3 Билет

1в: Состав и свойства

Строительный материал характеризуется хим., мнеральным и фазовым составом.

Химический состав строительных материалов позволяет судить о ряде свойств материала: огнестойкости, биостойкости, механических и других технических характеристиках. Хим 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 (3CaO·SiО₂) составляет 45-60%, причем при большем его количестве ускоряется твердение, повышается прочность це­ментного камня.

Фазовый состав материала и фазовые переходы воды, находящиеся в его порах, оказывают влияние на все св-ва 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 мех и тепломеханические свойства материала. Увеличение же объема замерзающей в порах воды вызывает внутренние напряжения, способные разрушить материал при повторных циклах замораживания и оттаивания.

2в: портландцемент

Портландцемент (ПЦ) – это гидравлическое вяжущее, в составе которого преобладают силикаты кальция (70-80 %), и получаемое путем совместного тонкого помола клинкера и гипса, твердеющих в воде и на воздухе.

Клинкер получают обжигом до спекания сырьевой смеси состава, обеспечивающего преобладания силикатов кальция. Сырьевая смесь состоит в основном из СаСО₃ (мел, известняк) и алюмосиликатов (глин, мергеля, доменных шлаков). Добавка гипса в количестве 3-5% регулирует сроки схватывания ПЦ. Он замедляет начало схватывания и повышает прочность цементного камня в ранние сроки. От минерального состава клинкера во многом зависит качество ПЦ. Добавки же, вводимые в ПЦ, лишь регулируют его свойства. Наряду с обычным портландцементом (без добавок), обозначаемым индексом ПЦ Д0, выпускают ПЦ с минеральными добавками – ПЦ Д5 и ПЦ Д20.

ПЦ состоит в основном из, % по массе: СаО – 64…67 ; SiO₂ -21…25; Al₂o₃ – 4…8; Fe₂O₃ – 2…4. Могут присутствовать МgO, TiO₂, щелочи и др. Оксиды, взаимодействуя между собой в процессе обжига, образуют клинкерные минералы:

Алит – 3CaOSiO₂ (С₃S) – 45-65 % - самый важный минерал клинкера, определяющий быстроту твердения, прочность и др. свойства ПЦ (затвердевают в течение 7 суток).

Белит - 2CaOSiO₂ (С₂S) – 14-30 % - второй по значимости и содержанию минерал клинкера, медленно твердеет, но в конечном итоге достигает высокой прочности (затвердевает в течение 28 суток).

Трехкальциевый алюминат – 3СаОАl₂О₃ (С₃А)– 4-12 % - имеет небольшую прочность, очень быстро гидратируется, является причиной сульфатной коррозии бетона.

Четырехкальциевый алюминат - 4СаОАl₂О₃Fе₂О₃ (С₄АF) – 10-12 % - по скорости твердения и гидратации занимают промежуточное положение между алитом и С₃А. играет роль весьма не существенную в повышении прочности цементного камня.

Могут также в клинкере присутствовать свободные СаО и МgО, повышенное содержание которых может привести к разрушению затвердевшего камня.

Твердение портландцемента. При затворении портландцемента водой сначала образуется пластичное клейкое цементное тесто, которое затем постепенно густеет, переходя в камневидное состояние. Твердение и есть процесс превращения цементного теста в цементный камень. Реакции присоединения воды к клинкерным минералам называют реакциями гидратации, а реакции разложения клинкерных минералов под действием воды на другие соединения - реакциями гидролиза.

Свойства пц

Средняя плотность пц в рыхлом состоянии равна 1000 - 1100 кг/м³, а в уплотненном – 1,40– 1,70 г/см³. Истинная плотность портландцемента 3,05 - 3,15 г/см³.

Тонкость помола цемента характеризуется остатком на сите №008 не более 15% или удельной поверхностью - величиной поверхности зерен (в см) в 1 г цемента. Удельная поверхность пц должна быть 2500 - 3000 см²/г. С увеличением тонкости помола цемента до 4000 - 4500 см²/г возрастает скорость твердения и повышается прочность цементного камня.

Водопотребность пц определяется количеством воды (в %), которое необходимо для получения цементного теста нормальной густоты, т. е. заданной стандартной пластичности Водопотребность пц обычно колеблется в пределах 22 - 26% и зависит от минералогического состава и тонкости помола..

Нормальной густотой цементного теста считается его консистенция, при которой игла прибора Вика, погружаясь, не доходит до дна (стекла) кольца на 5 - 7 мм.

Сроки схватывания цементного теста нормальной густоты определяют на приборе Вика по глубине проникания иглы. Начало схв должно наступить не ранее чем через 45 мин, а конец - не позднее 10 ч от начала затворения. У пц обычно н\с наступает через 1- 2 ч, а конец - через 4 - 6 ч. На сроки схватывания пц влияют его минералогический состав, тонкость помола и другие факторы.

Равномерность изменения объема цемента устанавливают на образцах-лепешках, изготовленных из цементного теста нормальной густоты, при кипячении их в воде и выдерживании над паром. Цемент считают доброкачественным, если на лицевой стороне лепешек, подвергнутых испытаниям, нет радиальных, доходящих до краев трещин или сетки мелких трещин, видимых в лупу или невооруженным глазом, а также каких-либо искривлений.

Прочность пц характеризуется его маркой. Марку ц устанавливают по пределу прочности при изгибе образцов призм размером 40х40х х160 мм и при сжатии их половинок из цементно-песчаного раствора состава 1:3 (по массе) на стандартном вольском песке при В/Ц=0,4 и испытанных через 28 сут. Предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут называют активностью цемента, по ее величине устанавливают марку цемента

Применение портландцемента. Портландцемент используют в качестве вяжущего при изготовлении монолитного и сборного бетона и железобетона. Изделия и конструкции, изготовленные на портландцементе, можно применять в надземных, подземных и подводных условиях, а также в случае попеременного воздействия воды и отрицательных температур.

3в: Закалка заключается в нагреве стали до температур, превышающих температуру фазовых превращений, выдержке при этой температуре и последующем быстром охлаждении. Цель закалки – получение высокой твердости (структуры мартенсит) и прочности. При этом снижается вязкость и пластичность.

Основное требование к охлаждающей среде – быстрое охлаждение в области температур наименьшей устойчивости аустенита и медленное в области температур мартенситного превращения, чтобы снизить закалочные напряжения. Для достижения высокой скорости охлаждения закаливаемые детали из углеродистой стали погружают в воду. Легированные стали охлаждают в минеральном масле, т.к. у них критическая скорость закалки (наименьшая скорость, при которой образуется мартенсит) ниже. Для уменьшения внутренних напряжений применяют закалку в двух средах, при которой деталь охлаждают сначала в воде при температуре 300…400ºС, а затем в масле.

Минимальная скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит без структур перлитного типа, называется критической скоростью закалки. В результате закалки из аустенита образуется неустойчивая форма мартенсит (пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-Fе). Характеристики процесса закалки – закаливаемость и прокаливаемость стали.

Закаливаемость – способность стали приобретать высокую твердость в результате закалки. Чем больше содержание углерода в стали, тем выше твердость после закалки. Стали с низким содержанием углерода (до 0,3 %) практически не закаливаются и закалка для них не применяется.

Прокаливаемость – способность стали образовывать на определенной глубине структуру мартенсит. На прокаливаемость влияет содержание углерода и легирующих элементов. Легированные стали обладают более высокой прокаливаемостью, чем углеродистые.

Отпуск – следует за закалкой и заключается в нагреве стали до определенной температуры (ниже точки А_с1 - 727ºС), выдержке и охлаждении (быстрого или медленного). Цель отпуска – снятие закалочных напряжений и придание стали заданных свойств прочности, твердости и пластичности (получение более равновесной по сравнению с мартенситом структуры).

Основной процесс, происходящий при отпуске – распад мартенсита, т.е. выделение углерода из пересыщенного твердого раствора в виде карбида железа. Также происходит распад остаточного аустенита. Сталь переводится в ферритно-цементитную структуру. Этот процесс как бы обратный закалке.

Низкий отпуск – при температуре 200-250ºС, охлаждение на воздухе; средний – при 350-500ºС, охлаждение в воде; высокий отпуск – при 500-600ºС.

В результате высокого отпуска твердость и прочность снижаются значительно, но сильно возрастают вязкость и пластичность и получается оптимальное для конструкционных сталей сочетание механических свойств. Происходит полное снятие закалочных напряжений. При этом мартенсит распадается на более крупную, чем при среднем отпуске, смесь феррита и цементита, называемую сорбитом. Структура стали – сорбит отпуска с зернистым строением цементита. Применяется для деталей, подвергающихся действию высоких нагрузок. Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска называется улучшением. Она является основным видом обработки конструкционных материалов.