Композиционные материалы на основе асбеста

№59-1,

Физико-математические науки

Асбест, классификации асбеста, химические составы, его преимущества, недостатки и где применяется. Разработка состава для улучшения прочности асбестоцементных изделий.

Похожие материалы

Асбест – природное сырье, известное миру с доисторических времен. Он упоминается в источниках Египта͵ Древней Греции, Древнего Рима, Китая, Индии, Арабского Востока. В средние века считали, что асбест является шерстью существа, похожего на змею, живущего в огне и называемого саламандрой. В переводе с греческого асбест означает ʼʼнеугасимыйʼʼ, ʼʼнеразрушимыйʼʼ. Это качество на многие столетия определило главные области применения асбеста – обеспечение огнезащиты и тепловой защиты.

Арабские путешественники упоминают о применении асбеста в качестве ʼʼвечногоʼʼ фитиля для светильников (в древней рукописи значится ʼʼфитильный каменьʼʼ). Благодаря волокнистому строению асбест во многих странах издавна служил пряжей для несгораемых тканей. Асбестовая ткань ценилась так же дорого, как жемчуг.

В 1901 ᴦ., австрийский инженер Людвиг Гатчек запатентовал свое изобретение на способ изготовления асбестоцементных плит. Изделия, получаемые по разработанной технологии, автор назвал этернит (в переводе с латинского обозначает ʼʼвечныйʼʼ, ʼʼдолговечныйʼʼ), а в народе его назвали асбестовым шифером.

В 1913 ᴦ. В Италии было организовано производство асбестоцементных труб, в данном же году был проложен первый напорный водопровод из них. С 1923 ᴦ. Началось массовое производство напорных труб во Франции, Англии, Германии, Японии, США. К 1938 ᴦ. асбестоцементные листовые изделия выпускали в 25 странах мира, трубы – в 15 странах.

В целом во время Второй мировой войны во всем мире потребление асбеста увеличилось. Особенно много асбеста применяли в производстве боевой техники, в основном для теплоизоляции корпусов, и при строительстве фортификационных сооружений. В некоторых европейских странах асбест начали применять при изготовлении железнодорожных шпал и укладке покрытий высокоскоростных дороᴦ.

Асбест - коммерческое название группы природных минералов из класса силикатов. Общее название "асбест" объединяет разные по химическому составу, минералогическому строению, физико-химическим свойствам и биологической активности силикатные минералы, у которых сходно только волокнистое строение и, как следствие, некоторые возможные направления применения.

Асбестосодержащие породы широко распространены. Почти в любой горной породе есть волокна асбеста. Залегания асбеста, как правило, неглубокие, поэтому в природе идет естественное вымывание и выветривание его волокон из горных пород. Это обуславливает постоянное присутствие волокон асбеста в окружающей среде, так же как и других компонентов - кислорода, азота, углекислого газа, различной пыли (песка, глины, известняка) и т. д.

Классификация асбеста

Серпентиновые

Амфибольные

Хризотил

Крокидолит

Амозит

Антофиллит

Тремолит

Актинолит

Амфибольные - минералы представляют собой двойные цепочки кремнеземных тетраэдров, поперечно связанные катионовыми мостиками. Химический и физический состав различных амфибол асбестов весьма разнообразны. Состав рабочего образца совпадает с предполагаемой теоретической чрезвычайно редко. Однако при идентификации различных волокон для удобства работы пользуются теоретическими допусками.

Крокидолит Na2(Fe2+, Mg)3Fe23+Si8O22(OH)2 (рибекит-асбест) Типичные для крокидолита пучки волокон распадаются на более короткие и тонкие волокна легче, чем волокна других амфибол асбестов. Однако образующиеся таким образом волокна обычно не так малы в диаметре, как волокна хризотила. В сравнении с другими амфиболами или хризотилом крокидолит обладает сравнительно плохой жаростойкостью, но его волокна широко применяются там, где требуется высокая кислото устойчивость. Крокидолитовые волокна обладают от умеренной до хорошей гибкостью, слабой прядомостью и меняющейся от мягкой до жесткой текстурой. В отличие от хризотила крокидолит обычно бывает загрязнен органическими примесями, в том числе небольшим количеством полициклических ароматических углеводородов, таких как бензапирен.

Амозит (Fe2+, Mg)7 Si8O22(OH)2 - (грюнерит-асбест) Волокна амозита обычно длиннее, чем у крокидолита. Большинство амозитовых волокон имеют прямые края и характерные прямоугольные окончания осей.

Антофиллит (Mg,Fe)7(OH)2[Si8O22] -асбест представляет собой сравнительно редкий волокнистый призматический магниево-железистый амфибол, который иногда встречается в виде примесей в месторождениях талька. Характерно, что волокна антофиллита крупнее, чем у других распространенных форм асбеста.

Тремолит (Сa2Mg5Si8O22(OH)2) и Актинолит (Ca2(Mg,Fe)5Si8O22(OH)2) - асбест Тремолит-асбест это моноклинный кальциево-магниевый амфибол. Актинолит-асбест это его железозамещенный дериват. Оба вида волокон редко обнаруживаемые в самостоятельных месторождениях, чаще всего встречаются как загрязняющие примеси в других месторождениях асбеста. Первый как примесь в месторождениях хризотила и талька, второй в амозитовых месторождениях. Тремолит-асбестовые волокна разнятся по размеру, но могут приближаться к величине волокон крокидолита и амозита.

Виды характеризуются высоким пределом прочности на разрыв, низкой теплопроводностью и относительно высокой химической стойкостью, плавится при температуре 15500 С. Его прочность при растяжении вдоль волокон – до 30000 кгс/см2.

Асбест стоек по отношению к действию щелочей, кислот и других агрессивных жидкостей. По химическому составу асбестовые минералы являются водными силикатами магния, железа, кальция и натрия.

Хризотил – асбест(3MgO∙2SiO2∙2H2O) – это универсальный строительный материал, в состав которого входит гидросиликат магния. Такой вид асбеста применяется в качестве термостойкого и теплоизоляционного материала, а также в качестве основного компонента при изготовлении асбестоцементных асбестотехнических изделий.

Хризотил – асбест является единственным видом асбеста, широко применяемого по всему миру, так же характеризуется как наименее опасный для оператора изолирующий материал, даже в сравнении с целлюлозой и искусственными материалами. Он, наравне со стройматериалами данной группы (опасными сортами асбеста), имеет свойство расщепляться на тончайшие микроволокна;

Хризотил – асбест , наравне с другими стройматериалами данной группы, способен полностью сохранять свои эксплуатационные качества даже при температуре +500 градусов Цельсия. Его волокна не горят.

Если же температура поднимется выше отметки +700 градусов по Цельсию, асбестовые волокна потеряют свои физико-механическую прочность и станут хрупкими. Температура плавления от 1500градусов.

Химический состав

По химическому составу асбест является водным силикатом магния — 3MgO · 2SiO3 · 2H2O. Весовое содержание этих окислов в % следующее:
MgO — 43,46%, SiO2 — 43,5%, H2O — 13,04%.

Таблица 1. Химический состав Хризотил-асбеста

Соединение

Массовая доля

SiO2

40.70 ... 42.80

Al2O3

0.45 ... 1.40

Cr2O3

0.01 ... 0.09

FeO

0.09 ... 1.25

Fe2O3

0.30 ... 1.44

MgO

41.00 ... 42.30

MnO

0.00 ... 0.27

CaO

0.00 ... 0.40

NiO

0.00 ... 0.24

Na2O

0.00 ... 0.08

K2O

0.00 ... 0.05

H2O +

12.60 ... 13.30

H2O -

0.50 ... 1.30

Прочие

12.60 ... 14.00

В составе хризотил-асбеста (таблица 1) может быть некоторое количество загрязняющих минеральных примесей, количество которых колеблется даже в одном и том же месторождении и достигает следующих величин: FeO + Fe2O3 — до 8%, Al2O3 — до 3,6%, СаО встречается редко, но содержание его может достигать 1,4%.

Из загрязняющих примесей наиболее отрицательно влияют на физико-механические свойства хризотил-асбеста карбонаты кальция (СаСO3), которые, цементируя элементарные кристаллы, увеличивают их агрегатную связность, что влечет за собой снижение эластичности и распушиваемости волокон.

При использовании асбеста в электроизоляционных материалах важно, чтобы содержание в нем магнетита, мегамита и щелочей было минимальным, так как эти примеси повышают электропроводимость асбеста. Эти свойства и определяли его применение в промышленном производстве строительных материалов.

Асбестоцемент – это композитный материал, который изготавливается из цемента, перемешанного с асбестовыми волокнами. В качестве вяжущего используют специальный «портландцемент дли асбестоцементных изделий» М400 и М500, выпускаемый по ГОСТ 9835-77 из клинкера с содержанием гипcа в пересчете на SO3) -1,5-3,5%.

В приготовленной исходной массе волокна асбеста должны распределяться равномерно. Адcорбируя выделяющиеся при твердении цемента продукты гидратации, асбест уменьшает их концентрации в растворе. Это ускоряет схватывание и твердение цемента, а, цементный камень прочно связывается с волокнами асбеста

Среди недостатков асбестоцемента отмечают следующие:

  1. Чувствительность к ударным нагрузкам. В этом отношении асбоцемент можно назвать достаточно хрупким. Однако это негативное свойство решается посредством дополнительного армирования.
  2. Возможность деформации при повышении влажности материала.

Многие годы асбест используется в космической технике, при производстве тормозных колодок и накладок для дисков сцепления в автомобилях, огнеупорных и теплоизоляционных материалов, специальной технической бумаги, а также в промышленности строительных материалов для изготовления асбестоцементных плит, труб и т.п. Хризотиловый асбест является основным компонентом для цементных, технических и картонных изделий. В настоящее время хризотил-асбест используют в 65 странах, в которых проживает более 2/3 населения земного шара 11. Самый большой потребитель асбеста — асбоцементная промышленность. Более 75% хризотилового асбеста, который добывается в России и мире, традиционно используется в производстве асбоцементных изделий. В продуктах этого вида промышленности (трубы и листы) содержится 10—15% асбеста (в основном хризотил). Другим важнейшим потребителем асбоволокна является производство асфальта и виниловых плиток для половых покрытий.

Из-за низкой коррозионной стойкости металлические трубы выходят из строя через 5-10 лет. За счет коррозии их внутренний диаметр уменьшается, снижается скорость движения воды и тепла. Ежегодная продувка только увеличивает подход кислорода к стенкам труб, ржавчина сохраняется, и быстро образуется новая. Толщина стенок уменьшается, трубы не выдерживают рабочего давления.

Асбестоцементные трубы в нашей стране выпускаются двух модификаций – безнапорные и напорные. Асбестоцементные безнапорные трубы используют для устройства напорной и ненапорной канализации, дымоходов, прокладки кабелей, дренажных коллекторов, конструкций ограждений. Напорные трубы применяют для газоснабжения, транспортировки технической и питьевой воды (холодной и горячей), вентиляции, устройства колодцев, мусоропроводов, мелиорации, в качестве обсадных труб.

Асбестоцементные трубы, безусловно, имеют больше преимуществ в эксплуатации, чем металлические и полиэтиленовые. Асбестоцементные трубы стойки к агрессивным средам, не подвержены коррозии и не нуждаются в гидроизоляции. Поскольку трубы неэлектропроводны, по ним не проходят блуждающие токи, они не нуждаются в катодной защите, как металлические. В отличие от металлических, асбестоцементные трубы не отпотевают при транспортировке холодной воды. Из-за отсутствия коррозии внутренняя поверхность труб не «зарастает». Асбестоцементные трубы выдерживают температуру до 160°С и давление до 1,2 МПа. Асбестоцементные трубы имеют низкое линейное расширение (8,15 мм на 1 п.м.), которое компенсируется зазором в 10-15 мм между трубами. Поддержание такого зазора производится с помощью самоуплотняющихся асбестоцементных муфт, устанавливаемых между трубами.

Теплопроводность асбестоцементных труб в сто раз меньше, чем стальных труб, поэтому применение асбестоцементных труб возможно в упрощенной засыпной теплоизоляции при бесканальной прокладке. Низкая теплопроводность асбестоцемента делает особенно выгодным использование асбестоцементных труб для транспортировки горячей воды. Асбестоцементные трубы в 2-5 раз дешевле стальных, чугунных, пластмассовых и намного долговечнее металлических и пластмассовых труб.

Производство изделий из асбоцемента ведется согласно положений ГОСТ № 1839-80 «Трубы и муфты из асбоцемента для безнапорных трубопроводов» и его аналога ГОСТ №539-80 для напорных систем. Технологический процесс изготовления имеет следующую последовательность:

  1. Асбест в дробильных барабанах измельчается на разделенные волокна.
  2. Создается сухая смесь с соотношением компонентов 15% — измельченный асбест, 85% — портландцемент, в которую добавляется требуемое количество воды.
  3. Состав заправляется в центрифугу, при вращении которой он оседает ее на стенках, вследствие чего образуется линия заданной геометрии.
  4. Труба перемещается в пропарочной камеру, где в условиях повышенных температур изделие набирает итоговую прочность.

Выделяют такие преимущества асбестовых труб:

  1. Низкая цена.
  2. Стойкость к коррозии.
  3. Низкая адгезия к отходам биологической основы. Они не оседают на стенках изделия.
  4. Сильная прочность, инертность к случайным токам
  5. Высокая стойкость к морозам.
  6. Низкая теплопроводность. Это приводит к экономии денег, так как трубопроводы не нужно утеплять. Асбестовые трубы способны переносить температуру до 130 градусов, они при этом не повреждаются.
  7. Небольшой вес, если сравнивать с изделиями из металла или железа.
  8. Долгий срок эксплуатации.

Недостатки асбестовых труб:

  1. Их нельзя использовать при температуре, которая превышает 300 градусов. В противном случае трубы начнут трескаться.
  2. Так как асбестоцемент имеет низкую теплопроводность, для дымохода это обеспечивает низкую тягу.
  3. При транспортировке конструкции, ее укладке требуется особая осторожность, так как она достаточно хрупкая. Нужно обеспечить дополнительную защиту от проседания грунта, так как они способны вызвать перелом трубы.
  4. Данные изделия плохо сопротивляются песку. По этой причине не выбирают асбестовые трубы, если в воде есть наличие песчаного материала.

Ежегодный прирост производства асбестоцементных изделий составлял 5-7%. Но с 2005 г. Производства изделий заметно снизилось, в основном из-за резкого подорожания цемента в стране и отчасти уменьшений действующих мощностей.
На рисунке 1 и рисунке 2 представлены Динамики производства асбестоцементных труб, муфт и шифера в РФ 2005-2011 г.

Динамики производства асбестоцементных труб, муфт в РФ 2005-2011 г., тыс. км условных труб.
Рисунок 1. Динамики производства асбестоцементных труб, муфт в РФ 2005-2011 г., тыс. км условных труб.
Динамики производства асбестоцементных труб, муфт в РФ 2005-2011 г., тыс. км условных труб.
Рисунок 2. Динамики производства асбестоцементных труб, муфт в РФ 2005-2011 г., тыс. км условных труб.

Разработка состава для улучшения прочности асбестоцементных изделий

Благодаря стремительному развитию технологий производства стройматериалов стало возможно получение новых композиционных материалов, включающих в себя макро и микро добавки, улучшающие физико-химические свойства. В данной работе предпринята попытка создания нового композиционного материала на основе вяжущего и хризотилового асбеста.

Их серьезным недостатком является - набухание, усадка и потери прочности при ударных нагрузках.

Для решения этой проблемы нами были синтезированы составы представленные в таблице 2.

Таблица 2.

Марка состава

Компоненты, масс %

Асбест

Вяжущее

Песок

Бишофит

Вода

Состав №1

1-3

50-58

-

39-49

-

Состав №2

1-4,5

16-45

30-60

-

Ост.

Состав №3

4-8

55-75

-

35-45

-

В таблице 3 и на рисунке 3 представлены результаты определения прочности синтезированных материалов в 28 сут. возрасте.

Таблица 3.

Марка состава

Прочность, МПа

28 дней

Состав №1

35

Состав №2

38

Состав №3

44

Результаты определения прочности
Рисунок 3. Результаты определения прочности

Из рис. 3 видно, что прочность а/б цементных изделий возрастает от содержания

Опыты в данной работе показали, что хризотил-асбест может быть использован как «фибра» для создания композиционных строительных материалов.

Список литературы

  1. С.М Нейман, А.И. Везенцев, С.В. Кащанский; О безопасности асбестоцементных материалов и изделий; Москва 2006
  2. Строительные материалы. Горчаков Г.И. 1986
  3. Сперанская Ольга, АСБЕСТ: РЕАЛЬНОСТЬ, ПРОБЛЕМЫ, РЕКОМЕНДАЦИИ, 2008
  4. Сперанская Ольга, ХРИЗОТИЛОВЫЙ АСБЕСТ – МИФЫ И РЕАЛЬНОСТЬ, 2008
  5. М.В. Сайфулин, Реферат – Доклад Асбест, Екатеринбург 2003.