3. Неразрушающиеметодыиспытаний

Кромеразрушающихметодовопределенияпрочностисце-льюконтролякачестваматериаловмогутиспользоватьсянераз-рушающиеметодыопределения прочности.

Неразрушающиеметодыиспытанийоснованынавзаимо-связипрочностиматериаласкакой-либодругойхарактеристи-койматериала,определяемойспомощьюфизическихприборовилиударныхинструментов.

Например,известно,чтопрочностьматериалазависитотегопористости,искоростьраспространениявматериалеульт-развуковыхволнзависитотстепенидефектностиструктуры,т.е.пористости.

Следовательно,можетсуществоватьвзаимосвязь«проч-ность–скоростьраспространенияультразвуковыхволн».Такимобразом,скоростьраспространенияультразвукавматериалеможетслужитькосвенной характеристикойпрочности.

Вкачестветакихкосвенныххарактеристикпрочностиис-пользуются:

• скоростьраспространениявматериалеультразвуковых

волн;

• динамическиймодульупругости,рассчитываемыйпочастотесобственныхколебанийматериала(резонансный метод)илискоростираспространенияизатуханиявматериалеультра-звуковыхволн(импульсныйметод);

• диаметротпечаткаотудараспециальногомолотка и др.

Дляоценкипрочностиматериаланеразрушающимметодомсначаластрояттарировочнуюкривуюпорезультатамиспыта-нийобразцовматериаланеразрушающимиразрушающимме-тодами(определяюткосвеннуюхарактеристикуипределпроч-ностинаоднихитехжеобразцахиввидеточкинаносятнаграфик).Затемпорезультатамнеразрушающегометодаиспы-танийитарировочнойкривойоцениваютпрочностьматериалабезегоразрушения.

4. Химическиесвойства материалов

1. Химические свойства

Химическиесвойстваматериаловхарактеризуютихспо-собностьвступатьвхимическиевзаимодействиясразличнымивеществами окружающейсреды.

Взависимостиотрезультатахимическихпревращенийма-териалов(полезныеивредные)условнохимическиесвойстваможноразделитьнагруппы.

1. Свойства,характеризующиехимическуюактивностьвяжущихвеществ.Врезультатехимическоговзаимодействияобразуютсяновыесоединения,обеспечивающиеформированиеструктурыикомплексаполезныхсвойствкомпозиционныхма-териалов.

Твердениенеорганическихвяжущихвеществосновано,главнымобразом,нахимическихреакцияхминераловвяжущихвеществсводой.

Например,

• твердениестроительногогипса:CaSO₄·0,5H₂O+1,5H₂O=CaSO₄·2H₂O;

• твердениеизвести:

а)гашение:CaO+H₂O=Ca(OH)₂;

б)карбонизация:Ca(OH)₂₊CO₂₌CaCO₃₊H₂O;

• твердениецемента:

а)трехкальциевыйсиликат(алит)взаимодействуетсводойсобразованиемгидросиликатовкальцияпеременногосостава(ГСК)и гидроксида кальция:

3CaO·SiO₂₊nH₂O=2CaO·SiO₂(n–1)H₂O+Ca(OH)₂;

б)трехкальциевыйалюминатвзаимодействуетсводойвприсутствиигипсасобразованиемгидросульфоалюминатакальция–минералаэттрингита:

3CaO·Al₂O₃₊3CaSO₄·2H₂O+(25–26)H₂O=

=3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·(31–32)H₂O;

кромеэтогообразуются гидроалюминатыкальция;

в)привзаимодействиисводойдвухкальциевогосиликата(белита)образуютсягидросиликаты.

Химическаяактивностьвяжущихвеществзависитотхими-ческогоиминеральногосостава.

Длявоздушнойизвести,например,основнойпоказатель,откоторогозависитсортизвести,–этоактивность,котораяопре-

деляется^{содержаниемактивныхCaOиMgOв%.Например,из-весть}1-госортадолжнасодержатьнеменее90%(CaO+MgO)активных,т.е.вступающихвреакциюсводойвпроцессегаше-ния.

Длядругихвяжущих(цемент,гипс)активностьоценивает-сяпоспособностиобеспечиватьпрочностныесвойствакопре-деленномусрокутвердения.

Обактивностивяжущихможно такжесудитьпоколичествутепла, котороевыделяетсявходехимическихреакций.

2. Свойства,характеризующиеспособностьматериаловсопротивлятьсядействиюхимическиагрессивнойсреды,вызы-вающейвнихобменныереакциииприводящиекразрушениюматериалов.

Этокислотостойкость,щелочестойкость,стойкостькодно-временному действиюкомплексахимическиактивныхагентовидр.Крометого,длянекоторыхматериаловхимическиесвойстваоцениваютсяпоспособностинеразлагаться,неразрушатьсястечениемвремени(органическиевяжущиевещества,полимерыиматериалынаихоснове).

Химическаястойкостьзависитот:

−химическогосостава;

−минерального(фазового)состава;

−микроструктуры(соотношениякристаллическихиаморфныхфаз:уаморфныхфазвышехимическаяак-тивность,чемукристаллических);

−макроструктуры:чемплотнеематериал(нижепорис-тость),темвышехимическаястойкость.

Кислото-ищелочестойкость–свойстваматериалов,ха-рактеризующиеихспособностьпротивостоятьразрушающемудействию,соответственно,растворовкислотилиихсмесейиводныхрастворовщелочей.Этисвойствахарактеризуютсяпо-тереймассыизмельченногоматериалаприобработкеопреде-леннымирастворамикислотилищелочей (в%).

Охимическойстойкостиматериаловможноприблизитель-носудитьпохимическомусоставуипомодулю основности:

^{%CaO+%MgO+%Na}₂^OK₂^O

M_o= .

%SiO₂₊%Al₂O₃

(5.22)

Принизкихзначенияхмодуляосновности(многоSiO_2всо-ставе)материалыстойкиккислотам,носпособныквзаимодей-ствиюсощелочами–кварц,гранит,кварцит,силикатноестек-ло.Кромеэтого,кислотостойкиуглеродистыестали,чугуны,содержащие более 2,5%углерода,титан.

Привысокихзначенияхмодуляосновностиматериалыще-лочестойки,норазрушаютсякислотами.

Например,М_{оцементного}камня~3/2–цементныемате-риалыразрушаютсябольшинствомкислотищелочестойки.Угорныхпород,состоящихизкальцитаСаСО_{3(известняк,}мра-мор),модульосновностиимееточеньбольшоезначение–поро-ды легкоразрушаются кислотами,но щелочестойки.

Кщелочестойкимматериаламотносятсяизвестняки,мра-мор,бетонынаосновепортландцементаиглиноземистогоцемента,специальныехромоникелевыестали,никелевыелату-ни,стекло, содержащее оксид бора и др.

Степеньстойкостиматериаловкразрушающемудействиюрастворовразличныхкислотилищелочейразличнаитребуетконкретнойоценкивзависимостиотпредполагаемойобластиприменения.

Битумнеустойчиввщелочнойсреде,адревесинанеустой-чиванивщелочной,нивкислой среде.

Достаточновысокуюстойкостькдействиюрастворовще-лочейикислотпроявляюткерамическиематериалы,диабазибазальт,шлакоситаллы, многие пластмассы.

Важнымсвойством,характеризующимстойкостьорганиче-скихстроительныхматериалов,впервуюочередьполимерныхматериалов,являетсяихмаслобензостойкость(топливостой-кость)–способностьэтихматериаловпротивостоятьдействиюжидкихуглеводородныхтоплив.Приконтактесуглеводорода-миимасламиминеральногопроисхождениямногиеполимеры,особеннорезины,набухают.Урезиновыхматериаловстепень

набуханияможетдостигатьнесколькихсотенпроцентов.Мас-лобензостойкостьнеобходимоучитыватьпривыборематериа-ловдляпокрытияполовгаражей,станцийтехническогообслу-живания,некоторыхпромышленныхзданий,животноводческихпомещенийит.п.

Привыборехимическистойкихматериаловнеобходимоучитыватьтакжеспособностьматериаловпротивостоятьдейст-виюрастворовсолей,газовиодновременномудействиюне-сколькихагентоввхимическиагрессивныхсредах.

Кфизико-химическимсвойствамматериаловотносятихадгезионнуюспособность.Адгезия(отлат.adhaesio–«прилипа-ние»)–сцеплениеисвязьмеждунаходящимисявконтактепо-верхностямиразнородныхпосоставу(твердыхилижидких)тел(фаз),обусловленныемежатомнымисиламипритяжения.Этосвойствоимеетбольшоезначениеприсваркеипайкемате-риалов,склеивании,нанесениизащитно-декоративных(эмале-вых,лакокрасочныхидр.)покрытий,созданиикомпозицион-ныхматериалов–пластмасс,бетонов.

Всвязисовсерасширяющимсявнедрениемвстроительнуюпрактикусинтетическихполимерныхматериалов(иособенноотделочныхпластмасс)важнымкритериематтестациикачествастроительныхматериаловиизделийявляетсяоценкаихсани-тарно-гигиеническиххарактеристик–токсичности,биологи-ческогодействиявредныхдлялюдейхимическихзагрязненийвнешнейсредыиинтенсивногозапахаврезультатемиграцииизматериаловостаточныхмономеров,катализаторов,стабилиза-торов,пластификаторов,растворителейидругихнизкомолеку-лярныхсоединений,атакжеврезультатедеструкциивпроцессепереработкииэксплуатации.Применениевзданияхисооруже-нияхматериалов,обладающихлюбойстепеньютоксичности,категорическизапрещается.

Коррозия(отлат.сorrodo–«разъедаю»)–процессразру-шенияматериалаподдействиемагрессивныхфакторовокру-жающей среды.

Коррозияметаллов–разрушениевследствиехимическогоиэлектрохимическоговзаимодействияихскоррозионнойсредой;коррозиюжелезаисплавовнаегоосновеназываютржавлени-ем.Коррозиюгорныхпородназываютвыветриванием.Корро-зиябетона–разрушениебетонаврезультатефизического,хи-мического,физико-химическогоибиологическоговзаимодейст-виясвнешнейсредой.

Коррозионнаястойкость–способностьматериаласопро-тивлятьсяразрушениюврезультатедействиявнешнейагрес-сивнойсреды.

Коррозионнаястойкость–этокомплексное,анетолькохимическоесвойствостроительныхматериалов.

Коррозионнаястойкостьопределяетсясоставомиструкту-ройматериала,наличиеммеханическихнапряжений,состояни-емповерхности,условиями воздействия агрессивнойсреды.

Количественнокоррозионнаястойкостьматериаловоцени-ваетсяпо10-балльнойшкале(табл.5.9),характеризующейуменьшениетолщиныматериала(вмм/год).

Таблица5.9Шкалаоценкикоррозионнойстойкостиматериалов

Группастойкостиматериалов	Скоростькоррозии, мм/год	Балл
Совершенностойкие	Менее 0,001	1
Весьмастойкие	0,001…0,005	2
	0,005…0,01	3
Стойкие	0,01…0,05	4
	0,05…0,1	5
Пониженостойкие	0,1…0,5	6
	0,5…1	7
Малостойкие	1…5	8
	5…10	9
Нестойкие	Более 10	10

Материалы,отличающиесякоррозионнойстойкостьювразличныхагрессивныхсредах(оценкапошкаленевыше5баллов),называютсякоррозионностойкими.Книмотносятсякерамическиематериалысплотнымчерепком,стекла,асбесты,легированныестали,сплавытитанаиалюминия,многиепласт-массы и др.

Коррозионнаястойкостьметалловоцениваетсятакжепопотеремассыматериаласединицыплощади(вг/(м²·ч)),попо-теремеханическойпрочности,пластичностииподругимпока-зателям.

Коррозионнуюстойкостьметалловповышаютлегирова-нием,рафинированием,нанесениемзащитныхпокрытий,хими-ко-термическойобработкой идругимиспособами.

2. Выветриваниегорныхпородиспособы защитыВыветривание–процессразрушениягорныхпородика-

менныхматериаловподдействиемразличныхфакторовокру-жающей среды.

Стойкостьквыветриваниюзависитотминеральногососта-ваистроения.Устойчивымквыветриваниюявляетсякварц,ма-лоустойчивыми–полевыешпатыортоклазимикроклин,неус-тойчивыми–основныеплагиоклазы,оливин,кальцит,доломит,гипс,химическиактивныеминералы–сульфиды,сульфаты.

Факторы,вызывающиеразрушениекаменныхматериалов:

• физико-механические:

−суточныеколебаниятемпературы(возникновениевнутреннихнапряженийзасчетразногоизмененияобъемазеренразличныхминераловсотличнымипока-зателямитемпературноголинейногоиобъемногорас-ширения);

−совместноедействиеводыимороза(возникновениена-пряжений,связанныхспроникновениемизамерзаниемводывпорахимикротрещинахматериалов,втомчис-левозникающихпридобычеипереработкегорнойпо-роды);

• физико-химические:

−действиеводынаминералысповышеннойраствори-мостью(гипс,карбонаты)(растворениеивымывание);

−действиеводы,содержащейрастворенныегазы,втомчислеотпромышленныхвыбросов,особенноCO2,SO3,SO2,NO2идр.,приводящейкобразованиюно-выхи легкорастворимыхсоединений.

Например:

– длякарбонатныхпород:

CaCO₃₊H₂O+CO_2Ca(HCO₃)₂

соединение хорошо

снизкой растворимое

растворимостью соединение

CaCO₃₊2HNO_3 Ca(NO₃)₂₊H₂O+CO₂

соединение хорошо

снизкой растворимое

растворимостью соединение

– дляполевошпатныхпород:

K₂O·Al₂O₃·6SiO₂₊2H₂O+CO₂Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O+4SiO₂₊

+K₂CO₃

полевойшпат-ортоклаз	каолинит	аморфный
растворимоесоединение		кремнезем

−действиеорганическихкислот,образующихсяприжизнедеятельностимикроорганизмовнаповерхностиивтрещинахкамня.

Способызащитыотвыветриванияподразделяютсянатригруппы:

1. Конструктивные:

−приданиеизделиямиконструкциямтакойформы,кото-раяобеспечиваетхорошийстокводысповерхностикамня;

−повышениеплотностиигладкостиповерхностипутемшлифованияиполирования.

2. Физико-химическиеспособызащиты,направленныенауплотнениеповерхностииповышениеводостойкости:

−обработкагидрофобнымисоставами,например,крем-нийорганическимижидкостями(уменьшениесмачивае-мостиповерхности,скорости капиллярного подсоса);

−пропиткапористыхгорныхпородрастворамисолейкремнефтористоводороднойкислоты(H₂SiF₆)–флюата-ми(способфлюатирования).Применяетсянепосредст-веннодлякарбонатныхпород,другиепородыпредвари-

тельнопропитываютсярастворомизвестковойсоли,азатемфлюатом.

2CaCO₃₊MgSiF₆₌2CaF₂₊MgF₂₊SiO₂₊2CO₂

соединенияснизкой

растворимостью

Прифлюатированииобразуетсязащитныйслойизнерас-творимыхсоединений,заполняющихповерхностныепоры,вре-зультатеуменьшаетсяводопоглощение,увеличиваетсяморозо-стойкость;

−обработкаповерхностидобавкамиоксидасвинцаилижелезистыхсоединенийувеличиваетпогодоустойчи-вость.

3. Физико-химическиеспособызащиты,направленныенаобразованиеводонепроницаемыхпленокнаповерхности:

−обработкаполимерами(например,раствороммочевино-формальдегиднойсмолы)илимономерамиспоследую-

щейполимеризациейвпорахкамня;

−пропиткагорячим льняныммаслом;

−покрытиеслоемвоска,растворенноговскипидаре,па-рафина,растворенноговнефтяномдистиллятеилика-менноугольномдегте.

3. Коррозияцементныхматериаловиспособыповышениякоррозионной стойкости

Врезультатехимическоговзаимодействияпродуктовгид-ратацииклинкерныхминераловсводойисодержащимисявнейвеществамипроисходиттакназываемаяхимическаякоррозияцементногокамняибетона.Различаюттривидакоррозии:

• 1-йвидкоррозии–разложениесоставляющихчастейцементногокамняпрактическичистойводой,напримерпре-сной,растворениеивымываниеобразующегосяприэтомиужеранееимевшегосягидроксидакальция;

• 2-йвидкоррозии–образованиелегкорастворимыхсолейврезультатевзаимодействиясоставляющихцементногокамнясвеществами,находящимисявокружающейсреде,растворениеивымываниеэтихсолей,атакжеобразованиерыхлыхпродуктов,необладающихпрочностью.Наиболеехарактерныуглекислот-наяимагнезиальная коррозии.

Например,засчетобменныхреакцийобразуютсяраство-римыесоликальцияиаморфныйосадокMg(OH)₂:

Са(ОН)₂₊MgС1_2СаС1₂₊Mg(OH)₂

• 3-йвидкоррозии–образованиевцементномкамнепод

влияниемпроникающихвнеговеществтакихсоединений,ко-торыеимеютбольшийобъем,чемисходныевещества.Вре-зультатевозникаютвнутренниенапряжения,которыеприводяткпоявлениютрещин.

Например,вводе,содержащейсульфатмагния,протекаетрядреакций:

Са(ОН)₂₊MgSO_4СаSО₄·2Н₂О+Mg(OH)_23CaO·Al₂O₃₊3MgSO₄₊12Н₂ОСаSО₄·2Н₂О+Al(OН)₃₊

+Mg(OH)₂

3CaO·Al₂O₃₊СаSО_4·2Н2О3CaO·Al₂O₃·3СаSО₄·(31–32)Н₂О

эттрингит

гдеAl(OН)_3иMg(OH)_2–рыхлые осадки.

СаSО₄·2Н₂Оиэттрингит–кристаллы,вызывающиенапря-жение.Особенноопаснообразованиеэттрингитавпорахбетона,так какэто призматическиеилиигольчатыекристаллы,укоторыхобъемболеечемв2разапревышаетобъемисходныхфаз.

Мерыпредотвращения коррозии(кроме общекислотной):

• ИспользованиецементовспониженнымсодержаниемалитаиС₃Авклинкере,приэтомвцементномкамнеуменьша-етсясодержаниеСа(ОН)_2инеустойчивыхвысокоосновныхгид-роалюминатовкальция.

• Введениеприпомолеоптимальногоколичествагипса,которыйдолженполностьюсвязыватьсявпервые24–48часовтвердения цемента.

• Введениеактивныхминеральныхдобавок–врезультатепроисходитсвязываниеСа(ОН)_2внизкоосновныегидросилика-тыкальция;уменьшениеразмеровкристалловСа(ОН)₂;уплот-нениеструктурызасчетдополнительнообразующихсягидро-силикатовкальция.

• Всемеры,направленныенаснижениеводопотребностицемента,снижениепористостикамня,уплотнениеструктуры(например,снижениеВ/Цприиспользованиипластифицирую-щих добавок).

• Длязащитыбетонатакжеприменяютзащитныепокрытия.