимуме, равном 181,1 кгс/см2 при 190С, т.е. на порядок выше. Это можно объяснить с позиции теории прочности материалов П.А.Ребиндера. Поскольку нити представляют вытянутые монокристаллы, у которых не было дислокационных дефектов, их отсутствие резко повысило механические характеристики нитей. F. Roll установил, что образцы из рас¬плава природной серы после 10ч. выдержrи при 50...600С c повышением температуры от 80 до 100°С снизили Rbt с 15 до 4 кгс/см2 .
Прочность серы на растяжение изменяется в очень широких пределах от 1,1 до 98 МПа и зависит от размера образца, скорости приложения нагрузки, содержания полимерной модификации. Следовательно, затвердевшую серу нельзя рассматривать, как изотропный материал в прямом смысле слова, а ее следует рассматривать как изотропный материал со структурной неоднород¬ностью.
J. M. Dale показал, что прочность серы не является прямолинейной функ¬цией от содержания полимерной модификации и по мере ее увеличения в расплаве прочность возрастает, достигая при определенном соотношении максимума. Из графика видно, что при одинаковом содержании Sµ можно получить различную прочность, что объясняется различием размеров кристаллов (удельной поверхности) ромбической серы, выступающих в роли наполнителя.
Рис. 1. Зависимость предела прочности серы при растяжении от содержания полимерной модификации Sµ.
Физико-механические свойства серы Лист
9
Изм. Лист № документа подпись дата
Полученные результаты хорошо согласуются со следующими данными. Испытывались 2 серии образцов двух диаметров 5 и 15 мм, охлаждаемых по двум режимам от температуры расплава 1900С: медленное охлаждение в тер¬мошкафу и резкое охлаждение в воде при +50С. На 7 сутки образцы испытыва¬лись на растяжение: под микроскопом изучалась их структура и измерялись размеры кристаллов Sα. Результаты показали (табл. 1), что при медленном охлаждении образцов с одинаковым содержанием Sµ прочность образцов с большим диаметром ниже, чем с меньшим.
Таблица 1.
Результаты испытаний прочности при растяжении.
Серия Диаметр образцов, мм Режим охлаждения Sµ,
% Rbt,
МПа Размер кристаллов, мкм
I
II 5
15
5
15 медленное
то же
резкое, в воде
то же 8,5

27,8 2,55
1,22
15,30
8,32 0,1…0,3
0,01…0,025
Аналогичная картина наблюдалась у резко охлажденных образцов, проч¬ность которых оказалась значительно выше.
Изучение размеров кристаллов показало, что у медленно охлажденных образцов их размеры на порядок выше, чем у образцов их резко охлажденно¬го расплава.
Таким образом, установлено, что кристаллические и аморфные (полимер¬ные) модификации серы имеют резко противоположные характеристики прочности и деформативности. Это позволяет рассматривать расплав серы как 2-х фазную систему, состоящую из 2-х подсистем. По теории прочности композиционных материалов в такой системе под действием нагрузок компо¬нент с более низким модулем упругости (полимерные модификации), растя¬гиваясь, деформируются и перераспределяет напряжения на более высокомо¬дульный компонент (кристаллические модификации), что и объясняет повы¬шение прочности затвердевших расплавов при резком охлаждении. Свеже¬приготовленные образцы резко охлажденного расплава в зависимости от ко¬личества полимерных модификаций могут характеризоваться резиноподобными и вязкопластическими свойствами, т.е. иметь растяжимость в 20 и бо¬лее раз выше начальной. Через некоторое время эти свойства утрачиваются, и образец становится хрупким.
Установлено, что скорость перехода в хрупкое состояние зависит от скоро¬сти кристаллизации полимерной серы и ее реверсии в орторомбическую α- модификацию. Таким образом, полимерная сера является метастабильным аллотропном, стабилизация которого в полимерном состоянии представляет да технологии изготовления серных мастик и бетонов значительный интерес.
Область температур, при которых полимерная сера находится в термодинамически устойчивом состоянии, определяется из условия:
∆f=∆H-∆S∆H/∆S. Так как ∆H/∆S=159,40С то, следовательно, только в области температур вы¬ше 1590С полимерная сера будет термически стабильна (критическая темпе¬ратура стабилизации).
Физико-механические свойства серы Лист
10
Изм. Лист № документа подпись дата
2. Влияние температуры на свойства полимерсерных бетонов.
Полимерсерные бетоны наряду со многими положительными свойствам имеют ряд существенных недостатков, к числу которых в первую очередь от¬носятся сравнительно низкая термостойкость и горючесть. Эти важные харак¬теристики не достаточно полно изучены и поэтому ряд публикаций носи противоречивый характер.
Так как сера типичный неорганический термопласт, то можно предполо¬жить, что влияние низких температур на полимерсерные бетоны должно быть таким же, как и на термопластичные полимеры.
Прочностные характеристики полимерсерных бетонов определялись авторами при пониженных температурах от 20 до -60°С с интервалом темпера¬тур в 200С на образцах призмах размером 40x40x160 мм и кубах ребром 70 мм.
Результаты испытаний подтвердили принятые предпосылки и показали, что с понижением температуры от 20 до -600С прочностные характеристики полимерсерного бетона возрастают от 52 до 68 МПа (рис. 2). Экспериментальные данные подтвердили возможность использования различных строи¬тельных конструкций из полимерсерных бетонов, которые успешно могут эксплуатироваться в районах Крайнего Севера.
Рис. 2. Зависимость изменения предела прочности на сжатие Rсж полимерсерного бетона от понижения температуры.
Известно, что низкая термостойкость ограничивает области применения несущих конструкций из полимерсерных бетонов на промышленных пред¬приятиях при наличие повышенных температур. При этом до настоящего времени не была определена предельно допустимая положительная темпера¬тура, при которой конструкция не должна снижать свою несущую способ¬ность более чем на 20%.
Исследования но определению прочностных и деформативных характери¬стик различных видов полимербетонов на основе термореактивных олигомеров показали, что все они подчиняются общей закономерности, т.е. с повы¬шением температуры от 20° до 1000С предел прочности и модуль упругости падают прямо пропорционально. При охлаждении до 200С происходит прак¬тическое восстановление этих характеристик.
Влияние температуры на свойства полимерсерных бетонов Лист
11
Изм. Лист № документа подпись дата
Анализируя графики изменения предела прочности полимерсерных бето¬нов при испытании на сжатие и растяжение при изгибе, впервые было обна¬ружено весьма интересное и характерное только для серных бетонов ано¬мальное свойство, которое характеризуется увеличением прочности при по¬вышении температуры от 200С до 75...800С и только при дальнейшем повы¬шении температуры наблюдается падение прочности (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость изменения предела прочности на сжатие Rсж
и растяжение при изгибе Rиз полимерсерного бетона
от повышения температуры.
На рис. 4 приведены средние значения модуля упругости при сжатии в зависимости от повышения температуры. При повышении температуры от 20 до 750С модуль упругости так же, как и предел прочности повышается от 50*103до 62*103 МПа и только при температуре выше 750С наблюдается по¬нижение модуля упругости.
Рис. 4. Изменение модуля упругости в зависимости от повышения температуры.
Повышение прочностных и деформативных характеристик полимерных бетонов в указанном интервале температур выходит за рамки обычных пред¬ставлений о поведении таких материалов при испытании в условиях повы¬шенных температур. Поэтому необходимо было более всесторонне проанали¬зировать обнаруженные свойства и дать им объяснения хотя бы в первом приближении.
Дж.Миллер, исследуя на высокочувствительном дилатометре КТД серы, обнаружил, что на графике КТД (рис. 5, кривая 1) наблюдается ряд от¬клонений от пропорциональности, которые более отчетливо проявляются при охлаждении образцов серы до температуры жидкого азота (рис. 2.14, кривая 2).
Влияние температуры на свойства полимерсерных бетонов Лист
12
Изм. Лист № документа подпись дата
Рис. 5. Результаты дилатометрических измерений серы в зависимости от температуры.
При этом плавные и сравнительно незначительные объемные изменения наблюдаются при температурах 35 и 1000С, а при температурах 77° и 1190С весьма большие и резкие всплески. Изменение объема при 1190С связано с плавлением призматической формы моноклинной модификации серы, а из¬менение объема при 1000С Дж. Миллер объясняет процессом, связанным с температурой плавления ромбической формы серы и температурой нормаль¬ного уровня ее существования, который лежит ниже температуры 95,5°С. Из¬менение объема при 350С он объясняет переходом от стекловидной к моно¬клинной форме серы.
Наиболее важное и интересное явление - резкое изменение объема при 770С, которое, по мнению Дж. Миллера, происходит благодаря перестройке эластичной серы в новую модификацию.
По мнению авторов, объяснения, которые Дж. Миллер связывает с про-цессами в сере при 35 и 770С, недостаточно убедительны и не отражают действительной сущности явления. Обнаруженное аномальное изменение прочностных и деформативных свойств полимерсерных бетонов с определен¬ной степенью приближения можно объяснить следующими структурными изменениями серного вяжущего, которые происходят под действием повы¬шенных температур. Как уже отмечалось, сера представляет собой смесь ее различных аллотропов. При 20°С в ее составе, кроме Sα(S8) могут присутст¬вовать несколько видов аллотропных модификаций, в том числе S6, S7 и др.
Аллотропная модификация S7 устойчива до температуры 39°С, при этой тем-пературе она перестраивается в ромбическую серу Sα(S8)/ При 50°С аллотропная модификация S6 тоже полностью перестраивается в ромбическую Sαсеру.
Таким образом, при нагреве серных бетонов примерно до 80°С происхо¬дит упорядочение структурного состояния и практически вся сера преобразу¬ется в однородную и наиболее прочную структуру, состоящую из ромбиче¬ской серы Sα. Кроме того, при повышении температуры до 70...800С в ром¬бической сере Sα происходит восстановление дефектных кристаллов и интен¬сивно протекают незавершенные релаксационные процессы, снижающие внутренние напряжения. Эти .....