4 Физико-химические свойства строительных материалов

Физико-химические свойства строительных материалов -- спо-собность материалов проявлять (изменять) свои химические свойства в зависимости от своего физического состояния.

4.1 Степень дисперсности и удельная поверхность

Химические превращения вещества обусловливаются разностью внутренних энергий веществ, вступающих в реакцию и веществ – продук-тов реакции. Внутренняя энергия зависит от вида, количества данного ве-щества и от степени его дисперсности. По мере дробления вещества уве-личивается его удельная поверхность S_уд. Дисперсность – величина об-ратная размеру частиц. Однако S_уд величина условная, т.к. зависит от ме-

тода ее определения. Поэтому для сравнения необходимо пользоваться только одним методом и одними размерностями (см²/см³ = см^-1; см²/г):

- по воздухопроницаемости (метод КК – Козенц-Карман) -- внешняя удельная поверхность S׳_уд;

- по адсорбции газа (количество адсорбита, покрывающего насыщен-ным мономолекулярным слоем поверхность частиц порошка) – внутрен-няя удельная поверхность S״_уд.

Отношение внутренней и внешней удельной поверхности определяет степень агрегирования (раздробленности) вещества, т.е. его способ-ность к быстрому протеканию химических процессов.

Химическая активность материала повышается в результате действия двух факторов:

- количественно, т. е. за счет увеличения свободной поверхности

расширяется фронт химической реакции и она протекает более полно и быстрее. Так увеличение S׳_уд у портландцемента марки 400 на 1000 см²/г повышает его марку до 500 за счет более полного прохождения реакции;

- качественно, т.е. за счет увеличения свободной поверхностной энер-гии вещества. Происходит разрушение кристаллической структуры, про-исходит аморфизация, которая повышает химическую активность. Этому способствует также автоклавная обработка материалов.

4.2 Способность строительных материалов к образованию дисперсных систем

Дисперсная система – такая система, в которой вещество находится в состоянии более или менее высокого раздробления (дисперсности) и равномерно распределена в окружающей среде. Она представляет собой совокупность дисперсных частиц (дисперсная фаза), окруженной непре-рывной дисперсионной средой.

Дисперсные системы классифицируются по ряду признаков: а) по фазовому состоянию:

- однофазные (гомогенные) системы – молекулы и ионы. Отсутствует граница раздела между фазой и средой (истинные растворы);

- многофазные (гетерогенные) системы, у которых существует грани-ца раздела фаз. Данная система характеризуется различием свойств в раз-ных областях пространства, занимаемого системой и существованием ре-альных физических поверхностей раздела

б) по размеру частиц дисперсной фазы:

- молекулярные (истинные) системы – в которых имеются гомогенные частицы размером < 10^-7см с S_уд >10⁷ см^-1 ;

- коллоидные системы – высокодисперсное состояние вещества, при

котором отдельные частицы системы являются не молекулами, а агрега-тами, состоящими из множества молекул. Частицы имеют размеры 10^-5…10^-7 см с S_уд =10⁵…10⁷ см^-1;

- тонкодиспеые (микрогетерогенные) системы. Частицы такой систе-мы имеют размеры 10^-4…10^-5 см с S_уд =10³…10⁵ см^-1;

- грубодисперсные системы. Частицы такой системы имеют размеры >10^-4 см с S_уд <10³ см^-1.

в) по наличию взаимодействия между частицами:

- свободнодисперсные системы – бесструктурные системы, в которых

частицы дисперсной фазы не связаны друг с другом в одну сплошную сет-ку и способны независимо друг от друга перемещаться в дисперсионной среде под влиянием теплового движения или силы тяжести. Обладают те-кучестью и другими свойствами жидкости (эмульсии, разбавленные сус-пензии, аэрозоли). Общее название – золь;

- связанно дисперсные системы -- системы, в которых частицы дис-персной фазы связаны друг с другом за счет молекулярных сил, образуя в дисперсионной среде своеобразные пространственные сетки или каркасы (структуры). Они обладают в некоторой степени свойствами твердого тела (концентрированные суспензии, пасты). Общее название – гель.

Переход системы их состояния золь в состояние гель – гелеобразова-ние (коагуляция).

г) по агрегатному состоянию (таблица 2):

д) по способности взаимодействия дисперсной фазы и дисперси-онной среды (данная классификация применима только для систем с жидкой дисперсионной средой):

- обратимые системы, в которых дисперсная фаза растворяется в дисперсионной среде – лиофильные (гидрофильные, если жидкостью яв-ляется вода);

Таблица 2 – Классификация систем по агрегатному состоянию

№	Фаза	Среда	Система
1	Жидкость	Газ	Туман
2	Твердое тело	Газ	Дым, пыль, сажа
3	Газ	Жидкость	Пена
4	Жидкость	Жидкость	Эмульсия, латекс

5	Твердое тело	Жидкость	Суспензия, зол
6	Газ	Твердое тело	Пемза, туф, резина, пено-пласт
7	Твердое тело	Твердое тело	Сплав
8	Жидкость	Твердое тело	Грунты, нитроцеллюлоза
9	Газ	Газ	Истинный раствор

- необратимые системы, в которых дисперсная фаза не растворяется в дисперсионной среде – лиофобные (гидрофобные, если жидкостью явля-ется вода).

Выводы

Применение строительных материалов невозможно без знания их ос-новных свойств. При этом следует отметить, что свойства строительные материалы проявляют только в тех случаях, когда на них воздействуют какие-то факторы.

Каждая группа свойств имеет свои специфики. Следует также отме-тить, что классификация свойств строительных материалов зависит от са-мой классификации строительных материалов. Поэтому эти два раздела не могут существовать отдельно друг от друга.

Борьба за повышение качества строительной продукции неразрывно связана с его оценкой, управлением, контролем и аттестацией. Чтобы управлять качеством, необходимо прежде всего научиться его измерять.

Количественная оценка качества строительной продукции, т.е. опре-деление численных значений показателей качества, применяется для вы-бора оптимального варианта, для изучения динамики совершенствования качества, планирования, контроля и аттестации качества продукции.

Область науки, занимающаяся количественной оценкой качества про-дукции, называется квалиметрией.

В квалиметрии принята специальная терминология, которая примени-тельно к строительным материалам определяется следующим образом

Объект (продукция) – подвергаемые квалиметрическому анализу строительные материалы и изделия независимо от их вида, назначения, состава.

Свойство – характеристика изделия, проявляющаяся в процессе его переработки, применения или эксплуатации.

Простое свойство K_i – свойство изделия, которое нельзя разделить на другие. Например, масса изделия.

Сложное свойство – свойство изделия, которое может быть разделе-но на два и более простых свойств. Например, объем изделия.

Качество – сложное свойство, совокупность всех функциональных и эстетических свойств изделия.

Интегральное качество K^S – наиболее сложное свойство изделия, определяемое совокупностью его качества и экономичности.

Качество материала или изделия можно представить как совокуп-ность отдельных свойств в виде многоуровневой структуры – дерева свойств. На нижнем, нулевом уровне находится интегральное качество, на первом уровне – качество и экономичность, на n-ом уровне – простые свойства. В зависимости от назначения материалов следует правильно оп-

i

ределить значимость (весомость M) каждого простого свойства. K^S = S K_i ^.M_i

Тест для самоконтроля

1. Что понимается под деформациями твердого тела? 1. Образование дефектов тела под нагрузкой.

2. Изменение формы или размеров тела под действием внешних сил. 3. Величина, равная отношению силы к удлинению образца.

4. Величина, равная отношению силы к площади поперечного сечения образ-ца.

2. Что называется относительной деформацией твердого тела? 1. Отношение первоначальной длины образца к конечной длине.

2. Отношение первоначальной длины образца к его абсолютной деформации. 3. Отношение абсолютной деформации образца к его первоначальной длине. 4. Разница между начальным и конечным размерами образца.

3. Какие деформации твердого тела называются пластическими?

1. Остаточные деформации без макроскопических нарушений сплошности тела.

2. Деформации изменения формы и размеров твердого тела, вызванные внут-ренними напряжениями.

3. Остаточные деформации с видимыми нарушениями сплошности тела.

4. Деформации значительные по величине, но исчезающие после снятия на-грузки.

4. Что такое вязкость жидкостей?

1. Свойство жидкостей менять свою текучесть в зависимости от температуры. 2. Свойство жидкостей сохранять постоянную скорость течения под нарас-тающими усилиями сдвига.

3. Свойство жидкостей деформироваться за счет относительного перемеще-ния их слоев.

4. Свойство жидкостей оказывать сопротивление перемещению одного слоя относительно другого.

5.У какого вещества выше удельная теплоемкость?

1. Воздух. 2. Вода.

3. Древесина. 4. Железо.

6. Как влияет влажность материала на его теплопроводность? 1. Повышает.

2. Понижает. 3. Не влияет.

4. У органических материалов повышается, а у неорганических понижается.

7. Что означает понятие «насыщенный раствор»?

1. Раствор с максимально возможным количеством растворителя при данных условиях.

2. Раствор с максимально возможным количеством растворенного вещества при данных условиях.

3. Раствор, концентрация которого такова, что при данных условиях можно растворить еще некоторое количество вещества.

4. Раствор, содержащий точное расчетное количество растворенного вещест-ва при данных условиях.

8.Что означает термин «гомогенизация» растворов? 1. Приготовление растворов заданной концентрации.

2. Приготовление растворов, состоящих из разных по свойствам и составу фаз.

3. Достижение растворами постоянной заданной температуры. 4. Придание растворам однородности состава и строения.

9. Как изменяется масса веществ, принимавших участие в химической реак-ции?

1. Общая масса веществ, вступающих в реакцию, меньше общей массы про-дуктов реакции.

2. Общая масса продуктов реакции всегда меньше общей массы веществ, вступающих в реакцию.

3. Сумма масс исходных соединений равна сумме масс продуктов реакции. 4. Масса каждого вещества, вступающего в реакцию, сохраняется постоян-ной.

10. Как влияет тонкое измельчение вещества на его химическую актив-ность?

1. Понижает активность вещества в химических реакциях. 2. Повышает активность вещества в химических реакциях. 3. Не влияет.

4. Тонкое измельчение вещества может повысить его химическую активность только в присутствии катализатора.

11. Что означает термин «полиморфизм»?

1. Способность некоторых веществ существовать в двух или более кристал-лических формах.

2. Химические реакции, основанные на последовательном присоединении молекул мономеров друг к другу.

3. Химические реакции, протекающие одновременно в двух противополож-ных направлениях.

4. Метод синтеза высокомолекулярных соединений в технологии полимер-ных материалов.

12. В каком агрегатном состоянии вещество не имеет собственной формы, но имеет собственный объем?

1. В твердом кристаллическом. 2. В твердом аморфном.

3. В газообразном. 4. В жидком.

13.Укажите характерный признак вещества в аморфном состоянии. 1. Наличие точки плавления.

2. Неоднородность строения. 3. Изотропность свойств.

4. Анизотропность свойств.

14.Что такое коагуляция?

1.Процесс соединения коллоидных частиц в связанно-дисперсную систему. 2.Процесс разделения коллоидных частиц с образованием свободнодисперс-ной системой.

3.Процесс перемещения коллоидных частиц в дисперсионной среде. 4.Процесс изменения концентрации коллоидного раствора.

15. Зависит ли водопоглощение материала от его пористости? 1. Зависит от общей пористости.

2. Зависит от открытой пористости. 3. Зависит от замкнутой пористости. 4. Не зависит.

16. В каких единицах измеряются относительные деформации? 1. мм.

2. мм/мм. 3. мм/кг. 4. Н/м.

17. Может ли средняя плотность материала равняться его истинной плот-ности?

1. Может, только для пористых материалов. 2. Может, только для плотных материалов. 3. Может, только для сыпучих материалов. 4. Не может.

18. Какой из факторов оказывает наибольшее влияние на теплоустойчи-вость стен и перекрытий здания?

1. Теплопроводность материала. 2. Теплоемкость материала.

3. Прочность материала.

4. Огнеупорность материала.

19. Какую способность материала отражает коэффициент размягчения? 1. Химическую стойкость.

2. Водостойкость.

3. Морозостойкость. 4. Твердость.

20. Может ли водопоглощение материала по массе превышать 100%? 1. Может, только для пористых легких материалов.

2. Не может.

3. Может, только для плотных легких материалов. 4. Может, для любых материалов

ТЕМА 2

ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Методические указания

Широкое использование горных пород для строительства, в том чис-ле и в качестве сырья для производства других главнейших строительных материалов, обусловило необходимость изучения этой группы материа-лов.

Необходимо хорошо знать свойства этой группы материалов, чтобы грамотно использовать их в строительном процессе, или при изготовлении строительных материалов и изделий в заводских условиях.

Для того чтобы знать свойства, нужно изучить состав и строение при-родных материалов, которые, в свою очередь, зависят от условий образо-вания горной породы, используемой для их получения.

При изучении материала целесообразно придерживаться логического ряда: условия образования горной породы – состав и строение – свойства – области и особенности применения.

Чтобы оценить значение тех или иных свойств каменного материала, следует рассмотреть требования, предъявляемые к камню, применяемому для разных частей сооружений.

Необходимо иметь сведения о номенклатуре основных каменных ма-териалов, принципы их разработки и обработки, а также методы повыше-ния долговечности.

В качестве контрольных мероприятий следует изучить вопросы к те-ме и выполнить задания 8…16, 38, 40, 42-44.

Тема считается зачтенной при наборе 20 баллов.

Теоретический материал

Природные каменные материалы получаются в результате не-сложной механической обработки (или без нее) горных пород с сохране-нием их физико-механических и технологических свойств.

Основные способы обработки – раскалывание, распиливание, шлифо-вание, полирование, дробление. Без обработки получают гравий, песок, глину.

Горные породы используют и при получении других материалов (ке-рамические, силикатные расплавы, вяжущие вещества, теплоизоляцион-ные и др.). В этом случае они претерпевают значительные изменения, вплоть до изменения минерального и химического состава.

Горные породы – простые и сложные природные минеральные агре-гаты, образовавшиеся в земной коре под влиянием геологических процес-

сов и слагающие земную кору в виде самостоятельных геологических тел. Они слагают поверхностные слои земной коры и отличаются постоянст-вом химического и минерального составов, структурой, а также опреде-ленными условиями залегания. Различают мономинеральные горные по-роды, состоящие из одного минерала (гипс, ангидрит и т.д.) и полимине-ральные горные породы, состоящие из двух и более минералов (гранит, сиенит, базальт и т.д.).

Минерал – природное химические соединение, однородное по хими-ческому составу, строению и физическим свойствам, являющееся продук-том природных реакций и физико-химических процессов, происходящих на поверхности и в глубинах земли.

Большинство минералов – твердые вещества, но имеются жидкие и газообразные. В природе насчитывается около 3000 минералов, и только около 50 участвуют в образовании горных пород. Они называются поро-дообразующими минералами.

Твердые минералы характеризуются определенными свойствами: прочностью, стойкостью, характером излома, блеском, цветом.

1 Классификация минералов

По химическому составу: силикаты, карбонаты, оксиды и гидро-ксиды, сульфиды, сульфаты, галоиды, фосфаты, вольфраматы, самород-ные (элементы).

По твердости. Оценка производится по шкале Мооса (таблица 3):

- очень твердые минералы имеют твердость от 8 до 10 -- топаз, ко-рунд, алмаз;

- твердые минералы имеют твердость от 6 до 7 – кварцит, полевой шпат, кварц;

- средние минералы имеют твердость от 4 до 5 – флюорит, апатит; - мягкие минералы имеют твердость от 2 до 3 – гипс, ангидрит. Классификация минералов по форме:

- изомерные, которые имеют соизмеримые размеры по ширине, высо-те и длине (пирит, галит);

- столбчатые и игольчатые, которые имеют один из размеров преоб-ладающий (асбест);

- плоские, листоватые и чешуйчатые, которые имеют два размера преобладающие (слюда, графит).

Классификация минералов по цвету: - светлые и темные;

- прозрачные (кварц, мусковит),

- полупрозрачные (гипс, халцедон) - непрозрачные (графит, пирит).

Таблица 3 -- Шкала Мооса

Класс	Минерал	Метод оценки	Микротвердость, МПа
1	Тальк	Легко чертится (скоблится) ногтем	24
2	Гипс	Чертится (царапается) ногтем	360
3	Кальцит	Легко чертится стальным ножом	1090
4	Плавиковый шпат	Чертится стальным ножом под нажимом	1890
5	Апатит	То же, под большим нажимом	5360
6	Ортоклаз	Царапает стекло	8000
7	Кварц	Легко чертит стекло	11200
8	Топаз	Режет стекло. Легко царапает кварц	14270
9	Корунд	Легко царапает топаз	20600
10	Алмаз	Не царапается ничем	100600

По спайности, т.е. способности при раскалывании образовывать ров-ные плоскости -- плоскости спайности:

- весьма совершенная спайность (слюда),

- совершенная спайность (полевой шпат, кварцит), - несовершенная спайность (апатит, оливин),

- весьма несовершенная, т.е. спайность отсутствует (кварц).

Следует отметить, что спайность – свойство отрицательное, т.к. при этом очень трудно получить изделия с развитыми поверхностями.

По плотности:

- легкие минералы, которые имеют плотность менее 2,5 г/см³,

- средние минералы, которые имеют плотность от 2,5 до 4,0 г/см³ - тяжелые минералы, которые имеют плотность более 4,0 г/см³.

2 Породообразующие минералы

Кварц (диоксид кремния SiO₂) – кристаллический минерал. Один из самых прочных (до 2000 МПа) и стойких минералов. Плотность 2,5…2,8 г/см³, кислотостойкий (кроме плавиковой кислоты), твердый (класс 7 по

шкале Мооса), спайность отсутствует. С основаниями образует силикаты

и гидросиликаты. При нагревании с кварцем происходят полиморфные превращения при 575, 870, 1050 и 1400 ^оС. Плавится кварц при 1710 ^оС.

При быстром охлаждении расплава образуется аморфный кремнезем с плотностью 2,3 г/см³. При выветривании образует песок. Цвет различен,

чаще бесцветный, молочно-белый и серый. Цвет определяется наличием и количеством примесей – MgO, CaO, Al₂O₃, Fe₂O₃. Прозрачный кварц – гор-ный хрусталь, фиолетовый – аметист, черный – морион. Дымчатый кварц (сливной) имеет включения игольчатых кристаллов рутила, асбеста, хло-рита и др. Водный кремнезем (опал) содержит химически связанной воды от 2 до 14%. Скрытокристаллический кварц – халцедон.

Полевые шпаты – самые распространенные минералы магматиче-ских горных пород и представляют собой алюмосиликаты калия, натрия и кальция или их смеси. Прочность 100…170 МПа. Имеют невысокую атмо-сферостойкость (при разрушении образует глину и каолинит). Твердость 6,0…6,5. Спайность совершенная по двум направлениям.

Главными разновидностями полевых шпатов являются ортоклаз и плагиоклаз.

3

Ортоклаз (алюмосиликат калия K₂OAL₂O₃6SiO₂) – прямо раскалы-вающийся полевой шпат, плотностью 2,5…2,6 г/см .

Плагиоклаз – косо раскалывающийся полевой шпат. Разновидности плагиоклаза: альбит (алюмосиликат натрия Na₂OAL₂O₃6SiO₂) содержится в кислых горных породах (гранит, порфир), анортит (алюмосиликат каль-ция CaOAL₂O₃2SiO₂) содержится в основных горных породах (габбро, ба-зальт) и их смеси.

Слюды представляют собой водные алюмосиликаты сложного и раз-нообразного составов. Имеют пластинчатое листовое строение, понижен-ную прочность и стойкость. Различают две разновидности слюды: муско-вит – калиевая слюда (прозрачная светлоокрашенная) и биотит – магне-зиально-железистая слюда (черная непрозрачная). Кроме того, в природе имеются и гидрослюды - гидромусковит и гидробиотит (вермикулит).

Железисто-магнезиальные (темноокрашенные) минералы. Имеют сложный химический состав, в основном соединения железа и магния. Прочность до 400 МПа. Высокая атмосферостойкость, большая ударная вязкость.

- пироксены (авгиты) – метасиликаты магния или железа. Непрозрач-

ны. Цвет от темно-зеленого до черного. Твердость 5…7. Плотность 3,2…3,6 г/см³. Содержатся в изверженных горных породах.

- амфиболы (роговая обманка) – двоякий, двойственный. Цвет от тем-

но-зеленого до черного, имеет совершенную спайность в двух направле-ниях. Твердость 5-6. Плотность 2,8…3,5 г/см³. Содержатся в магматиче-

ских и метаморфических горных породах.

- оливин – зеленый, малостойкий минерал. Имеет раковистый излом. Под действием воды, кислорода и углекислоты увеличивается в объеме и переходит в серпентин (магнезиальный силикат), разновидность которого

хризотил-асбест применяется в цементной промышленности. Имеет несо-вершенную спайность. Твердость 6-7, плотность 3,2…4,4 г/см³. Содержит-

ся в ультраосновных магматических породах.

Карбонаты (углекислые соли). Являются основным сырьем для по-лучения вяжущих веществ и огнеупоров:

- кальцит (известковый шпат) CaCO₃. По распространенности третий

после полевого шпата и кварца. Блеск стеклянный, имеет 3 плоскости спайности. Твердость 3, плотность 2,7…2,8 г/см³. Под действием соляной

кислоты вскипает. Образует горные породы – известняк, мрамор;

3

- магнезит MgCO Близок к кальциту, но тяжелее (плотность 2,9…3,1 г/см³) и тверже (3-4). Содержится в одноименных горных осадочных по-

родах;

- доломит CaCO₃MgCO₃ занимает промежуточное положение между кальцитом и магнезитом. Содержится в осадочных горных породах;

4

- барит (тяжелый шпат) BaSO . Твердость 3,0…3,5. Плотность 4,3…4,7 г/см³. Блеск перламутровый до стеклянного. Прозрачный до про-

свечивающего. Цвет – серовато-белый, желтый, розовый. Хрупкий. Спай-ность совершенная. Содержится в осадочных горных породах.

Сульфаты (сернокислые соли). Являются основным сырьем для по-

лучения вяжущих веществ:

- гипс CaSO₄2H₂O. Цвет белый. Плотность 2,3 г/см³, твердость 2. Блеск стеклянный до перламутрового. Спайность весьма совершенная в

одном направлении. Волокнистый гипс состоит из вытянутых нитей, на-правленных перпендикулярно к поверхности. Зернистый гипс имеет строение мелкокристаллическое, плотное. Наиболее чистые, белые и твер-дые сорта похожи на мрамор, но более просвечивающие. Под названием алебастр используется для скульптур, мозаик. Шпатовый гипс (селенит) – встречается редко: кристаллы больше, чем у зернистого гипса. В древно-сти использовали для остекления. Содержится в осадочных горных поро-

дах.

- ангидрит (безводный гипс) CaSO₄. Плотность 2,8…3,0 г/см³, твер-дость 3,0…3,5. Под действием воды постепенно переходит в гипс. Цвет от

красновато-белого до серого. Блеск стеклянный. Применяется для скульп-турных работ. Содержится в осадочных горных породах.

3 Классификация горных пород