1)Связь состава, структуры и свойств строительных материалов

Внутреннее строение веществ, составляющих материал, определяет механическую прочность, твердость, тугоплавкость и другие важные свойства материала.

Кристаллические вещества, входящие в состав строительного материала, различают по характеру связи между частицами, образующими пространственную кристаллическую решетку. Она может быть образована: нейтральными атомами (одного и того же элемента, как в алмазе, или различных элементов, как в SiO2);ионами (разноименно заряженными, как в СаСО3, или одноименными, как в металлах): целыми молекулами (кристаллы льда).

Ковалентная связь осуществляется обычно электронной парой, образуется в кристаллах простых веществ (алмаз, графит) и в кристаллах некоторых соединений из двух элементов (кварц, карборунд, другие карбиды, нитриды). Такие материалы выделяются очень высокой механической прочностью и твердостью, они весьма тугоплавки.

Ионные связи образуются в кристаллах тех материалов, в которых связь имеет преобладающе ионный характер. Распространенные строительные материалы этого типа гипс и ангидрид имеют невысокую прочность твердость, не водостойки.

Силикаты, занимающие особое место в строительных материалах, имеют сложную структуру, обусловившую их особенности. Так, волокнистые материалы (асбест) состоят из параллельных силикатных цепей, связанных между собой положительными ионами, расположенными между цепями. Ионные силы слабее ковалентных связей внутри каждой цепи, поэтому механические воздействия, недостаточные для разрыва цепей, разделяют такой материал на волокна. Пластинчатые минералы (слюда, каолинит) состоят из силикатных групп связанных в плоские сетки.

Строение материала изучают на трех уровнях: 1) макроструктура материала - строение, видимое невооруженным глазом; 2) микроструктура материала - строение видимое в оптический микроскоп 3) внутреннее строение веществ, составляющих материал, на молекулярно-ионном уровне, изучаемом методами рентгено-структурного анализа, электронной микроскопии и т.п.

Состав и свойства

Строительный материал характеризуется химическим, минеральным и фазовым составом

Химический состав строительных материалов позволяет судить о ряде свойств материала: огнестойкости, биостойкости, механических и других технических характеристиках. Химический состав неорганических веществ (цемента, извести и др.) и каменных материалов удобно выражать количеством содержащихся в них оксидов (%). Основные и кислотные оксиды химически связаны между собой и образуют минералы, которые и определяют многие свойства материала.

Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в вяжущем веществе или в каменном материале.

Фазовый состав материала и фазовые переходы воды, находящиеся в его порах, оказывают влияние на все свойства и поведение материала при эксплуатации. В материале выделяют твердые вещества, образующие стенки пор, т.е. каркас материала, и поры, заполненные воздухом и водой. Если вода, являющаяся компонентом этой системы, замерзает, то образовавшийся в порах лед изменяет механические и тепломеханические свойства материала. Увеличение же объема замерзающей в порах воды вызывает внутренние напряжения, способные разрушить материал при повторных циклах замораживания и оттаивания.

2) Физические свойства строительных материалов

Истинная плотность ρи – масса единицы объема абсолютно плотного материала, т. е. без пор. Вычисляется она в кг/м3, кг/дм3 или г/см3 по формуле

ρи = m/Va ,

где m – масса материала кг, г; Va – объем материала в плотном состоянии,

Средняя плотность ρс – масса единицы объема материала в естественном состоянии, т. е. с порами. Она может быть сухого материала, в состоянии естественной или другой влажности, указываемой в стандарте. Среднюю плотность в кг/м3, кг/дм3, г/см3 вычисляют по формуле

ρс = m/V,

где m – масса материала, кг, г; V – объем материала, м3, дм3,см3.

Насыпная плотность ρн – масса единицы объема сыпучего материала. Ее определяют для щебня, гравия, песка, цемента и др. Насыпную плотность, кг/м3, кг/дм3, г/см3, вычисляют по формуле

ρн = m/V,

где m – масса сыпучего материала, кг, г; V – объем сыпучего материала, м3.

Относительная плотность d – отношение средней плотности материала к плотности стандартного вещества. За стандартное вещество принята вода при температуре 4 °С, имеющая плотность 1000 кг/м3. Относительная плотность (безразмерная величина) определяется по формуле

d = ρс/ρст.

Пористость П – степень заполнения объема материала порами. Вычисляется в процентах по формуле

П = ( 1 – ρс/ρи)·100,

где ρс , ρи – средняя и истинная плотности материала.

Влажность W – содержание воды в материале в данный момент. Она определяется отношением массы воды, содержащейся в материале в момент взятия пробы для испытания, к массе сухого материала. Вычисляется в процентах по формуле

W = ( mв – mс ) / mс · 100,

где mв, mс – масса влажного и сухого материалов, г.

Морозостойкость – способность материалов в водонасыщенном состоянии не разрушаться при многократном попеременном замораживании и оттаивании.

Теплопроводность – способность материалов проводить тепло. Теплопередача происходит в результате перепада температур между поверхностями, ограничивающими материал. Теплопроводность λ, Вт/(м∙°С), равна количеству тепла Q, Дж, проходящего через материал толщиной δ = 1 м, площадью S = 1 м2 за время τ = 1 ч при разности температур между поверхностями T1 – T2 = 1 °C;

λ = Qδ / [Sτ (T1 – T2)].

Теплопроводность материала оказывает влияние на термическое сопротивление ограждения, например наружной стены здания, чердачного перекрытия. Термическое сопротивление ограждения R, м2 • °С/ Вт, определяется по формуле

R = δ / λ,

где δ – толщина ограждения, м; λ – теплопроводность, Вт/(м · °С).

Термическое сопротивление слоя ограждения прямо пропорционально его толщине и обратно пропорционально теплопроводности его материала.

Теплоемкость – способность материалов поглощать тепло при нагревании. Она характеризуется удельной теплоемкостью с, Дж/(кг • °С), которая равна количеству тепла Q, Дж, затраченному на нагревание материала массой m = 1 кг, чтобы повысить его температуру на t2 – t1 = 1 °C:

с = Q/ [m(t2 – t1 )].