Химия в строительстве

Химия в строительстве

Химия- наука, связанная со многими областям деятельности. Не обошла она стороной и один из наиболее интересных видов деятельности – архитектуру.

Так при строительстве и отделки зданий трудно обойтись без цемента, бетона, гипса. Всё это примеры вяжущих веществ, которые при смешивании с водой образуют тестообразную массу. При высыхании масса превращается в монолит. Медленно затвердевая, так называемый раствор связывает друг с другом кирпичи, каменные блоки или иные материалы, соприкасающиеся с ним.

Одним из древнейших вяжущих веществ является гипс, известный ещё в Древнем Египте. Это вещество представляет собой двуводныйсульфак кальция, встречающийся в природе в виде минерала. Обжиг гипса при 150Сприводит к потере значительной части кристаллизационной воды:

Образующийся при этом полуводный сульфак кальция называют жженым гипсом. При разведении водой он быстро твердеет (схватывается), снова превращаясь в дигидрат. Это сопровождается увеличением объёма на 1%. Расширяясь в процессе схватывания, гипс с высокой точностью воспроизводит поверхность формы, в которую он помещен. Благодаря этому жжёный гипс применяют как материалы для слепков, точных копий скульптуры. В отличие от мрамора, гипс – мягкий материал, даже при слабом нажиме ноготь оставляет на нём след. Для увеличения прочности в него квасцы.

При кладке кирпичных стен и для штукатурных работ строители используют известковый раствор – взвесь порошка гашёной извести (гидроксида кальция) и кварцевого песка (оксида кремния) в воде. Обычно на одну частьизвести берут две части песка. Иногда для большей прочности связывания добавляют цемент, такой раствор строители называют известково-цементным.

При высыхании из раствора выделяются кристаллы гидроксида кальция, которые срастаются друг с другом. Чтобы поверхность стены получалась ровной, а также для лучшего сцепления штукатурки с кладкой её затирают специальными тёрками. Со временем гидроксид кальция постепенно реагирует с углекислым газом, в небольшом количестве содержащимся в воздухе. Образующийся при этом порошок карбоната кальция представляют собой рыхлую массу, которая заполняет все пустоты, способствуя ещё более прочному сращиванию отдельных зёрен кварцевого песка. Для полного высыхания известкового раствора необходимо несколько недель. Как можно ускорить высыхание? Для этого требуется повысить концентрацию углекислого газа в воздухе. Например, в оштукатуренном помещении ставят жаровню с раскалёнными углями, плотно закрывают двери и окна.

Стены, покрытые штукатуркой, можно расписать. Технику росписи стен по сырой, свеженанесённой штукатурке красками, разведёнными на воде, называют фреской. Краски закрепляются на поверхности стены, покрываясь тонкой кристаллической плёнкой карбоната кальция, образующейся при взаимодействии извести с углекислым газом. Для образования такой плёнки требуется 3-4 часа, поэтому в один день расписывают лишь небольшую часть стены. При внимательном изучении стены, расписанных фресками, удаётся заметить едва заметные швы, разделяющие участки, расписанные в разные дни. Перед росписью известковый раствор наносят на стену в несколько слоёв. Первый слой, называемый итальянцами arriziato, может быть нанесен весь сразу за несколько дней до росписи. Для лучшего сцепления со вторым слоем его оставляют шероховатым и, пока он сырой, специально царапают. Второй слой, называемый intonaco,по которому непосредственно исполняется роспись, наносят сразу перед работой живописца. Мельчайшие кристаллы пигментов попадают в неровности поверхности, покрытой штукатуркой, и при высыхании прочно «врастают» в неё, удерживаемые плёнкой карбоната кальция. Всё это объясняет прочность и долговечность фресковых росписей, которые в сухих помещениях могут сохраняться веками. Если же краска наносится на уже высохшую поверхность стены, то частицы пигмента прочно не могут на ней закрепится и со временем осыпаются. Такая техника живописи используется в основном для реставрации фресок. Росписью стен по штукатурке занимались уже в древнем Египте, а также в Древнем Риме. До наших дней дошли многие средневековые фрески в древнерусских городах, на Балканах, в странах Западной Европы. Однако наивысшего расцвета фрески достигла в Италии в эпоху Возрождения. Итальянскими живописцами была разработана сложная многослойная технология нанесения слоёв штукатурки и красок.

Известь, необходимую для штукатурных работ, получают обжигом известняка в специальных печах. Для приготовления извести годятся только известняка, не содержащие примесей, а также мрамор и раковины. Грязные известняки, в состав которых, наряду с карбонатом кальция, входят доломит, глина или песок, при обжигании дают нечистую известь. Раньше её называли тощей, в отличие от жирной, получаемой из чистого известняка. При обжиге выделяется углекислый газ и остаётся плотная каменистая масса оксида, называемая негашёной известью или кипелкой. Для гашения извести порошок оксида обливают водой, которую берут в массовом соотношении 1 : 1. Реакция взаимодействия оксида кальция с водой протекает настолько энергично, что от выделяющейся теплоты раствор начинает кипеть, поднимаются клубы пара. Каменистая масса негашёной извести, поглотив воду, рассыпается в порошок. Такую известь, представляющую собой гидроксид кальция, называют пушонкой. Её и используют для приготовления цементного раствора. Иногда гашение извести проводят прямо на месте.Для этого выкапывают в земле яму, укрепляют её стены досками, заполняют примерно на треть кипелкой и добавляют воду.

Внутренние поверхности зданий после штукатурки шпатлюют – покрывают тонким белым слоем, состоящим мела или гипса. Поверхность него клеят обои или наносят краску. Традиционно используемые масляные краски содержат пигмент, льняное масло, которое при высыхании образует прозрачную плёнку, и растворитель, например скипидар или керосин, запах растворителя при покраске чувствуется за несколько десятков метров, и длительно находиться в таком помещении опасно для здоровья. Использование водоэмульсионных красок, представляющих собой водные эмульсии синтетических полимеров на основе поливинилацетата, полиметилметакрилата, полистирола, гораздо более удобно. Они практически не имеют запаха. По мере испарения воды полимер, в котором растворен красителей, превращается в тонкую эластичную плёнку.

При кладке стен, помимо известкового раствора, используют цемент. Римлянеполучали его из извести и вулканического пепла. Римский учёный Плиний Старший писал о цементе, что это порошок «может служить оплотом против волн морских и, и будучи погружён в воду, превращается в твёрдый камень, для волн неодолимый, и становится ежедневно твёрже». Вулканический пепел для получения цемента продолжали использовать вплот до XIX в., когда ему на смену пришёл цемент, изготовляемый из извести и глины. Новый цемент, в отличие от старого, римского, называли портланд-цемент, по имени местечка в Англии, где залегают песчаники, впервые использованные для его производства. Портланд-цемент представляет собой серый порошок, полученный при обжиге смеси трёх частей известняка и одной части глины. В печах при температуре 1400 С известняк разлагается до оксида кальция, который взаимодействует с обезвоженной глиной, превращаясь в силикаты и алюминаты кальция: алит, белит, трёхкальциевый алюминат. Оксид железа, придающий глине характерный землистый цвет, превращается в алюмоферрит. Все эти вещества входят в состав цементного клинкера – массы, образовавшейся в результате обжига. После охлаждения клинкер размалывают и просеивают через тончайшие сита. Чем тоньше помол, тем прочнее цемент. В зависимости от прочности цемент делят на марки: 300, 400, 500, 600.

Для затвердевания клинкер смешивают с водой – на 1 кг порошка в среднем берут 450 мл воды. Приготовленная взвесь, называемая цементным раствором, со временем твердеет. При добавлении воды многие вещества, входящие в состав клинкера, переходят в раствор, а со временим кристаллизуются из него в виде гидратов.

Эти вещества, представляют собой химические соединения, условно записываемые для простоты в виде комбинации оксидов, и составляют основу цементного камня, образующегося при затвердевании цементного раствора. Они придают ему прочность и долговечность. Бетон, в состав которого введена железная арматура, называют железобетоном.

При затвердевании цемент даёт усадку – уменьшается в объёме. Для уменьшения усадки и увеличения прочности в него добавляют песок, щебень, мраморную крошку и иные наполнители. Полученный материал называют бетоном. Бетон используют для заливки фундаментов зданий, изготовления панелей, применяемых в массовом жилом строительстве. Он служит также материалом для скульптуры. Гигантская фигура Родины-Матери на Мамаевом кургане в Волгограде выполнена из прочного железобетона. Несмотря на то что толщина бетонной оболочки памятника не превышает 30 см, его масса при высоте фигуры 85 м составляет 6 тысяч тонн. Выполненный из стали меч длиной 29 м весит 14,3 тонны.

Под действием влаги воздуха, углекислого газа и перепадов температур цемент и бетон постепенно разрушаются – они теряют прочность гораздо быстрее, чем природный камень. Попадая в поры, вода растворяет и разлагает соединения кальция, которые придают материалу прочность.

Химия- наука, связанная со многими областям деятельности. Не обошла она стороной и один из наиболее интересных видов деятельности – архитектуру.

Так при строительстве и отделки зданий трудно обойтись без цемента, бетона, гипса. Всё это примеры вяжущих веществ, которые при смешивании с водой образуют тестообразную массу.

Одним из древнейших вяжущих веществ является гипс, известный ещё в Древнем Египте. Это вещество представляет собой двуводный сульфат кальция, встречающийся в природе в виде минерала. Образующийся при этом полуводный сульфат кальция называют жженым гипсом. При разведении водой он быстро твердеет (схватывается), снова превращаясь в дигидрат.

При кладке кирпичных стен и для штукатурных работ строители используют известковый раствор – взвесь порошка гашёной извести (гидроксида кальция) и кварцевого песка (оксида кремния) в воде.

При высыхании из раствора выделяются кристаллы гидроксида кальция, которые срастаются друг с другом. Чтобы поверхность стены получалась ровной, а также для лучшего сцепления штукатурки с кладкой её затирают специальными тёрками. Со временем гидроксид кальция постепенно реагирует с углекислым газом, в небольшом количестве содержащимся в воздухе. Образующийся при этом порошок карбоната кальция представляют собой рыхлую массу, которая заполняет все пустоты, способствуя ещё более прочному сращиванию отдельных зёрен кварцевого песка.

Известь, необходимую для штукатурных работ, получают обжигом известняка в специальных печах. Для приготовления извести годятся только известняки, не содержащие примесей, а также мрамор и раковины.

Внутренние поверхности зданий после штукатурки шпатлюют – покрывают тонким белым слоем, состоящим мела или гипса. Поверхность него клеят обои или наносят краску. Традиционно используемые масляные краски содержат пигмент, льняное масло, которое при высыхании образует прозрачную плёнку.

При кладке стен, помимо известкового раствора, используют цемент. Римляне получали его из извести и вулканического пепла. Римский учёный Плиний Старший писал о цементе, что это порошок «может служить оплотом против волн морских и, будучи погружён в воду, превращается в твёрдый камень, для волн неодолимый, и становится ежедневно твёрже». Вулканический пепел для получения цемента продолжали использовать вплоть до XIX в., когда ему на смену пришёл цемент, изготовляемый из извести и глины.

При затвердевании цемент даёт усадку – уменьшается в объёме. Для уменьшения усадки и увеличения прочности в него добавляют песок, щебень, мраморную крошку и иные наполнители. Полученный материал называют бетоном.

Под действием влаги воздуха, углекислого газа и перепадов температур цемент и бетон постепенно разрушаются – они теряют прочность гораздо быстрее, чем природный камень. Попадая в поры, вода растворяет и разлагает соединения кальция, которые придают материалу прочность. Т.к. все старинные театры были построены из природного камня, их части сохранились и по сей день.