2. Конспект лекций по дисциплине «Строительные материалы» для направления подготовки 270800.62 «Строительство» по профилю «Водоснабжение и водоотведение»(дистанционное обучение студентов заочной формы)

2. 1 Строение и свойства строительных материалов. Понятие о композиционных строительных материалах.

Материаловедение - наука, изучающая связь состава, строения и свойств материалов, а также закономерности их изменения при физико-химических, физических, механических и других воздействиях.

Требования, предъявляемые к строительным материалам

Как при создании строительных материалов, так и при их выборе при проектировании, решаются две задачи (находящиеся в диалектическом противоречии):

- повышение качества (показателями которого являются физико-механические свойства, долговечность, эстетичность и т.д.);

- уменьшение себестоимости (в общих сметах строительного объекта на стоимость материалов обычно приходится 50-65%).

Структура строительных материалов:

Строительные материалы разнообразны по вещественному составу и свойствам. Материалы, имеющие одинаковый вещественный состав могут отличаться по свойствам. С другой стороны материалы, отличающиеся по вещественному составу, могут иметь общие свойства.

Различие и общность свойств разнообразных по составу материалов, обусловлены их структурой.

Структура материала – это его строение, определяемое величиной, формой и взаиморасположением структурных составляющих.

Структурные составляющие - атомы, ионы, молекулы, твердые частицы различной дисперсности и пространства между частицами, которые называют порами. Поры могут быть заполнены жидкой или газообразной фазой.

Знание структуры 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.

Структура строительного материала определяется свойствами веществ, из которых состоит материал и условий образования (для природных материалов) или технологии производства и обработки (для искусственных материалов).

Строение материала изучают на трёх уровнях:

1. Макроструктура — строение, видимое невооружённым глазом;

Макроструктура твердых строительных материалов может быть следующих типов:

-конгломератная (бетоны),

-ячеистая (газо- и пенобетоны),

-мелкопористая (поризованные керамические материалы),

-волокнистая (древесина, минеральная вата),

-слоистая (рулонные материалы, пластмассы со слоистым наполнителем (текстолит)),

-рыхлозернистая (заполнители для бетона).

2. Микроструктура — строение, видимое в оптический микроскоп;

По микроструктуре вещества подразделяются:

- аморфные;

- кристаллические (фиксированная температура плавления, анизотропия свойств);

3. Внутреннее строение веществ, обусловленное взаимным расположением атомов, ионов, молекул.

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 ковалентными. 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.

Состав материалов

Строительные материалы характеризуются химическим, мине­ралогическим и фазовым составом.

Химический состав позволяет су­дить о ряде свойств материала: огнестойкости, биостойкости, механических и других технических характеристиках. Химиче­ский состав неорганических веществ (цемента, извести и др.) и каменных материалов выражают количеством содержа­щихся в них оксидов (%). 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 (3СаO∙SiO₃) составляет 45-60%.

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 замерзает, то образовавшийся в по­рах лед изменяет механические и тепломеханические свойства материала. Увеличение объема замерзающей в порах воды вызывает внутренние напряжения, способные разрушить матери­ал при повторных циклах замораживания и оттаивания.

Методы оценки состава и структуры строительных материалов разделяются на химические (полный химический анализ, химический анализ минералов, экспресс-методы), структурно-механические (пластометрия, вискозиметрия), физико-химические (рентгеновские, спектральные, оптические).

Основные свойства строительных материалов

Свойства строительных материалов разделяют на физические, механические и технологические.

Физические свойства строительных материалов можно подразделить на свойства, характеризующие особенности физического состояния материалов (истинная плотность, средняя плотность, насыпная плотность, пористость), свойства, определяющие отношение материалов к различным физическим процессам (гигроскопичность, капиллярное всасывание, водопоглощение, водопроницаемость, водонепроницаемость, влагоотдача, влажностные деформации, паропроницаемость и газопроницаемость, морозостойкость, теплопроводность, теплоемкость, огнеупорность, огнестойкость, радиационная стойкость).

Механические свойства включают деформативные (упругость, пластичность, хрупкость) прочностные (пределы прочности при сжатии, растяжении, изгибе, ударная прочность, твердость, истираемость).

Технологические свойства (формуемость, измельчаемость, распиливаемость, гвоздимость, полируемость, ковкость, свариваемость, жидкотекучесть).

Физические свойства

1. Истинная плотность - масса единицы объёма в абсолютно плотном состоянии (без пор).

=m/V_с, где:

m — масса материала;

V_с — объём материала в абсолютно плотном состоянии.

измеряется в г/см³, кг/м³.

Один из способов определения — с помощью колбы Ле-Шателье-Кандло (рис.1).

Рис.1. Колба Ле-Шателье-Кандло

Истинную плотность материала вычисляют с точностью до 0,01 г/см³:

_СТАЛЬ  7,85…7,86 г/см³; _КИРПИЧ  2,60…2,65 г/см³; _{ДРЕВЕС.}  1,52…1,54 г/см³.

2.Средняя плотность (объёмный вес, объёмная масса, плотность материала)- масса единицы объёма материала в естественном состоянии (вместе с порами).

^о=m/V, где:

m — масса материала в естественном состоянии;

V — объём материала.

V≥V_С; ^о≤

^о_СТАЛЬ  7,85…7,86 г/см³;

^о_КИРПИЧ  1,60…1,90 г/см³;

^о_СОСНА.  0,47…0,54 г/см³.

3.Пористость-степень заполнения объёма материала порами

П=V_П/V×100%

3.1. Интегральная (истинная, общая, суммарная) пористость

П=(1-^о/) 100% П=П_откр.+П_закр.

3.2. Закрытая пористость (условно-замкнутые поры)

3.3. Открытая пористость

Многие свойства материалов определяются их пористой структурой. Размеры пор, их общий объем, относительное расположение различных по величине пор оказывают существенное влияние на свойства материала и его отношение к воде. Основные свойства пористых строительных материалов, которые зависят от параметров (гигроскопичность, капиллярный подсос, водопоглощение, усадка и набухание, водопроницаемость, морозостойкость, теплопроводность, средняя плотность, прочность, водостойкость).

4.Водопоглощение

Свойство материала поглощать и удерживать воду при непосредственном соприкосновении с ней.

4.1. По массе: , где

m_нас — масса материала в водонасыщенном состоянии;

m_сух — масса материала в сухом состоянии;

4.2. По объёму:

, где

V — объём материала.

5.Теплопроводность - свойство материала передавать тепло от одной поверхности к другой

Показателем теплопроводности материала служит коэффициент теплопроводности, Вт/(м ºС):

Формула Некрасова оценивает коэффициент теплопроводности приближённо, т.к. теплопроводность так же зависит от геометрии, размера пор, состава скелета и др.

6.Морозостойкость- свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание без значительных признаков разрушения и снижения прочности.

Численно оценивается циклами и, соответственно, маркой по морозостойкости (F400).

За марку по морозостойкости принимают число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы материала без снижения прочности и массы на регламентированную для данного материалу величину (для бетонов на 3 и 5% соответственно)

7.Водонепроницаемость- способность материала не пропускать воду под давлением.

Характеризуется маркой, обозначающей одностороннее гидростатическое давление, при котором образец не пропускает воду в условиях стандартного испытания.

W-2, W-4, W-6, … , W-12

цифры — давление в атмосферах, которое выдерживается в бетонах при стандартном методе испытаний

8. Цвет, вкус, запах и др.

Механические свойства

1. Прочность при сжатии

Прочность — свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами.

R _СЖ=P_РАЗР/F, где

F — площадь поперечного сечения образца;

Р_РАЗР — разрушающая нагрузка.

Единицы измерения — МПа, кгс/см²

Для определения прочности для конкретного материала приняты стандартные образцы.

2. Прочность при осевом растяжении

R _Р = Р_разр/F_O

F_O — первоначальная площадь поперечного сечения образца

3. Прочность при изгибе

R _И=M/W

M — изгибающий момент;

W — момент сопротивления.

4. Прочность при ударе

R_УД=А/V

А — работа, затраченная на разрушение стандартного образца;

V — объём стандартного образца.

Образец — цилиндр.

R_УД=m(1+2+3+…+n)/V;

m — масса молота, кг (2 кг);

n — порядковый номер удара, разрушившего образец

5. Коэффициент размягчения

Характеризует водостойкость материала: К_Р=R_В/R_С

R _В — прочность материала, насыщенного водой;

R_С — прочность сухого материала.

Природные и искусственные каменные материалы не применяются для изготовления строительных конструкций, находящихся в воде, если их К_Р < 0,8.

6. Коэффициент конструктивного качества

ККК = R_СЖ/^о

R_СЖ — прочность при сжатии;

^о — средняя плотность.

ККК численно равен длине образца единичного сечения, который может выдержать без разрушения свой собственный вес.

7. Упругость

Упругость — свойство материала принимать после снятия нагрузки первоначальную форму и размеры.

8. Пластичность

Пластичность — свойство материала необратимо изменять форму или размеры под действием внешних сил, не разрушаясь.

9. Хрупкость

Хрупкость — свойство материала разрушаться при небольшой деформации.

10. Относительная деформация

ε=∆l/l

∆l — абсолютная деформация;

l — первоначальный линейный размер образца.

11. Модуль упругости

Закон Гука: ε=σ/Е

Теоретическая прочность

Теоретическая прочность характеризуется напряжением, необходимым для разделения двух примыкающих друг к другу слоев атомов.

В реальных материалах присутствуют дефекты различного уровня: молекулярные, поры, трещины, вследствие чего фактическая прочность значительно ниже, чем теоретическая.

Сталь: теор. прочность — 30 000 МПа, реальная — 400 МПа;

Стекло: теор. прочность — 14 000 МПа, реальная — 70…140 МПа;

Композиционные строительные материалы

Одной из основных задач строительного материаловедения является создание поликомпонентных (композиционных) материалов с заданными свойствами. Композиционные материалы состоят из матрицы и армирующего компонента.

Большинство строительных материалов можно рассматривать как композиционные, которые включают различные по физическим свойствам или по химическому составу компоненты или фазы.

Характерными признаками композиционных материалов считают:

1 – гетерогенность и многофазность;

2 – поликомпонентность;

3 – существование поверхностей раздела между отдельными компонентами и фазами;

4 – отличие физико-технических свойств композиционных материалов от свойств их составляющих;

5 – неоднородность в микромасштабе и однородность в макромасштабе;

6 – состав, форма и распределение компонентов запроектированы заранее.

Общая классификация композиционных строительных материалов

Строительные композиционные материалы могут быть классифицированы в зависимости от их происхождения, назначения, состава (с учетом вида вяжущего вещества, размеров и вида армирующих компонентов), технологии получения и способа твердения, например по:

- происхождению: композиты природные и композиты синтезированные;

- назначению: конструкционные, изоляционные, отделочные и композиты, которые имеют специальные физические и химические свойства;

- типу матрицы: неметаллические (полимерные, керамические, стеклянные, неорганические, органические), металлические, полупроводниковые;

- форме и размеру компонентов, которые используются для армирования: порошки, частички, гранулы (дисперсное армирование); волокна; пластины; трехмерные каркасы;

- виду армирующего компонента: макродисперсные (порошковые, зернистые) – краски, растворы, бетоны; волокнистые – изделия на основе минеральной ваты, армоцементы, фибробетоны; слоистые (пластинчатые) – фанера; скелетные – железобетонные изделия;

- структуре и размещению компонентов: дисперсноупрочненные материалы и хаотично армированные короткими (дискретными) частичками игольчатой формы (короткие волокна, нитевидные кристаллы – усы), которые ориентированы в пространстве случайно (при этом композиционные материалы являются анизотропными в микрообъеме, но изотропными в объеме изделия); анизотропные материалы, в которых, волокна (пластины) ориентированы в определенном направлении;

- по виду вяжущего вещества: материалы, полученные на основе органических вяжущих (полимерные) и неорганических вяжущих (портландцементные, гипсовые, глиноземистые, шлакощелочные).