Лекция № 1

Основные свойства строительных материалов

1. Классификация свойств строительных материалов.

2. Взаимосвязь между составом, структурой, свойствами и применением материалов.

3. Понятие марки в строительном материаловедении.

4. Свойства строительных материалов

а) физические

в) механические

б) химические и физико-химические

в) технологические

г) общие эксплуатационные

Классификация строительных материалов

Существует несколько классификаций используемых в строительном материаловедении

1. Общая классификация по виду используемого сырья и методу обработки.

а) минеральные

б) органические

в) смешанные

Кроме того, в каждой группе материалы могут подразделяться по виду технологической переработки.

1. механическая обработка

2. термическая обработка

3. химико-термическая обработка

4. металлургическая обработка

2. По степени переработки и готовности материалов.

а) полуфабрикаты или продукты готовые для дальнейшего использования

б) материалы

в) изделия

г) конструкции

д) сооружения или объекты строительства

3. Подразделение по конструктивным свойствам

а) конструктивные материалы – основная функция переносить нагрузки

б) конструктивно – отделочные

в) самонесущие

Взаимосвязь между составом, структурой, свойствами и применением

материалов.

Знание строения строительного материала необходимо для понимания его свойств и в конечном итоге для решения практи­ческого вопроса, где и как применить материал, чтобы получить наибольший технико-экономический эффект.

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.

Макроструктура твердых строительных материалов* может быть следующих типов: конгломератная, ячеистая, мелкопорис­тая, волокнистая, слоистая, рыхлозернистая (порошкообразная).

Искусственные конгломераты - это обширная группа, объе­диняющая бетоны различного вида, ряд керамических и других материалов.

Ячеистая структура характеризуется наличием макропор, свойственных газо- и пенобетонам, ячеистым пластмассам.

Мелкопористая структура свойственна, например, керамиче­ским материалам, поризованным способами высокого водозатворения и введением выгорающих добавок.

Волокнистая структура присуща древесине, стеклопласти­кам, изделиям из минеральной ваты и др. Ее особенностью явля­ется резкое различие прочности, теплопроводности и других свойств вдоль и поперек волокон.

Слоистая структура отчетливо выражена у рулонных, лис­товых, плитных материалов, в частности у пластмасс со слоистым наполнителем (бумопласта, текстолита и др.).

Рыхло-зернистые материалы - это заполнители для бетона, зернистые и порошкообразные материалы для мастичной тепло­изоляции, засыпок и др.

Микроструктура веществ, составляющих материал, может быть кристаллическая и аморфная. Кристаллические и аморфные формы нередко являются лишь различными состояниями одного и того же вещества. Примером служит кристаллический кварц и различные аморфные формы кремнезема. Аморфная форма вещества может перейти в более устойчивую кристаллическую форму.

Практическое значение для природных и искусственных ма­териалов имеет явление полиморфизма - когда одно и то же веще­ство способно существовать в различных кристаллических фор­мах, называемых модификациями. Наблюдаются, например, по­лиморфные превращения кварца, сопровождающиеся изменением объема.

Особенностью кристаллического вещества является опреде­ленная температура плавления (при постоянном давлении) и оп­ределенная геометрическая форма кристаллов каждой его моди­фикации.

Свойства монокристаллов неодинаковы в разных направле­ниях. Это механическая прочность, теплопроводность, скорость растворения, электропроводность и др. Явление анизотропии яв­ляется следствием особенностей внутреннего строения кристал­лов.

В строительстве применяют поликристаллические каменные материалы, в которых разные кристаллы ориентированы беспо­рядочно. Подобные материалы рассматриваются как изотропные по своим строительно-техническим свойствам. Исключение со­ставляют слоистые каменные материалы (гнейсы, сланцы и др.).

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 и твердость, не водостойки.

В сложных кристаллах, часто встречающихся в строительных материалах (кальцит, полевые шпаты), осуществляются и ковалентная и ионная связи. Внутри сложного иона СО связь ковалентная, но сам он имеет с ионами Са²⁺ ионную связь. Свойства подобных материалов весьма разнообразны. Кальцит СаСОз при достаточно высокой прочности обладает малой твердостью. У полевых шпатов сочетаются довольно высокие показатели проч­ности и твердости, хотя и уступающие кристаллам алмаза с чисто ковалентной связью.

Молекулярные кристаллические решетки и соответствующие им молекулярные связи образуются преимущественно в кристал­лах тех веществ, в молекулах которых связи являются ковалент-ными. Кристалл этих веществ построен из целых молекул, кото­рые удерживаются друг около друга сравнительно слабыми ван-дер-ваальсовыми силами межмолекулярного притяжения (как в кристаллах льда). При нагревании связи между молекулами легко разрушаются, поэтому вещества с молекулярными решетками обладают низкими температурами плавления.

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.

Состав и свойства

Строительный материал характеризуется химическим, мине­ральным и фазовым составом.

Химический состав строительных материалов позволяет су­дить о ряде свойств материала; огнестойкости атмосферостойкости, 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. Например, в портландцементе содержание трехкальциевого силиката составляет 45-60%, причем при большем его количестве ускоряется твердение, повышается прочность це­ментного камня.

Фазовый состав материала указывает на содержание фаз входящих в состав материала и фазовые переходы. Например жидкая и твердые фазы.

Методы оценки состава и структуры

Свойства материалов в значительной степени определяются его составом и поровой структурой. Поэтому для получения ма­териалов с заданными свойствами важно иметь четкие представ­ления о процессах формирования структуры и возникающих но­вообразований, что изучается на микро и молекулярно-ионном уровне.

Петрографический метод используется для исследо­вания различных материалов: цементного клинкера, цементного камня, бетонов, стекла, огнеупоров, шлаков, керамики и т.д. Ме­тод световой микроскопии направлен на определение характер­ных для каждого минерала оптических свойств, которые опреде­ляются его внутренним строением. Главные оптические свойства минералов - показатели светопреломления, сила двойного пре­ломления, осность, оптический знак, цвет и др. Существует не­сколько модификаций данного метода: поляризационная микро­скопия предназначена для изучения образцов в виде порошков в специальных иммерсионных аппаратах (иммерсионные жидкости обладают определенными показателями светопреломления); мик­роскопия в проходящем свете - для изучения прозрачных шлифов материалов; микроскопия в отраженном свете - полированных шлифов. Для проведения этих исследований применяют поляри­зационные микроскопы.

Электронная микроскопия применяется для ис­следования тонкокристаллической массы. Современные элек­тронные микроскопы имеют полезное увеличение до 300000 раз, что позволяет видеть частицы размером 0,3-0,5 нм (1 нм = 10^-9 м). Такое глубокое проникновение в мир малых частиц стало воз­можным благодаря использования в микроскопии электронных лучей, волны которых во много раз короче видимого света.

С помощью электронного микроскопа можно изучить: форму и размеры отдельных субмикроскопических кристаллов; процес­сы роста и разрушения кристаллов; процессы диффузии; фазовые превращения при термической обработке и охлаждении; меха­низм деформации и разрушения.

В последнее время применяются растровые (сканирующие) электронные микроскопы. Это прибор, в основу которого поло­жен телевизионный принцип развертки тонкого пучка электронов (или ионов) на поверхности исследуемого образца. Пучок элек­тронов взаимодействует с веществом, вследствие чего возникает целый ряд физических явлений, регистрируя датчиками излучения и подавая сигналы на кинескоп, получают рельефную картину изображения поверхности образца на экране.

Рентгенографический анализ - это метод ис­следования строения и состава вещества путем эксперименталь­ного изучения дифракции рентгеновских лучей в этом веществе. Рентгеновские лучи представляют собой такие же поперечные электромагнитные колебания, как видимый свет, но с более ко­роткими волнами (длина волны 0,05-0,25 ∙ 10^-9 м). Получают их в рентгеновской трубке в результате столкновения катодных элек­тронов с анодом при большой разности потенциалов. Приме­нение рентгеновского излучения для исследования кристалли­ческих веществ основано на том, что его длина волны со­поставима с межатомными расстояниями в кристаллической решетке вещества, которая является естественной дифракцион­ной решеткой для рентгеновских лучей.

Понятие марки

В материаловедении это одно из наиболее общих понятий, обычно его используют в нормативных технических документах.

Марка – это обычно условная безразмерная величина, которая отражает параметр материала, характеризующий его основное свойство, определенное по стандартным методикам.

Обычно в ГОСТах в разделе «технические условия» приводится маркировка материала, а в разделе «методы испытания» - методика определения этих свойств, например, у бетона важная характеристика прочность, и по этой характеристике устанавливают марки. Например, М-100 означает, что прочность этого бетона не меньше 100 кгс/см². Наряду с понятием марки используют также понятие класс, тип, сорт.

Свойства строительных материалов

Используется различная классификация свойств. Мы используем приведённую ниже, наиболее приемлемую для строительства классификацию.

Физические свойства

В ряду физических свойств кроме параметров состояния (плотность, пустотность, пористость) выделяют, гидро-тепло-физические характеристики – это влажность, гидроскопичность, водопоглощение (по массе или по объему), коэффициент водонасыщения, влагоотдача, водонепроницаемость или водопроницаемость, паро- и газопроницаемость, водостойкость материала.

Параметры состояния

Любой материал используемый в строительстве состоит из 3-х фаз. Основными параметрами и структурными характеристиками является

1) естественная или средняя плотность материала

2) истинная или абсолютная плотность

3) насыпная плотность – определяется для сыпучих материалов

4) пористость твердого материала в естественном состоянии:

5) пустотность материала

6) закрытая пористость П_з не может быть определена в испытаниях. Определяется по расчету

П_з = П_п – П_о

П_п – общая пористость материала

П_о – открытая пористость, доступная для заливания водой

П_о обычно определяют по водопоглощению материала

Чем П_о > П_з от общего объема пор, тем выше морозостойкость и долговечность материала

Гидрофизические свойства

Гигроскопичность – свойство капиллярно-пористого материала поглощать водяной пар из воздуха.

Водопоглощение – характеризует способность материала поглощать воду.

Водостойкость – характеризует способность материала сохранять механические свойства после длительного насыщения водой. Характеризуется коэффициентом водостойкости или размягчения. Обычно у водостойких материалов К_р ≥ 0,9

коэффициент размягчения

R_вл – прочность материала в водонасыщенном состоянии

R_сух – в сухом состоянии

Водонепроницаемость – способность материала не пропускать воду.

Влажностные деформации – способность материала изменять объем и размеры при изменении влажности (усадка или усушка, набухание)

Морозостойкость – этот параметр является одной из характеристик долговечности материала и определяется количеством циклов замораживания, оттаивания. После которого материал теряет по массе не более 5%, а по прочности (от 5 до 15%).

По морозостойкости устанавливаются марки

F100 – значит 100 циклов.

Морозостойкость можно также оценить по коэффициенту морозостойкости:

R_мрз - прочность материала после замораживания, оттаивания, к максимальной прочности.

Теплофизические свойства

Теплопроводность ( ) – свойство материала передавать теплоту одной поверхности другой. Она характеризует теплозащитные свойства материала. Оценивается количеством тепла проходящим через образец материала площадью 1 м² и толщиной 1 м за 1 час при разности температур на противоположных плоскопараллельных плоскостях образца в 1 °С [Вт/(м °С)].

Теплопроводность воздуха 0,023, а воды 0,58 Вт/(м °С).

Термическое сопротивление

- толщина, - теплопроводность.

Теплоёмкость – количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг данного материала, чтобы повысить его температуру на 1 °С.

Огнестойкость – характеризует способность материала сопротивляться действию огня при пожаре в течение определённого времени. Измеряется в часах. Потому признаку материалы условно подразделяю на:

1. сгораемые

2. трудно-сгораемые

3. несгораемые

Огенупорность – характеризует способность материала выдерживать длительное воздействие высоких температур, не разрушаясь и не деформируясь. Материалы подразделяют на:

легкоплавкие t_пл < 1350 ⁰C

тугоплавкие t_пл > 1350 ⁰C

огнеупорные t_пл > 1580 ⁰C

Механические свойства

Их подразделяют на прочностные и деформативные:

Прочностные свойства:

Предел прочности при сжатии

Предел прочности при растяжении

Предел прочности при изгибе.

Ударная прочность (ударная вязкость).

Коэффициент конструктивного качества характеризует конструктивные свойства материалов.

R – предел прочности, - естественная плотность материала.

Истираемость.

m₁-m₂ – потери массы материала при стандартном истирании; F(V) – площадь или объём материала.

Износ – свойство сопротивляться одновременному действию ударов и истиранию. Определяется свойство износа:

показывает процент дробления материла по массе.

Твердость – свойство материала сопротивляться местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него другого более твердого тела.

Деформативные свойства:

Упруготь – свойство материала после нагрузки восстанавливать первоначальную форму и объём. Упругие материалы подчиняются в работе закону Гука. Для них характерным является показатель модуль упругости Е

Ряд материалов обладают упругопластическими свойствами.

Пластичность – способность материала изменять свою форму и размер под действием нагрузок и не восстанавливать их после снятия нагрузки.

Ползучесть – свойство тел непрерывно деформироваться в течение длительного времени с пластическими деформациями. Оценивается по величине деформации в заданный срок. Для характеристики используют кривую ползучести. Обычно ползучесть характерна для материалов во влажном состоянии или при определённых температурах эксплуатации.

Химические и физико-химические свойства

Химическая коррозионная стойкость. Определяется по изменению свойств во времени при действии химически активных сред.

Дисперсность. Степень измельчения материала. Определяется по тонкости помола путём просеивания через сито. Также может определяться на приборе ПСХ-2 по величине суммарной поверхности частиц приходящейся на 1 грамм.

Контракция – характеризует изменение объёма материала, происходящее при взаимодействии химических фаз в химических реакциях.

Адгезия – это свойство материала сцепляться с поверхностью другого по составу материала. Определяется испытанием на отрыв.

Когезия – свойство материала быть прочным и характеризуется внутренним сцеплением между частицами материала. Определяется испытанием на отрыв.

Твердение – характеризует способность вязких материалов изменять физико-механические свойства в результате происходящих физико-химических процессов.

Технологические свойства.

К ним относят свойства которые важны и проявляются в процессе изготовления материалов.

Формуемость, т.е. способность материала приобретать заданную форму и размеры при минимальных энергозатратах. Например, у цементного бетона ее характеризуют показатели жесткости, подвижности, связанности.

Нераслаиваемость – это свойство не отделять воду и не изменять однородность при механических воздействиях.

Дробимость – это свойство материала делиться на части при ударах.

Вязкость. Часто используется понятие условной вязкости, например для дорожных битумов.

Слеживаемость – это свойство рыхлых смесей комковаться. (образовывать флокулы)

Известно много других технологических свойств: ковкость, свариваемость, спекаемость, укрывистость, и т.д.

Общие эксплуатационные свойства:

Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с предусмотренными перерывами на ремонт. Предельное состояние определяется степенью разрушения изделия, в соответствии с требованиями безопасности или экономическими соображениями. Измеряется сроком службы в годах без потери эксплуатационных свойств.

Например для ж/б конструкций предусмотрено три степени долговечности:

I до 100 лет

II до 50 лет

III до 20 лет

Надёжность – характеризует проявление всех необходимых свойств изделия в процессе эксплуатации. Обычно включает в себя долговечность, безотказность, ремонтопригодность, сохраняемость.

Отказ – событие, при котором система или элемент полностью теряет работоспособность или когда один из элементов системы выходит за пределы допусков.

Ремонтопригодность – характеризует приспособленность системы к восстановлению в результате выявления и устранения дефектов или отказов.

Безотказность – свойство изделий сохранять работоспособность в пределах установленных режимов и условий работы без вынужденных перерывов на ремонт.

Лекция 2